부유 고형물

현탁액은 고체와 액체가 혼합된 이질적인 혼합물입니다. 현탁된 고체는 유체 내에 분산된 고체 입자입니다. 유동이나 브라운 운동에 의해 입자들은 부유 상태를 유지할 수 있습니다. 

입자 크기는 수 나노미터에서 수 밀리미터에 이릅니다. 대부분의 경우 고체는 액체보다 밀도가 높습니다. 이 경우 정지 상태에서는 입자가 작을수록 더 오랫동안 부유 상태를 유지할 수 있습니다. 이러한 입자는 침강 속도가 느립니다. 반면, 더 큰 입자는 더 빨리 침강합니다. 고체 농도는 점도, 밀도, 열 및 물질 전달에 영향을 미칩니다.

“현탁 상태의 고체”에 대해 교반 기술 분야에서는 종종 상관 방정식이 사용되는데, 예를 들어 완전한 현탁을 위한 최소 회전 속도나 고체 농도를 산출하는 데 활용됩니다. 핵심적인 접근 방식 중 하나는 교반기의 최소 회전 속도를 구하는 츠비테링(Zwietering) 상관 관계입니다. 이때 입자는 더 이상 바닥에 가라앉아 있지 않습니다.

N_js = S · g^0,45 · (ρ_s −ρ_L)^0,45 · d_p^0,13 · X^0,13 ·ρ_L^−0,85 ·μ_L^0,20

• N_js = 완전한 정지 상태에 도달하기 위한 최소 회전수 (s⁻¹ 또는 min⁻¹)
• S = 경험적 기하학적 계수 (교반기 유형, 용기, 내부 구조물에 따라 달라짐)
• g = 중력 가속도
• ρ_s = 고체 입자의 밀도
• ρ_L = 액체의 밀도
• d_p = 입자 직경
• X = 고체 질량 분율 (또는 부피 분율, 상관 관계 형태에 따라 다름)
• μ_L = 액체의 동적 점도

현탁액의 유효 밀도:

ρ_mix = (1 − φ_s) · ρ_L + φ_s · ρ_s

• φ_s = 고체 부피 분율

고농도 현탁액의 유효 점도 (예시 실험):

η_eff = η_L · (1 − φ_s / φ_max)^−[α]

• η_eff: 현탁액의 유효(겉보기) 점도
• η_L: 액상 점도 (고형물이 없는 순수 유체)
• φ_s: 현탁액 내 고체 입자의 부피 분율 (0…1)
• φ_max: 최대 포장 가능 고체 부피 비율 (이 비율에 도달하면 시스템이 “막히거나” 매우 반죽 같은 상태가 됨; 입자 형태 및 분포에 따라 달라짐)
• α: φ_s가 증가함에 따라 점도가 얼마나 증가하는지를 나타내는 경험적 지수(차원 없음); 일반적으로 측정 데이터를 기반으로 적합 분석을 통해 결정된다

부유 고체는 화학, 식품, 제약 및 환경 공학 분야에서 널리 사용됩니다. 대표적인 예로는 슬러리, 결정 현탁액, 자외선 차단제, 안료 분산액 및 폐수가 있습니다.