[논문]이미지 분석시스템을 이용한 부선컬럼에서 기포크기의 측정

안기선; 전호석; 박철현

doi:10.7844/kirr.2020.29.6.104

이미지 분석시스템을 이용한 부선컬럼에서 기포크기의 측정
Measurement of Bubble Size in Flotation Column using Image Analysis System 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.29 no.6, 2020년, pp.104 - 113

안기선 (조선대학교 에너지자원공학과) , 전호석 (한국지질자원연구원 광물자원연구본부) , 박철현 (조선대학교 에너지자원공학과)

초록
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기포크기는 컬럼부선에서 기포체류시간, 기포표면적플럭스(Sb) 및 운송율(Cr)에 영향을 미치는 중요 변수로 인식되고 있다. 본 논문은 부선컬럼에서 기포크기의 측정방법, 가동변수들의 관계 그리고 가스분산특성을 논한다. 기포크기는 고속카메라와 이미지 분석 시스템을 이용하여 가동변수들(가스속도, 세척수속도, 기포제농도)의 조건에 따라 부선컬럼에서 직접적으로 측정되었다. 각 측정과 산정된 기포크기 값들을 비교한 관계식이 ±15~20의 오차범위 내에서 도출되었고 평균 기포크기(Sauter mean diameter)는 0.718mm로 확인되었다. 본 시스템으로부터 기포크기 및 분포를 조절할 수 있는 경험식이 가동조건들(Jg: 0.65~1.3cm/s, JW: 0.13~0.52cm/s, frother concentration: 60~200ppm) 하에서 개발되었다. 기포제농도의 증가는 표면장면과 기포크기를 감소시킨다. 임계병합농도는 표면장력이 가장 낮은 49.24mN/m일 때인 기포제농도 200ppm이라고 판단된다. 공기속도의 감소, 기포제농도 및 세척수속도의 증가에 따라 기포크기가 감소하는 경향을 보였다. 가스홀드업은 가스속도와 비례관계에 있으며 고정된 가스속도 조건에서 기포제농도 및 세척수속도와 비례관계였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Bubble size in froth flotation has long been recognized as a key factor which affects the bubble residence time, the bubble surface area flux (Sb) and the carrying rate (Cr). This paper presents method of bubble size measurement, relationship between operating variables and gas dispersion properties in flotation column. Using high speed camera and image analysis system, bubble size has been directly measured as a function of operating parameters (e.g., superficial gas rate (Jg), superficial wash water rate (Jw), frother concentration) in flotation column. Relationship compared to measured and estimated bubble size was obtained within error ranges of ±15~20% and mean bubble size was 0.718mm. From this system the empirical relationship to control the bubble size and distribution has been developed under operating conditions such as Jg of 0.65~1.3cm/s, Jw of 0.13~0.52cm/s and frother concentration of 60~200ppm. Surface tension and bubble size decreased as frother concentration increased. It seemed that critical coalescence concentration (CCC) of bubbles was 200ppm so that surface tension was the lowest (49.24mN/m) at frother concentration of 200ppm. Bubble size tend to increase when superficial gas rate (Jg) decreases and superficial wash water rate Jw and frother concentration increase. Gas holdup is proportional to superficial gas rate as well as frother concentration and superficial wash water rate (at the fixed superficial gas rate).

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Measurement of gas holdup by manometer method.
그림 Fig. 2. Flotation column and bubble size measurement system.
그림 Fig. 3. Image analysis system of bubble size using ZEISS program.
그림 Fig. 4. Effect of frother (pine oil) concentration on bubble size (J_g = 0.65cm/s).
표 Table 1. Surface tension for frother concentration (pine oil)
그림 Fig. 5. Bubble size distribution at different concentration of pine oil.
그림 Fig. 6. Bubble size versus superficial gas rate.
그림 Fig. 7. Gas holdup versus superficial gas rate.
그림 Fig. 8. Relationship of bubble size versus bubble rise velocity.
그림 Fig. 9. Bubble size versus superficial wash water rate.
그림 Fig. 10. Bubble size distribution at different superficial wash water rate.
그림 Fig. 11. Relationship of measured and estimated bubble size in porous type column (J_g: 0.65~1.3cm/s, J_W: 0.13~0.52cm/s, frother concentration: 60~200ppm).

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 부선컬럼의 주요인자인 기포크기의 측 정방법, 관련된 가동변수의 관계 및 가스분산특성 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 초고속카메라 및 제이스(ZEISS) 이미 지 분석 시스템을 이용해 컬럼내 기포크기를 측정 및 평가 하고자 하였다. 이를 통해 부선컬럼의 체계(Regime)를 유 지하고 부선효율을 제어할 수 있는 기포크기와 분포, 가 동변수의 관계 및 가스분산특성을 평가하였다.
또한 부선컬럼 내의 포집대에서 급광과 함께 하향류의 세기 및 흐름을 좌우하는 컬럼 체계 (regime)의 유지 및 믹싱(mixing)에 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 포집대 내에서 세척수와 가스속도 및 기포 크기의 관계를 조사하였다.

제안 방법

1. 포러스타입의 부선컬럼에서 초고속카메라/제이스(ZEISS) 이미지 분석 시스템을 이용한 기포크기의 실제측정값 과 표류유동식 및 간섭침강식을 이용한 기포크기의 산 정값을 통해 기포크기 및 분포의 회귀식을 도출하였다.
기포제는 물의 표면장력을 낮추고 기포의 형성, 분포 및 유지에 중요한 역할을 한다. 따라서 기포제 농도에 따 른 표면장력과 기포크기를 측정하였다. 먼저 기포제 농도 의 변화에 따른 물의 표면장력 측정결과를 Table 1에 나타내었다.
표면장력의 측정은 Du nouy 방식이 적용된 Attension社(측정단위, mN/m)의 장치가 이용 되었다. 본 장치의 표면장력 측정은 용액의 표면으로부터 백금으로 이루어진 Du nouy링을 들어올릴 때 발생하는 장력을 통해 이루어지며 5회 반복 측정 후 평균값을 사용하였다.
실험 조건은 가스속도 0.65~1.3cm/s, 세척수속도 0.13~ 0.52cm/s, 기포제 농도 60~200ppm이었으며 기포제 용액 공급속도는 0.54cm/s로 고정하고 조건에 따라 첨가 농도를 변화시켰다. 한편 모든 매스 발런스 즉, 공급과 배출은 유량계를 이용하여 측정하였으며 이후 컬럼의 단면적과 시간에 따른 속도로 나타내었다.
이후 컬럼체 계의 유지를 위한 안정화 시간을 부여하였다. 안정화된 컬럼내부의 포집대에 대해 초고속 촬영하였으며 이때 일정한 스케일의 사진이미지를 얻기 위해 컬럼과 카메라의 거리는 20cm 간격을 두었다. 촬영된 사진의 기포크기는 앞선 언급된 ZEISS 이미지분석 프로그램을 사용하여 기 포크기를 측정하였다.
본 연구에서는 초고속카메라 및 제이스(ZEISS) 이미 지 분석 시스템을 이용해 컬럼내 기포크기를 측정 및 평가 하고자 하였다. 이를 통해 부선컬럼의 체계(Regime)를 유 지하고 부선효율을 제어할 수 있는 기포크기와 분포, 가 동변수의 관계 및 가스분산특성을 평가하였다.
조건조에서 기포제(파인유, Pine oil)의 농도를 조절하고 가동조건에 따라 기포제 용액, 급광, 세척수 및 가스를 공급하면서 정광과 광미를 각각 배출하였다. 이후 컬럼체 계의 유지를 위한 안정화 시간을 부여하였다. 안정화된 컬럼내부의 포집대에 대해 초고속 촬영하였으며 이때 일정한 스케일의 사진이미지를 얻기 위해 컬럼과 카메라의 거리는 20cm 간격을 두었다.
조건조에서 기포제(파인유, Pine oil)의 농도를 조절하고 가동조건에 따라 기포제 용액, 급광, 세척수 및 가스를 공급하면서 정광과 광미를 각각 배출하였다. 이후 컬럼체 계의 유지를 위한 안정화 시간을 부여하였다.
안정화된 컬럼내부의 포집대에 대해 초고속 촬영하였으며 이때 일정한 스케일의 사진이미지를 얻기 위해 컬럼과 카메라의 거리는 20cm 간격을 두었다. 촬영된 사진의 기포크기는 앞선 언급된 ZEISS 이미지분석 프로그램을 사용하여 기 포크기를 측정하였다. 기포의 평균크기는 Sauter평균직 경(Sauter mean diameter)을 적용하였으며 식 (10)에 의해 계산된다.
54cm/s로 고정하고 조건에 따라 첨가 농도를 변화시켰다. 한편 모든 매스 발런스 즉, 공급과 배출은 유량계를 이용하여 측정하였으며 이후 컬럼의 단면적과 시간에 따른 속도로 나타내었다. 사용된 기포발생장치는 포러스타입으로써 압축가스가 미세공극을 통과하면서 기 포가 생성되며 공극의 크기와 가스압력에 따라 기포의 크 기와 분포도가 달라진다.

대상 데이터

이는 컬럼내 유입되는 가스의 양이 많아지게 되어 기포크기가 증가하기 때문이다. 본 연구에 사용된 기포발생장치는 포러스타 입으로 주입된 가스가 다공성매체를 통과하면서 기포를 발생시킨다. 즉, 가스속도의 증가는 동일 시간동안 더 많은 양의 가스가 공동을 통과하면서 더 큰 기포를 형성하는 것으로 판단된다.

데이터처리

3은 기포크기 이미지 분석 시스템을 나타낸 것이다. 초고속 카메라를 사용하여 촬영된 다양한 기포들의 사진들을 ZEISS 이미지분석 프로그램을 이용하여 Sauter 평균 직경을 구하였다. 표면장력의 측정은 Du nouy 방식이 적용된 Attension社(측정단위, mN/m)의 장치가 이용 되었다.

이론/모형

11은 포러스타입 부선컬럼에서 측정 및 산정된 기 포크기를 관계식으로 나타낸 것이다. 기포크기의 실제측정은 기포크기 측정시스템과 ZEISS 이미지분석 프로그 램을 이용하였고 산정식은 표류유동식과 간섭침강식을 이용하였다. 기포크기 관계의 회귀분석 결과는 R2 =0.
상기 1)의 방법은 컬럼부선기 전체 구 역에 대한 가스홀드업을 그리고 2)와 3)의 방법은 일정 구 역의 가스홀드업을 측정한다. 본 연구에서 적용된 가스홀 드업의 측정은 압력차 방법인 마노미터를 이용하였다. Fig.
초고속 카메라를 사용하여 촬영된 다양한 기포들의 사진들을 ZEISS 이미지분석 프로그램을 이용하여 Sauter 평균 직경을 구하였다. 표면장력의 측정은 Du nouy 방식이 적용된 Attension社(측정단위, mN/m)의 장치가 이용 되었다. 본 장치의 표면장력 측정은 용액의 표면으로부터 백금으로 이루어진 Du nouy링을 들어올릴 때 발생하는 장력을 통해 이루어지며 5회 반복 측정 후 평균값을 사용하였다.

성능/효과

2. 기포제농도의 증가는 표면장력을 낮추고 기포크기 및 기포병합의 정도를 감소시킨다. 기포제농도 200ppm 에서 표면장력이 49.
3. 가스속도가 증가할수록 컬럼내 유입가스의 양이 많아 져 기포크기 및 상승속도도 증가되었다. 세척수속도의 증가는 기포크기를 감소시키고 상대적으로 기포크기 분포범위가 작은 기포쪽으로 확대되었다.
4. 가동변수의 상관성에 있어서, 먼저 기포크기는 가스속 도와 비례하고 기포제농도 및 세척수속도와는 반비례 하였다. 가스홀드업은 가스속도와 비례관계에 있으며 일정한 가스속도 조건에서 기포제농도 및 세척수속도 와도 비례관계이었다.
5. 측정 및 산정된 기포크기 비교결과, 회귀분석값 R2 = 0.76과 오차범위 ±15~20%내의 비례식을 구할 수 있었 고 평균 기포크기는 0.718mm로 확인되었다. 부선컬럼 의 가동조건들(Jg = 0.
5는 기포제농도에 따른 기포크기 분포도를 나타낸 것이다. 그래프에서 보는 바와 같이 기포제 농도가 증 가하게 되면 작은 기포의 분포도가 상대적으로 높아지고 기포크기 분포범위가 더 좁아지는 경향을 보였다. 이와 관련하여 Rodrigues 와 Nesset의 연구에서도 기포제의 농도가 증가할수록 더 좁은 범위의 작은 기포가 형성되는 유사한 결과를 나타내었다6,17).
기포제농도의 증가는 표면장력을 낮추고 기포크기 및 기포병합의 정도를 감소시킨다. 기포제농도 200ppm 에서 표면장력이 49.24mN/m까지 감소하고 그 이상에 서는 일정하여 임계 병합 농도(CCC, critical coalescence concentration)임을 확인하였으며 평균 기포크기를 0.5mm까지 감소시킬 수 있었다.
기포크기의 실제측정은 기포크기 측정시스템과 ZEISS 이미지분석 프로그 램을 이용하였고 산정식은 표류유동식과 간섭침강식을 이용하였다. 기포크기 관계의 회귀분석 결과는 R2 =0.76 을 나타내었으며 평균 기포크기는 0.718mm로 확인되었다. 기포의 형성과정과 기포에 작용하는 다양한 힘은 기 포크기의 산정에 있어 오차를 발생키게 한다.
이는 기포제의 농도가 증가 하면 더 작은 기포를 형성하고 상대적으로 더 균일한 크기 의 기포가 형성되기 때문이다. 또한 기포제의 농도가 증 가하더라도 기포크기의 최소값 변화가 크지 않아 본 연구 조건에서 기포제를 이용하여 감소시킬 수 있는 기포크기는 평균 0.5mm인 것으로 판단된다.
, 1987 Markus Lichti, 2018의 연구와 비슷한 오차범위를 나 타내었다4,19). 본 연구결과를 통해 가동조건들(Jg = 0.65~ 1.3cm/s, JW = 0.13~0.52cm/s, frother = 60~200ppm) 하 에서 부선컬럼의 체계(regime)를 유지하고 기포크기 및 분포를 제어할 수 있음을 확인하였다.
기포제 종류는 파인유(Pine oil)를 이용하였으 며 기포제 농도의 범위는 0~1500ppm이었다. 측정결과, 초기 물의 표면장력은 71.19mN/m로써 상당히 큰 값을 나타내었으나 기포제의 농도가 증가할수록 감소하여 농도 200ppm에서 49.24mN/m까지 감소하였다. 또한 200ppm 초과시 기포제농도의 증가에 비해 표면장력의 변화폭이 낮아 임계 병합 농도(CCC, critical coalescence concentration)임을 확인할 수 있어 일정 농도 이상에서는 시약소 비와 함께 기포제의 역할이 제한되는 것으로 판단된다15).

후속연구

이는 기포크기가 증가할수록 부력이 높아져 상승속도가 증가하기 때문이다. 따라서 기포크기의 조절을 통해 포집대에서 기포상승속도를 제어할 수 있 다면 부선효율을 높일 수 있을 것으로 판단된다
향후 보다 체계적인 주요 가동변수의 관계 연구와 기포 제 종류 및 스파저 종류에 따른 가스분산특성 연구가 요구 된다.
한편 강한 기포 제들은 낮은 농도에서도 임계 병합 농도 포인트에 도달할 수 있으며 임계 병합 농도 이상에서는 병합에 영향 없이 스파저 구조와 유체역학적 조건에 영향을 받는다16). 향후 연구에서 스파져 종류에 따른 기포크기를 포함한 가스분 산특성 실험을 수행할 예정이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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