흡착제 분자모사를 통한 등온흡착식 및 확산계수의 예측 = Adsorption isotherms and diffusivity predictions on adsorbent using molecular simulation

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 1000oC에서 24시간 열처리된 활성탄에서 다이옥신과 유사구조를 갖는 o-DCB(ortho-Dichlorobenzene)의 등온흡착상수와 확산계수를 분자모사를 통하여 예측한다. 실험으로 분석된 활성탄의 분자식 및 작용기 비율을 바탕으로 활성탄의 기본구조를 설계한 후 COMPASS(condensed-phase optimized molecular potentials for atomistic simulation studies) force field를 이용하여 이 구조를 최적화한다. 최적화된 활성탄 분자구조에서 공극률, 비표면적, 입자밀도, pore size 분포 등의 모사결과는 실험값과 비교된다. 공극률, 비표면적, 입자밀도에 대한 실험과 모사결과의 오차는 각각 7.62, 3.79, 2.80 %를 보여준다.
활성탄 기공 내에서 흡착물질의 확산계수는 NVT-ensemble (Number, Volume and Temperature ensemble) 방법으로 계산되고, 시간에 대한 MSD (mean square displacement)의 선형 기울기값이 기공 내 확산계수로 나타난다. 통계 열역학적 방법인 GCMC(Grand Canonical Monte Carlo) 기법을 이용하여, 최적화 된 활성탄 구조에서 온도에 따른 o-DCB 의 등온흡착상수 값을 예측하고, 평형상태의 흡착열을 계산한다. 이들 값에 대한 모사결과는 실험값과 비교될 때, 3 % 이하의 오차를 보인다.
o-DCB 의 흡착특성을 바탕으로 만들어진 활성탄 구조에서 2가지 종류의 다이옥신(2,3,7,8-TCDD와 2,3,4,7,8-PCDF) 등온흡착상수와 흡착열을 최종적으로 예측함으로서 다이옥신 제거를 위해 개발된 활성탄의 성능을 실험전에 미리 확인한다.

중심어: 잔류성 유기오염 물질, 비의도적 잔류적 유기오염물질, 다이옥신, 흡착제거, 활성탄, o-DCB, 분자모사, GCMC 방법, NVT 앙상블, 등온흡착식, 확산계수.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, adsorption isotherms and diffusivity of o-DCB (ortho-Dichlorobenzene) on an activated carbon heated at 1000 oC for 24 hours are predicted by using molecular simulation. The initial molecular structure of the activated carbon is designed on the basis of its molecular formula and functional groups ratio analyzed experimentally. Then, the molecular structure is optimized using the COMPASS (condensed-phase optimized molecular potentials for atomistic simulation studies) force field. The particle porosity, specific surface area, particle density and pore size distribution which are obtained for this optimized molecular structure of the activated carbon are compared to those experimental data. The errors between experimental data and simulation results of the particle porosity, specific surface area and particle density are 7.62, 3.79, and 2.80 %, respectively.
The diffusivity of adsorbate within activated carbon pores results from the slope of MSD (mean square displacement) with respect to time, which is obtained from NVT-ensemble (Number, Volume and Temperature ensemble). Adsorption isotherms constants and adsorption heats of o-DCB are calculated by GCMC (Grand Canonical Monte Carlo) method in the optimized molecular structure of the activated carbon. The simulation results of the adsorption isotherms and adsorption heat show an error of under 3%, compared to those experimental data.
The performance of the activated carbon is finally predicted before experiments by calculating adsorption isotherms and adsorption heats of two dioxins (2,3,7,8-TCDD and 2,3,4,7,8-PCDF) in the same molecular structure of the activated carbon as used for o-DCB.

Keywords: Molecular simulation, POPs (Persistent organic pollutants), UPOPs (Unintentionally produced persistent organic pollutants), Dioxin, Adsorption reduction, Activated carbon, o-DCB (ortho-Dichlorobenzene), GCMC (Grand Canonical Monte Carlo) method, NVT-ensemble, Adsorption isotherms, Diffusion coefficient.

목차 (Table of Contents)

• LIST OF TABLES ⅰ
• LIST OF FIGURES ⅱ
• ABBREVIATIONS ⅲ
• NOMENCLATURES ⅳ
• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 3
• 1.2 연구실적 5
• 2. 연구 현황 및 분자모사 기법 7
• 2.1 다이옥신 제거 7
• 2.1.1 다이옥신이란 8
• 2.1.2 다이옥신의 배출 현황 12
• 2.1.3 다이옥신 제거기술 13
• 2.2 흡착제 분자 모델링 연구현황 15
• 2.3 흡착제 분자모사 기법 19
• 2.3.1 흡착제 구조최적화 20
• 2.3.2 확산계수 예측 24
• 2.3.3 등온흡착식 예측 24
• 3. 실험 장치 및 방법 27
• 3.1 실험장치 27
• 3.2 흡착제 및 흡착물질 28
• 3.3 실험방법 29
• 4. 실험결과 및 모사결과 비교 31
• 4.1 활성탄에서 o-DCB의 흡착 33
• 4.1.1 활성탄의 분자구조 결정 33
• 4.1.2 확산계수 예측 37
• 4.1.3 등온흡착상수 값의 예측 41
• 4.2 활성탄에서 다이옥신의 흡착 48
• 5. 결론 52
• REFERENCES 55
• 요약 63
• ACKNOWLEDGMENTS 65
• APPENDICES 66
• A1. Materials Studio 사용방법 68
• A2. 연구 실적 86
• A2.1 학술지 게재 논문 (2) 86
• A2.1.1 Son and Lim, Chin. J. Chem. Eng., 2008. 86
• A2.1.2 Son et al., Korean Chem. Eng. Res., 2008. 90
• A2.2 국내 학술대회 발표 (7) 98
• A2.2.1 Lim et al., KIChE, fall, 2006. 98
• A2.2.2 Son et al., KIChE, spring, 2007. 99
• A2.2.3 Son et al., KIChE, fall, 2007. 101
• A2.2.4 Son et al., KSIEC, fall, 2007. 103
• A2.2.5 Son et al., KIChE, spring, 2008. 105
• A2.2.6 Son et al., KIChE, fall, 2008. 107
• A2.2.7 Lim et al., KIChE, fall, 2008. 109
• A2.3 국외 학술대회 발표 (4) 110
• A2.3.1 Lim et al., ISIE, 2006. 110
• A2.3.2 Son et al., AIChE Annual meeting, 2007. 112
• A2.3.3 Nguyen et al., ICSST, 2008. 115
• A2.3.4 Son et al., AIChE, 2008. 118
• A2.4 특허 (2) 121
• A2.4.1 임영일 외, 2007, 특허 제 10-0773132 121
• A2.4.2 임영일 외, 2006, 출원번호: 10-2006-0128434 124
• A3. 발표자료 126