다중 성분 경쟁을 고려한 다공성 매체 내 흡착·탈착 메커니즘의 DPD 시뮬레이션 연구

초록

본 연구는 전기적 상호작용을 포함한 소멸 입자 동역학(DPD) 방법을 이용해 다공성 채널 내에서 여러 오염 물질이 동시에 존재할 때의 흡착·탈착 평형을 조사한다. 경쟁 현상이 흡착량에 미치는 영향을 정량화함으로써, 실제 환경에서의 방사성 폐기물 확산 예측에 필요한 모델링 정확도를 높인다.

상세 분석

이 논문은 기존 흡착‑탈착 모델이 단일 종만을 고려하거나 다중 종 간 경쟁 효과를 무시하는 한계를 지적한다. 이를 보완하기 위해 전하를 가진 입자를 DPD 입자군으로 전환하고, 보존력(Conservative), 점성력(Viscous), 랜덤 힘(Random) 세 가지 상호작용을 동시에 적용하였다. 전기적 상호작용은 Ewald‑type 방법으로 구현해 장거리 Coulomb 힘을 정확히 계산했으며, 이는 특히 이온성 폐기물 입자와 매질 벽 사이의 흡착 메커니즘을 재현하는 데 핵심 역할을 한다. 모델은 3차원 직사각형 채널(길이 L, 높이 H, 폭 W) 내부에 다공성 구조를 격자 형태로 배치하고, 각 격자 셀에 흡착 사이트를 부여하였다. 입자 종류는 (1) 방사성 고체 입자, (2) 비방사성 경쟁 이온, (3) 중성 용매 입자로 구분했으며, 각각의 상호작용 파라미터(χ, a_ij, γ_ij)를 실험 데이터와 문헌값을 기반으로 캘리브레이션하였다. 시뮬레이션은 NVT 집합체에서 10⁶ 타임스텝까지 진행했으며, 각 단계마다 흡착 사이트 점유율, 자유 입자 농도, 그리고 시스템 전체의 자유 에너지를 추출했다. 결과는 경쟁 이온이 존재할 경우 흡착 사이트의 점유율이 비선형적으로 감소하고, 특히 높은 전하량을 가진 방사성 입자는 전기적 스크리닝 효과로 인해 흡착이 억제되는 현상을 보여준다. 또한, 다중 종이 동시에 존재할 때의 등온선은 단일 종 경우와 비교해 기울기가 완만해져, 경쟁에 의한 흡착 용량 감소가 열역학적으로도 안정된 상태임을 확인했다. 이러한 정량적 결과는 기존 모델이 과대평가하는 방사성 폐기물의 토양 정착량을 교정하고, 장기 환경 위험 평가에 보다 현실적인 입력값을 제공한다.