초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
본 연구는 수치해석적 방법과 접근법들을 통해 기존에 충분히 이해되지 못했던 기포-입자부착 현상을 구성하는 여러 단계의 마이크로프로세스들을 정량적으로 규명하여, 실제 부유 선별 공정에서의 회수율 예측에 적용할 수 있는 모델을 확립하는 것을 목표로 한다.
본 연구에서는 입자기반의 전산유체해석모델인 smoothed particle hydrodynamics (SPH)에 기반하여, 복잡다단한 요인들에 의해 제어되는 기포 표면에의 입자 부착 과정을 표현할 수 있는 수치해석모델을 개발하고, 이를 이용해 기포-

□ 연구의 목적 및 내용
본 연구는 수치해석적 방법과 접근법들을 통해 기존에 충분히 이해되지 못했던 기포-입자부착 현상을 구성하는 여러 단계의 마이크로프로세스들을 정량적으로 규명하여, 실제 부유 선별 공정에서의 회수율 예측에 적용할 수 있는 모델을 확립하는 것을 목표로 한다.
본 연구에서는 입자기반의 전산유체해석모델인 smoothed particle hydrodynamics (SPH)에 기반하여, 복잡다단한 요인들에 의해 제어되는 기포 표면에의 입자 부착 과정을 표현할 수 있는 수치해석모델을 개발하고, 이를 이용해 기포-입자 부착 과정을 전산적으로 모사하고자 한다. 또한 기포-입자 간에 작용하고 있는 힘을 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope, AFM)을 이용해 정량적으로 계측하는 기술을 개발하고, 다양한 조건 (광물종류, 입자 크기, 기포의 크기, 솔루션의 이온 강도, 이온강도, pH, 계면활성제 첨가량 등...)에서 입자-기포 간작용 힘을 측정하는데 적용하고자 한다. 그리고 입자-기포의 흡착 특성을 효과적으로 설명할 수 있는 입자의 부착 시간(attachment time)을 정밀하게 측정할 수 있는 계측 기법을 확립하고 역시 다양한 조건 변화에 따른 입자-기포 부착 시간을 측정하고자 한다. 이를 통해 기포-입자의 부착 현상을 정량적으로 설명할 수 있는 수학적 모델을 수립하고 추후 실제 부유 선별에서의 회수율을 예측하는데 활용하고자 한다.

□ 연구결과
기포와 입자간 상호작용을 모사할 수 있는 전산해석모델을 확립하기 위해 새로운 표면장력 모델을 개발하였다. 개발된 모델의 검증을 위해 기초적으로 3상의 접촉점에서의 접촉각 형성, 버블의 진동, 모세관 상승 등 해석해가 존재하는 벤치마킹 케이스를 설정하고 전산 시뮬레이션 결과와 해석해를 비교하여 잘 일치하는 결과를 얻음으로써 모델을 검증하였다. 또한 중시적 스케일의 결과물인 기포-입자간 충돌/부착/안정화 확률에 대한 모델을 전산유체해석으로부터 도출해내기 위한 기초 단계로 입자의 표면 특성에 따라 좌우되는 힘 모델을 설정하고 이를 통해 이산요소법에 기반하여 기포와 입자의 부착을 모사하였으며 소수력 모델 인자에 따른 기포-입자 부착률 변화를 정성적으로 규명하였다.
원자간력 현미경을 이용하여 기포-입자간의 상호작용력을 미시적으로 관측하는 연구를 진행하였으며 이론에 기반한 예측과 일치하는 결과를 얻었다. 범용 탐침을 이용하여 수용액의 이온강도, pH 등 화학적 성질 변화에 따른 상호작용력을 분석하였으며 실험 결과를 바탕으로 입자를 부착한 탐침을 이용하여 입자의 물성 변화에 따른 실험을 진행하였다. 실험 결과는 부유선별 공정의 개선에 기여할 수 있는 가능성이 높다는 점을 암시한다.
또한 역학적 관점에서 기포와 입자간 상호작용에 대해 버블 홀더 장치 및 고속카메라를 이용하여 부착 현상 및 접촉 유도 시간에 대한 정성적인 분석 및 정량적 분석을 실시하였으며 실험 결과를 바탕으로 기존의 연속체표면력(CSF) 모델을 이용한 수치해석적 모델을 검증하였다. 기포-입자 부착 현상을 모사하는 전산해석모델을 통해 접촉 유도 시간을 도출하였으며 고체 판의 표면 특성 및 기포의 크기에 따른 영향을 확인하였다. 본 결과는 추후 확장되어 실제 부유선별 조건 하에서의 접촉 유도 시간을 측정하고 부착 확률을 도출하는 데 적용 가능하다.

□ 연구결과의 활용계획
본 연구는 학문적으로는, 명확히 이해되지 않던 기포-입자 흡착 프로세스에 대한 정량적 지식을 도출, 해당 연구 분야에 크게 기여할 것으로 판단되며, 산업적으로는 선광 분야에서 점점 더 그 중요성이 증가하고 있는 부유선별 공정의 효율 향상을 실현함으로써, 광물 자원의 생산 비용 절감에 크게 기여할 수 있으며 이는 산업 전반의 원자재 비용 절감 효과를 가져 올 수 있을 것으로 기대된다.

(출처 : 연구결과 요약문 4p)

Abstract ▼

□ Purpose& contents
The work aims to verify the microprocess of bubble-particle attachment that is currently not well-understood, and to establish a quantitative model that is capable of predicting the recovery kinetics of actual froth flotation process.
In this work, we developed a numerical

□ Purpose& contents
The work aims to verify the microprocess of bubble-particle attachment that is currently not well-understood, and to establish a quantitative model that is capable of predicting the recovery kinetics of actual froth flotation process.
In this work, we developed a numerical model based on smoothed particle hydrodynamic (SPH) that can describe the particle attachment on bubble surface, which attributes to multiple and complicated mechanisms. The bubble-particle attachment process was investigated using the model. The work also concerns with establishing a process that can quantify the bubble-particle interaction force based on the measurement using atomic force microscope (AFM), and applied the process to measure the bubble-particle interaction force for the case of various mineral type, particle size, bubble size, the ionic strength of the solution, pH, and dosage of surfactant. Another concern of this work is to establish a technique to measure the attachment time of particle on bubble accurately, and utilize it to quantify the attachment time under various conditions as well. The work aims to propose a mathematical model which can describe the bubble-particle attachment quantitatively, and utilize the model in predicting the efficiency of actual froth flotation process.

□ Result
We developed a novel surface tension model on the basis of SPH. To validate the newly proposed model, several benchmarking cases such as contact angle at three-phase contact line, bubble oscillation, and capillary are numerically investigated. The numerical simulation results reproduced the theoretical prediction with an acceptable degree of accuracy. In the mean time, as a basic stage to develope a mathematical model for bubble-particle collision/attachment/stabilization, we implemented a hydrophobic force model on the basis of discrete element method. Using the model, we numerically simulated the bubble-particle attachment and investigated the influences of the model parameters on the attachment kinetics.
The experiments to observe bubble-particle interaction in microscale level were implemented using AFM. The experimental results were agreed well with the prediction by theory with an acceptable degree of accuracy. These results provided a fundamental information for the next-stage experiment using particle-attached probes and the influences of particle property were investigated.
In the kinetic approach, the bubble-particle interactions, especially bubble-particle attachment process and induction time, were qualitatively and quantitatively implemented using the modified Induction Timer and high speed camera. The numerical model based on the continuum surface force method was applied. The simulation results reproduced the experimental results with an acceptable degree of accuracy and the model was validated. Using the model, the induction time was quantitatively estimated from the simulation results and the influences of surface property and bubble size on the induction time were investigated. Furthermore, these results will be able to apply to estimate the induction time in real condition of the flotation and to calculate the attachment probability.

□ Expected Contribution
The work in an academic point of view is expect to contribute to quantitative understanding bubble-particle attachment process which has not understood clearly. In practical point of view, given that flotation is the most important process in mineral processing field, and dragging more attention recently due to the depletion of high-grade resources, improvement in the efficiency of flotation process is expected to reduce the overall production cost of minerals and coal, which eventually lead to the reduction of the price of raw material.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 9
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 12
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 59
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 60
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 61
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 62
• 8. 참고문헌 ... 62
• 9. 연구성과 ... 66
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 68
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 68
• 12. 기타사항 ... 72
• [별첨1] 대 표 연 구 실 적 ... 73
• [별첨2] 세부 목표 관련 증빙 ... 82
• 끝페이지 ... 87