1. 배경 소개

부유는 본질적으로 다상 유동장의 작용 하에 입자의 물리적, 화학적 성질 차이에 따른 운동 차이에 의해 유도되는 분리 공정입니다. 효율적인 계면 분류 기술로서, 광물 가공, 폐수 처리, 종이 탈묵, 타르 모래 추출, 플라스틱 재활용 등과 같은 산업 공정에서 널리 사용되었습니다. 부유 공정 동안, 분산된 기포와 입자는 유체 역학적 작용 하에 서로 충돌합니다. 기포와 입자 사이의 액체 필름이 얇아지고 터지면, 둘은 입자-기포 응집체를 형성하여 부력 작용 하에 거품층까지 떠올라 농축물이 되거나, 입자-기포 계면이 불안정하여 탈착이 발생합니다. 이론적으로, 입자가 포획될 확률은 주로 입자와 기포 사이의 충돌 확률, 접착 확률, 분리 확률에 따라 달라집니다. 따라서 기포와 입자 사이의 상호 작용을 연구하는 것은 부유 공정을 향상시키는 데 중요합니다.

그림 1--부유 원리

2. 연구 내용

중국 광업 및 기술 대학 화학 공학과의 Jiang 교수 연구팀은 Revealer 고속 카메라를 사용하여 균일하고 불균일한 고체 표면에서 기포의 확산 과정을 추적했습니다. 주사 전자 현미경(SEM), 적외선 분광기 및 접촉각 측정기를 사용하여 고체 표면의 물리적 및 화학적 구조적 특성을 분석했습니다. 또한 MATLAB 소프트웨어를 사용하여 3상 라인 확산 메커니즘과 균일하고 불균일한 고체 표면 모두에서 가스-액체 계면 형태의 진화 패턴을 탐구했습니다.

고체 표면에서 단일 거품의 동적 확산 과정을 정확하게 관찰하기 위해 이미지 2에 표시된 것과 같은 실험 시스템을 구축했습니다. 이미지 수집 부분은 컴퓨터에 연결된 Revealer 고속 카메라(5F01, 1280X1024@2000fps)로 구성됩니다. 정밀 XYZ 위치 조정기는 관찰 영역이 Revealer 고속 카메라의 촬영 범위 내에 있도록 보장하여 실험의 안정성과 신뢰성을 보장합니다.

그림 2-- 실험 시스템의 개략도

실험 테스트 장치의 기밀성을 확인한 후, 관찰 탱크에 탈이온수를 추가합니다. 광원과 고속 카메라를 조정하여 거품이 고체 표면 바로 아래에 위치하고 컴퓨터 수집 창에 명확하게 표시됩니다. 바늘 끝과 고체 표면 사이의 거리를 제어하여 거품 확산의 초기 모양과 크기를 일관되게 유지하기 위해 노력합니다. 거품 확산의 전체 과정은 Revealer 고속 카메라로 기록되며, 캡처 속도는 9200fps이고 노출 속도는 100μs입니다. 각 실험 세트는 최소 3번 반복됩니다.

3. 연구 결론

버블 확산 실험의 결과는 3상 습윤 경계가 주로 빠른 확산과 느린 확산의 두 단계를 거쳤다는 것을 보여주었습니다. 빠른 확산 단계에서 3상 라인의 시공간적 진화는 보편적인 자기 유사 행동 특성을 보입니다. 반면 느린 확산 단계 동안 3상 라인의 운동 특성은 고체 계면의 특성과 밀접한 관련이 있습니다.

그림 3-- 다양한 고체 표면에서 거품이 동적으로 퍼지는 과정.

고체 표면의 물리화학적 구조에 대한 분석을 바탕으로, 균질/불균질 고체 표면의 소수성이 좋을수록 기포에 대한 인력이 커지고 3상 선이 길어진다는 결론을 내릴 수 있습니다. 반면 고체 표면이 불규칙할수록, 기공/홈이 많을수록 퍼짐 과정 중 3상 선의 길이, 기포의 최대 폭 및 해당 위치에 미치는 영향이 커집니다. 요약하자면, 입자-기포 접착 과정 중 3상 선의 퍼짐 거동은 고체 표면의 물리적, 화학적 구조와 균일성과 밀접한 관련이 있습니다.

4. 산업 응용 분야 요약

고속 카메라는 항상 거품 연구에 강력한 도구였습니다. Revealer의 X 시리즈 및 M 시리즈 고속 카메라는 캐비테이션 거품, 거품 역학, 유체 기계 거품, 다상 유동 거품 및 거품 생성 및 붕괴 메커니즘에 대한 연구에서 광범위한 사례 경험을 보유하고 있습니다. 그들은 당신에게 전문적인 솔루션을 제공할 수 있습니다. 상담을 환영합니다!(Jiang Xiaofeng 등이 Journal of Coal Science and Chemical Engineering Science에 발표한 "고속 역학에 기반한 거품 확산 공정의 동적 거동에 대한 연구" 기사에서 발췌).