KR101208152B1 - 탈수소 에어로젤 촉매 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄화수소 기체의 탈수소화 반응에 사용되는 촉매의 활성, 선택성, 코크 안정성이 우수한 탈수소 에어로젤 촉매에 관한 것으로, 탄화수소의 탈수소화 공정에 사용되는 촉매에 있어, 담체가 기공 크기가 5~200nm인 메조기공을 갖고 Pt의 활성 밀도가 0.001 wt.%/m2 ~ 0.009 wt.%/m2 을 가지는 것을 특징으로 하는 탈수소 반응용 에어로젤 촉매를 제공한다.
탈수소화, 촉매, 에어로젤

Description

탈수소 에어로젤 촉매{Dehydrogenation aerogel catalyst}
본 발명은 탈수소 에어로젤 촉매에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄화수소 기체의 탈수소화 반응에 사용되는 촉매의 활성, 선택성, 코크 안정성이 우수한 탈수소 에어로젤 촉매에 관한 것이다.
탄화수소 기체의 탈수소화 반응은 550oC 이상의 고온에서 진행된다. 촉매 반응이 고온에서 진행됨에 따라, 그에 대한 부반응으로 열분해 및 코크 생성반응이 수반되고, 이러한 부반응의 정도가 촉매의 선택도 및 활성을 결정짓는 핵심 요소가 된다. 부반응의 하나인 코크 생성 반응은 촉매상의 활성물질을 코크로 덮이게 하여 반응물과 접촉을 차단시킴으로써 전반적인 반응전환율을 낮추게 된다. 또한, 코크의 생성이 진행됨에 따라 촉매내에 존재하는 기공의 입구를 막아 기공내에 존재하는 활성물질을 무용화하여 급격하게 비활성화를 촉진한다.
탄화수소의 탈수소화 촉매의 또 다른 요구사항으로는 열적 안정성을 들 수 있다. 고온의 반응온도와 촉매의 코크재생 과정에서 발생하는 열에 의해 촉매 자체의 열적 변형 및 구조적 소결 현상을 가져오고, 그에 따른 촉매 반응성의 변화를 야기한다. 상기의 이유로 인해 촉매의 구조적 적합성, 촉매 구조의 열적 안정성, 활성 성분의 열적 안정성, 촉매의 코크 재생성은 우수한 촉매를 결정짓는 주요 요소가 된다.
종래에 공지된 탈수소화 촉매 관련 특허에는 촉매의 활성성분에 대한 내용이 주류를 이루고 있으며, 중요한 촉매의 물리적 특징의 하나인 기공 특성에 관한 내용은 많지 않다. 일반적인 촉매반응에 있어 비표면적은 매우 중요한 특성으로 높은 비표면적을 가진 촉매일수록 활성성분의 분산도가 향상되어 반응활성은 향상되는 결과를 나타낸다. 또한 기공 부피 및 기공 크기와 같은 특성은 반응물과 생성물의 물질 전달 계수를 결정짓는 주요 인자이며, 화학반응 속도가 빠른 상황에서 물질의 확산 저항은 전체적인 반응속도를 결정짓기 때문에 기공의 크기가 큰 구조체가 촉매의 활성을 높게 유지하는데 유리하다. 또한, 기공의 크기가 큰 담체를 사용하는 것이 코크의 축적에 둔감하게 작용하여 촉매활성 유지에 유리하다.
탈수소화 촉매는 크롬 산화물 촉매와 백금 촉매의 두 부류로 나뉜다. 크롬계 촉매(미국특허 6,797,850)는 코크 생성에 따른 촉매의 비활성화 속도가 빠르며 그에 따른 재생 속도가 빠르기 때문에 촉매의 수명이 백금계 촉매에 비해 짧은 편이고 크롬 자체의 독성으로 인한 문제를 내재하고 있다.
백금계 촉매 중, 40-160 마이크로미터의 활성성분이 함유된 외부층을 갖는 촉매가 있으며, 내부에는 감마-알루미나 (미국특허 6,756,515) 또는 알파-알루미나 (미국특허 6,486,370)를 기반으로 각각의 층을 이루는 형태의 촉매가 있으나, 기공에 의한 촉매의 비표면적을 결정짓는 내부층에는 금속 활성성분이 존재하지 않게 되어 낮은 분산도 및 낮은 활성면적을 갖는 특성을 지닐 수 있게 된다. 또한, 감마-알루미나의 사용은 알루미나 자체의 산점으로 인한 부반응성이 크고, 반응중 알루미나 결정성이 변화하고 비표면적이 감소하는 구조적 특성 변화를 가져오게 되고, 알파-알루미나는 낮은 비표면적으로 인해 귀금속의 분산도를 낮추고 전체적인 귀금속의 활성면적을 감소시켜 낮은 촉매활성을 나타낸다.
촉매의 제조에 있어 염소 성분이 제거된 형태의 백금계 촉매를 제조하여 에탄의 탈수소화에 적용한 형태(미국특허 7,375,049)가 있으나, 염소가 없는 경우 반응 초기의 활성이 높을 수 있으나, 공정내에서 장기 사용할 경우 활성금속 성분의 뭉침현상 (sintering)이 진행되어 분산도가 낮아지고 결국에는 활성이 저하되는 특성을 갖게 된다. (Catalysis Today 111 (2006) 133-139)
촉매의 담체를 실리카 (미국특허 7,432,406), 제올라이트나 보론실리케이트 (미국특허 6,555,724)를 사용하여 백금계 촉매를 제조하기도 하나, 이들 촉매는 기본적으로 평균 기공경이 10 nm 이하인 기공이 주를 이루며, 이로 인해 코크 생성에 따른 구조적 폐쇄에 매우 민감하게 작용하게 되어, 촉매의 비활성화가 급격히 진행될 수 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 탄화수소의 탈수소화 반응에 있어 고활성을 지니는 에어로젤 촉매를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 반응물과 생성물의 물질 전달이 용이하도록 매조 기공의 크기를 갖는 에어로젤 촉매를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 코크 생성에 따른 비활성화가 지연되는 효과를 지닌 에어로젤 촉매를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 네 번째 과제는 촉매의 코크 재생성이 높아 재생후에도 초기의 활성과 변함이 없는 에어로젤 촉매를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다섯 번째 과제는 열에 의한 구조적 변화나 활성 물질의 특성변화가 없는 에어로젤 촉매를 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 탈수소 반응용 에어로젤 촉매는 탄화수소의 탈수소화 공정에 사용되는 촉매로서, 담체가 메조포어 영역이 발달된 기공 분포를 갖고 Pt의 활성 밀도가 0.001 wt.%/m2 ~ 0.009 wt.%/m2 을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 탄화수소는 C2~C5의 선형 탄화수소 또는 에틸벤젠이다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 담체는 실리카, 알루미나, 타이타니아, 나이오비아의 무기 에어로젤 및 이의 혼합성분으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 담체의 비표면적이 200~1200 m2/g이고, 기공 크기가 5~200 nm인 메조기공이 발달되어 있다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 촉매는 백금 0.05~2.0 중량%, 보조금속 0.05~20.0 중량%, 알칼리 금속 또는 알칼리토금속 0.05~3.0 중량%, 및 할로겐 성분 0.1~5.0 중량%를 포함하고 있다.
본 발명에 의해 제조된 에어로젤 촉매는 메조 기공 발달에 따른 비표면적 증가를 기본으로 활성성분의 담지시 높은 분산도를 갖도록 하며, 매조 기공의 발달은 물질전달 속도를 높이는 효과를 갖는다. 또한 에어로젤 촉매 내에 존재하는 기공의 크기가 큰 경우, 촉매 상에 발생되는 코크에 의한 활성 감소에 둔감하게 되고, 물질 전달 속도가 높아 LHSV(Liquid Hourly Space Velocity)의 증가에도 높은 반응 활성을 보이게 된다.
본 발명에 의해 제조된 에어로젤 촉매는 높은 백금의 분산도를 갖는 촉매이다. 백금의 밀도는 입자의 크기를 결정짓는 핵심 요소이다. 백금 입자의 크기에 따라 코너, 에지, 평면(plane face)의 분포도가 변하게 되는데, 이는 반응 전환율 및 선택도와 직접적인 관련을 갖는다. 백금의 입자가 1.35 nm 인 경우 코너가 50% 존 재하는 반면, 입자의 크기가 2.15 nm가 되면 코너가 18%, 에지가 45%, 평면이 37%로 되며, 입자의 크기가 5.1 nm가 되면 코너가 3%, 에지가 27%, 평면이 70% 가량으로 그 특성이 변하게 되어 촉매반응에서 전환율과 선택도의 변화를 가져온다 (Catalyst Preparation, John Regalbuto, p.422-448 (2006, CRC Press))
또한, 본 발명에 의해 제조된 에어로젤 촉매는 염소의 함량을 조절하여 제조한다. 특히 염소는 무기 에어로젤 담체의 주성분과 결합되어 담체 자체의 산의 특성을 감쇠시켜 생성물의 탈착을 용이하게 하며 그로 인한 코크의 생성을 억제하는 효과를 갖는다. 코크의 생성은 담체 자체에서 흡착하며 반응이 완결되거나, 활성점에서 생성된 주산물/부산물이 스필오버(spill-over) 되어 담체에 적체되고 추가적인 코크 생성 반응을 통해 최종적으로 생성되기도 하지만, 산점을 약화시켜 생성물의 탈착을 용이하게 하면 담체에 적체되는 양이 줄어들어 코크 생성을 감소시킬 수 있다. 또, 촉매의 재생 과정 중에 백금의 소결현상을 제어하기 위해서도 염소가 활용된다 (Reactivation of sintered Pt/Al2O3 oxidation catalysts, F. Cabello Galisteo et al., Appl. Catal. B 59 (2005) 227-233).
본 발명에 의한 탈수소 에어로젤 촉매는 백금을 활성성분으로 하는 촉매로서 5~200 nm의 메조 기공 분포를 갖는 에어로젤 담체를 사용하는 것이 바람직하나 이에 제한되지 않는다. 상기 에어로젤 촉매의 담체로는 실리카, 알루미나, 타이타니 아, 나이오비아 등의 무기 에어로젤 및 이의 혼합성분으로 이루어진 것으로 바람직하게는 실리카 또는 알루미나, 이의 혼합성분이다. 또한 담체의 형태는 파우더, 구형, 각종 모노리스 형태의 에어로젤이 사용하는 것이 바람직하나 이에 제한되지 않는다.
상기 담체는 비표면적이 200~1200㎡/g이고, 5~200㎚의 메조 기공을 갖는다. 일반적으로 프로판 탈수소 담체에 가장 많이 사용되는 알루미나 또는 실리카 에어로젤 담체의 경우, 1000℃의 열처리 이후에도 200㎡/g 이상의 높은 비표면적을 가지며, 이러한 높은 비표면적은 활성 성분의 담지시 높은 분산도를 결정지을 수 있다. 또한 에어로젤 담체 기공의 부피와 기공의 크기는 반응물과 생성물의 물질 전달 계수를 결정짓는 주요 인자이다. 화학반응 속도가 빠른 상황에서 물질의 확산 저항은 전체적인 반응속도를 결정짓기 때문에 기공의 크기가 큰 구조체가 촉매의 활성을 높게 유지하는데 유리하다. 일반적으로 담체의 기공이 5 nm 이하이면 누센확산(Knudsen diffusion)에 의해 물질전달 속도가 떨어지게 되어 반응활성이 감소하게 된다. 또한, 기공의 크기가 큰 담체를 사용하는 것이 코크의 축적에 둔감하게 작용하여 촉매활성 유지에 유리하다. 그러나 담체의 기공이 200 nm 이상인 경우에는 실제 공정에 적용시, 성형 담체의 강도가 낮아지는 단점을 나타낸다.
활성점으로 작용되는 백금의 밀도는 0.001 wt.%/m2~0.009 wt.%/m2 가 바람직하다. 백금의 밀도가 0.001 wt.%/m2 이하이면 활성점이 충분하지 못해 반응 전환율이 낮아지게 되고, 0.009 wt.%/m2 이상인 경우 백금의 분산도가 낮아져 코크의 생성 량이 증대하고 부반응성이 높아져 반응 선택도가 낮아지게 된다.
본 발명에 따른 조성물에 사용할 수 있는 탈수소 에어로젤 촉매는 촉매내에 존재하는 염소의 함량이 0.1~3.0 wt.%에 제한된다. 염소의 함량이 0.1wt.% 이하인 경우 촉매상에 코크의 생성속도가 급격히 높아지고 촉매의 코크재생성이 낮아지고 촉매 재생시 백금의 분산도가 낮아지며, 염소의 함량이 3.0 wt.% 이상인 경우 염소에 의한 귀금속의 피독현상으로 촉매의 활성이 낮아지게 된다.
본 발명에 의해 제조된 에어로젤 촉매는 탄화수소 탈수소 반응, 즉 탄화수소의 구성이 C2~C5의 선형 탄화수소 및 에틸벤젠을 포함하는 반응공정에 적용가능하며, 특히 선형 탄화수소인 프로판 탈수소 반응에 가장 우수한 반응활성을 나타낸다.
본 발명에 따른 산화 탈수소 반응용 에어로젤 촉매는 백금 0.05~2.0 중량%, 보조금속 0.05~20.0 중량%, 알칼리 금속 또는 알칼리토금속 0.05~3.0 중량%, 및 할로겐 성분 0.1~5.0 중량% 포함한다. 여기서 백금의 경우 0.05% 이하이면, 활성성분의 비율이 낮아 반응활성이 낮아지게 되며, 2.0% 이상이 되면 분산도가 낮아지기 때문에 반응활성이 낮아지게 된다. 다른 성분들은 주성분인 백금 및 담체에 대한 보조성분으로 각 중량%에서 가장 우수한 탈수소 반응활성을 나타낸다. 상기 백금은 주요금속으로 사용되며, 보조금속으로는 주석, 게르마늄, 갈륨, 인듐, 아연 및 망간으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 사용하며, 특히 주석이 바람직하다. 알칼리 금속 또는 알칼리토금속은 칼륨, 나트륨 및 리튬으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 사용한다. 할로겐 성분으로는 염소, 인 및 불소로 이루어진 군으로부터 선 택된 것을 사용한다.
본 발명에 의한 에어로젤 담체의 제조방법으로는 습윤젤 제조, 초임계 건조, 열처리의 순서로 진행되며, 활성성분 담지는 열처리 후 함침 등의 방법에 의해 추가되거나, 또는 습윤젤 제조시 활성성분을 미리 혼합하여 제조하게 된다. 특히 전구체, 용매, 촉매 및 반응속도 제어제의 종류와 양에 따라 그 물성이 매우 달라지게 된다. 일반적으로 전구체로는 알콕사이드계 전구체를 사용하게 되나 금속염을 사용하기도 한다. 용매로는 알코올류를 사용하게 되며 특히 메탄올이나 에탄올을 사용한다. 또한 촉매로는 전구체의 특성에 따라 산촉매나 염기촉매를 사용하며, 실리카 에어로젤과 같이 젤화속도가 낮을 경우에는 반응속도 조절제를 사용하여 젤화시간을 단축시킨다. 에어로젤 담체 제조에 대한 자세한 예를 실시예 1에 나타내었다.
[실시예 1]
촉매 담체로 사용되는 실리카 에어로젤의 제조방법은 다음과 같다. 먼저 실리카 습윤젤의 제조방법으로는 TEOS 25 ml를 드라이 박스 내에서 메탄올과 혼합하고 여기에 메탄올, 증류수, 염기촉매인 NH4OH, 반응속도 제어제인 NH4F를 혼합한 용액을 첨가하여 교반하였다. 사용된 메탄올의 양은 TEOS 1몰당 7.2몰로 일정하게 유지하였으며 증류수, NH4OH, NH4F의 몰비를 각각 4~8.67, 0.01~0.05, 0.01~0.16몰로 변화시키면서 실험을 수행하였다. 용액의 보텍스(vortex)가 없어지고 실리카 습윤젤이 형성되면 교반을 멈추고 공기와 차단한 후 일정시간 방치하면서 숙성시켰다. 숙성시킨 습윤젤을 건조 장치에 넣고 초임계 상태에서 이산화탄소를 흘리면서 용매를 치환하여 제거하여 에어로젤을 제조하였으며, 이때 온도와 압력은 60℃, 3200 psi로 일정하게 유지하였다.
이와 같은 방법으로 건조된 에어로젤은 분쇄 및 체 걸림하여 이를 석영 컨테이너에 담아서 관형 석영관에 넣어 원형 전기로에서 열처리하였다. 열처리는 미반응된 유기물의 급격한 분해로 인한 발열을 방지하여 고표면적의 시료를 얻기 위해 두 단계로 이루어지는데 헬륨과 산소로 각각 700℃에서 2시간동안 유지한 후 냉각시키는 방법으로 처리하며, 승온 속도는 5℃/min로 일정하게 하였다.
상기에서 얻어진 열변형 된 실리카 에어로젤을 사용하여 상온/승온 흡착 담지법으로 촉매를 제조하였다. 주석염화물 (SnCl2, >99%, Sigma) 0.0717 g, 염산 (HCl, >35%, JUNSEI) 0.5714 g, 질산 (HNO3, 70%, Yakuri) 0.0714 g을 증류수 24 g에 넣어 녹인 후, 열변형 된 알루미나 20 g을 넣어 담지하였다. 담지액은 회전증발기(HAHNSHIN Scientific Co.)를 이용하여 건조를 하였으며, 상온에서 1.5시간 25 rpm으로 교반한 후, 감압 상태 80oC에서 1.5시간을 25 rpm으로 회전시켜 건조를 하였고, 105oC 오븐에서 15시간 건조, 700oC 가열로에서 3시간 열처리 하였다. 이후, 주석이 담지된 알루미나 15 g을 염화 백금산 (H2PtCl6?6H2O, 99.95 %, Aldrich) 0.3319 g, 염산 (HCl, >35%, JUNSEI) 0.2143 g, 질산 (HNO3, 70%, Yakuri) 0.0536 g이 녹아있는 증류수 18.0552 g 에 넣어 담지 하였다. 담지액은 회전증발기를 이용하여 건조를 하였으며, 상온에서 1.5시간 25 rpm으로 교반한 후, 감압 상태 80oC에 서 1.5시간을 25 rpm으로 회전시켜 건조를 하였고, 105oC 오븐에서 15시간 건조, 600oC 가열로에서 3시간 열처리 하였다. 이후, 주석과 백금이 담지된 알루미나 10 g을 질산 칼륨 (KNO3, >99%, Sigma-Aldrich) 0.1933 g, 염산 (HCl, >35%, JUNSEI) 0.1629 g이 녹아있는 증류수 12.1136 g 에 넣어 담지 하였다. 담지액은 회전증발기를 이용하여 건조를 하였으며, 상온에서 1.5시간 25 rpm 교반한 후, 감압 상태 80oC에서 1.5시간을 25 rpm으로 회전시켜 건조를 하였고, 105oC 오븐에서 15시간 건조, 600oC 가열로에서 3시간 열처리 하여 촉매를 제조하였다.
촉매 A 촉매 B
비표면적, m2/g 869 1035
기공부피, cc/g 3.29 4.51
기공크기, nm 15.1 17.4
[실시예 2]
실시예 1에서 얻은 촉매 B의 제조에 활용된 에어로젤을, 백금 활성밀도를 조절하므로써, 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하여 촉매 C를 얻었으며, 촉매 C는 단위 면적당 백금 활성밀도가 높은 특징을 보였다.
촉매 B 촉매 C
염소 함량, wt.% 1035 1027
메조기공 부피, cc/g 4.51 5.27
백금 활성밀도, wt.%/m2 0.0036 0.0048
[실시예 3]
실시예 1과 2에 의해 제조된 촉매 B와 촉매 C 3.2 ml를 LHSV=15 hr-1 반응온도 620oC, 절대 압력 1.5 atm 하에서 탈수소 반응을 진행하였다. 수소와 프로판의 비율은 1:1로 고정하였으며, adiabatic 조건에서 반응하였다.
촉매 C는 높은 분산도의 특징으로 반응 선택도가 우수하고 백금의 활성 밀도가 높아진 특징으로 인해 프로판 전환율을 향상시켰다. 촉매 B와 촉매 C의 8시간 평균 코크의 생성량은 각각 0.328%/hr와 0.251%/hr 이었다.
[비교예 1]
촉매 활성 평가의 비교를 위해 에어로젤 담체내에 매조 기공의 발달이 적은 담체를 실시예 1과 동일한 방법으로 열처리 및 활성성분 담지하여 촉매 D를 제조하였다. 하기 표 3에 촉매 D의 물성을 나타내었다.
촉매 D
염소 함량, wt.% 1.15
비표면적, m2/g 899
기공부피, cc/g 1.97
기공크기, nm 8.8
백금 활성밀도, wt.%/m2 0.0054
[비교예 2]
비교예 1에 의해 제조된 촉매 D, 3.2 ml를 LHSV=15 hr-1, 반응온도 620oC, 절대 압력 1.5 atm 하에서 탈수소 반응을 진행하였다. 수소와 프로판의 비율은 1:1로 고정하였으며, adiabatic 조건에서 반응하였다. LHSV의 차이와 백금의 활성밀도 차이에 따른 반응활성의 관계를 위해, 촉매 B를 이용하여 LHSV=10, 20 hr-1, 반응온도 620oC, 절대 압력 1.5 atm 하에서 탈수소 반응을 진행하여 비교하였다.
촉매 D는 백금의 활성밀도가 촉매 B에 비해 높음에도 불구하고 낮은 기공 부피 및 기공크기로 인하여 낮은 활성을 보였다. 또한, 촉매 D의 LHSV=15 hr-1 반응은, 촉매 B의 LHSV=20 hr-1 하에서의 반응 특성보다 낮은 수율을 보였다. 촉매 D의 8시간 평균 코크 생성량은 0.355%/hr 이었다. 하기 표 4는 촉매 B와 촉매 D의 프로판 탈수소화 반응활성 비교한 것이다.
반응시간
1 hr 5 hrs 10 hrs 20 hrs
구분
(LHSV)
전환율
(wt.%)
수율
(wt.%)
전환율
(wt.%)
수율
(wt.%)
전환율
(wt.%)
수율
(wt.%)
전환율
(wt.%)
수율
(wt.%)
촉매 D
(15hr-1)
31.8 30.4 29.6 28.3 28.2 27.0 26.6 25.4
촉매 B
(10 hr-1)
39.9 36.3 37.9 35.1 36.7 34.2 35.1 32.8
촉매 B
(20 hr-1)
36.4 34.2 34.2 32.5 32.4 30.9 30.3 29.0

Claims (5)

  1. 탄화수소의 탈수소화 공정에 사용되는 촉매에 있어, 담체가 기공 크기가 5~200nm인 메조기공을 갖고 Pt의 활성 밀도가 0.001 wt.%/m2 ~ 0.009 wt.%/m2 을 가지는 것을 특징으로 하는 탈수소 반응용 에어로젤 촉매.
  2. 제1항에 있어, 상기 탄화수소는 C2~C5의 선형 탄화수소 또는 에틸벤젠인 것을 특징으로 하는 탈수소 반응용 에어로젤 촉매.
  3. 제1항에 있어, 상기 담체는 실리카, 알루미나, 타이타니아, 나이오비아의 무기 에어로젤 및 이의 혼합성분으로 이루어진 군으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 탈수소 반응용 에어로젤 촉매.
  4. 청구항 1에 있어, 상기 메조 기공은 비표면적이 200~1200 m2/g인 것을 특징으로 하는 탈수소 반응용 에어로젤 촉매.
  5. 제1항에 있어, 상기 촉매는 백금 0.05~2.0 중량%, 보조금속 0.05~20.0 중량%, 알칼리 금속 또는 알칼리토금속 0.05~3.0 중량%, 및 할로겐 성분 0.1~5.0 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 탈수소 반응용 에어로젤 촉매.
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