매체교반형 미분쇄기에 의한 무기분말의 초미분쇄기구와 분쇄장 표면개질에 관한 연구(7) : 분쇄효율의 고찰

최희규2, 최우식1,2*

부산대학교 제약학과1*, 대학원 학과간 분체공학협동과정1,2

The Ultra-fine Grinding Mechanism of Inorganic Powders and Surface Modification in a Grinding Media Agitated Mill (7) : Consideration of Grinding Energy Efficiency

Hee Kyu Choi 2, Woo Sik Choi 1,2*

Dept. of Pharm. Manuf 1*., Interdisciplinary Program in Powder Technology

Graduate School, Pusan National University 1,2

서언

미 분쇄기의 하나인 교반밀의 연구는 전보1,2) 및 선행 연구자들4,5)에 의해 많이 수행되어졌다. 본 연구에서는, 분쇄효율을 고찰하는 것이 조업의 비용을 결정하는 측면에서 매우 중요한 역할이므로 각 실험조건에서 측정된 비 분쇄에너지에 대한 비표면적의 증가로 나타낸 분쇄에너지 효율을 검토하여 최적의 실험조작인자를 찾고자 하였다3). C. Bernhardt6) 등은 슬러리 농도가 분쇄효율에 큰 영향을 끼친다고 밝힌 바 있으며, 특히 분쇄효율을 개선하기 위해서는 분쇄환경을 변화시키는 것이 중요하다고 지적하고 있다. 교반볼밀의 분쇄메커니즘과 분쇄특성을 규명하기 위해 다른 실험조작인자는 동일한 조건으로 하고 분쇄실 내의 시료장입률과 교반속도를 달리하여, 실험변수와 쇄성물의 입도분포, 비표면적, sub-micron 내의 입자생성비율 등의 상관관계를 pc와 on-line으로 연결하여 측정한 소비동력과 관련지어 검토하였다.

본 실험에서는 교반날개의 회전속도의 증가만큼 분쇄효율의 향상이 따르지 않았으며 300 rpm의 저 회전속도와 700 rpm의 고 회전속도에서 분쇄실내의 시료 장입률의 최적 조작 조건이 다름을 알았다.

실험장치 및 방법

분쇄 실험장치, 분쇄매체, 입도분포 측정장치와 외부 초음파 분산기 등은 전보1,2)와 같은 실험장치들을 사용하였고, 자동전압조정기(AVR, 성신전자 GPA 100SS)와 정류회로를 통해 소비동력을 측정하였다2). 분쇄시료로는 방해석(CaCO3, (주)왕표화학, S500, x50=10.19 □)을 사용하였다. 분쇄실험은 소정의 실험조작인자(교반속도, 볼 충전율, 볼 크기, 슬러리 농도의 변화) 중에서 다른 실험 조작인자는 동일한 조건으로 하고 교반속도, 슬러리 농도 두 가지만을 변화 시켜 가면서 실험을 행하였으며, 슬러리 농도를 변화시킬 때에는 다음 식으로 질량기준 슬러리농도를 계산하였다.

[eqn: C_s ~=~ m_s over{m_w + m_s} × 100] (1)

여기서, Cs는 슬러리 농도, ms는 샘플의 질량, mw는 물의 질량이다.

실험결과 및 고찰

Fig. 1에 시간에 따른 입도분포의 변화를 나타내었다. 분쇄시간이 증가함에 따라 입자경은 감소하고 입도분포는 분쇄시간 7.5분, 15분, 30분에서 중간크기의 2봉형 입도분포를 보이다가, 분쇄시간 60분, 120분에서 대부분이 1 □의 샤프한 단봉형 분포를 나타내는 것을 알 수 있다. Fig. 2는 실험조건에 따라 분쇄시간과 에너지 효율과의 관계를 나타낸 것이다. 전체적으로 분쇄시간이 증가함에 따라 에너지 효율은 떨어지고, 슬러리 농도가 높을수록 에너지 효율이 높은 것으로 나타나고 있으나, 전체입자가 서브 미크론 영역으로 떨어지는 조건을 찾기 위해서는 서로의 상관관계를 검토할 필요가 있다. 분쇄효율은 분쇄조작에 투입되어진 일량에 대하여 유효하게 이용되어진 일량의 비율이므로, 분쇄는 하나의 단위조작이지만 분쇄효율을 논할 때에는 지극히 복잡하게 된다. 분쇄의 진행과정을 어떻게 평가하는가, 분쇄조작에서는 불필요한 일 이라고 생각되어진 에너지가 다음의 프로세스에서 유용하게 사용되고 있는가 등을 고려하는 것이 좋다. 분쇄전후의 변화에서 설명하기 쉬운 것은 표면적의 증가이다. 분쇄효율의 지표의 첫 번째로서는 고체의 표면에너지 또는 파쇄 표면에너지의 측정이 행해지고 있다. 엄밀하게 적용되는 분쇄효율로서는 다음 식이 이용되고 있으나, 고체의 표면 에너지의 측정이 매우 어렵고, 분쇄효율은 그 정의를 다음과 같이 나타내진다7,8).

[eqn: eta_ideal ~ =~ (DeltaS_w ~·~ gamma)/E_m] (2)

한편 제품을 어떻게 평가하는 가에 의해서도 분쇄효율은 다르게 된다. 분쇄에 의해 얻어진 제품은 임의의 입자경 이하 또는 임의의 입자경 범위에 있는 것이 보통이고, 그 경우는 단위 질량의 제품을 얻기 위한 일로 정의할 수 있다. 본 연구에서는 분쇄효율을 다음과 같이 정의하였다.

[eqn: DELTA S_w ~=~ K'{E_m}^n] , [eqn: DELTA S_w ~=~ phi over rho_p~ left(1 over x_vs,p~~ - ~1 over x_vs,f right)]  (3)

[eqn: E_m~ = ~{ INT _{ 0}^{t }P `dt ~ TIMES~t``} over W_s] (4)

[eqn: eta =~ {DELTA S_w}overE_m] (5)

여기서, □Sw(m2/g)는 쇄성물 비표면적과 원료 비표면적의 차이 즉, 비표면적의 증가량이고, K'은 실험상수, Em(MJ/kg)은 쇄료에 투입되는 비소비에너지, [eqn: phi]는 비표면적 형상계수(여기서는 구로 가정하여 6), □(m2/kJ)는 분쇄에너지 효율을 나타낸다. Fig. 3은 슬러리 농도의 증가와 분쇄효율과의 관계를 나타낸 것이다. 300 rpm의 저 회전속도와 700 rpm의 고 회전속도에서 최적 조작조건이 다른 것을 알 수 있으며, 슬러리 농도를 높게 할수록 분쇄효율이 높아지는 것을 알 수 있다. 고 회전속도에서는 본 실험의 60 wt%까지 측정한 결과에서 슬러리 농도만으로 최적 분쇄 효율을 찾는 것이 모자란 부분이 있어 앞으로 계속적인 연구가 요구된다. 다만, 측정된 분쇄효율이 각 분쇄시간에 따라 다르게 나타남으로 원하는 제품을 얻기 위해서는 최적의 효율을 갖는 알맞은 조건에서의 실험이 필요하다고 생각된다.

결론

1. 분쇄시간이 증가함에 따라 분쇄 효율은 떨어지지만 입자경이 작아지는 것을 알 수 있고, 본 실험에서는 n=300 rpm, Cs=40 wt%에서 60분간 분쇄했을 때 전체 입자가 서브 미크론 영역에서 최고의 효율을 나타내는 것을 알았고, 교반날개의 회전속도에 따라 최적의 조작조건이 다름을 알았다.

2. 비 투입 에너지가 증가함에 따라 비표면적이 증가하는 것을 알 수 있으나 일정 시간이 지난 후에는 소비 동력에 상관없이 비 표면적의 증가가 이루어지지 않는 것으로 보아 분쇄 한계가 있는 것을 알 수 있었다.

본 연구를 위해 연구비를 지원해준 한국과학재단(981-1104-015-2)과 시료를 제공해준 (주)왕표화학에게 심심한 사의를 표한다.

참고문헌

1. Kim, H.S., Jung, H.Y., So, T.S., Choi, W.S. : The Ultra-Fine Grinding Mechanism of Inorganic Powders and Surface Modification in a Grinding Media Agitated Mill (1) : Consideration on Specific Comminution Energy, Theories and Applications of Chem. Eng., Vol. 4, No. 2, 2805-2808(1998).

2. Choi, H.K., Kwak, E.O., Kwak, J.S., Park, S.Y., Choi, W.S. : The Ultra-fine Grinding Mechanism of Inorganic Powders and Surface Modification in a Grinding Media Agitated Mill (4) : Application of Comminution Kinetics, Theories and Applications of Chem. Eng., Vol. 6, No. 1, 1101(2000).

3. Choi, Woo Sik : Grinding Rate Improvement Using a Composite Grinding Ball Size for an Ultra-fine Grinding Mill, J. Soc. Powder Technology., Japan, 33, 747(1996).

4. Zheng, J., Colin C. Harris, P. Somasundaran : A study on grinding and energy input in stirred media mills, Powder Technology, 86, 171(1996).

5. Arno Kwade : Wet comminution in stirred media mills - research and its practical application, Powder Technology 105, 14(1999).

6. Bernhart, C., Reinsdh, E., Husemann, K., The influence of suspension properties on ultra-fine grinding in stirred ball mills, Powder Technology, 105, 357(1999).

7. 日本 粉□工學會編 : 粉□工學便覽, 第2版, 297(1998).

8. 日本 粉□工學會編 : 粉□工學 用語辭典, 第2版, 308(2000).

Fig. 1 Particle size distribution of feed and ground products for exp. conds.

(exp. conds. : n=300 rpm, J=0.7, dB=1 □, Cs=40wt%, )

Fig. 2 □ vs. t for exp. conds. (exp. conds. : J=0.7, dB=1 □)

Fig. 3 □ vs. Cs for exp. conds. (exp. conds. : J=0.7, dB=1 □)