KR0130153B1 - High dispersing heterogenous catalyst production using microwave - Google Patents

High dispersing heterogenous catalyst production using microwave

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Abstract

The first step of the impregnation is to saturate in the matrix, the precursor solution in which activated material, the precursor is melted. For this method, spray, vaporization dry, initial wetting, absorption , or the like are considered based on the contacting method of the precursor solution and matrix. The next step of the catalyst production after impregnation is the drying step to eliminate the catalyst remaining in the pore of the matrix. The drying employing the microwave can be conducted in a short time since the catalyst is evaporated at a fast speed by the direct heating from the microwave and by the indirect heating of the matrix and the catalyst.

Description

마이크로파를 이용한 고분산도의 불균일 촉매의 제조방법 및 그 장치Method for producing a highly dispersed heterogeneous catalyst using microwaves and apparatus therefor

제1도는 본 발명의 회분식 촉매제조 장치의 일례를 나타내는 예시도이다.1 is an exemplary view showing an example of a batch catalyst production apparatus of the present invention.

제2도는 본 발명의 연속 촉매제조 장치의 일례를 나타내는 예시도이다.2 is an exemplary view showing an example of the continuous catalyst production apparatus of the present invention.

제3도는 제1도의 회분식 촉매제조 장치를 사용한 촉매의 소성에서 온도조절의 일례를 나타낸 그라프이다.3 is a graph showing an example of temperature control in firing the catalyst using the batch catalyst production apparatus of FIG.

제4도는 종래 및 마이크로파 가열장치에서 소성된 Co3O4/ 활성탄 촉매의 벤젠에 대한 산화반응 활성도를 나타낸 그라프이다.Figure 4 is a graph showing the oxidation activity of the Co 3 O 4 / activated carbon catalyst for benzene fired in conventional and microwave heating apparatus.

제5도는 Co3O4/ 활성탄 촉매의 소성시간 변화에 따른 활성도를 나타낸 그라프이다.5 is a graph showing the activity according to the calcination time of Co 3 O 4 / activated carbon catalyst.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 공진기 2 : 마이크로파 발생기1: resonator 2: microwave generator

3 : 전력측정기 4 : 도파관3: power meter 4: waveguide

5 : 정합기 6 : 함침부5: matching device 6: impregnation part

7 : 호퍼 8 : 스프레이더7: Hopper 8: Sprayer

9 : 컨베이어밸트 10 : 분무노즐9: Conveyor Belt 10: Spray Nozzle

11 : 콘베어벨트 12 : 회수조11: conveyor belt 12: recovery tank

13 : 저장조 14 : 건조 소성부13: reservoir 14: dry firing unit

15 : 금속차단벽 16 : 금속차단벽15: metal barrier wall 16: metal barrier wall

17 : 미치크로파 발생기 18 : 도파관17: microwave generator 18: waveguide

19 : 마이크로파 유입구 20,21 : 광학온도 측정기19: microwave inlet 20, 21: optical temperature measuring instrument

22 : 공기유입구 23 : 부생가스출구22: air inlet 23: by-product gas outlet

24 : 제품호퍼 25 : 냉각노즐24: product hopper 25: cooling nozzle

본 발명은 금속 또는 금속산화물 촉매성분과 이를 지지하는 지지체인 담체로 이루어지는 불규일촉매의 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 함침(impregnation)법에 의한 불균일촉매 제조에 있어서 건조 그리고/또는 소성단계에 마이크로파를 사용하여 촉매성분의 분산도(dispersion)가 매우 높은 촉매를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a heterogeneous catalyst comprising a metal or a metal oxide catalyst component and a support that supports the same. In particular, the present invention relates to a method for producing a catalyst having a very high dispersion of catalyst components by using microwave in the drying and / or firing step in the production of a heterogeneous catalyst by impregnation.

불균일계 촉매제조에 사용되는 함침법이란 고체상의 다공성 담체에 원하는 촉매성분의 전구체를 포함하는 용액을 함침시키고 건조과정을 통해 함침용액중 용매를 건조한 다음, 소성(calcination)과정을 거치면서 촉매전구체(precursor)를 촉매성분으로 변화시켜 담체 표면 및 내부의 기공벽면에 촉매가 형성되게 하는 방법이다. 또한 분산도란 촉매성분이 담체 표면 및 기공벽면에 얼마나 잘 분산되어 있느냐 하는 정도를 나타내는 것으로, 금속 담지촉매의 경우 금속 표면에 노출되어 있는 금속원자의 개수와 금속 전체에 들어 있는 금속원자 전체 개수의 비를 말한다. 따라서, 담체에 담지된 촉매성분의 입자 또는 결정의 크기가 작을수록 분산도가 높아진다고 할 수 있다.The impregnation method used in the production of heterogeneous catalysts impregnates a solution containing a precursor of a desired catalyst component in a porous porous carrier, dries the solvent in the impregnating solution through a drying process, and then calcinates the catalyst precursor ( precursor) is converted into a catalyst component to form a catalyst on the surface of the carrier and the pore wall surface inside. In addition, the degree of dispersion indicates how well the catalyst component is dispersed on the surface of the carrier and the pore wall. In the case of the supported catalyst, the ratio of the number of metal atoms exposed to the metal surface and the total number of metal atoms contained in the entire metal Say. Therefore, it can be said that the smaller the size of the particles or crystals of the catalyst component supported on the support, the higher the dispersion degree.

촉매반응은 촉매성분 입자의 표면에서 일어나므로 분산도가 클수록 촉매는 활성이 클 것으로 예측된다. 그러나 모든 반응에 대해 반드시 그렇지는 않는데, 예를 들면 담체내부 기공에서의 반응물의 물질전달이 전체 반응 속도를 지배하는 반응계에서는 촉매성분이 담체의 기공 전체에 고르게 분포되는 것 보다는 표면 근처의 기공에 집중적으로 분포되는 것이 오히려 반응에 유리하다.Since the catalytic reaction occurs on the surface of the catalyst component particles, it is expected that the higher the dispersion degree, the higher the activity of the catalyst. This is not necessarily true for all reactions, however, for example, in reaction systems where the mass transfer of reactants in the pores inside the carrier dominates the overall reaction rate, the catalyst component is concentrated in the pores near the surface rather than evenly distributed throughout the pores of the carrier. Rather it is advantageous to the reaction.

구조민감형 반응에서는 촉매의 활성이 분산도에 무관하다는 것이 일반적으로 알려진 사실이며, 모서리, 꼭지점 등 특정 위치에서 활성을 띄는 구조민감형 반응에서도 분산도와는 큰 관계가 없다.In the structure sensitive reaction, it is generally known that the activity of the catalyst is independent of the degree of dispersion, and even in the structure sensitive reaction that exhibits the activity at specific positions such as corners and vertices, there is no significant relationship with the dispersion degree.

또한 촉매의 활성이 결정의 크기에 의존하는 반응에서도 최적 결정크기, 즉 초적 분산도가 존재하며 분산도가 적정치를 넘어서면 표면원자의 배위수 또는 흡착질에 대한 결합에너지등의 변화로 인해 촉매의 활성이 점차 떨어지는 반응이 있다.In addition, even in a reaction in which the activity of the catalyst depends on the crystal size, the optimum crystal size, i.e., superdispersity exists, and when the dispersion exceeds an appropriate value, the catalyst is changed due to changes in the coordination number of surface atoms or binding energy to the adsorbate. There is a gradual decrease in activity.

그러나, 분산도가 클수록 반응속도가 큰 반응은 매우 많으며 제조가격, 피독현상, 마모에 의한 손실등에 있어서도 촉매는 분산도가 클수록 유리하다. 그리고 담지량이 적은 저농도 촉매의 경우는 고농도 촉매와는 상황이 달라지는데 저담지량 촉매는 제조조건에 따라서 촉매성분이 담체의 표면을 완전히 덮지 못할 수도 있다.However, the greater the dispersion degree, the more reactions with a higher reaction rate, and the larger the dispersion degree, the more advantageous the catalyst is in terms of production cost, poisoning phenomenon, and loss due to wear. In the case of a low concentration catalyst having a small loading amount, the situation is different from that of a high concentration catalyst. The low loading catalyst may not completely cover the surface of the carrier depending on the preparation conditions.

이 경우 촉매의 활성은 표면 덮힘이 완전한 촉매에 비해 떨어질 수밖에 없으며 만약 촉매성분이 큰 입자로 뭉쳐져 담지되면 표면덮힘 정도가 크게 감소되어 활성은 치명적으로 떨어진다. 따라서 저농도 촉매의 경우는 최적 결정크기의 확보도 중요하지만 일차적으로 넓은 활성점을 확보하는 것이 보다 중요해진다. 촉매성분 결정의 크기가 문제되지 않는다면 분산도가 커질수록 담지량이 적어지므로 제조가격 면에서 유리할 것이다. 특히 석유화학선업에서 널리 사용되는 개질 촉매 및 유동층 촉매크래킹(FCC)공정의 촉매와 같이 백금족 귀금속이 담지되어 있는 촉매의 경우 더욱 그러한데, 귀금속 촉매는 홀성이 같다는 전제하에 분산도를 도배 향상시켜 담지량을 절반으로 줄일 수 있다면 그 제조비용의 절감효과는 매우크게 나타난다. 이와는 다른 차원에서 환경산업에 사용되는 액상용 환경촉매에 있어서도 촉매성분의 높은 분산도가 요구된다. 액상용 환경촉매는 흡착제를 담체로 하여 그 표면에 완전산화반응을 위한 산화촉매성분을 담지시켜 제조되는데 액상 유해성분을 흡착제에 선택적으로 흡착시킨 후 기상 분위기에서 흡착된 유해성분을 담지된 산화촉매 성분으로 저온에서 완전산화시켜 제거함으로써 흡착과 재생의 반복과정을 통해 계속 사용할 수 있도록 설계되어 있다.In this case, the activity of the catalyst is inevitably inferior to that of the complete catalyst, and if the catalyst components are packed together in large particles, the degree of surface coverage is greatly reduced and the activity is fatally reduced. Therefore, in the case of a low concentration catalyst, it is important to secure the optimum crystal size, but it is more important to secure a wide active point. If the size of the catalyst component crystal is not a problem, the larger the dispersion, the less the amount of loading, which would be advantageous in terms of manufacturing price. This is especially true for catalysts containing platinum group precious metals, such as reforming catalysts and catalysts in fluidized bed catalyst cracking (FCC) processes, which are widely used in petrochemical industries. If it can be cut in half, the savings in manufacturing costs are very large. On the other hand, high dispersibility of the catalyst component is required in the liquid environmental catalyst used in the environmental industry. Liquid environmental catalysts are prepared by adsorbing an oxidizing catalyst component for complete oxidation reaction on the surface of an adsorbent as a carrier.The oxidizing catalyst component carrying harmful components adsorbed in gaseous atmosphere after selectively adsorbing liquid harmful components to the adsorbent. As it is completely oxidized and removed at low temperature, it is designed to be used continuously through repeated processes of adsorption and regeneration.

이 촉매는 흡착제의 넓은 표면적 유지를 위해 활성을 갖는 범위내에서 산화 촉매성분이 가급적 소량 담지되어야 하므로 분산도가 클수록 흡착제의 기능에 유리하다. 이외에도 여러 이유에서 많은 촉매는 높은 분산도가 요구된다. 이와 같은 불균일 촉매의 제조방법중 함침법은 공정이 가장 간단하고 저렴한 제조방법이지만 촉매성분이 담체에 불균일하게 분포되는 결점 때문에 고분산도의 촉매 제조에는 일반적으로 사용되지 못하고 있다.This catalyst is advantageous in the function of the adsorbent because the larger the dispersion degree, the smaller the amount of the oxidation catalyst component should be supported in the range of activity to maintain the large surface area of the adsorbent. In addition, for many reasons many catalysts require a high degree of dispersion. The impregnation method of such a heterogeneous catalyst production method is the simplest and most inexpensive manufacturing method, but has not been generally used for the production of high dispersion catalysts due to the defect that the catalyst components are unevenly distributed on the carrier.

촉매성분에 대한 담체의 흡착력이 너무 강하면 저농도 촉매제조시 담체의 표면근처에 집중적으로 담지되고, 이에 반해 흡착력이 너무 약한 경우에는 함침 이후 건조단계에서 온도, 가열속도 등의 변수에 따라 담체내부에서 함침용액 중의 용질인 촉매전구체의 분포도가 변하기 때문이다(J.R.Anderson, Structure of Netallic Catalysis, Academic Press Inc., 1975,pp. 171-176).If the adsorption power of the carrier to the catalyst component is too strong, it is concentrated in the vicinity of the surface of the carrier during the production of low concentration catalyst.In contrast, if the adsorption power is too weak, it is impregnated into the carrier depending on variables such as temperature and heating rate in the drying step after impregnation. This is because the distribution of the catalyst precursor as a solute in solution changes (JR Anderson, Structure of Netallic Catalysis, Academic Press Inc., 1975, pp. 171-176).

담체의 흡착력이 매우 약하면 건조단계, 즉 함침용액의 용매 제거단계에서 담체내부 촉매성분의 분포도는 모세관힘과 기공크기 분포와의 상호작용하에 용매가 제거되는 방법에 따라서 달라지게 된다.If the adsorption force of the carrier is very weak, the distribution of the catalyst component in the carrier during the drying step, i.e., the solvent removal step of the impregnating solution, depends on the method of removing the solvent under the interaction between the capillary force and the pore size distribution.

용매가 순간적으로 증발될 경우에는 용질은 원래의 위치에서 가까이 있는 이웃 기공의 벽면에 증착하게 되어 용질의 분포도는 전체적으로 균일해진다. 반면 서서히 증발되는 조건에서는 용매의 증발은 증기압이 상대적으로 큰 담체 표면쪽의 거대기공에서부터 점차 내부의 미세기공으로 확산되면서 일어난다.When the solvent evaporates momentarily, the solute deposits on the walls of neighboring pores close to its original location, so that the distribution of the solute becomes uniform throughout. On the other hand, in the evaporation conditions, the evaporation of the solvent occurs as it gradually diffuses into the micropores from the macropores toward the surface of the carrier having a relatively high vapor pressure.

이때 내부의 미세기공에서는 액체가 증발되면 모세관 힘에 의해 이웃 거대기공에 있는 함침용액이 계속 채워져 들어오기 때문에 미세기공 내에 용질이 점차 누적되게 된다. 따라서 담체 전체적으로 용질은 미세기공에 또한 담체 표면쪽보다는 중심쪽으로 치우치게 된다. 그러나, 용질의 분포는 이외에도 용액의 초기포화도, 액체 이동 경로의 연결정도, 담체 및 용액의 물성 등 다양한 변수의 함수로써 실제 함침법에 의해 제조되어 상업적으로 상용되는 많은 촉매는 균일한 분포가 요구됨에도 불구하고 담체의 중심보다는 표면쪽에 오히려 농도가 더 높은 것으로 알려져 있다(C.N.Sstterfield, Hdterogerneous Catalysis in Industrial Practice, 2nd ed.,McGraw, pp. 108-109) 이와같이 함침법은 건조단계에서 담체의 흡착력에 관계없이 촉매성분이 불균일하게 분포되는 크나큰 결점이 있는데 여기에는 담체의 표면 또는 중심부에 집중되는 거시적 불균일 분포와 기공 내부의 특정 위치에 집중되는 미시적 불균일 분포의 두 종류로 나누어진다.In this case, when the liquid evaporates, the solute is gradually accumulated in the micropores because the impregnation solution in the neighboring macropores is continuously filled by the capillary force. Thus, the solute as a whole of the carrier is biased toward the micropores and toward the center rather than toward the surface of the carrier. However, the distribution of solutes, in addition to the initial saturation of the solution, the degree of connection of the liquid transport path, the carrier and the physical properties of the solution as a function of various variables, such as the actual impregnation method, many commercially available catalysts require uniform distribution Nevertheless, it is known that the concentration is higher on the surface rather than the center of the carrier (CNSstterfield, Hdterogerneous Catalysis in Industrial Practice, 2nd ed., McGraw, pp. 108-109). There are two major drawbacks of the heterogeneous distribution of catalyst components, which are divided into two types: macroscopic and non-uniform distributions concentrated at the surface or center of the carrier and micro-uniform distributions concentrated at specific locations within the pores.

함침법의 이러한 결점 때문에 높은 분산도가 요구되는 촉매 제조시에는 침전법, 이온교환법, 기타 촉매마다의 특성에 맞는 특수한 방법들이 사용 되어왔다. 그러나, 이러한 방법들은 함침법보다 공정의 복잡하고 제조비용이 비싼 단점이 있다. 침전법은 함침법보다 여과, 수세, 성형공정 등이 더 필요하고 PH를 정밀히 조절해야 하는 어려움이 있다.Because of these drawbacks of impregnation, special methods have been used for the preparation of catalysts that require high dispersibility. However, these methods have a disadvantage in that the process is complicated and the manufacturing cost is higher than the impregnation method. Precipitation requires more filtration, water washing, molding, and the like than impregnation, and it is difficult to precisely control the pH.

이 때문에 장치비가 많이 들며 산 또는 알칼리등의 사용으로 폐기물 처리비용이 함침법보다 더 많이 들게된다. 이온교환법 역시 pH조절 등으로 인해 공정이 복잡하며 담체가 이온교환 능력을 갖추어야만 가능하다. 이온 교환법에 있어서 pH 조절은 이온을 안정화해야 하는 문제와 강산 또는 강알칼리 용액에 의해 담체가 공격받는 문제를 동시에 고려해야 할 경우 어려운 것으로 알려져 있다.Because of this, the equipment cost is high and the waste disposal cost is higher than the impregnation method by using acid or alkali. The ion exchange method is also complicated by the pH control and is only possible if the carrier has ion exchange capacity. PH control in the ion exchange method is known to be difficult when both the problem of stabilizing ions and the problem of carrier attack by a strong acid or strong alkali solution are considered simultaneously.

기타 특수한 방법들도 공정이 복잡하고 제조비용이 함침법보다 비쌀 수밖에 없다. 2%이하 담지되는 FCC촉매와 같은 저농도 촉매의 제조에 분산도 향상을 위해 이러한 비싼 제조방법을 사용하는 것은 효율적이지 못할 것이다. 가능한 한 값싸게 제조해서 널리 보급해야 하는 환경촉매도 역시 마찬가지이다.Other special methods also have complex processes and are more expensive than impregnation. It would not be efficient to use such expensive manufacturing methods to improve dispersion in the production of low concentration catalysts such as FCC catalysts which are loaded at less than 2%. The same is true of environmental catalysts that must be manufactured and distributed as cheaply as possible.

그리고 무엇보다도, 침전법, 이온교환법 등은 함침법과는 달리 한가지 이상의 촉매성분을 제조하기 어렵기 때문에 이성분 또는 다성분 촉매의 제조에 사용하는 데에 문제가있다.And most of all, the precipitation method, the ion exchange method, etc., unlike the impregnation method, is difficult to prepare one or more catalyst components, so there is a problem in the use in the production of two-component or multi-component catalyst.

따라서 본 발명자들은 함침법의 주요 결점인 촉매성분의 불균일한 분포 문제를 해결함으로써 고분산도의 촉매를 값싸게 제조할 수 있도록 하기 위해 본 발명을 하게 되었다. 본 발명의 다른 목적은 함침법의 함침, 건조 및 소성산계를 일괄적으로 또한 연속적으로 처리할 수 있는 촉매 제조방법을 제공하는 데에 있다.Therefore, the present inventors have made the present invention in order to solve the non-uniform distribution of the catalyst component, which is a major drawback of the impregnation method, to make a high-dispersion catalyst cheap. Another object of the present invention is to provide a method for producing a catalyst which can simultaneously and continuously treat the impregnation, drying, and calcined acid systems of the impregnation method.

마이크로파는 전자기스펙트럼에서 주파수 범위 300MHz ~ 300GHz, 파장으로는 1m ~ 1mm사이의 전자기파를 통칭하는데 주파수 915MHz 또는 2,450MHz인 마이크로파가 가열용으로 일반적으로 사용된다. H2O와 같은 유전체가 이러한 파의 전계(電界)에 놓이면 유전체의 분자쌍극자는 마이크로파의 전계 변화에 대응함으로써 배향을 달리하게 된다.Microwave refers to electromagnetic waves in the electromagnetic spectrum in the frequency range 300 MHz to 300 GHz and wavelengths in the range of 1 m to 1 mm. Microwaves with a frequency of 915 MHz or 2,450 MHz are commonly used for heating. When a dielectric such as H 2 O is placed in the electric field of the wave, the molecular dipoles of the dielectric change their orientation by responding to the electric field change of the microwave.

이 과정에서 분자쌍극자는 마이크로파의 전계 변화에 순간적으로 대응하지 못하고 시간적으로 지연하며 배향하는데 이 때문에 유전체 내부에는 일종의 마찰열이 발생된다. 빛의 속도로 전파되는 파에 의해 물체에 열이 발생되는 이와 같은 열의 발생원리는 가정용 및 산업용 전자오븐에 응용되고 있는데 이러한 가열방식은 종래의 방식에 비해 가열속도가 매우 빠르고 또한 영구쌍극자를 갖는 유전체가 선택적으로 가열되는 특징이 있다. 또한 열과는 다른 효과에 의해 화학반응 및 공정에서 물질전달이 향상되는 특징이 있다.In this process, the molecular dipoles do not respond instantaneously to changes in the electric field of the microwave and are oriented in time, which creates a kind of frictional heat inside the dielectric. The principle of heat generation, in which heat is generated on an object by waves propagating at the speed of light, is applied to household and industrial electronic ovens. This heating method is faster than conventional methods and has a dielectric having a permanent dipole. Is selectively heated. In addition, the material transfer is improved in chemical reactions and processes due to effects other than heat.

마이크로파에 의한 물질전달의 향상은 확산계수(diffusion coefficient)의 정확한 비교를 통해볼 때 타당성이 있는 것으로 입증되고 있는데 고체-고체, 고체-액체 및 고체-기체계 화학반응, 소결(sintering), 결정성장 등 주로 고체가 포함된 반응 및 공정분야에서 보고되고 있다.The improvement of material transfer by microwave has proved feasible through accurate comparison of diffusion coefficients: solid-solid, solid-liquid and solid-based chemistry, sintering, crystal growth Etc. It has been reported in the field of reactions and processes mainly involving solids.

마이크로파에 의해 물질전달이 향상되는 원리는 구체적으로 밝혀져 있지 않으나 유전체가 가열되는 비슷한 원리에 의해 향상되는 것으로 보고 있으며 결정성장, 소결 등 현상의 복잡성 때문에 해석이 어려운 분야에서는 이를 마이크로파 효과라 칭하고 있다.Although the principle of improving material transfer by microwaves is not known in detail, it is believed to be improved by a similar principle of heating a dielectric. In the field difficult to interpret due to the complexity of phenomena such as crystal growth and sintering, this is called a microwave effect.

본 발명자들은 마이크로파의 이러한 고속가열 특성과 물질전달 향상 특성을 촉매성분이 불균일하게 분포되는 결점이 있는 함침법의 건조 혹은 소성단계에 종합적으로 적용하여 고분산도의 금속 및 금속산화물 촉매를 효과적으로 제조할 수 있음을 실험적으로 그 효과를 확인하였다.The present inventors can effectively produce high dispersion metal and metal oxide catalysts by applying the high-speed heating and material transfer enhancement properties of microwaves to the drying or firing step of impregnation method where the catalyst components are unevenly distributed. The effect was confirmed experimentally.

마이크로파를 응용한 촉매제조방법이 다른 분야에서의 응용과 다른점은 화학반응, 소결 등에서는 물질내부 또는 결정의 경계층에서 마이크로파에 의한 물질의 전달속도의 향상이 주목적인 것에 배해 촉매제조의 경우는 다공성 고체표면 및 기공내부에서 촉매성분을 최대한 골고루 미세하게 분산시키는 것이 주목적이다.The method of producing a catalyst using microwaves is different from that of other applications. It is important to improve the transfer rate of a substance by microwaves in a material or crystal boundary layer in chemical reaction and sintering. The main purpose is to disperse the catalyst components as evenly and finely as possible on the solid surface and the pores.

이를 기공내부를 기준해서 본다면 축매제조에 있어서는 궁극적으로 촉매성분일 기공벽면을 통해 담체내부로 전달되는 것 대신에 기공의 벽면에서 벽면방향으로 넓게, 그리고 골고루 분산되도록 하는 것이 주목적이다.In view of the internal pore, the main purpose of the ammonia production is to distribute the pores widely and evenly from the wall surface of the pores instead of being transferred to the carrier through the pore wall surface which is the catalyst component.

지금까지 마이크로파가 고체물질 내부에서 특정성분의 물질전달 속도만을 증가시키는 것으로 알려져 왔으나 본 발명자들은 촉매의 담체로 사용된 다공성 고체의 표면 및 내부 기공의 벽면에서 증착되어 있는 촉매성분을 표면 및 벽면방향으로 분산시키는 효과가 매우 큼을 확인하였다.Until now, microwaves have been known to increase only the material transfer rate of a specific component in a solid material. However, the present inventors have found that the catalyst component deposited on the surface of the porous solid used as a carrier of the catalyst and the wall of the inner pores in the surface and wall directions. It was confirmed that the effect of dispersion is very large.

이러한 담체표면 및 기공 벽면방향으로의 물질전달은 여러 실험을 통해 볼 때 물질내부에서의 물질전달과는 비교가 되지 않을 정도로 속도가 큰 것으로 나타났다. 따라서 본 발명은 마이크로파의 물체를 빠른 속도가 가열시키는 특성과 함께 물질을 분산시키는 특성을 이용하여 함침법의 결점인 담체 표면 및 기공벽면에서의 촉매성분의 불균일한 분포 문제를 해결하는 것이다.The mass transfer in the carrier surface and the pore wall direction has been shown to be high speed in comparison with the mass transfer in the material. Accordingly, the present invention solves the problem of non-uniform distribution of catalyst components on the carrier surface and the pore wall surface, which is a drawback of the impregnation method, by using the property of dispersing the material together with the property of heating the object of microwave rapidly.

본 발명에 의한 촉매의 분산도의 향상은 건조와 소성의 두 단계에서 독립적 또는 복합적으로 이루어진다. 건조단계에서는 마이크로파의 고속가열 특성 및 촉매성분을 분산시키는 마이크로파 효과가, 그리고 소성단계에서는 소성반응과 촉매입자의 분상에 관련된 마이크로파 효과가 각각 이용된다. 이하 함침법에 의한 촉매제조의 순서에 따라 본 발명을 구체적으로 설명한다.The improvement in the degree of dispersion of the catalyst according to the invention is achieved independently or in combination in two stages: drying and firing. In the drying step, the microwave heating effect and the microwave effect of dispersing the catalyst component are used, and in the firing step, the microwave effect related to the calcination reaction and powder phase of the catalyst particles is used. Hereinafter, the present invention will be described in detail in the order of preparation of the catalyst by the impregnation method.

함침법의 첫 단계는 활성물질인 전구체를 녹인 전구체 용액을 담체에 함침(담지)시키는 것인데 제조하고자 하는 담체 및 전구체 용액의 종류, 소요 담지량 등을 고려하여 적절한 방법이 선택된다. 함침방법에는 담체와 전구체용액의 접촉방법에 따라 분무법, 증발건조법, 초기습식법(incipient wetness meyhod), 흡착법 등이 고려될 수 있다.The first step of the impregnation method is to impregnate (support) the precursor solution in which the precursor, the active substance, is dissolved, in the carrier. The appropriate method is selected in consideration of the type of carrier and precursor solution to be prepared and the required loading amount. As the impregnation method, a spraying method, an evaporation drying method, an incipient wetness meyhod, an adsorption method, and the like may be considered depending on the contact method between the carrier and the precursor solution.

분무법은 전구체 용액을 작은 크기의 입자형으로 분무시켜 담체에 골고루 접촉시키는 방법이며, 증발건조법은 담체를 증발기에 넣고 저어주거나 흔들어주면서 담지시키는 방법이다. 초기습식법에서는 전구체 용액을 담체 기공 부피만큼의 용매의 전구체 물질을 녹인 용액을 건조된 담체에 가하는 것이 필요하다. 흡착법은 전구체 용액에 담체를 담구어 담체 표면에 전구체인 활성물질을 흡착시켜 담지되게 하는 방법이다.Spraying is a method in which the precursor solution is sprayed into a small particle size to uniformly contact the carrier, and evaporation drying is a method in which the carrier is put in an evaporator and stirred or shaken. In the initial wet method, it is necessary to add a solution in which the precursor material of the solvent is dissolved in the amount of the precursor pore volume to the dried carrier. The adsorption method is a method in which a carrier is immersed in a precursor solution to adsorb and support an active material as a precursor on a carrier surface.

이들 함침 방법중 담지량은 증발건조법, 초기함침법, 흡착법 순으로 줄어든다. 전구체용액의 제조시 필요한 용매로는 일반적으로 물을 사용하는데 물에 대한 전구체의 용해도가 낮을 경우에는 유기용매를 사용하기도 한다. 물과 대부분의 유기용매는 마이크로파에 가열이 매우 잘 되므로 본 발명에서는 어떠한 용매를 사용하더라도 큰 관계는 없다.The amount of loading in these impregnation methods decreases in the order of evaporation drying method, initial impregnation method and adsorption method. Water is generally used as a solvent for the preparation of the precursor solution. When the solubility of the precursor in water is low, an organic solvent may be used. Water and most organic solvents are very well heated in the microwave, so any solvent may be used in the present invention.

함침 이후의 촉매제조 단계는 담체의 기공에 들어 있는 용매를 제거하기 위한 건조단계이다. 전술한 바와 같이 함침법에 의한 촉매제조는 이 단계에서 촉매성분이 불균일하게 분포되는 문제점이 있다. 이러한 문제점은 담체와 촉매전구체가 이온결합에 의해 강하게 결속되어 있는 이온교환법이나 침전법과는 달리 함침법에서는 담체와 촉매전구체 간의 결합력이 매우 약하기 때문에 나타난 현상이다. 도표1은 전형적인 회분식 마이크로파 가열장치를 나타낸 것이다.The catalyst preparation step after impregnation is a drying step to remove the solvent contained in the pores of the carrier. As described above, the catalyst production by the impregnation method has a problem in that the catalyst components are unevenly distributed at this stage. This problem occurs because the bonding strength between the carrier and the catalyst precursor is very weak in the impregnation method, unlike the ion exchange method or the precipitation method in which the carrier and the catalyst precursor are strongly bound by the ionic bond. Table 1 shows a typical batch microwave heater.

이 장치는 공진기(1), 마이크로파 발생기(2), 전력 측정기(3), 도파관(4), 정합기(5)로 구성되어 있다. 공진기(1)는 전기로의 노(爐)에 해당하는 부분이며, 도파관(4)은 마이크로파 발생기(2)에서 발생된 마이크로파가 공진기(1)에 도달하도록 마이크로파의 전파를 유도해 주는 금속으로 된 관이다.The apparatus is composed of a resonator 1, a microwave generator 2, a power meter 3, a waveguide 4, and a matcher 5. The resonator 1 is a part corresponding to the furnace of the electric furnace, and the waveguide 4 is a tube made of a metal that induces microwave propagation so that the microwaves generated by the microwave generator 2 reach the resonator 1. to be.

이러한 마이크로파 가열장치를 사용한 촉매의 건조는 종래의 가열방식에 비해 매우 짧은 시간내에 완료된다. 그 이유는 전술하였듯이 마이크로파 가열방식은 열 전달 매체를 통해 가열되는 종래의 가열방식과는 달리 빛의 속도로 전파되는 파에 의해 물체 자신이 매우 빠른 속도로 직접 발열하는 가열방식이기 때문이다.Drying of the catalyst using such a microwave heating device is completed in a very short time compared to the conventional heating method. The reason for this is that, as described above, the microwave heating method is a heating method in which the object itself generates heat directly at a very high speed by waves propagating at a speed of light, unlike the conventional heating method, which is heated through a heat transfer medium.

촉매가 마이크로파에 노출되는 순간부터 담체내부의 용매는 직접적인 가열과 또는 경우에 따라서는 담체 및 촉매성분의 발명에 의한 간접가열로 빠른 속도로 증발되기 시작한다. 이러한 용매의 빠른 증발속도는 촉매성분이 담체에 고르게 분포되도록 하는 데에 일조를 한다. 전술한 바와 같이 용매가 마이크로파를 흡수하여 빠른 속도로 증발하게 되면 담체 표면 및 기공내의 촉매성분은 원래의 균일한 담지상태를 그대로 유지하게 되고, 이는 결과적으로 용매의 증발속도가 상대적으로 느려 담체내에서 촉매성분의 이동이 일어나는 종래의 가열방법에 비해 촉매의 분산도가 향상되는 효과를 가져온다.From the moment the catalyst is exposed to microwaves, the solvent in the carrier begins to evaporate at a rapid rate by direct heating or in some cases by indirect heating by the invention of the carrier and catalyst components. The rapid evaporation rate of these solvents helps to distribute the catalyst components evenly on the carrier. As described above, when the solvent absorbs microwaves and evaporates at a high speed, the catalyst components on the surface of the carrier and the pores remain in their original uniform supporting state. As a result, the solvent evaporation rate is relatively slow, and thus the solvent is evaporated in the carrier. Compared with the conventional heating method in which the movement of the catalyst component occurs, the dispersion degree of the catalyst is improved.

이와 같은 마이크로파에 의한 에너지 공급과 병행하여 용매의 증발속도 증대나 소요 열에너지의 절감을 위하여 건조분위기 압력을 진공으로 유지하여도 좋다. 그러나 건조단계에서 마이크로파에 의해 촉매의 분산도가 향상되는 보다 근본적인 원인은 물질전달을 향상시키는 마이크로파의 특성 때문이다. 뒤에서 논의되겠지만 용매가 제거된 후의 소성단계에서도 마이크로파에 의해 분산도가 향상된다는 사실을 이를 잘 뒷받침 해준다.In parallel with the supply of energy by microwaves, the drying atmosphere pressure may be maintained in a vacuum in order to increase the evaporation rate of the solvent or to reduce the required thermal energy. However, a more fundamental reason for the improved dispersion of the catalyst by microwaves in the drying step is due to the nature of the microwaves to improve mass transfer. As will be discussed later, it is well supported by the fact that the degree of dispersion is enhanced by microwaves in the firing step after the solvent is removed.

건조단계에서 촉매의 분산도 향상은 용매가 마이크로파에 가열이 될 경우 담체와 촉매전구체의 가열 여부에 관계없이 이루어진다. 실시예 3 및 4에서 볼 수 있듯이 용매가 마이크로파에 가열이 잘 되는 물일 경우 담체와 촉매전구체가 모두 가열이 되지 않더라도 분산도가 향상된다.In the drying step, the degree of dispersion of the catalyst is improved regardless of whether the carrier and the catalyst precursor are heated when the solvent is heated to the microwave. As can be seen in Examples 3 and 4, when the solvent is water that is well heated in the microwave, the dispersibility is improved even if both the carrier and the catalyst precursor are not heated.

촉매전구체가 고체상태에서는 마이크로파에 가열되지 않더라도 극성용매에 용해되어서 이온화되거나 분자가 분극화될 때에는 마이크로파를 흡수하여 부분적으로 가열되기 시작한다. 따라서 건조 초기에는 실질적으로 용매와 촉매전구체가 가열이 되며 이것이 고체상태의 촉매전구체가 마이크로파에 가열되지 않더라도 촉매의 분산도가 향상되는 요인이 된다. 건조단계에서 마이크로파를 이용하여 촉매의 분산도를 향상시키는 본 발명은 이와 같이 담체와 촉매전구체의 가열 여부에 제한적이지 않으므로 함침법에 의해 제조되는 대부분의 촉매에 적용될 수 있다.Even if the catalyst precursor is not heated in the microwave in the solid state, it is dissolved in the polar solvent and ionized or when the molecules are polarized, it absorbs the microwave and starts to heat partially. Therefore, the solvent and the catalyst precursor are substantially heated at the beginning of drying, which is a factor in improving the dispersion of the catalyst even if the catalyst precursor in the solid state is not heated in the microwave. The present invention which improves the degree of dispersion of the catalyst by using microwave in the drying step is not limited to whether the carrier and the catalyst precursor are heated, and thus can be applied to most catalysts prepared by the impregnation method.

이와는 별도로 마이크로파는 소성과정에서도 독립적인 효과를 나타낸다. 건조 다음의 촉매제조 단계인 소성은 알려진 바와 같이 촉매전구체를 분해시켜 촉매성분의 결정을 형성시키는 단계이다. 금속산화물 촉매의 제조시에는 이 단계에서 산소가 필요하지만 금속 촉매의 제조시에는 전구체에 따라서는 환원분위기를 유지해야 한다.Apart from this, microwaves also have independent effects in the firing process. Firing, which is the catalyst preparation step following drying, is a step in which the catalyst precursor is decomposed to form crystals of the catalyst component as is known. Oxygen is required at this stage in the preparation of the metal oxide catalyst, but in the production of the metal catalyst, depending on the precursor, the reducing atmosphere must be maintained.

촉매의 분산도는 건조단계에서 충분히 향상되지만 소성단계에서는 더욱 크게 향상된다. 따라서 종래의 가열 장치에서 촉매를 건조하고 소성단계에서만 마이크로파 가열장치를 사용하여 소성 하더라도 분산도는 크게 향상된다. 소성단계에서 분산도의 향상은 용매와 관계없이 담체와 촉매성분 사이에 마이크로파 효과에 의해 이루어진다.The degree of dispersion of the catalyst is sufficiently improved in the drying step, but much more in the firing step. Therefore, even if the catalyst is dried in the conventional heating apparatus and fired using the microwave heating apparatus only in the firing step, the dispersion degree is greatly improved. The improvement of the dispersion degree in the calcination step is achieved by the microwave effect between the carrier and the catalyst component regardless of the solvent.

실시예 1은 이러한 마이크로파 효과를 구체적으로 확인할 수 있는 좋은 예가 된다. 실시예 1은 활성탄에 2%의 Co3O4가 함침된 촉매를 종래의 가열장치에서 건조한 다음 이를 종래 및 마이크로파 가열장치에서 각각 소성을 하여 두 가열장치를 통해 소성된 촉매의 분산도 차이를 비교해 보기 위한 것이다.Example 1 is a good example that can specifically confirm this microwave effect. Example 1 compares the difference in dispersion of catalysts calcined through the two heaters by drying the catalyst impregnated with 2% Co 3 O 4 in activated carbon in a conventional heating apparatus and then firing the catalyst in the conventional and microwave heating apparatus. It is to see.

제조된 Co3O4/활성탄 촉매를 전자현미경으로 분석해 본 결과 마이크로파 가열장치에서 소성된 촉매성분의 결정크기는 nm(nanometer)범위인 반면 종래의 가열장치에서 소성된 촉매성분의 경우에는 ㎛(micrometer)범위로 나타나 마이크로파 가열장치에서 소성된 촉매의 분산도가 1000배 이상 높은 것으로 드러났다.As a result of analyzing the prepared Co 3 O 4 / activated carbon catalyst by electron microscopy, the crystal size of the catalyst component fired in the microwave heating device was in the range of nm (nanometer), whereas the catalyst component fired in the conventional heating device was micrometer (micrometer). ), The degree of dispersion of the calcined catalyst in the microwave heater was found to be 1000 times higher.

여러 소성시간과 소성온도에서 제조된 촉매를 벤젠의 산화반응에 적응시킨 결과 종래의 가열장치에서 소성된 촉매를 모두 촉매로서의 활성이 거의 나타나지 않았으나 마이크로파 가열장치에서 소성된 촉매는 매우 높은 활성을 나타냈다.As a result of adapting the catalysts prepared at various firing times and firing temperatures to the oxidation reaction of benzene, the catalysts fired in the conventional heating apparatus showed little activity as catalysts, but the catalysts fired in the microwave heater showed very high activity.

이러한 담체 표면 및 기공벽면에 증착되어 있는 촉매성분 입자의 담체 표면 및 기공벽면 방향으로의 분산은 교체내부에서의 물질전달과 동일한 기구에 의해 이루어지고 있는지는 확인할 수 없으나 분산계수를 비교해 본다면 담체 표면 및 기공벽면 방향으로의 분산계수가 고체 내부에서의 분산계수보다 비교가 되지 않을 정도로 클 것으로 예측되었다.The dispersion of the catalyst particles deposited on the carrier surface and the pore wall surface in the carrier surface and the pore wall surface direction cannot be confirmed by the same mechanism as the material transfer in the replacement. It was predicted that the dispersion coefficient in the wall direction was so large that it could not be compared with the dispersion coefficient inside the solid.

이로부터 마이크로파는 다른 어느 분야보다도 본 발명의 촉매제조 분야에 유용하게 이용될 수 있음을 알 수 있다. 이와 같은 마이크로파에 의한 효과를 손상시키지 않는 범위내에서 소요 마이크로파 에너지의 절감을 위하여 고온의 공기나 불활성 가스를 이용하여 필요한 영에너지를 보충하여도 좋다.From this it can be seen that the microwave can be used more useful in the field of catalyst production of the present invention than any other field. In order to reduce the required microwave energy within a range that does not impair the effects of such microwaves, the required zero energy may be supplemented by using hot air or an inert gas.

본 발명에서 소성은 담체 또는 촉매전구체중 어느 한쪽이 마이크로파에 가열이 되면 가능하나 일반적으로 함침법에 사용되는 Cℓ, NO3, NH4로 이루어진 촉매전구체들이 대부분 마이크로파에 가열이 잘 되지 않기 때문에 사실상 담체가 가열이 되어야 가능하다.In the present invention, calcination is possible when either of the carrier or the catalyst precursor is heated to the microwave, but since the catalyst precursors composed of C 1, NO 3 , and NH 4 , which are generally used in the impregnation method, are hardly heated to the microwave, the carrier is actually a carrier. Is possible only after heating.

담체가 가열이 되지 않을 경우에는 소성은 종래의 가열장치에서 이루어져야하며 이때 분산도는 건조단계만을 거쳐 향상된다. 일반적으로 사용되고 있는 담체 중 활성탄은 마이크로파에 가열이 잘 되는 반면 초고순도상태의 실리카, 알루미나, 제올라이트 등은 상온에서 가열이 잘 되지 않는다. 그러나 이러한 물질들은 고순도급이 아니면 대부분 미량의 불순물을 포함하고 있어 마이크로파에 가열이 잘되고, 필요한 경우 마이크로파의 흡수율이 높은 물질과 섞어 담체를 제조하면 마이크로파 가열효율을 높일 수도 있다. 분산도 향상 측면에서도 마이크로파가 결정성장의 활성화 에너지를 낮추어 촉매성분의 결정성장 속도를 증가시키므로 촉매전구체가 가열되지 않는 것이 오히려 더 유리하다. 실시예 1에 나타나 있듯이 전구체가 가열이 되지 않더라도 담체가 마이크로파에 가열이 되면 소성단계에서 분산도의 향상이 가능하다.If the carrier is not heated, the firing should be carried out in a conventional heating apparatus, and the dispersion degree is improved only through the drying step. In general, activated carbon in the carrier is well heated in microwave, while silica, alumina, zeolite, etc. of ultra high purity are not heated well at room temperature. However, these materials contain a small amount of impurities, unless they are of high purity, and the microwaves are well heated, and if necessary, the microwave heating efficiency can be improved by mixing the carrier with a material having high microwave absorption rate. In terms of improving the dispersion degree, it is more advantageous that the catalyst precursor is not heated because microwave lowers the activation energy of the crystal growth to increase the crystal growth rate of the catalyst component. As shown in Example 1, even if the precursor is not heated, if the carrier is heated in the microwave, it is possible to improve the dispersion degree in the firing step.

마이크로파는 소성단계에서 분산도를 향상시키는 것 외에 실시예 1에 나타나 있듯이 소성속도를 증가시키는 효과도 있다. 소성속도의 증가는 부분적으로 분산도의 향상과 관련 있는 것으로 보여줬다.In addition to improving the dispersion degree in the firing step, the microwave has the effect of increasing the firing rate as shown in Example 1. The increase in firing rate was shown to be partly related to the improvement in dispersion.

분산도가 클 경우 기체-고체반응의 반응계면적 증가 및 결정크기의 감소로 소성속도가 빨라질 것이기 때문이다. 이러한 소성속도의 증가로 본 발명의 촉매제조방법은 종래의 방법에 비해 에너지 비용이 더 작게 들며 열에 노출되는 시간이 짧아지기 때문에 고결현상에 의해 촉매가 비활성화될 위험성이 훨씬 줄어든다. 또한 제조시간이 단축되므로 촉매제조 속도가 높다.If the degree of dispersion is large, the firing rate will be increased by increasing the reaction area of the gas-solid reaction and decreasing the crystal size. Due to the increased firing rate, the catalyst production method of the present invention has a lower energy cost than the conventional method and shortens the time of exposure to heat, thereby greatly reducing the risk of deactivation of the catalyst due to solidification. In addition, the production time is shortened, the catalyst production rate is high.

이와 같은 장점을 지니는 본 발명은 함침법에 의해 불균일 촉매를 제조하는데에 쉽게 이용될 수 있는데 일반적으로 사용되는 회분식 건조과정이나 소성과정 각각에 독립적으로 이용할 수 있어 종래의 함침법을 수월하게 개선시킬 수 있다.The present invention having such an advantage can be easily used to prepare a heterogeneous catalyst by the impregnation method, which can be used independently of each of the commonly used batch drying process or the calcination process, so that the conventional impregnation method can be easily improved. have.

또한 건조 및 소성속도가 종래의 방법에 비해 매우 크기 때문에 회분식 제조방법 대신 함침법을 이용 연속적으로 촉매를 제조하는 경우에도 본 발명을 쉽게 응용할 수 있다. 도표2는 본 발명을 응용한 이러한 연속촉매제조장치의 대표적인 예가 될 것이다.In addition, since the drying and firing rate is much higher than the conventional method, the present invention can be easily applied even when the catalyst is continuously produced using the impregnation method instead of the batch production method. Table 2 will be a representative example of such a continuous catalyst production apparatus to which the present invention is applied.

도표 2의 장치는 함침법은 함침, 건조 및 소성단계를 일괄적으로 처리할 수 있는 장치이다. 금속 촉매 제도의 경우 소성이후 환원단계가 있으나 본 발명에서는 분산도 향상과 관련 있는 소성단계까지만을 다룬다.The impregnation method in Table 2 is a device that can collectively process the impregnation, drying and firing steps. In the case of the metal catalyst system, there is a reduction step after firing, but the present invention deals only with the firing step related to the dispersion degree improvement.

도표 2의 장치에서 촉매성분의 함침은 분무법에 의해 하도록 되어 있다. 그러나 다른 방법을 사용하여 함침을 하고 본 장치의 컨베이어(9)에 촉매를 도입하여도 좋다. 호퍼(7)에 저장된 담체가 스프레이더(8)를 거쳐 컨베이어(9)에 공급되면 촉매 전구체용액이 분무노즐(10)을 통해 함침이 시작된다.In the apparatus of Table 2 the impregnation of the catalyst components is by spraying. However, other methods may be used to impregnate and introduce a catalyst into the conveyor 9 of the apparatus. When the carrier stored in the hopper 7 is supplied to the conveyor 9 via the sprayer 8, the catalyst precursor solution is impregnated through the spray nozzle 10.

이때 함침시간은 함침부(6)의 길이, 분무노즐(10)의 개수 및 컨베이어(9)의 이동속도를 적절히 조정함으로써 결정될 수 있다. 스프레이더(8)는 호퍼(7)에서 들어온 담체용 입자가 일정한 두께로 컨베이어(9)로 공급되도록 전동에 의해 담체를 넓게 펼치는 가능을 한다.In this case, the impregnation time may be determined by appropriately adjusting the length of the impregnation part 6, the number of spray nozzles 10, and the moving speed of the conveyor 9. The sprayer 8 makes it possible to widen the carrier by electromotive force such that the carrier particles from the hopper 7 are supplied to the conveyor 9 at a constant thickness.

컨베이어(9)는 금속 또는 마이크로파의 누설을 방지할 수 있는 재질의 다공판이나 망이나 구성된 벨트(11)형으로써 분무된 전구체용액의 여액이 벨트 사이의 회수조(12)를 거쳐 저장조(13)로 흘러내려 회수될 수 있도록 되어 있다. 저장조(13)에 모인 전구체용액의 여액은 농도가 조절된 후 재사용 되어진다.Conveyor (9) is a porous plate or net of a material capable of preventing the leakage of metal or microwaves, or the filtrate of the precursor solution sprayed as a belt (11) consisting of the storage tank 13 through the recovery tank 12 between the belts It is intended to be flown down and recovered. The filtrate of the precursor solution collected in the reservoir 13 is reused after the concentration is adjusted.

함침이 끝난 촉매는 건조 소성부(14)로 이동되어 마이크로파에 의해 건조와 소성이 시작된다. 건조, 소성부(14)의 좌우에는 마이크로파가 다른 곳으로 전파되는 것을 방지하기 위해 금속 차단벽(15),(16)이 각각 설치되어 있다. 이중 우측 차단벽(15)은 함침부와 건조, 소성부를 분리시키는 역할을 한다. 마이크로파 발생기(17)에서 발생된 마이크로파는 도파관(18)을 통해 건조, 소성부(14)에 공급된다. 이때 마이크로파는 건조,소성부(14)의 측면 또는 상부의 어느 위치에서 공급하여도 된다. 또한 마이크로파는 2450MHz, 915MHz중 어느 주파수를 사용해도 상관없다. 한편 소성온도의 조절은 광학온도 측정계(20),(21)와 마이크로파 발생기(17)에 있는 온도조절기에 의해 이루어진다.The impregnated catalyst is moved to the dry firing unit 14, and drying and firing are started by microwaves. Metal barrier walls 15 and 16 are provided on the left and right sides of the drying and firing sections 14 to prevent microwaves from propagating to other places. The double right barrier wall 15 serves to separate the impregnation part, the drying part and the firing part. The microwaves generated by the microwave generator 17 are dried and supplied to the baking unit 14 through the waveguide 18. At this time, the microwave may be supplied at any position on the side or top of the drying, firing unit (14). Microwaves can use either 2450MHz or 915MHz. On the other hand, the control of the firing temperature is made by the temperature controller in the optical temperature measuring system 20, 21 and the microwave generator 17.

금속산화물의 생성시에 필요한 공기 또는 불활성 가스는 기체유입구(22)를 통해 들어오고, 여분의 공기는 건조단계에서 수증기 및 소성반응의 부생가스와 함께 출구(23)를 통해 나간다. 소성이 끝난 촉매는 건조, 소성부(14)에서 나와 제품 호퍼(24)을 들어간다. 마지막으로 건조, 소성부(14)에서 가열된 컨베이어벨트는 냉각노즐(25)에서 분무되어 나오는 냉각수에 의해 냉각된 다음 함침부(6)로 다시 들어간다.The air or inert gas necessary for the production of the metal oxide enters through the gas inlet 22, and the excess air exits through the outlet 23 together with the by-product gas of the steam and calcining reaction in the drying step. The calcined catalyst is dried and exited from the calcined portion 14 to enter the product hopper 24. Finally, the conveyor belt heated in the drying and firing unit 14 is cooled by the cooling water sprayed from the cooling nozzle 25 and then enters the impregnation unit 6 again.

본 발명의 이와 같은 고분산도의 불균일계 촉매 제조방법은 건조 그리고/또는 소성단계에 사용되는 에너지원에 의해 분산도가 향상되므로 함침법을 이용하여 효율적으로 저렴한 비용으로 촉매를 제조할 수 있는 특징이 있다.Such a highly disperse heterogeneous catalyst production method of the present invention is characterized in that the dispersibility is improved by the energy source used in the drying and / or firing step so that the catalyst can be efficiently produced at low cost using the impregnation method. have.

그리하여, 제조과정이 복잡하고 폐기물 배출이 많으며, 조업조건이 까다롭고 제조비용이 비싼 침전법이나 이온교환법, 기타 특수한 방법들을 이용하지 않고서도 본 발명에 의해 고분산도의 촉매를 제조할 수 있다. 또한, 함침법의 장점을 최대한 활용할 수 있어 한가지 이상의 성분을 촉매성분으로 갖는 불균일계 촉매를 쉽게 제조할 수 있게 한다. 촉매성분 그리고 본 발명에 따르면 촉매의 분산도는 기공의 크기, 구조 및 흡착력등 담체의 물성과담지량에 관계없이 향상된다.Thus, the catalyst of high dispersion can be produced by the present invention without using the precipitation method, the ion exchange method, or other special methods, which are complicated in manufacturing process, have a large amount of waste discharge, are difficult to operate, and are expensive to manufacture. In addition, the advantages of the impregnation method can be utilized to the maximum, it is possible to easily prepare a heterogeneous catalyst having one or more components as a catalyst component. The catalyst component and the dispersion of the catalyst according to the present invention are improved regardless of the physical properties and the loading of the carrier such as pore size, structure and adsorption capacity.

따라서, 본 촉매 제조방법은 흡착력이 매우 큰 담체에 저농도의 전구체용액을 함침시켜 저담지량 촉매를 제조할 경우에 매우 효과적으로 적용되며, 특히 표면적이 큰 활성탄 실리카, 알루미나, 제올라이트에 백금족 귀금속을 포함한 일반금속 및 금속 산화물을 미량 담지시켜 저담지량 촉매를 제조할 경우에 매우 효과적이다. 또한 분산도는 건조 및 소성의 두 단계에서 독립적 또는 복합적으로 이루어지며 담체와 촉매성분이 모두 마이크로파에 가열되지 않더라도 건조단계를 거쳐 분산도를 향상시킬 수 있으므로 함침법에 의해 제조되는 대부분의 촉매에 적용될 수 있다.Therefore, the present catalyst production method is very effective in the case of preparing a low loading catalyst by impregnating a low concentration of precursor solution in a carrier having a very high adsorptive power, and in particular, a general metal containing platinum group precious metal in activated carbon silica, alumina, and zeolite having a large surface area. And it is very effective when preparing a low supported catalyst by carrying a small amount of metal oxide. In addition, the degree of dispersion is independent or complex in two stages of drying and firing, and even if both the carrier and the catalyst component are not heated in the microwave, the degree of dispersion can be improved through the drying step, so that it is applicable to most catalysts prepared by the impregnation method. Can be.

또한 마이크로파 효과에 의해 소성속도가 증가되므로 종래의 가열방식에 비해 낮은 온도에서 소성을 할 수 있으며, 이에 따라 소결현상 등에 의해 제조과정에서 촉매가 비활성화될 위험성이 크게 줄어든다. 소성시간의 단축과 함께 극성용매에 대한 마이크로파의 고속가열 특성으로 인해 건조시간이 크게 단축되므로 전체 공정시간이 크게 줄어들어 경제적이다.In addition, since the firing rate is increased by the microwave effect, the firing can be performed at a lower temperature than the conventional heating method, and thus the risk of deactivation of the catalyst in the manufacturing process by the sintering phenomenon is greatly reduced. Due to the shortening of the firing time, the drying time is greatly shortened due to the microwave's high-speed heating characteristics of the polar solvent, so the overall process time is greatly reduced and economical.

이에 따라 본 발명의 장치에서와 같이 일괄공정화 및 연속공정화가 가능하다. 본 발명은 또한 촉매성분의 수에 관계없이 분산도를 향상시킬수 있으므로 금속 및 금속산화물의 다성분계 촉매의 제조에 있어서 다른 방법에 비해 매우 효과적이다.This enables batch processing and continuous processing as in the apparatus of the present invention. The present invention is also very effective compared to other methods for the production of multicomponent catalysts of metals and metal oxides, since the degree of dispersion can be improved regardless of the number of catalyst components.

이와 같이 마이크로파에 의한 효과를 손상시키지 않는 범위에서 소요 마이크로파 에너지의 절감을 위하여 고온의 공기나 불활성 가스를 이용하여 필요한 열에너지를 보충하여도 되기 때문에 본 발명은 경제적으로 또 다양하게 응용될 수 있다.As described above, the present invention may be economically and variously applied because it is possible to supplement necessary thermal energy by using hot air or an inert gas in order to reduce the required microwave energy in a range that does not impair the effect of microwaves.

[실시예 1]Example 1

활성탄에 Co3O4가 담지된 촉매를 제조하기 위해 Co(NO3)2·6H2O 8.84g을 증류수 775g에 넣어 전구체 용액을 만들어 회전증발기에 넣고 이에 표 1의 물성을 갖는 45/60 mesh 크기의 활성탄 190g을 서서히 가하면서 1시간동안To prepare a catalyst loaded with Co 3 O 4 on activated carbon, 8.84 g of Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O was added to 775 g of distilled water to prepare a precursor solution, which was then placed in a rotary evaporator. Slowly add 190 g of activated carbon of size

상온에서 전구체용액을 활성탄에 함침시켰다. 자외선 흡광도 분석기로 함침량을 조사한 결과 촉매성분이 Co3O4기준으로 1.84 중량% 함침되었음이 확인되었다. 이를 종래의 공기 순환건조기에서 110℃로 2시간동안 건조한 후 종래의 머플(muffle)전기로와 도표 2의 마이크로파 가열장치를 사용하여 각각 촉매를 소성하고 분산도를 비교하였다.At room temperature, the precursor solution was impregnated into activated carbon. As a result of examining the impregnation amount with an ultraviolet absorbance analyzer, it was confirmed that the catalyst component was impregnated with 1.84 wt% based on Co 3 O 4 . After drying for 2 hours at 110 ° C in a conventional air circulation dryer, the catalyst was calcined using a conventional muffle furnace and the microwave heating apparatus shown in Table 2, and the dispersion degree was compared.

이때 머플전기로에서는 온도를 원하는 소성온도까지 미리 올린 다음 촉매를 100ml 비이커에 2mm 두께로 넣어 소성하였고, 마이크로파 가열장치에서는 역시 같은 크기의 비이커에 촉매를 2mm 두께로 담고 도표 3에 나타난 한예와 같이 상온에서부터 승온하면서 온도를 조절하며 소성하였다. 사전실험을 통해 활성탄은 마이크로파에 가열이 매우 잘 되는 반면 Co(NO3)2·6H2O 는 가열이 잘 되지 않는 것으로 확인되었다.In the muffle furnace, the temperature was raised to the desired firing temperature in advance, and the catalyst was baked in a 100 ml beaker with a thickness of 2 mm. In a microwave heating apparatus, the catalyst was also placed in a beaker of the same size with a thickness of 2 mm. It baked while adjusting temperature while raising temperature. Preliminary experiments showed that activated carbon was very well heated in microwave, while Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O was not well heated.

촉매제조에 사용된 활성탄의 물성Properties of Activated Carbon Used in Catalyst Preparation

촉매의 분산도 비교는 벤젠에 대한 산화반응 활성도 비교와 주사전자현미경(SEM)분석을 통해 하였다. 벤젠의 산화반응은 소성된 촉매에 일정량의 벤젠을 흡착시킨 다음 이를 마이크로-펄스(micro-pulse)반응장치에 0.1000g 넣은 후 산소를 2ml씩 펄스로 공급하면서 진행하였다.The dispersion of the catalysts was compared by comparing the oxidation activity of benzene and scanning electron microscope (SEM) analysis. The oxidation reaction of benzene was carried out while adsorbing a certain amount of benzene on the calcined catalyst, and then placing it in a micro-pulse reaction apparatus, 0.1000 g, and supplying oxygen in pulses of 2 ml.

마이크로-펄스 반응장치는 6기통밸브, 반응기, 기체크로마토그라피 분석기로 구성되어 있는 장치인데 6기통벨브는 타이머가 부착되어 있는 전기 구동형으로써 2ml씩 산소를 20분간 간격으로 공급할 수 있도록 되어 있으며 반응기는 내구경 1/4인치의 관으로 제작되었다. 기체크로마토그라피 분석기는 반응생성물과 미반응산소의 양을 측정하기 위한 것으로 산소가 공급될 때 마다의 산화반응전환율을 계산하기 위해 설치되었다.The micro-pulse reactor consists of a six-cylinder valve, a reactor, and a gas chromatograph analyzer. The six-cylinder valve is an electrically driven type with a timer that can supply oxygen every 20 minutes at 2 ml intervals. It is made of 1/4 inch inner diameter pipe. Gas chromatographic analyzers are used to measure the amounts of reaction products and unreacted oxygen, and were set up to calculate the oxidation conversion rate for each oxygen supply.

제4도는 CoO가 담지되지 않은 활성탄, 종래의 머플전기로에서 250, 300, 350, 400℃온도로 각각 10분간 소성한 촉매, 그리고 마이크로파 가열장치에서 제 3도의 온도경로로 10분간 소성한 촉매에 벤젠을 각각 흡착시키고 반응온도 260℃에서 산화반응을 시킨 결과를 산소 공급횟수에 따른 반응전환율로 나타낸 것이다. 촉매성분이 담지되지 않은 활성탄과 비교해 볼 때 머플전기로에서 소성된 촉매는 모두 활성이 거의 없음을 볼 수 있다.FIG. 4 shows benzene in activated carbon without CoO, a catalyst fired at 250, 300, 350, and 400 ° C. for 10 minutes in a conventional muffle furnace, and a catalyst fired for 10 minutes at a temperature path in FIG. 3 in a microwave heating apparatus. The adsorption of each and oxidation reaction at the reaction temperature of 260 ℃ is shown as the reaction conversion rate according to the number of oxygen supply. Compared with the activated carbon that does not support the catalyst component, it can be seen that all of the catalysts calcined in the muffle furnace have little activity.

반면 마이크로파 가열장치에서 소성된 촉매는 10분간의 소성을 통해서도 활성이 매우큼을 알 수 있었다. 제 5도는 300℃의 머플전기로에서 각각 10분, 2시간, 10시간 동안 소성한 수 소성시간의 영향을 조사한 실험결과이다. 종래의 가열장치에서 소성된 촉매는 소성시간과 관계없이 활성이 거의 없는 것으로 나타나고 있다.On the other hand, the catalyst calcined in the microwave heating device was found to have a very high activity even after firing for 10 minutes. 5 is an experimental result of investigating the effect of calcining time calcined for 10 minutes, 2 hours, and 10 hours in a muffle furnace at 300 ° C, respectively. It has been shown that the catalyst fired in the conventional heating apparatus has little activity regardless of the firing time.

이러한 결과로부터 종래의 가열장치에서 소성된 촉매는 담지상태에 문제가 있다는 것을 알 수 있었으며 SEM 분석을 통해서도 이를 확인 할 수 있었다. SEM 분석결과 머플전기로에서 소성된 촉매는 마이크론(㎛)크기의 큰 입자로 뭉쳐져 담지된 반면 마이크로파 가열장치에서 소성된 촉매는 나노미터(㎚)크기의 입자로 담지 되었음을 알 수 있었다.From these results, it can be seen that the catalyst calcined in the conventional heating apparatus has a problem in the supported state, and it can be confirmed through SEM analysis. SEM analysis showed that the calcined catalyst in the muffle furnace was packed with large particles of micron size (μm), while the calcined catalyst in the microwave heating device was loaded with nanometer (nm) size particles.

한편 종래의 가열방식의 마이크로파 가열방식의 소성속도의 차이를 비교하기 위해 CoO기준으로 전구체를 5.2 중량% 함침시키고 두 가열장치를 사용하여 시간을 변화시키면서 300℃에서 소성을 하였다. 그리고 전구체에 들어있는 NO또는 N의 존재 유무로써 소성의 완결여부를 판가름하기 이해 두 촉매에 대해 FTIR 및 XPS 분석을 하였다. 분석결과 머플전기로에서 각각 10, 30, 60분 소성된 촉매는 모두 전구체가 나타났으나 마이크로파 가열장치에서 20분 동안 소성된 촉매는 전구체가 나타나지 않았다. 이러한 결과로부터 마이크로파 가열장치에서의 소성속도가 3배 이상 빠름을 알 수 있었으며 촉매의 소성단계에서 마이크로파 효과가 있음을 확인하였다.On the other hand, in order to compare the firing rate of the conventional heating method of microwave heating method, the precursor was impregnated with 5.2 wt% based on CoO and fired at 300 ° C. while changing the time using two heating apparatuses. In addition, FTIR and XPS analyzes were performed on the two catalysts to determine whether the firing was completed by the presence or absence of NO or N in the precursor. As a result of the analysis, precursors of all catalysts calcined for 10, 30, and 60 minutes in the muffle furnace were found to be precursors, but catalysts calcined for 20 minutes in the microwave heater did not appear. From these results, it can be seen that the firing speed in the microwave heating apparatus is three times faster, and the microwave effect is found in the firing step of the catalyst.

[실시예 2]Example 2

실시예 1과 같은 방법으로 2%의 MoO/활성탄의 촉매를 제조하기 위해 전구체용액을 활성탄에 함침시킨 후 종래의 가열장치에서 110℃온도로 2시간동안 건조시켰다. 이들 촉매의 제조에 사용된 전구체인 (NH)MoO·4HO는 마이크로파에 가열이 잘 되지 않았다.To prepare a catalyst of 2% MoO / activated carbon in the same manner as in Example 1, the precursor solution was impregnated with activated carbon and then dried at 110 ° C. for 2 hours in a conventional heating apparatus. The precursor (NH) MoO.4HO used in the preparation of these catalysts was not well heated in the microwave.

실시예 1에서와 마찬가지로 종래 및 마이크로파 가열장치를 사용하여 소성을 하고 벤젠에 대해 산화반응 활성도와 전자 현미경 분석을 통해 두 촉매의 분산도를 비교하였다. 분석결과 역시 종래의 가열장치에서 소성된 촉매는 큰 입자로 담지된 관계로 벤젠에 대한 산화반응 활성이 거의 나타나지 않은 반면 마이크로파 가열장치에서 소성된 촉매는 매우 우수한 활성을 보였다.As in Example 1, baking was carried out using a conventional and microwave heating apparatus, and oxidative reaction activity and benzene dispersity of benzene were compared for benzene. As a result of the analysis, the catalyst calcined in the conventional heating apparatus showed little oxidation reaction to benzene due to the large particle supported, whereas the catalyst calcined in the microwave heating apparatus showed very good activity.

[실시예 3]Example 3

실시예 1과 같은 방법으로 2%의 CrO/활성탄의 촉매를 각각 제조하기 위해 전구체용액을 활성탄에 함침시킨 후 종래의 가열장체에서 110℃ 온도로 2시간 동안 건조시켰다. 이들 촉매의 제조에 사용된 전구체인 (NH)CrO는 마이크로파에 가열이 되지 않았다.In order to prepare 2% CrO / activated carbon catalyst in the same manner as in Example 1, the precursor solution was impregnated with activated carbon and then dried at 110 ° C. for 2 hours in a conventional heating field. The precursor (NH) CrO used in the preparation of these catalysts was not heated to microwaves.

실시예 1에서와 마찬가지로 종래 및 마이크로파 가열장치를 사용하여 소성을 하고 벤젠에 대해 산화반응 활성도와 전자 현미경 분석을 통해 두 촉매의 분산도를 비교하였다. 분석결과 역시 종래의 가열장치에서 소성된 촉매는 큰 입자로 담지된 관계로 벤젠에 대한 산화반응 활성이 거의 나타나지 않은 반면 마이크로파 가열장치에서 소성된 촉매는 매우 우수한 활성을 보였다.As in Example 1, baking was carried out using a conventional and microwave heating apparatus, and oxidative reaction activity and benzene dispersity of benzene were compared for benzene. As a result of the analysis, the catalyst calcined in the conventional heating apparatus showed little oxidation reaction to benzene due to the large particle supported, whereas the catalyst calcined in the microwave heating apparatus showed very good activity.

[실시예 4]Example 4

실시예 1과 같은 방법으로 촉매성분이 각각 1%씩 총 2%인 CoO-MoO/활성탄, 이성분계 촉매를 제조하기 위해 전구체용액을 활성탄에 함침시킨 후 종래의 가열장치에서 110℃ 온도로 2시간 동안 건조시켰다.In the same manner as in Example 1, the precursor solution was impregnated with activated charcoal to prepare a CoO-MoO / activated carbon and a two-component catalyst having a total of 2% by 1% each of catalyst components, followed by 2 hours at 110 ° C. in a conventional heating apparatus. Dried over.

실시예 1에서와 마찬가지로 종래 및 마이크로파 가열장치를 사용하여 소성을 하고 벤젠에 대해 산화반응 활성도와 전자 현미경 분석을 통해 두 촉매의 분산도를 비교하였다. 분석 결과 역시 종래의 가열장치에서 소성된 촉매는 큰 입자로 담지된 관계로 벤젠에 대한 산화반응 활성이 거의 나타나지 않은 반면 마이크로파 가열장치에서 소성된 촉매는 매우 우수한 활성을 보였다. 마이크로파 가열장치에서 소성된 이성분계 촉매는 두 단일성분의 촉매와는 다른 반응특성을 나타냈는데 이로부터 두 촉매성분의 결정크기가 비슷한 수준으로 작아짐을 알 수 있다.As in Example 1, baking was carried out using a conventional and microwave heating apparatus, and oxidative reaction activity and benzene dispersity of benzene were compared for benzene. As a result of the analysis, the catalyst calcined in the conventional heating apparatus showed little oxidation reaction to benzene due to the large particle supported, whereas the catalyst calcined in the microwave heating apparatus showed very good activity. The two-component catalysts fired in the microwave heating apparatus showed different reaction characteristics from those of the two single-component catalysts, indicating that the crystal sizes of the two catalyst components were reduced to similar levels.

[실시예 5]Example 5

실시예 1과 같은 방법으로 촉매성분이 각각 1%씩 총 2%인 CoO-CrO/활성탄의 이성분계 촉매를 제조하기 위해 전구체용액을 활성탄에 함침시킨 후 종래의 가열장치에서 110℃ 온도로 2시간 동안 건조시켰다.In the same manner as in Example 1, to prepare a bicomponent catalyst of CoO-CrO / activated carbon having a total of 2% by 1% of the catalyst component, the precursor solution was impregnated with activated carbon and then heated at 110 ° C. in a conventional heating apparatus for 2 hours. Dried over.

실시예 1에서와 마찬가지로 종래 및 마이크로파 가열장치를 사용하여 소성을 하고 벤젠에 대해 산화반응 활성도와 전자 현미경 분석을 통해 두 촉매의 분산도를 비교하였다. 분석결과 역시 종래의 가열장치에서 소성된 촉매는 큰 입자로 담지된 관계로 벤젠에 대한 산화반응 활성이 거의 나타나지 않은 반면 마이크로파 가열장치에서 소성된 촉매는 매우 우수한 활성을 보였다.As in Example 1, baking was carried out using a conventional and microwave heating apparatus, and oxidative reaction activity and benzene dispersity of benzene were compared for benzene. As a result of the analysis, the catalyst calcined in the conventional heating apparatus showed little oxidation reaction to benzene due to the large particle supported, whereas the catalyst calcined in the microwave heating apparatus showed very good activity.

[실시예 6]Example 6

함침법의 건조단계에서 가열방식이 분산도에 미치는 영향을 보기 위해 0.5% Pd/γ-AlO촉매를 제조하였다. 함침은 표1과 같은 물성의 알루미나에 Pd(NO)수용액을 사용 초기함침법으로 하였다. 그리고 종래 및 마이크로파 가열장치를 사용하여 함침된 촉매를 각각 건조시키고 종래의 가열장치에서 두 촉매를 소성시켰다. 마이크로파 장치에서는 건조는 110℃에서 10분간 하였으며 종래의 가열장치에서는 110℃에서 1시간동안 하였다. 그리고 소성은 두 촉매 모두 440℃에서 2시간 동안 실시했다.A 0.5% Pd / γ-AlO catalyst was prepared to see the effect of heating on dispersion in the drying step of impregnation. Impregnation was performed by using Pd (NO) aqueous solution in alumina of physical properties as shown in Table 1. The impregnated catalysts were then dried using conventional and microwave heaters, and the two catalysts were calcined in conventional heaters. In the microwave apparatus, drying was performed at 110 ° C. for 10 minutes, and in the conventional heating apparatus, at 110 ° C. for 1 hour. Firing was carried out for 2 hours at 440 ° C. for both catalysts.

상용된 알루미나의 물성Properties of Commercial Alumina

분산도의 비교는 수소 화학흡착법으로 하였는데 수소 화학 흡착을 하기 전에 촉매는 70cc/min 유속의 수소를 흘리면서 400℃ 온도에서 2시간동안 환원시켰다. 수소 화합흡착 결과, Pd의 표면원지에 H원자가 한 개 흡착된다고 가정할 때 마이크로파 가열장치에서 건조된 촉매의 결정크기는 2nm으로 나타난 반면 종래의 가열장치에서 건조된 촉매는 7nm로 나타났다.Comparison of dispersion degree was performed by hydrogen chemisorption method. Before hydrogen chemisorption, the catalyst was reduced at 400 ° C. for 2 hours while flowing hydrogen at a flow rate of 70 cc / min. As a result of hydrogen compound adsorption, the crystal size of the catalyst dried in the microwave heater was 2 nm, assuming that one H atom was adsorbed on the surface source of Pd, while the catalyst dried in the conventional heater was 7 nm.

[실시예 7]Example 7

비표면적 300㎡/g, 기공부피 1.0cc/g, 충전밀도 4g/cc, 입자크기 40/80 mesh의 Davison 57 실리카 Ni(NO)용액을 함침시켜 4%의 NI/SiO촉매를 제조하였다. 실시예 6에서와 같이 종래 및 마이크로파 가열장치를 사용하여 촉매를 건조하고 수소흡착법으로 결정의 크기를 비교하였다. 건조는 마이크로파 가열장치에서는 10분간 100℃의 온도로, 종래의 가열장치에서는 1시간동안 100℃의 온도로 하였다. 소성은 두 촉매 모두 400℃에서 2시간동안 하였으며 환원은 360℃에서 2시간동안하였다. 수소화학 흡착 결과 마이크로파 가열장치에서 건조한 촉매의 결정크기는 5nm이었으나 종래의 가열장치에서 건조된 촉매는 14nm로 나타났다.A 4% NI / SiO catalyst was prepared by impregnating Davison 57 silica Ni (NO) solution with a specific surface area of 300 m 2 / g, pore volume of 1.0 cc / g, packing density of 4 g / cc, and particle size of 40/80 mesh. As in Example 6, the catalyst was dried using a conventional and microwave heating apparatus and the crystal sizes were compared by hydrogen adsorption. Drying was carried out at a temperature of 100 ° C. for 10 minutes in a microwave heating apparatus and at a temperature of 100 ° C. for 1 hour in a conventional heating apparatus. Firing was carried out for 2 hours at 400 ° C. for both catalysts and reduction at 360 ° C. for 2 hours. As a result of the hydrogen chemical adsorption, the crystal size of the dried catalyst in the microwave heater was 5 nm, but the dried catalyst in the conventional heater was 14 nm.

[실시예 8]Example 8

표 1의 활성탄에 HPtCl수용액을 함침시키고 건조화 소성을 종래 및 마이크로파 가열장치에서 수행하여 2%의 Pt/활성탄 촉매를 제조하였다. 종래의 가열장치에서는 110℃에서 1시간 동안 건조한 다음 280℃에서 2시간 동안 소성하였고, 마이크로파 가열장치에서는 10분 동안 110℃에서 건조한 후 280℃에서 10분 동안 소성하였다. 250℃에서 환원시킨 후 두 촉매의 결정크기를 전자현미경으로 분석한 결과 마이크로파 가열장치에서 건조 및 소성된 촉매의 결정은 3nm 이하이었으나 종래의 가열장치에서 건조, 소성된 촉매는 5nm이상이었다.The activated carbon of Table 1 was impregnated with an aqueous solution of HPtCl and drying firing was performed in a conventional and microwave heating apparatus to prepare a 2% Pt / activated carbon catalyst. In the conventional heating apparatus, the resultant was dried at 110 ° C. for 1 hour and then calcined at 280 ° C. for 2 hours, and in the microwave heating apparatus, dried at 110 ° C. for 10 minutes, and then calcined at 280 ° C. for 10 minutes. The crystal size of the two catalysts after reduction at 250 ° C. was analyzed by electron microscopy. As a result, the crystals of the catalyst dried and calcined in the microwave heating apparatus were 3 nm or less, but the catalyst dried and calcined in the conventional heating apparatus was 5 nm or more.

[실시예 9]Example 9

알루미나, 실리카, 제올라이트 등의 담체에 촉매성분이 Ag, Au, Fe, Ta, Sr, v, Zn, W, Mg, Mn, Ba, Al의 일성분 또는 다성분인 일련의 금속 및 금속산화물 촉매를 종래 및 마이크로파 가열장치를 사용하여 각각 제조하였다. 그리고 두 가열장치에서 제조된 촉매의 촉매성분의 상대적인 크기를 여기에 흡착되는 기체의 화학흡착량을 측정하여 알아보았다.To a carrier such as alumina, silica, or zeolite, a series of metal and metal oxide catalysts having one or more components of Ag, Au, Fe, Ta, Sr, v, Zn, W, Mg, Mn, Ba, Al Each was prepared using conventional and microwave heating apparatus. In addition, the relative sizes of the catalyst components of the catalysts prepared by the two heating apparatuses were measured by measuring the chemical adsorption amount of the gas adsorbed thereto.

기체 화학흡착량 측정결과를 마이크로파 가열장치에서 제조된 촉매의 흡착량을 x1, 종래 장치에서 제조된 촉매의 합착량을 x2라고 하였을 때 100(x1-x2)/x2, 즉 종래 촉매에 대한 본 발명 촉매의 기체 화합흡착량 증감율로서 나타내어 표 3에 실었는데, 표 3에서 본 발명에 의해 제조된 촉매는 모두 기체 화학흡착량이 크게 증가하고 있음을 볼 수 있다. 이러한 결과로부터 마이크로파 가열장치에서 제조된 촉매가 종래 장치에서 제조된 촉매보다 촉매성분의 결정 크기가 작음을 알 수 있었다.When the gas chemisorption amount measurement results indicate that the adsorption amount of the catalyst prepared in the microwave heating apparatus is x1 and the coalescence amount of the catalyst prepared in the conventional apparatus is x2, that is, 100 (x1-x2) / x2. It is shown in Table 3 as the gas chemical adsorption amount increase or decrease of the catalyst, it can be seen that the gas chemisorption amount of all the catalysts produced by the present invention in Table 3 is greatly increased. From these results, it can be seen that the catalyst prepared in the microwave heating apparatus has a smaller crystal size of the catalyst component than the catalyst prepared in the conventional apparatus.

[실시예 10]Example 10

CoO/활성탄 촉매를 연속 제조장치를 사용하여 제조하였다. 이때 담체인 활성탄은 1kg/1분 속도로, 농도 2%인 Co(NO)·6HO용액은 분무노즐(10)을 통해 4kg/1분 속도로 각각 함침부(6)에 공급하였고 공기 또는 불활가스는 공기유입구(22)를 통해 30℃ 기준 20l/1분 속도로 건조, 소성부(14)에 공급하였다. 이와 같이 분무법에 의해 촉매 전구체 용액을 담체에 함침시키고 촉매의 건조와 소성을 하나의 실(實)내에서 마이크로파 에너지를 이용 연속적으로 하였는데, 이때 건조와 소성이 이루어지는 건조,소성부(14)의 온도는 마이크로파의 출력을 조절함으로써 250℃가 유지되도록 했다.CoO / activated carbon catalysts were prepared using a continuous manufacturing apparatus. At this time, activated carbon as a carrier was supplied to the impregnation unit 6 at a rate of 1 kg / 1 minute, and a Co (NO) · 6HO solution having a concentration of 2% at a rate of 4 kg / 1 minute through the spray nozzle 10, and air or inert gas. The dry through the air inlet 22 at a rate of 20l / 1 min based on 30 ℃, was supplied to the firing unit (14). In this way, the catalyst precursor solution was impregnated into the carrier by the spraying method, and the drying and firing of the catalyst was continuously performed using microwave energy in one chamber. At this time, the temperature of the drying and baking part 14 where drying and firing was performed. Was maintained at 250 ° C. by adjusting the output of the microwaves.

또 촉매의 건조.소성부 체류시간, 즉 촉매가 건조.소성부(14)에 들어와 다시 나갈 때까지 머무르는 시간은 약 15분이 되도록 컨베이어 벨트(11)의 이동속도를 조절하였다. 이렇게 제조된 CoO/활성탄 촉매를 실시예 1에서와 같이 전자현미경 분석 및 벤젠에 대한 산화반응 활성도를 조사한 결과 제1도의 마이크로파 가열장치에서 제조된 촉매와 결정크기가 비슷하였으며, 종래 가열장치에서 제조된 촉매에 비해 분산도가 월등히 높은 것으로 나타났다.Moreover, the moving speed of the conveyor belt 11 was adjusted so that the residence time of the catalyst during drying and firing, i.e., the time until the catalyst entered the drying and firing 14 and exited again was about 15 minutes. The CoO / activated carbon catalyst thus prepared was analyzed by electron microscopy and oxidation activity for benzene as in Example 1, and the crystal size was similar to that of the catalyst prepared in the microwave heating apparatus of FIG. The dispersion was much higher than the catalyst.

기체 화학흡착량 측정결과Gas chemisorption measurement result

Claims (15)

함침법으로 금속 및 금속산화물 촉매성분을 포함하는 불균일 제조함에 있어서, 활성탄, 실리카, 알루미나, 제올라니트 중에서 택일한 담체에 제 Ⅱ족 a원소, 제Ⅳ족 a원소, 제Ⅰ족 b원소, 제Ⅱ족 b원소, 제Ⅲ족 b원소, 제ⅤⅧ족 b원소, 제Ⅵ족 b원소, 제Ⅶ족 b원소, 제Ⅷ족 b원소의 금속을 한가지 또는 두 가지 이상을 포함하는 촉매 전구체 용액을 함침시켜 이를 공진기(1)에 넣고 마이크로파 발생기(2)에서 발생된 마이크로파로 회분식으로 건조와 소성하여 제조됨을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 고분산도의 불균일 촉매의 제조방법.In the heterogeneous preparation containing the metal and the metal oxide catalyst component by the impregnation method, in a carrier selected from among activated carbon, silica, alumina and zeolanit, Group II a, Group IV a, Group I b, and Impregnating a catalyst precursor solution comprising one or more metals of Group II b, Group III b, Group VIII b, Group VI b, Group b b, and Group b b Method of producing a highly dispersed heterogeneous catalyst using a microwave, characterized in that by putting into the resonator (1) and produced by drying and firing batchwise with the microwave generated from the microwave generator (2). 제 1항에 있어서, 제Ⅱ족 a원소로서 Mg또는 Ca또는 Sr또는 Ba임을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 고분산도의 불균일촉매의 제조방법.The method for producing a highly dispersed heterogeneous catalyst using microwaves according to claim 1, wherein the Group II a element is Mg, Ca, Sr, or Ba. 제 1항에 있어서, 제Ⅳ족 a원소로서 Sn임을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 고분산도의 불균일 촉매의 제조방법.The method for producing a highly dispersed heterogeneous catalyst using microwaves according to claim 1, wherein Sn is used as a Group IV-a element. 제 1항에 있어서, 제Ⅰ족 b원소로서 Cu또는 Ag또는 Au임을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 고분산도의 불균일 촉매의 제조방법.The method for producing a highly dispersed heterogeneous catalyst using microwaves according to claim 1, wherein the Group b element is Cu, Ag, or Au. 제 1항에 있어서, 제Ⅱ족 b원소로서 Zn임을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 고분산도의 불균일 촉매의 제조방법.The method for producing a highly dispersed heterogeneous catalyst using microwaves according to claim 1, wherein Zn is a Group II b element. 제 1항에 있어서, 제Ⅲ족 b원소로서 La임을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 고분산도의 불균일 촉매의 제조방법.The method for producing a highly dispersed heterogeneous catalyst using microwaves according to claim 1, wherein La is a Group III-b element. 제 1항에 있어서, 제Ⅴ족 b원소로서 V또는 Ta임을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 고분산도의 불균일 촉매의 제조방법.2. The method for producing a highly dispersed heterogeneous catalyst using microwaves according to claim 1, wherein the group B element is V or Ta. 제 1항에 있어서, 제Ⅵ족 b원소로서 Cr또는 Mo또는 w임을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 고분산도의 불균일 촉매의 제조방법.The method of producing a highly dispersed heterogeneous catalyst using microwaves according to claim 1, wherein the Group b element is Cr, Mo, or w. 제 1항에 있어서, 제Ⅶ족 b원소로서 Mn임을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 고분산도의 불균일 촉매의 제조방법.The method for producing a highly disperse heterogeneous catalyst using microwaves according to claim 1, wherein Mn is a group b element. 제 1항에 있어서, 제Ⅷ족 b원소로서 Fe또는 Co또는 Ni또는 Pt또는 Pd임을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 고분산도의 불균일 촉매의 제조방법.The method for producing a highly dispersed heterogeneous catalyst using microwaves according to claim 1, wherein the element b is Fe, Co, Ni, or Pt or Pd. 제 1항에 있어서, 마이크로파 에너지 공급과 더불어 전자기장 내부에 고온의 공기나 불활성가스를 동시에 공급함으로써 마이크로파 에너지를 절약하는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 고분산도의 불균일 촉매의 제조방법.The method of manufacturing a highly dispersed heterogeneous catalyst using microwaves according to claim 1, wherein microwave energy is saved by simultaneously supplying hot air or an inert gas into the electromagnetic field together with the microwave energy supply. 제 1항에 있어서, 마이크로파 주파수가 915MHz 또는 2450MHz임을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 고분산도의 불균일 촉매의 제조방법.The method for preparing a highly dispersed heterogeneous catalyst using microwaves according to claim 1, wherein the microwave frequency is 915 MHz or 2450 MHz. 함침법으로 금속 산화물의 촉매성분을 포함하는 불균일 촉매를 제조하는 장치에 있어서, 담체에 촉매전구체 용액을 함침시킨후 이를 건조시킨 것을 공진(1)에 넣고 마이크로파 발생기(2)에서 발생된 마이크로파를 도파관(4)으로 통해 공진기(1)에 도입하여 촉매를 회분식으로 소성하든가, 마이크로파 발생기(17)에서 발생한 마이크로파 도파관(18)과 마이크로파 유입구(19)를 통해 건조.소성부(14)에 공급하는 한편 담체와 전구체 용액을 분무노즐(10)을 회전하는 엔들레스 콘베어벨트가 설치된 함침부(6)에 공급한 것이 회전벨트(11)에 의해 건조.소성부(14)로 이송하면서 건조.소성하여서 됨을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 교분산도의 불균일 촉매의 연속적 제조장치.In the apparatus for producing a heterogeneous catalyst containing a catalyst component of the metal oxide by the impregnation method, the catalyst precursor solution is impregnated into the carrier and then dried in the resonator (1) to guide the microwave wave generated in the microwave generator (2) (4) is introduced into the resonator (1), and the catalyst is fired batchwise, or is supplied to the dried and baked portion (14) through the microwave waveguide (18) and the microwave inlet (19) generated from the microwave generator (17). The carrier and precursor solution were supplied to the impregnation part 6 provided with the endless conveyor belt for rotating the spray nozzle 10 to be dried and fired while being transferred to the drying and baking part 14 by the rotating belt 11. Apparatus for continuous production of heterogeneous catalysts of cross-dispersity using microwaves. 제13항에 있어서, 마이크로파 발생기(17)에서 발생한 마이크로파를 도파관(18)과 마이크로파 유입구 (19)를 통해 건조.소성부에 공급하는 마이크로파와 고온의 공기나 불활성 가스를 기체유입구(22)를 통해 건조.소성부(14)에 공급하면서 촉매를 소성함을 특징으로하는 마이크로파를 이용한 고분산도의 불균일 촉매의 연속적 제조장치.The microwave and hot air or inert gas supplied to the drying / firing portion of the microwave generated by the microwave generator 17 through the waveguide 18 and the microwave inlet port 19 through the gas inlet 22. Apparatus for continuously producing a highly dispersed heterogeneous catalyst using microwaves, characterized in that the catalyst is calcined while being supplied to a drying and firing portion (14). 함침법으로 금속 및 금속산화물 촉매성분을 포함하는 불균일 촉매를 제조함에 있어서, 활성탄, 실리카, 알루미나, 제올라이트 중에서 택일한 담체에 제 Ⅱ족 a원소, 제 Ⅳ족 a원소, 제 Ⅰ족 b원소, 제 Ⅱ족 b원소, 제 Ⅲ족 b원소, 제 Ⅴ족 b원소, 제 Ⅵ족 b원소, 제 Ⅶ족 b원소, 제 Ⅷ족 b원소의 금속을 한가지 또는 두 가지 이상을 건조.소성부(14)와 함침부(6)를 선회하는 콘베이어벨트(11)에 담체를 연속적으로 공급하고 함침부(6)에서 이 담체에 전구체용액을 분무노즐(10)로 분무하여 함침시키며, 이를 건조.소성부(14)에서 마이크로파 발생기(17)에서 발생되어 도파관(18)과 마이크로파 유입구(19)를 통해 건조.소성부(14)로 유입된 마이크로파로 건조와 소성을 하여 제조됨을 특징으로하는 마이크로파를 이용한 고분산도의 불균일 촉매의 제조방법.In the production of heterogeneous catalysts containing metal and metal oxide catalyst components by impregnation, Group II a element, Group IV a element, Group I b element, and Group 1 are selected from the group consisting of activated carbon, silica, alumina and zeolite. Dry one or more metals of Group II b, Group III b, Group V b, Group VI b, Group b b, and Group b b. The carrier is continuously supplied to the conveyor belt 11 turning the impregnation part 6 and impregnated by impregnating the carrier with the spray nozzle 10 in the impregnation part 6 with the carrier solution. 14) is produced in the microwave generator 17 is produced by drying and firing with microwaves introduced through the waveguide 18 and the microwave inlet port 19 and introduced into the firing section 14, the high dispersion degree using microwaves Method for the preparation of heterogeneous catalysts.
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KR100732891B1 (en) * 2005-09-21 2007-06-27 인하대학교 산학협력단 A continuous microwave drier for catalysts
KR101593207B1 (en) * 2015-05-20 2016-02-15 한국생산기술연구원 High dispersion synthesis reaction method, preparing method of a highly dispersed supported catalyst using the same, and high dispersion synthesis reactor system

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WO2016186371A1 (en) * 2015-05-20 2016-11-24 한국생산기술연구원 High dispersion synthesis reaction method, method for preparing highly dispersed supported catalyst by using same, and high dispersion synthesis reaction apparatus

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