KR20230040742A - Catalyst for Direct Hydrogenation Reaction of Carbon dioxide - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이산화탄소로부터 액체 탄화수소를 직접 제조하기 위한 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매에 관한 것이다. The present invention relates to a catalyst for the direct hydrogenation of carbon dioxide, and more particularly, to a catalyst for the direct hydrogenation of carbon dioxide for the direct production of liquid hydrocarbons from carbon dioxide.
석탄 및 석유는 전체 에너지의 50 % 이상을 차지하는 화석에너지로서 지난 수세기 동안 인류의 중요한 에너지원으로 사용되어져 왔으며, 인류는 이들의 각종 에너지 변환 공정을 거치면서 열역학적으로 안정한 이산화탄소를 별도의 후처리 공정 없이 배출해 왔다.Coal and petroleum are fossil energies that account for more than 50% of total energy, and have been used as important energy sources for mankind for the past several centuries. Through various energy conversion processes, mankind can produce thermodynamically stable carbon dioxide without a separate post-processing process. have been ejecting
그러나 최근 이산화탄소가 지구 온난화 기여도의 55 %를 차지하는 주 온실기체임이 알려지면서 이산화탄소를 제거하기 위한 다양한 기술들이 제시되고 있으며, 이들 중 촉매를 이용하여 이산화탄소를 수소화시켜 알파 올레핀 등과 같은 고부가가치의 화학원료나 휘발유나 디젤 등과 같은 액상 연료로 전환시키는 기술들이 기존의 산업 공정과 기술적인 연계가 용이하고 생성 제품의 대규모 시장이 확보되어 있으며 대량의 이산화탄소를 용이하게 처리할 수 있다는 측면에서 가장 선호되고 있다.However, recently, as it is known that carbon dioxide is a major greenhouse gas that accounts for 55% of global warming, various technologies for removing carbon dioxide have been proposed. Technologies for converting liquid fuels, such as gasoline or diesel, are the most preferred in terms of being easy to technically link with existing industrial processes, securing a large-scale market for generated products, and being able to easily process a large amount of carbon dioxide.
이산화탄소의 수소화 반응에 의한 탄화수소의 합성에 관한 반응 기구는 아직까지 명확히 밝혀지지 않았지만, 일반적으로 두 단계의 연속 반응으로 진행되는 것으로 알려져 있다. 구체적으로는, 이산화탄소의 수소화 반응은, 반응물로 공급된 이산화탄소가 역수성 가스 전환(reverse water gas shift, RWGS)반응에 의하여 일산화탄소로 전환되는 제1 단계 및 생성된 일산화탄소가 피셔-트롭시(Fischer- Tropsch, FTS) 반응에 의하여 수소와 결합하여 탄화수소로 전환되는 제2 단계로 구성된다. 이때, 상기 제1 단계의 역수성 가스 전환 반응은 흡열 반응이며, 하기 식 1로 나타낼 수 있다.Although the reaction mechanism for the synthesis of hydrocarbons by hydrogenation of carbon dioxide has not yet been clarified, it is generally known that the reaction proceeds in two stages. Specifically, the hydrogenation reaction of carbon dioxide is a first step in which carbon dioxide supplied as a reactant is converted into carbon monoxide by a reverse water gas shift (RWGS) reaction and the produced carbon monoxide is Fischer-Tropsch (Fischer-Tropsch) Tropsch, FTS) consists of a second step in which hydrogen is combined with hydrogen and converted into hydrocarbons by the reaction. At this time, the reverse water gas shift reaction of the first step is an endothermic reaction and can be represented by Equation 1 below.
이러한 제1 단계의 역수성 가스 전환 반응은 가역 반응이며, 이의 역반응(CO 및 H2O에서 CO2 및 H2로의 반응)은 수성 가스 전환반응(water gas shift reaction)으로 알려져 있다. 상기 역수성 가스 전환 반응은 CO2와 H2의 부분 전환을 제공하는 조건 하에서 수행될 수 있으며, 이에 따라 일산화탄소(CO) 및 H2O를 포함하는 전체 생성 혼합물이 생성된다. 이후 제1 단계에서 생성된 일산화탄소는 제2 단계의 피셔-트롭쉬 합성(Fischer-Tropsch synthesis, FTS) 반응을 거친다. 상기 FTS 반응은 발열성이며, 하기 식 2로 나타낼 수 있다. 하기 식 2에서 "CH2"는 보다 큰 분자, 예컨대 에틸렌(C2H4) 또는 프로필렌(C3H6)에 혼입될 수 있는 일반적인 탄화수소 모이어티를 나타낸다.This first stage reverse water gas shift reaction is a reversible reaction, and its reverse reaction (reaction of CO and H 2 O to CO 2 and H 2 ) is known as the water gas shift reaction. The reverse water gas shift reaction can be carried out under conditions that provide partial conversion of CO 2 and H 2 , resulting in a total product mixture comprising carbon monoxide (CO) and H 2 O. Thereafter, the carbon monoxide generated in the first step undergoes a Fischer-Tropsch synthesis (FTS) reaction in the second step. The FTS reaction is exothermic and can be represented by Equation 2 below. “CH 2 ” in Equation 2 below represents a common hydrocarbon moiety that can be incorporated into larger molecules such as ethylene (C 2 H 4 ) or propylene (C 3 H 6 ).
특히 피셔-트롭쉬 합성반응시 촉매 입자에서 반응열을 신속히 제거하는 것은 매우 중요한데, 이는 촉매 입자 내부에 반응열이 축적되면 합성하고자 하는 탄화수소에 대한 선택도가 저하되고 촉매가 열화되는 문제가 발생하기 때문이다. 이에, 고정층 촉매층을 구성할 때, 일정량의 불활성 지지체를 포함시키거나(특허문헌 0001 참조), 임의의 불활성 입자를 촉매 입자와 섞어서 촉매층을 구성하여 반응성을 적절히 조절하는 방법이 종래에 수행되어 왔다. In particular, during the Fischer-Tropsch synthesis reaction, it is very important to quickly remove the reaction heat from the catalyst particles. This is because when the reaction heat accumulates inside the catalyst particles, the selectivity for the hydrocarbon to be synthesized decreases and the catalyst deteriorates. . Therefore, when configuring a fixed bed catalyst layer, a method of including a certain amount of an inert support (see Patent Document 0001) or mixing arbitrary inert particles with catalyst particles to form a catalyst layer to appropriately adjust the reactivity has been conventionally performed.
그러나 불활성 지지체를 사용할 경우 지지체 자체가 다공성 물질인 관계로 지지체 내부까지 촉매물질이 스며들어 내부에서도 촉매 반응이 일어나 내부에서의 발열반응을 제어하기 힘들다는 단점이 있고, 불활성 입자를 물리적으로 촉매 입자와 혼합하여 사용하는 경우에는 일단 균일한 혼합이 힘들어 촉매 물질이 뭉치는 부분이 생겨 반응이 불균일하게 일어난다는 단점이 있었다.However, when using an inert support, since the support itself is a porous material, the catalytic material permeates into the support and a catalytic reaction occurs inside, making it difficult to control the exothermic reaction inside the support. In the case of mixing and using, there is a disadvantage in that uniform mixing is difficult, and the reaction occurs non-uniformly because a portion of the catalyst material is agglomerated.
이에, 미국공개특허 제2004-0251001호에서는 포일(foil) 형태의 FTS 합성용 촉매를 개시한 바 있고, 한국공개특허 제2007-0010190호에서는 산화성인 코어 물질, 이 코어 물질 주변의 산화아연 쉘 및 금속 코발트, 철, 루테늄 및/또는 니켈 중 하나 이상을 기재로 한 쉘 중 또는 쉘 상의 촉매 활성 물질을 포함하는 촉매를 개시한 바 있다.Accordingly, U.S. Patent Publication No. 2004-0251001 discloses a foil-type FTS synthesis catalyst, and Korean Patent Publication No. 2007-0010190 discloses an oxidizable core material, a zinc oxide shell around the core material, and Catalysts comprising catalytically active material in or on a shell based on one or more of the metals cobalt, iron, ruthenium and/or nickel have been disclosed.
그러나 이제까지 개발된 촉매는 열전달 성능 측면에서 그다지 만족스러운 물성을 나타내지 못할 뿐만 아니라, 촉매 깨짐 현상 등이 발생되어 촉매의 열적 기계적 물성 또한 저하되는 문제점이 있었다. However, the catalysts developed so far do not exhibit satisfactory physical properties in terms of heat transfer performance, and also have problems in that the thermal and mechanical properties of the catalysts are also deteriorated due to the occurrence of catalyst breakage.
이와 같은 촉매의 깨짐 현상은 주로 화학적인 원인과 물리적인 원인을 들 수 있다. 화학적 원인으로는, 철계 촉매의 활성물질인 산화철이 금속철 또는 탄화철(iron carbide)로 전환되면서 구조적인 변화가 발생하여 생긴다. 물리적인 깨짐 현상은 촉매 입자들의 마찰과 충돌에 의해 일어난다. 이러한 촉매 깨짐 현상은 촉매의 비활성화를 초래할 뿐만 아니라 정상적이고 안정적인 반응 운전을 방해하고, 또한 작게 깨진 촉매 입자들은 생성물에 포함되어 생성물의 질을 떨어뜨릴 수 있다. The cracking phenomenon of such a catalyst can be mainly caused by chemical and physical causes. As a chemical cause, structural changes occur as iron oxide, an active material of iron-based catalysts, is converted into metallic iron or iron carbide. Physical cracking is caused by the friction and collision of catalyst particles. Such catalyst breakage not only causes catalyst deactivation but also interferes with normal and stable reaction operation, and small broken catalyst particles may be included in the product and degrade the quality of the product.
따라서 이산화탄소의 직접 수소화 반응의 장기 운전을 위해서는 촉매의 수명에 대한 안정성이 요구되며, 그러기 위해서는 촉매의 깨짐 현상이 적게 발생하고, 열전달 성능이 우수한 촉매의 개발이 필요하다. Therefore, long-term operation of the direct carbon dioxide hydrogenation reaction requires stability over the lifetime of the catalyst, and to this end, it is necessary to develop a catalyst with less catalyst breakage and excellent heat transfer performance.
본 발명의 주된 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매로서 우수한 열전달 성능과 열적 기계적 물성을 가져 목적하는 탄화수소에 대한 높은 선택도와 전환율을 확보할 수 있는 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매를 제공하는데 있다. The main object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and as a catalyst for direct hydrogenation of carbon dioxide, direct hydrogenation of carbon dioxide capable of securing high selectivity and conversion rate for a desired hydrocarbon by having excellent heat transfer performance and thermal and mechanical properties. It is to provide a catalyst for the reaction.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는, 알루미나볼로 이루어진 중심부 입자; 및 상기 중심부 입자 표면을 둘러싸면서 부착된 외각부 입자층을 포함하고, 상기 외각부 입자층은 분말상 촉매 입자로 이루어지며, 상기 분말상 촉매 입자는 철(Fe), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 K(칼륨)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매를 제공한다.In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention, the center particles made of alumina balls; And an outer shell particle layer attached while surrounding the surface of the central particle, wherein the outer shell particle layer is composed of powdered catalyst particles, and the powdery catalyst particles include iron (Fe), copper (Cu), aluminum (Al) and K It provides a catalyst for direct hydrogenation of carbon dioxide, characterized in that it comprises (potassium).
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 철(Fe), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 K(칼륨)은 100 : 5 ~ 30 : 5 ~ 30 : 15 ~ 40 중량비로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the iron (Fe), copper (Cu), aluminum (Al) and K (potassium) are included in a weight ratio of 100: 5 to 30: 5 to 30: 15 to 40. can do.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 알루미나볼은 벌크밀도가 1.5 g/cm3 ~ 2.5 g/cm3이고, 모스경도가 7.5 이상이며, 충격강도가 25 kgf ~ 30 kgf이고, 수분 흡수율이 2 % ~ 5 %인 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the alumina ball has a bulk density of 1.5 g/cm 3 to 2.5 g/cm 3 , a Mohs hardness of 7.5 or more, an impact strength of 25 kgf to 30 kgf, and a water absorption rate of 2 % to 5%.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 두께비는 0.08 ~ 0.25인 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the thickness ratio of the outer particle layer (outer particle layer/center particle) to the central particle may be 0.08 to 0.25.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 중량비는 0.20 ~ 0.25인 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the weight ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle layer) to the central particle may be 0.20 to 0.25.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 중심부 입자 및 외각부 입자층의 마모율은 3.7 % 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the wear rate of the core particle and outer particle layer may be characterized in that 3.7% or less.
본 발명에 따른 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매는 우수한 열전달 성능과 열적 기계적 물성을 가짐으로써, 목적하는 탄화수소 특히, 탄소수 3 이상의 탄화수소에 대한 높은 선택도와 이산화탄소의 전환율을 나타내어 이산화탄소로부터 탄화수소를 제조하기 위한 합성에 유용하게 사용될 수 있다. The catalyst for the direct hydrogenation of carbon dioxide according to the present invention has excellent heat transfer performance and thermal and mechanical properties, thereby exhibiting a high selectivity for a desired hydrocarbon, particularly a hydrocarbon having 3 or more carbon atoms, and a conversion rate of carbon dioxide, thereby producing hydrocarbons from carbon dioxide. can be useful for
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1, 2 및 4와 비교예 1, 5 및 6에서 제조된 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매의 사진이다.1 is a schematic diagram of a catalyst for direct hydrogenation of carbon dioxide according to an embodiment of the present invention.
2 is a photograph of catalysts for direct hydrogenation of carbon dioxide prepared in Examples 1, 2, and 4 and Comparative Examples 1, 5, and 6 of the present invention.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclatures used herein are those well known and commonly used in the art.
본 명세서에 기재된 "구비한다", "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재함을 지칭하는 것이고, 언급되지 않은 다른 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재하거나 부가될 수 있는 가능성을 배제하지 않는다.Terms such as “comprise”, “include” or “having” described in this specification indicate that there is a feature, numerical value, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification. It does not rule out the possibility that other features, figures, steps, operations, components, parts, or combinations thereof may exist or be added that have not been described.
본 발명은 알루미나볼로 이루어진 중심부 입자; 및 상기 중심부 입자 표면을 둘러싸면서 부착된 외각부 입자층을 포함하고, 상기 외각부 입자층은 분말상 촉매 입자로 이루어지며, 상기 분말상 촉매 입자는 철(Fe), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 K(칼륨)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매에 관한 것이다.The present invention is a central particle made of alumina balls; And an outer shell particle layer attached while surrounding the surface of the central particle, wherein the outer shell particle layer is composed of powdered catalyst particles, and the powdery catalyst particles include iron (Fe), copper (Cu), aluminum (Al) and K It relates to a catalyst for direct hydrogenation of carbon dioxide, characterized in that it contains (potassium).
본 발명에 따른 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매는 열교환을 위한 중심부 입자(10)와 촉매 입자(25)인 외각부 입자층(30)으로 구성된 이중 입자 구조의 촉매를 도 1에 모식도로서 나타내었다.The catalyst for the direct hydrogenation of carbon dioxide according to the present invention has a double particle structure composed of a
상기 중심부 입자(10)는 촉매의 열전달 성능과 기계적 특성을 만족하기 위해 열전달 물질인 알루미나로 이루어질 수 있고, 형상은 볼 형상으로 직경이 0.5 mm ~ 10 mm, 바람직하게는 0.5 mm ~ 5 mm일 수 있으며, 필요에 따라 더 작거나 크게 조절할 수 있다. The
이때 본 발명에 있어서, 상기 중심부 입자로 적용되는 알루미나볼은 벌크밀도가 1.5 g/cm3 ~ 2.5 g/cm3이며, 모스경도가 7.5 이상이고, 충격강도가 25 kgf ~ 30 kgf이며, 수분 흡수율이 2 % ~ 5 %로, 이산화탄소의 직접 수소화 반응에 최적화된 촉매 지지체의 내구성과 내마모성을 가질 수 있다.At this time, in the present invention, the alumina ball applied as the central particle has a bulk density of 1.5 g/cm 3 to 2.5 g/cm 3 , a Mohs hardness of 7.5 or more, an impact strength of 25 kgf to 30 kgf, and a water absorption rate With this 2% to 5%, the durability and wear resistance of the catalyst support optimized for the direct hydrogenation of carbon dioxide can be obtained.
상기 알루미나볼의 벌크밀도는 하기 식 1로 정의될 수 있다. The bulk density of the alumina ball may be defined by Equation 1 below.
[식 1][Equation 1]
벌크 밀도(g/cm3) = 중심부 입자 무게(g)/중심부 입자 부피(cm3)Bulk Density (g/cm 3 ) = Core Particle Weight (g)/Core Particle Volume (cm 3 )
한편, 상기 알루미나볼의 모스경도는 10 종의 표준광물을 선정하여 알루미나볼이 어느 표준물질에 의해 처음으로 손상되는 여부를 나타내는 경도의 척도로, 상기 알루미나볼의 모스경도는 7.5 이상일 수 있다.On the other hand, the Mohs hardness of the alumina ball is a scale of hardness indicating whether the alumina ball is first damaged by which standard mineral is selected by selecting 10 kinds of standard minerals, and the Mohs hardness of the alumina ball may be 7.5 or more.
또한, 상기 알루미나볼의 충격강도는 만능시험기로 측정한 것으로, 복수의 샘플을 추출한 다음 샘플 중의 하나를 압축 시험기로 서서히 압력을 가해 알루미나볼의 붕괴가 발생한 시점에서의 압력을 측정한다. 모든 샘플에 대해 압력을 측정하고 평균을 구한 충격강도가 25 kgf ~ 30 kgf일 수 있다.In addition, the impact strength of the alumina ball is measured with a universal testing machine. After extracting a plurality of samples, pressure is gradually applied to one of the samples with a compression tester to measure the pressure at the time of collapse of the alumina ball. The pressure was measured for all samples and the averaged impact strength may be 25 kgf to 30 kgf.
또한 상기 알루미나볼의 수분 흡수율은 알루미나볼의 단위 질량에 의해 포화 상태로 흡수되는 물의 체적을 의미하는 것으로, 식 2에 따라 계산함으로써 결정될 수 있다. In addition, the water absorption rate of the alumina ball means the volume of water absorbed in a saturated state by the unit mass of the alumina ball, and can be determined by calculating according to Equation 2.
[식 2][Equation 2]
수분 흡수율(%) = (흡수된 물의 양/지지체의 무게)×100Water absorption rate (%) = (amount of water absorbed / weight of support) × 100
본 발명에 따른 알루미나볼의 수분 흡수율은 2 % ~ 5 %로, 수분 흡수율이 2 % 미만일 경우 알루미나볼 표면에 바인더의 결착이 어렵기 때문에 성형시 촉매 분말의 부착성이 감소되는 문제점이 발생될 수 있고, 5 %를 초과할 경우에는 성형시 구조 무너짐 등 촉매의 기계적 강도가 떨어지는 문제점이 발생될 수 있다. The water absorption rate of the alumina ball according to the present invention is 2% to 5%, and if the water absorption rate is less than 2%, it is difficult to bind the binder to the surface of the alumina ball, so the problem of reducing the adhesion of the catalyst powder during molding may occur. And, if it exceeds 5%, problems such as structural collapse during molding may cause a decrease in mechanical strength of the catalyst.
또한 본 발명에 따른 촉매는 전술된 중심부 입자(10)와 외각부 입자층(30)을 결착시키기 위해 중심부 입자의 표면을 둘러싸는 바인더층(20)을 포함할 수 있다. 상기 바인더층(20)은 바람직하게 실리카, 보헤마이트 및 이들의 혼합물과 같은 세라믹 성분과 규소, 알루늄 또는 이들의 혼합물과 산소를 포함하는 산화물 성분 등을 포함할 수 있다. In addition, the catalyst according to the present invention may include a
상기 바인더층이 상기 세라믹 성분이나 산화물 성분 등으로 이루지는 경우, 실리카 졸, 보헤마이트 졸, 알루미나 졸, 알루미나 알콕사이드 및 이들의 혼합물과 같은 졸(sol)을 중심부 입자 표면에 코팅한 후 그 코팅된 중심부 입자(10) 표면에 분말상 촉매 입자(25)들을 부착시킨 다음, 400 ℃ ~ 600 ℃에서 1 시간 ~ 4시간 정도 소성함으로써 바인더(20)층을 형성시키며, 소성된 바인더층(20)은 중심부 입자(10)와, 분말상 촉매 입자(25)들로 이루어진 외각부 입자층(30)을 완전히 결착시킨다. 예를 들면, 플레이트 등에 분말상 촉매 입자들을 담고, 세라믹 졸이 코팅된 중심부 입자를 적당량 그 위에 담은 후 플레이트를 적절한 방법으로 움직이거나 흔들어 세라믹 졸이 코팅된 중심부 입자의 점착성 표면에 후술되는 분말상 촉매 입자들이 고르게 달라붙게 할 수 있다.When the binder layer is made of the ceramic component or the oxide component, a sol such as silica sol, boehmite sol, alumina sol, alumina alkoxide, and mixtures thereof is coated on the surface of the central particle, and then the coated central region.
이와 같이 제조된 촉매는 중심부 입자로서 열전달 성능이 좋은 알루미나볼을 사용하고 있으면서 촉매 물질을 포함하고 있지 않아 촉매 내부에 반응열이 축적되지 않고 재빨리 분산되어 열적인 문제로 촉매가 열화되지 않으며 생성하고자 하는 탄화수소에 대한 고온에서의 선택도 저하 문제도 억제된다. The catalyst prepared in this way uses alumina balls with good heat transfer performance as core particles, but does not contain catalyst materials, so the reaction heat does not accumulate inside the catalyst and is quickly dispersed, so the catalyst does not deteriorate due to thermal problems, and the hydrocarbon to be produced The problem of deterioration in selectivity at high temperatures is also suppressed.
한편, 상기 중심부 입자를 둘러싸면서 부착된 외각부 입자층(30)은 전술된 바와 같이 분말상 촉매 입자(25)로 이루어지며, 상기 분말상 촉매 입자는 철(Fe), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 K(칼륨)을 포함한다. 이때, 상기 철(Fe), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 K(칼륨)은 외각부 입자층에 있어서 100 : 5 ~ 30 : 5 ~ 30 : 15 ~ 40 중량비로 포함할 수 있다.On the other hand, the outer
상기 외각부 입자층 조성 중, 구리(Cu)는 저온에서 철의 환원을 도와주는 조촉매 역할하는 것으로, 외각부 입자층 조성 중 철 100 중량부에 대하여 5 중량부 ~ 30 중량부로 포함한다. 상기 외각부 입자층 조성 중 구리의 함량이 철 100 중량부에 대하여 5 중량부 미만일 경우, 조촉매 성능이 떨어져 촉매의 활성이 저하되고, 탄소수 3 이상의 탄화수소 분율이 감소하는 문제가 발생될 수 있으며, 30 중량부를 초과할 경우에는 코크 생성이 늘어나는 문제가 발생될 수 있다.Among the outer shell particle layer composition, copper (Cu) serves as a cocatalyst to help iron reduction at low temperature, and is included in an amount of 5 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of iron in the outer shell particle layer composition. When the content of copper in the composition of the outer shell particle layer is less than 5 parts by weight with respect to 100 parts by weight of iron, a problem may occur that the activity of the catalyst is lowered and the hydrocarbon fraction having 3 or more carbon atoms is reduced due to poor promoter performance. If it exceeds parts by weight, a problem of increased coke production may occur.
또한, 상기 외각부 입자층 조성 중, 칼륨(K)은 촉매 표면에 반응물의 흡착을 도와주고 탄화철의 형성을 도와주어 사슬 연쇄 반응에 도움을 주는 역할로, 상기 칼륨의 함량은 철(Fe) 100 중량부에 대하여 15 중량부 ~ 40 중량부 범위로 포함할 수 있다. 상기 칼륨(K)의 함량이 전술된 함량 범위 미만일 경우 이산화탄소의 전환율이 떨어지고, 메탄의 선택도가 높게 나오는 반면, 전술된 함량 범위를 초과할 경우에는 중질 왁스(heavy wax) 생성이 너무 많아져 왁스에 의한 촉매 세공의 막힘이 일어나고, 이에 따라 촉매활성이 떨어지는 문제가 있다.In addition, in the composition of the outer shell particle layer, potassium (K) serves to help the adsorption of reactants on the surface of the catalyst and help the formation of iron carbide to help the chain reaction, the content of potassium is iron (Fe) 100 weight It may be included in the range of 15 parts by weight to 40 parts by weight per part. When the content of potassium (K) is less than the above-mentioned content range, the conversion rate of carbon dioxide is lowered and methane selectivity is high. There is a problem in that the catalyst pores are clogged, and thus the catalytic activity is lowered.
한편, 상기 외각부 입자층 조성 중, 알루미늄(Al)는 구조적 개선제로서 철 촉매성분의 소결을 방지하는 역할을 하는 것으로, 알루미늄(Al)는 외각부 입자층 조성 중 철 100 중량부에 대하여 5 중량부 ~ 30 중량부로 포함한다. 상기 알루미늄 함량이 철 100 중량부에 대하여 5 중량부 미만이면 철 입자의 소결이 일어나 촉매 입자의 크기가 지나치게 증가하여 촉매의 활성이 떨어지는 문제가 발생될 수 있고, 30 중량부를 초과할 경우에는 촉매 활성성분이 지나치게 희석되어 촉매의 활성이 감소되는 문제가 발생될 수 있다.On the other hand, in the outer shell particle layer composition, aluminum (Al) serves as a structural improver to prevent sintering of the iron catalyst component, and aluminum (Al) is 5 parts by weight to 100 parts by weight of iron in the outer shell particle layer composition. 30 parts by weight. If the aluminum content is less than 5 parts by weight with respect to 100 parts by weight of iron, sintering of iron particles occurs and the size of the catalyst particles increases excessively, which may cause a problem in that the activity of the catalyst decreases. If it exceeds 30 parts by weight, the catalytic activity A problem that the activity of the catalyst is reduced due to excessive dilution of the components may occur.
이와 같은 외각부 입자층에 적용되는 분말상 촉매 입자는 철(Fe), 구리(Cu) 알루미늄(Al) 및 칼륨(K)의 전구체 화합물을 이용하여 통상의 방법으로 제조할 수 있다. 일 예로 상기 분말상 촉매 입자는 철 전구체 화합물, 구리 전구체 화합물 및 알루미늄 전구체 화합물을 혼합 및 공침시켜 촉매 전구체 슬러리를 수득한 다음, 이를 숙성시켜 촉매 전구체 침전물을 형성하고, 상기 형성된 촉매 전구체 침전물을 수세, 건조 및 소성하여 촉매 산화물을 수득한다. 상기 수득된 촉매 산화물에 칼륨 전구체 화합물을 담지하고, 이를 건조 및 소성하여 제조할 수 있다. Powdery catalyst particles applied to the outer shell particle layer may be prepared by a conventional method using precursor compounds of iron (Fe), copper (Cu), aluminum (Al), and potassium (K). For example, the powdery catalyst particles are mixed and co-precipitated with an iron precursor compound, a copper precursor compound, and an aluminum precursor compound to obtain a catalyst precursor slurry, and then aged to form a catalyst precursor precipitate. The formed catalyst precursor precipitate is washed with water and dried and calcined to obtain a catalyst oxide. It can be prepared by carrying a potassium precursor compound on the catalyst oxide obtained above, drying and calcining it.
이때, 철, 구리, 알루미늄 및 칼륨의 전구체 화합물로는 촉매 제조에 사용할 수 있는 철, 구리, 알루미늄 및 칼륨 전구체 화합물이면 특별히 제한 없이 사용될 수 있고, 일 예로, 구리, 철, 알루미늄 및 칼륨 이온들이 함유된 질산화물, 할로겐화물, 산화물, 수산화물, 유기산물 등이 사용될 수 있다.At this time, as the precursor compound of iron, copper, aluminum, and potassium, any iron, copper, aluminum, and potassium precursor compound that can be used for preparing the catalyst may be used without particular limitation, and for example, copper, iron, aluminum, and potassium ions are contained. Nitric oxides, halides, oxides, hydroxides, organic products, etc. may be used.
전술된 바와 같이 제조된 분말상 촉매 입자(25)는 중심부 입자(10) 표면을 둘러싸면서 부착되어 외각부 입자층(30)을 형성한다. 이때, 상기 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 두께는 0.08 ~ 0.25일 수 있다.The
만일 상기 중심부 입자에 대한 외각부 입자층의 두께비가 0.08 미만일 경우에는 코팅 표면의 형태가 불균일하여 촉매 반응을 위한 충분한 공간을 확보할 수 없게 되어 촉매의 성능이 떨어지는 문제점이 발생될 수 있고, 0.25를 초과할 경우에는 외각부 입자층의 두께가 너무 두꺼워져 발열 제어가 어려워지며 중심부 입자부와 외각부 입자층의 접착력이 약해져 촉매의 강도가 약해지는 문제점이 발생될 수 있다.If the thickness ratio of the outer particle layer to the central particle is less than 0.08, the shape of the coating surface is non-uniform, so that sufficient space for catalytic reaction cannot be secured, resulting in poor catalyst performance. In this case, the thickness of the outer particle layer becomes too thick, making it difficult to control heat generation, and the adhesion between the central particle portion and the outer particle layer weakens, causing a problem in that the strength of the catalyst is weakened.
또한, 상기 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 중량비는 0.2 ~ 0.25일 수 있다. 만일 상기 중심부 입자에 대한 외각부 입자층의 중량비가 0.2 미만일 경우에는 중심부 입자을 덮을 만한 충분한 촉매 분말이 확보되지 못해 촉매의 성능이 떨어지는 문제점이 발생될 수 있고, 0.25를 초과할 경우에는 촉매 분말의 재결합으로 코팅이 벗겨지는 문제점이 발생될 수 있다. In addition, the weight ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle layer) to the central particle may be in the range of 0.2 to 0.25. If the weight ratio of the outer particle layer to the central particle is less than 0.2, sufficient catalyst powder to cover the central particle cannot be secured, resulting in poor catalyst performance. A problem of peeling of the coating may occur.
이와 같은 본 발명에 따른 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매는 sieve shaker(Fritsch, analysetter 3)에 시료를 넣고 체질을 하여 체에 남아있는 시료의 질량비를 계산하여 측정된 중심부 입자 및 외각부 입자층의 마모율이 3.7 % 이하인 고강도 촉매로, 상기 중심부 입자 및 외각부 입자층의 마모율이 상기 범위를 만족함으로써, 촉매의 기계적 물성 뿐만 아니라, 탄소수 3 이상의 탄화수소에 대한 높은 선택도와 이산화탄소의 전환율을 나타낼 수 있다. In the catalyst for direct hydrogenation of carbon dioxide according to the present invention, the wear rate of the central and outer particle layers measured by putting the sample in a sieve shaker (Fritsch, analysetter 3) and sieving to calculate the mass ratio of the sample remaining in the sieve With a high-strength catalyst of 3.7% or less, the wear rate of the central particle layer and the outer particle layer satisfies the above range, so that not only the mechanical properties of the catalyst, but also high selectivity for hydrocarbons having 3 or more carbon atoms and carbon dioxide conversion rate can be exhibited.
또한, 본 발명에 따른 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매는 우수한 열전달 성능과 함께 우수한 열적 기계적 물성을 가짐으로써, 목적하는 탄화수소, 특히 탄소수 3 이상(C3+)의 탄화수소에 대한 높은 선택도와 이산화탄소의 높은 전환율을 나타내어 이산화탄소로부터 탄화수소를 제조하기 위한 이산화탄소의 직접 수소화 반응에 유용하게 사용될 수 있어 본 발명의 촉매는 일반 고정층 반응기는 물론, 높은 공간속도에서 반응이 일어나는 반응기의 촉매로도 유용하게 사용할 수 있다.In addition, the catalyst for direct hydrogenation of carbon dioxide according to the present invention has excellent heat transfer performance and excellent thermal and mechanical properties, so that it has high selectivity for desired hydrocarbons, especially hydrocarbons having 3 or more carbon atoms (C 3+ ) and high carbon dioxide Since it can be usefully used for direct hydrogenation of carbon dioxide to produce hydrocarbons from carbon dioxide by showing conversion rate, the catalyst of the present invention can be usefully used as a catalyst for a reactor in which the reaction occurs at high space velocity as well as a general fixed bed reactor.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the following examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited only to these.
<실시예 1> <Example 1>
1-1 : 분말상 촉매 입자 제조1-1: Preparation of powdery catalyst particles
증류수 400 ml에 Fe(NO3)3·9H2O 50 g, Al(NO3)3·6H2O 12.56 g 및 Cu(NO3)2·6H2O 3.24 g을 녹여 금속 수용액을 제조하고, 증류수 400 ml에 K2CO3 34.62 g을 녹인 수용액을 각각 준비한 후, 함께 혼합-공침시켰다. 이를 3시간 동안 80 ℃에서 교반한 후, 상온(20 ℃)으로 냉각시켰다. 생성된 침전물은 침전 슬러리의 3배에 해당하는 증류수를 섞어 다시 침전시킨 후 여액을 버리고, 위의 과정을 2차례에 더 반복하고 여과하였다. 여과 후, 110 ℃에서 15 시간 동안 건조한 후, 550 ℃에서 5 시간 동안 소성하였다. 상기 소성물을 촉매 10 g 당 증류수 3.2 ml에 K2CO3 1.7 g을 녹인 수용액으로 함침시킨 후, 110 ℃에서 15시간 동안 건조한 다음 550 ℃에서 5시간 동안 소성하여 분말상 촉매 입자를 수득하였다. A metal aqueous solution was prepared by dissolving 50 g of Fe(NO 3 ) 3 9H 2 O, 12.56 g of Al(NO 3 ) 3 6H 2 O, and 3.24 g of Cu(NO 3 ) 2 6H 2 O in 400 ml of distilled water. After preparing aqueous solutions of 34.62 g of K 2 CO 3 dissolved in 400 ml of distilled water, they were mixed and co-precipitated together. After stirring at 80 °C for 3 hours, it was cooled to room temperature (20 °C). The resulting precipitate was precipitated again by mixing distilled water three times as much as the precipitate slurry, discarding the filtrate, repeating the above process two more times, and filtering. After filtration, drying at 110 °C for 15 hours, and then calcined at 550 °C for 5 hours. The calcined product was impregnated with an aqueous solution in which 1.7 g of K 2 CO 3 was dissolved in 3.2 ml of distilled water per 10 g of catalyst, dried at 110 °C for 15 hours, and then calcined at 550 °C for 5 hours to obtain powdery catalyst particles.
1-2 : 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매 제조1-2: Preparation of catalyst for direct hydrogenation of carbon dioxide
실시예 1-1에서 수득된 분말상 촉매 입자를 플레이트에 충분히 담고, 알루미나졸이 코팅된 알루미나볼(직경 : 2 mm, 벌크밀도 : 1.9 g/cm3, 모스경도 : 7.6, 충격강도 : 28 kgf, 수분 흡수율 : 3.6 %)을 분말상 촉매 입자들 위에 적당량 담은 후 플레이트를 흔들어 알루미나졸이 코팅된 알루미나볼에 분말상 촉매 입자들 위에 적당량 담은 후 플레이트를 흔들어 보헤마이트졸이 코팅된 알루미나볼 표면에 분말상 촉매 입자들이 고르게 달라붙게 하였다. 이후 이를 110 ℃에서 15시간 동안 건조시킨 후, 550 ℃에서 5시간 동안 소성하여 서로 떨어지지 않도록 결착시켜 철, 구리, 알루미늄 및 칼륨의 중량비가 100 : 13 : 12 : 15인 100Fe-13Cu-12Al-15K 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매의 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 두께비는 0.11이고, 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 중량비는 0.24인 것으로 나타났다. The powdery catalyst particles obtained in Example 1-1 were sufficiently placed on a plate, and alumina balls coated with alumina sol (diameter: 2 mm, bulk density: 1.9 g/cm 3 , Mohs hardness: 7.6, impact strength: 28 kgf, Moisture absorption rate: 3.6%) on the powder catalyst particles, shake the plate, put an appropriate amount on the alumina balls coated with alumina sol, and then shake the plate to place the powder catalyst particles on the surface of the boehmite sol coated alumina balls. made them adhere evenly. Then, after drying them at 110 ℃ for 15 hours, they were fired at 550 ℃ for 5 hours to bind each other so that they do not fall apart, and 100Fe-13Cu-12Al-15K with a weight ratio of iron, copper, aluminum and potassium of 100: 13: 12: 15 A catalyst was prepared. The thickness ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle of the prepared catalyst was 0.11, and the weight ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle was 0.24.
<실시예 2> <Example 2>
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 제조된 촉매의 철, 구리, 알루미늄 및 칼륨의 중량비가 100 : 13 : 12 : 35가 되도록 각 전구체들의 함량을 조절하여 100Fe-13Cu-12Al-35K 중량비 조성을 갖는 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매의 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 두께비는 0.10 이고, 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 중량비는 0.21인 것으로 나타났다. It is prepared in the same manner as in Example 1, but the content of each precursor is adjusted so that the weight ratio of iron, copper, aluminum and potassium in the prepared catalyst is 100: 13: 12: 35 to have a 100Fe-13Cu-12Al-35K weight ratio composition A catalyst was prepared. The thickness ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle of the prepared catalyst was 0.10, and the weight ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle was 0.21.
<실시예 3><Example 3>
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 제조된 촉매의 철, 구리, 알루미늄 및 칼륨의 중량비가 100 : 13 : 12 : 40이 되도록 각 전구체들의 함량을 조절하여 100Fe-13Cu-12Al-40K 중량비 조성을 갖는 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매의 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 두께비는 0.11 이고, 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 중량비는 0.22인 것으로 나타났다. It is prepared in the same manner as in Example 1, but the content of each precursor is adjusted so that the weight ratio of iron, copper, aluminum and potassium in the prepared catalyst is 100: 13: 12: 40 to have a 100Fe-13Cu-12Al-40K weight ratio composition A catalyst was prepared. The thickness ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle of the prepared catalyst was 0.11, and the weight ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle was 0.22.
<실시예 4> <Example 4>
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 3 mm의 직경을 가지는 알루미나볼을 사용하여 100Fe-13Cu-12Al-15K 중량비 조성을 갖는 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매의 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 두께비는 0.21 이고, 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 중량비는 0.22인 것으로 나타났다. A catalyst having a weight ratio composition of 100Fe-13Cu-12Al-15K was prepared using the same method as in Example 1, but using an alumina ball having a diameter of 3 mm. It was found that the thickness ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle of the prepared catalyst was 0.21, and the weight ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle was 0.22.
<비교예 1><Comparative Example 1>
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 칼륨 전구체 화합물을 제외시켜 100Fe-13Cu-12Al 중량비 조성을 갖는 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매의 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 두께비는 0.09 이고, 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자))의 중량비는 0.21인 것으로 나타났다. A catalyst having a weight ratio composition of 100Fe-13Cu-12Al was prepared by preparing in the same manner as in Example 1, except for the potassium precursor compound. The thickness ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle of the prepared catalyst was 0.09, and the weight ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle was found to be 0.21.
<비교예 2><Comparative Example 2>
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 제조된 촉매의 철, 구리, 알루미늄 및 칼륨의 중량비가 100 : 13 : 12 : 9이 되도록 각 전구체들의 함량을 조절하여 100Fe-13Cu-12Al-9K 중량비 조성을 갖는 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매의 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 두께비는 0.10 이고, 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 중량비는 0.23인 것으로 나타났다. It was prepared in the same manner as in Example 1, but the content of each precursor was adjusted so that the weight ratio of iron, copper, aluminum and potassium in the prepared catalyst was 100: 13: 12: 9 to have a 100Fe-13Cu-12Al-9K weight ratio composition A catalyst was prepared. The thickness ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle of the prepared catalyst was 0.10, and the weight ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle was 0.23.
<비교예 3><Comparative Example 3>
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 제조된 촉매의 철, 구리, 알루미늄 및 칼륨의 중량비가 100 : 13 : 12 : 11이 되도록 각 전구체들의 함량을 조절하여 100Fe-13Cu-12Al-11K 중량비 조성을 갖는 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매의 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 두께비는 0.08 이고, 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 중량비는 0.20인 것으로 나타났다. It is prepared in the same manner as in Example 1, but the content of each precursor is adjusted so that the weight ratio of iron, copper, aluminum and potassium in the prepared catalyst is 100: 13: 12: 11 to have a 100Fe-13Cu-12Al-11K weight ratio composition A catalyst was prepared. The thickness ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle of the prepared catalyst was 0.08, and the weight ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle was 0.20.
<비교예 4><Comparative Example 4>
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 제조된 촉매의 철, 구리, 알루미늄 및 칼륨의 중량비가 100 : 13 : 12 : 60이 되도록 각 전구체들의 함량을 조절하여 100Fe-13Cu-12Al-60K 중량비 조성을 갖는 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매의 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 두께비는 0.11 이고, 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 중량비는 0.25인 것으로 나타났다. It is prepared in the same manner as in Example 1, but the content of each precursor is adjusted so that the weight ratio of iron, copper, aluminum and potassium in the prepared catalyst is 100: 13: 12: 60 to have a 100Fe-13Cu-12Al-60K weight ratio composition A catalyst was prepared. The thickness ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle of the prepared catalyst was 0.11, and the weight ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle was 0.25.
<비교예 5><Comparative Example 5>
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 구리 전구체 화합물인 Cu(NO3)2ㆍ6H2O 대신 Co(NO3)2ㆍ6H2O 4.16 g을 혼합하여 100Fe-12Co-12Al-15K 중량비 조성을 갖는 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매의 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 두께비는 0.10 이고, 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 중량비는 0.20인 것으로 나타났다. It was prepared in the same manner as in Example 1, but instead of the copper precursor compound Cu(NO 3 ) 2 6H 2 O, 4.16 g of Co(NO 3 ) 2 6H 2 O was mixed to have a 100Fe-12Co-12Al-15K weight ratio composition. A catalyst was prepared. It was found that the thickness ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle of the prepared catalyst was 0.10, and the weight ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle was 0.20.
<비교예 6><Comparative Example 6>
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 구리 전구체 화합물인 Cu(NO3)2ㆍ6H2O 대신 Zn(NO3)2ㆍ6H2O 3.83 g을 혼합하여 100Fe-13Zn-12Al-15K 중량비 조성을 갖는 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매의 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 두께비는 0.09이고, 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 중량비는 0.21인 것으로 나타났다.It was prepared in the same manner as in Example 1, but instead of the copper precursor compound Cu(NO 3 ) 2 6H 2 O, 3.83 g of Zn(NO 3 ) 2 6H 2 O was mixed to have a 100Fe-13Zn-12Al-15K weight ratio composition. A catalyst was prepared. The thickness ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle of the prepared catalyst was 0.09, and the weight ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle was 0.21.
<비교예 7><Comparative Example 7>
실시예 1의 촉매를 sieve shaker에 넣고 체질하여 쉘의 두께를 얇게 만들어 100Fe/13Cu/12Al/15K 중량비 조성을 갖는 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매의 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 두께비는 0.05이고, 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 중량비는 0.15인 것으로 나타났다.A catalyst having a weight ratio composition of 100Fe/13Cu/12Al/15K was prepared by putting the catalyst of Example 1 in a sieve shaker and sieving to thin the shell. The thickness ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle of the prepared catalyst was 0.05, and the weight ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle was 0.15.
<비교예 8><Comparative Example 8>
실시예 1의 촉매에 촉매 층을 1회 이상 가하는 것을 반복하여 층의 두께, 입자의 직경을 조절하여 100Fe-13Cu-12Al-15K 중량비 조성을 갖는 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매의 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 두께비는 0.34이고, 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 중량비는 0.47인 것으로 나타났다.A catalyst having a weight ratio composition of 100Fe-13Cu-12Al-15K was prepared by repeating adding the catalyst layer to the catalyst of Example 1 one or more times to adjust the thickness of the layer and the diameter of the particles. The thickness ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle of the prepared catalyst was 0.34, and the weight ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer/central particle) to the central particle was 0.47.
직경 (mm)alumina ball
Diameter (mm)
<실험예 1 : 촉매 특성 평가><Experimental Example 1: Catalytic Characteristics Evaluation>
실시예 및 비교예에서 제조된 촉매의 물성을 평가하기 위해 제조된 촉매를 사진 촬영하였고, 하기에 기재된 방법으로 마모율을 측정하여 그 결과를 표 2 및 도 2에 각각 나타내었다.In order to evaluate the physical properties of the catalysts prepared in Examples and Comparative Examples, photographs were taken of the catalysts prepared, and wear rates were measured by the method described below, and the results are shown in Table 2 and FIG. 2, respectively.
마모율 : 시브쉐이커[sieve shaker(Fritsch, analysette 3)]를 사용하여 시빙 타임(sieving time) : 5 min, 진폭(amplitude) : 1 mm, 진동수(frequency) : 50 Hz ~ 60 Hz 조건에서 18 mesh 사이즈의 sieve 사용하여 마모된 양의 질량비로 계산하였다. Wear rate: Using a sieve shaker (Fritsch, analysette 3), sieving time: 5 min, amplitude: 1 mm, frequency: 18 mesh size under the conditions of 50 Hz to 60 Hz The mass ratio of the worn amount was calculated using the sieve of .
도 2 및 표 2에 나타난 바와 같이, 중심부 입자에 대한 외각부 입자층의 두께비가 커질수록 마모율 또한 커짐을 확인할 수 있었다. As shown in FIG. 2 and Table 2, it was confirmed that the wear rate also increased as the thickness ratio of the outer particle layer to the center particle increased.
<실험예 2 : 촉매의 칼륨 함량에 따른 이산화탄소의 직접 수소화 반응 측정><Experimental Example 2: Measuring the direct hydrogenation reaction of carbon dioxide according to the potassium content of the catalyst>
고정층 관형 반응기(fixed-bed reactor, stainless steel 재질, 직경 3/8 inch)를 이용하여 RWGS 반응 및 FTS 반응을 동시에 진행하였다. 반응온도 측정 및 조절을 위해 반응관 내부에 열전대(thermocouple)를 장착하여 반응 중 온도를 조절하였다. 반응을 위해 먼저 반응관 내부에 석영 섬유(quartz wool)를 촉매 아래에 두고, 상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 촉매 0.4 g을 위에 로딩하였다. 반응 전 환원용 혼합가스(수소/아르곤=5/95 몰비)를 사용하여 500 ℃에서 촉매를 활성시켰다. The RWGS reaction and the FTS reaction were simultaneously performed using a fixed-bed reactor (stainless steel material, diameter 3/8 inch). To measure and control the reaction temperature, a thermocouple was installed inside the reaction tube to control the temperature during the reaction. For the reaction, first, a quartz fiber (quartz wool) was placed under the catalyst inside the reaction tube, and 0.4 g of the catalyst obtained in Examples and Comparative Examples was loaded thereon. Before the reaction, the catalyst was activated at 500 °C using a mixed gas for reduction (hydrogen/argon = 5/95 molar ratio).
실제 반응은 300 ℃에서 수소/이산화탄소/아르곤=72/24/4 몰비의 혼합가스를 사용하여 반응을 수행하였고, 이때 25 barg의 압력조건에서 공간속도(GHSV) 1,500 ml/gcat·hr로 수행하였으며, 혼합가스 내 수소와 이산화탄소의 몰비는 3으로 수행하였으며, 상기 공간속도 계산에서 중심부 입자 무게는 제외하였다. 총 100시간의 반응 과정 동안 반응물과 생성물의 분석은 가스크로마토그래피(GC)를 통해 이루어졌고, 반응 후 부수적으로 발생되는 물은 냉각 트랩에서 회수되었다. The actual reaction was carried out at 300 ° C using a mixed gas of hydrogen / carbon dioxide / argon = 72 / 24 / 4 molar ratio, and the reaction was carried out at a space velocity (GHSV) of 1,500 ml / g cat hr under a pressure of 25 barg. The molar ratio of hydrogen and carbon dioxide in the mixed gas was set to 3, and the weight of the central particle was excluded from the space velocity calculation. During the 100-hour reaction process, the analysis of reactants and products was performed through gas chromatography (GC), and water generated by the reaction was recovered in a cooling trap.
반응 전후의 유량 분석은 실시간으로 습식 가스 미터 장치를 사용하여 정확히 분석하였으며, 이에 따른 100시간 동안의 반응에 대한 이산화탄소(CO2) 전환율 및 선택도를 계산하여 표 3에 나타내었다.The flow rate analysis before and after the reaction was accurately analyzed using a wet gas meter device in real time, and the carbon dioxide (CO 2 ) conversion rate and selectivity for the reaction for 100 hours were calculated and shown in Table 3 accordingly.
중량비K/Fe
weight ratio
(%)CO yield
(%)
(%)HC yield
(%)
(%)CH 4 selectivity
(%)
(%)C 2 selectivity
(%)
(%)C 3+ selectivity
(%)
표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 4의 촉매는 비교예 1 내지 4의 촉매에 비해 CO2 전환율이 높음을 확인하였다. 또한 일정 수준 이상의 칼륨이 담지되었을 때 (K/Fe 중량비 > 0.09 ), HC yield가 증가하였으며, 특히 저비점 탄화수소의 선택도가 감소함을 확인할 수 있었다.As shown in Table 3, it was confirmed that the catalysts of Examples 1 to 4 had a higher CO 2 conversion rate than the catalysts of Comparative Examples 1 to 4. In addition, when a certain level of potassium was supported (K / Fe weight ratio > 0.09), it was confirmed that the HC yield increased, and in particular, the selectivity of low-boiling hydrocarbons decreased.
<실험예 3 : 촉매 성분 및 촉매 구조에 따른 이산화탄소의 직접 수소화 반응 측정><Experimental Example 3: Measurement of Direct Hydrogenation of Carbon Dioxide According to Catalyst Components and Catalyst Structure>
고정층 관형 반응기(fixed-bed reactor, stainless steel 재질, 직경 3/8 inch)를 이용하여 RWGS 반응 및 FTS 반응을 동시에 진행하였다. 반응온도 측정 및 조절을 위해 반응관 내부에 열전대(thermocouple)를 장착하여 반응 중 온도를 조절하였다. 반응을 위해 먼저 반응관 내부에 석영 섬유(quartz wool)를 촉매 아래에 두고, 상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 촉매 0.4 g을 위에 로딩하였다. 반응 전 환원용 혼합가스(수소/아르곤=5/95 몰비)를 사용하여 550 ℃에서 촉매를 활성시켰다. 실제 반응은 300 ℃에서 수소/이산화탄소/아르곤=72/24/4 몰비의 혼합가스를 사용하여 반응을 수행하였고, 이때 25 barg의 압력조건에서 공간속도(GHSV) 1,500 ml/gcat·hr로 수행하였으며, 혼합가스 내 수소와 이산화탄소의 몰비는 3으로 수행하였으며, 상기 공간속도 계산에서 중심부 입자 무게는 제외하였다. 총 100시간의 반응 과정 동안 반응물과 생성물의 분석은 가스크로마토그래피(GC)를 통해 이루어졌고, 반응 후 부수적으로 발생되는 물은 냉각 트랩에서 회수되었다. The RWGS reaction and the FTS reaction were simultaneously performed using a fixed-bed reactor (stainless steel material, diameter 3/8 inch). To measure and control the reaction temperature, a thermocouple was installed inside the reaction tube to control the temperature during the reaction. For the reaction, first, quartz wool was placed under the catalyst inside the reaction tube, and 0.4 g of the catalyst obtained in the above Examples and Comparative Examples was loaded thereon. Before the reaction, the catalyst was activated at 550 °C using a mixed gas for reduction (hydrogen/argon = 5/95 molar ratio). The actual reaction was carried out at 300 ° C using a mixed gas of hydrogen / carbon dioxide / argon = 72 / 24 / 4 molar ratio, and the reaction was carried out at a space velocity (GHSV) of 1,500 ml / g cat hr under a pressure of 25 barg. The molar ratio of hydrogen and carbon dioxide in the mixed gas was set to 3, and the weight of the central particle was excluded from the space velocity calculation. During the 100-hour reaction process, the analysis of reactants and products was performed through gas chromatography (GC), and water generated by the reaction was recovered in a cooling trap.
반응 전후의 유량 분석은 실시간으로 습식 가스 미터 장치를 사용하여 정확히 분석하였으며, 이에 따른 100시간 동안의 반응에 대한 이산화탄소(CO2) 전환율 및 선택도를 계산하여 표 4에 나타내었다.The flow rate analysis before and after the reaction was accurately analyzed using a wet gas meter device in real time, and the carbon dioxide (CO 2 ) conversion rate and selectivity for the reaction for 100 hours were calculated and shown in Table 4 accordingly.
(%)CO yield
(%)
(%)HC yield
(%)
(%)CH 4 selectivity
(%)
(%)C 2 selectivity
(%)
(%)C 3 + selectivity
(%)
표 4에 나타난 바와 같이, 실시예 1 촉매는 비교예 6 내지 8의 촉매에 비해 CO2 전환율이 높으면서 탄수소 3 이상의 탄화수소(C3+)에 대한 선택도가 높음을 확인할 수 있었다. 비교예 5 촉매의 경우 CO2 전환율이 가장 높았지만 고비점 탄화수소(C3+)에 대한 선택도가 현저히 낮음을 확인할 수 있었다.As shown in Table 4, it was confirmed that the catalyst of Example 1 had a high CO 2 conversion rate and high selectivity for hydrocarbons (C 3+ ) having 3 or more carbon atoms compared to the catalysts of Comparative Examples 6 to 8. In the case of the catalyst of Comparative Example 5, it was confirmed that the CO 2 conversion rate was the highest, but the selectivity for high-boiling point hydrocarbons (C 3+ ) was remarkably low.
따라서, 본 발명에 따른 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매는 우수한 열전달 성능과 열적 기계적 물성을 가짐으로써, 목적하는 탄화수소 특히, 탄소수 3 이상의 탄화수소에 대한 높은 선택도와 이산화탄소의 전환율을 나타내어 이산화탄소로부터 탄화수소를 제조하기 위한 합성에 유용하게 사용할 수 있음을 확인할 수 있었다.Therefore, the catalyst for direct hydrogenation of carbon dioxide according to the present invention has excellent heat transfer performance and thermal and mechanical properties, thereby exhibiting high selectivity for desired hydrocarbons, particularly hydrocarbons having 3 or more carbon atoms, and conversion rate of carbon dioxide, thereby producing hydrocarbons from carbon dioxide. It was confirmed that it can be usefully used for synthesis.
이상으로 본 발명은 첨부된 도면 및 실시예를 참조하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술에 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.The present invention has been described above with reference to the accompanying drawings and embodiments, but these are merely exemplary, and those skilled in the art can make various modifications and equivalent other embodiments therefrom. will understand Therefore, the technical protection scope of the present invention should be determined by the claims below.
10 : 중심부 입자
20 : 바인더층
25 : 분말상 촉매 입자
30 : 외각부 입자층10: central particle
20: binder layer
25: powdery catalyst particles
30: outer shell particle layer
Claims (6)
상기 중심부 입자 표면을 둘러싸면서 부착된 외각부 입자층을 포함하고,
상기 외각부 입자층은 분말상 촉매 입자로 이루어지며, 상기 분말상 촉매 입자는 철(Fe), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 K(칼륨)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매.
Core particles made of alumina balls; and
Including an outer part particle layer attached while surrounding the surface of the central part particle,
The outer shell particle layer is composed of powdery catalyst particles, and the powdery catalyst particles contain iron (Fe), copper (Cu), aluminum (Al) and K (potassium). Catalyst for direct hydrogenation of carbon dioxide, characterized in that .
상기 철(Fe), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 K(칼륨)은 100 : 5 ~ 30 : 5 ~ 30 : 15 ~ 40 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매.
According to claim 1,
The iron (Fe), copper (Cu), aluminum (Al) and K (potassium) are contained in a weight ratio of 100: 5 to 30: 5 to 30: 15 to 40 Catalyst for direct hydrogenation of carbon dioxide.
상기 알루미나볼은 벌크밀도가 1.5 g/cm3 ~ 2.5 g/cm3이고, 모스경도가 7.5 이상이며, 충격강도가 25 kgf ~ 30 kgf이고, 수분 흡수율이 2 % ~ 5 %인 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매.
According to claim 1,
The alumina ball has a bulk density of 1.5 g / cm 3 to 2.5 g / cm 3 , a Mohs hardness of 7.5 or more, an impact strength of 25 kgf to 30 kgf, and a water absorption rate of 2% to 5%. Catalyst for direct hydrogenation of carbon dioxide.
상기 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 두께비는 0.08 ~ 0.25인 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매.
According to claim 1,
A catalyst for direct hydrogenation of carbon dioxide, characterized in that the thickness ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer / central particle layer) to the central particle is 0.08 to 0.25.
상기 중심부 입자에 대한 외각부 입자층(외각부 입자층/중심부 입자)의 중량비는 0.2 ~ 0.25인 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매.
According to claim 1,
A catalyst for direct hydrogenation of carbon dioxide, characterized in that the weight ratio of the outer shell particle layer (outer shell particle layer / central particle layer) to the central particle is 0.2 to 0.25.
상기 중심부 입자 및 외각부 입자층의 마모율은 3.7 % 이하인 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 직접 수소화 반응용 촉매.
According to claim 1,
A catalyst for direct hydrogenation of carbon dioxide, characterized in that the wear rate of the central particle and outer particle layers is 3.7% or less.
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KR20120121071A (en) * | 2011-04-26 | 2012-11-05 | 한국화학연구원 | Fischer-tropsch synthesis catalyst having improved heat transfer capability |
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과제보고서, CO2 직접 수소화 촉매 및 공정 개발 (2020.01.30.) * |
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