| [남아공] 다공성 탄소에 기후 오염성 메탄가스 포획하는 방안 연구
다공성 탄소에 기체의 흡착에 대한 새로운 시뮬레이션이 에너지 연구와 기후 변화 완화를 수행하는 분야에서 관심을 끌고 있다.
지구 온난화가 전 세계적인 문제로 대두됐기 때문에, 과학자들은 지구 온난화의 효과에 대한 최적의 방안을 이해하는 노력을 갱신해왔다. 예를 들면, 메탄과 블랙카본과 같은 짧게 잔류하는 기후 오염물질을 격리하는 것은 이산화탄소에서 감축과 비교했을 때, 지구 온난화를 훨씬 더 빠르게 억제할 수 있다.
메탄(methane)은 전 세계 기후 변화의 잠재적 주도 물질이며 지구 온난화에 대해 약 30% 정도의 책임이 있다. 메탄에 대한 우려는 점차 커져가고 있는데 그 이유는 빠르게 증가하고 있는 오일이나 가스 추출 과정에서의 유출, 극지방에서 얼음이 녹으면서 공기 중으로 방출되는 메탄의 증가 때문이다. 이러한 우려와 동시에 메탄은 에너지 자원으로서의 가치가 날로 증가하고 있으며 이 과정에서 발생하는 지구 온난화를 막는 것에 강력한 메탄 배출 완화가 핵심이 되고 있다.
짧게 잔류하는 기후 오염물질의 격리를 수행하기 위하여, 다공성 탄소(porous carbon)와 상호 작용하는 기체의 물리적-화학적 특성을 더 잘 이해하는 것이 필수적이다. 최근 남아프리카공화국을 기반으로 하는 화학공학 연구진은 나노 기공을 가지는 탄소에 메탄의 흡착(adsorption) 및 탈착(desorption)을 정확하게 시뮬레이션하는 방법을 수립했다.
남아프리카공화국 더반에 위치한 카줄루 대학(University of KwaZulu-Natal) 소속의 Matthew Lasich와 Deresh Ramjugernath 등은 이와 관련된 연구 결과를 최근 발표했다. 이러한 발견을 위한 대체 응용은 에너지 저장과 천연가스 추출 방법의 개발 등과 같은 미래 에너지 연구에 상응하는 것이다.
수많은 기공을 함유하는 탄소 재료인 활성탄(activated carbon)은 에너지 분야에서 기체를 흡수하기 위하여 종종 사용됐다. 이 논문의 저자들은 흡착에 대한 다른 유형의 분자 사이에 분자 간 상호 작용(intermolecular interaction)의 영향을 연구하기 위하여 컴퓨터를 이용한 방법을 사용하는 것을 선택했다. 연구진의 목표는 이러한 공정을 방해하는 분자 상호 작용을 규명하는 것이었다.
활성탄은 높은 비표면적(specific surface areas)과 비교적 큰 기공과 미세한 기공의 거대한 부피 등의 장점을 가지고 있어 인기 있는 흡착제이다. 컴퓨터를 이용한 분자 계산(molecular computations)을 이용한 흡착 행동 양식 모델링은 빈번하게 수행되고 있지만, 흡착 행동에 대한 분자 간 상호 작용과 같은 영향은 종종 정확하게 규명되지 못하고 있다.
먼저 연구진은 큰 규범적 틀에 몬테카를로 시뮬레이션(Monte Carlo simulations)이 삽입된 표준 시뮬레이션 접근을 채용했다. 이 방법과 병행하여, 연구진은 분자 간 상호 작용을 기술하는 방정식과 결합된 단순한 격자 기체 모델(lattice gas model)을 사용했다. 격자 기체 모델을 사용하지 않으면, 분자 간 상호 작용은 전총적인 밀도 함수 이론으로 언급된다. 연구진은 두 가지 접근이 이전에 문헌으로 발표된 실험적 자료와 정성적으로 일치한다는 것을 발견했다. 그러나 두 번째 접근은 방정식이 다양한 모델에서 포함된 크기에서 차이와 관련된 보정보다는 에너지 수준에 대한 단순한 보정의 적용을 통하여 수정될 때 탄소 재료에 흡착된 기체에 대한 실험적 자료와 더 유사한 결과를 도출했다.
이 연구는 분산적 상호 작용(dispersive interactions)에 초점을 맞추면서 흡착 행동 양식에 대한 비유사 분자 간 상호 작용의 영향을 연구하기 위하여 단순한 격자 기체 모델과 결합된 전통적인 밀도 함수 이론과 대정준 몬테카를로 시뮬레이션(grand canonical Monte Carlo simulations)을 채용했다.
비록 정량적으로 전통적인 밀도 함수 이론 접근에 일치하고 있다고 하더라도, 두 가지 접근은 문헌에서 제시된 실험적 자료와 정성적인 일치를 보여주었다. 메탄-탄소 상호 작용의 위치 에너지 심도 깊이(potential energy well depth)를 변화시키는 것은 관찰된 랭뮤어 유형 흡착 행동 양식을 변화시키지 못했다. 그러나 상호 작용과는 다른 열역학적 조건에 좌우되는 일부 흡착 의존성이 존재한다는 것을 확인할 수 있었다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 12월 9일]
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Trapping climate pollutant methane gas in porous carbon
As talks of global warming are once again making headlines, scientists have renewed their efforts to understand how to best limit its effects. For example, sequestrating short-lived climate pollutants, such as methane and black carbon, yields much faster reductions in global warming compared to reductions in CO2. To do so, it is essential to have a better grasp of the nature of physico-chemical properties of gases interacting with porous carbon. Now, a team of chemical engineering researchers based in South Africa has established ways of accurately simulating methane adsorption and desorption in carbon with nanopores.
These findings have been published by Matthew Lasich and Deresh Ramjugernath from the University of KwaZulu-Natal, Durban, South Africa, in EPJ B. Alternative applications for such findings are relevant for future energy research, such as energy storage and the development of natural gas extraction methods.
Activated carbon, which is a type of carbon material containing numerous nanopores, is often used to adsorb gases in the energy sector. The authors chose to use computational methods to study the influence of intermolecular interactions between different types of molecules -- in this case, they simplified the approach by limiting it to methane and activated carbon -- on adsorption. Their goal was to identify molecular interactions that could prevent such a process.
First, they employed a standard simulation approach, which was dubbed grand canonical Monte Carlo simulations. Parallel to that, they used a simple lattice gas model coupled with equations describing the intermolecular interactions, otherwise referred to as classical density functional theory. They found that both approaches yielded qualitative agreement with previously published experimental data. However, the second approach yielded results more in line with experimental data for gases adsorbed into carbon materials when equations are amended through simple corrections pertaining to energy levels, rather than by corrections related to the difference in the size of the various molecules involved.
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