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농도 분극 현상에서의 이온의 흐름과 pH 변화의 가시화
Visualization of Ion Transport and pH Change in Ion Concentration Polarization 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.8 no.4, 2010년, pp.38 - 42  

고성희 (포항공과대학교 기계공학과 대학원) ,  강관형 (포항공과대학교 기계공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Ion concentration polarization is an electrokinetic phenomenon which occurs in membrane systems, such as in an electrodialysis and fuel-cell system. But the phenomenon is not fully understood because hydrodynamics, electrokinetics and electrochemistry are coupled with each other. Here, we report tha...

주제어

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문제 정의

  • 특히, 생화학에서는 용액 pH값에 따라 바이오 물질의 성질이 바뀌므로, 용액 pH값의 변화는 반드시 고려가 되어야 하는 실험 요소이다. 그래서 본 연구를 통해 이온 농도 분극 현상에서 pH 값의 변화 유무, 변화 양상 그리고 변화 원인을 고찰하였다.
  • 양극 영역에서 나피온 부근에서는 이온 농도가 감소하는 영역을 이온 결핍 영역(ion depletion region), 음극 영역에서 이온 농도가 증가하는 영역을 이온 과다 영역(ion enrichment region)이라고 한다. 본 연구에서는 이온의 흐름을 파악하기 위해서 음전하로 대전된 추적자를 썼지만, 양전하로 대전된 추적자를 써도 이와 동일한 현상을 관찰할 수 있다(8).

가설 설정

  • 4(c)와 4(d)는 양극영역과 음극영역에서 발생되는 현상을 세밀히 관찰하기 위해 Fig. 4(b)를 확대시킨 것이다.
  • 1) 이온 농도 분극 현상에서 확산(diffusion), 표류(drift) 그리고 유동(fluid flow)과 같은 요소들이 복합적으로 연계되어 있다. 2) 이온 농도 구배(ion concentration gradient)와 전기장의 분포가 시간에 따라 변한다. 3) 이온 농도 분극 현상은 매크로, 마이크로 그리고 나노 스케일이 합쳐진 멀티 스케일(multiscale) 시스템에서 발생되기 때문에, 실험적으로 시스템 내의 유체의 거동 및 이온 농도의 특성을 알아내는 것이 쉬운 일은 아니다.
  • 3) 이온 농도 분극 현상은 매크로, 마이크로 그리고 나노 스케일이 합쳐진 멀티 스케일(multiscale) 시스템에서 발생되기 때문에, 실험적으로 시스템 내의 유체의 거동 및 이온 농도의 특성을 알아내는 것이 쉬운 일은 아니다. 4) 일반적으로 미세유체역학 시스템에 적용되는 모델들이 이온 농도 분극 현상에는 바로 적용될 수 없다. 5) 이러한 이유들에 의해서 시스템 해석을 위한 모델링에 어려움이 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
이온 농도 분극 현상이란? 이온 농도 분극(ion concentration polarization) 현상은 나노 크기의 홀을 가진 막(nanoporous membrane) 시스템에서 관찰되는 전기동역학 현상이다(1). 막의 내부에 존재하는 홀의 크기가 전기 이중층(electrical double layer)의 두께와 비슷하고, 막 시스템에 전압을 가했을 때, 막의 벽면 전하와 같은 부호의 전하를 가진 이온들(co-ions)은 막을 통과 하지 못하고, 벽면 전하와 반대 부호의 전하를 가진 이온들(counterions)은 막을 통과한다.
이온 농도 분극이란? 막의 내부에 존재하는 홀의 크기가 전기 이중층(electrical double layer)의 두께와 비슷하고, 막 시스템에 전압을 가했을 때, 막의 벽면 전하와 같은 부호의 전하를 가진 이온들(co-ions)은 막을 통과 하지 못하고, 벽면 전하와 반대 부호의 전하를 가진 이온들(counterions)은 막을 통과한다. 막을 기준으로 양극(anode)과 음극(cathode)에 이온 농도의 변화가 발생하는데, 이를 이온 농도 분극이라고 한다(1).
전기동역학 농축 장치 어느 분야에서 활용 될 수 있는가? 이온 농도 분극 현상을 이용한 전기동역학 농축 장치는(electrokinetic trapping concentrator)는 생체분자의 농도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 물질의 화학적 특성에 관계없이 농축이 가능하며, 분자의 막힘(molecule clogging)이 발생되지 않는다(2). 또한 바이오 물질 검출뿐만 아니라, 해수담수화, 마이크로 믹서와 같은 다양한 분야에서 활용 될 수 있다(3,4).
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참고문헌 (8)

  1. Probstein, R. F., 1994, Physicochemical Hydrodynamics: 

  2. Kim, S. J., Song, Y.-A., and Han, J., 2010, “Nanofluidic 

  3. Kim, S. J., Ko, S. H., Kang, K. H. and Han, J., 

  4. Kim, D., Raj, A., Zhu, L., Masel, R. I., and Shannon, 

  5. Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., and 

  6. Kim, S. J., and Han, J., 2008, “Self-Sealed Vertical 

  7. Lee, J. H., Song, Y.-A., and Han, J., 2008, “Multiplexed 

  8. Yossifon, G., Mushenheim, P., Chang, Y.-C., and Chang, 

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