KR100963778B1 - Manufacture method of catalyst for the carbon dioxide reforming of methane, and its reforming reaction - Google Patents
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Abstract
본 발명은 메탄의 이산화탄소 개질 반응 촉매의 제조방법 및 이를 이용한 개질 방법에 관한 것이다. 본 발명은 실리카 메조포어 분자체 담체를 질산니켈을 녹인 수용액에 담지시키고 함침처리 후 건조시키고 소성하여 촉매를 제조하는 제 1단계와; 제 1단계에서 제조된 촉매를 조촉매 수용액에 추가로 담지하여 건조하고 소성하는 제 2단계;를 포함한다. 본 발명에 의하면 코크로 인한 활성 저하가 방지되므로 메탄과 이산화탄소의 전환률과 혼합가스의 수율을 안정적으로 유지할 수 있는 이점이 있다. The present invention relates to a method for preparing a carbon dioxide reforming reaction catalyst of methane and a reforming method using the same. The present invention comprises a first step of preparing a catalyst by supporting a silica mesoporous molecular sieve carrier in an aqueous solution in which nickel nitrate is dissolved, followed by drying and firing after impregnation treatment; And a second step of further supporting the catalyst prepared in the first step in an aqueous solution of a cocatalyst, drying and calcining. According to the present invention, since the deterioration of activity due to coke is prevented, there is an advantage in that the conversion of methane and carbon dioxide and the yield of mixed gas can be stably maintained.
개질 반응, 촉매, 코크 Reforming reaction, catalyst, coke
Description
본 발명은 메탄의 이산화탄소 개질 반응 촉매의 제조방법 및 이를 이용한 개질 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 낮은 H₂/CO의 비를 요구하는 합성 반응들에 유용하게 사용될 수 있는 메탄의 이산화탄소 개질 반응 촉매의 제조방법 및 이를 이용한 개질 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing a carbon dioxide reforming reaction catalyst of methane and a reforming method using the same, and more particularly, to a carbon dioxide reforming reaction catalyst of methane which can be usefully used in synthetic reactions requiring a low H 2 / CO ratio. It relates to a manufacturing method and a reforming method using the same.
지구 온난화에 영향을 미치는 기체들로는 이산화탄소, 염화불화탄소(CFC), 아산화질소(N2O), 메탄(CH4) 등이 있으며, 이 가운데 이산화탄소가 약 55% 이상을 차지하는 것으로 알려져 있다. Gases that affect global warming include carbon dioxide, chlorofluorocarbons (CFCs), nitrous oxide (N 2 O), and methane (CH 4 ), with carbon dioxide accounting for about 55% or more.
따라서 최근 이산화탄소의 배출량을 규제하기 위한 노력이 국제적으로 확대되고 있으며, 에너지 효율을 높이는 관련 공정기술이나 대체에너지의 개발 및 이산화탄소의 재활용이 중요하게 부각되고 있다.As a result, efforts to regulate carbon dioxide emission have been expanded internationally, and development of related process technology or alternative energy that improves energy efficiency, and recycling of carbon dioxide is important.
이산화탄소를 재활용하는 기술로는 이산화탄소를 메탄과 반응시켜 수소 및 일산화탄소 혼합물로 제조하는 방법이 있다. 매장량이 풍부하여 천연가스 중 80%를 차지하고 있는 메탄은 이산화탄소와 반응하여 화학원료로 부가가치가 높은 합성가스를 얻을 수 있다는 점에서 활발한 연구의 대상이 되고 있다. Recycling carbon dioxide is a method of reacting carbon dioxide with methane to produce a mixture of hydrogen and carbon monoxide. Methane, which has abundant reserves and
메탄의 이산화탄소에 의한 개질 반응은 아래의 반응식 중 반응식 (1)과 같다. The reforming reaction of methane by carbon dioxide is shown in Scheme (1) below.
CH4 + CO2 → 2H2 + 2CO 반응식 (1)CH 4 + CO 2 → 2H 2 + 2CO scheme (1)
CH4 + H2O → 3H2 + CO 반응식 (2)CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO scheme (2)
CO2 + H2 →CO + H2O 반응식 (3)CO 2 + H 2 → CO + H 2 O scheme (3)
2CO → C + CO2 반응식 (4)2CO → C + CO2 Scheme (4)
CO + H2→C + H2O 반응식 (5)CO + H 2 → C + H 2 O Scheme (5)
CH4 → C + 2H2 반응식 (6)CH4 → C + 2H2 Scheme (6)
CO2 → C + O2 반응식 (7)CO2 → C + O2 Scheme (7)
여기서, 반응식 (2)는 수증기 개질 반응식이다. 위의 반응식과 같이, 반응식 (1)의 이산화탄소 개질 반응은 수증기 개질 반응에 비하여 얻어지는 합성가스의 H₂/CO의 몰비가 낮고 흡열 반응인 특성을 갖는다. Here, scheme (2) is a steam reforming scheme. As shown in the above reaction scheme, the carbon dioxide reforming reaction of the reaction formula (1) has a characteristic that the molar ratio of H 2 / CO of the synthesis gas obtained is lower than that of the steam reforming reaction and is an endothermic reaction.
그리고, 반응식(1)에서 생성된 수소는 반응물인 이산화탄소와 반응하여 반응식 (3)의 역수성가스화가 진행되는데, 역수성가스화가 진행되면 물이 생성된다. 이에 따라 반응식 (2)의 수증기 개질 반응도 이산화탄소의 개질 반응에 참여한다. In addition, the hydrogen generated in the reaction formula (1) reacts with carbon dioxide, which is a reactant, and the reverse water gasification of the reaction formula (3) proceeds. When the reverse water gasification proceeds, water is generated. Accordingly, the steam reforming reaction of Scheme (2) also participates in the reforming reaction of carbon dioxide.
반응식 (1)의 경우에 반응 엔탈피는 △H°298=247.44kJ/mol로 반응식 (2)의 엔탈피 △H°298=206.28kJ/mol보다 약간 더 큰 흡열 반응이다. 메탄에 의한 이산화탄소 개질 반응의 표준 자유에너지 변화는 640℃ 이상에서 △Go < 0 으로 알려져 있고, 부반응인 수성가스화 반응(Water Gas Shift Reaction, 반응식 (3)의 역반응)은 815℃, 반응식 (4)의 Boudouard 반응은 710℃ 이하에서 △Go < 0이다. 따라서 이산화탄소의 개질 반응시 부반응이 억제되고 합성가스로의 전환이 우세해지기 위해서는 700℃ 이상의 고온이 필요하다. Reaction enthalpy in the case of Scheme 1 is a △ H ° 298 = 247.44kJ / mol to the enthalpy of the reaction formula (2) △ H ° 298 = 206.28kJ / slightly larger than endothermic mol. Standard free energy change of carbon dioxide reforming reaction by methane is ΔG o above 640 ° C. <0 is known, the side reaction of water gasification reaction (Water Gas Shift Reaction, the reverse reaction of the reaction formula (3)) is 815 ℃, Boudouard reaction of Scheme 4 is △ G o below 710 ℃ <0. Therefore, in order to suppress side reactions in the reforming reaction of carbon dioxide and to convert to syngas, a high temperature of 700 ° C. or more is required.
그리고, 반응 조건에 따라 반응식 (4) 내지 반응식 (7)에 해당하는 탄소 석출 반응이 진행되어 코크를 생성하므로 촉매의 비활성화가 일어날 수 있다.And, depending on the reaction conditions, the carbon precipitation reaction corresponding to the reaction formulas (4) to (7) proceeds to produce coke, so that the catalyst may be deactivated.
이러한 이산화탄소 개질 반응은 국내외를 망라하여 촉매 및 담체의 선정과 반응 조건의 영향 평가에 대한 연구에 초점을 맞추어 진행되어 오고 있다. The carbon dioxide reforming reaction has been focused on researches on the selection of catalysts and carriers and on the evaluation of the influence of reaction conditions across the country and abroad.
이산화탄소 개질 촉매는 크게 니켈 담지 촉매와 백금, 팔라듐, 로듐 등 귀금속 촉매의 두가지 계열로 크게 나누어질 수 있는데, 귀금속 담지 촉매는 좋은 활성과 안정성을 보이지만 경제적인 면에서 공업화 가능성이 적으므로 기존의 수증기 개질 촉매로 널리 사용되고 있는 니켈 담지 촉매계를 개선하여 사용하는 것이 바람직하다. Carbon dioxide reforming catalysts can be broadly divided into two types: nickel-supported catalysts and noble metal catalysts such as platinum, palladium, and rhodium.The supported catalysts show good activity and stability but are economically unlikely to be industrialized. It is preferable to use the nickel-supported catalyst system which is widely used as a catalyst.
하지만, 니켈 촉매의 경우 상술한 바와 같이, 코크 형성에 대한 저항성과 함께 고온에서 반응시 상변화에 따른 비활성화, 금속 성분의 소결 등의 문제가 있어 이를 극복하는 촉매의 개발이 가능할 경우 공정에의 적용이 가속화할 전망이다. However, in the case of nickel catalyst, as described above, there is a problem such as resistance to coke formation, deactivation due to phase change when reacting at high temperature, sintering of metal components, etc. This is expected to accelerate.
이산화탄소 개질 반응에서 가장 큰 문제점은 시간이 지남에 따라 탄소의 침적으로 인한 촉매의 비활성화이다. The biggest problem with carbon dioxide reforming is the deactivation of the catalyst due to the deposition of carbon over time.
니켈계 촉매는 귀금속 촉매보다 탄소의 침적이 더 쉽게 일어난다. 귀금속 촉매를 사용하면 비활성화가 거의 나타나지 않거나 적게 나타난다. 하지만 높은 촉매 가격으로 인한 실용상의 문제점이 있으므로 탄소 침적에 의한 비활성화를 방지하기 위해 니켈 촉매의 개선과 관련된 연구들이 필요한 실정이다. Nickel-based catalysts tend to deposit carbon more easily than precious metal catalysts. The use of precious metal catalysts shows little or no deactivation. However, since there is a practical problem due to the high catalyst price, studies related to the improvement of the nickel catalyst are required to prevent deactivation by carbon deposition.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 안전성이 확보되면서도 귀금속 촉매보다 상대적으로 저가인 니켈을 사용하여 촉매를 제조하되, 탄소 침적에 의한 비활성화를 방지할 수 있는 메탄의 이산화탄소 개질 반응 촉매의 제조방법 및 이를 이용한 개질 방법을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the conventional problems as described above, the object of the present invention is to produce a catalyst using nickel, which is relatively cheaper than the noble metal catalyst while ensuring safety, can prevent the deactivation by carbon deposition It is to provide a method for preparing a carbon dioxide reforming reaction catalyst of methane and a reforming method using the same.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 실리카 메조포어 분자체 담체를 질산니켈을 녹인 수용액에 담지시키고 함침처리 후 건조시켜 소성하는 제 1단계와; 제 1단계에서 제조된 촉매를 조촉매 수용액에 추가로 담지하여 건조하고 소성하는 제 2단계;를 포함한다. The present invention is to solve the conventional problems as described above, the present invention comprises a first step of supporting the silica mesopore molecular sieve carrier in an aqueous solution of nickel nitrate dissolved, dried after the impregnation treatment and firing; And a second step of further supporting the catalyst prepared in the first step in an aqueous solution of a cocatalyst, drying and calcining.
상기 제 1단계에서, 상기 니켈은 상기 실리카 메조포어 분자체 담체에 5~15wt% 범위로 담지된다. In the first step, the nickel is supported on the silica mesopore molecular sieve carrier in the range of 5-15 wt%.
상기 제 2단계에서, 상기 조촉매는 염기성 금속 산화물로 칼슘과 칼륨이다. In the second step, the promoters are calcium and potassium as basic metal oxides.
상기 칼슘과 칼륨은 상기 제 1단계에서 제조된 촉매에 1~7wt% 범위로 동시에 담지된다. The calcium and potassium are simultaneously supported in the range of 1 ~ 7wt% on the catalyst prepared in the first step.
상기 니켈은 상기 실리카 메조포어 분자체 담체에 5~15wt% 범위로 담지되고, 상기 조촉매는 칼륨과 칼슘이다. The nickel is supported on the silica mesoporous molecular sieve carrier in the range of 5-15 wt%, and the promoters are potassium and calcium.
상술한 방법에 의해 제조된 촉매를 반응기 내에 충진하는 충진단계와; 상기 충진단계 실시 후 반응가스인 메탄과 이산화탄소를 헬륨으로 희석시키는 희석단계와 상기 희석단계 후 상기 메탄과 이산화탄소를 상기 반응기로 공급하여 개질 반응시키는 반응단계;를 포함한다. A filling step of filling the reactor prepared by the above method into a reactor; A dilution step of diluting the reaction gas methane and carbon dioxide with helium after the filling step and a reaction step of supplying the methane and carbon dioxide to the reactor after the dilution step for reforming reaction.
상기 희석단계에서, 상기 메탄과 이산화탄소와 헬륨은 1:1:3의 몰비로 혼합한다. In the dilution step, the methane, carbon dioxide and helium are mixed in a molar ratio of 1: 1: 3.
상기 반응단계에서, 상기 반응기의 온도는 500~700℃범위로 조절한다. In the reaction step, the temperature of the reactor is adjusted to 500 ~ 700 ℃ range.
본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다. According to the present invention has the following effects.
첫째, 본 발명은 표면적이 넓은 실리카 메조포어 분자체를 담체로 사용하므로 니켈의 분포를 고르게 하여 메탄에 의해 탄소가 누적되는 것을 방지할 수 있다. First, since the present invention uses a wide surface area silica mesoporous molecular sieve as a carrier, it is possible to evenly distribute the nickel to prevent carbon accumulation by methane.
둘째, 본 발명은 칼슘과 칼륨의 조촉매가 추가로 적용되므로 축적된 코크가 일산화탄소로 전환가능하다.Second, in the present invention, the coke of calcium and potassium is additionally applied, so that the accumulated coke can be converted into carbon monoxide.
따라서 본 발명에 의한 메탄의 이산화탄소 개질 반응 촉매를 이용하면 코크 침적에 의한 촉매 비활성화를 방지할 수 있다. 이에 따라 탄소 저항성을 향상되므로 메탄과 이산화탄소 전환률의 안정성과 혼합가스의 수율을 증진시킬 수 있는 효과가 있다. Therefore, using the carbon dioxide reforming reaction catalyst of methane according to the present invention can prevent catalyst deactivation by coke deposition. As a result, the carbon resistance is improved, thereby improving the stability of the methane and carbon dioxide conversion and the yield of the mixed gas.
이하 본 발명에 의한 메탄의 이산화탄소 개질 반응 촉매의 제조방법 및 이를 이용한 개질 방법의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method for preparing a carbon dioxide reforming reaction catalyst of methane according to the present invention and a preferred embodiment of the reforming method using the same will be described in detail.
본 발명의 촉매는 실리카 메조포어 분자체(ZSM-5, MCM-41, KIT-1) 담체에 니 켈을 담지시키고, 칼슘과 칼륨의 염기성 금속 산화물을 첨가하여 제조한다.The catalyst of the present invention is prepared by supporting nickel on a silica mesoporous molecular sieve (ZSM-5, MCM-41, KIT-1) carrier and adding basic metal oxides of calcium and potassium.
실리카 메조포어 분자체(ZSM-5, MCM-41, KIT-1) 담체는 넓은 표면적과 잘 발달된 세공 구조로 니켈을 균등하게 분산시키는 역할을 한다. 그리고 실리카 계열 분자체 담체는 이산화탄소에 대한 높은 흡착력을 가진다. 이는 메탄에 의해 탄소가 누적되는 것을 방지하여 이산화탄소의 개질 반응에 유리하게 작용한다. Silica mesoporous molecular sieves (ZSM-5, MCM-41, KIT-1) carriers serve to disperse nickel evenly with a large surface area and well developed pore structure. In addition, the silica-based molecular sieve carrier has a high adsorption capacity for carbon dioxide. This prevents the accumulation of carbon by methane, which favors the reforming reaction of carbon dioxide.
니켈은 메조포어 분자체에 5~15wt% 범위로 담지되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5~10wt% 범위로 담지되는 것이 바람직하다. 이는 메탄과 이산화탄소의 전환률을 증가시키기 위한 것으로, 5wt% 미만으로 담지되면 일산화탄소의 수율이 낮고, 15wt%를 초과하면 시간 경과에 따라 메탄과 이산화탄소의 전환률은 증가하나 일산화탄소의 수율이 코크에 의해 급격히 감소하기 때문이다. Nickel is preferably supported on the mesopore molecular sieve in the range of 5-15 wt%, and more preferably 5-10 wt%. This is to increase the conversion rate of methane and carbon dioxide. When it is loaded below 5wt%, the yield of carbon monoxide is low, and when it exceeds 15wt%, the conversion rate of methane and carbon dioxide increases over time, but the yield of carbon monoxide is drastically reduced by coke. Because.
일산화탄소의 수율은 니켈 담지량이 10wt%일 때 가장 높고 그 이후에는 감소한다. 하지만 감소된 일산화탄소 수율은 칼슘과 칼륨의 염기성 금속 산화물의 첨가로 일정부분 보상된다. 하지만 니켈이 고가인 점을 고려하여 담지량의 범위를 15wt%로 제한한다. The yield of carbon monoxide is highest when the nickel loading is 10 wt% and then decreases. However, the reduced carbon monoxide yield is partly compensated by the addition of basic metal oxides of calcium and potassium. However, considering the high price of nickel, the range of loading is limited to 15wt%.
칼륨과 칼슘은 코크를 감소시키고 니켈의 결합력을 증가시키기 위한 조촉매로 첨가된다. 칼슘과 칼륨은 온도가 올라갈수록 2CO → C + CO2 반응과 CO + H2 → C + H2O의 역반응 속도를 증가시켜 축척된 코크를 일산화탄소로 전환 시키는 역할을 한다.Potassium and calcium are added as cocatalysts to reduce coke and increase the binding of nickel. Calcium and potassium increase in temperature as 2CO → C + CO 2 Reaction and CO + H 2 → increases the reverse reaction rate of C + H 2 O to convert the accumulated coke to carbon monoxide
그리고, 산성인 이산화탄소는 염기성 조촉매에 강하게 흡착되어 표면의 대부 분을 덮음으로써 니켈상에서 메탄의 지나친 탈수소화를 억제하고 코크 형성을 막는다. 이는 메탄의 이산화탄소 개질 반응으로 형성된 코크가 니켈 주위를 둘러싸고 활성점을 봉쇄하는 캡슐화(encapsulation)형태가 아니라 촉매의 활성점에 직접적인 영향이 적은 일방향으로 성장하는 단결정(whisker)형태이기 때문이다. Acidic carbon dioxide is strongly adsorbed by the basic promoter to cover most of the surface, thereby inhibiting excessive dehydrogenation of methane on nickel and preventing coke formation. This is because the coke formed by the carbon dioxide reforming reaction of methane is not a type of encapsulation that surrounds the nickel and blocks the active site, but a single crystal that grows in one direction with little direct influence on the active site of the catalyst.
상기 칼슘과 칼륨의 염기성 금속 산화물은 1~7wt% 범위로 첨가되는 것이 바람직하다. 이는 1~7wt% 범위까지의 첨가시 메탄이나 이산화탄소의 안정적인 전환률과 일산화탄소의 수율 증가를 보이기 때문이다. 그리고, 7wt%를 초과하면 일산화탄소의 수율이 기준점 이하로 감소된다. 그리고, 칼슘과 칼륨의 염기성 금속 산화물은 3wt% 첨가될 때 메탄이나 이산화탄소의 안정적인 전환률과 가장 높은 일산화탄소의 수율을 보인다.The basic metal oxide of calcium and potassium is preferably added in the range of 1 ~ 7wt%. This is because the addition of 1 to 7wt% shows stable conversion of methane or carbon dioxide and increased yield of carbon monoxide. And, if it exceeds 7wt%, the yield of carbon monoxide decreases below the reference point. The basic metal oxides of calcium and potassium show stable conversion of methane or carbon dioxide and the highest yield of carbon monoxide when 3wt% is added.
다음으로 상술한 성분으로 조성되는 메탄의 이산화탄소 개질 반응 촉매의 제조방법에 대해 설명한다.Next, the manufacturing method of the carbon dioxide reforming reaction catalyst of methane which consists of the above-mentioned component is demonstrated.
본 발명은 니켈을 여러 중량비로 혼합하고 적절한 온도 조건에서 건조 및 소성한 후, 여기에 조촉매로 칼륨과 칼슘을 첨가하여 메탄의 이산화탄소 개질 반응 촉매를 제조한다. In the present invention, nickel is mixed at various weight ratios, dried and calcined at appropriate temperature conditions, and potassium and calcium are added thereto as cocatalysts to prepare a carbon dioxide reforming reaction catalyst of methane.
메탄의 이산화탄소 개질 반응 촉매를 제조하는 방법은 실리카 메조포어 분자체 담체를 질산니켈을 녹인 수용액에 담지시키고 함침처리 후 건조시키고 소성하여 촉매를 제조하는 제 1단계와; 제 1단계에서 제조된 촉매를 칼슘산화물과 칼륨산화물에 추가로 담지하여 건조시킨 후 소성하는 제 2단계;를 포함한다. A method for preparing a carbon dioxide reforming reaction catalyst of methane includes the first step of preparing a catalyst by supporting a silica mesoporous molecular sieve carrier in an aqueous solution of nickel nitrate, drying, and sintering after impregnation; And a second step of baking the catalyst prepared in the first step by further supporting the calcium oxide and the potassium oxide, drying and calcining.
제 1단계에서 실리카 메조포어 분자체 담체는 수열 안정성을 고려하여 니켈 을 증류수 대신 에탄올을 사용하여 60℃에서 함침 제조한다. 니켈 담지량은 5~15wt%의 범위에서 제조하고, 조촉매로 칼슘과 칼륨산화물을 1~7wt의 범위에서 첨가한다. In the first step, the silica mesoporous molecular sieve carrier is prepared by impregnating nickel at 60 ° C. using ethanol instead of distilled water in consideration of hydrothermal stability. The amount of nickel supported is prepared in the range of 5-15 wt%, and calcium and potassium oxide are added in the range of 1-7 wt.
다음으로 상술한 성분으로 조성되는 메탄의 이산화탄소 개질 반응 촉매를 이용한 개질 방법에 대해 설명한다.Next, the reforming method using the carbon dioxide reforming reaction catalyst of methane which consists of the above-mentioned component is demonstrated.
본 발명의 촉매를 이용한 개질 방법은 촉매를 반응기 내에 충진하는 충진단계와; 상기 충진단계 실시 후 반응가스인 메탄과 이산화탄소를 헬륨으로 희석시키는 희석단계;와 상기 희석단계에서 희석된 메탄과 이산화탄소를 상기 반응기로 공급하여 일정온도하에서 개질 반응시키는 반응단계;를 포함한다. The reforming method using the catalyst of the present invention includes a filling step of filling the catalyst into the reactor; A dilution step of diluting the reaction gas methane and carbon dioxide with helium after the filling step; and a reaction step of supplying the methane and carbon dioxide diluted in the dilution step to the reactor and reforming the reaction at a predetermined temperature.
여기서 온도는 500~700℃범위가 바람직하다. 이는 반응기의 온도가 500℃미만인 경우 메탄과 일산화탄소의 전환률이 낮고, 700℃를 초과하면 메탄과 일산화탄소의 전환률은 우수하나 에너지 효율 측면에서 바람직하지 않기 때문이다. The temperature is preferably in the range of 500 to 700 ° C. This is because the conversion of methane and carbon monoxide is low when the temperature of the reactor is less than 500 ° C., and the conversion of methane and carbon monoxide is excellent when it exceeds 700 ° C., but it is not preferable in terms of energy efficiency.
본 발명에 의한 개질 방법에서는 메탄의 분해 및 일산화탄소의 해리 등에 의한 반응기 봉쇄현상을 방지하기 위하여 이산화탄소와 메탄을 헬륨으로 희석시킨다. 이때, 메탄:이산화탄소:헬륨은 1:1:3으로 혼합된다. 이는 이산화탄소와 메탄의 몰비가 1:1인 경우에 일산화탄소의 수율이 최대값을 나타내기 때문이다. In the reforming method according to the present invention, carbon dioxide and methane are diluted with helium to prevent reactor blockage due to decomposition of methane and dissociation of carbon monoxide. At this time, methane: carbon dioxide: helium is mixed at 1: 1: 3. This is because the yield of carbon monoxide shows the maximum value when the molar ratio of carbon dioxide and methane is 1: 1.
이하, 상술한 메탄의 이산화탄소 개질 반응 촉매 및 그 제조방법의 작용을 실시 예를 통해 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, the operation of the above-described carbon dioxide reforming reaction catalyst of methane and its preparation method will be described in detail with reference to the following examples.
(실시예)(Example)
1.메탄의 이산화탄소 개질 반응 촉매의 제조1. Preparation of Carbon Dioxide Reforming Catalyst of Methane
알루미나(Al2O3), 란타니아(LaO3), ZSM-5 및 실리카 메조포어 분자체의 여러 담체를 질산 니켈(Nickel nitrate)을 녹인 수용액에 담지시키고 회전증발기(rotary evaporator)를 사용하여 80℃에서 서서히 교반하여 충분히 혼합하였다. 이후 약한 진공상태에서 수분을 증발시켜 함침법으로 니켈 담지 촉매를 제조하였다. 이때, 순수 실리카 메조포어 분자체의 담체는 수열 안정성을 고려하여 니켈을 증류수 대신 에탄올을 사용하여 60℃에서 촉매를 함침 제조하였다.The various carriers of alumina (Al 2 O 3 ), lanthanum (LaO 3 ), ZSM-5 and silica mesopore molecular sieves were immersed in an aqueous solution of nickel nitrate and a rotary evaporator was used. Stirred slowly at < RTI ID = 0.0 > Thereafter, moisture was evaporated in a weak vacuum to prepare a nickel-supported catalyst by impregnation. At this time, the carrier of the pure silica mesopore molecular sieve was prepared by impregnating the catalyst at 60 ° C. using ethanol instead of distilled water in consideration of hydrothermal stability.
상술한 방법에 의해 제조된 모든 촉매는 진공오븐에서 120℃에서 12시간 건조시키고 질소(N2)를 불어 넣어 주면서 4.5℃/min의 속도로 550℃까지 승온한 다음 4시간 동안 공기 분위기에서 소성 하였다.All catalysts prepared by the above method were dried at 120 ° C. in a vacuum oven for 12 hours, heated to 550 ° C. at a rate of 4.5 ° C./min while blowing nitrogen (N 2 ), and then fired in an air atmosphere for 4 hours. .
니켈 담지량은 5wt% ~15wt%의 범위에서 제조하였고, 조촉매로 칼슘과 칼륨산화물을 1wt% ~ 7wt%의 범위에서 첨가하였다.Nickel loading was prepared in the range of 5 wt% to 15 wt%, and calcium and potassium oxide were added in the range of 1 wt% to 7 wt% as a promoter.
조촉매를 담지하기 위해서는 니켈을 각 함유량에 맞게 먼저 담지하여 건조 및 소성 과정을 거친 다음 칼슘산화물과 칼륨산화물을 추가 담지하여 12시간 건조 후 4시간 소성시켜 제조하였다. In order to support the cocatalyst, nickel was firstly supported according to each content, followed by drying and calcining, followed by further supporting calcium oxide and potassium oxide, followed by drying for 12 hours, and then firing for 4 hours.
2.메탄의 이산화탄소 개질 반응 촉매를 이용한 개질 반응2.Reforming Reaction Using Methane Carbon Dioxide Reforming Catalyst
상술한 모든 촉매는 반응 전에 700℃ 수소 분위기에서 3시간 동안 환원시킨 후 대기압 하에서 반응을 진행한다. All the catalysts described above are reduced for 3 hours in a hydrogen atmosphere of 700 ° C. before the reaction, and then the reaction is performed under atmospheric pressure.
촉매 반응은 석영 고정층 반응기(10)를 사용한다. 반응가스인 메탄과 이산화 탄소의 몰비는 1:1로 조절하고 헬륨으로 희석시켜 500~700℃ 에서 반응시킨다.Catalytic reaction uses a quartz fixed
반응 온도는 반응기 내부의 촉매층에 설치된 열전대에 연결된 온도 제어기(11)를 사용하여 조절한다. 메탄과 이산화탄소 및 기체(carrier gas)인 헬륨의 유량은 유량조절기(MFC)(13)로 조절하였다. The reaction temperature is controlled using a
메탄의 개질 반응은 환원된 니켈 금속의 활성점에서 메탄의 분해, 생성물인 일산화탄소의 해리 등에 의해 침적된 코크로 인한 반응기 내의 압력이 걸리거나 심하면 반응기의 봉쇄현상이 일어날 수 있으므로 메탄과 이산화탄소를 헬륨으로 희석시킨 반응 가스를 유입시켜 반응시켰다. The reforming reaction of methane is caused by pressure in the reactor due to coke deposited due to decomposition of methane at the active site of reduced nickel metal, dissociation of carbon monoxide, etc., or severe blockage of the reactor can cause methane and carbon dioxide to helium. Diluted reaction gas was introduced and reacted.
메탄, 이산화탄소, 헬륨의 비는 1:1:3으로 유지하였고 경우에 따라 그 몰비를 변화시키면서 실험을 하였다. 반응물의 몰비의 영향을 보기 위하여 메탄의 이산화탄소에 대한 몰비를 0.3~3의 범위에서 조절하였으며 반응 가스의 공간속도는 20,000~80,000 l/kg·h 로 조절하였다.The ratio of methane, carbon dioxide, and helium was maintained at 1: 1: 3, and experiments were made with varying molar ratios. To see the effect of the molar ratio of the reactants, the molar ratio of methane to carbon dioxide was adjusted in the range of 0.3 to 3, and the space velocity of the reaction gas was adjusted to 20,000 to 80,000 l / kg · h.
반응 생성물은 가스분석장치(GC)(15)를 이용하여 분석하였으며 실리카와 포라펙 큐(Porapak Q) 컬럼에 대해 각각 이동상 기체(carrier gas)로 헬륨과 질소를 사용하였다. 촉매의 비표면적은 340℃의 온도에서 3시간 정도 진공 상태에서 전처리한 다음 얻어진 질소 흡착 등온선으로부터 구했으며 촉매 제조 전후의 담체의 상태를 파악하기 위해서 X-ray 회절 분석을 수행하였다. 촉매 반응 후의 코크 형상을 알아보기 위해 주사 전자 현미경을 사용하였고, 시차열 중량기(TG-DTA) 분석으로 반응에 사용한 촉매를 10℃/min 속도로 700℃까지 가열하며 동반된 무게 감소와 발열 피크로 코크의 형성 정도를 비교하였다.Reaction products were analyzed using a gas analyzer (GC) (15) and helium and nitrogen were used as carrier gas for silica and Porapak Q columns, respectively. The specific surface area of the catalyst was obtained from the nitrogen adsorption isotherm obtained after pretreatment in vacuo for about 3 hours at a temperature of 340 ° C. X-ray diffraction analysis was performed to determine the state of the carrier before and after the preparation of the catalyst. Scanning electron microscope was used to determine the coke shape after the catalytic reaction, and the differential weight gravimetric (TG-DTA) analysis was used to heat the catalyst used for the reaction to 700 ° C. at a rate of 10 ° C./min, accompanied by weight loss and exothermic peaks. The degree of formation of the coke was compared.
그리고, 상술한 과정에 의해 제조되고 분석된 촉매의 개질반응을 각각의 실험예로서 설명한다. And, the reforming reaction of the catalyst prepared and analyzed by the above-described process will be described as each experimental example.
실험예 1 : 실시예에 의해 제조된 촉매의 개질반응에서 담체의 영향을 확인하기 위해, 도 1에 도시된 반응기를 이용하여 다음과 같은 실험을 실시하였다. Experimental Example 1 In order to confirm the influence of the carrier in the reforming reaction of the catalyst prepared by the example, the following experiment was performed using the reactor shown in FIG.
실험조건 및 결과는 아래의 표 1과 같다. Experimental conditions and results are shown in Table 1 below.
표 1은 여러 종류의 담체에 니켈을 5wt% 담지해서 제조한 촉매와 상업용 니켈 담지 촉매인 ICI 46-1 등의 이산화탄소 개질 반응 실험 결과를 나타낸 것이다.Table 1 shows the results of carbon dioxide reforming reaction experiments of a catalyst prepared by supporting 5 wt% nickel on various carriers and ICI 46-1, which is a commercial nickel supported catalyst.
촉매
catalyst
SBET(m2/g)
S BET (m 2 / g)
실험시 동일조건[T=650℃, CH4:CO2:He=1:1:3, 공간속도(F/W)=40,000 1/kg·h, Ni담지량: 5wt%]Experimental conditions [T = 650 ℃, CH 4 : CO 2 : He = 1: 1: 3, Space velocity (F / W) = 40,000 1 / kg · h, Ni loading: 5wt%]
실험결과, Ni/ZSM-5, Ni/MCM-41, Ni/KIT-1 등 실리카 메조포어 분자체에 담지한 니켈 촉매의 메탄과 이산화탄소의 전환률이 Ni/Al2O3, Ni/La2O3, ICI 46-1 보다 더 우수하며, 일산화탄소 수율도 높은 것을 알 수 있었다. 또한, 실리카 메조포어 분자체에 담지한 촉매가 반응 시간이 길어지더라도 안정적인 전환률을 나타냄을 확인할 수 있다. As a result, the conversion rate of methane and carbon dioxide of the nickel catalyst supported on the silica mesopore molecular sieve such as Ni / ZSM-5, Ni / MCM-41, Ni / KIT-1 was Ni / Al 2 O 3 , Ni / La 2 O 3 , better than ICI 46-1, it was found that the carbon monoxide yield is high. In addition, it can be seen that the catalyst supported on the silica mesopore molecular sieve shows stable conversion even if the reaction time is longer.
실험예 2 : 실시예에 의해 제조된 촉매의 개질반응에서 니켈 담지량의 영향을 확인하기 위해, 도 1에 도시된 반응기를 이용하여 다음과 같은 실험을 실시하였다. Experimental Example 2 In order to confirm the effect of the nickel loading in the reforming reaction of the catalyst prepared according to the example, the following experiment was performed using the reactor shown in FIG.
실험조건 및 결과는 아래의 표 2과 같다. Experimental conditions and results are shown in Table 2 below.
표 2는 니켈의 담지량을 변화시키면서 650℃와 700℃에서 반응 실험을 수행한 결과를 나타낸 것이다. Table 2 shows the results of the reaction experiment at 650 ℃ and 700 ℃ while changing the amount of nickel supported.
Temperature (℃)
Ni loading amount (wt%)
700
700
650
650
실험시 동일조건[CH4:CO2:He=1:1:3, 공간속도(F/W)=40,000 1/kg·h]Same conditions at the time of experiment [CH 4 : CO 2 : He = 1: 1: 3, space velocity (F / W) = 40,000 1 / kg · h]
실험결과, 니켈의 담지량이 15%까지 증가할수록 활성점인 니켈의 총량의 증가하여 메탄과 이산화탄소의 전환률은 일정하게 증하였다. 일산화탄소의 수율은 니켈 담지량이 10wt%일 때 가장 높게 나타났고 니켈이 10wt%를 초과할 때는 시간이 지남에 따라 빠르게 형성된 코크에 의해 점차 감소하는 것을 알 수 있었으며 이러한 경향은 700℃에서 뚜렷하게 나타났다.As a result, as the loading of nickel increased up to 15%, the total amount of nickel, the active site, increased, and the conversion rate of methane and carbon dioxide increased constantly. The yield of carbon monoxide was highest when the nickel loading was 10wt%, and it was found that when the nickel was more than 10wt%, it gradually decreased due to the coke formed rapidly over time.
실험예 3 : 실시예에 의해 제조된 촉매의 개질반응에서 염기성 조촉매의 첨가 효과를 확인하기 위해, 도 1에 도시된 반응기를 이용하여 다음과 같은 실험을 실시하였다. Experimental Example 3 In order to confirm the effect of the addition of the basic promoter in the reforming reaction of the catalyst prepared in Example, the following experiment was conducted using the reactor shown in FIG.
실험조건 및 결과는 아래의 표 3과 같다. Experimental conditions and results are shown in Table 3 below.
표 3은 염기성 조촉매의 첨가량을 변화에 따른 개질 반응 실험 결과를 나타낸 것이다. Table 3 shows the results of the modification reaction experiments varying the amount of basic promoter added.
실험시 동일조건[T=700℃, CH4:CO2:He=1:1:3, 공간속도(F/W)=40,000 1/kg·h, Ni담지량: 10wt%] Experimental conditions [T = 700 ℃, CH 4 : CO 2 : He = 1: 1: 3, Space velocity (F / W) = 40,000 1 / kg · h, Ni loading: 10wt%]
조촉매의 정확한 영향을 알아보기 위해 온도 및 니켈 담지량을 메탄이나 이산화탄소가 안정적인 전환률을 보이고 일산화탄소가 가장 높은 수율을 보이는 조건에서 설험하였다. To determine the exact effect of the promoter, temperature and nickel loadings were tested under conditions of stable conversion of methane or carbon dioxide and highest yield of carbon monoxide.
칼슘(Ca)과 칼륨(K)산화물을 담지한 니켈 촉매와 니켈만 담지한 촉매의 활성을 비교한 실험결과, 1~7wt%까지의 칼슘(Ca)과 칼륨(K)산화물의 담지량을 증가시켰을 때 메탄이나 이산화탄소의 안정적인 전환률과 일산화탄소의 수율 증가를 보였다. 특히, 칼슘과 칼륨의 담지량은 3wt%일 때 가장 높은 일산화탄소 수율을 보였다.As a result of comparing the activity of nickel and nickel-supported catalysts with calcium (Ca) and potassium (K) oxides, the amount of calcium (Ca) and potassium (K) oxides up to 1 ~ 7wt% was increased. When a stable conversion of methane or carbon dioxide and the yield of carbon monoxide increased. In particular, the loading of calcium and potassium showed the highest yield of carbon monoxide at 3wt%.
. .
실험예 1에서 실험예 3의 결과로부터 실리카 메조포어 분자체 담체에 10wt% 니켈을 담지하고 3 wt%의 칼슘과 칼륨을 추가로 담지시킨 촉매가 이산화탄소 개질 반응에서 가장 우수한 활성을 나타냈다. 이를 기준으로 반응 온도, 반응물의 몰 비 및 공간 속도의 변화가 촉매 활성에 미치는 영향을 실험예 4를 통해 실험하였다. In Experimental Example 1, from the results of Experimental Example 3, a catalyst in which 10 wt% nickel was supported on a silica mesoporous molecular sieve support and 3 wt% of calcium and potassium was further supported in the carbon dioxide reforming reaction. Based on this, the effect of the change in the reaction temperature, the molar ratio of the reactants and the space velocity on the catalytic activity was tested through Experimental Example 4.
실험예 4 : 실시예에 의해 제조된 촉매에 대하여 실험예 1에서 실험예 3의 결과로부터 도출된 조건을 기준으로 장시간 반응하였을 때 반응 조건에 따른 촉매의 개질 반응 특성을 확인하기 위해, 반응 온도, 반응물의 몰 비 및 공간 속도의 변화의 조건을 달리하여 실험하였다. Experimental Example 4: In order to confirm the reforming reaction characteristics of the catalyst according to the reaction conditions when reacted for a long time based on the conditions derived from the results of Experimental Example 3 in Experimental Example 1, the reaction temperature, Experiments were carried out with varying conditions of molar ratio and space velocity of the reactants.
표 4의 조건으로 메탄의 이산화탄소 개질 반응을 실험하였고, 그 결과를 도 2의 그래프에 나타내었다. Carbon dioxide reforming reaction of methane was tested under the conditions of Table 4, and the results are shown in the graph of FIG.
실험결과, 메탄의 이산화탄소 개질 반응은 심한 흡열 반응으로 반응 온도가 올라갈수록 전환률이 증가함을 알 수 있다. 그리고 CH4 → C + 2H2 반응은 정반응이 유리하고 2CO → C + CO2 반응과 CO + H2 → C + H2O 반응은 역반응이 유리하게 되므로 세 반응의 속도 차이에 의해 코크 형성 정도가 영향을 받음을 유추할 수 있다. As a result, the carbon dioxide reforming reaction of methane is a severe endothermic reaction, the conversion rate increases as the reaction temperature increases. And CH 4 → C + 2H 2 The reaction is favored by forward reaction, with 2CO → C + CO 2 and CO + H 2 ¡Æ since the reaction of C + H 2 O is favorable, the degree of coke formation is affected by the difference in the rates of the three reactions.
도 2의 실험결과를 통해서도 반응온도가 높아질수록 메탄과 이산화탄소의 전환률이 증가함을 확인할 수 있다. 그리고, 650℃ 이상의 온도에서 열역학적 평형전환률에 근사한 값들을 나타내었다. Also through the experimental results of Figure 2 it can be seen that as the reaction temperature increases the conversion of methane and carbon dioxide increases. In addition, the values are approximated to the thermodynamic equilibrium conversion at temperatures above 650 ° C.
메탄보다 이산화탄소가 과량으로 들어간 경우에는 상대적으로 적게 들어간 물질과 비교하여 거의 100%에 가까운 전환률을 보였고, 과량으로 들어간 물질은 전환률이 감소하였다. 이에 따라 이산화탄소에 대한 메탄의 비가 증가할수록 메탄의 전환률은 감소하고 이산화탄소의 전환률은 증가함을 알 수 있다. 수소와 일산화탄소의 수율은 반응물의 몰비가 1:1인 경우에 최대값을 보였다. In case of excess carbon dioxide than methane, the conversion rate was almost 100% compared with the relatively low amount of the substance, and the excess amount decreased. Accordingly, as the ratio of methane to carbon dioxide increases, the conversion rate of methane decreases and the conversion rate of carbon dioxide increases. The yield of hydrogen and carbon monoxide was maximum when the molar ratio of reactants was 1: 1.
(1/kg·h)Space velocity
(1 / kg · h)
실험시 동일조건[T=700℃, CH4:CO2:He=1:1:3, W=0.3g, Ni담지량: 10wt%, 칼슘과 칼륨의 담지량:3wt%] Experimental conditions [T = 700 ℃, CH 4 : CO 2 : He = 1: 1: 3, W = 0.3g, Ni loading: 10wt%, calcium and potassium loading: 3wt%]
실험결과, 공간 속도가 증가할수록 반응 가스가 촉매와의 접촉 시간이 짧아짐에 따라 메탄과 이산화탄소의 전환률이 감소하고 일산화탄소의 수율도 감소함을 알 수 있었다. As a result, as the space velocity increases, as the reaction time of the reaction gas shortens with the catalyst, the conversion rate of methane and carbon dioxide decreases and the yield of carbon monoxide decreases.
표 6의 조건으로 메탄의 이산화탄소 개질 반응을 실험하였고, 그 결과를 도 3의 그래프에 나타내었다. 표 6은 최종적으로 Ni/Ca/K/KIT-1 촉매의 반응시간에 따른 활성변화를 알아보기 위해 20시간 정도 반응을 연속적으로 수행한 것이다. Carbon dioxide reforming reaction of methane was tested under the conditions of Table 6, and the results are shown in the graph of FIG. Table 6 shows that the reaction was continuously performed for about 20 hours to determine the change in activity according to the reaction time of the Ni / Ca / K / KIT-1 catalyst.
실험 결과, 일정한 반응물의 전환률과 일산화탄소의 수율이 지속적으로 유지되고 있음을 확인할 수 있었다. As a result, it was confirmed that the conversion rate and the carbon monoxide yield of a certain reactant were continuously maintained.
이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다. Within the scope of the basic technical idea of the present invention, many other modifications are possible to those skilled in the art, and the scope of the present invention should be interpreted based on the appended claims. will be.
도 1은 본 발명에 의한 메탄의 이산화탄소 개질 반응 촉매를 이용한 개질 반응을 실현하기 위한 장치의 개략적인 구성도. 1 is a schematic configuration diagram of an apparatus for realizing a reforming reaction using a carbon dioxide reforming reaction catalyst of methane according to the present invention.
도 2는 표 4의 조건으로 실험한 결과 반응온도에 따른 메탄과 이산화탄소의 전환률 및 일산화탄소의 수율을 나타낸 그래프. Figure 2 is a graph showing the conversion of methane and carbon dioxide and the yield of carbon monoxide according to the reaction temperature of the results of Table 4 experiment.
도 3은 표 6의 조건으로 실험한 결과 시간에 따른 메탄과 이산화탄소의 전환률 및 일산화탄소의 수율을 나타낸 그래프.3 is a graph showing the conversion of methane and carbon dioxide and the yield of carbon monoxide over time as a result of the experiment of Table 6.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10: 석영 고정층 반응기 11: 온도 제어기10: quartz fixed bed reactor 11: temperature controller
13: 유량조절기(MFC) 15: 가스분석장치(GC)13: Flow controller (MFC) 15: Gas analyzer (GC)
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