1.버블 확산 과정의 역학에 관한 연구

고체 표면에서 거품이 퍼지는 것은 광물 부유 및 자체 세척 표면과 같은 자연 및 산업 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다. 퍼지는 초기 단계에서 접촉선은 빠르고 작은 규모로 움직이며, 이는 실험 연구에 상당한 과제를 제시합니다. 중국 광업 및 기술 대학의 연구팀은 천 개의 눈 울프 고속 카메라 기술을 사용하여 균일한 고체(테프론, 아크릴, 유리, 스테인리스 스틸) 및 이질적인 고체(갈탄 및 무연탄)에서 거품이 퍼지는 과정을 추적하고, 거품이 퍼지는 동적 거동을 연구하고 가스-액체 계면 형태의 진화 패턴을 추가로 관찰했습니다. (자세한 내용은 "고속 역학에 기반한 거품이 퍼지는 과정의 동적 거동에 대한 연구"를 참조하십시오.)

2. 실험 방법

연구팀은 고체 표면에서 단일 거품의 동적 확산 과정을 정확하게 관찰하기 위해 그림 1과 같이 시각화 실험 시스템을 구축했습니다. 이 시스템은 관찰 탱크, 거품 생성, 고속 이미지 획득 및 광원으로 구성됩니다. 이미지 획득 부분은 컴퓨터에 연결된 Revealer 고속 카메라로 구성됩니다.

그림 1-- 실험 시스템 개략도

마이크로인젝션 펌프를 조정하여 1μL/min의 속도로 거품을 천천히 생성하고 바늘 끝과 고체 표면 사이의 거리를 제어하여 퍼지는 거품의 초기 모양과 크기를 유지하려고 합니다. 거품이 고체 표면에 닿으려고 할 때 가스 주입을 멈춥니다. 거품이 고체 표면에 닿으면 자발적으로 퍼집니다. 거품이 퍼지는 전체 과정은 9200fps의 캡처 속도로 고속 카메라로 기록하고 각 실험을 3번 반복합니다. 소프트웨어를 사용하여 고속 카메라로 촬영한 이미지를 정량적으로 처리하여 고체 표면에서 퍼지는 거품의 3상선 길이 L, 최대 폭 W 및 해당 위치 H와 같은 매개변수를 얻습니다.

3.실험 분석

1/3. 버블 접착 및 확산 공정

가스 주입이 멈춘 후, 물 탱크의 스테인리스 스틸 바늘 끝에 있는 기포는 관성 하에서 천천히 고체 기판에 접촉한 후 확산 거동이 이어진다.그림 2는 서로 다른 고체 표면에서 기포의 접촉 및 확산 과정을 보여주는데, 여기서 빨간색과 녹색 선은 각각 고체 표면의 기준선과 기포의 기하학적 중심의 연결선을 나타낸다.기포가 고체 표면에 접근한 후, 먼저 액체 배수 과정을 거친다.기포와 고체 사이의 액체 필름이 파열되면 3상 라인 확장 과정이 즉시 시작된다.기포가 고체 표면에서 퍼지기 시작하는 순간을 t=0ms로 선택했다.그림 2에서 테프론, 스테인리스 스틸, 아크릴, 유리 기판의 기포는 매우 짧은 시간에 더 넓은 영역으로 퍼진 후 확산 속도가 안정화될 때까지 느려지는 것을 볼 수 있다.

그림 2-- 다양한 고체 표면에서 거품이 동적으로 퍼지는 과정.

그림 2(ad)에서, 거품이 균일한 고체 표면에서 t=0~15ms 이내에 퍼지면서 3상 접촉선이 빠르게 확장되는 것을 관찰할 수 있습니다. 이 단계는 빠른 확산 단계라고 합니다. 그 후, 3상 접촉선의 움직임은 최대 확장에 이를 때까지 느려지는데, 이 단계는 느린 확산 단계라고 합니다. 그림 2(ef)에서, 앞서 언급한 4개의 균일한 샘플과 비교했을 때, 석탄 샘플 표면은 다른 샘플보다 3상선 확산 길이가 더 짧고 확산 시간이 훨씬 더 깁니다. 그림 2(af)의 녹색 점선에서, 3상선의 확장과 함께 균질한 고체 표면에서 거품의 기하학적 중심 위치가 점차 위쪽으로 이동하고, 거품 모양이 처음에는 구형 근사에서 상단이 잘린 타원형 모양으로 진화하는 것이 분명합니다. 갈탄이나 무연탄과 같은 이질 물질의 경우, 거품의 기하학적 중심 위치에 약간의 변동이 있지만, 거품의 전반적인 모양은 거의 구형을 유지합니다.

2/3. 버블 확산 역학

거품과 고체 표면 사이의 액체 필름이 얇아지고 파열되면 3상 접촉선이 형성되기 시작합니다. 계면 장력의 불균형으로 인해 3상 접촉선은 지속적으로 바깥쪽으로 확장되어 기체상 확산 및 고체상 액체 변위 현상이 발생합니다. 3상 접촉선이 길수록 고체 표면이 거품에서 액체를 변위하는 능력이 강해집니다. 시간에 따른 다양한 균질 고체 표면에서 거품의 확산 길이 L의 진화는 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3-- 시간(t)에 따른 균일한 고체 표면의 3상 선로 길이(L)의 변화. 삽입 그림은 이중 대수 플롯을 보여 줍니다.

위의 이미지에서 3상 라인의 동작 과정은 두 단계로 구성되어 있음을 알 수 있습니다. ① 빠른 확산 단계(t≤15ms), 여기서는 서로 다른 고체 표면에서의 기포 확산 과정이 보편적인 자기 유사 행동을 보이는데, 이는 3상 접촉 라인이 액체 필름이 끊어진 후 매우 짧은 시간 내에 더 긴 길이로 확장되고 이 과정은 고체 표면의 초기 조건과 무관함을 의미합니다. ② 느린 확산 단계(t>15ms), 여기서는 고체 표면의 형태, 화학 성분, 미세 구조, 젖음성과 같은 물리적, 화학적 특성의 차이로 인해 기포 확산 과정이 고유한 특성을 갖습니다. 3상 라인의 최종 확산 길이는 테프론 > 스테인리스 스틸 > 플렉시글라스 > 유리 순서입니다.

그림 4-- 시간(t)에 따른 갈탄과 무연탄 표면의 3상 선 길이(L)의 변화. 삽입 그림은 이중 대수 그래프를 보여 줍니다.

그림 4는 시간에 따른 갈탄과 무연탄 표면의 3상 라인 확산 길이 L의 진화를 보여줍니다. 갈탄 표면의 3상 라인 길이 진화 곡선은 균질 고체와 비교하여 상당한 차이를 보이는 반면, 무연탄 표면의 3상 라인 길이의 진화 패턴은 균질 고체의 패턴에 더 가깝습니다. 갈탄과 무연탄 표면에 꾸준히 확산되는 기포의 최종 3상 라인 길이는 균질 고체의 평균보다 약 50% 짧습니다. 여러 번 반복된 실험 후, 갈탄 표면의 3상 라인의 움직임은 여러 가지 변동 특성을 보입니다. 이는 기포가 갈탄과 무연탄 표면에 확산되는 시간이 균질 고체 표면보다 적어도 두 자릿수 더 길고, 갈탄 표면의 기포는 느린 확산 단계에서 더 큰 휘발성을 갖는다는 것을 나타냅니다.

그림 5 - 다양한 고체 표면의 겉보기 접촉각

그림 5에서 보듯이 고체 표면의 겉보기 접촉각은 다음과 같습니다. 테프론 > 무연탄 > 스테인리스 스틸 > 플렉시글라스 > 유리 > 갈탄. 4개의 균질 고체 표면의 액체 방울의 접촉각은 3상 라인 확산 길이와 동일한 패턴을 따르고, 이질 갈탄과 무연탄의 접촉각도 3상 라인 확산 길이와 일치합니다. 이는 젖음성이 고체 표면의 기포 확산 과정에 영향을 미치는 중요한 요인임을 나타냅니다.

고체 표면의 젖음성은 미세한 형태와 화학적 구성에 의해 결정됩니다. 그림 6(a)에서 보듯이 매끄럽고 균질한 고체 표면에서 거품은 먼저 가스와 고체 사이의 액체 필름을 대체하고, 액체 필름이 파열된 후 3상 접촉 선은 확산 과정이 끝날 때까지 점차적으로 대칭적으로 바깥쪽으로 확장됩니다.

갈탄 및 무연탄과 같은 이질적인 고체 표면은 거칠고 균열이 있으며, 물에 담그면 미세 및 나노 크기의 기포가 표면이나 기공 내에 존재합니다(그림 6(b) 참조). 기포와 석탄 시료 표면 사이의 액체 필름이 지속적으로 얇아짐에 따라 기포가 표면이나 균열에 있는 더 작은 기포와 합쳐져 3상 선의 움직임에 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 앞서 언급한 갈탄 표면의 기포 면적이 약간 증가한 이유일 수도 있습니다. 또한 석탄 시료 표면의 유기 및 무기 물질의 혼합물은 서로 다른 친수성/소수성 부위를 초래하고, 고르지 않은 표면 지형은 비균일한 거칠기를 유발하여 3상 선의 움직임 동안 고정 효과가 발생하여 비대칭적인 움직임으로 이어집니다. 따라서 석탄 시료 표면의 고정 효과와 기포의 합쳐짐이 균질한 고체 표면에서 3상 선의 움직임 패턴과 크게 다르다는 것을 추론할 수 있습니다.

3/3. 확산 공정 중 가스-액체 계면의 변형

그림 7-- 확산 과정 동안 거품의 최대 폭(W)과 해당 위치(H)의 변화.

3상 라인이 확장됨에 따라, 주로 기체와 액체 상 간의 상호 작용으로 인해 거품의 윤곽과 기하학적 중심이 모두 변합니다. 균일한 고체 표면에서 퍼지는 거품의 최대 폭 W는 시간에 따라 동적으로 변합니다(그림 7(a) 참조). 거품이 고체 표면에서 빠르게 퍼지기 시작하면 최대 폭 W가 갑자기 감소합니다. 거품이 퍼지기 시작한 후 그림 7(a)에서 뚜렷한 오목한 영역을 볼 수 있으며, 이는 퍼지는 동안 3상 라인의 길이가 빠르게 증가하는 것과 상응합니다. W가 가장 낮은 지점에 도달하면 빠른 확산 프로세스가 끝나고 느린 확산 단계가 이어집니다. 느린 확산 단계에서 최대 폭 W는 점차 증가하여 안정적인 값이 됩니다. 유리 및 아크릴 표면에서 W는 빠르게 평형에 도달하고 W의 최종 변화가 작은 반면, 테프론 및 스테인리스 스틸 표면에서는 W가 평형에 도달하는 데 더 오래 걸리고 W의 최종 변화가 더 큽니다. 거품의 최대 폭 W의 변화는 3상 라인이 거품 내의 유체 재분배와 함께 이동한다는 것을 나타냅니다.

갈탄과 무연탄의 동적 확산 과정 동안 기포의 최대 폭 W의 진화는 이미지 7(b)에 나와 있습니다. 탈습 과정 동안 석탄 샘플 표면의 기포의 최대 폭 W는 변동을 보이지만 일반적으로 상승 추세를 보입니다. 이는 고체 표면의 화학적 구조 및 미세 형태와 관련이 있을 수 있습니다. 석탄 등급이 낮을수록 표면 거칠기가 커지고 물에 담그면 표면 홈에 더 많은 마이크로나노스케일 기포가 존재하고 기공에 흡착된 가스가 존재합니다. 표면 마이크로나노스케일 기포가 확산 기포와 합쳐지면 기포의 부피가 증가하여 폭에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 석탄 표면의 물리적 또는 화학적 구조의 불균일성은 3상 라인의 이동 동안 기포의 가장 넓은 부분에서 불안정성을 유발합니다.

3상 라인의 확장 과정에서 최대 폭 W는 기포의 측면 특성을 반영합니다. 기포의 종방향 특성을 탐색하기 위해 기포의 위치 H는 최대 폭 지점과 고체 기준선 사이의 거리로 정의됩니다. 균질 고체의 경우 기포의 위치 H는 시간이 지남에 따라 급격히 감소한 후 점차 안정된 값으로 감소하여 3상 라인 길이 L과 기포의 최대 폭 W의 변화 패턴과 일치합니다. 갈탄과 무연탄 표면에서 시간에 따른 기포 위치 H의 변화는 덜 두드러지며 일반적으로 진폭이 작은 변동하는 느린 감소를 보입니다. 이미지 8에서 볼 수 있듯이 소프트웨어를 사용하여 기포 등고선을 추출하면 3상 라인이 확장됨에 따라 기포의 위치 H가 점차 고체 표면을 향해 위로 이동하며 테프론 및 스테인리스 스틸 표면에서 가장 큰 위로 이동하고 갈탄 및 무연탄 표면에서 가장 적게 이동하는 것을 직관적으로 관찰할 수 있습니다.

가스-액체 계면에서의 상호작용은 3상 라인이 퍼짐에 따라 변하며, 이는 고체 표면의 습윤 특성과 밀접한 관련이 있습니다. 고체 표면의 소수성이 강할수록 수화 필름이 더 안정적이고, 확장 능력이 더 크고, 액체 필름이 더 멀리 변위되므로 3상 라인의 퍼짐이 더 길어지고 가스-액체 계면의 변형이 더 커집니다. 그러나 비균질한 고체 표면은 친수성 및 소수성 부위가 다르고 국소적 미세 구조적 차이가 커서 3상 라인 이동과 가스-액체 계면 진화에 복잡한 패턴이 나타납니다.

4. 실험적 결론

(1) 기포 확산 공정 동안 3상 라인은 주로 빠른 확산 단계와 느린 확산 단계를 거칩니다. 빠른 확산 단계는 자기 유사 행동 특성을 나타내는 반면 느린 단계는 고체 표면 형태, 화학 성분, 미세 구조 및 젖음성과 같은 특성의 영향을 받습니다.

(2) 고체 표면의 젖음성은 기포 확산 거동에 영향을 미치는 중요한 요인입니다. 석탄 샘플 표면의 비균일한 젖음성은 기포 확산 거동이 균질 고체의 기포 확산 거동과 크게 다른 근본적인 이유입니다. 석탄 샘플 표면의 3상 라인 확산 길이는 균질 고체의 확산 길이보다 약 50% 짧고 확산 시간은 적어도 두 자릿수 더 깁니다.

(3) 균일한 고체 표면의 경우, 3상 라인의 빠른 확산 단계는 지수 b=1/2인 거듭제곱 법칙 모델을 따르며, 표면 장력과 관성력이 지배적입니다. 느린 확산 단계는 지수 b=1/10인 거듭제곱 법칙 모델을 따르며, 표면 장력과 점성력이 지배적입니다. 석탄 샘플 표면의 경우, 3상 라인의 빠른 확산 단계도 지수 b=1/2인 거듭제곱 법칙 모델을 따릅니다.

(4) 3상 라인의 확장으로 기체와 액체 상 사이의 상호 작용은 기체-액체 계면에 변화를 일으키며, 특히 균질한 고체 표면에서 그렇다. 석탄 샘플 표면은 물리적 또는 화학적 구조적 이질성으로 인해 기체 통합 및 고정 효과가 발생하여 기체-액체 계면에 소규모 변동이 발생한다.

5. 결론

이 실험은 고속 카메라를 사용하여 거품 확산 과정을 시각화하고, 고체 표면 특성이 거품 확산 거동에 미치는 영향을 조사하고, 3상 라인의 운동 메커니즘과 가스-액체 계면 형태의 진화 규칙을 조사했습니다. 이는 입자-기포 접착 과정과 입자-기포 플록 계면 구조의 안정성에 대한 더 깊은 이해를 위한 이론적 토대를 마련합니다.