KR100297813B1 - 수소기체에대한고투과선택성을가지는팔라듐함유제올라이트복합무기막 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소기체에 대한 고투과선택성을 가지는 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막에 관한 것으로서, 다공성 튜브에 미세세공 제올라이트 분자체를 코팅한 후 팔라듐을 담지시켜 제조한 수소기체에 대한 고투과선택성을 가지는 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막과 이렇게 제조된 복합무기막을 수소기체가 생성되는 화학반응에 이용하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 수소기체에 대한 고투과선택성을 가지는 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막에 관한 것으로서, 다공성 튜브에 미세세공 제올라이트 분자체를 코팅한 후 팔라듐을 담지시켜 제조한 수소기체에 대한 고투과선택성을 가지는 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막과 이렇게 제조된 복합무기막을 수소기체가 생성되는 화학반응에 이용하는 방법에 관한 것이다.
화학산업의 최근의 동향은 한정된 화석연료 자원의 효율적인 활용과 함께 오 염물질의 배출을 최대로 억제할 수 있는 경제적이고 선택적인 화학공정 개발에 치중하고 있다. 그에 따라 높은 전환율과 선택적인 화학공정의 도입으로 에너지 효율을 증대시킴과 동시에 부산물이 적은 청결한 화학공정으로의 전환을 위해 많은 노력이 집중되고 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해 새로이 시도되고 있는 분야가 바로 무기막의 분리능력과 촉매의 활성을 결합하여 촉매반응과 반응물 및 생성물의 분리기능을 동시에 수행할 수 있는 무기막 촉매 기술의 응용분야이다.
무기막 촉매기술은 하나의 매체, 예를 들면 잘 설계된 무기막 반응기에서 원하는 촉매반응과 함께 생성물의 선택적 투과에 의한 기체 분리가 동시에 일어날 수 있기 때문에 반응의 평형이 생성물 형성에 유리한 방향으로 변화될 수 있는 특징을 갖는다. 무기막 촉매기술의 적용으로 인해 보다 온화한 반응조건에서 높은 전환율과 선택도 증가가 기대될 수 있으며, 막의 생성물 분리기능과 활성 및 선택도 향상에 의해 분리과정의 부하가 크게 감소될 수 있는 장점이 있다. 특히 투과 선택성이 뛰어난 무기막 촉매를 화학반응 공정에 적용할 경우 이론적으로 전환율을 100% 가깝게 향상시킬 수 있고 높은 생성물 수율을 얻을 수 있다. 100%에 가까운 전환율을 얻을 수 있을 경우 반응물의 재가열이 거의 불필요하고 분리공정이 단순화되기 때문에 에너지 효율 증대에 의한 에너지 절약효과를 기대할 수 있다. 또한 저온에서 높은 전환율을 얻을 수 있기 때문에 반응기의 크기 또는 부피를 감소시킬 수 있어 설치비 절감효과까지도 얻을 수 있다.
탄화수소의 탈수소 반응과 같이 수소가 생성되는 반응에서는 생성된 수소가 반응계에서 제거되거나 분리될 경우 반응 평형이 수소가 생성되는 방향으로 이동한다. 즉, 동일한 온도에서 수소 분리에 의한 탄화수소 전환율의 향상을 기대할 수 있다. 이러한 원리를 기초로 수소에 대해 투과선택적인 막을 이용하여 반응을 수행할 경우 원래의 평형 전환율 보다 높은 활성을 얻을 수 있다. 이러한 목적으로 사용되는 대표적인 수소 투과선택적 막이 팔라듐 막이다.
수소가 생성되는 화학반응 즉, 탈수소 반응과 개질 반응에서는 다공성이 없는 팔라듐 금속막이 타 기체에 대한 수소의 뛰어난 투과 선택성 때문에 이제까지 많이 응용되어 왔다. 그러나 미국의 Armor가 지적한 바와 같이 팔라듐 금속막은 고가일 뿐 아니라 다공성 막에 비해 투과 선택도는 높은 대신 투과도가 매우 낮은 것이 사용에 큰 제약요인으로 알려져 있다[Catal. Today, 25, 199 (1995)]. 무다공성 팔라듐 금속막 대신에 다공성 세라믹 막에 팔라듐층을 얇게 코팅할 경우 수소에 대해 높은 투과도와 함께 투과선택도까지 얻을 수 있다. 이 경우 사용되는 다공성 세라믹 막의 세공크기가 클 경우 수소 이외의 기체의 투과를 물리적으로 억제하기 위해 세라믹 막 세공이나 표면에 팔라듐을 두껍게 코팅해야 하는 문제점이 있으며, 많은 양의 팔라듐 성분의 사용은 비경제적이며, 수소의 투과 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다. 특히 다공성 세라믹 막의 세공크기 조절과 세라믹 막 표면에 팔라듐의 높은 분산이 매우 중요한 문제로 부각되고 있다.
따라서 본 발명에서는 고가의 팔라듐 금속막 대신에 수소에 대한 선택적 투과막으로서 세라믹 막에 5 ~ 10 Å 범위의 세공을 갖는 제올라이트 분자체를 코팅한 후 팔라듐 입자를 표면에 고분산시키는 새로운 복합무기막을 고안하여 수소가 생성되는 탄화수소의 개질 반응과 탄화수소 탈수소화 반응에 적용하여 전환율을 향상시키고 반응온도를 절감시키고자 한다.
본 발명에서 고안한 복합무기막 반응 시스템은 수소가 생성될 수 있는 화학 반응에는 모두 적용될 수 있으며, 특히 탄화수소의 개질반응과 탄화수소의 탈수소 반응에 유용하다.
먼저 탄화수소의 개질반응의 일례로서, 이산화탄소에 의한 메탄의 개질 반응은 다음 반응식 1에 나타낸 바와 같다. 이산화탄소는 산화제로 사용되어 메탄과 이산화탄소 분자가 1몰씩 반응하여 합성가스로 명명되는 각각 2몰씩의 수소와 일산화탄소 혼합물이 생성되는 반응이며, 매우 큰 흡열반응이다.
상기 개질 반응은 제한된 화학평형으로 반응온도 700℃의 고온에서 85% 이하의 메탄 전환율 및 합성가스 수율을 얻을 수 밖에 없는 것이 제약요인이다. 즉, 고온반응으로 인한 에너지 소모가 큰 것이 이 공정을 산업적으로 적용하는데 제한 요인이며, 고온에서의 운전이 메탄 분해에 의한 촉매상에 코크누적과 촉매활성점인 금속의 소결을 촉진시켜 촉매수명을 단축시키는 요인이 될 수 있다.
이러한 메탄의 이산화탄소 개질반응에서 무기막 촉매를 사용할 경우, 반응 평형이 수소 분압의 제곱에 비례하기 때문에 이론적으로 반응기 내부에서 일어나는 촉매 반응과 무기막을 통한 투과부로의 연속적인 수소배출, 즉 반응영역에서 수소의 부분 제거로 인한 메탄의 전환율의 상승이 기대될 수 있다.
이제까지 메탄 개질반응에 적용된 무기막 촉매의 예를 살펴보면, 일본의 Uemiya 등은 다공성 유리튜브에 얇은 팔라듐 필름을 코팅한 복합무기막을 메탄의 수증기 개질 반응에 적용한 바 있고[Ind. Eng. Chem. Res., 30, 585 (1991)], 캐나다의 Shu 등은 다공성 스텐인레스 스틸 튜브에 팔라듐 금속 또는 팔라듐-은 합금 필름을 코팅한 무기막을 동일한 반응에 적용하였다[J. Membrane Sci., 77, 181 (1993)]. 상기 두 방법의 경우 300 ~ 500℃의 반응온도에서 평형을 넘는 메탄 전환율을 관찰하였다. 또한 일본의 Chai 등은 다공성 알루미나 튜브에 금속이 함침된 무기막을 적용하였으며, 이 경우는 메탄 전환율이 평형값에 두배나 증가된 결과를 제시하였다[Appl. Catal., 110, 239 (1994)]. 메탄의 산소개질에 의한 합성가스 제조 반응에도 이태리의 Santos 등은 실리카가 코팅된 다공성 알루미나 무기막을 적용하여 800℃의 고온에서 평형치보다 약간 높은 메탄 전환율을 관찰한 바 있다[Catal. Lett., 30, 189 (1995)].
또한 최근에는 메탄의 이산화탄소 개질 반응에도 무기막 촉매가 적용된 바 있다. 즉, 일본의 Kikuchi는 팔라듐-은 등의 합금 무기막을 적용하였고[Catal. Today, 25, 333 (1995)], 그리스의 loannides와 Verykios는 다공성 Vycor 유리관에 치밀한 실리카층을 화학증착법으로 코팅한 무기막 반응기를 적용하였다[Catal. Lett., 36, 165 (1996)]. 상기한 두 방법 모두 반응온도 500℃ 이상에서 평형보다 높은 메탄 전환율을 보고하였다.
한편 또 다른 적용가능한 예로서, 다음 반응식 2에 나타낸 프로판 탈수소화 반응 역시 흡열반응으로 550℃에서 프로필렌으로의 평형 전환율이 40% 미만으로 제한되기 때문에 수소에 투과선택적인 무기막을 적용할 경우 평형 전환율보다 높은 활성을 기대할 수 있다.
탄화수소 탈수소에 의한 올레핀 반응에 무기막 반응 시스템을 적용한 예들도 역시 보고되고 있다.
미국 Chevron사의 미국특허 제5,430,218호에서는 고분자와 다공성 고체산화물간의 복합막 반응기의 수소 투과특성을 이용하여 탈수소 촉매를 충진한 촉매시스템에서 저급 파라핀 탄화수소들을 탈수소하는 방법을 특허화하고 있다. 그리고 다공성 튜브에 활성성분을 담지한 무기막 반응시스템을 수소 분리를 필요로 하는 탈수소화 반응에 적용한 예들도 많이 보고되고 있다[J. Membrane Sci., 77, 221 (1993); J. Membrane Sci., 90, 11 (1994); J. Membrane Sci., 135, 107 (1997)].
또한 제올라이트 무기막 제조를 위한 특허들을 정리해 보면 British Petroleum사의 미국특허 제5,567,664호에서는 다공성 담체 위에 직접 결합된 제올라이트 결정으로 이루어진 새로온 무기막을 특허화한 바 있다. 이 특허에서는 제올라이트 막의 제조를 위해 제올라이트 합성겔 속에 다공성 담체를 담근 후 제올라이트 4A로 결정화시키는 방법을 제안하고 있다. 또 다른 미국특허 제5,258,339호에서는 제올라이트막 제조방법으로 수용액 또는 알콜용액중에 함유된 제올라이트 졸에 다공성 담지체를 담근 상태에서 수열합성법에 의해 담체상에서 제올라이트막이 성장하도록 하는 방법을 제안하고 있다. 이 때 제조된 제올라이트막은 펜타실형 구조를 갖는 ZSM-5 제올라이트였다. Mobil Oil사에서도 액체 및 기체 분리를 위한 합성 제올라이트 무기막 제조방법을 미국특허 제5,019,263호에서 제안하고 있다.
그러나 제올라이트 막을 산촉매 반응에 적용한 예가 일부 알려져 있지만 아직까지 제올라이트로 구성된 무기막을 탄화수소에 의한 수소생성 반응에 적용한 예는 없다.
따라서 본 발명에서는 세라믹 막에 5 ~ 10 Å 범위의 미세세공을 갖는 제올라이트 분자체를 코팅한 후 팔라듐 입자를 표면에 고분산시키는 새로운 복합무기막과 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기 복합무기막이 가지는 수소기체에 대한 고투과선택성을 이용하여 수소가 생성되는 화학반응에의 적용하는 방법을 제공하는데 또다른 목적이 있다.
제1도는 본 발명에 따른 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막의 단면을 나타낸 도면이다.
제2도는 무기막 촉매의 활성측정장치를 나타낸 도면이다.
* 도 1의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 알파-알루미나층(입도크기 1 ㎛/두께 1.5 mm),
2 : 미세세공 제올라이트 분자체층(입도크기 2 ~ 3 ㎛/두께 5 ~ 10 ㎛),
3 : 팔라듐층(입도크기 1 ~ 2 ㎛/두께 5 ㎛),
4 : 충진촉매(입도크기 2 mm, 메탄 개질촉매: KNiCa/제올라이트,- 프로판 탈수소 촉매: Pt/Sn/K/γ-Al203)
* 도 2의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 반응가스 용기 2 : 유량조절 장치
3 : 열전쌍 4 : 무기막 반응기
5 : 반응기용 전기히터 6 : 압력측정기
7 : 니들 밸브 8 : 기체 샘플링용 밸브
9 : 비누거품 유량측정기 10 : 기체 크로마토그래프
11 : 적분기 12 : IBM 호환 컴퓨터
13 : 배기구
본 발명은 다공성 튜브 표면에 팔라듐층이 형성되어 있는 복합무기막에 있어서, 상기 다공성 튜브 표면과 팔라듐층 사이에는 5 ~ 10 Å 범위의 미세세공을 가지는 제올라이트 분자체층이 형성되어 있는 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막을 그 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막은 첨부도면 도 1에 나타낸 바와 같이 다공성 튜브, 제올라이트 분자체층 및 팔라듐층으로 구성되어 있으며, 미세세공을 가지는 제올라이트 분자체층과 그 위에 팔라듐층의 형성으로 인하여 수소기체에 대한 고투과선택성을 가지게 된다.
상기한 바와 같은 구조를 가지는 본 발명에 따른 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막을 각 구성층별로 보다 자세히 살펴보면 다음과 같다.
본 발명에서 지지체로 사용되는 다공성 튜브는 무기복합막 제조시에 일반적으로 사용하는 것으로서 외경 6 ~ 25 mm, 두께 1 ~ 3 mm, 기공크기 4 nm ~ 12 ㎛의 조건을 가지는 것이라면 모두 적용될 수 있다.
그리고, 제올라이트 분자체층은 탄소수 12 ~ 20개의 사슬을 갖는 4급 알킬 암모늄염 계면활성제와 실리콘 전구체의 혼합물을 다공성 튜브 표면에 코팅하고 열처리하므로써 형성된다. 이때, 실리콘 전구체로는 알칼리에서 쉽게 가수분해되는 특성을 가지는 통상의 화합물이라면 사용가능하며, 이를 구체적으로 예시하면 테트라에틸 오르쏘실리케이트, 콜로이달 실리카, 흄드 실리카, 소디움 실리케이트 등이다.
형성된 제올라이트 분자체층의 두께는 1 ~ 30 ㎛ 범위가 바람직하다. 제올라이트 분자체층의 두께는 막내부에 생기는 미세한 빈자리(pinhole)의 생성빈도와 밀접한 관련이 있는 바, 적절한 두께를 유지하지 않으면 빈자리가 생길 가능성은 더 높아지게 된다. 빈자리(pinhole)는 제올라이트 기공크기보다 훨씬 크다. 따라서, 기체나 증기의 투과시 빈자리(pinhole)로의 투과가 우선적으로 진행되기 때문에 수소와 같은 생성물의 투과선택도를 크게 낮추게 되므로 고투과선택성을 가지는 분리막 제조를 위해서는 제올라이트 분자체층의 두께 조절은 주요하다.
또한, 제올라이트의 기공크기는 반응물 및 생성물의 투과와 직접적인 관련이 있는 바, 반응물로 사용된 탄화수소 보다는 생성물인 수소기체에 대한 고투과선택성이 요구되는 본 발명의 목적 달성을 위해서는 5 ~ 10 Å 범위의 미세세공이 바람직하다. 이러한 기공크기 조절은 열처리 조건에 의해 좌우되는 바, 본 발명에서는 제올라이트 분자체 코팅후에 100 ~ 120℃의 온도에서 1 ~ 48 시간 동안 1차적으로 열처리한 후 150 ~ 180℃로 승온하여 12 ~ 100 시간 동안 2차 열처리하는 방법을 채택하므로써 바람직한 기공크기 조절이 가능하였다.
한편, 제올라이트 분자체층을 형성함에 있어 상기와 같은 열처리 방법을 채택한 근본적인 이유는 미세세공 제올라이트 분자체에 비해 메조세공 물질이 다공성 튜브의 표면과 보다 더 친숙하게 상호작용하여 코팅이 더 용이하기 때문이며, 이에 본 발명에서는 메조세공 물질을 코팅시킨 후에 이를 상전이시켜 미세세공 제올라이트를 용이하게 얻을 수 있었던 것이다.
그리고, 팔라듐층의 형성시에는 공지된 방법중 어느 방법을 선택하여 사용하여도 무방하며, 그 코팅층의 두께는 1 ~ 20 ㎛ 범위가 바람직하다. 제올라이트 층에 담지되는 팔라듐의 담지량에 따라 팔라듐층의 두께가 달라지고, 또한 팔라듐층의 두께에 따라 수소의 투과도가 달라질 수 있는 바, 팔라듐 담지량이 너무 적어 팔라듐 층의 두께가 얇으면 수소의 투과선택도가 크게 감소하게 되고, 팔라듐 담지량이 너무 과다하여 팔라듐 층의 두께가 두꺼우면 수소의 투과선택도가 증가하는 대신 원료비용이 커져서 경제적이지 못하다. 따라서, 최소 두께를 가지고 있으면서 수소의 투과선택도가 높은 팔라듐층을 형성하는 것이 가장 이상적이다. 본 발명의 목적달성을 위해서는 팔라듐층의 두께가 1 ~ 20 ㎛ 되도록 팔라듐을 담지시키도록 한다.
또한, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막의 제조과정을 각 공정별로 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 제조방법은 크게 2 단계로 구성되는 바, 첫 번째 단계에서는 기공이 큰 다공성 튜브에 미세세공 제올라이트 분자체를 코팅하며, 두 번째 단계에서는 제올라이트 분자체 막의 세공안과 입자 위에 팔라듐을 주입하거나 코팅한다.
먼저, 첫 번째 단계에서 형성되는 미세세공 제올라이트 분자체층은 다공성 튜브에 탄소수 12 ~ 20개의 사슬을 갖는 4급 알킬암모늄염 계면활성제와 실리콘 전구체의 혼합물을 코팅하고 100 ~ 120℃ 온도범위에서 우선 열처리하여 30 ~ 50 Å범위의 세공크기를 갖는 메조세공 실리카 화합물을 형성시킨 후 이를 다시 150 ~ 180℃의 온도로 상승시켜 열처리하여 5 ~ 10 Å 범위의 미세세공 제올라이트 분자체층으로 상전이시켜 형성시킨다.
두 번째 단계의 팔라듐의 코팅은 제올라이트 분자체가 코팅된 튜브형 다공성막에 팔라듐 입자를 수용액상에서 함침시키거나 팔라듐 유기화합물의 화학증착법에 팔라듐을 코팅하는 2가지 방법에 의해 가능하다. 그 밖의 공지된 팔라듐 코팅 방법을 적용하여도 무방하다.
이상의 제조방법에 의해 얻어진 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막은 첨부도면 도 2에 제시한 고정층 반응장치를 이용하여 수소의 투과선택도와 메탄 개질반응 및 프로판 탈수소 활성을 측정하므로써 이의 이용방법을 설명하고자 한다.
수소의 투과선택도의 경우는 상온에서부터 400℃ 범위에서 질소에 대한 수소의 투과선택도를 측정한다. 또한, 반응은 본 발명의 복합무기막에 해당 촉매를 충진하여 수행하며, 이산화탄소에 의한 메탄의 개질반응에는 니켈계 개질촉매로서 이전의 본 연구진에 의해 특허화된 바 있는 대한민국 특허 제 110984 호에 기재되어 있는 제올라이트 담체에 니켈 및 알칼리계 금속이 담지된 촉매를 적용한다.
그리고 프로판 탈수소화 반응에는 Pt이 0.8 중량% 함량에 Pt : Sn : K = 1 : 2.0 : 2.5의 몰비를 갖는 Pt/Sn/K/γ-Al203촉매가 사용된다. 그리고 반응중에 생성되는 생성물과 넣어준 반응물은 반응장치에 직접 연결된 기체 크로마토그래프 (Chrompack사 모델 CP 9001)로 분석한다.
이와 같은 본 발명은 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1] 복합무기막의 제조
본 실시예에서는 본 발명의 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막의 제조 방법을 기술한다. 이때 다공성 튜브로는 기공크기 0.5 ㎛, 외경 10 mm, 두께 1.5 mm의 사양에 튜브의 내벽과 외벽이 동일한 구조로 갖는 대칭성 무기막(다공성 알파-알루미나 튜브, 국산 (주)동서산업 판매 제품)을 사용하였다.
팔라듐 함유 복합무기막은 크게 2단계를 거쳐 제조되었으며, 첫 번째 단계의 제올라이트 분자체의 코팅 방법은 다음과 같은 방법에 의해 제조되었다.
먼저 제조에 앞서 다공성 튜브에의 코팅을 용이하게 하기 위해 튜브에 있는 불순물의 제거와 무기막 표면의 활성화 과정을 거쳤다. 즉, 길이 70 mm의 다공성 알파-알루미나 튜브를 이염화메탄 용매로 세척한 후 0.1 M의 묽은 염산으로 70℃에서 1시간 처리해 주었다. 그런 다음 증류수로 세척한 후 120℃의 건조용 오븐에서 10시간 동안 건조하였다. 그리고 알파-알루미나 다공성 튜브 내벽에 코팅할 메조세공 화합물 전구체 겔을 다음과 같이 합성하였다. 실리콘원으로 테트라에틸 오르쏘실리케이트와 탄소수 14의 사슬을 갖는 4급 알킬암모늄염 계면활성제(25% 농도의 CH3(CH2)13(CH3)3NBr 화합물 수용액), 테트라프로필암모늄 브로마이드(TPABr), NaOH 수용액을 실리콘 대 계면활성제 화합물 몰비 6, 실리콘 대 TPABr 몰비 10, 실리콘 대 NaOH의 몰비 2, 실리콘 대 물의 몰비 40의 비율로 혼합한 용액을 20℃에서 1시간동안 세게 저어준 후 생성된 겔 용액 속에 다공성 튜브를 담가 겔을 얇게 코팅한 후 80℃에서 진공 건조시켰다. 그런 다음 겔용액을 스레인레스 스틸 재질의 압력 반응기로 옮기고 여기에 겔코팅된 다공성 알파-알루미나 튜브를 테프론 받침대에 수직으로 세워 넣었다. 이 압력반응기를 120℃ 항온용 오븐에 넣고 2일동안 처리한 후 다시 165℃로 올려 2일동안 수열처리하여 압력반응기로부터 다공성 튜브를 꺼내서 증류수로 세척한 후 120℃ 건조, 550℃에서 5시간 소성하여 제올라이트 분자체가 코팅된 세라믹 튜브를 제조하였다. 반복적인 실험을 통해 첫 단계의 120℃에서 합성할 때 튜브에 코팅된 물질과 함께 생성되는 용액중의 입자들을 건조, 소성하여 X-선 회절분석과 BET 질소흡착 실험을 통해서 표면적 1005 m2/g, 세공부피 0.755 ㎖/g에 36 Å의 메조세공을 갖는 물질로 판명되었다. 그리고 최종적으로 얻어진 튜브를 쪼개서 코팅된 입자의 성상을 주사전자 현미경으로 관찰했을 때 입도크기 약 2 ~ 3 ㎛의 육각판상형 결정들이 두께 5 ~ 10 ㎛ 정도로 벽위에 코팅되어 있음을 확인할 수 있었다. 또한 최종적으로 얻어진 용액 속의 입자를 X-선 회절패턴에 의해 분석할 때 5.3 Å × 5.6 Å × 크기를 갖는 펜타실형 ZSM-5 제올라이트 분자체 구조를 갖는다는 것을 확인하였다.
두 번째 단계의 팔라듐의 코팅은 상기의 제올라이트 분자체가 코팅된 튜브형 세라믹 막에 팔라듐 입자를 수용액상에서 함침시키는 방법으로 수행하였다. 먼저 함침에 의한 팔라듐 담지는 염화 팔라듐(PdCl2) 화합물 0.1 g을 60℃의 증류수 50 ㎖에 28% 암모니아 수용액을 첨가하여 팔라듐 화합물을 충분히 용해시킨 후 과량 첨가된 암모니아 용액은 증발시켜 날려 보냈다. 팔라듐이 용해된 용액을 한쪽 말단을 막은 상태의 세라믹 튜브 내부에 부어 넣은 후 윗부분에 진공 펌프와 연결하여 세라믹 튜브를 회전과 동시에 가열하면서 물을 증발시켜 팔라듐을 함침시켰다. 이런 과정을 3회 반복하여 함침과정을 끝냈다. 그런 다음 120℃에서 5시간 건조한 후 400℃에서 5% 수소로 4시간 동안 처리하여 함침된 팔라듐을 환원시켰다.
이상의 제조방법에 의해 제조한 본 발명의 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막을 '복합무기막 1'이라 명명하였다.
[실시예 2] 복합무기막의 제조
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 세라믹 튜브 표면에 제올라이트 분자체를 코팅하는 첫 번째 단계를 수행하였다. 다만, 두 번째 단계의 팔라듐의 코팅은 제올라이트 분자체가 코팅된 튜브형 세라믹 막에 팔라듐 유기화합물의 화학증착법에 팔라듐을 코팅하는 방법으로 수행하였다. 화학증착에 의한 팔라듐 담지는 팔라듐 아세틸아세토네이트 화합물 1 g을 증발조에 넣고 200℃로 가열하면서 팔라듐 화합물 증기를 분당 100 ㎖의 유속의 질소 전송기체를 통해 흘려 제올라이트 분자체가 코팅된 무기막 튜브를 통과시켜 내벽에 접촉시켰다. 이 때 무기막 튜브는 외부 전기히터에 의해 400℃의 온도로 유지시켰다. 무기막 튜브를 통과한 팔라듐 화합물 증기는 400℃의 증착온도에서 분해되어 튜브의 내벽에 코팅되며, 코팅되는 팔라듐의 농도는 전송기체의 유속 및 증기의 통과시간을 변화시켜 조절하였다. 본 발명에서는 8시간 증착하여 팔라듐 함유 복합무기막이 얻어졌다. 얻어진 복합무기막은 400℃에서 5% 수소로 4시간 동안 처리하여 담지된 팔라듐을 환원시켰다.
이상의 제조방법에 의해 제조한 본 발명의 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막을 '복합무기막 2'라 명명하였다.
[실험예 1] 수소기체에 대한 투과선택도 측정
본 실험예에서는 상기 실시예 1과 2에서 제조한 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막 각각에 대한 수소 투과도 및 질소에 대한 수소의 투과선택도를 측정하고자 하며, 도 2에 제시한 고정층 반응장치를 그대로 응용하였다. 또한, 비교예로서는 다공성 알파-알루미나 튜브를 이용하였다.
도 2의 장치에서 무기막 반응기(4) 내부로 투과도를 측정하고자 하는 수소 및 질소 기체를 유량조절장치(2)를 통해 분당 500 ㎖의 유속으로 흘려주고 무기막 튜브의 압력차는 니들밸브(7)를 이용해 0 ~ 10 psi 범위에서 조절하면서 무기막 튜브 내부에 흐르는 기체의 유량과 벽을 투과하여 흐르는 기체의 유량을 비누거품 유량측정기(9)로 측정하였다. 투과온도는 무기막 외부를 둘러싸고 있는 석영관을 전기히터(5)로 가열하여 안쪽 무기막까지 온도가 전달될 수 있도록 하였으며, 상온에서 400℃까지 조절하였다. 이 때 온도는 무기막 내부에 열전쌍(3)을 연결하여 측정하였다. 그리고 무기막을 통과하는 기체의 투과도는 다음의 수학식 1에 의해 결정되었다.
상기 수학식 1에서의 각 변수의 단위는 다음과 같다. 기체투과도(Q)=cm2/(cm3ㆍminㆍpsi), 기체유속(F)= cm3/min, 투과막 두께(X)= cm, 무기막의 기하학적 면적(A)= cm2, 막사이의 압력차(△P)= psi 이다.
무기막의 수소 및 질소에 대한 투과도는 상온에서 400℃의 온도 범위와 0 ~ 10 psi의 압력차에서 측정되었으며, 질소에 대한 수소의 투과선택도는 수소투과도 대 질소투과도의 비율로 표시하였다. 그 결과는 다음 표 1에 나타낸 바와 같다.
본 발명에 따른 복합무기막 1과 2의 수소 투과도는 온도상승에 따라 크게 증가되었으며, 질소에 대한 수소 투과 선택도 역시 온도 증가에 따라 크게 상승하였다. 팔라듐 함침에 의해 제조된 복합무기막 1에서는 400℃에서 수소의 투과 선택도가 10 ~ 20의 범위를 나타냈고, 팔라듐의 화학증착법에 의해 제조된 복합무기막 2에서는 400℃에서 수소의 투과선택도가 15 ~ 25의 범위를 나타내 이론적인 Knudsen 확산에 의한 수소 대 질소 투과선택도 Qk(H2/N2) = 3.74 보다 훨씬 높은 투과도를 얻을 수 있었다.
이에 반하여, 비교예로 제시된 다공성 알파-알루미나 튜브의 수소 투과도는 튜브의 기공크기가 0.5 ㎛로서 투과되는 수소 및 질소분자에 비해 훨씬 크기 때문에 매우 높게 얻어졌다. 그러나, 수소나 질소의 투과에 대해 선택적이지 못하기 때문에 수소 생성반응에 적용시 중요한 요인인 다공성 알파-알루미나 튜브의 질소에 대한 수소 투과 선택도는 이론적인 Knudsen 확산에 의한 수소 대 질소 투과선택도 Qk(H2/N2) = 3.74에 훨씬 못미치는 2.15 ~ 2.31의 범위에서 얻어졌다.
[실험예 2] 메탄의 개질반응에의 적용
본 실험예에서는 상기 실시예 1에서 제조한 '복합무기막 1'을 메탄의 개질반응에 적용하는 방법을 예시하고 있다.
반응기에 메탄 개질용 촉매를 충진하고 500℃에서 이산화탄소에 의한 메탄의 개질반응을 수행하였다. 이 때 개질촉매는 K : Ni : Ca이 각각 0.08 : 1.0 : 2.2의 몰비를 갖는 20 중량% 담지량의 KNiCa/제올라이트 개질촉매를 사용하였다.
도 2에 제시한 반응장치는 연속식 고정층 촉매 반응장치로서 외경 10 mm, 두께 1.5 mm에 70 mm 길이의 투과부를 갖는 팔라듐 함유 복합무기막 반응기에 양말단의 각 10 mm씩을 에나멜 코팅으로 비투과성 튜브로 전환시킨 후 이 반응기를 특수제작한 흑연재질의 훼롤(ferrule)과 3/8 인치 스텐인레스 스틸 유니온으로 결합시키고 무기막 반응기 외부의 하우징은 외경 30 mm, 두께 1.5 mm, 길이 250 mm의 석영관으로 구성되었다. 반응기체로 메탄과 이산화탄소를 팔라듐 무기막 튜브 내부로 주입하면 충진된 개질 촉매에 의해 반응이 일어나 합성가스가 생성되며, 수소는 팔라듐 막을 투과하여 튜브 외부로 빠져 나가게 되어 있다. 그에 따라 튜브 내부를 따라 배출되는 기체의 조성은 수소가 희박해지며, 튜브 외부에는 수소의 농도가 증가한다. 투과된 수소는 보통 세척기체(Sweep gas)인 아르곤 기체를 흘려 제거해 주며, 흘려주는 아르곤 기체의 유속에 따라 투과되는 수소의 농도를 조절한다. 열전쌍은 팔라듐 함유 복합무기막 튜브 내부에 충진된 촉매층의 중앙과 외부의 석영관 하우징의 중앙에 각각 위치하여 온도를 측정하였다. 이 때 반응온도는 외부 석영관 하우징의 온도를 온도조절기로 조절하였으며, 촉매층의 온도를 반응온도로 설정하였다. 그리고 반응중에 생성되는 생성물과 넣어준 반응물은 반응장치에 직접 연결된 기체 크로마토그래프(Chrompack사 모델 CP 9001)로 분석하였다.
팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막의 메탄 개질 반응은 반응온도 500℃, 메탄 대 이산화탄소 몰비 1, 메탄 분압 0.25 기압, 반응기내 충진된 개질촉매 1 g, 공간속도 W/F = 300 g-cat. min/mol인 조건에서 반응활성이 측정되었으며, 반응결과는 다음 표 2에 제시한 바와 같다.
본 발명에 따른 복합무기막 1을 적용한 경우, 메탄 전환율은 52.5%로 평형전환율인 19.5%에 비해 2.7배 이상의 높은 활성이 얻어졌다.
이에 반하여, 다공성 알파-알루미나 튜브를 적용한 경우는 메탄 전환율 19.4%로 평형전환율에 근접한 활성을 보였으나 복합무기막 1에 비해서는 훨씬 낮은 활성이 얻어졌다. 또다른 비교예로서 제시된 비투과성 석영관을 적용한 경우도 메탄 전환율 18.5%로 평형전환율에 근접한 활성을 보였으나 복합무기막 1에 비해서는 훨씬 낮은 활성이 얻어졌다.
[실험예 3] 프로판 탈수소화 반응에의 적용
본 실험예에서는 실시예 1의 방법으로 제조된 '복합무기막 1'의 프로판 탈수소화 반응에 의한 프로필렌 제조에 적용하는 방법을 예시하고 있다. 이 때 프로판 탈수소 촉매는 Pt이 0.8 중량% 함량에 Pt : Sn : K = 1 : 2.0 : 2.5의 몰비를 갖는 Pt/Sn/K/γ-Al203촉매를 사용하였다.
반응은 도 2에 제시된 반응장치에서 수행하였으며, 반응온도 500℃, 프로판 분압 0.1 기압, 반응기내 충진된 탈수소 촉매 1 g, 공간속도 W/F = 300g-catㆍmin/mol인 반응조건에서 활성이 측정되었으며, 반응결과는 다음 표 3에 제시한 바와 같다.
본 발명에 따른 복합무기막 1을 적용한 경우, 프로판 전환율은 51.9%로 평형 전환율인 18.1%에 비해 2.8배 이상의 높은 활성이 얻어졌으며, 프로필렌 선택도는 93.5% 이었다.
이에 반하여, 다공성 알파-알루미나 튜브를 적용한 경우는 프로판 전환율 28.4%로 평형전환율 18.1% 보다 높은 활성을 보였으며, 복합무기막 1에 비해서도 훨씬 낮은 활성이 얻어졌다. 또다른 비교예로서 제시된 비투과성 석영관을 적용한 경우도 프로판 전환율 8.4%로 평형전환율과 복합무기막 1에 비해서 훨씬 낮은 활성이 얻어졌다.
이상의 수소기체 투과선택도 및 반응결과에 따르면, 본 발명에 따른 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막은 수소 투과선택성이 매우 우수하여 반응계내에서 생성된 수소가 막을 투과하여 반응중에 연속적으로 배출되기 때문에 수소가 생성되는 화학반응 예를 들면, 탄화수소의 탈수소화반응 및 탄화수소의 개질반응 등에 반응의 평형을 생성물쪽으로 유리하게 전환시켜 반응전환율을 크게 향상시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
Claims (7)
- 다공성 튜브 표면에 팔라듐층이 형성되어 있는 복합무기막에 있어서, 상기 다공성 튜브 표면과 팔라듐층 사이에는 5 ~ 10 Å 범위의 미세세공을 가지는 제올라이트 분자체층이 1 ~ 30 ㎛의 두께로 형성되어 있는 것임을 특징으로 하는 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막.
- 팔라듐 함유 복합무기막의 제조방법에 있어서, 다공성 튜브 표면에 탄소수 12 ~ 20개의 사슬을 갖는 4급 알킬암모늄염 계면활성제와 실리콘 전구체의 혼합물을 코팅하고 100 ~ 120℃의 온도에서 1차적으로 열처리한 후 150 ~ 180℃로 승온하여 2차 열처리하여 미세세공 제올라이트 분자체층을 형성시키는 과정, 그리고 상기 제올라이트 분자체층 표면에 팔라듐층을 형성시키는 과정이 포함되는 것을 특징으로 하는 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 1차열처리된 제올라이트 분자체층의 기공 크기가 30 ~ 50 Å이고, 2차열처리된 제올라이트 분자체층의 기공 크기는 5 ~ 10 Å인 것을 특징으로 하는 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 팔라듐층은 팔라듐 함유 수용액상에 함침시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 팔라듐층은 팔라듐 유기화합물의 화학증착에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막의 제조방법.
- 수소기체가 생성되는 화학반응에서의 수소기체를 선택적으로 분리하는 방법에 있어서, 상기 화학반응에 이용되는 해당 촉매를 상기 제1항의 팔라듐 함유 제올라이트 복합무기막에 충진하여 사용하는 것을 특징으로 하는 수소기체의 선택적 분리 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 화학반응이 탄화수소의 탈수소반응 또는 탄화수소의 개질반응인 것을 특징으로 하는 수소기체의 선택적 분리방법.
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