KR101085054B1 - Palladium catalyst supported on alumina xerogel support, preparation thereof and ?-butyrolactone production method by hydrogenation of succinic acid using said catalyst - Google Patents

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Abstract

본 발명은 알루미나 제어로젤에 담지된 팔라듐 담지 촉매, 그 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 숙신산의 수소화반응에 의한 감마 부티로락톤의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 숙신산으로부터 감마 부티로락톤을 제조하기 위한 담지 촉매에 있어서, 상기 담지촉매는 알루미나 제어로젤(Xerogel) 담체 100중량부에 대하여 Pd 금속촉매가 1 내지 20중량부의 비율로 담지된 것을 특징으로 하는 알루미나 제어로젤(Xerogel) 담체에 담지된 팔라듐 촉매, 그 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 숙신산의 수소화반응에 의한 감마 부티로락톤의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 촉매를 이용하여 액상에서 숙신산(succinic acid), 숙신산무수물(succinic anhydride)의 수소화 반응을 수행하는 경우 기존의 상용 알루미나 담지 촉매보다 높은 감마 부티로락톤의 수율을 달성할 수 있으며, 바이오리파이너리 공정에 의해 재생된 숙신산(이하 폐숙신산)을 별도의 정제과정을 거치지 않고도 부티로락톤을 제조할 수 있다.The present invention relates to a palladium supported catalyst supported on an alumina control gel, a method for preparing the same, and a method for preparing gamma butyrolactone by hydrogenation of succinic acid using the catalyst, and more specifically, to gamma butyrolactone from succinic acid. In the supported catalyst for preparing, the supported catalyst is an alumina controlled gel (Xerogel) carrier, characterized in that the Pd metal catalyst is supported in a ratio of 1 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the alumina controlled gel (Xerogel) carrier The present invention relates to a palladium catalyst supported on the same, a method for preparing the same, and a method for preparing gamma butyrolactone by hydrogenation of succinic acid using the catalyst, wherein the succinic acid and succinic anhydride are used in a liquid phase using the catalyst of the present invention. When the hydrogenation of anhydride is carried out, the yield of gamma butyrolactone is higher than that of the conventional commercial alumina supported catalyst. Can, and a regenerated acid by biorefinery process (hereinafter referred to as waste acid) can be prepared butyrolactone without the need for separate purification.

감마 부티로락톤, 숙신산, 알루미나 제어로젤, 수소화 반응 Gamma Butyrolactone, Succinic Acid, Alumina Control Rose, Hydrogenation

Description

알루미나 제어로젤에 담지된 팔라듐 담지 촉매, 그 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 숙신산의 수소화반응에 의한 감마 부티로락톤의 제조방법{PALLADIUM CATALYST SUPPORTED ON ALUMINA XEROGEL SUPPORT, PREPARATION THEREOF AND γ-BUTYROLACTONE PRODUCTION METHOD BY HYDROGENATION OF SUCCINIC ACID USING SAID CATALYST} Palladium supported catalyst supported on an alumina control gel, a method for preparing the same, and a method for preparing gamma butyrolactone by hydrogenation of succinic acid using the catalyst HYDROGENATION OF SUCCINIC ACID USING SAID CATALYST}

본 발명은 알루미나 제어로젤에 담지된 팔라듐 담지 촉매, 그 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 숙신산의 수소화반응에 의한 감마 부티로락톤의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 숙신산으로부터 감마 부티로락톤을 제조하기 위한 담지 촉매에 있어서, 상기 담지촉매는 알루미나 제어로젤(Xerogel) 담체 100중량부에 대하여 Pd 금속촉매가 1 내지 20중량부의 비율로 담지된 것을 특징으로 하는 알루미나 제어로젤(Xerogel) 담체에 담지된 팔라듐 촉매, 그 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 숙신산의 수소화반응에 의한 감마 부티로락톤의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a palladium supported catalyst supported on an alumina control gel, a method for preparing the same, and a method for preparing gamma butyrolactone by hydrogenation of succinic acid using the catalyst, and more specifically, to gamma butyrolactone from succinic acid. In the supported catalyst for preparing, the supported catalyst is an alumina controlled gel (Xerogel) carrier, characterized in that the Pd metal catalyst is supported in a ratio of 1 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the alumina controlled gel (Xerogel) carrier The present invention relates to a supported palladium catalyst, a method for producing the same, and a method for producing gamma butyrolactone by hydrogenation of succinic acid using the catalyst.

숙신산은 여러 유용한 C4 화합물들을 생산할 수 있는 플랫폼 화합물로서 그 관심이 집중되고 있으며, 특히 목질계 폐바이오매스의 바이오리파이너리 공정에서 재생될 수 있는 미래의 에너지물질이다. 숙신산은 수소화 반응을 통하여 감마 부 티로락톤(γ-butyrolactone)으로 전환될 수 있으며, 감마 부티로락톤은 제약 산업에서 반응 중간체, 살충제 제조, 광화학 에칭, 축전기의 전해질, 페인트 용제 등 여러 분야에서 이용되는 등 현재 그 시장이 꾸준히 증가하고 있다. 도 1은 지금까지 알려진 원료별 감마 부티로락톤 제조 반응 경로를 나타낸 것인데, 감마 부티로락톤을 제조하는 공정으로는 지금까지 구리계 촉매를 사용하는 Reppe Process 와 Davy McKee Process 등 크게 2개의 상용화된 공정이 알려져 있다. 1,4-부탄다이올(1,4-butanediol)의 탈수소화 반응에 의해 감마 부티로락톤을 생산하는 Reppe Process는 가장 먼저 상용화된 감마 부티로락톤 제조 공정으로 전통적으로 미국과 유럽 등지에서 많이 이용되고 있는 공정이지만, 원료인 1,4-부탄다이올의 가격이 급증함에 따라 경제성을 잃고 있는 상황이며, 1,4-부탄다이올이 유해물질인 포름알데하이드로부터 제조된다는 한계점을 가지고 있다. 이후 n-butane의 부분산화반응을 통해 말레산무수물(maleic anhydride)을 저렴하게 제조할 수 있게 됨에 따라 일본 등지에서는 말레산무수물을 원료로 한 수소화 반응을 통하여 감마 부티로락톤을 제조하는 Davy McKee Process를 상용화 하였지만, 이 역시 원료의 단가 상승, 고온 및 고압의 반응 조건, 여러 가지 부생성물(사수소화퓨란, 프로피온산, 프로판올, 부탄올, 부티릭산 등) 생성에 따른 환경오염 등의 문제점을 가지고 있다. Succinic acid is attracting attention as a platform compound capable of producing various useful C4 compounds. In particular, succinic acid is a future energy material that can be regenerated in biorefining process of wood waste biomass. Succinic acid can be converted to gamma-butyrolactone through hydrogenation, and gamma-butyrolactone is used in many applications in the pharmaceutical industry, including reaction intermediates, pesticide manufacturing, photochemical etching, capacitor electrolytes and paint solvents. Currently, the market is steadily increasing. Figure 1 shows the reaction paths of gamma butyrolactone production by raw materials known so far, as a process for producing gamma butyrolactone, two commercialized processes such as Reppe Process and Davy McKee Process using copper-based catalysts so far This is known. The Reppe Process, which produces gamma butyrolactone by dehydrogenation of 1,4-butanediol, is the first commercially available process for producing gamma butyrolactone, which is traditionally used in the US and Europe. Although it is a process that is being processed, the economic situation is losing due to the sharp increase in the price of 1,4-butanediol as a raw material, and there is a limitation that 1,4-butanediol is manufactured from formaldehyde, which is a hazardous substance. Since maleic anhydride can be produced at low cost through partial oxidation of n-butane, Davy McKee Process for producing gamma butyrolactone through hydrogenation of maleic anhydride as a raw material in Japan etc. Although it has been commercialized, this also has problems such as increased raw material cost, high temperature and high pressure reaction conditions, environmental pollution due to the generation of various by-products (furan tetrahydrogen, propionic acid, propanol, butanol, butyric acid, etc.).

이러한 문제점들은 감마 부티로락톤 제조 공정의 원료가 석유화학 제품이라는 것에 기인하는데, 범세계적인 환경규제와 유가 변동(급등)에 따른 가격 급등의 문제가 대두되고 있어 친환경 대체공정 및 기술 개발이 시급하다. 이에 따라 숙신산은 감마 부티로락톤을 생산할 수 있는 플랫폼 화합물로서 관심이 집중되고 있으 며, 말레산무수물을 대체할 수 있는 중간체로서 현재까지 새로운 발효 균주 개발과 발효공정 및 회수기술의 발달에 의해 생산가격도 계속 낮아져 부탄으로부터 생산되는 말레산무수물과 가격 경쟁이 가능한 단계에 이르렀으나, 숙신산을 원료로 한 감마 부티로락톤의 제조 기술에 대한 연구는 말레산무수물의 연구에 부수적인 차원으로 일부 연구되었을 뿐, 그 결과는 미비한 실정이다. These problems are due to the fact that the raw materials of the gamma butyrolactone manufacturing process are petrochemical products, and there is an urgent need to develop eco-friendly alternative processes and technologies due to global environmental regulations and rising prices due to oil price fluctuations. Accordingly, succinic acid is attracting attention as a platform compound capable of producing gamma butyrolactone, and as an intermediate that can replace maleic anhydride, the production price has been improved by developing new fermentation strains and developing fermentation process and recovery technology. In addition, prices have been continuously lowered, and price competition with maleic anhydride produced from butane is attained.However, research on the manufacturing technology of gamma butyrolactone based on succinic acid has been only partially conducted as an ancillary to the study of maleic anhydride. The result is inadequate.

숙신산을 원료로 한 감마 부티로락톤의 제조 기술은 기상 흐름식 반응과 회분식 반응이 일부 연구되었는데, BASF사 등에서 개발된 기상 흐름식 반응[H. Zimmermann, K. Brenner, H-J. Scheiper, W. Sauer, H. Hartmann, 미국특허 제 5,319,111호/ J.-A. T. Schwartz, 미국특허 제 5,478,952호/ G.L. Castiglioni, C. Fumagalli, 미국특허 제 6,492,535호]은 실질적으로 숙신산 또는 숙신산무수물의 높은 점도와 끓는점 등의 영향 때문에 실제 상용화 공정으로의 적용이 어려운 문제점이 있다. The production of gamma butyrolactone based on succinic acid has been studied in part by gas phase flow reaction and batch reaction reaction. Zimmermann, K. Brenner, H-J. Scheiper, W. Sauer, H. Hartmann, US Pat. No. 5,319,111 / J.-A. T. Schwartz, US Patent No. 5,478,952 / G.L. Castiglioni, C. Fumagalli, U. S. Patent No. 6,492, 535] is substantially difficult to apply to the actual commercialization process due to the effects of high viscosity and boiling point of succinic acid or succinic anhydride.

숙신산의 회분식 반응에 대한 연구는 말레산무수물의 수소화 반응과 유사하게 진행되어 왔는데, 루테늄-코발트 촉매를 이용한 듀폰사의 숙신산의 수소화 반응 사례[R.M. Deshpande, V.V. Buwa, C.V. Rode, R.V. Chaudhari, P.L. Mills, Catal. Commun., 3권, 269쪽 (2002)]에서는 250 ℃, 100 bar 이상의 높은 반응 온도 및 압력을 필요로 하기 때문에 이 공정이 실제 산업에 적용될 경우 정교하고 값비싼 설비가 요구된다. 일본에서 연구된 팔라듐 촉매를 이용한 숙신산무수물의 수소화 반응 사례[T. Fuchikami, N. Wakasa, D-H. He, T. Miyake, T. Okada, A. Fujimura, H. Sasakibara, Y. Kanou, T. Saito, 미국특허 제 5,502,217호]에서는 높은 감마 부티로락톤의 수율을 달성하였지만 무려 16시간이라는 긴 반응시간을 요구하였다. Studies on the batch reaction of succinic acid have proceeded similarly to the hydrogenation of maleic anhydride. Examples of hydrogenation of succinic acid from DuPont using ruthenium-cobalt catalyst [R.M. Deshpande, V.V. Buwa, C.V. Rode, R. V. Chaudhari, P.L. Mills, Catal. Commun., Vol. 3, p. 269 (2002), requires high reaction temperatures and pressures of 250 ° C. and more than 100 bar, requiring sophisticated and expensive installations for practical applications of this process. Example of Hydrogenation of Succinic Anhydride with Palladium Catalysts Studyed in Japan [T. Fuchikami, N. Wakasa, D-H. He, T. Miyake, T. Okada, A. Fujimura, H. Sasakibara, Y. Kanou, T. Saito, U.S. Patent No. 5,502, 217] have achieved a high yield of gamma butyrolactone, but a long reaction time of 16 hours. Required.

한편 구리-크롬계 촉매를 이용한 숙신산무수물의 수소화 반응 사례[U. Herrmann, G. Emig, Ind. Eng. Chem. Res., 36권, 2885쪽 (1997)]에서는 240 ℃, 5 MPa 의 온화한 조건에서 높은 감마 부티로락톤의 수율을 달성하였지만, 중금속 유해성으로 인하여 최근 유럽 등지에서 크롬 촉매 사용을 규제하는 추세이기 때문에 상용화 공정으로의 적용이 어렵다는 문제점이 있다.On the other hand, the hydrogenation reaction of succinic anhydride using copper-chromium catalyst [U. Herrmann, G. Emig, Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 36, p. 2885 (1997), achieved high yields of gamma butyrolactone under mild conditions of 240 ° C and 5 MPa. However, due to heavy metal hazards, the use of chromium catalysts has recently been restricted in Europe and elsewhere. There is a problem that it is difficult to apply to the commercialization process.

이와 같이 말레산무수물을 대체할 수 있는 숙신산으로부터 감마부티로락톤을 생산하는 상업화 공정에 사용된 촉매 및 전환공정은 현재 매우 미비한 실정이기 때문에 적합한 공정조건 하에서 높은 감마 부티로락톤의 수율을 얻을 수 있는 촉매와 공정시스템을 개발하는 것은 기술적으로나 경제적으로 중요한 의미를 갖는다. 또한 바이오리파이너리 공정에서 재생되는 폐숙신산의 제조비용 중 60 % 이상을 차지하는 분리 및 정제 비용을 저감하기 위하여 폐숙신산 제조 및 발효공정의 부생성물을 따로 분리, 정제하지 않고 초산(acetic acid) 등의 부생성물을 포함하는 숙신산을 직접 수소화 시켜 감마 부티로락톤을 제조하는 연구 역시 경제적으로 매우 중요한 의미를 갖는다.As such, the catalysts and conversion processes used in the commercialization process for producing gamma butyrolactone from succinic acid, which can replace maleic anhydride, are very insignificant, so that a high yield of gamma butyrolactone can be obtained under suitable process conditions. Developing catalysts and process systems has important technical and economic significance. In addition, in order to reduce the cost of separation and purification, which accounts for more than 60% of the manufacturing cost of waste succinic acid recycled in the biorefinery process, by-products such as acetic acid without separating and purifying the by-products of the waste succinic acid production and fermentation process separately. The study of producing gamma butyrolactone by direct hydrogenation of succinic acid containing the product also has significant economic significance.

이에, 본 발명자들은 상기 종래 기술들의 문제점을 극복하고 경제성을 향상시키기 위하여 연구 노력한 결과 금속 촉매성분의 활성을 극대화 시킬 수 있는 우수한 담체에 연구의 초점을 맞추게 되었다. 본 발명자들은 이미 비표면적이 크고 물리화학적 특성이 우수한 중형기공 알루미나 제어로젤 담체(대한민국 특허 제 919,104호 (2009)/대한민국 특허 제 833,790호 (2008))를 개발한 바 있다. 그 결 과 알루미나 제어로젤에 담지된 금속 촉매는 기존에 사용되던 상용 담체에 담지된 금속 촉매와 상이한 표면 구조 및 금속-담체 상호작용을 지니기 때문에 촉매의 고분산이 이루어지는 결과를 가져왔다. 또한 알루미나 제어로젤 담체는 상용 알루미나 담체에 비해 결정성이 높지 않으며, 열적/화학적으로 안정한 구조를 지닐 뿐만 아니라, 특히 중형 기공을 갖는 표면 특성을 가진다. 또한 초임계 초건에서 제조되는 알루미나 에어로젤 담체보다 그 제조과정이 간단하여 담체의 대량생산에 보다 효율적이므로 그 경제적 가치가 높다고 할 수 있다. Accordingly, the present inventors have focused their research on excellent carriers capable of maximizing the activity of metal catalyst components as a result of research efforts to overcome the problems of the prior art and to improve economics. The present inventors have already developed a medium pore alumina control gel carrier (Korean Patent No. 919,104 (2009) / Korean Patent No. 833,790 (2008)) having a large specific surface area and excellent physical and chemical properties. As a result, the metal catalyst supported on the alumina control gel has a different surface structure and metal-carrier interaction than the metal catalyst supported on a commercially available carrier, resulting in high dispersion of the catalyst. In addition, the alumina control gel support is not high in crystallinity compared to commercially available alumina supports, not only has a thermally / chemically stable structure, but also has surface properties with medium pores. In addition, the manufacturing process is simpler than that of the alumina airgel carrier manufactured in the supercritical super-dryer, and thus the economic value is high because it is more efficient in mass production of the carrier.

따라서 본 발명의 목적은 중형기공 알루미나 제어로젤 담체에 최적의 조합으로 담지된 금속 촉매를 제공하여, 화학적 안정성이 높고 강한 내구성을 가지며 훌륭한 물성을 갖는 중형기공 알루미나 제어로젤 담체의 장점이 활용된 감마 부티로락톤 제조용 고분산 금속 담지촉매 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a metal catalyst supported in a medium pore alumina control rogel carrier in an optimal combination, and the advantages of the medium pore alumina control rogel carrier having high chemical stability, strong durability and excellent physical properties are utilized. It is to provide a highly dispersed metal supported catalyst for producing gamma butyrolactone and a method for producing the same.

본 발명의 다른 목적은 개발된 담지촉매를 불순물이 포함된 폐숙신산의 감마 부티로락톤으로의 전환 반응에 적용하여 고효율 회분식 감마 부티로락톤 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a high efficiency batch type gamma butyrolactone by applying the developed supported catalyst to the conversion reaction of waste succinic acid containing impurities into gamma butyrolactone.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 숙신산으로부터 감마 부티로락톤을 제조하기 위한 담지 촉매에 있어서, 상기 담지촉매는 알루미나 제어로젤(Xerogel) 담체 100중량부에 대하여 Pd 금속촉매가 1 내지 20중량부의 비율로 담 지된 것을 특징으로 하는 알루미나 제어로젤(Xerogel) 담체에 담지된 팔라듐 촉매를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a supported catalyst for preparing gamma butyrolactone from succinic acid, wherein the supported catalyst is 1 to 20 Pd metal catalyst based on 100 parts by weight of an alumina controlled Xerogel carrier. Provided is a palladium catalyst supported on an alumina control gel (Xerogel) carrier, characterized in that supported by the ratio of parts by weight.

또한, 본 발명은 상기 알루미나 제어로젤 담체의 평균 기공크기가 2nm 내지 15 nm 범위이고 비표면적이 100 m2/g 내지 300 m2/g 의 범위인 것을 특징으로 하는 알루미나 제어로젤(Xerogel) 담체에 담지된 팔라듐 촉매를 제공한다.In addition, the present invention is an alumina control gel (Xerogel), characterized in that the average pore size of the alumina control gel carrier ranges from 2 nm to 15 nm and the specific surface area is in the range of 100 m 2 / g to 300 m 2 / g. It provides a palladium catalyst supported on a carrier.

또한, 본 발명은 ⅰ)알코올 용매에 알루미늄 전구체를 용해시키는 단계; ⅱ)상기 용액에 용해된 알루미늄 전구체를 물, 산 및 알코올 용매의 혼합용액으로 부분 수화 및 축합 반응을 수행시켜 졸(Sol)을 형성시키는 단계; ⅲ)상기 졸(Sol)을 추가적인 수화 및 축합 반응을 진행시켜 겔(Gel)을 형성시키는 단계; ⅳ) 상기 겔(Gel)을 숙성(Aging) 및 건조시키는 단계; ⅴ)상기 겔(Gel)을 700 내지 1,000℃의 온도에서 열처리하여 알루미나 제어로졸 담체를 제조하는 단계; ⅵ)상기 알루미나 제어로젤 담체와 Pd 금속 전구체를 분산매에 넣고 균일하게 혼합하며 알루미나 제어로젤(Xerogel) 담체 100중량부에 대하여 Pd 금속촉매가 1 내지 20중량부의 비율로 담지하는 단계 및; ⅶ)상기 담지 촉매를 건조 및 열처리하는 단계를 포함하는 알루미나 제어로젤(Xerogel) 담체에 담지된 팔라듐 촉매 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of dissolving an aluminum precursor in an alcohol solvent; Ii) forming a sol by performing partial hydration and condensation reaction of the aluminum precursor dissolved in the solution with a mixed solution of water, acid and alcohol solvent; Iii) performing a further hydration and condensation reaction of the sol to form a gel; Iii) aging and drying the gel; Iii) heat-treating the gel at a temperature of 700 to 1,000 ° C. to produce an alumina control rosol carrier; Iii) mixing the alumina control gel carrier and the Pd metal precursor in a dispersion medium and uniformly mixing the same, and supporting the Pd metal catalyst at a ratio of 1 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the alumina control gel (Xerogel) carrier; Iii) It provides a method for producing a palladium catalyst supported on an alumina control gel (Xerogel) carrier comprising the step of drying and heat treatment the supported catalyst.

또한, 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 알루미나 제어로젤(Xerogel) 담체에 담지된 팔라듐 촉매 존재하에 숙신산 혹은 숙신산무수물을 150 내지 400℃ 범위의 온도 및 30 내지 200 bar 범위의 압력에서 반응시키는 단계를 포함하는 숙신산의 수소화반응에 의한 감마 부티로락톤 제조방법을 제공한다.In addition, in order to achieve another object of the present invention, the present invention provides a succinic acid or succinic anhydride in the presence of a palladium catalyst supported on an alumina controlled Xerogel carrier in a temperature range of 150 to 400 ℃ and 30 to 200 bar It provides a method for producing gamma butyrolactone by hydrogenation of succinic acid comprising the step of reacting under pressure.

또한, 본 발명은 상기 숙신산이 초산과 숙신산이 1:5 내지 1:10 의 중량비 범위로 혼합되어, 분리, 정제 공정을 거치지 않은 폐숙신산인 것을 특징으로 하는 숙신산의 수소화반응에 의한 감마 부티로락톤 제조방법을 제공한다.In the present invention, the succinic acid is mixed with acetic acid and succinic acid in the weight ratio range of 1: 5 to 1:10, gamma butyrolactone by the hydrogenation reaction of succinic acid, characterized in that the waste succinic acid is not subjected to separation and purification It provides a manufacturing method.

본 발명에 따른 알루미나 제어로젤에 담지된 팔라듐 담지 촉매는 액상에서 숙신산(succinic acid), 숙신산무수물(succinic anhydride)의 수소화 반응을 수행하는 경우 기존의 상용 알루미나 담지 촉매보다 높은 감마 부티로락톤의 수율을 달성할 수 있으며, 바이오리파이너리 공정에 의해 재생된 숙신산(이하 폐숙신산)을 별도의 정제과정을 거치지 않고도 감마 부티로락톤을 제조할 수 있다.The palladium supported catalyst supported on the alumina control gel according to the present invention has a higher yield of gamma butyrolactone than the conventional commercially supported alumina supported catalyst when the hydrogenation of succinic acid and succinic anhydride is carried out in the liquid phase. It can be achieved, and gamma butyrolactone can be produced without undergoing a separate purification process of succinic acid (hereinafter referred to as waste succinic acid) regenerated by the biorefinery process.

이하에서 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 알루미나 제어로젤에 담지된 팔라듐 담지 촉매(이하, 약식 표현으로'팔라듐/알루미나 제어로젤 촉매'라고도 함)는 중형 기공을 가지는 알루미나 제어로젤(alumina xerogel)을 경제성이 높은 간단한 합성 경로로 제조한 후 적절한 소성 온도에서 감마 알루미나 상이 나타나도록 하여 수소화 탈수반응의 담체로써 유용하게 개량하고, 이렇게 제조된 알루미나 제어로젤 지지체에 활성금속으로 팔라듐을 담지한 팔라듐/알루미나 제어로젤 촉매이다. 이러한 팔라듐/알루미나 제어로젤 촉매는 숙신산의 감마 부티로락톤 전환 반응에 적용할 시 종래 복합 산화물 담체에 비해 제조가 간단하고, 활성 금속촉매의 분산이 매우 우수하여 감마 부티로락 톤을 제조할 때 특히 우수한 효과를 나타낸다. 현재까지 본 발명의 팔라듐/알루미나 제어로젤 촉매와 같은 단일 금속산화물 담체를 이용하여 숙신산의 감마 부티로락톤 전환 반응을 수행한 사례는 보고된 바가 없으며, 더욱이 상기 촉매를 이용하여 바이오리파이너리 공정에서 재생된 폐숙신산의 수소화 온도별 감마 부티로락톤의 생산성을 검토한 사례 역시 보고 된 바가 없다. The palladium-supported catalyst (hereinafter, also referred to as 'palladium / alumina-controlled gel catalyst' in short form) supported on the alumina control gel of the present invention is a simple synthesis with high economic feasibility of an alumina xerogel having medium pores. It is a palladium / alumina-controlled gel catalyst having palladium as an active metal supported on the alumina-controlled gel support, which is usefully improved as a carrier for hydrogenation dehydration by allowing the gamma alumina phase to appear at an appropriate firing temperature after preparation by the route. . Such palladium / alumina controlled gelling catalysts are simpler to manufacture than conventional composite oxide carriers when applied to succinic acid gamma butyrolactone conversion reactions, and are highly dispersed in active metal catalysts to produce gamma butyrolactone. Particularly excellent effect. Until now, there have been no reports of succinic acid gamma butyrolactone conversion reaction using a single metal oxide carrier such as the palladium / alumina controlled gel catalyst of the present invention. Moreover, the catalyst is used to regenerate the biorefinery process. There has also been no case reviewing the productivity of gamma butyrolactone at different temperatures for hydrogenation of waste succinic acid.

본 발명의 팔라듐/알루미나 제어로젤 촉매는 기공크기가 2 ∼ 15 nm 범위인 알루미나 제어로젤 지지체를 700 ℃ 내지 1000 ℃ 의 범위, 바람직하게는 800 ℃ 내지 900 ℃ 의 온도에서 소성한 후, 팔라듐을 담지한 촉매이다. 상기 알루미나 제어로젤 지지체가 촉매 담체로서 우수한 효과를 보이기 위해서는 800 ℃ 내지 900 ℃ 범위에서 소성하여 X-선 회절 스펙트럼의 2θ 특성 피크가 35O 내지 38O, 45O 내지 47O, 66O 내지 68O 의 범위에서 나타나는 감마 알루미나 상을 형성하여야 하는데, 상기 알루미나 제어로젤 지지체의 소성온도가 700 ℃ 미만이면 무정형 알루미나 상에 가까워지면서 강한 산 특성을 나타내지 못하고, 1000 ℃ 를 초과하는 경우에도 또한 결정성이 강한 알파 알루미나 상을 나타내어 산 특성이 약해지는 문제가 발생하므로 상기 범위를 유지하여 감마 알루미나 상을 형성하는 것이 바람직하다.In the palladium / alumina control gel catalyst of the present invention, after the alumina control gel support having a pore size in the range of 2 to 15 nm is calcined at a temperature in the range of 700 ° C. to 1000 ° C., preferably 800 ° C. to 900 ° C., the palladium It is supported catalyst. In order for the alumina control gel support to have an excellent effect as a catalyst support, the alumina control gel was calcined in the range of 800 ° C. to 900 ° C., so that the 2θ characteristic peaks of the X-ray diffraction spectrum were 35 O to 38 O , 45 O to 47 O , 66 O to 68 A gamma alumina phase appearing in the range of O should be formed. If the firing temperature of the alumina control gel support is less than 700 ° C., the amorphous alumina phase does not show a strong acid characteristic, and the crystallinity is also increased even if it exceeds 1000 ° C. This strong alpha alumina phase exhibits a problem of weakening acid properties, so it is preferable to maintain the above range to form a gamma alumina phase.

본 발명에 따른 팔라듐/알루미나 제어로젤 촉매를 제조하는 방법을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 알루미늄 전구체를 50 ℃ 내지 100 ℃로 가열된 알코올 용매에 용해시킨 후, 물 및 산을 첨가하여 부분 수화시켜 알루미나 졸(sol)을 제조한다. 상기 알루미늄 전구체는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으나, 탄소수 1 내지 5의 알콕시기를 갖는 알루미늄 알콕사이드, 알루미늄 아세틸 아세테이트 및 알루미나 졸 등을 사용할 수 있다. 상기 알코올 용매는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으며, 구체적으로 탄소수 1 내지 6의 알코올을 사용할 수 있다. 이러한 용매는 알루미늄 전구체에 대하여 1.5 내지 2.5 범위로 사용하는바, 사용량이 1.5 미만이면 알루미늄 전구체가 분산되기에 충분하지 않고, 2.5를 초과하는 경우에는 겔 형성이 원활하지 못한 문제가 발생하므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다. Looking at the method for producing a palladium / alumina control gel catalyst according to the present invention in more detail as follows. First, the aluminum precursor is dissolved in an alcohol solvent heated to 50 ° C. to 100 ° C., and then partially hydrated by adding water and an acid to prepare an alumina sol. The aluminum precursor is generally used in the art, but is not particularly limited, and aluminum alkoxide, aluminum acetyl acetate, and alumina sol having an alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms may be used. The alcohol solvent is generally used in the art and is not particularly limited. Specifically, alcohols having 1 to 6 carbon atoms may be used. The solvent is used in the range of 1.5 to 2.5 with respect to the aluminum precursor. If the amount is less than 1.5, the solvent is not sufficient to disperse the aluminum precursor. If the solvent exceeds 2.5, the solvent may not be formed smoothly. It is desirable to maintain.

상기 반응에 사용되는 물 및 산은 첨가된 알루미늄에 대하여 각각 0.3 내지 0.5 중량비 범위 및 0.04 내지 0.05 중량비 범위로 사용하는 바, 이의 사용량은 부분 수화시켜 알루미나 졸(sol)을 제조하기 위한 적정량이다. 다음으로, 상기 제조된 알루미나 졸을 냉각한 후, 물을 첨가하여 알루미나 겔을 제조한다. 이때, 냉각은 상온에서, 즉 10 ℃ 내지 30 ℃ 정도로 유지하는 것이 좋다. The water and acid used in the reaction are used in the range of 0.3 to 0.5 weight ratio and 0.04 to 0.05 weight ratio, respectively, with respect to the added aluminum, and the amount of the acid and the acid used are appropriate amounts for partially hydrating to prepare an alumina sol. Next, after cooling the prepared alumina sol, water is added to prepare an alumina gel. At this time, the cooling is preferably maintained at room temperature, that is, about 10 ℃ to 30 ℃.

상기 물은 첨가된 알루미나에 대하여 1.0 내지 1.2의 중량비 범위로 사용하는 바, 상기 사용량이 1.0 미만이면 겔 형성시 구조의 축합이 일어나 숙성 과정 동안 기공에서 용매가 축출되어 바람직하지 못하고, 1.2를 초과하는 경우에는 겔 형성이 너무 빠르게 진행되어 균일한 겔을 얻기 어렵기 때문에 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다. The water is used in the weight ratio range of 1.0 to 1.2 with respect to the added alumina. If the amount is less than 1.0, condensation of the structure occurs during gel formation, and the solvent is evaporated in the pores during the aging process. In this case, it is preferable to maintain the above range because gel formation proceeds too fast to obtain a uniform gel.

다음으로, 상기 제조된 알루미나 겔을 숙성(aging) 및 건조시킨다. 이때, 숙성은 2일 내지 8일, 바람직하기로는 3일 내지 7일 동안 상온에서 수행한다. 또한, 숙성 후 건조는 70 ℃ 내지 100 ℃, 바람직하기로는 70 ℃ 내지 90 ℃에서 24 시간 내지 48시간 동안 건조시킨다. Next, the prepared alumina gel is aged and dried. At this time, aging is carried out at room temperature for 2 to 8 days, preferably 3 to 7 days. In addition, drying after aging is dried for 24 to 48 hours at 70 ℃ to 100 ℃, preferably 70 ℃ to 90 ℃.

다음으로, 상기 건조된 알루미나 겔을 700 ℃ 내지 1000 ℃ 의 범위, 바람직하게는 800 ℃ 내지 900 ℃ 의 온도에서 소성시켜 알루미나 제어로젤을 제조한다.Next, the dried alumina gel is calcined at a temperature in the range of 700 ° C to 1000 ° C, preferably 800 ° C to 900 ° C, to prepare an alumina control gel.

다음으로, 상기 제조된 알루미나 제어로젤 100중량부를 기준으로 팔라듐 전구체 1 내지 20중량부 범위에서 함침 시킨 후, 20 ℃ 내지 200 ℃, 바람직하게는 100 ℃ 내지 150 ℃에서 12시간 이상 건조시켜 습기를 모두 제거시킨 다음, 300 ℃ 내지 700 ℃, 바람직하기로는 400 ℃ 내지 500 ℃에서 3시간 이상 소성하여 팔라듐/알루미나 제어로젤 촉매를 제조한다. 본 발명에서 촉매 제조에 팔라듐 전구체로 사용되는 기본물질은 물에 잘 녹고 열환원에 의해 금속형태로 잘 분해 되는 물질로서 질산 팔라듐(palladium nitrate), 염화 팔라듐(palladium chloride), 팔라듐 아세테이트(palladium acetate), 아민 콤플렉스(amine complex) 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 저온에서 열환원이 쉽게 이루어지는 질산 팔라듐을 사용하는 것이 좋다. 담지되는 팔라듐 전구체의 양이 알루미나 제어로젤 100중량부를 기준으로 1중량부 미만이면 팔라듐의 양이 적어 필요한 정도의 수소화 반응 활성을 나타내지 못하고, 20중량부를 초과하는 경우에는 팔라듐의 분산도가 떨어져 수소화 반응의 활성이 떨어지는 동시에 팔라듐 전구체의 높은 가격으로 인하여 경제성이 떨어지는 문제가 있으므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다. Next, after impregnating the palladium precursor in the range of 1 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the prepared alumina control gel, it is dried at 20 ° C. to 200 ° C., preferably 100 ° C. to 150 ° C. for at least 12 hours. After removing all, the mixture was calcined at 300 ° C. to 700 ° C., preferably at 400 ° C. to 500 ° C. for at least 3 hours, to prepare a palladium / alumina controlled gel catalyst. In the present invention, a basic material used as a palladium precursor for preparing a catalyst is palladium nitrate, palladium chloride, palladium acetate, which is well dissolved in water and well decomposed into a metal form by heat reduction. , Amine complex and the like may be used, and preferably, palladium nitrate, which is easily heat-reduced at low temperature, may be used. If the amount of the supported palladium precursor is less than 1 part by weight based on 100 parts by weight of the alumina control gel, the amount of palladium is small to show the required degree of hydrogenation activity. It is preferable to maintain the above range because the activity of the reaction is lowered and the economical efficiency is lowered due to the high price of the palladium precursor.

한편, 본 발명은 숙신산을 수소화 반응시켜 감마 부티로락톤을 제조하는 방법에 있어서, 상기 팔라듐/알루미나 제어로젤 담지 촉매 존재 하에 수소화 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 감마 부티로락톤 제조 공정을 제공한다. 본 공정은 일반적으로 높은 온도와 압력 범위에서 회분식 반응으로 수행되고, 상세하게는 150 ℃ 내지 400 ℃ 의 온도와 30 bar 내지 200 bar 의 압력 범위에서 수행되지만, 주 공정조건은 300 ℃, 100 bar 이하의 온화한 온도 및 압력 범위에서 수행되는 것이 경제적으로 바람직하다. 따라서 본 발명에서는 220 ℃ 내지 260 ℃ 의 온도 범위 및 60 bar 의 압력 조건에서 폐숙신산의 수소화 반응을 수행하였는데, 200 ℃ 이하 온도 및 40 bar 이하의 압력 조건에서도 반응이 가능하나 반응속도가 느리고 높은 전환율을 얻는데 반응시간이 오래 걸리게 되므로 적절한 온도, 압력 및 시간을 설정하는 것은 감마 부티로락톤의 생산성을 조절할 수 있는 중요한 요소이다. On the other hand, the present invention provides a method for producing gamma butyrolactone by hydrogenation of succinic acid, characterized in that the hydrogenation reaction is carried out in the presence of the palladium / alumina control rogel supported catalyst. . The process is generally carried out in a batch reaction at a high temperature and pressure range, in particular at a temperature of 150 ℃ to 400 ℃ and a pressure range of 30 bar to 200 bar, the main process conditions are 300 ℃, 100 bar or less It is economically desirable to carry out at a mild temperature and pressure range of. Therefore, in the present invention, the hydrogenation reaction of the waste succinic acid was carried out in the temperature range of 220 ℃ to 260 ℃ and 60 bar pressure, the reaction is possible at a temperature of 200 ℃ or less and a pressure of 40 bar or less, but the reaction rate is slow and high conversion rate It takes a long time to get the reaction, so setting the appropriate temperature, pressure and time is an important factor in controlling the productivity of gamma butyrolactone.

또한, 본 발명에서 폐숙신산을 감마 부티로락톤으로 전환하는 공정은 액상에서 전환율과 반응기 부피를 고려하여 수행하며, 과열시키지 않는 액상 공정이므로 코크 생성에 의한 촉매 활성의 저하도 없기 때문에 촉매 재생이 용이하다. 본 촉매 반응공정은 액상 용매에 반응물인 폐숙신산을 용해하여 고체 촉매를 사용하는 비균일계(heterogeneous) 반응이고, 용매는 벤젠, 톨루엔 및 자이렌과 같은 방향족 물질, 메탄올, 에탄올과 같은 지방족 알코올, 그리고 사수소화퓨란이나 감마 부티로락톤, 디옥산과 같은 넓은 범위의 불활성 용매를 사용할 수 있다. 상용화 공정에서는 공정생성물인 사수소화퓨란이나 감마 부티로락톤을 용매로 사용할 경우 목적에 따라 분리와 용매 제거가 필요 없다는 장점이 있지만, 본 공정에서는 감마 부티로락톤과 부생성물인 사수소화퓨란의 생산성을 정확히 측정하기 위하여 1,4-디옥산을 용매로 사용하였다. 반응기의 교반은 마그네틱 드라이버를 사용하여 행하였으며, 교반 속도는 일반적으로 300 rpm 내지 1000 rpm 이 적당하지만 촉매의 상태 와 용매의 점도 등을 고려하여 수소와 반응물 간 계면의 물질 전달이 최대인 영역에서 행하는 것이 바람직하다.In addition, in the present invention, the process of converting the waste succinic acid to gamma butyrolactone is carried out in consideration of the conversion rate and the reactor volume in the liquid phase, and since it is a liquid phase process that does not overheat, it is easy to regenerate the catalyst because there is no deterioration of catalyst activity due to coke formation. Do. This catalytic reaction process is a heterogeneous reaction using a solid catalyst by dissolving the reactant waste succinic acid in a liquid solvent.The solvent is an aromatic substance such as benzene, toluene and xylene, aliphatic alcohol such as methanol, ethanol, And a wide range of inert solvents, such as tetrahydrofuran, gamma butyrolactone, and dioxane, can be used. In the commercialization process, when the process product, tetrahydrofuran or gamma butyrolactone, is used as a solvent, there is an advantage that separation and solvent removal are not necessary depending on the purpose, but in this process, the productivity of gamma butyrolactone and the byproduct tetrahydrofuran is reduced. 1,4-dioxane was used as the solvent for accurate measurement. Stirring of the reactor was performed using a magnetic driver, and the stirring speed is generally 300 rpm to 1000 rpm, but considering the state of the catalyst and the viscosity of the solvent, the mass transfer at the interface between the hydrogen and the reactants is performed in the region where the mass is maximized. It is preferable.

본 발명의 일실시예에서는 반응물로서 바이오리파이너리 공정으로부터 재생되는 숙신산 생산 시 필연적으로 생성되는 초산을 숙신산과 혼합하여 폐숙신산을 인위적으로 재현하였다. 바이오리파이너리 공정에서 글루코오스로부터 발효되어 재생되는 폐숙신산의 부생성물은 초산과 숙신산의 중량 비율이 1 : 7 의 수준까지 가능하다고 판단되는 보고가 있고 [C. Du, S.K.C. Lin, A. Koutinas,R. Wang, C. Webb, Appl. Microbiol. Biot., 76권, 1263쪽 (2007)], 또한 이러한 숙신산 생산에서 부생성물의 문제는 발효공정에서 매우 중요한 쟁점이기 때문에 활발한 연구 개발이 진행됨에 따라 부생성물의 비율은 더욱 더 줄어들 것으로 예상된다. 따라서 본 발명에서 사용하는 초산과 숙신산이 혼합된 반응물은 초산과 숙신산의 중량 비율이 1 : 5 내지 1 : 10 의 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다. 한편, 이러한 반응물의 양은 촉매 양의 2배 이상이 적당하며, 구체적인 양은 실제 공정에서 유지비용, 생산성, 촉매의 재생효율 등을 고려하여 적당한 비율을 유지하는 것이 바람직하다.In an embodiment of the present invention, waste succinic acid is artificially reproduced by mixing succinic acid with acetic acid which is inevitably generated during succinic acid production from the biorefinery process as a reactant. As a by-product of waste succinic acid fermented from glucose in the biorefinery process, it has been reported that the weight ratio of acetic acid and succinic acid can be as high as 1: 7 [C. Du, S.K.C. Lin, A. Koutinas, R. Wang, C. Webb, Appl. Microbiol. Biot., Vol. 76, p. 1263 (2007)], and also, byproducts are a very important issue in the fermentation process, and the proportion of byproducts is expected to decrease further as active research and development proceed. Therefore, the reaction mixture of acetic acid and succinic acid used in the present invention is preferably used in the weight ratio of acetic acid and succinic acid in the range of 1: 5 to 1:10. On the other hand, the amount of the reactants is suitable to more than twice the amount of the catalyst, the specific amount is preferably maintained in a suitable ratio in consideration of the maintenance cost, productivity, catalyst regeneration efficiency, etc. in the actual process.

이하에서 본 발명의 제조예 및 실시예를 통해 본 발명에 대해 더 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Preparation Examples and Examples.

(제조)실시예 1 및 비교예 1 : 중형 기공성 알루미나 제어로젤 담체 및 알루미나 제어로젤 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매의 제조Preparation Example 1 and Comparative Example 1 Preparation of Palladium Supported Catalyst Supported on Medium-Scale Alumina Controlled Gel Carrier and Alumina Controlled Gel Carrier

중형 기공성 알루미나 제어로젤 촉매는 졸-겔(sol-gel)법을 이용하여 제조되었다. 먼저, 에탄올 60 ml를 자력 교반기를 이용하여 교반하면서 80 ℃로 가열한 후, 알루미늄 전구체인 알루미늄 sec-부톡사이드(알드리치사) 7 g을 가열된 에탄올 용매에 용해시켰다. 이후 상기 용액을 80 ℃로 유지하면서 상기 용액에 에탄올/질산/물(40 ml/0.1 ml/0.3 ml) 혼합 용액을 서서히 첨가하면서 부분적인 수화 반응을 진행시키면 수 분 내에 균일하고 투명한 알루미나 졸(sol)을 제조하였다. 상기에서 얻어진 졸(Sol)을 상온으로 식힌 다음 에탄올/물(5 ml/0.6 ml) 혼합 용액을 서서히 주입하여 수화 및 축합 반응을 통해 알루미나 겔(gel)을 얻고, 이를 5일 동안 상온에서 숙성시켰다. 이후 숙성된 겔(gel)을 80 ℃로 유지된 건조기에서 36시간 동안 건조시켜 알루미나 제어로젤(alumina xerogel)을 얻었고, 공기 분위기 하 850 ℃의 온도에서 소성하여 감마 알루미나 상을 가지는 알루미나 제어로젤 담체를 제조하였다. 상기에서 제조된 알루미나 제어로젤 담체는 AX라 기재하였다.Medium porosity alumina control gel catalysts were prepared using the sol-gel method. First, 60 ml of ethanol was heated to 80 DEG C while stirring using a magnetic stirrer, and then 7 g of aluminum sec-butoxide (Aldrich), an aluminum precursor, was dissolved in a heated ethanol solvent. Thereafter, while maintaining the solution at 80 ° C., a partial hydration reaction was carried out while gradually adding a ethanol / nitric acid / water (40 ml / 0.1 ml / 0.3 ml) mixed solution to the solution, and in a few minutes, a uniform and transparent alumina sol (sol ) Was prepared. After cooling the obtained sol (Sol) to room temperature, a mixture of ethanol / water (5 ml / 0.6 ml) was slowly injected to obtain an alumina gel through a hydration and condensation reaction, which was aged at room temperature for 5 days. . Thereafter, the aged gel was dried in a drier maintained at 80 ° C. for 36 hours to obtain an alumina xerogel, which was calcined at a temperature of 850 ° C. under an air atmosphere to give an alumina controlled rogel having a gamma alumina phase. The carrier was prepared. The alumina control gel carrier prepared above was described as AX.

이와 같이 제조된 알루미나 제어로젤과 상용 알루미나 담체에 팔라듐을 담지하여 팔라듐 담지촉매를 제조하였다. 상용 알루미나 담체는 AC라 기재하였다. 상용 알루미나를 이용한 담지촉매는 알루미나 제어로젤에 담지된 팔라듐 담지촉매와의 성능 비교를 위하여 제조하였고, Degussa 사의 제품을 사용하였다. 먼저 팔라듐 금속의 전구체인 질산 팔라듐을 증류수에 용해시킨다. 이때, 물의 양은 최소한의 양으로 촉매 1 g 당 0.1 ml를 유지하였다. 이렇게 준비된 용액에 팔라듐 : 알루미나 제어로젤의 중량비가 0.05 : 1이 되도록 소성이 끝난 알루미나 제어로젤을 넣고 물리적 힘을 가하여 함침시켰다. 이때, 물을 매우 조금씩 더해가면서 알루미 나가 촉촉하게 젖을 정도의 물 까지만 넣도록 조절하였다(초기 습윤 기법:incipient wetness method). 이러한 과정을 통하여 팔라듐이 담지된 알루미나 제어로젤 촉매를 제조하였다. 이후, 함침된 팔라듐/알루미나 제어로젤 시료를 120 ℃에서 약 24시간 이상 건조시켜 습기를 모두 제거시킨 다음, 촉매를 고온 전기로에서 450 ℃에서 약 4시간 이상 소성시켜 질산기를 제거하였다. 상기에서 제조된 촉매를 Pd/AX라 기재하였다. 담체에 따른 성능 비교를 위해 위 과정을 상용 알루미나에 동일하게 적용하여 촉매를 제조하였으며, 이렇게 제조된 촉매를 Pd/AC라 기재하였다. 이후 상기 제조된 두 촉매는 200 ℃ 수소 분위기 하에서 3시간동안 충분한 환원 처리를 하였다.The palladium supported catalyst was prepared by supporting palladium on the alumina control gel and the commercially available alumina carrier. Commercial alumina carriers have been described as AC. The supported catalyst using commercial alumina was prepared for performance comparison with the palladium supported catalyst supported on the alumina control gel, and Degussa's product was used. First, palladium nitrate, a precursor of palladium metal, is dissolved in distilled water. At this time, the amount of water was kept at a minimum amount of 0.1 ml per g of catalyst. The prepared alumina control gel was calcined so as to have a weight ratio of palladium: alumina control gel to 0.05: 1, and impregnated with a physical force. At this time, the water was added little by little and the alumina was adjusted to put only the water enough to moisten wet (initial wetness method: incipient wetness method). Through this process, alumina-controlled gel catalyst supporting palladium was prepared. Thereafter, the impregnated palladium / alumina control gel sample was dried at 120 ° C. for at least 24 hours to remove all moisture, and then the catalyst was calcined at 450 ° C. for at least 4 hours at high temperature electric furnace to remove nitrate groups. The catalyst prepared above was described as Pd / AX. The catalyst was prepared by applying the above procedure to commercial alumina for performance comparison according to the carrier, and the catalyst thus prepared was described as Pd / AC. The two catalysts were then subjected to sufficient reduction for 3 hours under 200 ° C. hydrogen atmosphere.

위와 같이 제조한 상용 알루미나 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AC)와 알루미나 제어로젤 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AX)의 물리 화학적 특성을 분석하여 그 결과를 하기 표 1에 정리하였고, 질소 흡착-탈착 분석 곡선 결과를 도 2에 나타내었다. 한편 Degussa 사의 상용 알루미나 제품은 비기공성 입자로 이루어져 있어, 질소 흡탈착 실험이 어렵고 정확한 기공부피와 기공크기가 측정되지 않으므로 기재하지 않았다.Analyze the physicochemical properties of the palladium supported catalyst (Pd / AC) supported on the commercially available alumina carrier prepared as described above and the palladium supported catalyst (Pd / AX) supported on the alumina control rogel carrier and summarize the results in Table 1 below. The nitrogen adsorption-desorption analysis curves are shown in FIG. 2. On the other hand, Degussa's commercial alumina product is composed of non-porous particles, so it is difficult to carry out nitrogen adsorption and desorption experiments and precise pore volume and pore size are not described.

팔라듐함량 (wt %)Palladium content (wt%) 팔라듐 분산도 Palladium dispersion 비표면적 (m2/g)Specific surface area (m 2 / g) 기공부피 (cm3/g)Pore Volume (cm 3 / g) 평균 기공 크기 (nm)Average pore size (nm) ACAC -- -- 106106 -- -- AXAX -- -- 202202 0.330.33 6.16.1 Pd/ACPd / AC 5.25.2 16.716.7 9999 -- -- Pd/AXPd / AX 5.15.1 24.324.3 191191 0.310.31 6.16.1

도 2에서 나타낸 알루미나 제어로젤 담체(AX)와 알루미나 제어로젤 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AX)의 질소 흡착-탈착 분석 곡선은 모두 전형적인 Type-IV의 등온선을 나타내었으며 Type-H2 형태의 이력현상(hysteresis)을 보였다. Type-H2 형태의 이력현상(hysteresis)은 알루미나 제어로젤 담체(AX)에 큰 기공부피와 작은 기공 입구 크기를 가진 잉크병 모양의 중형 기공이 발달했다는 것을 의미한다. The nitrogen adsorption-desorption analysis curves of the alumina control gel support (AX) and the palladium supported catalyst (Pd / AX) supported on the alumina control gel support shown in FIG. 2 showed typical Type-IV isotherms and Type-H2 It showed a form of hysteresis. Type-H2 type hysteresis means that ink bottle-shaped medium pores with large pore volume and small pore inlet size were developed in alumina control gel carrier (AX).

한편 표 1에서 나타나는 바와 같이, 상용 알루미나 담체(AC)의 비표면적은 약 106 m2/g 로 낮으나, 알루미나 제어로젤(AX) 담체의 경우 202 m2/g 정도의 높은 비표면적을 지닌다. 기공 부피의 경우 알루미나 제어로젤(AX)는 0.33 cm3/g의 기공 부피를 보였으며, 팔라듐이 5 wt.% 담지된 이후에도 0.31 cm3/g의 비슷한 기공 부피를 보였다. 또한 BJH 모델식을 통해 계산된 알루미나 제어로젤 담체(AX)와 알루미나 제어로젤 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AX)촉매의 평균 기공크기가 6.1 nm 정도로 비슷하게 나타나는 것을 확인할 수 있었는데, 이 결과들은 알루미나 제어로젤 담체에 팔라듐이 담지된 후에도 알루미나 제어로젤 담체(AX)의 기공이 그대로 잘 유지되고 있음을 의미한다. 이는 도 2에서 알루미나 제어로젤 담체(AX)와 알루미나 제어로젤 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AX)의 질소 흡착-탈착 분석 곡선이 모두 비슷한 형태의 등온선과 이력현상(hysteresis)을 보이는 이유를 잘 설명해 준다고 할 수 있다.On the other hand, as shown in Table 1, the specific surface area of the commercial alumina carrier (AC) is low as about 106 m 2 / g, but has a high specific surface area of about 202 m 2 / g for the alumina control rogel (AX) carrier. In terms of pore volume, alumina control gel (AX) showed a pore volume of 0.33 cm 3 / g, and a similar pore volume of 0.31 cm 3 / g even after 5 wt.% Of palladium was loaded. In addition, the average pore sizes of the alumina controlled rogel carrier (AX) and the palladium supported catalyst (Pd / AX) catalyst supported on the alumina controlled gel support were calculated to be about 6.1 nm, which were calculated using the BJH model equation. The results indicate that the pores of the alumina control gel carrier (AX) are well maintained even after palladium is supported on the alumina control gel carrier. In FIG. 2, the nitrogen adsorption-desorption analysis curves of the palladium-supported catalyst (Pd / AX) supported on the alumina control gel support (AX) and the alumina control gel support showed similar isotherms and hysteresis. You can explain why.

도 3은 상용 알루미나 담체(AC)와 상용 알루미나 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AC), 알루미나 제어로젤 담체(AX)와 알루미나 제어로젤 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AX)의 X-선 회절 스펙트럼을 나타낸 것이다. 각각의 담체는 모두 X-선 회절 스펙트럼의 2θ 특성 피크가 35O 내지 38O, 45O 내지 47O, 66O 내지 68O 의 범위에서 잘 나타나기 때문에 감마 알루미나 상을 형성하고 있는 것을 확인할 수 있다. 한편 상용 알루미나 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AC)와 알루미나 제어로젤 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AX)는 소성 후 2θ = 33O 부근에서 산화 팔라듐의 특성 피크를 보이지만 환원 후에는 산화 팔라듐의 특성 피크가 사라지고 팔라듐 고유의 금속 피크가 2θ = 40O 부근에서 관찰되어, 환원 처리 후 수소화 반응 촉매로서 활성점이 잘 발달되었음을 확인할 수 있다.3 is a palladium supported catalyst (Pd / AC) supported on a commercial alumina carrier (AC) and a commercial alumina carrier, an alumina controlled gel support (AX) and a palladium supported catalyst (Pd / AX) supported on an alumina controlled rose gel carrier X-ray diffraction spectrum is shown. It is confirmed that each of the carriers forms a gamma alumina phase because the 2θ characteristic peak of the X-ray diffraction spectrum is well represented in the range of 35 O to 38 O , 45 O to 47 O , 66 O to 68 O. On the other hand, the palladium supported catalyst (Pd / AC) supported on the commercial alumina carrier and the palladium supported catalyst (Pd / AX) supported on the alumina control gel support showed a characteristic peak of palladium oxide near 2θ = 33 O after firing, but after reduction The characteristic peak of palladium oxide disappeared and the inherent metal peak of palladium was observed in the vicinity of 2θ = 40 O , confirming that the active point was well developed as a hydrogenation catalyst after the reduction treatment.

도 4는 상용 알루미나 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AC)와 알루미나 제어로젤 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AX)의 고배율 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지를 나타낸 것이다. 두 이미지를 비교해 보면, 상용 알루미나 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AC)의 고배율 투과전자현미경 이미지는 팔라듐 입자가 뭉쳐있어 고르게 분산되지 못한 형태를 보이는 반면에, 알루미나 제어로젤 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AX)의 이미지는 담체에 고르게 분산된 팔라듐의 형태를 육안으로 확인할 수 있다. 또한 수소 흡착 실험(H2 chemisorption)으로 측정된 팔라듐 분산도(표 1에서 기재) 역시 알루미나 제어로젤 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AX)가 24.3 % 로 16.7 %의 분산도를 나타내는 상용 알루미나 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AC)보다 고르게 분산되었다는 것을 명확하게 알려준다.FIG. 4 shows a high magnification transmission electron microscope (HR-TEM) image of a palladium supported catalyst (Pd / AC) supported on a commercial alumina carrier and a palladium supported catalyst (Pd / AX) supported on an alumina control gel support. Comparing the two images, the high magnification transmission electron microscope image of the Pd / AC supported catalyst (Pd / AC) supported on the commercial alumina carrier shows that the palladium particles are agglomerated and do not disperse evenly. The image of the palladium supported catalyst (Pd / AX) can visually confirm the form of palladium evenly dispersed in the carrier. In addition, the palladium dispersion degree (described in Table 1), measured by the hydrogen adsorption experiment (H 2 chemisorption), also shows that the palladium supported catalyst (Pd / AX) supported on the alumina control gel carrier was 24.3%, showing a dispersion degree of 16.7%. It clearly shows that it is evenly dispersed than the palladium supported catalyst (Pd / AC) supported on the alumina carrier.

(사용)실시예 2 및 비교예 2: 상용 알루미나 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AC)와 알루미나 제어로젤 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AX) 상에서 폐숙신산의 수소화 반응에 의한 감마 부티로락톤의 제조(Use) Example 2 and Comparative Example 2: By hydrogenation of waste succinic acid on a palladium supported catalyst (Pd / AC) supported on a commercial alumina carrier and a palladium supported catalyst (Pd / AX) supported on an alumina control rogel carrier Preparation of Gamma Butyrolactone

상기 실시예 및 비교예 1에서 각각 제조된 상용 알루미나 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AC)와 알루미나 제어로젤 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AX)촉매를 이용하여 폐숙신산의 수소화 반응에 의한 감마 부티로락톤의 제조반응을 온도별로 수행하였다. 반응결과는 도 5와 표 2에 나타내었다. 폐숙신산의 전환 반응은 액체 상태로 이루어 졌으며, 회분식 반응기를 사용하여 수행하였다. 반응을 위해 오토클레이브(autoclave) 반응기에 촉매 0.4 g, 숙신산 1 g, 폐숙신산 부산물로써 초산 0.2 g을 1,4-디옥산 용매 50 ml와 함께 충진 한 후, 질소를 3,4회 흘리면서 반응기 내부의 산소를 제거해 준다. 이후 수소를 주입시켜 20 bar 정도의 압력이 되면 반응온도까지 10 ℃/min 의 승온 속도로 가열시킨다. 반응온도에 다다르면 다시 수소를 이용하여 압력을 60 bar 까지 올리고, 이 때를 반응 시작시간으로 한다. 총 반응 시간은 4시간으로 하며, 교반 속도는 500 rpm에서, 반응 온도는 각각 220 ℃, 240 ℃, 260 ℃에서 수행하였다. 반응이 끝나면 온도를 상온까지 식히고 압력을 제거한 후 촉매와 액상 생성물을 여과로 분리하여 가스 크로마토그래피(GC)로 분석하였다. 부생성물은 프로피온산, 부티릭산, 1,4-부탄다이올 등이 주로 생성되었다.Hydrogenation of waste succinic acid using a palladium supported catalyst (Pd / AC) supported on a commercial alumina carrier prepared in Examples and Comparative Examples 1 and a palladium supported catalyst (Pd / AX) catalyst supported on an alumina control rogel carrier Reaction of gamma butyrolactone by the reaction was carried out for each temperature. The reaction results are shown in FIG. 5 and Table 2. The conversion reaction of waste succinic acid was made in the liquid state and carried out using a batch reactor. For the reaction, an autoclave reactor was charged with 0.4 g of catalyst, 1 g of succinic acid, 0.2 g of acetic acid as a by-product of waste succinic acid with 50 ml of 1,4-dioxane solvent, and then flowed with nitrogen 3,4 times. Remove oxygen from Then, when hydrogen is injected to a pressure of about 20 bar, the reaction temperature is heated to a temperature increase rate of 10 ℃ / min. When the reaction temperature is reached, the pressure is raised to 60 bar again using hydrogen, and this time is used as the reaction start time. The total reaction time was 4 hours, the stirring speed was performed at 500 rpm, the reaction temperature was performed at 220 ℃, 240 ℃, 260 ℃, respectively. After the reaction, the temperature was cooled to room temperature, the pressure was removed, and the catalyst and the liquid product were separated by filtration and analyzed by gas chromatography (GC). By-products mainly produced propionic acid, butyric acid, 1,4-butanediol, and the like.

표 2에서 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 알루미나 제어로젤 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AX)는 모든 온도에서 상용 알루미나 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AC)에 비하여 높은 숙신산의 전환율을 나타내었는데, 이는 본 발명에 따른 알루미나 제어로젤 담체가 상용 알루미나 담체보다 표면적, 표면특성 및 기공특성 등 모든 면에서 우수한 물성을 지님에 따라 팔라듐 촉매 성분의 고분산을 이끌어 냈기 때문이다. 또한 높은 전환율에 따라 감마 부티로락톤의 수율 역시 알루미나 제어로젤 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AX) 상에서 우수하게 나옴으로써, 본 발명에 따른 담지촉매는 폐숙신산의 감마 부티로락톤 전환 반응에 매우 효율적인 촉매로 작용함을 알 수 있다.As shown in Table 2, the palladium supported catalyst (Pd / AX) supported on the alumina control gel support according to the present invention has a higher conversion rate of succinic acid than the palladium supported catalyst (Pd / AC) supported on the commercial alumina carrier at all temperatures. This is because the alumina control gel carrier according to the present invention has excellent physical properties in all aspects such as surface area, surface characteristics and pore characteristics than commercial alumina carriers, leading to high dispersion of the palladium catalyst component. In addition, the yield of gamma butyrolactone according to the high conversion is also excellent on the palladium supported catalyst (Pd / AX) supported on the alumina control rogel carrier, so that the supported catalyst according to the present invention is gamma butyrolactone conversion reaction of waste succinic acid. It can be seen that it acts as a very efficient catalyst.

Figure 112009080499351-pat00001
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Figure 112009080499351-pat00004
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한편 도 5에 나타낸 알루미나 제어로젤 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AX)와 상용 알루미나 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AC)의 반응 온도별 감마 부티로락톤 수율을 살펴보면 240 ℃ 이상에서는 두 촉매 상에서 모두 숙신산의 전환율이 높아짐에도 불구하고 수율은 거의 동일함을 알 수 있다. 이는 온도가 높아짐에 따라 열에 따른 수소 첨가 분해반응이 수소화 반응과 경쟁적으로 일어나게 되어, 그 부산물인 프로피온산의 증가로 인한 감마 부티로락톤 선택도 감소에 기여하는 것으로 볼 수 있다. 따라서 본 발명에서는 240 ℃의 온도가 가장 경제적이며 우수한 수율을 나타내는 조건임을 알 수 있다.On the other hand, the gamma butyrolactone yields of the reaction temperature of the palladium supported catalyst (Pd / AX) supported on the alumina control gel support and the palladium supported catalyst (Pd / AC) supported on the commercial alumina carrier shown in FIG. In both catalysts, the yield is almost the same despite the higher conversion of succinic acid. This can be seen that as the temperature increases, the hydrocracking reaction with heat occurs competitively with the hydrogenation reaction, contributing to the decrease in gamma butyrolactone selectivity due to the increase in by-product propionic acid. Therefore, in the present invention, it can be seen that the temperature of 240 ℃ is the most economical condition showing excellent yield.

앞에서 설명된 본 발명의 일실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.The embodiments of the present invention described above should not be construed as limiting the technical idea of the present invention. The scope of protection of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art will be able to modify the technical idea of the present invention in various forms. Therefore, such improvements and modifications will fall within the protection scope of the present invention, as will be apparent to those skilled in the art.

도 1은 원료별 감마 부티로락톤 제조 반응 경로1 is a reaction route for preparing gamma butyrolactone for each raw material.

도 2는 실시예 1에서 제조한 알루미나 제어로젤 담체(AX)와 알루미나 제어로젤 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AX)의 기공구조 및 기공특성을 분석하기 위한 질소 흡착-탈착 실험 결과FIG. 2 shows the results of nitrogen adsorption-desorption experiments for analyzing the pore structure and pore characteristics of the alumina controlled gel support (AX) prepared in Example 1 and the palladium supported catalyst (Pd / AX) supported on the alumina controlled gel support.

도 3은 비교예 1에서 제조한 상용 알루미나 담체(AC)와 상용 알루미나 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AC), 실시예 1에서 제조한 알루미나 제어로젤 담체(AX)와 알루미나 제어로젤 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AX)의 X-선 회절 스펙트럼FIG. 3 shows a commercial alumina carrier (AC) prepared in Comparative Example 1 and a palladium supported catalyst (Pd / AC) supported on a commercial alumina carrier, an alumina controlled rosette carrier (AX) and an alumina controlled roselle prepared in Example 1 X-ray diffraction spectrum of supported palladium supported catalyst (Pd / AX)

도 4는 상용 알루미나 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AC)와 알루미나 제어로젤 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AX)의 고배율 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지4 is a high magnification transmission electron microscope (HR-TEM) image of a palladium supported catalyst (Pd / AC) supported on a commercially available alumina carrier and a palladium supported catalyst (Pd / AX) supported on an alumina controlled gel support.

도 5는 알루미나 제어로젤 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AX)와 상용 알루미나 담체에 담지된 팔라듐 담지 촉매(Pd/AC)의 반응 온도별 감마 부티로락톤의 수율5 shows the yield of gamma butyrolactone according to the reaction temperature of the palladium supported catalyst (Pd / AX) supported on the alumina control gel support and the palladium supported catalyst (Pd / AC) supported on the commercial alumina carrier.

Claims (5)

숙신산으로부터 감마 부티로락톤을 제조하기 위한 담지 촉매에 있어서,In the supported catalyst for producing gamma butyrolactone from succinic acid, 상기 담지촉매는 알루미나 제어로젤(Xerogel) 담체 100중량부에 대하여 Pd 금속촉매가 1 내지 20중량부의 비율로 담지된 것을 특징으로 하는 알루미나 제어로젤(Xerogel) 담체에 담지된 팔라듐 촉매.The supported catalyst is a palladium catalyst supported on an alumina controlled gel (Xerogel) carrier, characterized in that the Pd metal catalyst is carried in a ratio of 1 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of an alumina controlled gel (Xerogel) carrier. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 알루미나 제어로젤 담체는 평균 기공크기가 2nm 내지 15 nm 범위에서 표면적이 100 m2/g 내지 300 m2/g 의 범위인 것을 특징으로 하는 알루미나 제어로젤(Xerogel) 담체에 담지된 팔라듐 촉매.The alumina control gel support is a palladium catalyst supported on an alumina control gel (Xerogel) carrier, characterized in that the average pore size is in the range of 100 m 2 / g to 300 m 2 / g in the range of 2 nm to 15 nm . 삭제delete 제1항의 알루미나 제어로젤(Xerogel) 담체에 담지된 팔라듐 촉매 존재하에 숙신산 혹은 숙신산무수물을 150 내지 400℃ 범위의 온도 및 30 내지 200 bar 범위의 압력에서 반응시키는 단계를 포함하는 숙신산의 수소화반응에 의한 감마 부티로락톤 제조방법.In the hydrogenation of succinic acid comprising the step of reacting succinic acid or succinic anhydride at a temperature in the range of 150 to 400 ℃ and pressure in the range of 30 to 200 bar in the presence of a palladium catalyst supported on the alumina controlled Xerogel carrier of claim 1 Gamma butyrolactone production method. 제4항에 있어서, 5. The method of claim 4, 상기 숙신산은 초산과 숙신산이 1:5 내지 1:10 의 중량비 범위로 혼합되어, 분리, 정제 공정을 거치지 않은 폐숙신산인 것을 특징으로 하는 숙신산의 수소화반응에 의한 감마 부티로락톤 제조방법.The succinic acid is gamma butyrolactone production method by hydrogenation of succinic acid, characterized in that the mixed succinic acid and succinic acid in the weight ratio range of 1: 5 to 1:10, the waste succinic acid is not subjected to separation and purification.
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