KR100736987B1 - 산업 폐가스의 청정화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 환경 보호의 분야에 관한 것으로, 촉매를 오염시키는 수지의 형성을 야기하는 생성물을 함유한 산업 폐가스를 청정화하는데 사용될 수 있다. 방향족 및 지방족 화합물의 산업 폐가스를, 800 내지 1,350℃에서 초기에 소성된 비표면적 0.2 내지 1.0m2·g-1의 (팔라듐 촉매를 보호하는) 보호층으로 이루어진 촉매 조성물에 1차로 통과시키고, 팔라듐 촉매층(활성 알루미늄 산화물상에 침착된 0.1 내지 3% 팔라듐)에 2차로 통과시킴으로써 120 내지 160℃에서 상기 폐가스를 청정화하는 것이 제안된다. 상기 제안된 방법에 의하면, 다른 촉매계상의 촉매 오염 및 수지 형성을 야기하는 방향족 하이드로퍼옥사이드의 존재하에 유해 물질(예를 들어, 메탄올, 쿠멘)의 산업 폐가스를 97 내지 98% 이상의 파괴도로 청정화할 수 있다.

Description

산업 폐가스의 청정화 방법{METHOD OF CLEANING INDUSTRIAL WASTE GASES}
본 발명은 페놀 제조시 부산물로서 생성되는 폐가스 스트림으로부터 휘발성 유기 화학물질을 제거하는 방법을 제공한다. 구체적으로, 본 발명은 페놀 타르의 형성에 의한 촉매 비활성화를 피하면서 폐가스 스트림으로부터 메탄올 및 쿠멘을 제거하는 방법을 제공한다.
폐가스가 소량의 유기 불순물을 함유하는 경우에는 상기 불순물을 제거하는데 절대 등온의 작동 조건이 사용되고 있다. 이러한 방법의 실시는 반응 물질에 상당량의 열을 가하는 것을 수반한다. 폐가스로부터 유기 불순물을 제거하기 위한 산업용 촉매로서 다양한 촉매계가 사용되고 있다. 그중 일부 촉매는 비금속, 예를 들어 크롬, 코발트, 지르코늄(러시아 특허 제 2050976 호), 마그네슘(미국 특허 제 4673558 호), 망간 및 구리(러시아 특허 출원 제 95102026 호)의 산화물을 함유한다. 그밖의 촉매는 귀금속, 예를 들어 백금(미국 특허 제 5702836 호), 팔라듐 및 은(미국 특허 제 4673556 호)을 함유한다. 최근, 착산화물 담체상의 귀금속을 포함하는 촉매계가 널리 알려져 왔고(미국 특허 제 5585083 호), 특히 티탄 및 세륨 산화물상의 VIII족 금속(미국 특허 제 4716859 호) 또는 예를 들어 세륨 산화물상의 팔라듐 및 로듐(미국 특허 제 4919903 호)을 포함하는 촉매계가 널리 알려져 왔다.
C3 탄화수소 및 산소 함유 화합물(무기 화합물을 포함함)의 폐가스를 청정화하는 가장 보편적인 방법은 미국 특허 제 5292991 호에 개시되어 있는데, 이 특허에는 지르코늄 및 티탄 산화물에 의해 개질된 ZSM형 제올라이트상에 함께 침착된 백금 및 팔라듐을 포함하는 촉매의 존재하에 600℃의 온도에서 수행되는 방법이 기술되어 있다. 이 방법에서는 98.1%의 탄화수소 전환율이 달성된다. 이 방법의 단점은 질소 및 스팀이 대체로 풍부한, 가스 및 스팀의 스트림을 가열할 필요가 있다는 것이다. 또한, 이 방법은 촉매의 수지화를 야기하지 않는 경질 탄화수소의 스트림을 청정화하는데 효과적일 뿐이다.
특정 유기 화합물을 처리하기 위해 귀금속 함유 촉매 조성물이 개발되어 왔다. 예를 들어, 유기브롬 화합물의 폐가스를 청정화하기 위한, 미국 특허 제 5653949 호에 따른 공지된 저온 방법은, 지르코늄, 망간, 세륨 및 코발트의 산화물상의 백금족 금속을 함유하는 촉매를 사용하고, 메탄올 및 포름알데하이드가 가스 스트림으로부터 제거되는 가스 스트림의 가열 온도를 감소시키기 위해서는 세륨 산화물상의 팔라듐/로듐 촉매를 사용할 것을 권장하고 있다. 이 방법으로 반응 온도를 150℃로 감소시킬 수 있게 된다. 이 방법의 단점은 폐가스로부터 단지 메탄올 및 포름알데하이드를 제거할 수 있다는 것이다. 따라서, 이 방법은 가스 스트림이 촉매의 수지화를 야기하는 방향족 하이드로퍼옥사이드를 함유하는 경우에는 효과적이지 않다.
미국 특허 제 5009872 호에는 탄소수 5 이하의 알데하이드, 알콜 및 케톤을 함유하는 산업 폐가스를, 특정 소수성 담체상에 담지된 2종 이상의 귀금속을 22% 이하로 포함하는 촉매계를 사용하여 저온(150℃ 이하)에서 청정화하는 방법이 기술되어 있다. 이 방법은 폐가스로부터 그의 에탄올의 90% 및 그의 포름알데하이드의 93%를 제거한다. 역시 이 방법의 단점은, 존재하더라도 촉매의 수지화를 야기하지 않는 소량의 유기 화합물(예를 들어, 메탄올, 에탄올, 아세톤 및 포름알데하이드)만을 폐가스로부터 제거할 수 있다는 것이다.
본 제안된 방법에 가장 가까운, 산소 함유 유기 화합물의 폐가스를 청정화하는 방법은, 알루미늄 산화물을 포함하는 담체상에 침착된 0.03 내지 3.0% 팔라듐인 촉매위에 폐가스를 통과시키는 것을 수반한다. 이 방법은 미국 특허 제 4450244 호에 기술되어 있다. 미국 특허 제 4450244 호에 따르면 승온(즉, 350 또는 400℃)에서 산소의 존재하에 방법이 수행되는데, 이로써 다양한 유기계 산소 함유 화합물의 청정화가 350℃에서는 88 내지 96%의 수준까지, 그리고 400℃에서는 98 내지 100%의 수준까지 확보된다. 이 방법의 이점은 상기 선행 특허중 일부에 기술된 촉매에 비하여 귀금속 함량이 낮고, 제공되는 유기계 산소 화합물의 청정화도가 높다는 것이다. 이 방법의 단점은 1) 가스 스트림을 고온으로 가열할 필요가 있고, 2) 촉매 수지화의 결과로 유기 하이드로퍼옥사이드의 존재하에서는 지시 화합물의 가스 스트림을 청정화할 수 없다는 것이다.
상기한 점을 고려하여, 산소 함유 화합물(이중에는 방향족 하이드로퍼옥사이드가 있음)을 비롯한 산업 폐가스를 청정화하는 효과적인 방법을 개발하기 위해 연구하였다.
본원에 기술된 보호층(guard bed)은 1) 4,4'-디메틸-1,3-디옥산(DMD)의 합성 동안에 형성되는 부산물의 열분해 및 2) 포름알데하이드 및 이소부틸렌으로부터 이소프렌을 합성하는 공정에서 DMD 분해시에 수득되는 피란 분획의 열분해를 위해 이전부터 사용되었다(러시아 특허 제 1695631 호 및 로마 특허 제 88186 호(1983년 7월 14일)). 이들 특허에서는 열분해를 거치는 생성물이 피란 및 디옥산형 화합물로 구성되는데, 이들의 특성은 폐가스에서 발견되는 방향족 하이드로퍼옥사이드의 특성과는 크게 다르다.
방향족 하이드로퍼옥사이드, 쿠멘 및 포름산을 비롯한 폐가스의 청정화 온도를 감소시킴으로써 청정화 방법상의 기술을 간략화하기 위해, 하기 기술된 바와 같이 방법을 수행할 것을 제안한다.
본원에 기술된 폐가스는 방향족 하이드로퍼옥사이드 불순물(예를 들어, 쿠멘 하이드로퍼옥사이드)을 포함한다. 전형적인 폐가스는 쿠멘, 쿠멘 하이드로퍼옥사이드, 메탄올 및 포름산을 포함한다.
불순물을 제거하기 위해서는 폐가스를 보호층에 1차로 통과시키고, 팔라듐 촉매에 2차로 통과시킨다. 보호층은, 타르의 형성으로 인해 팔라듐 촉매의 비활성화를 야기할 수 있는 유기 불순물을 분해시킴으로써 팔라듐 촉매를 보호한다. 이는 본 방법을 적합하게 만드는데, 그 이유는 팔라듐 촉매가 고가이어서 흔히 경제적인 방법에서는 대체될 수 없기 때문이다.
보호층은 표면적이 0.2 내지 1.0m2·g-1이며, 800 내지 1,350℃의 온도에서 소성(roasting)된다. 보호층은 소성 후, 알루미늄, 철(II), 마그네슘, 칼슘, 칼륨, 나트륨, 티탄(IV) 및 규소의 산화물을 함유하는데, 이들의 질량비(%)는 다음과 같다:
알루미늄 산화물 5.0 내지 30.0
철(II) 산화물 0.1 내지 5.0
마그네슘 산화물 0.1 내지 5.0
칼슘 산화물 0.1 내지 5.0
칼륨 산화물 0.1 내지 3.0
나트륨 산화물 0.1 내지 3.0
티탄(IV) 산화물 0.1 내지 3.0
규소 산화물 나머지

팔라듐 촉매는 활성 알루미늄 산화물상에 담지된 0.1 내지 3% 팔라듐을 함유한다. 이러한 유형의 바람직한 촉매는, 예비환원 상태의 1/20" 압출물(벌크 밀도 35lb/ft3)로 알루민상의 0.7중량% 팔라듐을 포함하는 서드 케미(Sud Chemie) T-2864F 촉매이다.
본 발명의 바람직한 실시태양에서, 보호층 대 팔라듐층 촉매의 중량비는 0.5:1 내지 2:1이다.
본 방법은 두 촉매 모두에서 120 내지 160℃의 온도를 유지하면서 수행되는 것이 바람직하다.
작동시에는 우선 폐가스를 산소가 존재하는 상태에서 보호층에 통과시킨다. 그 다음, 상기 폐가스를 팔라듐 촉매에 통과시킨다. 포름산을 함유하는 폐가스의 경우에는 보호층이 포름산을 제거함으로써 팔라듐층에 타르가 형성되는 것이 피해진다. 팔라듐층은 쿠멘 하이드로퍼옥사이드를 제거하는데 효과적이다.
본 제안된 방법은 다른 촉매 조성물상에 수지를 형성시키는 화합물(예를 들어, 방향족 하이드로퍼옥사이드)의 존재하에 유해 물질의 산업 폐가스를, 그의 파괴도를 97 내지 98%보다 낮게 저하시키지 않으면서 청정화할 수 있다.
본 제안된 방법의 산업상 이용가능성을 하기 실시예에 의해 예시한다.
실시예 1
단면적 2.26cm2의 유리 반응 용기에, 알루미늄 산화물상의 0.1% 팔라듐을 함유하는 촉매 12ml, 및 알루미늄 산화물 22.4질량%, 철(II) 산화물 0.42질량%, 마그네슘 산화물 0.43질량%, 칼슘 산화물 0.67질량%, 칼륨 산화물 2.4질량%, 나트륨 산화물 1.2질량% 및 티탄(IV) 산화물 0.47질량%로 이루어지며 나머지는 규소 산화물인 보호층 6ml를 넣는다. 보호층은 800℃의 온도에서 초기에 소성되고, 그의 비표면적은 1m2·g-1이다. 상기 반응 용기를, 반응 용기의 높이를 따라 두 층을 균일하게 가열하는 전기로에 의해 가열하는데, 반응 온도는 120±1℃이다. 스팀 및 가스의 스트림을 63.0ℓ·h-1의 속도로 반응 용기에 공급한다. 상기 스트림의 조성은 다음과 같다: 질소 91.0부피%, 산소 6.0부피%, 스팀 3.0부피%, 메탄올 0.02부피%, 포름산 0.002부피%, 쿠멘 0.002부피% 및 쿠멘 하이드로퍼옥사이드 0.002부피%. 청정화될 스트림의 부피 공급 속도는 3,500ℓ·h-1이다. 촉매 작동 500시간 후, 4시간에 걸쳐 실험을 한다. 이 시간 동안 스팀 및 가스, 즉 메탄올 0.06720g, 포름산 0.00966g, 쿠멘 0.02520g 및 쿠멘 하이드로퍼옥사이드 0.03196g을 공급한다. 반응 생성물을, 이산화탄소와 아세톤(온도 -70 내지 -80℃)의 혼합물로 냉각된, 직렬 연결된 4개의 트랩(흡수체)으로 구성된 시스템으로 보낸다. 첫 번째 및 마지막 트랩은 비어 있고, 두 번째 및 세 번째 트랩은 n-부탄올로 채워져 있다. 실험을 완료한 후, 반응 생성물의 함량을 기체-액체 크로마토그래피(GLC)에 의해 측정한다. 이 실험에서 흡수체중 생성물의 총량은 메탄올 0.00100g, 포름산 0.00000g, 쿠멘 0.00008g 및 쿠멘 하이드로퍼옥사이드 0.00510g이며, 이는 메탄올 98.5%, 포름산 100%, 쿠멘 99.7% 및 쿠멘 하이드로퍼옥사이드 84.4%의 전환율에 상당한다. 촉매가 부하되지 않은 경우에는 수지화가 발견되지 않았다.
실시예 2
실시예 1에 기술된 반응 용기에, 알루미늄 산화물상의 3.0% 팔라듐을 함유하는 촉매 3ml 및 실시예 1에 기술된 것과 동일하되 1,350℃의 온도에서 가열된 6ml보다 많은 양의 보호층을 부하한다. 그의 비표면적은 0.2m2·g-1이다. 두 층에서의 반응 온도는 둘다 160±1℃로 유지한다. 반응 용기에 스팀 및 가스의 스트림을 90ℓ·h-1의 속도로 공급한다. 상기 스트림의 조성은 질소 91.0부피%, 산소 6.0부피%, 스팀 3.0부피%, 메탄올 0.04부피%, 포름산 0.002부피%, 쿠멘 0.01부피% 및 쿠멘 하이드로퍼옥사이드 0.01부피%이다. 청정화되는 스트림의 부피 공급 속도는 10,000ℓ·h-1이다. 촉매 작동 500시간 후 수행된 4시간의 평형화 실험 동안, 메탄올 0.192g, 포름산 0.013g, 쿠멘 0.1803g 및 쿠멘 하이드로퍼옥사이드 0.2283g을 공급한다. 이 실험에서 흡수체중 생성물의 총 함량은 메탄올 0.00173g, 포름산 0.0000g, 쿠멘 0.0011g 및 쿠멘 하이드로퍼옥사이드 0.00730g이며, 이는 메탄올 99.1%, 포름산 100%, 쿠멘 99.4% 및 쿠멘 하이드로퍼옥사이드 96.9%의 전환율에 상당한다. 촉매가 부하되지 않은 경우에는 수지화가 발견되지 않았다.
실시예 3(비교용)
실시예 1에 기술된 반응 용기에, 알루미늄 산화물상의 3.0% 팔라듐을 함유하는 촉매 12ml를 부하한다. 상기 반응 용기에 보호층은 부하하지 않는다. 실시예 1에 기술된 스팀 및 가스의 스트림을 24ℓ·h-1의 속도로 공급한다. 반응 온도는 160±1℃이다. 세정되는 스트림의 부피 공급 속도는 2,000ℓ·h-1이다. 촉매 작동 75시간 후 수행된 4시간의 평형화 실험 동안, 메탄올 0.0256g, 포름산 0.00368g, 쿠멘 0.009616g 및 쿠멘 하이드로퍼옥사이드 0.01218g을 공급한다. 이 실험에서 흡수체중 생성물의 총 함량은 메탄올 0.014g, 포름산 0.000g, 쿠멘 0.00377g 및 쿠멘 하이드로퍼옥사이드 0.00509g이며, 이는 메탄올 45.3%, 포름산 100%, 쿠멘 60.8% 및 쿠멘 하이드로퍼옥사이드 58.2%의 전환율에 상당한다. 팔라듐 촉매가 부하되지 않은 경우, 그의 절반 이상이 수지상 생성물로 덮인 것으로 발견되었다.
실시예 4(비교용)
실시예 1에 기술된 반응 용기에 실시예 2에서 제조된 보호층 12ml를 부하한다. 상기 반응 용기에 팔라듐 함유 촉매는 부하하지 않는다. 실시예 1에 기술된 스팀 및 가스의 스트림을 반응 용기에 90ℓ·h-1의 속도로 공급한다. 반응 온도는 160±1℃이다. 세정되는 스트림의 부피 공급 속도는 7,500ℓ·h-1이다. 촉매 작동 500시간 후 수행된 4시간의 평형화 실험 동안, 메탄올 0.192g, 포름산 0.0138g, 쿠멘 0.1803g 및 쿠멘 하이드로퍼옥사이드 0.2283g을 공급한다. 이 실험에서 흡수체중 생성물의 총 함량은 메탄올 0.162g, 포름산 0.000g, 쿠멘 0.1554g 및 쿠멘 하이드로퍼옥사이드 0.2011g이며, 이는 메탄올 15.6%, 포름산 100%, 쿠멘 13.8% 및 쿠멘 하이드로퍼옥사이드 11.9%의 전환율에 상당한다.
실시예 1 내지 4의 데이터를 표 1에 요약한다.
표 1의 데이터 분석으로부터, 촉매 조성물을 800 내지 1,350℃에서 소성된 비표면적 0.2 내지 1.0m2·g-1의 보호층 및 금속 함량 0.1 내지 3%의 팔라듐 촉매와 함께 사용하면, 500시간보다 많은 시간 동안 3,500 내지 10,000ℓ·h-1의 부피 흐름 속도 및 120 내지 160℃의 반응 온도에서 산소의 존재하에 스팀 및 가스의 스트림이 효과적으로 청정화됨을 알 수 있다. 촉매의 수지화는 관찰되지 않는다. 보호층의 부재하에서는, 팔라듐 함량을 증가시키고(3%), 부피 흐름 속도를 감소시키고(2,000ℓ·h-1), 반응 온도를 증가시키더라도(160℃), 촉매가 작동 75시 간 후 이미 수지화되고, 촉매의 유기 화합물 청정화 효율이 현저히 감소된다. 팔라듐 촉매의 부재하에서는 긴 작동(500시간) 후에도 보호층의 수지화가 발생하지 않는다. 그러나, 유해한 유기 물질의 전환이 무의미하고, 가스 흐름의 청정화가 일어나지 않는다.
Figure 112005064151107-pct00002

Claims (6)

  1. 방향족 하이드로퍼옥사이드 불순물을 포함하는 폐가스를 산소의 존재하에, 규소 산화물을 포함하고 촉매의 비활성화를 야기하는 유기 불순물로부터 팔라듐 촉매층을 보호하는데 효과적인 보호층에 1차로 통과시키고, 상기 폐가스를 활성 알루미늄 산화물 담체상에 담지된 0.1 내지 3중량% 팔라듐을 포함하는 팔라듐 촉매층에 2차로 통과시키는 것을 포함하는, 산업 폐가스로부터 유기 화합물을 제거하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    보호층이 그의 사용 전에 800 내지 1,350℃로 소성되는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    보호층의 비표면적이 0.2 내지 1.0m2·g-1인 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    보호층 촉매 대 팔라듐 촉매의 중량비가 0.5:1 내지 2:1인 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    보호층의 질량 조성이, 알루미늄 산화물 5.0 내지 30.0%, 철(II) 산화물 0.1 내지 5.0%, 마그네슘 산화물 0.1 내지 5.0%, 칼슘 산화물 0.1 내지 5.0%, 칼륨 산화물 0.1 내지 3.0%, 나트륨 산화물 0.1 내지 3.0% 및 티탄(IV) 산화물 0.1 내지 3.0%이며 나머지는 규소 산화물인 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    산업 폐가스가 쿠멘, 쿠멘 하이드로퍼옥사이드, 메탄올 및 포름산을 포함하는 방법.
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