비표면적값을 리용한 촉매 및 흡착제의 프락탈특성해석

경애하는 김정은동지께서는 다음과 같이 말씀하시였다.

《자연과학부문에서는 식량문제, 에네르기문제를 비롯하여 인민경제발전과 국방력강화에서 절박하게 나서는 과학기술적문제들을 푸는데 적극 이바지하며 기초과학과 첨단과학기술부문에서 세계적인 경쟁력을 가진 연구성과들을 내놓아야 합니다.》

우리는 촉매 및 흡착제의 겉면 및 기공연구에서 중요한 표면프락탈차원수를 결정하는 새로운 방법을 연구하였다.

일반적으로 도형이나 모임의 프락탈성(복잡성)은 프락탈차원수로 나타낸다. 그리고 그것을 결정하는데는 여러가지 방법이 적용된다. 다공성고체인 경우에는 기체흡착실험자료(등온선)들이 주로 리용되며 전자현미경사진자료들도 리용된다.

다공성고체의 연구에 다분자흡착등온식인 BET방정식이 리용되는데 원리가 잘 알려져 쉽게 리해할수 있고 상관성이 아주 좋은 우점이 있는 반면에 분자크기가 서로 다른 흡착질들을 리용하여 흡착실험을 반복하여야 하는 등 품이 매우 많이 드는 부족점도 있다.

우리는 BET방정식으로 결정한 다공성고체의 비표면적값과 진밀도측정값을 리용하여 프락탈차원수를 결정하는 새 방법을 제기하였다.

우리가 이 방법에서 리용한 가정은 다음과 같다.

우선 촉매표면이 자기상사프락탈특성을 가지며 질소분자를 흡착시켜 BET방정식으로 비표면적을 측정하는것이 단분자층으로 포화흡착된 질소분자들의 총길이를 구하는것과 같다.

그리고 자기상사도형으로부터 이끌어낸 프락탈곡선방정식의 출발선분길이는 흡착제구의 직경과 같다. 이때 진밀도측정값의 거꿀수는 흡착제구의 체적과 같다.

또한 흡착이 주로 기공안에서 일어나며 각이한 직경의 기공통로가 많은 다공성고체의 특성을 반영하기 위하여 1차근사로 구한 평균기공직경측정값을 리용하여 기공통로가 원형이라고 가정하고 그 원둘레를 따라 흡착질분자가 몇개 배치될수 있는가(프락탈곡선개수)를 계산한 다음 비표면적을 그것으로 나누어주어 프락탈차원수를 계산하였다.

활성탄과 실리카겔, 알루미나, 활성백토를 비롯한 흡착제들의 물성자료를 가지고 새로운 방법으로 계산한 프락탈차원수들은 비표면적값이 클수록 프락탈차원수값이 커지는 경향을 가진다.

한편 기공이 넓어질수록 표면프락탈차원수가 작아진다는것을 보여주었다. 특히 활성탄실험자료를 가지고 활성탄의 부활과정에 활성탄기공반경이 점점 커지고 흡착질이 흡착되는 기공내부표면이 점차 평평해진다.

이와 같이 우리는 촉매 및 흡착제의 비표면적값과 진밀도측정값을 리용하여 하나의 흡착등온선실험자료로부터 표면프락탈차원수를 결정하는 방법을 밝히고 계산실험을 통하여 확증하였다. 그리고 촉매 및 흡착제인 경우 비다공체의 표면프락탈차원수와는 달리 기공의 존재를 고려하여야 한다는것을 이미 제기된 촉매 및 흡착제의 표면프락탈차원수를 결정하는 식으로 계산한 결과와 비교하여 확인하였다. 우리가 제기한 방법의 가장 큰 우점은 실험을 하지 않고도 이미 저축된 비표면적자료들을 리용하여 흡착제들의 표면프락탈차원수를 결정할수 있으며 나아가서 임의의 크기를 가진 흡착질분자의 단분자포화흡착량을 계산할수 있다는데 있다.