KR102616015B1 - Catalyst for Methane Chlorination Reaction in Which a Graphtic Carbon Based Material is Highly Dispersed in an Inorganic Matrix - Google Patents

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Abstract

본 발명은 메탄 염소화 반응용 촉매에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존 탄소계 물질을 이용한 메탄 염소화 반응용 촉매 대비하여 바인더의 사용 없이도 기계적 물성이 우수한 동시에 메탄 염소화 반응에 대하여 높은 활성을 가져 고수율로 메탄 염소화물을 제조할 수 있는 메탄 염소화 반응용 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for methane chlorination reaction, and more specifically, compared to catalysts for methane chlorination reaction using existing carbon-based materials, it has excellent mechanical properties without the use of a binder and has high activity for methane chlorination reaction, resulting in high yield. It relates to a catalyst for methane chlorination reaction that can produce methane chloride.

Description

결정성 그래피틱 탄소계 물질이 무기물 매트릭스 내에 고 분산된 메탄 염소화 반응용 촉매{Catalyst for Methane Chlorination Reaction in Which a Graphtic Carbon Based Material is Highly Dispersed in an Inorganic Matrix}Catalyst for Methane Chlorination Reaction in Which a Graphtic Carbon Based Material is Highly Dispersed in an Inorganic Matrix}

본 발명은 메탄 염소화 반응용 촉매에 관한 것으로, 보다 상세하게는 결정성 그래피틱 탄소계 물질이 무기물 매트릭스 내에 고 분산된 메탄 염소화 반응용 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for methane chlorination reaction, and more specifically, to a catalyst for methane chlorination reaction in which a crystalline graphical carbon-based material is highly dispersed in an inorganic matrix.

세계적으로 매장량이 풍부한 천연가스 활용 방안에 관한 연구는 그 중요성이 더욱 증대되고 있으며, 주로 천연가스 중의 메탄의 산소를 이용하는 열분해 반응 및 촉매를 이용하는 커플링 반응에 관한 시도가 있어 왔다. 특히, 천연가스의 주성분인 메탄의 활용을 위하여 염소와 메탄을 서로 반응시켜 염화메틸 등을 제조하고, 이 염화메틸을 CMTO(chloromethane to olefin) 반응 등에 의해 상업적으로 유용한 화합물인 에틸렌 및/또는 프로필렌 등의 경질올레핀으로 제조하는 방법에 대하여 연구가 활발히 진행되고 있다.The importance of research on ways to utilize natural gas, which is abundant in reserves around the world, is increasing, and attempts have been made mainly on thermal decomposition reactions using oxygen of methane in natural gas and coupling reactions using catalysts. In particular, in order to utilize methane, the main component of natural gas, chlorine and methane are reacted to produce methyl chloride, and this methyl chloride is converted into commercially useful compounds such as ethylene and/or propylene through the CMTO (chloromethane to olefin) reaction. Research is being actively conducted on methods for producing light olefins.

메탄의 염소화 방법으로는 산소가 있는 상태에서 염소화 반응을 진행하는 옥시염소화(oxychlorination) 반응 공정이 통상적으로 행하여지나, 옥시염소화 반응은 일반적으로 탄소 산화물과 또는 이량체(二量體)의 대량 생산의 결과로서 메탄의 선택률(selectivity)이 낮게 된다. 또한, 메탄의 옥시염소화는 일반적으로 기대하지 않았던 염소화 메탄 부산물의 생성을 수반하게 되며, 또한 공기가 포함되는 반응 조건의 적용으로 그 제조공정이 지나치게 복잡한 문제점이 있었다.As a method of chlorinating methane, an oxychlorination reaction process in which the chlorination reaction is carried out in the presence of oxygen is usually performed, but the oxychlorination reaction is generally used for mass production of carbon oxides or dimers. As a result, the selectivity of methane becomes low. In addition, oxychlorination of methane is generally accompanied by the production of unexpected chlorinated methane by-products, and the production process is overly complicated due to the application of reaction conditions that include air.

한편, 클로르알칼리(chloralkali) 공정 등을 통해 제조되는 염소가스는 다양한 염소화 공정 등을 거쳐 건축자재, 전기전자 재료, 생명공학 및 의약품, 항공재료 등에 광범위하게 사용되나, 필요 이상으로 과다하게 생성된 염소 또는 미반응 염소의 경우 그 처리 문제가 발생하게 된다. 염소가스는 독성이 매우 강하고 수분과 접촉 시 금속이나 다른 물질을 쉽게 부식시키는 성질이 있으며 염소가스 자체로는 불이 붙지 않지만, 화재 시 연소반응을 격렬하게 일으키게 하는 강한 산화성 가스이다. 특히 누출 시 공기 중 수분과 결합하여 염산이 생성되고 설비 및 배관 표면에 강한 부식을 일으키는 누출원이 되며 염소가스 접촉 또는 흡입 시 화상, 폐부종 등 인체를 손상시킬 수 있으므로 공정에서 발생하는 염소를 처리하는 것이 공정 운영상에 하나의 큰 과제가 되고 있다. Meanwhile, chlorine gas produced through the chloralkali process is widely used in building materials, electrical and electronic materials, biotechnology, pharmaceuticals, and aviation materials through various chlorination processes, but excessive chlorine is generated more than necessary. Or, in the case of unreacted chlorine, problems with its disposal arise. Chlorine gas is highly toxic and has the property of easily corroding metals and other materials when in contact with moisture. Although chlorine gas itself does not catch fire, it is a strong oxidizing gas that causes a violent combustion reaction in the event of a fire. In particular, when a leak occurs, it combines with moisture in the air to produce hydrochloric acid, which causes strong corrosion on the surfaces of equipment and pipes. It can cause damage to the human body, such as burns and pulmonary edema, when contacting or inhaling chlorine gas. Therefore, it is necessary to treat the chlorine generated in the process. This is becoming a major challenge in process operation.

이에 따라 상기 메탄의 염소화하여 메탄 염소화물을 제조하는 공정은 메탄의 활용 측면뿐만 아니라, 염소의 소비의 측면에서도 큰 장점을 가진다.Accordingly, the process of producing methane chloride by chlorinating methane has great advantages not only in terms of methane utilization but also in terms of chlorine consumption.

종래 메탄의 염소화 관련 기술로 한국등록특허 제10-0105571호에서는 알루미나, 제올라이트 및 실리케이트 등의 담체내 백금, 루테늄 및 로듐 등의 전이금속 화합물이 담지된 촉매를 이용하여 가스내 메탄을 전환시키는 방법이 개시된 바 있고, 미국등록특허 제10329226호에서는 알루미나, 실리카 및 활성탄소를 포함하는 지지체와 상기 지지체에 금속, 산화금속류 및 금속 할로겐화물이 담지된 촉매를 사용하는 염화 메탄의 생산 공정이 개시된 바 있다.As a conventional technology related to the chlorination of methane, Korean Patent No. 10-0105571 describes a method of converting methane in gas using a catalyst carrying transition metal compounds such as platinum, ruthenium, and rhodium in a carrier such as alumina, zeolite, and silicate. In U.S. Patent No. 10329226, a process for producing chlorinated methane using a support containing alumina, silica, and activated carbon and a catalyst carrying metals, metal oxides, and metal halides on the support has been disclosed.

그러나, 상기 촉매들은 고가의 귀금속 화합물을 사용함으로써 촉매 제조 비용을 증가시킬 뿐만 아니라, 촉매 제조과정시 필연적으로 폐수가 발생하므로 상기 폐수를 처리하기 위한 별도의 공정이 요구되는 문제점이 있었다. However, the catalysts not only increase catalyst manufacturing costs by using expensive noble metal compounds, but also have the problem of requiring a separate process to treat the wastewater because wastewater is inevitably generated during the catalyst manufacturing process.

이에, 본 발명자들은 한국등록특허 제2223601호에서 기존의 촉매에 대비하여 가격이 저렴하면서도 메탄 염소화 반응에 높은 활성을 가지는 탄소계 물질을 이용한 메탄 염소화 반응용 촉매를 개시한 바 있으나, 상기 탄소계 물질 이용 촉매는 표면적이 낮고, 잘 뭉쳐지지 않아 압출(extrudate), 태블릿팅(tableting) 등과 같은 일반적인 성형방법으로는 고강도의 성형 촉매를 어려우며, 고강도 성형 촉매를 얻기 위해 높은 고온에서 탄소계 바인더와 함께 성형을 하는 경우에는 여전히 성형체 중량 대비 낮은 표면적을 가져 메탄 염소화 공정의 실제 상용화 및 스케일 업(scale up)을 하는데 있어서 어려움이 있었다. Accordingly, in Korean Patent No. 2223601, the present inventors have disclosed a catalyst for methane chlorination reaction using a carbon-based material that is cheaper than existing catalysts and has high activity in the methane chlorination reaction. The catalyst used has a low surface area and does not aggregate well, so it is difficult to form a high-strength catalyst using general molding methods such as extruding and tableting. In order to obtain a high-strength molded catalyst, it is molded with a carbon-based binder at a high temperature. In the case of doing so, there was still a low surface area compared to the weight of the molded body, making it difficult to actually commercialize and scale up the methane chlorination process.

그러므로 메탄의 염소화 공정에서 메탄을 유용한 물질로 전환할 수 있을 뿐만 아니라, 염소의 전환율을 극대화하면서 상용화 및 스케일 업(scale up)이 가능한 촉매의 개발이 필요한 실정이다. Therefore, there is a need to develop a catalyst that can not only convert methane into useful substances in the methane chlorination process, but also can be commercialized and scaled up while maximizing the conversion rate of chlorine.

한국등록특허 제10-0105571호(공고일 : 1996.04.25.)Korean Patent No. 10-0105571 (Announcement Date: 1996.04.25.) 미국등록특허 제10329226호(공개일 : 2018.09.13.)U.S. Patent No. 10329226 (Publication date: 2018.09.13.) 한국등록특허 제10-2223601호(공고일 : 2021.03.05.)Korean Patent No. 10-2223601 (Announcement date: 2021.03.05.)

본 발명의 주된 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존 탄소계 물질을 이용한 메탄 염소화 반응용 촉매 대비하여 특별한 성형 과정이 불필요하고, 기계적 물성이 우수한 동시에 메탄 염소화 반응에 대하여 높은 활성을 가져 고수율로 메탄 염소화물을 제조할 수 있는 메탄 염소화 반응용 촉매 및 상기 메탄 염소화 반응용 촉매의 제조방법을 제공하는데 있다.The main purpose of the present invention is to solve the above-mentioned problems. Compared to catalysts for methane chlorination reaction using existing carbon-based materials, no special molding process is required, and it has excellent mechanical properties and has high activity for methane chlorination reaction. The aim is to provide a catalyst for a methane chlorination reaction capable of producing methane chloride in high yield and a method for producing the catalyst for the methane chlorination reaction.

또한, 본 발명의 목적은 상기 메탄 염소화 반응용 촉매를 사용하여, 메탄 함유 반응물을 염소와 무산소 조건에서 염소화 반응시켜 메탄 염소화물을 생성하는 것을 특징으로 하는 메탄 염소화물의 제조방법을 제공하는데 있다.In addition, the purpose of the present invention is to provide a method for producing methane chloride, characterized in that methane chloride is produced by chlorinating a methane-containing reactant with chlorine under oxygen-free conditions using the catalyst for the methane chlorination reaction.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는 무산소 조건에서의 메탄 염소화 반응용 촉매에 있어서, 상기 촉매는 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질이 무기물 매트릭스내에 고르게 분산된 것으로서, 강도가 15 N 이상이며, 상기 촉매내에 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질은 촉매 총 중량에 대하여, 10 중량% ~ 40 중량%인 것을 특징으로 하는 메탄 염소화 반응용 촉매를 제공한다.In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention is a catalyst for methane chlorination reaction under oxygen-free conditions, wherein the catalyst is a crystalline graphitic carbon-based material evenly dispersed in an inorganic matrix, A catalyst for methane chlorination reaction is provided, wherein the strength is 15 N or more, and the crystalline graphitic carbon-based material in the catalyst is 10% to 40% by weight based on the total weight of the catalyst.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 무기물 매트릭스는 수도-보헤마이트(pseudo-boehmite)로부터 유래된 것임을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the inorganic matrix may be characterized as being derived from pseudo-boehmite.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 메탄 염소화 반응용 촉매는 메조포어 체적이 0.2 cm3/g ~ 0.9 cm3/g인 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the catalyst for methane chlorination reaction may be characterized as having a mesopore volume of 0.2 cm 3 /g to 0.9 cm 3 /g.

본 발명의 다른 구현예는, 무산소 조건에서 메탄을 염소화하는 메탄 염소화 반응용 촉매의 제조방법에 있어서, (a) 무기물 매트릭스 전구체 및 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질을 용매와 혼합시켜 반죽을 수득하는 단계; (b) 상기 수득된 반죽에 압력을 가하여 소정의 크기로 촉매전구체를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 촉매전구체를 소성하여 촉매를 제조하는 단계;를 포함하되, 상기 소성 후 제조된 촉매에서 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질은 촉매 총 중량에 대하여 10 wt% ~ 40 wt%인 것을 특징으로 하는 메탄 염소화 반응용 촉매의 제조방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention is a method for producing a catalyst for a methane chlorination reaction that chlorinates methane under oxygen-free conditions, (a) mixing an inorganic matrix precursor and a crystalline graphitic carbon-based material with a solvent to make a paste. Obtaining; (b) forming a catalyst precursor to a predetermined size by applying pressure to the obtained dough; and (c) calcining the catalyst precursor to prepare a catalyst, wherein the crystalline graphitic carbon-based material in the catalyst prepared after the calcining is 10 wt% to 40 wt% based on the total weight of the catalyst. A method for producing a catalyst for methane chlorination reaction is provided.

본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 (a) 단계의 용매는 무기물 매트릭스 전구체 및 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질 100 중량부에 대하여, 30 중량부 ~ 100 중량부로 혼합하는 것을 특징으로 할 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, the solvent in step (a) is mixed in an amount of 30 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the inorganic matrix precursor and the crystalline graphitic carbon-based material. You can.

본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 (b) 단계는 압출기를 이용하여 반죽을 압출하면서 소정의 크기로 절단시켜 촉매전구체를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, step (b) may be characterized in that the catalyst precursor is formed by extruding the dough using an extruder and cutting it into a predetermined size.

본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 (c) 단계에서의 소성 온도는 450 ℃ ~ 750 ℃인 것을 특징으로 할 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, the calcination temperature in step (c) may be 450°C to 750°C.

본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 (a) 단계는 무기물 매트릭스 전구체 및 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질 100 중량부에 대하여 가소제(plassticizer) 2 중량부 ~ 7 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, step (a) further comprises 2 to 7 parts by weight of a plasticizer based on 100 parts by weight of the inorganic matrix precursor and the crystalline graphitic carbon-based material. You can do this.

본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 가소제(plassticizer)는 메틸셀룰로오스(methyl cellulose), 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol, PVA) 및 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol, PEG)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 할 수 있다. In another preferred embodiment of the present invention, the plasticizer is at least one selected from the group consisting of methyl cellulose, polyvinyl alcohol (PVA), and polyethylene glycol (PEG). can do.

본 발명의 또 다른 구현예는, 메탄 함유 반응물을 염소와 무산소 조건에서 염소화 반응시켜 메탄 염소화물을 생성하는 것을 특징으로 하는 메탄 염소화물의 제조방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a method for producing methane chloride, characterized in that methane chloride is produced by chlorinating a methane-containing reactant with chlorine under oxygen-free conditions.

본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 메탄의 염소화 반응온도는 100 ℃ ~ 600 ℃이고, 반응압력은 0 barg ~ 30 barg이며, 메탄 대 염소의 몰비는 1/20 ~ 20/1에서 수행되며, 반응물들의 기체 시간 공간속도(GHSV)는 100 cc/g/h 이상인 것을 특징할 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, the reaction temperature for the chlorination of methane is 100°C to 600°C, the reaction pressure is 0 barg to 30 barg, and the molar ratio of methane to chlorine is 1/20 to 20/1, The gas hourly space velocity (GHSV) of the reactants may be characterized as 100 cc/g/h or more.

본 발명에 따른 메탄 염소화 반응용 촉매는 매트릭스 역할을 하는 다공성 및 고강도 특성을 가지는 무기물질 매트릭스에 결정성 그래피틱 탄소계 물질을 고르게 분산시켜 형성됨으로써, 기계적 물성이 우수하여 장기간 운전에도 반응효율이 저하되지 않는 동시에 적은 탄소계 물질의 함량으로도 메탄 염소화 반응에 대해 높은 활성을 가져 고수율로 메탄 염소화물을 제조할 수 있으며, 별도의 성형용 조제를 사용하지 않고도 촉매의 모양을 임의로 형성할 수 있어 메탄 염소화 공정의 실제 상용화 및 스케일 업(scale up)을 하는데 있어 유용하게 적용될 수 있다.The catalyst for methane chlorination reaction according to the present invention is formed by evenly dispersing a crystalline graphical carbon-based material in an inorganic material matrix with porosity and high strength characteristics, which serves as a matrix, and has excellent mechanical properties, reducing reaction efficiency even after long-term operation. At the same time, it has high activity in the methane chlorination reaction even with a small content of carbon-based materials, making it possible to produce methane chloride in high yield, and the shape of the catalyst can be formed arbitrarily without using a separate molding aid. It can be usefully applied in the actual commercialization and scale up of the methane chlorination process.

도 1은 본 발명의 실시예 1 내지 3과 비교예 1 내지 3에서 제조된 촉매를 사용하여 측정된 Cl2 전환율 및 CH4 전환율 및 CH3Cl 선택도 결과 그래프이다.
도 1은 본 발명의 실시예 1 및 4와 비교예 4 내지 6에서 제조된 촉매를 사용하여 측정된 Cl2 전환율 및 CH4 전환율 및 CH3Cl 선택도 결과 그래프이다.
Figure 1 is a graph of Cl 2 conversion rate, CH 4 conversion rate, and CH 3 Cl selectivity results measured using catalysts prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 of the present invention.
Figure 1 is a graph of Cl 2 conversion rate, CH 4 conversion rate, and CH 3 Cl selectivity results measured using catalysts prepared in Examples 1 and 4 and Comparative Examples 4 to 6 of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and will be implemented in various different forms. These embodiments only serve to ensure that the disclosure of the present invention is complete and that common knowledge in the technical field to which the present invention pertains is not limited. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다. When 'includes', 'has', 'consists of', etc. mentioned in this specification are used, other parts may be added unless 'only' is used. When a component is expressed in the singular, the plural is included unless specifically stated otherwise.

또한 위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다. 시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간 적 선후관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.Also, in the case of a description of a positional relationship, for example, if the positional relationship between two parts is described as 'on top', 'on the top', 'on the bottom', 'next to', etc., 'right away' Unless ' or 'directly' is used, one or more other parts may be placed between the two parts. In the case of a description of a temporal relationship, for example, if a temporal relationship is described as ‘after’, ‘after’, ‘after’, ‘before’, etc., ‘immediately’ or ‘directly’ Non-consecutive cases may also be included unless ' is used.

본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관관계로 함께 실시할 수도 있다.Each feature of the various embodiments of the present invention can be combined or combined with each other, partially or entirely, and various technical interconnections and operations are possible, and each embodiment can be implemented independently of each other or together in a related relationship. It may be possible.

본 발명은 메탄의 염소화 반응용 촉매, 상기 메탄의 염소화 반응용 촉매의 제조방법 및 상기 촉매를 사용하여 무산소 조건하에서 메탄을 포함하는 반응물을 염소로 염소화 반응시키는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a catalyst for the chlorination reaction of methane, a method of producing the catalyst for the chlorination reaction of methane, and a method of chlorinating a reactant containing methane with chlorine under anoxic conditions using the catalyst.

일반적으로 메탄 염소화 반응은 반응물과 촉매의 계면에서 일어나기 때문에 계면의 면적을 크게 하는 것이 필요하나, 가격이 저렴하면서 메탄 염소화 반응에 대하여 높은 활성을 가지는 결정성 탄소계 물질의 경우에는 비표면적이 작고, 서로 잘 뭉쳐지지 않기 때문에 일반적인 방법으로는 고강도의 상업용 촉매를 제조하기 어려웠다. 또한 고강도의 상업용 촉매를 제조하기 위해 바인더(binder)를 이용하여 고온에서 성형할 경우에도 촉매 성형체 중량 대비 비표면적이 작아 메탄 염소화 반응에 있어 높은 활성을 나타내는 상업용 촉매를 제조하기 어려운 문제점이 있었다.Generally, the methane chlorination reaction occurs at the interface between the reactant and the catalyst, so it is necessary to increase the area of the interface. However, in the case of crystalline carbon-based materials that are inexpensive and have high activity for the methane chlorination reaction, the specific surface area is small; Because they do not stick together well, it has been difficult to produce high-strength commercial catalysts using general methods. In addition, even when molding at high temperature using a binder to manufacture a high-strength commercial catalyst, the specific surface area compared to the weight of the catalyst molded body is small, making it difficult to manufacture a commercial catalyst showing high activity in the methane chlorination reaction.

이에 본 발명에서는 다공성 및 고강도 특성을 가지는 특정 무기물 매트릭스에 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질을 특정 함량으로 고르게 분산시켜 메탄의 염소화 반응용 촉매를 제조함으로써, 기계적 물성이 우수한 동시에 별다른 바인더를 사용하지 않더라도 임의의 모양의 성형된 촉매를 용이하게 형성할 수 있고, 탄소계 물질의 적은 양으로도 메탄 염소화 반응에 대하여 높은 활성을 가져 고수율로 메탄 염소화물을 제조할 수 있음을 확인하고, 본 발명에 이르게 되었다. Accordingly, in the present invention, a catalyst for the chlorination reaction of methane is manufactured by evenly dispersing a crystalline graphitic carbon-based material at a specific content in a specific inorganic matrix with porosity and high strength characteristics, thereby providing excellent mechanical properties and using a special binder. It was confirmed that a molded catalyst of any shape can be easily formed even with a small amount of carbon-based material, and that methane chloride can be produced in high yield with high activity for the methane chlorination reaction even with a small amount of carbon-based material. led to invention.

상기 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질은 메탄 염소화 반응에 대한 촉매 활성을 나타내는 물질로서, 흑연 구조를 포함하는 탄소계 물질일 수 있으며, 흑연 산화물을 포함할 수 있다. 상기 흑연 산화물은 sp2 결합으로 결합한 탄소 원자가 평면적으로 줄선 층상 구조를 가지는 흑연을 산화해, 산소 함유 관능기를 부여한 것을 의미하며, 흑연 광석을 산화시키거나, 유기금속 복합체를 비활성기체에서 탄화시키거나, 또는 그래핀을 산화시켜 얻을 수 있다. 이때, 상기 흑연상 탄소체내 sp2 탄소가 구조내에 5 % 이상 함유된 것이 바람직하다.The crystalline graphitic carbon-based material is a material that exhibits catalytic activity for methane chlorination reaction, and may be a carbon-based material containing a graphite structure and may include graphite oxide. The graphite oxide means that graphite, which has a layered structure in which carbon atoms bonded by sp2 bonds are oxidized and given an oxygen-containing functional group, is provided by oxidizing graphite ore, carbonizing an organometallic complex in an inert gas, or It can be obtained by oxidizing graphene. At this time, it is preferable that 5% or more of sp2 carbon in the graphite-like carbon body is contained in the structure.

본 발명에서 사용되는 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질은 흑연 형태의 탄소계 물질을 통칭하는 것으로 특별히 제한은 없고, 일반적인 천연 흑연, 인조 흑연, 또는 열분해 흑연과 같은 다양한 흑연 재료를 채용할 수 있다. 또한, 각종 흑연 재료를 일반적인 가공 프로세스(분쇄 프로세스, 구상 성형 프로세스 등)에 의해 구상으로 가공한 것을 사용해도 되고, 예를 들면 인편상의 흑연을 사용해도 된다.The crystalline graphitic carbon-based material used in the present invention refers to carbon-based materials in the form of graphite and is not particularly limited, and various graphite materials such as general natural graphite, artificial graphite, or pyrolytic graphite can be employed. there is. Additionally, various graphite materials processed into spherical shapes through a general processing process (crushing process, spheroid forming process, etc.) may be used, for example, flaky graphite may be used.

상기 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질은 기출원된 한국등록특허 제2223601호에 인용된 바와 같이 종류나 그 생성 방법에 따라 결정화도에 달라질 수 있으며, 상기 결정화도의 차이로 인하여 촉매로서의 성능이 달라질 수 있다. The crystallinity of the crystalline graphitic carbon-based material may vary depending on the type or production method, as cited in previously filed Korean Patent No. 2223601, and the performance as a catalyst may vary due to the difference in crystallinity. You can.

본 발명에 따른 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질의 결정화도는 라만 피크 강도비(ID/IG Ratio)로 나타낼 수 있고, 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질의 라만 피크 강도비(ID/IG Ratio)는 0.05 ~ 0.130, 바람직하기는 0.05 ~ 0.125일 수 있다. 상기 범위의 라만 피크 강도비를 만족하는 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질은 메탄 염소화 반응에 특별히 높은 성능을 나타낼 수 있다.The crystallinity of the crystalline graphitic carbon-based material according to the present invention can be expressed by the Raman peak intensity ratio (I D / I G Ratio), and the Raman peak intensity ratio of the crystalline graphitic carbon-based material ( I D /I G Ratio) may be 0.05 to 0.130, preferably 0.05 to 0.125. Crystalline graphitic carbon-based materials satisfying the Raman peak intensity ratio in the above range can exhibit particularly high performance in methane chlorination reactions.

또한, 본 발명에서의 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질은 비표면적이 10 m2/g 이상으로, 상기 범위의 비표면적을 만족하는 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질은 메탄 염소화 반응에서 염소의 전환율을 높게 나타낼 수 있다. In addition, the crystalline graphitic carbon-based material in the present invention has a specific surface area of 10 m 2 /g or more, and the crystalline graphitic carbon-based material satisfying the specific surface area in the above range is capable of performing a methane chlorination reaction. The conversion rate of chlorine can be shown to be high.

한편, 상기 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질은 그 자체로서 사용될 수 있으나, 관능기로 표면을 처리하여 사용되거나 메탄 염소화 반응에 활성을 가지는 전이금속을 담지하여 사용할 수 있다.Meanwhile, the crystalline graphitic carbon-based material can be used as is, but can be used by treating the surface with a functional group or by supporting a transition metal active in the methane chlorination reaction.

상기 관능기는 임의로 아렌기, 테르-부틸기, 사이클로헥실기, 하이드록실기, 락톤기, 락탐기, 에스터기, 아마이드기, 이민기, 아미노기, 이미드기, 아지드기, 니트릴기, 나이트록시기, 니트로기, 니트로소기, 피리딘기, 포스핀기, 인산기, 포스포닉산기, 술폰기, 술폰산기, 설폭사이드기, 싸이올기, 설페이트기, 설파이드기, 카보닐기, 알데히드기, 카르복실기, 카복실산염기, 할로포르밀기, 에테르기, 페록시기, 하이드로페록시기, 아실 할라이드기, 플루오로기, 클로로기, 브로모기 및 아이오드기로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 관능기로 기능화될 수도 있다. The functional group is optionally an arene group, ter-butyl group, cyclohexyl group, hydroxyl group, lactone group, lactam group, ester group, amide group, imine group, amino group, imide group, azide group, nitrile group, nitroxy group, Nitro group, nitroso group, pyridine group, phosphine group, phosphoric acid group, phosphonic acid group, sulfonic group, sulfonic acid group, sulfoxide group, thiol group, sulfate group, sulfide group, carbonyl group, aldehyde group, carboxyl group, carboxylate group, haloformyl group. , ether group, peroxy group, hydroperoxy group, acyl halide group, fluoro group, chloro group, bromo group and iodine group.

상기 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질을 전술된 관능기로 기능화시키는 방법에 대하여는, 본 발명의 목적 달성범위 내라면 별도의 제한은 없다.There is no particular limitation on the method of functionalizing the crystalline graphitic carbon-based material with the above-mentioned functional group as long as it is within the scope of achieving the purpose of the present invention.

상기 전이금속은 메탄 염소화 반응에 활성을 가진 것으로 알려진 것들이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 루테늄(Ru), 백금(Pt), 로듐(Rh), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다.The transition metals may be those known to be active in methane chlorination reaction, and are preferably ruthenium (Ru), platinum (Pt), rhodium (Rh), cobalt (Co), nickel (Ni), and palladium (Pd). It includes, but is not limited to, at least one selected from the group consisting of.

상기 전이금속 함량은 결정성 그래피틱 탄소계 물질 총 중량을 기준으로 20 중량% 이하, 바람직하게는 0.5 중량% ~ 10 중량%일 수 있다. 금속의 함량이 20 중량%를 초과하는 경우에는, 오히려 결정성 그래피틱 탄소계 물질 함량 대비 충분한 염소화 반응 효율을 얻을 수 없다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.The transition metal content may be 20% by weight or less, preferably 0.5% by weight to 10% by weight, based on the total weight of the crystalline graphic carbon-based material. If the metal content exceeds 20% by weight, it is not preferable because there is a problem in that sufficient chlorination reaction efficiency cannot be obtained compared to the content of the crystalline graphic carbon-based material.

이러한 상기 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질은 촉매 총 중량에 대하여 10 중량% ~ 40 중량%로 후술되는 무기물 매트릭스 내에 고르게 분산될 수 있다. 만일, 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질이 촉매 총 중량에 대하여, 10 중량% 미만으로 포함할 경우, 촉매 활성물질이 부족하여 메탄 염소화 반응 활성이 감소되는 문제점이 발생될 수 있고, 40 중량%를 초과할 경우에는 촉매 활성물질로 사용되는 탄소계 물질의 잘 뭉쳐지지 않는 성질로 인해 촉매 강도가 매우 낮아지는 문제점이 발생될 수 있다. The crystalline graphitic carbon-based material may be evenly dispersed in an inorganic matrix described later at 10% to 40% by weight based on the total weight of the catalyst. If the crystalline graphitic carbon-based material is included in less than 10% by weight based on the total weight of the catalyst, a problem of reduced methane chlorination reaction activity may occur due to a lack of catalytic active material, and 40% by weight If the % is exceeded, the catalyst strength may become very low due to the property of the carbon-based material used as the catalytically active material not to agglomerate well.

상기 무기물 매트릭스는 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질을 지지하면서 촉매의 강도를 강하게 하여 내마모성을 높여주면서 촉매의 비표면적을 제공하는 역할을 하는 물질로, 비표면적이 크면서 기계적 강도가 우수한 물질일 수 있으며, 바람직하게는 수도-보헤마이트(pseudo-boehmite)일 수 있다. The inorganic matrix is a material that supports the crystalline graphitic carbon-based material, strengthens the strength of the catalyst, increases wear resistance, and provides the specific surface area of the catalyst. It is a material with a large specific surface area and excellent mechanical strength. It may be, and preferably may be pseudo-boehmite.

상기 무기물 매트릭스에 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질이 분산된 본 발명에 따른 촉매는 겉보기 밀도가 0.4 g/cm3 ~ 0.7 g/cm3로, 상기 촉매의 겉보기 밀도가 0.7 g/cm3를 초과한 경우에는 무기물 매트릭스를 다량 함유하거나, 메조 기공이 작은 무기물 매트릭스를 사용한 경우로 촉매 활성이 낮아질 수 있는 문제점이 발생되고, 촉매의 겉보기 밀도가 0.4 g/cm3 미만인 경우에는 결정성 그래피틱 탄소계 물질이 다량 함유되거나 다공성 무기물 매트릭스를 다량 사용한 경우로 촉매 강도가 낮아질 수 있는 문제점이 발생될 수 있다. The catalyst according to the present invention in which a crystalline graphitic carbon-based material is dispersed in the inorganic matrix has an apparent density of 0.4 g/cm 3 to 0.7 g/cm 3 . If it exceeds this, a problem may arise in which the catalyst activity may be lowered due to the use of a large amount of an inorganic matrix or an inorganic matrix with small mesopores, and if the apparent density of the catalyst is less than 0.4 g/cm 3 , crystalline graphitic If a large amount of carbon-based material is contained or a large amount of a porous inorganic matrix is used, a problem may occur in which the catalyst strength may be lowered.

또한, 본 발명에 따른 촉매는 메조포어 체적(Mesopore Volume)이 0.2 cm3/g ~ 0.9 cm3/g, 바람직하게는 0.25 cm3/g ~ 0.6 cm3/g일 수 있으며, 강도가 15 N 이상인 무기물일 수 있다.In addition, the catalyst according to the present invention may have a mesopore volume of 0.2 cm 3 /g ~ 0.9 cm 3 /g, preferably 0.25 cm 3 /g ~ 0.6 cm 3 /g, and a strength of 15 N. It may be an inorganic substance.

만일, 상기 촉매의 메조포어 체적이 0.2 cm3/g 미만일 경우, 메조기공도(mesoporosity)의 부족으로 인해 메탄 염소화 반응활성이 저하되는 문제점이 발생될 수 있고, 0.9 cm3/g를 초과할 경우에는 무기물 매트릭스의 과도한 기공으로 인해 촉매 강도가 저하되는 문제점이 발생될 수 있다. If the mesopore volume of the catalyst is less than 0.2 cm 3 /g, the methane chlorination reaction activity may be reduced due to lack of mesoporosity, and if it exceeds 0.9 cm 3 /g, the methane chlorination reaction activity may decrease. A problem may occur in which catalyst strength is reduced due to excessive pores in the inorganic matrix.

또한, 상기 촉매의 강도가 15 N 미만인 경우에는 낮은 강도로 인해 촉매가 손상될 수 있으며, 이 과정에서 분진이 발생되며, 반응기의 압력강하가 증가하는 문제점이 발생될 수 있다.Additionally, if the strength of the catalyst is less than 15 N, the catalyst may be damaged due to the low strength, dust may be generated during this process, and the pressure drop in the reactor may increase.

이와 같은 본 발명에 따른 메탄 염소화 반응용 촉매는 (a) 무기물 매트릭스 전구체와 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질을 용매와 혼합시켜 반죽을 수득하는 단계; (b) 상기 수득된 반죽에 압력을 가하여 소정의 크기로 촉매전구체를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 형성된 촉매전구체를 소성하여 촉매를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.The catalyst for methane chlorination reaction according to the present invention includes the steps of (a) mixing an inorganic matrix precursor and a crystalline graphitic carbon-based material with a solvent to obtain a paste; (b) forming a catalyst precursor to a predetermined size by applying pressure to the obtained dough; and (c) calcining the formed catalyst precursor to prepare a catalyst.

본 발명에 따른 메탄 염소화 반응용 촉매의 제조방법은 먼저 무기물 매트릭스 전구체와 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질을 용매와 혼합시켜 반죽을 수득한다[(a) 단계].In the method for producing a catalyst for methane chlorination reaction according to the present invention, a paste is first obtained by mixing an inorganic matrix precursor and a crystalline graphitic carbon-based material with a solvent [step (a)].

상기 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질은 전술된 흑연 형태의 탄소계 물질일 수 있으며, 상기 무기물 매트릭스 전구체로는 보헤마이트(beohmite), 수도-보헤마이트(pseudo-boehmite), 다이아스포어(diaspor), 깁사이트(gibbsite), 바이어라이트(bayerite) 및 노드스트란다이트(nordstrandite)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 수도-보헤마이트(pseudo-boehmite)일 수 있다.The crystalline graphitic carbon-based material may be the graphite-type carbon-based material described above, and the inorganic matrix precursor includes beohmite, pseudo-boehmite, and diaspor. ), gibbsite, bayerite, and nordstrandite, and may preferably be pseudo-boehmite.

이때, 상기 결정성 그래피틱 탄소계 물질 및 무기물 매트릭스 전구체 중량비는 1 : 1.5 ~ 10일 수 있다. 만일, 상기 결정성 그래피틱 탄소계 물질에 대한 무기물 매트릭스 전구체의 중량비가 1.5 미만일 경우에는 촉매 활성물질인 탄소의 잘 뭉쳐지지 않는 성질로 인해 촉매의 강도가 저하되는 문제점이 발생될 수 있고, 10을 초과할 경우에는 촉매 활성물질의 양이 적어지기 때문에 메탄 염소화 반응 활성이 저하되는 문제점이 발생될 수 있다. At this time, the weight ratio of the crystalline graphic carbon-based material and the inorganic matrix precursor may be 1:1.5 to 10. If the weight ratio of the inorganic matrix precursor to the crystalline graphic carbon-based material is less than 1.5, a problem may occur in which the strength of the catalyst is reduced due to the property of carbon, which is the catalytically active material, not to agglomerate easily. If it is exceeded, the amount of catalytically active material decreases, which may cause a problem in which the methane chlorination reaction activity decreases.

상기 용매는 무기물 매트릭스 전구체와 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질 100 중량부에 대하여, 30 중량부 ~ 100 중량부로 혼합시켜 반죽으로 제조한다. 만일, 무기물 매트릭스 전구체와 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질 100 중량부에 대하여, 용매 30 중량부 미만으로 혼합할 경우에는 반죽이 딱딱해지기 때문에 소정의 모양으로 소성전 촉매를 사출하려고 할 때 사출이 원활하게 수행되지 않는 문제점이 발생될 수 있고, 100 중량부를 초과할 경우에는 반죽이 물러지기 때문에 소정 형상으로 형성하기 어려운 문제점이 발생될 수 있다. The solvent is prepared into a paste by mixing 30 to 100 parts by weight of the inorganic matrix precursor and 100 parts by weight of the crystalline graphitic carbon-based material. If less than 30 parts by weight of solvent is mixed per 100 parts by weight of the inorganic matrix precursor and crystalline graphitic carbon-based material, the dough becomes hard, so when trying to inject the catalyst before firing into a predetermined shape. Problems may arise in which injection is not performed smoothly, and if the amount exceeds 100 parts by weight, the dough becomes soft, making it difficult to form it into a desired shape.

상기 용매로는 물(증류수), 알코올류, 에테르류 케톤류, 방향족류 등을 이용할 수 있고, 특히 물(증류수), 알코올류 또는 물과 알코올류의 혼합물이 바람직하다. As the solvent, water (distilled water), alcohols, ether ketones, aromatics, etc. can be used, and water (distilled water), alcohols, or a mixture of water and alcohols are particularly preferable.

또한 상기 (a) 단계는 무기물 매트릭스 전구체와 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질을 용매와 혼합시 가소제(plassticizer)를 추가로 첨가시켜 반죽을 수득할 수 있다. In addition, in step (a), a dough can be obtained by additionally adding a plasticizer when mixing the inorganic matrix precursor and the crystalline graphitic carbon-based material with a solvent.

상기 가소제는 무기물 매트릭스 전구체와 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질이 혼합된 반죽의 가소성을 증대시키는 역할을 수행하며, 그 종류로는 메틸셀룰로오스(methyl cellulose), 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol, PVA) 및 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있고, 기계적 물성 측면에서 바람직하게는 메틸셀룰로오스(methyl cellulose)일 수 있다.The plasticizer plays a role in increasing the plasticity of dough mixed with an inorganic matrix precursor and a crystalline graphitic carbon-based material, and types include methyl cellulose and polyvinyl alcohol (PVA). and polyethylene glycol (PEG), and preferably methyl cellulose in terms of mechanical properties.

상기 가소제는 무기물 매트릭스 전구체 및 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질 100 중량부에 대하여, 2 중량부 ~ 7 중량부, 바람직하게는 2 중량부 ~ 6 중량부로 포함할 수 있다. 만일, 상기 가소제의 함량이 무기물 매트릭스 전구체 및 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질 100 중량부에 대하여, 2 중량부 미만일 경우에는 탄성 및 유연성 부족으로 인해 가소성이 감소되는 문제점이 발생될 수 있고, 7 중량부를 초과할 경우에는 소성 과정에서 가소제가 분해되는데 이 과정 중 촉매 사이에 존재하는 가소제가 분해되면서 과도한 기공이 형성되어 촉매의 강도가 약해지는 문제점이 발생될 수 있다.The plasticizer may be included in an amount of 2 to 7 parts by weight, preferably 2 to 6 parts by weight, based on 100 parts by weight of the inorganic matrix precursor and the crystalline graphitic carbon-based material. If the content of the plasticizer is less than 2 parts by weight based on 100 parts by weight of the inorganic matrix precursor and the crystalline graphitic carbon-based material, a problem of reduced plasticity may occur due to lack of elasticity and flexibility. If it exceeds 7 parts by weight, the plasticizer is decomposed during the calcination process. During this process, the plasticizer present between the catalysts is decomposed, which may cause excessive pores to be formed and weaken the strength of the catalyst.

이와 같이 수득된 반죽은 압력을 가하여 소정의 크기로 촉매전구체를 형성한다[(b) 단계]. The dough obtained in this way is pressured to form a catalyst precursor of a predetermined size [step (b)].

상기 촉매전구체의 형성은 타정기나, 압출기, 전동 조립기 등의 공지의 장치들을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 타정기나 전동 조립기(tumbling granulator) 등과 같이 고압이 필요한 고가의 장치에 비해 상대적으로 저렴하면서 높은 압력이 필요하지 않는 압출기를 이용할 수 있다. For the formation of the catalyst precursor, known devices such as tablet presses, extruders, and electric granulators can be used, but it is preferable to use high pressure devices that are relatively inexpensive compared to expensive devices that require high pressure, such as tablet presses or tumbling granulators. You can use an extruder that does not require this.

상기 압출기는 스크류(screw) 타입 및 배치(batch) 타입의 압출기가 있는데, 연속 작업이 가능한 스크류 타입의 압출기가 주로 사용된다. 스크류 압출기는 반죽을 투입 후 압출하면서 배출되는 촉매전구체를 소정의 크기로 절단시켜 일정한 크기를 갖도록 할 수 있다. 이때, 촉매전구체의 형상이나 크기에는 특별한 제한은 없으나, 통상적으로 구상, 원주상, 원통상, 별모양 등으로 형성되며, 촉매전구체의 크기는 적용되는 장치의 규모나 반응물의 농도 등에 따라 조절하여 용이하게 사용될 수 있다.The extruder includes a screw type and a batch type extruder, and the screw type extruder capable of continuous operation is mainly used. The screw extruder can cut the catalyst precursor discharged while inputting and extruding the dough into a predetermined size to have a constant size. At this time, there are no particular restrictions on the shape or size of the catalyst precursor, but it is usually formed in a spherical shape, columnar shape, cylindrical shape, star shape, etc., and the size of the catalyst precursor can be easily adjusted depending on the scale of the applied device or the concentration of reactants, etc. It can be used effectively.

이후 상기 촉매전구체를 소성하여 촉매를 제조한다[(c) 단계]. 상기 소성은 450 ℃ ~ 750 ℃에서 3 시간 ~ 6 시간 동안 수행할 수 있다. Afterwards, the catalyst precursor is calcined to prepare a catalyst [step (c)]. The firing can be performed at 450°C to 750°C for 3 to 6 hours.

상기 소성 온도가 450 ℃ 미만이거나, 3 시간 미만일 경우, 가소제 등과 같은 성분들이 열적 분해되지 않고 남아 있는 동시에 무기물 매트릭스 전구체가 완전히 무기물 상으로 전환되지 않아 메조기공이 형성되지 않고, 소성 온도가 750 ℃ 를 초과하거나, 6 시간을 초과할 경우에는 과도한 열처리로 인해 무기 매트릭스의 메조기공 및 표면적 감소로 촉매 활성이 감소하는 문제점이 발생될 수 있다. When the sintering temperature is less than 450°C or less than 3 hours, components such as plasticizers remain without thermal decomposition, and the inorganic matrix precursor is not completely converted to the inorganic phase, so mesopores are not formed, and the sintering temperature is 750°C. If it exceeds or exceeds 6 hours, a problem may occur in which catalytic activity decreases due to a decrease in mesopores and surface area of the inorganic matrix due to excessive heat treatment.

또한, 상기 소성 이전에 촉매전구체에 함유된 용매 등의 불순물을 제거하고, 후술되는 소성을 원활하게 진행하기 위해 건조를 수행할 수 있다. 상기 건조는 물을 제거할 수 있는 온도 및 시간이면 제한 없이 가능하고, 바람직하게는 110 ℃ ~ 120 ℃로 12 시간 ~ 24 시간 동안 수행할 수 있다. In addition, before the calcination, impurities such as solvents contained in the catalyst precursor may be removed and drying may be performed to smoothly proceed with the calcination described later. The drying can be performed without limitation as long as the temperature and time are sufficient to remove water, and is preferably performed at 110°C to 120°C for 12 to 24 hours.

본 발명은 전술된 메탄 염소화 반응용 촉매 존재하에 메탄(CH4) 함유 반응물을 염소(Cl2)와 무산소 조건에서 염소화(Chlorination) 반응을 통하여 메탄 염소화물을 생성시키는 메탄의 염소화 방법을 제공한다.The present invention provides a methane chlorination method for producing methane chloride through chlorination reaction of methane (CH 4 )-containing reactant with chlorine (Cl 2 ) under oxygen-free conditions in the presence of the catalyst for methane chlorination reaction described above.

상기 메탄의 염소화 방법에 있어서, 반응온도와 압력, 메탄 함유 반응물 대 염소의 몰비 및 반응물들의 기체 시간 공간속도(GHSV, Gas hourly space velocity) 등이 반응의 공정 변수로 될 수 있다.In the chlorination method of methane, reaction temperature and pressure, molar ratio of methane-containing reactants to chlorine, and gas hourly space velocity (GHSV) of the reactants can be process variables for the reaction.

상기 메탄의 염소화 방법에 있어서, 반응온도는 100 ℃ ~ 600 ℃, 바람직하게는 200 ℃ ~ 500 ℃, 더욱 바람직하게는 250 ℃ ~ 350 ℃, 더욱 더 바람직하게는 300 ℃ ~ 350 ℃ 일 수 있다.In the method for chlorination of methane, the reaction temperature may be 100°C to 600°C, preferably 200°C to 500°C, more preferably 250°C to 350°C, and even more preferably 300°C to 350°C.

상기 반응 온도가 100 ℃ 미만이면 메탄의 전환율이 미미한 문제가 발생할 수 있으며, 600 ℃ 초과이면 반응의 진행에 따른 촉매 비활성화 문제가 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다.If the reaction temperature is less than 100°C, the conversion rate of methane may be minimal, and if it is above 600°C, catalyst deactivation may occur as the reaction progresses, which is not desirable.

또한, 상기 염소화 반응에 있어서, 메탄 함유 반응물 대 염소의 몰비가 1/20 ~ 20/1 일 수 있다. 바람직하게는 상기 몰비는 1/10 ~ 15/1, 더욱 바람직하게는 1/5 ~ 10/1, 가장 바람직하게는 1/1 ~ 5/1일 수 있다.Additionally, in the chlorination reaction, the molar ratio of methane-containing reactant to chlorine may be 1/20 to 20/1. Preferably, the molar ratio may be 1/10 to 15/1, more preferably 1/5 to 10/1, and most preferably 1/1 to 5/1.

상기 염소화 반응에 있어서, 메탄 함유 반응물 대 염소의 몰비가 1/20 미만이거나 20/1을 초과하면, 반응효율이 떨어지고 미반응물로 인한 별도의 분리공정 부담이 크게 증가할 수 있으므로 바람직하지 않다.In the chlorination reaction, if the molar ratio of methane-containing reactant to chlorine is less than 1/20 or more than 20/1, reaction efficiency may decrease and the burden of a separate separation process due to unreacted products may greatly increase, which is not preferable.

상기 메탄의 염소화 방법에 있어서, 반응물들의 기체 시간 공간 속도(GHSV)는 100 cc/g/h 이상, 바람직하게는 1,000 cc/g/h 이상, 더욱 바람직하게는 2,000 cc/g/h 이상일 수 있다. 상기 기체 시간 공간 속도(GHSV)의 상한은 반응기 설계 및 촉매의 형상에 따라 통상의 당업자가 결정하여 사용할 수 있다. 비제한적으로 상기 상한은 500,000 cc/g/h일 수 있다.In the method for chlorination of methane, the gas hourly space velocity (GHSV) of the reactants may be at least 100 cc/g/h, preferably at least 1,000 cc/g/h, and more preferably at least 2,000 cc/g/h. . The upper limit of the gas time space velocity (GHSV) can be determined and used by a person skilled in the art depending on the reactor design and the shape of the catalyst. Without limitation, the upper limit may be 500,000 cc/g/h.

상기 반응물들의 기체 시간 공간 속도(GHSV)가 100 cc/g/h 미만이면 반응기의 처리량과 비교하여 반응기의 크기가 지나치게 커서 효율이 떨어지는 문제가 발생할 수 있어 바람직하지 않다.If the gas time space velocity (GHSV) of the reactants is less than 100 cc/g/h, the size of the reactor is too large compared to the throughput of the reactor, which may lead to a problem of low efficiency, which is not desirable.

상기 메탄의 염소화 방법에 있어서, 반응 압력은 0 barg ~ 30 barg의 범위에서 변동시킬 수 있다. 바람직하게 상기 반응 압력은 0 barg ~ 20 barg, 더욱 바람직하게는 0 barg ~ 10 barg, 가장 바람직하게는 0 barg ~ 5 barg일 수 있다.In the methane chlorination method, the reaction pressure can be varied in the range of 0 barg to 30 barg. Preferably, the reaction pressure may be 0 barg to 20 barg, more preferably 0 barg to 10 barg, and most preferably 0 barg to 5 barg.

상기 반응압력이 0 barg 이하의 경우에는 진공을 유지하기 위한 설비가 추가로 소요되고 반응정도가 떨어지며, 30 barg를 초과하는 경우에도 압력을 유지하기 위한 설비의 고가화와 운전비용이 지나치게 증가하게 되는 단점이 있다.If the reaction pressure is less than 0 barg, additional equipment to maintain vacuum is required and the degree of reaction decreases, and even if it exceeds 30 barg, the equipment for maintaining the pressure becomes expensive and operating costs increase excessively. There is.

상기 메탄의 염소화 방법에 있어서, 메탄 함유 반응물과 염소는 희석제로 희석되어 염소화 반응이 수행될 수도 있다. 상기 희석제로는 바람직하게 헬륨, 아르곤 및 질소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 또한 상기 희석제는 염소에 대하여 바람직하게 2 : 1 이상의 몰비, 즉, 희석제가 염소 대비 2배 이상의 몰비로 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 또한, 본 발명은 메탄 염소화물을 제조하는 방법에 있어서, 상기한 촉매 중 어느 하나의 촉매를 사용하여, 메탄 함유 반응물을 염소와 무산소 조건에서 염소화(Chlorination) 반응을 통하여 메탄 염소화물을 제조하는 방법을 제공한다.In the methane chlorination method, the methane-containing reactant and chlorine may be diluted with a diluent to perform the chlorination reaction. The diluent may preferably be at least one selected from the group consisting of helium, argon, and nitrogen, but is not limited thereto. In addition, the diluent may be preferably used in a molar ratio of 2:1 or more with respect to chlorine, that is, the diluent may be used in a molar ratio of 2 or more times that of chlorine, but is not limited to this. In addition, the present invention relates to a method for producing methane chloride, using any one of the catalysts described above, and producing methane chloride through chlorination reaction of methane-containing reactants with chlorine under oxygen-free conditions. provides.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through specific examples. The following examples are merely examples to aid understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예 1> <Example 1>

표 1에 나타난 바와 같이, 수도-보헤마이트 171 g, 흑연 30 g 및 메틸셀룰로오스(PMB-4OH) 4.5 g을 증류수 100 g과 혼합시켜 반죽을 수득하고, 상기 수득된 반죽을 압출기에 투입하여 직경이 1.9 mm인 펠릿 형상의 촉매전구체를 형성하였다. 상기 촉매전구체를 100 ℃에서 12 시간 동안 건조시킨 다음, 450 ℃에서 3 시간 소성시켜 촉매 총 중량에 대하여 흑연이 20 wt%인 함유된 촉매를 제조하였다.As shown in Table 1, 171 g of sudo-boehmite, 30 g of graphite, and 4.5 g of methylcellulose (PMB-4OH) were mixed with 100 g of distilled water to obtain a dough, and the obtained dough was put into an extruder to have a diameter of A pellet-shaped catalyst precursor measuring 1.9 mm was formed. The catalyst precursor was dried at 100°C for 12 hours and then calcined at 450°C for 3 hours to prepare a catalyst containing 20 wt% of graphite based on the total weight of the catalyst.

<실시예 2> <Example 2>

표 1에 나타난 바와 같이, 수도-보헤마이트 109.4 g, 흑연 33 g 및 메틸셀룰로오스(PMB-4OH) 4.2 g을 증류수 70 g과 혼합시켜 반죽을 수득하고, 상기 수득된 반죽을 압출기에 투입하여 직경이 1.9 mm인 펠릿 형상의 촉매전구체를 형성하였다. 상기 촉매전구체를 100 ℃에서 12 시간 동안 건조시킨 다음, 450 ℃에서 4 시간 소성시켜 촉매 총 중량에 대하여 흑연이 30 wt%인 함유된 촉매를 제조하였다.As shown in Table 1, 109.4 g of sudo-boehmite, 33 g of graphite, and 4.2 g of methylcellulose (PMB-4OH) were mixed with 70 g of distilled water to obtain a dough, and the obtained dough was put into an extruder to have a diameter of A pellet-shaped catalyst precursor measuring 1.9 mm was formed. The catalyst precursor was dried at 100°C for 12 hours and then calcined at 450°C for 4 hours to prepare a catalyst containing 30 wt% of graphite based on the total weight of the catalyst.

<실시예 3> <Example 3>

표 1에 나타난 바와 같이, 수도-보헤마이트 50 g, 흑연 23.4 g 및 메틸셀룰로오스(PMB-4OH) 3.9 g을 증류수 70 g과 혼합시켜 반죽을 수득하고, 상기 수득된 반죽을 압출기에 투입하여 직경이 1.9 mm인 펠릿 형상의 촉매전구체를 형성하였다. 상기 촉매전구체를 100 ℃에서 12 시간 동안 건조시킨 다음, 450 ℃에서 4 시간 소성시켜 촉매 총 중량에 대하여 흑연이 40 wt%인 함유된 촉매를 제조하였다.As shown in Table 1, 50 g of sudo-boehmite, 23.4 g of graphite, and 3.9 g of methylcellulose (PMB-4OH) were mixed with 70 g of distilled water to obtain a dough, and the obtained dough was put into an extruder to have a diameter of A pellet-shaped catalyst precursor measuring 1.9 mm was formed. The catalyst precursor was dried at 100°C for 12 hours and then calcined at 450°C for 4 hours to prepare a catalyst containing 40 wt% of graphite based on the total weight of the catalyst.

<실시예 4> <Example 4>

표 1에 나타난 바와 같이, 수도-보헤마이트 171 g, 흑연 30 g 및 폴리비닐알코올(PVA) 4.5 g을 증류수 110 g과 혼합시켜 반죽을 수득하고, 상기 수득된 반죽을 압출기에 투입하여 직경이 1.9 mm인 펠릿 형상의 촉매전구체를 형성하였다. 상기 촉매전구체를 100 ℃에서 12 시간 동안 건조시킨 다음, 450 ℃에서 4 시간 소성시켜 촉매 총 중량에 대하여 흑연이 20 wt%인 함유된 촉매를 제조하였다.As shown in Table 1, 171 g of sudo-boehmite, 30 g of graphite, and 4.5 g of polyvinyl alcohol (PVA) were mixed with 110 g of distilled water to obtain a dough, and the obtained dough was put into an extruder to have a diameter of 1.9. A pellet-shaped catalyst precursor with a diameter of mm was formed. The catalyst precursor was dried at 100°C for 12 hours and then calcined at 450°C for 4 hours to prepare a catalyst containing 20 wt% of graphite based on the total weight of the catalyst.

<비교예 1> <Comparative Example 1>

표 1에 나타난 바와 같이, 실리카 졸(Silica Sol, Ludox AS-40) 64.88 g, 흑연 100 g, 카오린 6.25 g 및 메틸셀룰로오스(PMB-4OH) 6.25 g을 증류수 90 g과 혼합시켜 반죽을 수득하고, 상기 수득된 반죽을 압출기에 투입하여 직경이 1.9 mm인 펠릿 형상의 촉매전구체를 형성하였다. 상기 촉매전구체를 100 ℃에서 12 시간 동안 건조시킨 다음, 450 ℃에서 4 시간 소성시켜 촉매 총 중량에 대하여 흑연이 80 wt%인 함유된 촉매를 제조하였다.As shown in Table 1, 64.88 g of silica sol (Ludox AS-40), 100 g of graphite, 6.25 g of kaolin, and 6.25 g of methylcellulose (PMB-4OH) were mixed with 90 g of distilled water to obtain a dough. The obtained dough was put into an extruder to form a pellet-shaped catalyst precursor with a diameter of 1.9 mm. The catalyst precursor was dried at 100°C for 12 hours and then calcined at 450°C for 4 hours to prepare a catalyst containing 80 wt% of graphite based on the total weight of the catalyst.

<비교예 2> <Comparative Example 2>

표 1에 나타난 바와 같이, 알루미나 졸(Alumina Sol, AS-520) 12 g, 흑연 60 g, 카오린(Kaolin) 12 g 및 메틸셀룰로오스(PMB-4OH) 1.8 g을 증류수 190 g과 혼합시켜 반죽을 수득하고, 상기 수득된 반죽을 압출기에 투입하여 직경이 1.9 mm인 펠릿 형상의 촉매전구체를 형성하였다. 상기 촉매전구체를 100 ℃에서 12 시간 동안 건조시킨 다음, 450 ℃에서 4 시간 소성시켜 촉매 총 중량에 대하여 흑연이 80.5 wt%인 함유된 촉매를 제조하였다.As shown in Table 1, 12 g of Alumina Sol (AS-520), 60 g of graphite, 12 g of Kaolin, and 1.8 g of methylcellulose (PMB-4OH) were mixed with 190 g of distilled water to obtain a dough. Then, the obtained dough was put into an extruder to form a pellet-shaped catalyst precursor with a diameter of 1.9 mm. The catalyst precursor was dried at 100°C for 12 hours and then calcined at 450°C for 4 hours to prepare a catalyst containing 80.5 wt% of graphite based on the total weight of the catalyst.

<비교예 3> <Comparative Example 3>

표 1에 나타난 바와 같이, 수도-보헤마이트 57.1 g, 흑연 40 g 및 메틸셀룰로오스(PMB-4OH) 5.1 g을 증류수 75 g과 혼합시켜 반죽을 수득하고, 상기 수득된 반죽을 압출기에 투입하여 직경이 1.9 mm인 펠릿 형상의 촉매전구체를 형성하였다. 상기 촉매전구체를 100 ℃에서 12 시간 동안 건조시킨 다음, 450 ℃에서 4 시간 소성시켜 촉매 총 중량에 대하여 흑연이 50 wt%인 함유된 촉매를 제조하였다.As shown in Table 1, 57.1 g of sudo-boehmite, 40 g of graphite, and 5.1 g of methylcellulose (PMB-4OH) were mixed with 75 g of distilled water to obtain a dough, and the obtained dough was put into an extruder to have a diameter of A pellet-shaped catalyst precursor measuring 1.9 mm was formed. The catalyst precursor was dried at 100°C for 12 hours and then calcined at 450°C for 4 hours to prepare a catalyst containing 50 wt% of graphite based on the total weight of the catalyst.

<비교예 4><Comparative Example 4>

표 1에 나타난 바와 같이, 흄드 실리카(fumed silica, Aerosil 380) 42 g, 흑연 10 g 및 메틸셀룰로오스(PMB-4OH) 1.5 g을 증류수 130 g과 혼합시켜 반죽을 수득하고, 상기 수득된 반죽을 압출기에 투입하여 직경이 1.9 mm인 펠릿 형상의 촉매전구체를 형성하였다. 상기 촉매전구체를 100 ℃에서 12 시간 동안 건조시킨 다음, 450 ℃에서 4 시간 소성시켜 촉매 총 중량에 대하여 흑연이 20 wt%인 함유된 촉매를 제조하였다.As shown in Table 1, 42 g of fumed silica (Aerosil 380), 10 g of graphite, and 1.5 g of methylcellulose (PMB-4OH) were mixed with 130 g of distilled water to obtain a dough, and the obtained dough was placed in an extruder. was added to form a pellet-shaped catalyst precursor with a diameter of 1.9 mm. The catalyst precursor was dried at 100°C for 12 hours and then calcined at 450°C for 4 hours to prepare a catalyst containing 20 wt% of graphite based on the total weight of the catalyst.

<비교예 5> <Comparative Example 5>

표 1에 나타난 바와 같이, 카오파인(Kaofine) 80 g, 흑연 20 g 및 메틸셀룰로오스(PMB-4OH) 3 g을 증류수 90 g과 혼합시켜 반죽을 수득하고, 상기 수득된 반죽을 압출기에 투입하여 직경이 1.9 mm인 펠릿 형상의 촉매전구체를 형성하였다. 상기 촉매전구체를 100 ℃에서 12 시간 동안 건조시킨 다음, 450 ℃에서 4시간 소성시켜 촉매 총 중량에 대하여 흑연이 20 wt%인 함유된 촉매를 제조하였다.As shown in Table 1, 80 g of Kaofine, 20 g of graphite, and 3 g of methylcellulose (PMB-4OH) were mixed with 90 g of distilled water to obtain a dough, and the obtained dough was put into an extruder to obtain a diameter. A pellet-shaped catalyst precursor measuring 1.9 mm was formed. The catalyst precursor was dried at 100°C for 12 hours and then calcined at 450°C for 4 hours to prepare a catalyst containing 20 wt% of graphite based on the total weight of the catalyst.

<비교예 6> <Comparative Example 6>

표 1에 나타난 바와 같이, 수도-보헤마이트 171 g, 흑연 30 g 및 폴리에틸렌글리콜(PEG) 4.5 g을 증류수 70 g과 혼합시켜 반죽을 수득하고, 상기 수득된 반죽을 압출기에 투입하여 직경이 1.9 mm인 펠릿 형상의 촉매전구체를 형성하였다. 상기 촉매전구체를 100 ℃에서 12 시간 동안 건조시킨 다음, 450 ℃에서 4 시간 소성시켜 촉매 총 중량에 대하여 흑연이 20 wt%인 함유된 촉매를 제조하였다.As shown in Table 1, 171 g of sudo-boehmite, 30 g of graphite, and 4.5 g of polyethylene glycol (PEG) were mixed with 70 g of distilled water to obtain a dough, and the obtained dough was put into an extruder to have a diameter of 1.9 mm. A catalyst precursor in the shape of a phosphorus pellet was formed. The catalyst precursor was dried at 100°C for 12 hours and then calcined at 450°C for 4 hours to prepare a catalyst containing 20 wt% of graphite based on the total weight of the catalyst.

구분division 결정성 그래피틱
탄소계 물질(A)
crystalline graphic
Carbon-based material (A)
무기물 매트릭스 전구체(B)Inorganic Matrix Precursor (B) 가소제plasticizer
종류type 함량
(wt%)
content
(wt%)
종류type 함량
(wt%)
content
(wt%)
종류type A 및 B의 100 중량부에 대한 중량부Parts by weight per 100 parts by weight of A and B
실시예 1Example 1 흑연black smoke 2020 수도-보헤마이트Capital - Bohemite 8080 PMB-40HPMB-40H 2.22.2 실시예 2Example 2 흑연black smoke 3030 수도-보헤마이트Capital - Bohemite 7070 PMB-40HPMB-40H 3.03.0 실시예 3Example 3 흑연black smoke 4040 수도-보헤마이트Capital - Bohemite 6060 PMB-40HPMB-40H 4.04.0 실시예 4Example 4 흑연black smoke 2020 수도-보헤마이트Capital - Bohemite 8080 PVAPVA 2.22.2 비교예 1Comparative Example 1 흑연black smoke 8080 실리카 졸/카오린Silica sol/kaolin 2020 PMB-40HPMB-40H 4.04.0 비교예 2Comparative Example 2 흑연black smoke 80.580.5 알루미나 졸/카오린Alumina sol/kaolin 19.519.5 PMB-40HPMB-40H 2.02.0 비교예 3Comparative Example 3 흑연black smoke 5050 수도-보헤마이트Capital - Bohemite 5050 PMB-40HPMB-40H 5.05.0 비교예 4Comparative Example 4 흑연black smoke 2020 흄드 실리카fumed silica 8080 PMB-40HPMB-40H 2.82.8 비교예 5Comparative Example 5 흑연black smoke 2020 카오파인Kao Pine 8080 PMB-40HPMB-40H 2.92.9 비교예 6Comparative Example 6 흑연black smoke 2020 수도-보헤마이트Capital - Bohemite 8080 PEGPEG 2.22.2

<실험예 1 : 촉매 물성 측정><Experimental Example 1: Measurement of catalyst properties>

BET 측정 기기(TriStar II 3020, Micromeritics社, 미국)를 이용하여 실시예 및 비교예에서 제조된 촉매의 비표면적, 총 기공체적 및 메조포어 체적을 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다. Degassing은 300 ℃에서 5시간 동안 수행하였으며, 질소 물리 흡착은 -196 ℃에서 수행하였다. BET 모델을 이용하여 표면적을 구하였으며, BJH 모델을 이용하여 기공크기를 구하였다. The specific surface area, total pore volume, and mesopore volume of the catalysts prepared in Examples and Comparative Examples were measured using a BET measuring device (TriStar II 3020, Micromeritics, USA), and the results are shown in Table 2. Degassing was performed at 300°C for 5 hours, and nitrogen physical adsorption was performed at -196°C. The surface area was calculated using the BET model, and the pore size was calculated using the BJH model.

촉매 종류Catalyst type Surface area (m2/g)Surface area ( m2 /g) Total Pore Volume (cm3/g)Total Pore Volume ( cm3 /g) Mesopore Volume (cm3/g)Mesopore Volume (cm 3 /g) 실시예 1Example 1 342342 0.480.48 0.380.38 실시예 2Example 2 294294 0.400.40 0.310.31 비교예 1Comparative Example 1 5454 0.180.18 0.160.16 비교예 4Comparative Example 4 285285 1.081.08 0.990.99 비교예 5Comparative Example 5 2626 0.110.11 0.100.10

표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1 및 2에서 제조된 촉매의 경우 비표면적이 294 m2/g 이상이고, 총 기공체적이 0.40 cm3/g 이상이며, 메조포어 체적이 0.31 cm3/g ~ 0.38 cm3/g인 반면, 비교예 1, 4 및 5에서 제조된 촉매의 경우에는 비표면적이 285 m2/g 이하이고, 총 기공체적이 0.18 cm3/g 이하 또는 1.08 cm3/g이며, 메조포어 체적이 0.16 cm3/g 이하 또는 0.99 cm3/g로 나타났다.As shown in Table 2, the catalysts prepared in Examples 1 and 2 had a specific surface area of 294 m 2 /g or more, a total pore volume of 0.40 cm 3 /g or more, and a mesopore volume of 0.31 cm 3 /g. ~ 0.38 cm 3 /g, while for the catalysts prepared in Comparative Examples 1, 4 and 5, the specific surface area was 285 m 2 /g or less, and the total pore volume was 0.18 cm 3 /g or less or 1.08 cm 3 /g. and the mesopore volume was found to be 0.16 cm 3 /g or less or 0.99 cm 3 /g.

<실험예 2 : 촉매의 기계적 물성 측정><Experimental Example 2: Measurement of mechanical properties of catalyst>

부피밀도는 메스실린더에 일정량의 실시예 1 내지 4와 비교예 1 내지 6에서 제조된 촉매를 투입하여 그 높이를 측정하여 부피밀도 (Bulk density)를 측정하였다. 또한, 압축강도는 압축강도 측정기를 이용하여 실시예 1 내지 4와 비교예 1 내지 6에서 제조된 촉매를 지그(jig)에 놓고, 측정기에 부착된 판이 내려와 촉매가 압축되면서 파손될 때까지의 압축강도를 측정하여 촉매의 압축강도를 측정하고 그 결과를 표 3에 나타내었다.Bulk density was measured by adding a certain amount of the catalyst prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 6 into a measuring cylinder and measuring its height. In addition, the compressive strength is measured by placing the catalysts prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 6 on a jig using a compressive strength measuring device, and measuring the compressive strength until the plate attached to the measuring device is lowered and the catalyst is compressed and broken. The compressive strength of the catalyst was measured and the results are shown in Table 3.

촉매 종류Catalyst type 부피밀도 (B.D.)Bulk density (B.D.) 압축강도 (N)Compressive strength (N) 실시예 1Example 1 0.600.60 40.240.2 실시예 2Example 2 0.550.55 23.223.2 실시예 3Example 3 0.580.58 18.618.6 실시예 4Example 4 0.430.43 16.516.5 비교예 1Comparative Example 1 0.380.38 1.31.3 비교예 2Comparative Example 2 0.380.38 1.21.2 비교예 3Comparative Example 3 0.440.44 4.24.2 비교예 4Comparative Example 4 0.270.27 1010 비교예 5Comparative Example 5 0.560.56 14.414.4 비교예 6Comparative Example 6 0.450.45 5.55.5

표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 4에서 제조된 촉매의 경우, 압축 강도가 15 N 이상인 반면, 비교예 1 내지 6에서 제조된 촉매의 경우에는 압축강도가 14.4 N 이하로, 비교예 1 내지 6의 촉매에 비해 실시예 1 내지 4의 촉매가 압축강도 측면에서도 우수함을 확인할 수 있었다. As shown in Table 3, for the catalysts prepared in Examples 1 to 4, the compressive strength was 15 N or more, whereas for the catalysts prepared in Comparative Examples 1 to 6, the compressive strength was 14.4 N or less, Comparative Example 1 It was confirmed that the catalysts of Examples 1 to 4 were superior to the catalysts of Examples 1 to 6 in terms of compressive strength.

<실험예 3 : 결정성 그래피틱 탄소계 물질의 함량에 따른 메탄 염소화 반응에 대한 성능 측정><Experimental Example 3: Performance measurement for methane chlorination reaction according to the content of crystalline graphic carbon-based material>

실시예 1 내지 3과 비교예 1 내지 3에서 제조된 촉매와 γ-알루미나를 질소 분위기하에서 400 ℃로 전처리시킨 다음, 전처리된 촉매 2 g을 고정층 반응기(Fixed-bed, Inconel tube reactor, 길이 450 mm, 내경 11 mm)에 각각 충진하여 메탄과 염소를 포함하는 반응물질을 흘리면서 메탄-염소화 반응에 대한 성능을 측정하였다. 무산소 조건으로 메탄 염소화 반응 분위기를 조성하였으며, 메탄 및 염소가스를 희석제인 헬륨으로 희석한 상태로 반응기에 주입하면서 (주입된 몰비: CH4/Cl2/He=1/1/2) 반응을 실시하였다. 반응기 내에서 염소가스의 경로는 차광되었으며, GC-FID(GC using a HP PLOT-Q capillary column and a flame ionization detector, 가스 크로마토그래피 - 불꽃 이온화 검출기)를 사용하여 염소화 반응의 제조물을 분석하였다.The catalysts and γ-alumina prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were pretreated at 400°C under a nitrogen atmosphere, and then 2 g of the pretreated catalyst was placed in a fixed-bed reactor (Inconel tube reactor, length 450 mm). , inner diameter of 11 mm), and the performance of the methane-chlorination reaction was measured while flowing reactants containing methane and chlorine. An atmosphere for methane chlorination reaction was created under oxygen-free conditions, and the reaction was carried out by injecting methane and chlorine gas diluted with helium, a diluent, into the reactor (injected molar ratio: CH 4 /Cl 2 /He=1/1/2). did. The path of chlorine gas within the reactor was shielded from light, and the product of the chlorination reaction was analyzed using GC-FID (GC using a HP PLOT-Q capillary column and a flame ionization detector, gas chromatography).

염소화 반응에 의한 염소 기체의 전환율과 생성물(메탄의 염소화물)의 선택도를 분석하기 위한 반응시간은 공통적으로 1시간이고, CH4/Cl2의 반응물 몰비는 3 : 1이며, 반응물의 GHSV는 2,000 cc/g/h이고, 반응온도는 350 ℃이며, 반응압력은 상압이다. 측정된 전환율, 선택도 및 수율을 표 4 및 도 1에 나타내었다.The reaction time for analyzing the conversion rate of chlorine gas and the selectivity of the product (chloride of methane) by the chlorination reaction is generally 1 hour, the molar ratio of CH 4 /Cl 2 is 3:1, and the GHSV of the reactant is It is 2,000 cc/g/h, the reaction temperature is 350 ℃, and the reaction pressure is normal pressure. The measured conversion, selectivity and yield are shown in Table 4 and Figure 1.

구분division 촉매 종류Catalyst type CH4 전환율CH 4 conversion rate Cl2 전환율 Cl2 conversion rate CH3Cl 선택도(%)CH 3 Cl selectivity (%) CH3Cl 수율(%)CH 3 Cl yield (%) 실험예 3-1Experimental Example 3-1 실시예 1Example 1 25.825.8 100100 68.6068.60 17.717.7 실험예 3-2Experimental Example 3-2 실시예 2Example 2 23.923.9 96.896.8 67.6067.60 16.216.2 실험예 3-3Experimental Example 3-3 실시예 3Example 3 24.224.2 96.996.9 69.3069.30 16.816.8 비교실험예 3-1Comparative Experiment Example 3-1 비교예 1Comparative Example 1 24.324.3 100100 62.7062.70 15.215.2 비교실험예 3-2Comparative Experiment Example 3-2 비교예 2Comparative Example 2 28.228.2 100100 64.0064.00 18.018.0 비교실험예 3-3Comparative Experiment Example 3-3 비교예 3Comparative Example 3 25.725.7 100100 66.1066.10 17.017.0 비교실험예 3-4Comparative Experiment Example 3-4 -- 18.118.1 70.470.4 73.473.4 13.313.3 비교실험예 3-5Comparative Experiment Example 3-5 γ-알루미나γ-alumina 19.6319.63 82.0982.09 68.4468.44 13.413.4

표 4 및 도 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 촉매를 사용한 실험예 3-1 내지 3-3 경우 촉매를 사용하지 않은 비교실험예 3-4와 γ-알루미나를 촉매로 사용한 비교실험예 3-5에 비해 CH4 및 Cl2의 전환율과 CH3Cl 선택도 및 수율이 월등히 우수한 것으로 나타났고, 특히 실시예 1 및 3에서 제조된 촉매의 경우에는 흑연의 적은 함량에도 불구하고 비교예에서 제조된 촉매에 비해 CH4 및 Cl2의 전환율과 CH3Cl 선택도 및 수율이 우수한 것으로 나타났다.As shown in Table 4 and Figure 1, in the case of Experimental Examples 3-1 to 3-3 using the catalysts of Examples 1 to 3, Comparative Experimental Examples 3-4 without using a catalyst and Comparative Experiments using γ-alumina as a catalyst Compared to Examples 3-5, the conversion rates of CH 4 and Cl 2 and the selectivity and yield of CH 3 Cl were found to be significantly superior. In particular, in the case of the catalysts prepared in Examples 1 and 3, despite the small content of graphite, the catalysts in Comparative Examples It was found that the conversion rates of CH 4 and Cl 2 and the selectivity and yield of CH 3 Cl were excellent compared to the catalyst prepared in .

<실험예 4 : 가소제 및 무기물 매트릭스 전구체 종류에 따른 메탄 염소화 반응에 대한 성능 측정><Experimental Example 4: Performance measurement for methane chlorination reaction according to plasticizer and inorganic matrix precursor type>

실시예 1 및 4와 비교예 4 내지 6에서 제조된 촉매를 질소 분위기하에서 400 ℃로 전처리시킨 다음, 전처리된 촉매 2 g을 고정층 반응기(Fixed-bed, Inconel tube reactor, 길이 450 mm, 내경 11 mm)에 각각 충진하여 메탄과 염소를 포함하는 반응물질을 흘리면서 메탄-염소화 반응에 대한 성능을 측정하였다. 무산소 조건으로 메탄 염소화 반응 분위기를 조성하였으며, 메탄 및 염소가스를 희석제인 헬륨으로 희석한 상태로 반응기에 주입하면서 (주입된 몰비: CH4/Cl2/He=1/1/2) 반응을 실시하였다. 반응기 내에서 염소가스의 경로는 차광되었으며, GC-FID(GC using a HP PLOT-Q capillary column and a flame ionization detector, 가스 크로마토그래피 - 불꽃 이온화 검출기)를 사용하여 염소화 반응의 제조물을 분석하였다.The catalysts prepared in Examples 1 and 4 and Comparative Examples 4 to 6 were pretreated at 400°C under a nitrogen atmosphere, and then 2 g of the pretreated catalyst was placed in a fixed-bed reactor (Inconel tube reactor, length 450 mm, internal diameter 11 mm). ) were filled in each and the performance of the methane-chlorination reaction was measured while flowing reactants containing methane and chlorine. An atmosphere for methane chlorination reaction was created under oxygen-free conditions, and the reaction was carried out by injecting methane and chlorine gas diluted with helium, a diluent, into the reactor (injected molar ratio: CH 4 /Cl 2 /He=1/1/2). did. The path of chlorine gas within the reactor was shielded from light, and the product of the chlorination reaction was analyzed using GC-FID (GC using a HP PLOT-Q capillary column and a flame ionization detector, gas chromatography).

염소화 반응에 의한 염소 기체의 전환율과 생성물(메탄의 염소화물)의 선택도를 분석하기 위한 반응시간은 공통적으로 1시간이고, CH4/Cl2의 반응물 몰비는 3 : 1이며, 반응물의 GHSV는 2,000 cc/g/h이고, 반응온도는 350 ℃이며, 반응압력은 상압이다. 측정된 전환율, 선택도 및 수율을 표 5 및 도 2에 나타내었다.The reaction time for analyzing the conversion rate of chlorine gas and the selectivity of the product (chloride of methane) by the chlorination reaction is generally 1 hour, the molar ratio of CH 4 /Cl 2 is 3:1, and the GHSV of the reactant is It is 2,000 cc/g/h, the reaction temperature is 350 ℃, and the reaction pressure is normal pressure. The measured conversion, selectivity and yield are shown in Table 5 and Figure 2.

구분division 촉매 종류Catalyst type CH4 전환율CH 4 conversion rate Cl2 전환율 Cl2 conversion rate CH3Cl 선택도(%)CH 3 Cl selectivity (%) CH3Cl 수율(%)CH 3 Cl yield (%) 실험예 4-1Experimental Example 4-1 실시예 1Example 1 25.825.8 100100 68.6068.60 17.717.7 실험예 4-2Experimental Example 4-2 실시예 4Example 4 21.6521.65 87.3987.39 69.0569.05 14.914.9 비교실험예 4-1Comparative Experiment Example 4-1 비교예 4Comparative Example 4 21.7721.77 93.9893.98 64.1964.19 14.014.0 비교실험예 4-2Comparative Experiment Example 4-2 비교예 5Comparative Example 5 21.5921.59 87.2887.28 70.0170.01 15.115.1 비교실험예 4-3Comparative Experiment Example 4-3 비교예 6Comparative Example 6 22.2922.29 90.6690.66 68.1768.17 15.215.2 비교실험예 4-4Comparative Experiment Example 4-4 -- 18.118.1 70.470.4 73.473.4 13.313.3

표 5 및 도 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1 및 4의 촉매를 사용한 실험예 4-1 및 4-2의 경우 촉매를 사용하지 않은 비교실험예 4-4와 비교실험예 4-1 내지 4-3에 비해 CH4 및 Cl2의 전환율과 CH3Cl 선택도 및 수율이 높은 것으로 나타났고, 특히 실시예 1의 촉매를 사용한 실험예 4-1의 경우에는 흑연의 적은 함량에도 불구하고 비교예의 촉매를 사용한 실험예 4-1 내지 4-3에 비해 CH4 및 Cl2의 전환율과 CH3Cl 선택도 및 수율이 우수한 것으로 나타났다.As shown in Table 5 and Figure 2, in the case of Experimental Examples 4-1 and 4-2 using the catalysts of Examples 1 and 4, Comparative Experimental Examples 4-4 and Comparative Experimental Examples 4-1 to 4 without using a catalyst Compared to -3, the conversion rate of CH 4 and Cl 2 and CH 3 Cl selectivity and yield were found to be higher, and especially in the case of Experiment 4-1 using the catalyst of Example 1, despite the small content of graphite, the Compared to Experimental Examples 4-1 to 4-3 using a catalyst, conversion rates of CH 4 and Cl 2 and CH 3 Cl selectivity and yield were found to be excellent.

따라서, 본 발명에 따른 메탄 염소화 반응용 촉매는 기계적 물성이 우수하여 장기간 운전에도 반응효율이 저하되지 않는 동시에 적은 탄소계 물질의 함량으로도 메탄 염소화 반응에 대해 높은 활성을 가져 고수율로 메탄 염소화물을 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.Therefore, the catalyst for methane chlorination reaction according to the present invention has excellent mechanical properties, so that reaction efficiency does not decrease even after long-term operation, and at the same time, it has high activity for methane chlorination reaction even with a small content of carbon-based materials, producing methane chloride in high yield. It was confirmed that it could be manufactured.

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 examples, but these are merely illustrative, and those skilled in the art will recognize that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom. You will understand. Therefore, the scope of technical protection of the present invention should be determined by the claims below.

Claims (11)

무산소 조건에서의 메탄 염소화 반응용 촉매에 있어서,
상기 촉매는 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질이 무기물 매트릭스내에 고르게 분산된 것으로서, 강도가 15 N 이상이며, 상기 촉매내에 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질은 촉매 총 중량에 대하여, 10 중량% ~ 40 중량%인 것을 특징으로 하는 메탄 염소화 반응용 촉매.
In the catalyst for methane chlorination reaction under oxygen-free conditions,
The catalyst is a crystalline graphitic carbon-based material evenly dispersed in an inorganic matrix, and has a strength of 15 N or more. The crystalline graphitic carbon-based material in the catalyst is 10 N based on the total weight of the catalyst. Catalyst for methane chlorination reaction, characterized in that it is 40% by weight.
제1항에 있어서,
상기 무기물 매트릭스는 수도-보헤마이트(pseudo-boehmite)로부터 유래된 것임을 특징으로 하는 메탄 염소화 반응용 촉매.
According to paragraph 1,
A catalyst for methane chlorination reaction, wherein the inorganic matrix is derived from pseudo-boehmite.
제1항에 있어서,
상기 메탄 염소화 반응용 촉매는 메조포어 체적이 0.2 cm3/g ~ 0.9 cm3/g인 것을 특징으로 하는 메탄 염소화 반응용 촉매.
According to paragraph 1,
The catalyst for methane chlorination reaction is characterized in that the mesopore volume is 0.2 cm 3 /g to 0.9 cm 3 /g.
무산소 조건에서 메탄을 염소화하는 메탄 염소화 반응용 촉매의 제조방법에 있어서,
(a) 무기물 매트릭스 전구체 및 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질을 용매와 혼합시켜 반죽을 수득하는 단계;
(b) 상기 수득된 반죽에 압력을 가하여 소정의 크기로 촉매전구체를 형성하는 단계; 및
(c) 상기 형성된 촉매전구체를 소성하여 촉매를 제조하는 단계;를 포함하되,
상기 소성 후 제조된 촉매에서 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질은 촉매 총 중량에 대하여 10 wt% ~ 40 wt%인 것을 특징으로 하는 메탄 염소화 반응용 촉매의 제조방법.
In the method for producing a catalyst for a methane chlorination reaction that chlorinates methane under oxygen-free conditions,
(a) mixing an inorganic matrix precursor and a crystalline graphitic carbon-based material with a solvent to obtain a paste;
(b) forming a catalyst precursor to a predetermined size by applying pressure to the obtained dough; and
(c) calcining the formed catalyst precursor to prepare a catalyst;
A method for producing a catalyst for methane chlorination reaction, characterized in that in the catalyst prepared after the firing, the crystalline graphitic carbon-based material is 10 wt% to 40 wt% based on the total weight of the catalyst.
제4항에 있어서,
상기 (a) 단계의 용매는 무기물 매트릭스 전구체 및 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질 100 중량부에 대하여, 30 중량부 ~ 100 중량부로 혼합하는 것을 특징으로 하는 메탄 염소화 반응용 촉매의 제조방법.
According to paragraph 4,
A method for producing a catalyst for methane chlorination reaction, characterized in that the solvent in step (a) is mixed in an amount of 30 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the inorganic matrix precursor and the crystalline graphitic carbon-based material.
제4항에 있어서,
상기 (b) 단계는 압출기를 이용하여 반죽을 압출하면서 소정의 크기로 절단시켜 촉매전구체를 형성하는 것을 특징으로 하는 메탄 염소화 반응용 촉매의 제조방법.
According to paragraph 4,
The step (b) is a method of producing a catalyst for methane chlorination reaction, characterized in that the dough is extruded using an extruder and cut to a predetermined size to form a catalyst precursor.
제4항에 있어서,
상기 (c) 단계에서의 소성 온도는 450 ℃ ~ 750 ℃인 것을 특징으로 하는 메탄 염소화 반응용 촉매의 제조방법.
According to paragraph 4,
A method for producing a catalyst for methane chlorination reaction, characterized in that the calcination temperature in step (c) is 450 ℃ ~ 750 ℃.
제4항에 있어서,
상기 (a) 단계는 결정성 그래피틱(graphitic) 탄소계 물질 100 중량부에 대하여 가소제(plassticizer) 2 중량부 ~ 7 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄 염소화 반응용 촉매의 제조방법.
According to paragraph 4,
The step (a) is a method for producing a catalyst for methane chlorination reaction, characterized in that it further comprises 2 to 7 parts by weight of a plasticizer based on 100 parts by weight of the crystalline graphitic carbon-based material.
제8항에 있어서,
상기 가소제(plassticizer)는 메틸 셀룰로오스(methyl cellulose), 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol, PVA) 및 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol, PEG)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 메탄 염소화 반응용 촉매의 제조방법.
According to clause 8,
A method for producing a catalyst for methane chlorination reaction, wherein the plasticizer is at least one selected from the group consisting of methyl cellulose, polyvinyl alcohol (PVA), and polyethylene glycol (PEG). .
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 촉매를 사용하여,
메탄 함유 반응물을 염소와 무산소 조건에서 염소화 반응시켜 메탄 염소화물을 생성하는 것을 특징으로 하는 메탄 염소화물의 제조방법.
Using the catalyst of any one of claims 1 to 3,
A method for producing methane chloride, characterized in that methane chloride is produced by chlorinating a methane-containing reactant with chlorine under oxygen-free conditions.
제10항에 있어서,
상기 메탄의 염소화 반응온도는 100 ℃ ~ 600 ℃이고, 반응압력은 0 barg ~ 30 barg이며, 메탄 대 염소의 몰비는 1/20 ~ 20/1에서 수행되며, 반응물들의 기체 시간 공간속도(GHSV)는 100 cc/g/h 이상인 것을 특징으로 하는 메탄 염소화물의 제조방법.
According to clause 10,
The chlorination reaction temperature of methane is 100 ℃ ~ 600 ℃, the reaction pressure is 0 barg ~ 30 barg, the molar ratio of methane to chlorine is 1/20 ~ 20/1, and the gas time space velocity (GHSV) of the reactants is A method for producing methane chloride, characterized in that is 100 cc/g/h or more.
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