KR100928910B1 - Magnetic substance-silica cluster, method for producing the same, and method for desulfurization of natural gas using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자성체-실리카 클러스터, 그의 제조 방법, 및 이를 이용한 가스의 탈황방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 제1철 이온(Fe2 +) 또는 제2철 이온(Fe+3)을 함유한 수용액에서 친수성 치환기로 표면 치환된 나노 자성체를 제조하는 제1단계; 촉매 및 계면활성제를 포함하는 수용액에서 상기 나노 자성체를 첨가하는 제2단계; 상기 제2단계의 수용액에 실리콘 전구물질을 혼합하여 나노 자성체-실리카 클러스터를 제조하는 제3단계; 및 상기 자성체-실리카 클러스터를 소성시키는 제4단계를 포함하는 자성체-실리카 클러스터의 제조방법, 그에 따라 제조된 자성체-실리카 클러스터에 황 화합물을 흡착시키는 단계를 포함하는 황 화합물을 제거 방법에 관한 것이다. The present invention is a magnetic body of silica clusters, a method of manufacturing the same, and relates to a desulfurization process of the gas using the same, and more particularly to ferrous ions (Fe + 2) or the second aqueous solution containing ferrous ions (Fe +3) A first step of preparing a nano magnetic material surface-substituted with a hydrophilic substituent; A second step of adding the nanomagnetic material in an aqueous solution containing a catalyst and a surfactant; A third step of preparing a nano magnetic material-silica cluster by mixing the silicon precursor with the aqueous solution of the second step; And a method for preparing a magnetic-silica cluster comprising a fourth step of calcining the magnetic-silica cluster, and a method for removing a sulfur compound comprising adsorbing a sulfur compound to the magnetic-silica cluster thus prepared.

자성제-실리카 클러스터, 천연가스, 황 화합물, 이합체화 반응 Magnetic agent-silica cluster, natural gas, sulfur compound, dimerization reaction

Description

자성체-실리카 클러스터, 그의 제조 방법, 및 이를 이용한 천연가스의 탈황 방법{Magnetite-Silica cluster, the method for preparing thereof and the method for desulfurization using the same}Magnetic substance-silica cluster, its manufacturing method, and desulfurization method of natural gas using the same {Magnetite-Silica cluster, the method for preparing background and the method for desulfurization using the same}

본 발명은 천연가스 등 다양한 원료 물질 내에 존재하는 황 화합물을 제거하기 위한 충분한 흡착 성능을 가지며, 흡착된 황 화합물을 탈착시키는 경우에도 흡착성능을 유지할 수 있는 흡착제, 그의 제조방법 및 이를 이용하여 황 화합물을 제거하는 방법에 관한 것이다. The present invention has a sufficient adsorption performance for removing sulfur compounds present in various raw materials such as natural gas, adsorbents that can maintain the adsorption performance even when the adsorbed sulfur compounds are desorbed, a method for producing the same and sulfur compounds using the same It is about how to remove it.

경제의 고도성장에 따른 파급효과로 대기오염이 심각해지고 있고, 그 중에서도 황산화물의 배출증가에 따른 대기오염 문제와 산성비의 피해에 대한 인식이 높아지고 있다. 또한 석유, 석탄 등과 같은 화석연료는 현재 사용되는 에너지 수요의 약 80% 이상을 담당하고 있으나, 현재의 추세로 소모될 경우 50년 이내에 매장량이 고갈될 것으로 예측되고 있다. 따라서 깨끗하고 안전한 대체에너지의 개발이 매우 필요하며 이러한 맥락에서 차세대의 이상적인 대체에너지로서 가장 주목을 받 고 있는 것이 수소에너지이다. 수소에너지를 얻기 위하여 산, 금속의 화학반응, 수소단열압축팽창, 전기분해, 또는 열분해 등이 사용될 수 있으나, 얻을 수 있는 수소의 양과 에너지 효율 때문에 물을 전기분해 하거나 천연가스 등 탄화수소 계열을 열분해하여 수소를 얻는 방법이 고려되고 있다. 지하 등에서 채굴된 천연가스는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 외에 수분, 고분자, 탄화수소, 질소, 헬륨, 탄산가스와 황화수소 등이 함유되어 있다. 특히, 천연가스에 포함되어있는 상당한 양 (5g/㎥)의 황 화합물은 공기 중에 방출되면 심각한 공해문제를 유발하게 된다. 또한 수소에너지를 얻기 위하여 천연가스를 사용할 경우 황 화합물이 연료전지의 촉매와 접촉하여 촉매의 성능을 저하한다. 따라서 천연가스의 황 성분은 연료전지의 이용에 치명적이므로 천연가스의 탈황과정은 필수적으로 이행되어야 한다. 연료의 황 화합물의 농도는 PEMFC(proton exchange membrane fuel cell)에 사용하기 위해서 1ppmw이하, SOFC(solid oxide fuel cell)을 위해서 10ppmw이하로 줄여야 한다.Due to the rapid growth of the economy, air pollution is getting serious, and among them, the awareness of air pollution and acid rain caused by the increase of sulfur oxide emissions is increasing. In addition, fossil fuels such as petroleum and coal account for more than 80% of the current energy demand. However, current consumption is expected to deplete reserves within 50 years. Therefore, it is very necessary to develop clean and safe alternative energy, and in this context, hydrogen energy is attracting the most attention as the ideal alternative energy of the next generation. In order to obtain hydrogen energy, acid, metal chemical reaction, hydrogen thermal expansion compression, electrolysis, or pyrolysis can be used, but due to the amount of hydrogen and energy efficiency that can be obtained, electrolysis of water or pyrolysis of hydrocarbon series such as natural gas A method of obtaining hydrogen is considered. Natural gas mined from the basement contains water, polymers, hydrocarbons, nitrogen, helium, carbon dioxide and hydrogen sulfide in addition to methane, ethane, propane and butane. In particular, significant amounts (5 g / m 3) of sulfur compounds contained in natural gas can cause serious pollution problems when released into the air. In addition, when natural gas is used to obtain hydrogen energy, sulfur compounds come into contact with the catalyst of the fuel cell, thereby degrading the performance of the catalyst. Therefore, since the sulfur component of natural gas is fatal to the use of fuel cells, the desulfurization process of natural gas must be implemented. The concentration of sulfur compounds in the fuel should be reduced to below 1 ppmw for use in proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) and below 10 ppmw for solid oxide fuel cells (SOFC).

이와 같이 화석연료에 함유된 대기오염의 주원인인 황 화합물을 분리하는 흡착제에 대한 관련기술은 하기와 같다. As described above, related technologies for the adsorbent for separating the sulfur compound which is the main cause of air pollution contained in the fossil fuel are as follows.

상용 흡착제인 Na-Y와 H-β 대한 디메틸설파이드(dimethylsulfide, DMS) 또는 t-부틸머캅탄(t-butylmercaptan, TBM)의 황 화합물을 흡착시키는 기술이 공지되어있다(Wakita, H. Tachibana, Y. Hosaka, M., Microporous Mesoporous Mater . 2001, 46, 237-247). 상기 문헌에 제시된 것과 같이 Na-Y는 DMS와 TBM를 각각 1.10mmol/g,0.05mmol/g의 흡착능을 가지고 있었다. 또한 H-β는 DMS와 TBM을 각각 0.89mmol/g, 0.5mmol/g의 흡착성능을 나타내었다. 흡착된 황 화합물의 양으로 치 환하면 Na-Y는 DMS와 TBM에 대하여 각각 103.4mg-sulfur/g-adsorbate, 7.05mg-sulfur/g-adsorbate 이며 H-β는 DMS와 TBM에 대하여 각각 83.66mg-sulfur/g-adsorbate, 70.5mg-sulfur/g-adsorbate이다. Techniques for adsorbing sulfur compounds of dimethylsulfide (DMS) or t - butylmercaptan (TBM) for commercially available adsorbents Na-Y and H-β are known (Wakita, H. Tachibana, Y). Hosaka, M., Microporous Mesoporous Mater . 2001, 46, 237-247). As suggested in the literature, Na-Y had adsorption capacity of 1.10 mmol / g and 0.05 mmol / g for DMS and TBM, respectively. In addition, H-β showed 0.89 mmol / g and 0.5 mmol / g adsorption performance of DMS and TBM, respectively. Substituted with the amount of sulfur compounds adsorbed, Na-Y is 103.4 mg-sulfur / g-adsorbate and 7.05 mg-sulfur / g-adsorbate for DMS and TBM, respectively, and H-β is 83.66 mg for DMS and TBM, respectively. -sulfur / g-adsorbate, 70.5 mg-sulfur / g-adsorbate.

또한, Y zeolite에 귀금속 촉매로 사용되는 질화은(silver nitrate)를 이온교환 하여 제조한 AgNa-Y를 이용하여 천연가스 내의 DMS 또는 TBM의 황 화합물을 흡착시키는 기술이 공지되어있다(Shigeo Satokawa, Yuji Kobayashi, Hiroshi Fujiki, Applied Catalysis B: Environmental 56 (2005) 51-56). 상기 문헌에서는 은(silver)의 농도에 따른 흡착제들과 활성탄을 이용하여 흡착성능을 비교하였다. 18wt.%의 은이 포함된 Ag(18)Na-Y흡착제가 가장 높은 흡착성능을 보였다. Ag(18)Na-Y흡착제는 DMS와 TBM를 각각 1.9mmol/g 및 0.6mmol/g의 흡착능을 가지고 있었다. 이것과 비교한 활성탄은 DMS와 TBM을 각각 0.2mmol/g, 및 0.6mmol/g의 흡착성능을 나타내었다. 이를 흡착된 황 화합물의 양으로 치환하면 Ag(18)Na-Y는 DMS와 TBM에 대하여 각각 178.6mg-sulfur/g-adsorbate, 및 84.6mg-sulfur/g-adsorbate 이며 활성탄은 DMS와 TBM에 대하여 각각 18.8mg-sulfur/g-adsorbate, 및 84.6mg-sulfur/g-adsorbate이었다. In addition, a technique for adsorbing sulfur compounds of DMS or TBM in natural gas using AgNa-Y prepared by ion exchange of silver nitrate used as a noble metal catalyst for Y zeolite is known (Shigeo Satokawa, Yuji Kobayashi). , Hiroshi Fujiki, Applied Catalysis B: Environmental 56 (2005) 51-56). In this document, adsorption performance was compared using activated carbon and adsorbents according to the concentration of silver. Ag (18) Na-Y adsorbent containing 18 wt.% Of silver showed the highest adsorption performance. Ag (18) Na-Y adsorbents had adsorption capacity of 1.9 mmol / g and 0.6 mmol / g for DMS and TBM, respectively. Compared with this, activated carbon showed adsorption performance of 0.2 mmol / g and 0.6 mmol / g for DMS and TBM, respectively. Substituted by the amount of sulfur compound adsorbed, Ag (18) Na-Y is 178.6mg-sulfur / g-adsorbate and 84.6mg-sulfur / g-adsorbate for DMS and TBM, respectively, and activated carbon for DMS and TBM. 18.8 mg-sulfur / g-adsorbate and 84.6 mg-sulfur / g-adsorbate, respectively.

그러나 상기 문헌에 개시된 흡착제의 경우 그 흡착능이 부족하여 황화합물에 대하여 보다 높은 흡착능을 보여 우수한 황 화합물의 제거능력을 가지는 흡착제의 개발이 필요한 실정이다. 또한 은과 같이 고가의 금속을 대체하여 높은 흡착능을 보일 수 있는 흡착제의 개발이 동시에 필요하다.However, in the case of the adsorbent disclosed in the above document, the adsorbent lacks its adsorption capacity and thus shows a higher adsorption capacity for the sulfur compound. In addition, it is necessary to develop an adsorbent capable of showing high adsorption capacity by replacing expensive metals such as silver.

한편, 한국공개특허공보 제2003-016730호는 물과 알코올을 용매로 하여 계면 활성제와 실리카 전구체를 반응시키는 단계와 자철광(Fe3O4)을 혼합하여 자철광을 중심으로 중형기공성 실리카가 부착되도록 하는 단계와 60~100℃에서 건조시키고 400~500℃에서 소성시키는 단계를 포함하는 중형기공성 실리카의 제조방법을 개시하고 있다.Meanwhile, Korean Laid-Open Patent Publication No. 2003-016730 discloses a step of reacting a surfactant and a silica precursor with water and an alcohol as a solvent, and mixing magnetite (Fe 3 O 4 ) to attach medium-sized porous silica around magnetite. And it discloses a method for producing a medium-porous silica comprising the step of drying at 60 ~ 100 ℃ and calcining at 400 ~ 500 ℃.

또한 한국공개특허공보 제2007-068871호에는 CTAB등의 계면활성제가 용해된 수용액에 마그네타이트(Fe3O4)등의 자성체 나노입자를 분산시키는 단계와 수분산액에 NH4OH 등의 촉매와 TEOS 등의 실리카 전구체를 넣어 자성체 나노입자에 메조세공 실리카로 외피층을 형성시키는 단계를 포함하는 자성체 나노입자가 내포된 메조 세공 실리카 나노입자의 제조방법을 개시하고 있다.In addition, Korean Patent Publication No. 2007-068871 discloses dispersing magnetic nanoparticles such as magnetite (Fe 3 O 4 ) in an aqueous solution in which surfactant such as CTAB is dissolved, and a catalyst such as NH 4 OH and TEOS in an aqueous dispersion. Disclosed is a method for preparing mesoporous silica nanoparticles containing magnetic nanoparticles, comprising the step of adding a silica precursor to form an outer layer of mesoporous silica on the magnetic nanoparticles.

그러나 상기 방법에 의해 제조되는 자성체-실리카 복합체는 코어에 자성체가 존재하고 그 외부에 실리카가 셀 형태로 형성되어 있는 코어/셀 형태의 복합체로서 자성체와 실리카가 상호간 응집되어 있는 본 발명의 자성체-실리카 클러스터와 그 형태가 상이하다. 또한 상기 특허공보 등은 황 화합물의 흡착에 관하여 구체적으로 개시하고 있지 않다.However, the magnetic body-silica composite prepared by the above method is a core / cell type composite body in which a magnetic body is present in the core and silica is formed in a cell form on the outside thereof, and the magnetic body and silica of the present invention are agglomerated with the magnetic body and silica. The clusters differ in form. In addition, the patent publication does not specifically disclose the adsorption of sulfur compounds.

본 발명은 상기와 같은 배경기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 황 화합물에 대하여 높은 흡착능을 보여 우수한 황 화합물의 제거능력을 가지고, 이합체화 반응에 의하여 상업적인 이용가치를 가지는 이황화물(disulfide)을 형성시킬 수 있는 촉매로써의 반응성이 우수한 흡착제 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention is to overcome the problems of the background art as described above, an object of the present invention is to show a high adsorption capacity for the sulfur compound has excellent ability to remove the sulfur compound, the disulfide having a commercial use value by the dimerization reaction It is to provide an adsorbent having excellent reactivity as a catalyst capable of forming a disulfide and a method for producing the same.

본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 흡착제를 사용하여, 다양한 원료, 특히 천연가스 중에 존재하는 황 화합물을 제거하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for removing sulfur compounds present in various raw materials, especially natural gas, using such adsorbents.

본 발명은 제1철 이온(Fe2 +) 또는 제2철 이온(Fe+3)을 함유한 수용액에서 친수성 치환기로 표면 치환된 나노 자성체를 제조하는 제1단계; 촉매 및 계면활성제를 포함하는 수용액에서 상기 나노 자성체를 첨가하는 제2단계; 상기 제2단계의 수용액에 실리콘 전구물질을 혼합하여 나노 자성체-실리카 클러스터를 제조하는 제3단계; 및 상기 자성체-실리카 클러스터를 소성시키는 제4단계를 포함하는 자성체-실리카 클러스터의 제조방법에 관한 것이다.The present invention provides a first step of preparing a nano magnetic material surface-substituted with a hydrophilic substituent in an aqueous solution containing ferrous ions (Fe 2 + ) or ferric ions (Fe + 3 ); A second step of adding the nanomagnetic material in an aqueous solution containing a catalyst and a surfactant; A third step of preparing a nano magnetic material-silica cluster by mixing the silicon precursor with the aqueous solution of the second step; And it relates to a method for producing a magnetic-silica cluster comprising a fourth step of firing the magnetic-silica cluster.

상기 제조방법에 있어서, 제1단계는 수용액에서 FeSO4·H2O, Fe2(SO4)3·H20 및 (NH4)2C2O4를 혼합하는 단계 (a); 및 상기 수용액에 수산화나트륨을 첨가하는 단 계 (b)를 포함하는 것이 바람직하다.In the above production method, the first step comprises the steps of mixing FeSO 4 H 2 O, Fe 2 (SO 4 ) 3 H 2 0 and (NH 4 ) 2 C 2 O 4 in an aqueous solution; And step (b) of adding sodium hydroxide to the aqueous solution.

또한 상기 제조방법에 있어서, 제2단계의 촉매는 염기성 촉매, 보다 구체적으로 수산화암모늄을 사용하는 것이 바람직하고, 계면활성제는 하기 화학식 1의 화합물을 사용하는 것이 바람직하다. In the above production method, the catalyst of the second step is preferably a basic catalyst, more specifically, ammonium hydroxide, and the surfactant is preferably a compound of the formula (1).

[화학식 1] [Formula 1]

CaH2a +1N(CbH2b +1)3X C a H 2a +1 N (C b H 2b +1 ) 3 X

상기 식에서, Where

a는 8 내지 20의 정수이고, b는 1 또는 2의 정수이며, X는 할로겐이다.a is an integer of 8-20, b is an integer of 1 or 2, and X is a halogen.

또한 상기 제조방법에 있어서, 제3단계에서 제조된 자성체-실리카 클러스터를 수용액으로부터 회수하는 단계 (c); 및 상기 회수된 자성체-실리카 클러스터를 여과하여 건조시키는 단계 (d)를 포함하는 것이 바람직하다.In the above production method, the step of recovering the magnetic material-silica cluster prepared in the third step from the aqueous solution (c); And (d) drying the recovered magnetic body-silica cluster by filtration.

본 발명은 또한 상기 제조방법에 의하여 제조되고 8 ~ 20 nm의 평균입경을 가지는 자성체 입자 및 100 ~ 140nm의 평균입경을 가지는 실리카 입자가 상호 응집되어 있는 것을 특징으로 하는 자성체-실리카 클러스터에 관한 것이다.The present invention also relates to a magnetic body-silica cluster characterized in that the magnetic particles produced by the above production method and the silica particles having an average particle diameter of 8 to 20 nm and the silica particles having an average particle diameter of 100 to 140 nm are mutually aggregated.

상기 자성체-실리카 클러스터는 500 ~ 800 ㎡/g의 BET 비표면적, 0.4 ~ 0.8 ㎤/g의 기공부피, 및 30 ~ 45 Å의 평균 기공 직경을 가지는 것을 특징으로 한다.The magnetic-silica cluster is characterized by having a BET specific surface area of 500 to 800 m 2 / g, pore volume of 0.4 to 0.8 cm 3 / g, and an average pore diameter of 30 to 45 mm 3.

상기 자성체-실리카 클러스터는 2° 내지 3°의 2θ에서 하나의 피크를 나타 내는 X-선 회절패턴을 가지는 것을 특징으로 한다.The magnetic-silica clusters are characterized by having an X-ray diffraction pattern showing one peak at 2θ of 2 ° to 3 °.

본 발명은 또한 자성체-실리카 클러스터에 원료, 바람직하게는 천연 가스 중에 존재하는 황 화합물을 흡착시키는 단계를 포함하는 황 화합물의 제거방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method for removing sulfur compounds comprising adsorbing sulfur compounds present in a raw material, preferably natural gas, to a magnetic-silica cluster.

본 발명에 따른 자성체-실리카 클러스터는, 대기오염물질이며 연료전지의 촉매활성을 저하시키는 황 화합물의 직접적 흡착이 가능하며, 탈착이 효과적으로 이루어져 재사용의 가능성을 제시하였고, 흡착질인 메틸머캅탄(methyl mercaptan)을 디메틸머캅탄(dimethyl mercaptane)으로 전환시키는 이합체화 반응성을 가지고 있어 촉매로의 역할을 수행하여 흡착제와 촉매로서의 다양한 이용이 가능하다. 특히 반응성을 가지고 있는 화학흡착을 함으로써 파과시간이 크게 증가하였으며 그럼에도 불구하고 탈착이 효과적으로 진행된다는 점에서 효율적인 자성체-실리카 클러스터의 사용이 가능하다. Magnetic substance-silica cluster according to the present invention is an air pollutant capable of direct adsorption of sulfur compounds that lower the catalytic activity of fuel cells, and desorption is effective, suggesting the possibility of reuse, methyl mercaptan is an adsorbent. ) Has a dimerization reactivity converting dimethyl mercaptane into dimethyl mercaptane, and thus it can be used as a catalyst and various applications as a catalyst. Particularly, the breakthrough time was greatly increased by chemisorption with reactivity, and the use of efficient magnetic body-silica cluster is possible in that the desorption proceeds effectively.

본 발명은 천연가스 내에 함유된 황 화합물을 효율적으로 흡착하여 제거할 수 있는 자성체-실리카 클러스터, 그의 제조 방법, 및 이를 이용한 천연가스의 탈황 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a magnetic substance-silica cluster capable of efficiently adsorbing and removing sulfur compounds contained in natural gas, a method for producing the same, and a method for desulfurizing natural gas using the same.

보다 구체적으로 본 발명은 제1철 이온(Fe2 +) 또는 제2철 이온(Fe+3)을 함유한 수용액에서 친수성 치환기로 표면 치환된 나노 자성체를 제조하는 제1단계; More specifically, the present invention provides a method for preparing a nano magnetic material surface-substituted with a hydrophilic substituent in an aqueous solution containing ferrous ions (Fe 2 + ) or ferric ions (Fe + 3 );

촉매 및 계면활성제를 포함하는 수용액에서 상기 나노 자성체를 첨가하는 제2단계; A second step of adding the nanomagnetic material in an aqueous solution containing a catalyst and a surfactant;

상기 제2단계의 수용액에 실리콘 전구물질을 혼합하여 나노 자성체-실리카 클러스터를 제조하는 제3단계; 및 A third step of preparing a nano magnetic material-silica cluster by mixing the silicon precursor with the aqueous solution of the second step; And

상기 자성체-실리카 클러스터를 소성시키는 제4단계를 포함하는 자성체-실리카 클러스터의 제조방법에 관한 것이다. It relates to a method for producing a magnetic-silica cluster comprising a fourth step of firing the magnetic-silica cluster.

상기와 같은 본 발명에 따른 자성체-실리카 클러스터의 제조방법은 하기에 의하여 구체화된다. The production method of the magnetic body-silica cluster according to the present invention as described above is specified by the following.

본 발명에 따른 자성체-실리카 클러스터의 제조방법의 제1단계는 제1철 이온(Fe2 +) 또는 제2철 이온(Fe+3)을 함유한 수용액에서 친수성 치환기로 표면 치환된 나노 자성체를 제조하는 단계이다.The first step of the method for producing a magnetic body-silica cluster according to the present invention is to prepare a nano-magnetic material surface-substituted with a hydrophilic substituent in an aqueous solution containing ferrous ions (Fe 2 + ) or ferric ions (Fe + 3 ) It's a step.

상기 제1단계에서 사용 가능한 제1철 이온 또는 제2철 이온을 제공하는 전구물질은 특별히 한정되지 않으나, 철과 -CO, -NO, -C5H5, 알콕사이드(alkoxide) 또는 기타 공지의 리간드가 결합된 금속화합물을 사용할 수 있으며, 구체적으로 아이언펜타카르보닐 (iron pentacarbonyl, Fe(CO)5), 페로센(ferrocene. Fe(C5H5)2), 또는 철 아세틸아세토네이트 (Fe(acac)3) 등의 다양한 유기금속화합물; 또는 금속과 Cl-, 또는 NO3 - 등의 공지된 음이온과 결합된 철이온을 포함한 금속염을 사용할 수 있으며, 구체적으로 삼클로로화철(FeCl3), 이클로로화철(FeCl2), FeCl2·4H2O, FeCl3·6H2O, FeSO4·7H2O, dehydrated Fe2(SO4)3, 또는 철 나이트레이트 (Fe(NO3)3)등 여러 종류를 제한 없이 사용가능하나, 특히 FeSO4·H2O과 Fe2(SO4)3·H20를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.Precursors providing ferrous ions or ferric ions usable in the first step are not particularly limited, but iron and -CO, -NO, -C 5 H 5 , alkoxide or other known ligands May be used, and specifically, iron pentacarbonyl (Fe (CO) 5 ), ferrocene (ferrocene. Fe (C 5 H 5 ) 2 ), or iron acetylacetonate (Fe (acac) 3 ) various organometallic compounds such as; Or metals and Cl -, or NO 3 - and combined with a known anion, such as iron to use a metal salt containing one, chloro three specifically hwacheol (FeCl 3), hwacheol in a cycle (FeCl 2), FeCl 2 · Various types such as 4H 2 O, FeCl 3 · 6H 2 O, FeSO 4 · 7H 2 O, dehydrated Fe 2 (SO 4 ) 3 , or iron nitrate (Fe (NO 3 ) 3 ) can be used without limitation. FeSO 4 · H 2 O and Fe 2 (SO 4) 3 · it is preferred to use a mixture of H 2 0.

또한, 상기 제1단계는 산성과 염기성 수용액의 특별한 제한 없이 사용할 수 있으나 안정적이고 균일한 입자를 얻기 위하여 수산화칼륨(KOH), 수산화암모늄(NH4OH), 또는 수산화나트륨(NaOH)과 같은 염기성 물질을 첨가한 염기성 수용액을 사용하는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 수산화나트륨수용액을 사용하는 것이다.In addition, the first step may be used without particular limitation of acidic and basic aqueous solution, but in order to obtain stable and uniform particles, basic materials such as potassium hydroxide (KOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH), or sodium hydroxide (NaOH) It is preferable to use a basic aqueous solution added with water, and most preferably an aqueous sodium hydroxide solution.

한편, 제1단계에서 제조된 나노 자성체는 친수성 치환기로 표면 치환된 것을 특징으로 한다. 상기 친수성 치환기는 특별히 제한되지 않으나, C2O4 2 -, 또는 R-COO-와 같은 옥살레이트기 또는 카르복실레이트기를 포함하는 화합물; 또는 R'-NH2, R'-NH-R'', R-N(R')-R'', citrates, tartaric salts, EDTA 등과 같은 하나 또는 2이상의 카르복실레이트, 유기 아민 또는 아미노카르복실레이트로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 화합물로부터 유도될 수 있다. 여기서 R, R', R''는 탄화수소 그룹을 의미한다.On the other hand, the nano-magnetic material prepared in the first step is characterized in that the surface substituted with a hydrophilic substituent. The hydrophilic substituents are not particularly limited, C 2 O 4 2 -, or R-COO - a compound containing an oxalate group, or a carboxylate such as; Or one or more carboxylates, organic amines or aminocarboxylates such as R'-NH 2 , R'-NH-R '', RN (R ')-R'', citrates, tartaric salts, EDTA, etc. It may be derived from one or more compounds selected from the group consisting of. Where R, R ', R''means a hydrocarbon group.

상기 친수성 치환기로 표면 치환하는 방법 역시 제한되지 않으나, 상기 전구물질 중에서 선택된 하나 이상의 화합물을 제1철 이온(Fe2 +) 또는 제2철 이온(Fe+3)을 함유한 수용액에 첨가하는 방법을 사용할 수 있다. Does not also limit how surface substituted with the hydrophilic substituent group, the method comprising adding at least one compound selected from the precursor in an aqueous solution containing ferrous ions (Fe + 2) or ferric ions (Fe +3) Can be used.

상기 나노 자성체가 친수성 치환기로 표면 치환되는 경우, 후술하는 제2단계에서 수용액 상에서 균일하게 분산되지 않고, 응집된 클러스터 형태로 분산된다. 즉, 친수성 치환기로 치환된 나노 자성체의 표면은 친수성이고 제2단계의 수용액 내에는 친수성 부분을 가지는 계면활성제가 존재하기 때문에 나노 자성체는 제2단계의 수용액 내에서 균일하게 분산되지 않고 클러스터 형태로 뭉쳐 있게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 자성체-실리카 복합체의 구조는 코어/셀 구조가 아닌 자성체 클러스터와 중기공 실리카가 서로 응집되어 있는 클러스터 구조를 가질 수 있다.When the nanomagnetic material is surface-substituted with a hydrophilic substituent, it is not uniformly dispersed in an aqueous solution in the second step to be described later, but dispersed in an aggregated cluster form. That is, since the surface of the nanomagnetic material substituted with a hydrophilic substituent is hydrophilic and a surfactant having a hydrophilic part is present in the aqueous solution of the second step, the nanomagnetic material is not uniformly dispersed in the aqueous solution of the second step but aggregated in cluster form. Will be. Thus, the structure of the magnetic body-silica composite according to the present invention may have a cluster structure in which magnetic clusters and mesoporous silica are aggregated with each other, not core / cell structures.

상기 제1단계에서 제조된 나노 자성체의 크기는 8 ~ 20nm 인 것이 바람직하고, 이와 같은 나노 자성체가 응집되어 분산되어 있는 나노 자성체 응집체의 크기는 100 ~ 300nm 인 것이 바람직하다.It is preferable that the size of the nano magnetic material prepared in the first step is 8 to 20 nm, and the size of the nano magnetic material aggregate in which such nano magnetic material is aggregated and dispersed is preferably 100 to 300 nm.

상기 제1단계의 원료의 혼합 순서는 크게 제한되지 않으나, 예를 들어 수용액에 FeSO4·H2O, Fe2(SO4)3·H20 및 치환기로 이용되는 (NH4)2C2O4를 혼합하는 단계 (a); 및 The mixing order of the raw material of the first step is not limited significantly, for example, FeSO 4 · H 2 O, Fe 2 (SO 4 ) 3 · H 2 0 and (NH 4 ) 2 C 2 used as a substituent in an aqueous solution Mixing O 4 (a); And

상기 수용액에 수산화나트륨을 첨가하는 단계 (b)를 포함하는 것이 바람직하다. It is preferable to include the step (b) of adding sodium hydroxide to the aqueous solution.

상기 제1단계의 수용액의 조성은 제1철 이온 또는 제2철 이온 전구물질 10 ~ 20 중량부, 친수성 치환기의 전구물질 0.5 ~ 1 중량부 및 물 80 ~ 100 중량부인 것이 바람직하다. 이때 수용액은 상술한 염기성 물질을 첨가하여 수용액의 pH를 7.6 ~ 9로 조절하는 것이 바람직하다. The composition of the aqueous solution of the first step is preferably 10 to 20 parts by weight of ferrous ions or ferric ion precursors, 0.5 to 1 parts by weight of the precursor of the hydrophilic substituent and 80 to 100 parts by weight of water. At this time, the aqueous solution is preferably adjusted to the pH of the aqueous solution to 7.6 to 9 by adding the above-described basic substance.

이와 같이 제조된 나노 자성체는 여과하여 건조하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. Nanomagnetic material thus prepared may further comprise the step of filtering and drying.

본 발명에 따른 자성체-실리카 클러스터의 제조방법의 제2단계는 촉매 및 계면활성제를 포함하는 수용액에서 상기 제1단계에서 제조한 나노 자성체 첨가하는 단계이다. The second step of the method for producing a magnetic body-silica cluster according to the present invention is a step of adding the nano-magnetic material prepared in the first step in an aqueous solution containing a catalyst and a surfactant.

상기 제2단계의 촉매는 NH4OH, 또는 NaOH와 같은 염기성 화합물과, 질산, 염산, 또는 황산과 같은 산성 화합물을 제한 없이 사용할 수 있으나, 약 염기성 촉매인 NH4OH를 사용하는 것이 바람직하다. The second step of the catalyst can be used without limitation, basic compounds such as NH 4 OH or NaOH, and acidic compounds such as nitric acid, hydrochloric acid, or sulfuric acid, but it is preferable to use NH 4 OH which is a weak basic catalyst.

또한 상기 제2단계의 계면활성제는 알킬암모늄염계, 6 내지 20개의 탄소로 이루어진 알킬아민계 또는 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드 계열의 폴리(알킬렌옥사이드) 삼중공중합체 등을 제한 없이 사용할 수 있으나, 하기 화학식 1의 화합물의 알킬암모늄염계의 계면활성제를 사용하는 것이 바람직하다. In addition, the surfactant of the second step may be used without limitation, alkyl ammonium salts, alkylamines consisting of 6 to 20 carbons or poly (alkylene oxide) terpolymers of polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide. However, it is preferable to use an alkylammonium salt-based surfactant of the compound of formula (1).

[화학식 1] [Formula 1]

CaH2a +1N(CbH2b +1)3X C a H 2a +1 N (C b H 2b +1 ) 3 X

상기 식에서, Where

a는 8 내지 20의 정수이고, b는 1 또는 2의 정수이며, X는 할로겐이다.a is an integer of 8-20, b is an integer of 1 or 2, and X is a halogen.

상기 화학식 1의 계면활성제는 할로겐화옥타데실트리메틸암모늄, 할로겐화헥사데실트리메틸암모늄, 할로겐화테트라데실트리메틸암모늄, 할로겐화도데실트리메틸암모늄, 할로겐화옥타데실트리에틸암모늄, 할로겐화헥사데실트리에틸암모늄, 할로겐화테트라데실트리에틸암모늄, 할로겐화도데실트리에틸암모늄 및 이들의 혼합물로부터 선택된 하나를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드(세틸트리메틸암모늄 브로마이드: CTMAB)를 사용하는 것이다. The surfactant of Formula 1 is octadecyltrimethylammonium halide, hexadecyltrimethylammonium halide, tetradecyltrimethylammonium halide, dodecyltrimethylammonium halide, octadecyltriethylammonium halide, hexadecyltriethylammonium halide, tetradecyltriethyl halide Preference is given to using one selected from ammonium, dodecyltriethylammonium halide and mixtures thereof, more preferably hexadecyltrimethylammonium bromide (cetyltrimethylammonium bromide: CTMAB).

제2단계의 몰 조성은 계면활성제 1M에 대하여 촉매 5 ~ 20M, 물 500 ~ 1000M인 것이 바람직하다. 또한 첨가되는 나노 자성체의 함량은 전체 클러스터의 20 ~ 60 중량부 사이로 제한 없이 첨가할 수 있다.The molar composition of the second step is preferably 5 to 20M of catalyst and 500 to 1000M of water with respect to 1M of surfactant. In addition, the amount of the nano magnetic material to be added may be added without limitation between 20 to 60 parts by weight of the total cluster.

상기 촉매 및 계면활성제를 포함하는 수용액에 나노 자성체를 첨가하여 나노 자성체를 수용액에 클러스터 형태로 분산시키기 위해서는 나노 자성체를 상기 수용액에 첨가하고 약 10 ~ 40분 동안 혼합하는 것이 바람직하다. In order to disperse the nano magnetic material in the form of a cluster by adding the nano magnetic material to the aqueous solution containing the catalyst and the surfactant, it is preferable to add the nano magnetic material to the aqueous solution and mix for about 10 to 40 minutes.

본 발명에 따른 자성체-실리카 클러스터의 제조방법의 제3단계는 상기 제2단계의 수용액에 실리콘 전구물질을 혼합하여 나노 자성체-실리카 클러스터를 제조하는 단계이다.The third step of the method for producing a magnetic-silica cluster according to the present invention is a step of preparing a nano-magnetic-silica cluster by mixing a silicon precursor with the aqueous solution of the second step.

상술한 바와 같이 본 발명의 자성체-실리카 클러스터의 제조방법은, 제2단계에서 나노 자성체를 계면활성제의 존재 하에서 클러스터 형태로 분산시킨 후 실리 카 전구물질을 투입하는 것을 특징으로 한다. 실리카 전구물질을 계면활성제와 접촉시킨 후 나노 자성체를 투입하는 경우 본 발명에 따른 자성체-실리카 클러스터가 제조되기 어렵다.As described above, the method of manufacturing the magnetic-silica cluster of the present invention is characterized in that the nano-magnetic material is dispersed in the form of a cluster in the presence of a surfactant in the second step, and then a silica precursor is introduced. When the nanomagnetic material is introduced after the silica precursor is contacted with the surfactant, the magnetic-silica cluster according to the present invention is difficult to prepare.

상기 실리카 전구물질은 테트라에틸 오르토실리케이트, 테트라메틸 오르토실리케이트, 메틸 트리에톡시실란, 페닐 트리에톡시실란, 디메틸 디메톡시 실란, 에틸 트리에톡시실란 및 이들의 혼합물로부터 이루어진 그룹 중에서 선택한 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 테트라에틸 오르토실리케이트(TEOS)를 사용하는 것이다. The silica precursor is at least one selected from the group consisting of tetraethyl orthosilicate, tetramethyl orthosilicate, methyl triethoxysilane, phenyl triethoxysilane, dimethyl dimethoxy silane, ethyl triethoxysilane and mixtures thereof It is preferable to use tetraethyl orthosilicate (TEOS).

상기 제3단계에서 첨가되는 실리카 전구물질은 제2단계의 계면활성제 1M에 대하여 3 ~ 10M을 첨가하는 것이 바람직하다.The silica precursor added in the third step is preferably added to 3 ~ 10M relative to the surfactant 1M of the second step.

또한 본 발명에 따른 자성체-실리카 클러스터의 제조방법은 상기 제3단계에서 제조된 자성체-실리카 클러스터를 수용액으로부터 회수하는 단계 (c); 및In addition, the method of producing a magnetic-silica cluster according to the present invention comprises the steps of recovering the magnetic-silica cluster prepared in the third step from the aqueous solution (c); And

상기 회수된 자성체-실리카 클러스터를 여과하여 건조시키는 단계 (d)를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.Preferably, the method further comprises the step (d) of filtering and drying the recovered magnetic body-silica cluster.

상기 수용액으로부터 자성체-실리카를 회수하는 방법은 특별히 제한되지 않으나, 자석을 이용하여 자성력을 가지고 있는 입자들을 우선적으로 회수하고, 물과 에탄올을 이용하여 3 ~ 4번의 세척하는 방법을 사용할 수 있다. 또한 상기 회수된 자성체-실리카 클러스터를 여과하여 건조시키는 단계 또한 특별히 제한되지 않으나, (c) 단계의 용액을 진공펌프가 연결된 여과기를 통해 상온에서 여과하고, 여과된 입자를 비이커에 넣고 약 100℃로 가열되어 있는 오븐에서 4 ~ 8시간 동안 건조 시키는 방법을 사용할 수 있다.The method of recovering the magnetic substance-silica from the aqueous solution is not particularly limited, but may be a method of firstly recovering the particles having magnetic force by using a magnet and washing 3 to 4 times with water and ethanol. In addition, the step of filtering and drying the recovered magnetic substance-silica cluster is not particularly limited, but the solution of step (c) is filtered at room temperature through a filter connected to a vacuum pump, and the filtered particles are put in a beaker to about 100 ° C Drying in a heated oven for 4 to 8 hours can be used.

본 발명에 따른 자성체-실리카 클러스터의 제조방법의 제4단계는 상기 제3단계에서 합성된 자성체-실리카 클러스터를 소성시키는 단계이다. A fourth step of the method for producing a magnetic body-silica cluster according to the present invention is a step of firing the magnetic body-silica cluster synthesized in the third step.

상기 단계에서 건조된 입자의 소성 단계 역시 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 소성기에서 약 12시간 내지 48시간 동안 소성시킨다. 또한 소성 단계는 약 500 내지 600℃의 소성온도까지 0.5 내지 2℃/min 속도로 상승시키는 것이 바람직하다. 상승된 온도에서 약 3 ~ 8시간을 유지시킨 후 가열을 멈추고 냉각시킨다. The firing step of the particles dried in this step is also not particularly limited, but is fired for about 12 hours to 48 hours, for example, in a firing machine. In addition, the firing step is preferably raised at a rate of 0.5 to 2 ℃ / min to a firing temperature of about 500 to 600 ℃. Hold for about 3 to 8 hours at elevated temperature, stop heating and cool.

본 발명은 또한 8 ~ 20 nm의 평균입경을 가지는 자성체 입자 및 100 ~ 140nm의 평균입경을 가지는 실리카 입자가 상호 응집되어 있는 것을 특징으로 하는 자성체-실리카 클러스터에 관한 것이다.The present invention also relates to a magnetic body-silica cluster characterized in that the magnetic particles having an average particle diameter of 8 to 20 nm and the silica particles having an average particle diameter of 100 to 140 nm are aggregated with each other.

본 발명에 따른 자성체-실리카 클러스터는 상기 자성체 입자 자체가 서로 응집되어 응집체를 이루고 이러한 자성체 응집체가 실리카 입자와 또한 상호 응집되어 있는 것을 특징으로 한다.The magnetic body-silica cluster according to the present invention is characterized in that the magnetic particles themselves agglomerate to form agglomerates, and such magnetic agglomerates are also agglomerated with silica particles.

상기 자성체 실리카-클러스터는 500 ~ 800 ㎡/g의 BET 비표면적, 0.4 ~ 0.8 ㎤/g의 기공부피, 및 30 ~ 45 Å의 평균 기공 직경을 가지는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 550 ~ 650 ㎡/g의 BET 비표면적, 0.5 ~ 0.7 ㎤/g의 기공부피, 및 35 ~ 40 Å의 평균 기공 직경을 가지는 것이 바람직하다.The magnetic silica-cluster preferably has a BET specific surface area of 500-800 m 2 / g, pore volume of 0.4-0.8 cm 3 / g, and an average pore diameter of 30-45 mm 3. More preferably, it has BET specific surface area of 550-650 m <2> / g, pore volume of 0.5-0.7 cm <3> / g, and average pore diameter of 35-40 mm <3>.

상기 자성체-실리카 클러스터 전체 평균 입경은 0.5 내지 5㎛, 보다 바람직하게는 1 내지 3㎛인 것이 바람직하다.The total average particle diameter of the magnetic body-silica cluster is preferably 0.5 to 5 µm, more preferably 1 to 3 µm.

상기 자성체-실리카 클러스터는 자성체를 씨드(seeds)로 하여 실리카와 클러스터를 구성하므로 총 클러스터에 대하여 자성체를 20 ~ 60 wt.%를 포함하는 것이 흡착능과 반응성을 보이는데 바람직하다. Since the magnetic body-silica cluster is composed of silica and a cluster using the magnetic material as seeds, it is preferable that the magnetic material contains 20 to 60 wt.% Of the magnetic material with respect to the total cluster.

특히, 복합체를 구성하는 자성체인 Fe3O4는 황 화합물에 대한 반응성을 가지고 있다. 따라서 화학결합을 통하여 흡착능을 높이고, 이합체화 반응성을 보이므로 복합체의 구성성분으로 바람직하다. In particular, the magnetic material Fe 3 O 4 constituting the complex has a reactivity to the sulfur compound. Therefore, it is preferable as a component of the composite because it increases the adsorption capacity through the chemical bonds and shows dimerization reactivity.

또한 상기 자성체-실리카 클러스터는 2° 내지 3°의 2θ에서 하나의 피크를 나타내는 X-선 회절패턴을 가지는 것을 특징으로 한다. In addition, the magnetic-silica cluster is characterized in that it has an X-ray diffraction pattern showing one peak at 2θ of 2 ° to 3 °.

본 발명은 또한 다양한 원료 중에 존재하는 황 화합물을 본 발명에 따른 자성체-실리카 클러스터에 흡착시키는 단계를 포함하는 황 화합물의 제거방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method for removing sulfur compounds comprising adsorbing sulfur compounds present in various raw materials to the magnetic-silica cluster according to the present invention.

상기 원료는 황 화합물을 포함하고 있는 원료라면 특별히 제한되지 않으나, 황 화합물을 포함하고 있는 가스상 물질, 특히 수소, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부틸렌, 도시가스 또는 천연가스인 것이 바람직하다. 또한 상기 황 화합물 역시 특별히 제한되지 않으나, 메틸머캅탄 또는 t-부틸머캅탄과 같은 알킬머캅탄, H2S, 또는 테트라하이드로티오펜 등이 바람직하다.The raw material is not particularly limited as long as it is a raw material containing a sulfur compound, but is preferably a gaseous substance containing a sulfur compound, particularly hydrogen, ethane, ethylene, propane, propylene, butane, butylene, city gas or natural gas. . In addition, the sulfur compound is not particularly limited either, alkyl mercaptan such as methyl mercaptan or t-butyl mercaptan, H 2 S, or tetrahydrothiophene is preferable.

상기 원료 내의 황 화합물의 제거를 위하여 본 발명에 따른 자성체-실리카 클러스터의 흡착은 550℃ 이하 및 15 기압 이하, 보다 바람직하게는 상온 ~ 550℃ 및 1 ~ 15 기압 조건하에서 수행할 수 있다. 온도 조건이 550℃를 초과하면 중기공 실리카 입자 구조의 변형이 가능하고, 압력이 15기압 이상이면 흡착속도의 감소가 가능하다. Adsorption of the magnetic body-silica cluster according to the present invention to remove the sulfur compound in the raw material may be carried out under 550 ℃ and 15 atm or less, more preferably at room temperature ~ 550 ℃ and 1 to 15 atmosphere conditions. If the temperature condition exceeds 550 ° C., the structure of the mesoporous silica particles can be modified, and if the pressure is 15 atm or higher, the adsorption rate can be reduced.

본 발명에 따른 원료 내의 황 화합물을 제거하는 방법은 황 화합물이 흡착된 자성체-실리카 클러스터를 재생하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 재생단계는 수소가스를 이용하여 소성기에서 약 12시간 내지 48시간 동안 소성시킨다. 특히 수소가스의 사용은 흡착제의 활성을 높여주어 반응성을 촉진시키는 역할을 한다. 소성 단계는 상온에서부터 1분에 약 1℃씩 온도를 약 200 내지 600℃까지 상승시키는 것이 바람직하다. 다음으로 상승된 온도에서 약 3 ~ 8시간을 유지시킨 후 가열을 멈추고 냉각시킨다. The method for removing the sulfur compound in the raw material according to the present invention may include regenerating the magnetic body-silica cluster to which the sulfur compound is adsorbed. The regeneration step is calcined for about 12 to 48 hours in a calciner using hydrogen gas. In particular, the use of hydrogen gas serves to increase the activity of the adsorbent to promote reactivity. In the firing step, it is preferable to raise the temperature to about 200 to 600 ° C. by about 1 ° C. per minute from room temperature. Next, after maintaining about 3 to 8 hours at the elevated temperature, the heating is stopped and cooled.

한편, 본 발명에 따른 자성체-실리카 클러스터는 천연가스 내의 황 화합물을 제거하는 흡착성능을 보임과 동시에 황 화합물인 흡착질의 이합체화 반응을 동시에 수행하여 상업적으로 이용 가능한 물질로 변화시켰다. On the other hand, the magnetic body-silica cluster according to the present invention showed the adsorption performance of removing the sulfur compound in the natural gas and at the same time, the dimerization reaction of the adsorbate as a sulfur compound was changed to a commercially available material.

이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 어떠한 경우에도 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the following Examples are provided to assist the understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the following Examples in any case.

참고예Reference Example 1:  One: MCMMCM -41 합성-41 synthetic

물 120g 에 2.4g CTMAB(Cetyltrimethylammonium bromide)과 8ml 암모늄 하이 드록사이드 (ammonium hydroxide)를 첨가하여 혼합하였다. 상기 비이커에 10ml의 TEOS (Tetraethyl- orthosilicate)를 첨가하고 5분간 혼합하고, 12시간 동안 교반하였다. 수득물을 탈이온수 (deionised water) 100 ml로 세척하고 여과하였다. 오븐을 사용하여 50℃에서 24시간 건조하고, 건조된 입자를 소성기를 사용하여 550℃에서 5 시간 동안 소성시켜 MCM-41을 수득하였다. 2.4 g CTMAB (Cetyltrimethylammonium bromide) and 8 ml ammonium hydroxide were added and mixed with 120 g of water. 10 ml of TEOS (Tetraethyl- orthosilicate) was added to the beaker, mixed for 5 minutes, and stirred for 12 hours. The obtained product was washed with 100 ml of deionised water and filtered. Drying was carried out at 50 ° C. for 24 hours using an oven, and the dried particles were calcined at 550 ° C. for 5 hours using a calcination machine to obtain MCM-41.

참고예Reference Example 2:  2: SBASBA -15 합성법-15 Synthesis

Triblock copolymer P123을 폴리프로필렌 용기에 넣은 후 0.1M HCl용액 80ml에 녹였다. 이 용액에 TEOS 4.461ml를 첨가하고 40℃에서 24시간 동안 혼합하였다. 밀폐된 공간에서 24시간 동안 120℃하에서 경화시켰다. 이를 여과한 뒤에 6시간 건조하고 550℃에서 12시간 동안 소성시켜 SBA-15를 수득하였다. Triblock copolymer P123 was placed in a polypropylene container and dissolved in 80 ml of 0.1 M HCl solution. 4.461 ml of TEOS was added to this solution and mixed at 40 ° C. for 24 hours. Cured at 120 ° C. for 24 hours in an enclosed space. After filtration, it was dried for 6 hours and calcined at 550 ° C. for 12 hours to obtain SBA-15.

참고예Reference Example 3: T-99( 3: T-99 ( ZrZr ) 합성법) Synthesis

물 126ml에 93ml의 염산을 첨가한 후 자석 교반기(magnetic stirrer)를 이용하여 10분간 혼합하여 산 수용액을 제조하였다. 상기 산 수용액에 2.26g의 TBAB (Tetrabutyl ammonium bromide)와 2.551g의 CTMAB (Cetyltrimethylammonium bromide) 및 0.162g의 ZrO(NO3)2.xH2O를 첨가하고 다시 10분간 혼합하였다. 수득한 용액에 12ml의 페트롤륨 벤진(Petroleum Benzine)을 첨가하고 8분간 혼합한 후, 제조된 수성 용액을 포함한 비이커를 냉장고(5℃정도 유지)에서 1시간 동안 숙성시켰 다. 냉장고에서 꺼낸 비이커를 자석 교반기에 올려놓고 TEOS (Tetraethylortho silicate) 8ml를 첨가하고 5분 동안 혼합하여 실리콘 전구물질 용액을 제조하였다. 제조된 실리콘 전구물질 용액을 포함한 비이커를 냉장고(-16.5 ℃)에서 12시간 동안 숙성시켰다. 그리고 비이커를 냉장고에서 꺼내 생성된 입자를 여과하였다. 여과를 통해 얻어진 입자를 맨틀히터(180℃)에 집어넣고 24시간 건조시켰다. 건조된 입자를 550℃에서 5시간 동안 소성시켜 실리카 입자 T-99(Zr)를 수득하였다. 93 ml of hydrochloric acid was added to 126 ml of water, followed by mixing for 10 minutes using a magnetic stirrer to prepare an aqueous acid solution. 2.26 g of TBAB (Tetrabutyl ammonium bromide), 2.551 g of CTMAB (Cetyltrimethylammonium bromide) and 0.162 g of ZrO (NO 3 ) 2 .xH 2 O were added to the acid aqueous solution, followed by further mixing for 10 minutes. 12 ml of petroleum benzine was added to the obtained solution and mixed for 8 minutes, and the beaker containing the prepared aqueous solution was aged in a refrigerator (maintained at 5 ° C.) for 1 hour. The beaker removed from the refrigerator was placed on a magnetic stirrer, and 8 ml of TEOS (Tetraethylortho silicate) was added and mixed for 5 minutes to prepare a silicon precursor solution. The beaker containing the prepared silicon precursor solution was aged for 12 hours in a refrigerator (-16.5 ° C.). And the beaker was taken out of the refrigerator and the produced particle was filtered. The particles obtained through filtration were placed in a mantle heater (180 ° C.) and dried for 24 hours. The dried particles were calcined at 550 ° C. for 5 hours to obtain silica particles T-99 (Zr).

제조예Production Example 1 자성체의 제조 1 Preparation of magnetic material

(1) 가열기(Hotplate)에 용기를 놓고 증류수(distilled water) 100 ml를 넣은 후에 4-넥 플라스크(4-neck flask)를 중탕시켰다. 4-넥 플라스크 각각의 넥에 오버헤드 교반기(overhead stirrer)의 임펠러(impeller), N2 투입 라인(input line), 나사관 냉각기, 및 고무마개를 연결하였다. 이때, 가열기의 온도는 83℃로 세팅하였다. (1) A vessel was placed in a hotplate, 100 ml of distilled water was added, and a 4-neck flask was heated. To each neck of the four neck flask was connected an impeller, an N 2 input line, a screw tube cooler, and a rubber stopper of an overhead stirrer. At this time, the temperature of the heater was set to 83 ° C.

(2) 상기 4-넥 플라스크에 미리 준비해 놓은 고온의 증류수를 넣고 4~5분간 N2를 흐르게 하여 산소를 제거하였다. 이때, 용액의 실제 온도는 78℃이었다. (2) Into the 4-neck flask, hot distilled water prepared in advance was added and N 2 was flowed for 4 to 5 minutes to remove oxygen. At this time, the actual temperature of the solution was 78 ℃.

(3) FeSO4·7H2O 6.0036g, Fe2(SO4)3·nH2O 8.6334g, (NH4)C2O4 0.7506g를 넣고 200rpm으로 10분 동안 교반하였다. (3) 6.0036 g of FeSO 4 · 7H 2 O, 8.6334 g of Fe 2 (SO 4 ) 3 · nH 2 O, and 0.7506 g of (NH 4 ) C 2 O 4 were added thereto, and the mixture was stirred at 200 rpm for 10 minutes.

(4) 여기에 6M NaOH를 넣어 pH를 9로 조절하고 300rpm으로 1시간 동안 교반하였다.(4) 6M NaOH was added thereto to adjust the pH to 9 and stirred at 300 rpm for 1 hour.

(5) 장치를 분리한 후, 자석을 이용하여 고온의 증류수(hot)와 에탄올로 세척한 후 에탄올을 이용하여 여과하여 건조시켰다. (5) After the device was separated, it was washed with hot distilled water (hot) and ethanol using a magnet, and then filtered and dried using ethanol.

제조예 1에서 제조된 자성체 입자의 평균 입경은 High resolution Transmission electron Microscope (HR-TEM) 로 측정한 결과 10nm 이었다.The average particle diameter of the magnetic particles produced in Preparation Example 1 was 10 nm as measured by High resolution Transmission Electron Microscope (HR-TEM).

실시예Example 1: 자성체-실리카 클러스터의 제조 1: Preparation of Magnetic Body-Silica Cluster

(1) 가열 맨틀(Heating mantle)에 4-넥 플라스크를 놓고 각각의 neck에 오버헤드 교반기(overhead stirrer)의 임펠러(impeller), N2 투입 라인(input line), 나사관 냉각기, 고무마개를 연결하였다. (1) Place a four-necked flask on a heating mantle and connect an overhead stirrer impeller, N 2 input line, screw cooler, and rubber stopper to each neck. It was.

(2) 상기 4-넥 플라스크에 76mL의 증류수와 2.7mL의 NH4OH을 넣은 후 5 분간 200rpm 으로 혼합하였다. (2) 76 mL of distilled water and 2.7 mL of NH 4 OH were added to the 4-neck flask, followed by mixing at 200 rpm for 5 minutes.

(3) 위의 염기 수용액에 1.8223g의 CTMAB(Cetyltrimethylammonium bromide)를 첨가하고 다시 5분간 혼합하였다. (200rpm, 25℃) (3) 1.8223 g of CTMAB (Cetyltrimethylammonium bromide) was added to the aqueous solution of the above base and mixed again for 5 minutes. (200rpm, 25 ℃)

(4) 여기에 제조예 1에서 건조해 놓은 자성체 1.6g을 넣어 360rpm으로 20분 동안 혼합하였다. (4) Here, 1.6 g of the magnetic substance dried in Preparation Example 1 was added and mixed at 360 rpm for 20 minutes.

(5) 자성체가 분산되어있는 용액에 TEOS(Tetraethylorthosilicate) 7mL를 주입하였다. (5) 7 mL of TEOS (Tetraethylorthosilicate) was injected into the solution in which the magnetic material was dispersed.

(6) 온도를 100℃로 올린 후 250rpm으로 24시간 동안 혼합하였다. (6) The temperature was raised to 100 ° C. and mixed at 250 rpm for 24 hours.

(7) 장치를 분리한 후, 고온의 증류수(hot)와 에탄올로 세척하고 자석을 이 용하여 자성을 가지고 있는 입자들을 얻었다. (7) After the device was separated, it was washed with hot distilled water (hot) and ethanol, and magnets were used to obtain magnetic particles.

(8) 증류수와 에탄올을 이용하여 여과하여 80℃에서 5시간 동안 건조시켰다. (8) Filtered with distilled water and ethanol and dried at 80 ℃ for 5 hours.

(9) 건조된 입자를 소성기기와 펌프를 이용하여 소성시켰다. 이 때, 소성을 위한 단계는 다음과 같았다. (9) The dried particles were fired by using a firing apparatus and a pump. At this time, the steps for firing were as follows.

승온과정: 1℃/min의 속도로 상온에서부터 550℃까지 온도를 상승Temperature rising process: The temperature is raised from room temperature to 550 ° C at a rate of 1 ° C / min.

유지과정: 550℃에서 5시간 동안 온도를 유지Maintenance process: Maintain temperature for 5 hours at 550 ℃

냉각과정: 550℃에서 상온까지 냉각 Cooling process: cooling from 550 ℃ to room temperature

실시예Example 2: 자성체-실리카 클러스터의 제조 2: Preparation of Magnetic Body-Silica Cluster

실시예 1의 (4) 단계에서 자성체 0.8 g을 추가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 자성체-실리카 클러스터를 제조하였다.Magnetic body-silica clusters were prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.8 g of the magnetic body was added in the step (4) of Example 1.

실시예 1에 따른 제조방법을 개략적으로 도 1에 도시하였고, 제조된 본 발명에 따른 자성체-실리카 클러스터의 특성을 하기와 같이 측정하였다. A manufacturing method according to Example 1 is schematically illustrated in FIG. 1, and the properties of the prepared magnetic body-silica cluster according to the present invention were measured as follows.

실시예 1에서 제조된 본 발명에 따른 자성체-실리카 클러스터의 BET 분석결과를 하기 표 1에 나타내었으며, 참고예에서 제조한 일반적인 중기공 실리카 입자와 특성을 비교하기 위하여 함께 나타내었다. 그리고 합성조건을 정리하여 표2에 정리하였다. 또한 자성체와 실리카의 조성을 유도결합플라즈마(ICP, inductively coupled plasem)로 분석하였으며 이것을 표 3에 나타내었다. 한편, 실시예 1 및 2에서 제조된 자성체-실리카 클러스터의 SEM 및 HR-TEM 사진을 도 2 내지 5에 도시 하였고, 실시예 1에서 제조한 클러스터의 XRD 분석 결과는 도 6에 도시하였다. The BET analysis results of the magnetic body-silica cluster according to the present invention prepared in Example 1 are shown in Table 1 below, and are shown together to compare the properties with the general mesoporous silica particles prepared in Reference Example. The synthesis conditions are summarized in Table 2. In addition, the composition of the magnetic material and the silica was analyzed by inductively coupled plasma (ICP), which is shown in Table 3. Meanwhile, SEM and HR-TEM images of the magnetic body-silica clusters prepared in Examples 1 and 2 are shown in FIGS. 2 to 5, and the XRD analysis results of the clusters prepared in Example 1 are shown in FIG. 6.

Surface Area(BET) (m2/g)Surface Area (BET) (m 2 / g) Pore Volume (cm3/g)Pore Volume (cm 3 / g) Pore Diameter (Å)Pore Diameter (Å) Sphere Diameter (㎛)Sphere Diameter (㎛) 실시예 1Example 1 616616 0.570.57 3737 1-31-3 MCM-41MCM-41 12001200 1.141.14 20-3020-30 0.4-10.4-1 SBA-15SBA-15 890890 1.291.29 110110 1-21-2 T-99(Si)T-99 (Si) 13311331 0.820.82 2424 2-52-5

SurfactantSurfactant Silica SourceSilica source CatalystCatalyst Pore StructurePore structure 자성체-실리카 클러스터Ferro-Silica Cluster CTMABCTMAB TEOSTEOS NH4OHNH 4 OH hexagonalhexagonal MCM-41MCM-41 CTMABCTMAB TEOSTEOS NH4OHNH 4 OH hexagonalhexagonal SBA-15SBA-15 P123* P123 * TEOSTEOS HClHCl hexagonalhexagonal T-99(Zr)T-99 (Zr) CTMAB, TBABCTMAB, TBAB TEOSTEOS HClHCl hexagonalhexagonal P123*: PEO-PPO-PEO triblock copolymerP123 * : PEO-PPO-PEO triblock copolymer

Fe[ppm]Fe [ppm] 실시예 1Example 1 236292236292 실시예 2Example 2 338075338075

상기 표 2에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 제조 방법은 MCM-41의 합성법과 동일한 원료로 합성이 진행되며 실시예 1의 (4)단계에서 자성체를 전구체로 넣어주어 자성체와 실리카의 복합체를 이루는 것을 특징으로 하고 있다. 종래의 방법에 비하여 표면적과 기공의 부피가 감소하였으며 기공의 크기는 중기공 영역의 값을 보이고 있다. 또한 상기 표3과 같이 실시예 1 및 실시예 2에 따른 자성체-실리카 클러스터는 각각 약 24wt.% 및 34wt.%의 자성체를 구성하고 있음을 확인하였다. 실시예 2의 경우 실시예 1에 비하여 적은 양의 자성체를 넣었으나, 클러스터 중 자성체의 함량은 보다 높음을 알 수 있었다. 이와 같은 결과는 과량의 자성체가 첨가되는 경우 자성체가 클러스터를 만들지 못하고, 일부가 자성체 자체로 분리되어 존재하기 때문으로 추론된다. 즉 실리카원에 비해 너무 많은 자성체의 투입은 크러스터 내에 자성체 양을 증가 시키는데 도움이 되지 않음을 확인할 수 있었다. 다만 크러스터에 너무 많은 자성체가 존재하는 것은 촉매로는 바람직하나 흡착능을 고려할 때 흡착제로는 바람직하지 않다.As shown in Table 2, the manufacturing method according to the present invention is synthesized with the same raw material as the synthesis method of MCM-41. In step (4) of Example 1, a magnetic material is added as a precursor to form a composite of the magnetic material and silica. It features. Compared to the conventional method, the surface area and the pore volume are reduced, and the pore size shows the value of the mesoporous region. In addition, as shown in Table 3, it was confirmed that the magnetic body-silica clusters according to Example 1 and Example 2 constituted about 24 wt.% And 34 wt.% Of magnetic bodies, respectively. In Example 2, a smaller amount of magnetic material was added than in Example 1, but the content of the magnetic material in the cluster was higher. This result is inferred because when the excess magnetic material is added, the magnetic material does not form a cluster, and some of the magnetic material is separated into the magnetic material itself. In other words, the addition of too much magnetic material compared to the silica source did not help to increase the amount of magnetic material in the cluster. However, the presence of too much magnetic material in the cluster is preferable as a catalyst, but not as an adsorbent in consideration of adsorption capacity.

시험예Test Example

하기와 같은 방법을 사용하여 천연가스의 황을 제거하기 위하여 흡착 파과실험을 수행하였고, 소성기기와 수소가스를 이용하여 탈착시킨 후 재흡착파과실험을 통하여 재흡착능을 살펴보았다. Adsorption breakthrough experiments were carried out to remove sulfur from natural gas using the following methods, and the adsorption breakthrough was examined using a calcination device and hydrogen gas and then resorbent breakthrough tests.

도 8에 파과실험의 장치구성을 자세하게 나타내었으며 파과실험결과는 GC(Gas chromatograph)로 얻었다. 또한 하기 표 4에 흡착탑에 관련된 내용을 나타내었다. 흡착질의 유량은 유량제어기(MFC; mass flow controller)로 조절되며 흡착질의 균일한 혼합을 위하여 혼합탱크(mixture tank)를 설치하였다. 혼합탱크 내부에는 유리비드(glass beads, Dia. Size 1.5mm)를 충진하여 효과를 증대시켰다. The device configuration of the breakthrough experiment is shown in detail in FIG. 8 and the breakthrough test result was obtained by gas chromatograph (GC). In addition, Table 4 shows the contents related to the adsorption tower. The flow rate of the adsorbate is controlled by a mass flow controller (MFC), and a mixing tank is installed for uniform mixing of the adsorbate. The inside of the mixing tank was filled with glass beads (glass beads, Dia. Size 1.5mm) to increase the effect.

또한 혼합탱크 뒤에 밸브를 설치하여 탑으로 들어가는 라인과 GC로 들어갈 수 있는 라인을 만들어 주었다. 이것은 탑에 들어가기 전, 혼합된 가스의 농도가 정확한 것인지 GC를 통하여 확인한 후에 실험을 진행하기 위함이다. 주입 가스의 역류를 방지하기 위하여 체크 밸브(CV; check valve)를 설치하였고 탑 뒤에는 필터 (2~5 microns)를 통하여 불순물의 GC주입을 막았다. In addition, a valve was installed behind the mixing tank to create a line to the tower and a line to the GC. This is to proceed with the experiment after confirming through GC whether the concentration of the mixed gas is correct before entering the tower. A check valve (CV) was installed to prevent backflow of the injected gas, and behind the tower, GC injection of impurities was prevented through a filter (2-5 microns).

흡착탑은 흡착질로 인한 부식을 최소화하기 위하여 316 스테인레스 스틸(Stainless steel)로 만들어졌으며 온도조건을 변화시키면서 실험을 진행하기 위하여 온도제어기(TC; temperature controller)와 저항 온도 측정기(RTD; resistance temperature detector)를 이용하였다. 이것으로부터 탑 내부의 온도를 정확하게 조절하여 온도 변화에 따른 파과실험을 수행하였다. The adsorption tower is made of 316 stainless steel to minimize corrosion due to adsorbates. A temperature controller (TC) and a resistance temperature detector (RTD) are used to conduct experiments with changing temperature conditions. Was used. From this, the temperature inside the tower was precisely controlled and the breakthrough experiment was performed according to the temperature change.

Adsorbent massAdsorbent mass 0.3g0.3 g Column diameterColumn diameter 7mm7 mm Gas flow rateGas flow rate 0.5L/min0.5 L / min Column lengthColumn length 50mm50 mm

(1) 흡착탑에서 흡착제의 유실 및 말단 효과(end effect)를 최소화하기 위해 탑의 각 양단에 0.1g의 글라스 울(glass wool)을 넣어주었다. (1) In order to minimize the loss and end effect of the adsorbent in the adsorption tower, 0.1 g of glass wool was put at each end of the tower.

(2) 소성시켜 얻은 흡착제 0.3g을 충진 하였으며, feed의 공급유량은 50mL/min으로 흡착탑 내로 공급하였다. 이때, 흡착탑의 채널링(channeling) 및 탑 공극을 최소화하기 위하여 고무망치를 사용하여 충신시켰다. (2) 0.3g of the adsorbent obtained by firing was filled, and the feed flow rate was 50mL / min into the adsorption tower. In this case, in order to minimize the channeling (channel) of the adsorption tower and the tower voids were filled using a rubber hammer.

(3) 실험조건의 흡착질의 농도와 홉착 온도를 조절하여 일정하게 유지시킨 후 GC를 통하여 반복적으로 흡착탑에서 나오는 가스의 농도를 분석하였다. (3) The concentration of the adsorbate and the adhesion temperature of the experimental conditions were kept constant and the concentration of the gas exiting the adsorption column was repeatedly analyzed through GC.

(4) 흡착과정 후에는 상기에서 언급한 탈착과정을 통하여 흡착제를 탈착시킨 후 동일한 파과실험방법으로 재파과실험을 수행하였다. (4) After the adsorption process, the adsorption agent was desorbed through the above-mentioned desorption process, and then the breakthrough experiment was performed by the same breakthrough test method.

자성체-실리카 클러스터의 파과실험결과(흡착질(methyl mercaptan):300ppm, 25℃)를 도 9에 나타내었다. 본 발명에 따른 자성체-실리카 클러스터는 37분의 파과시간을 가지고 있다. 또한 복합체의 이합체화 반응으로 methyl mercaptan과 dimethyl disulfide의 파과곡선을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 각각의 파과곡선으로부터 37분에 methyl mercaptan이 먼저 검출되며 56분에 dimethyl disulfide가 나타난다. 또한 dimethyl disulfide의 농도를 methyl mercaptan으로 치환하여 흡착탑을 나오는 전체 gas의 파과곡선을 나타내었다. The breakthrough test results of the magnetic body-silica cluster (methyl mercaptan: 300 ppm, 25 ° C.) are shown in FIG. 9. The magnetic body-silica cluster according to the present invention has a breakthrough time of 37 minutes. In addition, the dimerization reaction of the complex shows that it has a breakthrough curve of methyl mercaptan and dimethyl disulfide. At 37 minutes from each breakthrough curve, methyl mercaptan is detected first, followed by dimethyl disulfide at 56 minutes. In addition, the breakthrough curve of the total gas exiting the adsorption column was shown by substituting methyl mercaptan for dimethyl disulfide.

자성체의 함량에 따른 자성체-실리카 클러스터의 파과곡선의 경향을 파악하기 위하여 실시예 2에 따른 자성체-실리카 클러스터의 파과실험결과(흡착질(methyl mercaptan):300ppm, 25℃)를 도 10에 나타내었다. 도 10의 결과에서 알 수 있듯이 27분의 파과시간을 가지고 있고 반응성을 보임을 알 수 있었다. 각각의 파과곡선으로부터 27분에 methyl mercaptan이 먼저 검출되며 85분에 dimethyl disulfide가 나타난다. 특히 dimethyl disulfide가 최대로 전환된 부분을 비교해보면 실시예 1의 자성체-실리카 클러스터보다 전환된 가스의 농도가 높다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 자성체의 함량이 증가할수록 dimethyl disulfide의 반응 전환율이 높고 자성체의 구성으로 인하여 복합체 내의 Silica의 함량은 줄어들기 때문에 파과시간은 다소 감소하는 경향을 관찰 할 수 있었다. In order to understand the tendency of the breakthrough curve of the magnetic body-silica cluster according to the content of the magnetic body, the breakthrough test results of the magnetic body-silica cluster according to Example 2 (methyl mercaptan: 300 ppm, 25 ° C.) are shown in FIG. 10. As can be seen from the results of FIG. 10, it has a breakthrough time of 27 minutes and shows reactivity. At 27 minutes from each breakthrough curve, methyl mercaptan is detected first, followed by dimethyl disulfide at 85 minutes. In particular, comparing the portion of the maximum conversion of dimethyl disulfide was confirmed that the concentration of the converted gas is higher than the magnetic-silica cluster of Example 1. Therefore, as the magnetic content increased, the breakdown time tended to decrease slightly because the reaction conversion rate of dimethyl disulfide was higher and the content of Silica in the composite decreased due to the composition of the magnetic material.

흡착질의 농도와 흡착온도를 변화하여 수행한 파과실험결과를 도 11에 나타내었다. 또한 하기 표 5에 각각의 실험결과의 반응성을 정리하였다. 표 5에 나타낸 것과 같이 온도가 높고 흡착질의 농도가 낮을수록 반응 전환율이 높다는 것을 알 수 있었다. 또한 파과시간은 도 11의 결과와 같이 온도가 높을수록 파과시간이 감소하며 농도가 낮을수록 파과시간이 증가함을 보여주고 있다. 단, 모든 파과곡선은 dimethyl disulfide을 methyl mercaptan의 농도로 변환하여 나타내었다.The breakthrough experiments performed by varying the adsorbate concentration and adsorption temperature are shown in FIG. 11. In addition, Table 5 below summarizes the reactivity of each experimental result. As shown in Table 5, the higher the temperature and the lower the concentration of the adsorbate, the higher the conversion of the reaction. In addition, as shown in FIG. 11, the breakthrough time decreases as the temperature increases, and as the concentration decreases, the breakthrough time increases. However, all breakthrough curves were expressed by converting dimethyl disulfide to methyl mercaptan.

300ppm, 25℃300ppm, 25 ℃ methyl mercaptan+dimethyl disulfidemethyl mercaptan + dimethyl disulfide 300ppm, 50℃300ppm, 50 ℃ dimethyl disulfidedimethyl disulfide 300ppm, 100℃300ppm, 100 ℃ dimethyl disulfidedimethyl disulfide 100ppm, 25℃100ppm, 25 ℃ dimethyl disulfidedimethyl disulfide 100ppm, 100℃100ppm, 100 ℃ dimethyl disulfidedimethyl disulfide

재파과실험(흡착질(methyl mercaptan):300ppm, 25℃)에 대한 파과곡선은 도 12에 나타내었다. 도 12의 결과에서 알 수 있듯이 37분의 파과시간을 가지고 있고 반응성을 보임을 알 수 있었다. 각각의 파과곡선으로부터 37분에 dimethyl disulfide가 먼저 검출되며 171분에 methyl mercaptan이 나타난다. 특히 흡착파과결과인 도 9와 비교하면 재흡착파과실험도 동일한 파과시간을 가지고 있음을 알 수 있었다. 그러나 재흡착파과는 탈착과정 중 흡착제의 활성이 커져 초기 관찰되는 가스의 성분이 dimethyl disulfide임을 확인할 수 있었다. Breakthrough curves for re-breakthrough experiment (methyl mercaptan: 300 ppm, 25 ° C.) are shown in FIG. 12. As can be seen from the result of FIG. 12, it has a breakthrough time of 37 minutes and shows reactivity. At 37 minutes from each breakthrough curve, dimethyl disulfide is detected first, followed by methyl mercaptan at 171 minutes. In particular, it can be seen that the resorption breakthrough experiment also has the same breakthrough time as compared to FIG. However, the resorption breakthrough increased the activity of the adsorbent during the desorption process, indicating that the gas component initially observed was dimethyl disulfide.

참고예 1의 MCM-41에 대한 파과실험결과(흡착질(methyl mercaptan):300ppm, 25℃)를 도 13에 나타내었다. 이것은 본 발명에 따른 자성체-실리카 클러스터를 구성하는 실리카의 제조방법과 동일한 MCM-41의 흡착성능으로부터 복합체의 구성영향을 관찰하기 위하여 수행하였다. 특히 MCM-41은 파과결과 반응성이 없이 흡착질인 methyl mercaptan이 흡착탑을 빠져나왔다. 그리고 흡착질이 탑에 주입됨과 동시에 흡착탑을 빠져나온 것으로부터 파과시간이 매우 짧다는 것을 확인하였다. 따라서 MCM-41은 methyl-mercaptan에 대한 약한 흡착능을 가지고 있으며 이것이 자성체와 복합체를 구성하면서 황 화합물에 대한 흡착능이 커짐을 알 수 있었다. The breakthrough test result (adsorbent (methyl mercaptan): 300 ppm, 25 ° C) of MCM-41 of Reference Example 1 is shown in FIG. 13. This was done to observe the constitutive effects of the composites from the adsorption performance of MCM-41, which is the same as the method for producing silica constituting the magnetic body-silica cluster according to the present invention. In particular, MCM-41 breaks through the adsorption column with methyl mercaptan, which is adsorbent without reactivity. And it was confirmed that the breakthrough time was very short since the adsorbate was injected into the tower and exited the adsorption tower. Therefore, MCM-41 has a weak adsorption capacity for methyl-mercaptan, and it can be seen that the adsorption capacity for sulfur compound increases as it forms a complex with magnetic material.

참고예 3의 T-99(Zr)에 대하여 각각의 조건에서 파과실험을 수행한 결과를 도 14에 나타내었다. T-99(Zr)는 액체상에서 황 화합물의 높은 흡착능을 가지고 있다. 따라서 본 발명에 따른 자성체-실리카 클러스터와 흡착성능을 비교하기 위하여 수행하였다. 도 14를 통하여 알 수 있듯이 온도가 낮을수록 파과시간이 길고 흡착질의 농도가 낮을수록 긴 파과시간을 가짐을 확인하였다. 특히 흡착질의 반응성을 보이지 않으며 흡착질인 methyl mercaptan이 흡착탑을 빠져나오는 것을 확인하였다. 이것은 자성체-실리카 클러스터와 달리 흡착질에 대한 반응성을 가지고 있지 않으며 5분 이내의 짧은 파과시간을 가지고 있음을 알 수 있었다. The results of the breakthrough experiments performed under the conditions of T-99 (Zr) in Reference Example 3 are shown in FIG. 14. T-99 (Zr) has a high adsorption capacity of sulfur compounds in the liquid phase. Therefore, the magnetic body-silica cluster according to the present invention was performed to compare the adsorption performance. As can be seen from FIG. 14, the lower the temperature, the longer the breakthrough time, and the lower the adsorbate concentration, the longer the breakthrough time. In particular, it did not show the reactivity of the adsorbate and confirmed that the adsorbent methyl mercaptan exit the adsorption tower. Unlike magnetic-silica clusters, it has no reactivity with adsorbates and has a short breakthrough time of less than 5 minutes.

흡착실험을 마친 흡착제들의 탈착과정을 수행하면서 탈착된 양으로부터 흡착량을 역추정하였다. 자성체-실리카 클러스터, MCM-41, 및 T-99(Zr)의 결과를 각각 도 15a 내지 15c에 나타내었다. 초기에 탈착되는 수분을 제외하고 황 화합물의 탈착량을 비교하면 자성체-실리카 클러스터의 탈착량이 MCM-41과 T-99(Zr)에 비하여 약 5.2 ~ 5.4배 정도 큰 것을 확인할 수 있었다. 따라서 자성체-실리카 클러스터는 MCM-41와 T-99(Zr)에 비하여 methyl mercaptane의 흡착량이 5.2~5.4배 정도 크다는 것을 알 수 있었다. The amount of adsorption was reversely estimated from the amount of desorbed during the desorption of the adsorbents after the adsorption experiment. The results of the magnetic body-silica cluster, MCM-41, and T-99 (Zr) are shown in FIGS. 15A-15C, respectively. Comparing the desorption amount of the sulfur compound except for the initial desorption of water, it was confirmed that the desorption amount of the magnetic body-silica cluster was about 5.2 to 5.4 times larger than that of MCM-41 and T-99 (Zr). Therefore, the magnetic-silica clusters showed that the adsorption amount of methyl mercaptane was 5.2 ~ 5.4 times higher than that of MCM-41 and T-99 (Zr).

또한 도 16에 제시한 재파과실험 후의 탈착실험을 통하여 흡착제의 재사용에도 황 화합물에 대한 유사한 흡착량을 가지고 있으며 탈착력도 우수함을 확인하였다. 이것은 흡착제의 재사용에도 성능저하가 없이 효율적인 사용이 가능함을 알 수 있다. In addition, the desorption experiment after the re-breakthrough experiment shown in FIG. 16 confirms that the reuse of the adsorbent has a similar adsorption amount to the sulfur compound and the desorption force is also excellent. It can be seen that it is possible to use the adsorption of the adsorbent without degradation in performance.

mass(%)mass (%) mg-adsorbate/g-adsorbentmg-adsorbate / g-adsorbent mmol-adsorbate/g-adsorbentmmol-adsorbate / g-adsorbent 자성체-실리카 클러스터Ferro-Silica Cluster 16.4916.49 164.9164.9 3.5093.509 MCM-41MCM-41 3.073.07 30.730.7 0.65330.6533 T-99(Zr)T-99 (Zr) 3.153.15 31.531.5 0.6700.670

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 자성체의 제조방법을 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성체-실리카 클러스터의 제조 방법을 도시한 흐름도이다. FIG. 1A is a flowchart illustrating a method of manufacturing a nano-magnetic material according to an embodiment of the present invention. FIG. 1B is a flowchart illustrating a method of manufacturing a magnetic material-silica cluster according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 자성체-실리카 클러스터에 대한 SEM(scanning electron micrometer) 사진이다. 2 is a scanning electron micrometer (SEM) photograph of the magnetic body-silica cluster according to Example 1 of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 자성체-실리카 클러스터에 대한 HR-TEM(High Resolution Transmission Electron Microscope) 사진이다. 3 is a High Resolution Transmission Electron Microscope (HR-TEM) photograph of the magnetic material-silica cluster according to Example 1 of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 자성체-실리카 클러스터에 대한 SEM(scanning electron micrometer) 사진이다. 4 is a scanning electron micrometer (SEM) photograph of the magnetic body-silica cluster according to Example 2 of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 자성체-실리카 클러스터에 대한 HR-TEM(High Resolution Transmission Electron Microscope) 사진이다.5 is a High Resolution Transmission Electron Microscope (HR-TEM) photograph of the magnetic-silica cluster according to Example 2 of the present invention.

도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 자성체-실리카 클러스터에 대한 XRD 패턴이다. 6 is an XRD pattern for a magnetic-silica cluster according to Example 1 of the present invention.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 흡착질(Methyl-mercaptan)의 반응경로를 나타낸 그림이다. 7 is a diagram showing the reaction path of the adsorbate (Methyl-mercaptan) in one embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 파과실험의 장치도이다. 8 is an apparatus diagram of a breakthrough test according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 자성체-실리카 클러스터의 파과실험결과이다. 9 is a breakthrough test result of the magnetic body-silica cluster according to Example 1 of the present invention.

도 10은 본 발명의 실시예 2에 따른 자성체-실리카 클러스터의 파과실험결과 이다. 10 is a breakthrough test result of the magnetic material-silica cluster according to the second embodiment of the present invention.

도 11은 본 발명의 실시예 1에 따른 자성체-실리카 클러스터의 흡착온도와 흡착질의 농도변화에 따른 파과실험결과이다. 11 is a breakthrough test result according to the adsorption temperature and the concentration of the adsorbate of the magnetic material-silica cluster according to Example 1 of the present invention.

도 12는 본 발명의 실시예 1에 자성체-실리카 클러스터의 재파과실험결과이다. 12 is a result of re-breakthrough experiment of the magnetic body-silica cluster in Example 1 of the present invention.

도 13은 종래의 흡착제인 MCM-41의 파과실험결과이다. 13 is a breakthrough test result of the conventional adsorbent MCM-41.

도 14는 종래의 흡착제인 T-99(Zr)의 파과실험결과이다. 14 is a breakthrough test result of T-99 (Zr) which is a conventional adsorbent.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 자성체-실리카 클러스터의 파과실험 후의 Tg 곡선(Thermo-gravimetric curve)과 종래의 흡착제인 MCM-41, T-99(Zr)의 파과실험 후의 Tg곡선의 그림이다. 15 is a diagram of a Tg curve after a breakthrough test of a magnetic body-silica cluster and a Tg curve after a breakthrough test of MCM-41 and T-99 (Zr), which are conventional adsorbents, according to an embodiment of the present invention. .

도 16은 본 발명의 일 실시예에 자성체-실리카 클러스터의 파과실험 후의 Tg 곡선과 비교하기 위하여 실시한 자성체-실리카 클러스터의 재파과실험 후의 Tg곡선이다. FIG. 16 is a Tg curve after re-breakthrough of a magnetic-silica cluster conducted in order to compare with a Tg curve after breaking through a magnetic-silica cluster according to an embodiment of the present invention.

Claims (20)

제1철 이온(Fe2+) 또는 제 2철 이온(Fe+3)을 함유한 수용액에서 하나 이상의 옥살레이트기 또는 카르복실레이트기를 포함하는 화합물, 유기 아민 또는 아미노카르복실레이트로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 화합물로부터 유도되는친수성 치환기로 표면 치환된 나노 자성체를 제조하는 제1단계; Selected from the group consisting of compounds, organic amines or aminocarboxylates comprising at least one oxalate group or carboxylate group in an aqueous solution containing ferrous ions (Fe 2+ ) or ferric ions (Fe +3 ) A first step of producing a nano-magnetic surface substituted with a hydrophilic substituent derived from one or more compounds; 촉매 및 계면활성제를 포함하는 수용액에서 상기 나노 자성체를 첨가하는 제2단계; A second step of adding the nanomagnetic material in an aqueous solution containing a catalyst and a surfactant; 상기 제2단계의 수용액에 실리콘 전구물질을 혼합하여 나노 자성체-실리카 클러스터를 제조하는 제3단계; 및 A third step of preparing a nano magnetic material-silica cluster by mixing the silicon precursor with the aqueous solution of the second step; And 상기 자성체-실리카 클러스터를 소성시키는 제4단계를 포함하는 자성체-실리카 클러스터의 제조방법. Method for producing a magnetic-silica cluster comprising a fourth step of firing the magnetic-silica cluster. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 제1단계의 수용액은 염기성 수용액인 것을 특징으로 하는 자성체-실리카 클러스터의 제조방법. The aqueous solution of the first step is a method of producing a magnetic-silica cluster, characterized in that the basic aqueous solution. 삭제delete 제1항에 있어서, The method of claim 1, 제1단계는 수용액에서 FeSO4·H2O, Fe2(SO4)3·H20 및 (NH4)2C2O4를 혼합하는 단계 (a); 및 The first step includes mixing FeSO 4 H 2 O, Fe 2 (SO 4 ) 3 H 2 0 and (NH 4 ) 2 C 2 O 4 in an aqueous solution; And 상기 수용액에 수산화나트륨을 첨가하는 단계 (b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자성체-실리카 클러스터의 제조방법. Method for producing a magnetic-silica cluster, characterized in that it comprises the step (b) of adding sodium hydroxide to the aqueous solution. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 제2단계의 촉매는 염기성 촉매인 것을 특징으로 하는 자성체-실리카 클러스터의 제조방법. The catalyst of the second step is a method for producing a magnetic-silica cluster, characterized in that the basic catalyst. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 제2단계의 계면활성제는 하기 화학식 1의 화합물인 것을 특징으로 하는 자성체-실리카 클러스터의 제조방법. The surfactant of the second step is a method of producing a magnetic-silica cluster, characterized in that the compound of formula (1). [화학식 1][Formula 1] CaH2a +1N(CbH2b +1)3X C a H 2a +1 N (C b H 2b +1 ) 3 X 상기 식에서, Where a는 8 내지 20의 정수이고, b는 1 또는 2의 정수이며, X는 할로겐이다. a is an integer of 8-20, b is an integer of 1 or 2, and X is a halogen. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 화학식 1의 계면활성제는 할로겐화옥타데실트리메틸암모늄, 할로겐화헥사데실트리메틸암모늄, 할로겐화테트라데실트리메틸암모늄, 할로겐화도데실트리메틸암모늄, 할로겐화옥타데실트리에틸암모늄, 할로겐화헥사데실트리에틸암모늄, 할로겐화테트라데실트리에틸암모늄, 및 할로겐화도데실트리에틸암모늄으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 자성체-실리카 클러스터의 제조방법. Surfactants of the formula (1) include octadecyltrimethylammonium halide, hexadecyltrimethylammonium halide, tetradecyltrimethylammonium halide, dodecyltrimethylammonium halide, octadecyltriethylammonium halide, hexadecyltriethylammonium halide, tetradecyltriethylammonium halide And at least one selected from dodecyl triethylammonium halide. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 제3단계의 실리콘 전구물질은 테트라에틸 오르토실리케이트, 테트라메틸 오르토실리케이트, 메틸 트리에톡시실란, 페닐 트리에톡시실란, 디메틸 디메톡시 실란, 에틸 트리에톡시실란 및 이들의 혼합물로부터 이루어진 그룹 중에서 선택한 하나 이상인 것을 특징으로 하는 자성체-실리카 클러스터의 제조방법. The silicon precursor of the third stage is selected from the group consisting of tetraethyl orthosilicate, tetramethyl orthosilicate, methyl triethoxysilane, phenyl triethoxysilane, dimethyl dimethoxy silane, ethyl triethoxysilane and mixtures thereof Method for producing a magnetic-silica cluster, characterized in that above. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 제3단계에서 제조된 자성체-실리카 클러스터를 수용액으로부터 회수하는 단계 (c); 및 Recovering the magnetic body-silica cluster prepared in the third step from the aqueous solution (c); And 상기 회수된 자성체-실리카 클러스터를 여과하여 건조시키는 단계 (d)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 자성체-실리카 클러스터의 제조방법. And (d) filtering the dried magnetic body-silica cluster and drying the recovered magnetic body-silica cluster. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 제4단계의 소성 온도는 500 내지 600℃인 것을 특징으로 하는 자성체-실리카 클러스터의 제조방법. The firing temperature of the fourth step is a method for producing a magnetic-silica cluster, characterized in that 500 to 600 ℃. 8 ~ 20 nm의 평균입경을 가지는 자성체 입자 및 100 ~ 140nm의 평균입경을 가지는 실리카 입자가 상호 응집되어 있는 자성체-실리카 클러스터.A magnetic-silica cluster in which magnetic particles having an average particle diameter of 8 to 20 nm and silica particles having an average particle diameter of 100 to 140 nm are aggregated with each other. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 클러스터는 500 ~ 800 ㎡/g의 BET 비표면적, 0.4 ~ 0.8 ㎤/g의 기공부피, 및 30 ~ 45 Å의 평균 기공 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 자성체-실리카 클러스터. And the cluster has a BET specific surface area of 500-800 m 2 / g, pore volume of 0.4-0.8 cm 3 / g, and an average pore diameter of 30-45 mm 3. 제11항에 있어서, The method of claim 11, 자성체-실리카 클러스터의 전체 평균 입경은 0.5 내지 5㎛인 클러스트 형태인 것을 특징으로 하는 자성체-실리카 클러스터. Magnetic body-silica cluster, characterized in that the total average particle diameter of the magnetic body-silica cluster is in the form of a cluster of 0.5 to 5㎛. 제11항에 있어서, The method of claim 11, 나노 자성체 입자의 함량이 총 자성체 실리카 클러스터에 대하여 20 ~ 60 wt%인 것을 특징으로 하는 자성체-실리카 클러스터. Magnetic-silica cluster, characterized in that the content of the nano-magnetic particles are 20 to 60 wt% with respect to the total magnetic silica cluster. 제11항에 있어서, The method of claim 11, 자성체-실리카 클러스터는 2° 내지 3°의 2θ에서 하나의 피크를 나타내는 X-선 회절패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 자성체-실리카 클러스터. The magnetic body-silica cluster having an X-ray diffraction pattern showing one peak in 2θ of 2 ° to 3 °. 원료 중에 존재하는 황 화합물을 제11항에 따른 자성체-실리카 클러스터에 흡착시키는 단계를 포함하는 황 화합물의 제거방법. A method for removing a sulfur compound comprising adsorbing a sulfur compound present in the raw material to the magnetic-silica cluster according to claim 11. 제16항에 있어서, The method of claim 16, 원료는 수소, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부틸렌, 도시가스 또는 천연 가스인 것을 특징으로 하는 황 화합물의 제거방법. The raw material is hydrogen, ethane, ethylene, propane, propylene, butane, butylene, city gas or natural gas. 제16항에 있어서, The method of claim 16, 500℃ 이하 및 15 기압 이하 조건하에서 자성체-실리카 클러스터를 원료와 접촉시키는 것을 특징으로 하는 황 화합물의 제거방법. A method for removing sulfur compounds, characterized in that the magnetic body-silica cluster is brought into contact with the raw materials under the conditions of 500 ° C. or lower and 15 atm or lower. 제16항에 있어서, The method of claim 16, 황 화합물이 흡착된 자성체-실리카 클러스터를 200 ~ 600℃의 수소 분위기에서 처리하여 재생시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 황 화합물의 제거방법. And removing the sulfur compound adsorbed magnetic material-silica cluster in a hydrogen atmosphere at 200-600 ° C. to recover the sulfur compound. 제16항에 있어서, The method of claim 16, 자성체-실리카 클러스터가 황 화합물의 이합체화 반응성을 가지는 것을 특징으로 하는 황 화합물의 제거방법.A method of removing a sulfur compound, characterized in that the magnetic body-silica cluster has a dimerization reactivity of the sulfur compound.
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