• Bulletin of the Korean Chemical Society
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• 제33권3호
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• pp.901-905
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• 2012

In this study, we investigated the pure geometrical effect of porous materials in gas adsorption using the grand canonical Monte Carlo simulations of primitive gas-pore models with various pore geometries such as planar, cylindrical, and random pore geometries. Although the model does not possess atomistic level details of porous materials, our simulation results provided many insightful information in the effect of pore geometry on the adsorption behavior of gas molecules. First, the surface curvature of porous materials plays a significant role in the amount of adsorbed gas molecules: the concave surface such as in cylindrical pores induces more attraction between gas molecules and pore, which results in the enhanced gas adsorption. On the contrary, the convex surface of random pores gives the opposite effect. Second, this geometrical effect shows a nonmonotonic dependence on the gas-pore interaction strength and length. Third, as the external gas pressure is increased, the change in the gas adsorption due to pore geometry is reduced. Finally, the pore geometry also affects the collision dynamics of gas molecules. Since our model is based on primitive description of fluid molecules, our conclusion can be applied to any fluidic systems including reactant-electrode systems.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제46권6호
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• pp.1087-1094
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• 2008

본 연구는 활성탄을 사용한 n-hexane의 흡착공정에 있어서 분자수준에서 시작하여 공정단계에 이르는 다중규모 모사에 관하여 기술한다. 분자모사에서는 GCMC(Grand Canonical Monte Carlo) 방법을 이용하여 활성탄에서 n-hexane의 등온흡착식을 예측하고, 2차원 전산유체역학(CFD; Computational fluid dynamics) 모사를 통하여 흡착컬럼 내 유체흐름에 대한 수력학적 특성을 파악한다. 공정모사단계에서는 분자모사 및 유체역학 모사에서 각각 얻은 등온흡착식과 축방향 확산계수값을 이용하여 n-hexane의 용출곡선을 얻는다. 이러한 3단계 다중규모 모사기법을 활용하여 얻은 공정모사 결과는 펄스응답의 실험결과와 비교해볼 때, 온도와 유량변화에 따른 1차 모멘트(평균 체류시간)에 관하여 약 20% 미만의 오차범위에서 일치함을 확인할 수 있다. 이 결과로부터 분자수준에서 시작하는 다중규모 모사는 필요한 실험횟수를 줄이면서 흡착공정 개발을 가속화할 수 있는 가능성을 보여준다.

• Bulletin of the Korean Chemical Society
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• 제18권3호
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• pp.291-295
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• 1997

The adsorption of methane in K+ ion exchanged zeolite L has been studied using grand canonical ensemble Monte Carlo simulation. Average number of molecules per unit cell, number density of molecules in zeolite, distribution of molecules per unit cell, average potential per sorbate molecule, and isosteric heats of adsorption were calculated, and these results were compared with experimental results. The simulation results agreed fairly well with experimental ones. All methane molecules were located in the main channel, and the average potential of sorbate molecule was almost constant regardless of average number of molecules per unit cell and the amounts sorbed in zeolite.

• Bulletin of the Korean Chemical Society
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• 제33권8호
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• pp.2553-2559
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• 2012

The adsorption properties of benzene, toluene, p-xylene in MCM-41 with heterogeneous and cylindrical pore were studied using grand canonical ensemble Monte Carlo simulation. The simulated isotherms were compared with experimental ones, and the different adsorption behaviors in MCM-41 with pore diameters of 2.2 and 3.2 nm were investigated. The simulated adsorption amounts above the capillary-condensation pressure agreed with the experimental ones. The simulation results showed that most molecular planes were nearly parallel to the pore axis. This orientation was not affected by the molecular position in the pore. The molecular planes were nearly parallel to the pore surface for the adsorbate molecules close to the pore wall, and the molecules in the MCM-41 with the pore diameter of 3.2 nm were ordered along the pore axis.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제47권6호
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• pp.747-754
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• 2009

본 연구에서는 $1,000^{\circ}C$에서 24시간 열처리된 활성탄에서 다이옥신과 유사구조를 갖는 o-DCB(ortho-dichlorobenzene)의 등온흡착식을 실험을 통하여 구하였고, 분자모사를 통하여 예측하였다. 실험으로 분석된 활성탄의 분자식 및 작용기 비율을 바탕으로 초기 활성탄 기본구조를 설계한 후, COMPASS(condensed-phase optimized molecular potentials for atomistic simulation studies) force field를 이용하여 이 구조를 최적화하였다. 최적화된 활성탄 분자구조에서 공극률, 비표면적, 및 입자밀도의 모사결과는 실험값과 비교되었고, 이들에 대한 실험과 모사결과의 오차는 각각 7.62, 3.79, 2.80%를 보여주었다. 통계 열역학적 방법인 GCMC(Grand Canonical Monte Carlo) 기법을 이용하여, 최적화된 활성탄 구조에서 온도에 따른 o-DCB의 등온흡착 상수값을 예측하였으며, 이 모사결과는 실험값과 비교될 때, 3% 이하의 오차를 보였다. o-DCB의 흡착특성을 바탕으로 확인되어진 활성탄 구조에서 다이옥신의 일종인 2,3,7,8-TCDD(tetrachlorodibenzo-p-dioxin) 등온흡착상수, 흡착열, 그리고 기공확산계수를 최종적으로 구함으로서, 실험적으로 구하기 힘든 맹독성 잔류성 유기물질의 흡착특성을 분자모사기법을 통하여 예측하였다.

• 에너지공학
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• 제23권2호
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• pp.7-12
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• 2014

탄소나노튜브의 수소 저장소로써의 가능성을 평가하기 위한 분자 모사를 수행하였다. 일정한 온도와 압력에서 Grand canonical Monte Carlo 방법을 적용하여 탄소나노튜브에 수소가 흡착된 평형 상태를 구현하였다. Lennard-Jones 퍼텐셜 모델로부터 탄소나노튜브와 수소 분자 간 상호 작용 에너지를 계산 한 결과에 의하면 수소 분자는 나노튜브 외부보다 내부에 많은 양이 흡착되는 반면 흡착 강도는 외부가 높은 것으로 나타났다. 여러 가지 온도와 압력에 대해 흡착율을 검토하였으며, 200 K와 200 bar의 저온 고압 조건에서 약 2.5wt%의 흡착율을 나타내었다.

• 대한화학회지
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• 제42권1호
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• pp.16-21
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• 1998

칼륨이온이 교환된 제올라이트 L중 에탄과 프로판의 흡착 성질을 그랜드 카노니칼 앙상블 몬테칼로 시뮬레이션을 이용하여 연구하였다. 퍼텐셜 계산에서 흡착분자의 $CH_3\;와\; CH_2$그룹을 하나의 유사원자로 고려하였으며, 분자 내의 결합길이와 결합각도는 시뮬레이션 과정에서 고정시켰다. 단위세포당 평균 분자수, 단위세포당 분자들의 분포, 제올라이트 중 분자의 수밀도, 흡착 분자의 평균 퍼텐셜, 그리고 등량흡착열을 계산하였고, 이들을 실험 결과와 비교하였다. 에탄의 시뮬레이션 결과는 넓은 온도 범위에서 실험값과 상당히 잘 일치하였다. 에탄과 프로판 분자의 퍼텐셜은 흡착량의 증가에 따라 천천히 감소하였다.

• 분석과학
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• 제18권4호
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• pp.309-319
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• 2005

본 연구는 흡착제와 기체상 분자의 흡착특성을 연구하기 위하여 탄소질 흡착제의 세공크기 및 흡착 온도와 압력에 따른 기체상 분자들의 흡착용량을 Crand Canonical Monte Carlo(GCMC) 분자모사 방법으로 예측하였다. 사용된 흡착질에 대한 분자구조 및 분자 분광학적 성질에 대해서는 범밀도함수이론(DFT)을 이용하여 계산하였다. 온도에 따른 흡착효과는 온도가 증가할수록 흡착량은 감소하는 경향을 보였으며, 흡착질의 크기, 극성, 그리고 흡착질간의 상호작용 등에 따라서도 흡착효과는 일정한 상관관계를 나타내는 것으로 예측되었다. 본 연구에 사용된 모든 경우에 대하여 탄소질 흡착제에 흡착되는 순서는 $NH_3$ < $H_2S$ < $CH_3SH$ 순으로 예측되었으며, 이러한 이론적 예측은 실험에 의한 관찰 결과와 정성적으로 잘 일치하는 것으로 나타났다.

• 광물과 암석
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• 제36권4호
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• pp.221-232
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• 2023

탄소중립을 위한 이산화탄소 저감 기술 및 대체 에너지에 대한 수요가 계속 증가하고 있다. 팔리고스카이트(palygorskite)는 리본 구조를 가지는 점토광물로 넓은 표면적의 나노크기의 공극을 가지고 있어, 지구온난화의 주범인 이산화탄소(CO₂)를 포집하고 친환경 대체 에너지인 수소(H₂)를 저장할 수 있는 물질로 제안된 바 있다. 이번 논문에서는 대정준 몬테 카를로(grand canonical Monte carlo) 시뮬레이션을 사용하여 팔리고스카이트 나노공극으로의 CO₂ 및 H₂ 분자의 흡착 등온선과 기작에 대한 기초연구의 예비 결과를 보고한다. 실온에서 기체의 분압 관련 변수인 화학 포텐셜(chemical potential)의 증가에 따라 나노공극에 흡착되는 CO₂ 및 H₂ 함량은 증가하였다. CO₂와 비교하여, H₂의 흡착은 더 높은 화학 포텐셜, 즉 높은 에너지가 필요하였다. 이론 계산으로 얻은 나노공극에서의 평균 제곱 변위(mean squared displacement)는 CO₂ 보다 H₂가 훨씬 높았으며 기존 실험 결과와 일치했다. CO₂는 나노공극에서 일렬로 배열된 반면, H₂는 매우 불규칙한 배열을 보였다. 이번 연구 방법은 CO₂ 및 H₂를 저장 가능한 지구물질 광물을 찾는 개발연구뿐만 아니라, 지중환경에서 유체와 광물의 반응을 근본적으로 이해하는 데 기여할 것으로 기대한다.

• 청정기술
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• 제28권3호
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• pp.249-257
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• 2022

Grand canonical Monte Carlo 전산모사 방법에 의하여 77.16 K에서 국부분자배향 모델을 가지는 나노 기공 탄소 흡착제에 대한 질소의 평형 흡착량을 계산하였다. 국부분자배향 모델은 일정한 공간을 가지는 규칙적인 격자에 동일한 크기를 배열하였다. 국부분자배향 영역의 연속적인 평면의 직교(out-of-plane)의 제거에 의해 미세기공을 도입하였고, 기본구조단위의 기울임을 통해 기울어진 기공을 도입하였다. 이런 기공 구조는 틈새형 기공 구조보다 나노기공을 가지는 탄소계 흡착제의 흡착 연구에 보다 현실적인 모델이 된다. 또한 이들 기공 구조에 대해 기공도, 표면적 그리고 제한된 비선형 최적화 기법을 활용하여 기공크기분포에 구하였다. 또한 참고 자료로써 틈새형 기공에서의 등온 평형흡착량도 계산하였다. 틈새형 기공에서는 질소분자의 5배 이상의 기공에서 hysteresis 루프가 관찰되었고, 모세관 응축과 응축의 역과정인 증발이 한 압력에서 한 번에 일어났다. 국부분자배향 기공모델에서는 질소분자의 크기의 6배 큰 기공에서 기저 슬립면, armchair 슬립면 그리고 상호연결된 채널에서 각각 세 가지 연속적인 응축이 관찰되었다. 탈착 과정의 hysteresis 루프에서는 단일 또는 두 압력에서 응축의 반대인 증발이 관찰되었다.