본 연구에서는 Grand-Canonical Monte Carlo 시뮬레이션(GCMC)을 이용하여 서로 반대의 전하를 띤 고분자 전해질의 정전기적 특징을 이해하고, 고분자 전해질 다이오드의 메커니즘을 연구하였다. 고분자 전해질과 서로 반대의 전하를 띤 이온들의 모델은 전하를 띤 free-jointed hard chain과 hard sphere을 이용하였다. 본 연구진은 위와 같은 시뮬레이션을 통해, 평형 상태일 때의 고분자 전해질과 이온의 분포를 연구하였으며, 이 시스템에 전압을 걸어줌에 따라 이온의 이동 모습을 관찰하였다. 또한 전압의 효과와 더불어 고분자 전해질의 농도와 이온들의 크기 변화에 대해서도 연구를 진행하였다.
This article presents a multi-scale simulation approach starting from the molecular level for the adsorption process development, specifically, in n-hexane adsorption on activated carbon. A grand canonical Monte-Carlo(GCMC) method is used for the prediction of adsorption isotherms of n-hexane on activated carbon at the molecular level. Geometric effects and hydrodynamic properties of the adsorption column are examined by means of the two dimensional CFD(computational fluid dynamics) simulation. The adsorption isotherms from the molecular simulation and the axial diffusivity from the CFD simulation are exploited for the process simulation where the elution curve of n-hexane is obtained. For the first moment(mean residence time) of the pulse-response with respect to temperature and flowrate, the process simulation results obtained from this three-steps multiscale simulation approach show a good agreement with experimental data within 20% of maximum difference. The multi-scale simulation approach addressed in this study will be useful to accelerate the adsorption process development, while reducing the number of experiments required.
In this study, adsorption isotherms of o-DCB(ortho-dichlorobenzene) on an activated carbon heated at $1000^{\circ}C$ for 24 hours were obtained by experiment and were predicted by using molecular simulation. The initial molecular structure of the activated carbon was designed on the basis of its molecular formula and functional groups ratio measured experimentally. Then, the molecular structure was optimized using the COMPASS(condensed-phase optimized molecular potentials for atomistic simulation studies) force field. The particle porosity, specific surface area, and particle density obtained from the optimized molecular structure of activated carbon were compared with those experimental data. The errors between experimental data and simulation results of the particle porosity, specific surface area, and particle density were shown as 7.6, 3.8, and 2.8%, respectively. Adsorption isotherms constants of o-DCB are calculated by the GCMC(grand canonical Monte Carlo) method in the optimized molecular structure of activated carbon. The simulation result of the adsorption isotherms showed an error of under 3%, compared to that of experimental data. Adsorption isotherms, adsorption heat and pore diffusivity of 2,3,7,8-TCDD(tetrachlorodibenzo-p-dioxin) was finally obtained in the same molecular structure of the activated carbon as used for o-DCB. Thus, adsorption characteristics of persistent organic pollutants on activated carbon, which are not easy to experimentally evaluate, are predicted by the molecular simulation.
Kim, Tea-Hoon;Lee, Seung-Joon;Kim, Seo-Yul;Kim, Ah-Reum;Bae, Youn-Sang
Korean Chemical Engineering Research
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v.57
no.4
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pp.484-491
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2019
An efficient propylene/propane separation technology is needed to obtain high-purity propylene, which is a raw material for polypropylene synthesis. Since conventional cryogenic distillation is an energy-intensive process due to the similar physicochemical properties of propylene and propane, adsorptive separation has gained considerable interest. In this study, we have computationally investigated the changes in adsorption separation performances by arbitrarily controlling the adsorption strength of open metal sites in two different types of metal-organic frameworks (MOFs). Through the evaluation of adsorptive separation performances in terms of working capacity, selectivity, and Adsorption Figure of Merit (AFM), we have suggested proper density and strength of adsorption sites as well as appropriate temperature condition to obtain optimal propylene/propane adsorptive separation performances.
The adsorption characteristics of gaseous molecules on the carbonaceous adsorbent have been investigated at various temperature and pressure with different pore sizes using Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) simulation method. The geometrical parameters and spectroscopic properties of adsorbates have been computed using density functional theory (DFT). At higher temperatures is the adsorption amount of adsorbates is decreased due to their vaporization. Considering the pore size effect, the adsorption characteristic depends on the adsorbate size, polarity and interaction between adsorbates, etc. At all cases employed in this study, the adsorption amount of adsorbates on the carbonaceous adsorbent is increased in the order $NH_3$ < $H_2S$ < $CH_3SH$, and this result is qualitatively in good agreement with the experimental observation.
Carbon neutrality requires carbon dioxide reduction technology and alternative green energy sources. Palygorskite is a clay mineral with a ribbon structure and possess a large surface area due to the nanoscale pore size. The clay mineral has been proposed as a potential material to capture carbon dioxide (CO2) and possibly to store eco-friendly hydrogen gas (H2). We report our preliminary results of grand canonical Monte Carlo (GCMC) simulations that investigated the adsorption isotherms and mechanisms of CO2 and H2 into palygorskite nanopores at room temperature. As the chemical potential of gas increased, the adsorbed amount of CO2 or H2 within the palygorskite nanopores increased. Compared to CO2, injection of H2 into palygorskite required higher energy. The mean squared displacement within palygorskite nanopores was much higher for H2 than for CO2, which is consistent with experiments. Our simulations found that CO2 molecules were arranged in a row in the nanopores, while H2 molecules showed highly disordered arrangement. This simulation method is promising for finding Earth materials suitable for CO2 capture and H2 storage and also expected to contribute to fundamental understanding of fluid-mineral interactions in the geological underground.
The adsorption characteristics of H$_2$S, NH$_3$and $CH_3$SH on the graphite carbon have been investigated using Grand Canonical Monte Carlo(GCMC) method with universal force field (UFF) and dreiding force field. Most of the activated carbons used in vapor phase adsorption have the micropore of 6$\AA$ to 20$\AA$ and the specific surface area of ca. 1000 m$^2$/g, as the result of $N_2$ adsorption by BET method. For the more efficient comparison, the activated carbons have been manipulated with different pore sizes. The adsorption characteristics of H$_2$S, NH$_3$and $CH_3$SH have been considered at various temperatures and pressures. The adsorption amount using Dreiding force field is predicted to be lower than that using UFF. As the temperature is going to high, the adsorption amount of adsorbates is decreased due to their vaporization. Considering the pore size effect, the adsorption characteristic depends on the adsorbate size, polarity and interaction between adsorbates, etc. At all cases employed in this study, NH$_3$ is barely adsorbed and $CH_3$SH is preferentially adsorbed on the graphite carbon. Our theoretical result is qualitatively good agreement with the experimental observation. However, there are some quantitative discrepancies depending on the functional groups and pore size distribution on the real activated carbons used in experiment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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