KR101270093B1 - Cr-free catalysts for water gas shift reaction comprising alkali metals - Google Patents

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Abstract

본 발명은 알칼리 금속을 함유하는 비-크롬계 수성가스 전환반응용 촉매에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 수성가스 전환반응용 촉매에 있어서, 철과 니켈로 구성된 촉매에 알칼리 금속이 담지되고 크롬을 함유하지 않는 복합 촉매인 것을 특징으로 하는 수성가스 전환반응용 촉매에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 철, 니켈 및 알칼리 금속으로 구성되는 촉매는 탄화수소류 연료의 수증기 개질 반응을 통하여 생성된 일산화탄소의 제거를 위한 수성가스 전환반응에서 기존의 크롬계 촉매보다 더 높은 일산화탄소 제거 효과를 보이며 촉매 내 크롬 및 귀금속이 포함되어 있지 않아 안전하고 경제적이다. 또한, 수성가스 전환반응에서 생성될 수 있는 메탄의 생성 억제에도 효과가 있다.
The present invention relates to a catalyst for non-chromium-based water gas shift reaction containing alkali metal, and more particularly, to a catalyst for water gas shift reaction, in which a catalyst composed of iron and nickel is supported with alkali metal and does not contain chromium. It relates to a catalyst for water gas shift reaction, characterized in that the complex catalyst.
According to the present invention, the catalyst composed of iron, nickel and alkali metals has a higher carbon monoxide removal effect than the conventional chromium-based catalysts in water gas shift for the removal of carbon monoxide produced through the steam reforming reaction of hydrocarbon fuels. It is safe and economical because it does not contain chromium and precious metals in the catalyst. In addition, it is also effective to suppress the production of methane that can be generated in the water gas shift reaction.

Description

알칼리 금속을 함유하는 비-크롬계 수성가스 전환반응용 촉매 {Cr-free catalysts for water gas shift reaction comprising alkali metals}Catalysts for non-chromium water gas shift reaction containing alkali metals {Cr-free catalysts for water gas shift reaction comprising alkali metals}

본 발명은 알칼리 금속을 함유하는 비-크롬계 수성가스 전환반응용 촉매에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 수성가스 전환반응용 촉매에 있어서, 철과 니켈로 구성된 촉매에 알칼리 금속이 담지되고 크롬을 함유하지 않는 복합 촉매인 것을 특징으로 하는 수성가스 전환반응용 촉매에 관한 것이다.
The present invention relates to a catalyst for non-chromium-based water gas shift reaction containing alkali metal, and more particularly, to a catalyst for water gas shift reaction, in which a catalyst composed of iron and nickel is supported with alkali metal and does not contain chromium. It relates to a catalyst for water gas shift reaction, characterized in that the complex catalyst.

본래 암모니아 합성 공정에 흔히 사용되어 온 수성가스 전환반응은 일산화탄소와 물(수증기)이 촉매 상에서 반응하여 이산화탄소와 수소가 생성되는 반응을 말한다. 수성가스 전환반응의 최대 장점으로는 암모니아 합성 공정뿐만이 아닌 다른 분야에도 적용될 수 있다는 점이다. 특히 에너지 개발 기술 분야에 수성가스 전환반응의 적용이 가능한 것으로 알려진 이후, 최근에는 대체 에너지 개발 기술 분야에서, 수성가스 전환반응에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 많은 연구자들이 하이드로카본(천연가스, 천연액화가스 등) 및 바이오물질을 원료로 한 수소 생산 반응 이후, 생성 가스 내 포함되어 있는 일산화탄소 제거를 위한 수성가스 전환반응에 관한 연구를 수행하고 있다. 또한 가스 액화(GTL), 바이오매스 액화(BTL), 석탄 액화(CTL) 공정, 즉 청정에너지 합성 공정에의 적용도 많이 고려되고 있는 실정이다.The water gas shift reaction, which was originally used in ammonia synthesis processes, refers to the reaction of carbon monoxide and water (steam) on a catalyst to produce carbon dioxide and hydrogen. The biggest advantage of the water gas shift reaction is that it can be applied not only to the ammonia synthesis process but also to other fields. In particular, since it is known that the water gas shift reaction can be applied to the field of energy development technology, in recent years, research on the water gas shift reaction has been actively conducted in the field of alternative energy development technology. Many researchers have been conducting a study on the conversion of water gas to remove carbon monoxide in the product gas after hydrogen production reactions based on hydrocarbons (natural gas, natural liquefied gas, etc.) and biomaterials. In addition, the application of the gas liquefaction (GTL), biomass liquefaction (BTL), coal liquefaction (CTL) process, that is, a clean energy synthesis process.

한편, 수성가스 전환반응을 위한 촉매로는 철-크롬계 촉매, 귀금속 촉매 등을 들 수 있다. 철-크롬계 촉매는 사용 후 촉매 내에 6가 크롬이 1 중량% 존재하는 것으로 알려져 있는데 [K. Kochloefl, "Handbook Of Heterogeneous Catalysis", 4권, 1831-1843, 1997], 6가 크롬은 인체에 매우 유해한 물질로 유럽, 미국 등의 선진국에서는 6가 크롬을 독성 물질로 간주하고 있으며 유럽에서는 6가 크롬이 포함된 전기 및 전자 장비의 사용을 금하고 있다 [Official Journal of the European Union, 46, 19-37, 2003]. 또한 촉매 분야에서도 상기 환경 규제의 성격과 유사한 규정의 도래가 예상되고 있어, 환경적으로 문제가 없다고 판단되는 성분을 이용한 우수한 촉매의 개발이 요구되는 시점이라고 할 수 있다 [P. Carson and C. Mumford, "Hazardous Chemicals handbook", 2권, 148-151, 2002, E. Furimsky, Catalysis Today, 30, 223-286, 1996]. 따라서 성능이 우수한 비-크롬계 수성가스 전환반응용 촉매의 개발은 매우 의미 있는 일이라 할 수 있다.On the other hand, the catalyst for the water gas conversion reaction may include an iron-chromium catalyst, a noble metal catalyst and the like. Iron-chromium catalysts are known to contain 1% by weight of hexavalent chromium in the catalyst after use [K. Kochloefl, "Handbook Of Heterogeneous Catalysis", Vol. 4, 1831-1843, 1997], Hexavalent chromium is very harmful to humans. Hexavalent chromium is regarded as a toxic substance in developed countries such as Europe and the United States. The use of chromium-containing electrical and electronic equipment is prohibited [Official Journal of the European Union, 46, 19-37, 2003]. In addition, in the field of catalysts, the arrival of regulations similar to those of the above-mentioned environmental regulations is expected, and it can be said that it is time to develop excellent catalysts using components that are considered to be environmentally sound. Carson and C. Mumford, "Hazardous Chemicals handbook", Vol. 2, 148-151, 2002, E. Furimsky, Catalysis Today, 30, 223-286, 1996]. Therefore, the development of a catalyst for non-chromium-based water gas shift reaction with excellent performance is very meaningful.

최근 수성가스 전환반응에 있어 높은 활성을 나타내는 것으로 알려져 있는 귀금속 촉매의 경우, 귀금속이 매우 고가이므로 귀금속을 포함하지 않으면서 높은 활성을 가지는 경제성 있는 촉매의 개발 또한 요구된다.In the case of the noble metal catalyst which is known to exhibit high activity in the water gas conversion reaction in recent years, it is also required to develop an economical catalyst having high activity without containing a noble metal because the noble metal is very expensive.

본 발명자들은 이전 연구를 통해 일산화탄소 제거용 촉매로서 등록특허 제10-0847443호에는 철, 니켈, 및 아연 또는 코발트로 구성된 3성분계 촉매를 보고한 바 있다. 이 특허에 개시된 촉매들은 상기 금속들이 혼합된 복합 촉매로서 크롬을 함유하지 않으면서도 높은 활성을 나타내는 장점을 가지고 있다. 그러나 더욱 높은 활성을 갖는 비-크롬 촉매에 대한 요구가 여전히 존재하고 이를 개선하기 위한 연구 또한 계속되고 있다.The inventors have previously reported a three-component catalyst composed of iron, nickel, zinc or cobalt in Korean Patent No. 10-0847443 as a catalyst for removing carbon monoxide through previous studies. The catalysts disclosed in this patent have the advantage of exhibiting high activity without containing chromium as a composite catalyst in which the metals are mixed. However, there is still a need for non-chromium catalysts with higher activity and research is ongoing to improve them.

이에, 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점들을 극복하기 위하여 예의 노연구노력한 결과, 철과 니켈로 이루어진 촉매에 알칼리 금속을 함침한 촉매의 경우, 종래 철-크롬계 촉매에 비해 일산화탄소의 제거에 더 높은 활성을 보이며 고가의 귀금속류 대신 비귀금속류를 사용함으로써 경제성 및 실용성을 높일 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors have made intensive efforts to overcome the problems of the prior art, and as a result, the catalyst having an alkali metal impregnated with a catalyst made of iron and nickel has a higher removal rate of carbon monoxide than a conventional iron-chromium catalyst. It was confirmed that economic and practicality can be improved by using non-noble metals instead of expensive precious metals, and completed the present invention.

따라서, 본 발명의 주된 목적은 수성가스 전환반응에서 일산화탄소의 제거 및 메탄의 생성 억제에 높은 효과를 나타내는 철, 니켈 및 알칼리 금속으로 구성되는 비-크롬계 수성가스 전환반응용 촉매를 제공하는 데 있다.Accordingly, a main object of the present invention is to provide a catalyst for non-chromium water gas shift reactions composed of iron, nickel and alkali metals, which has a high effect on the removal of carbon monoxide and the suppression of methane production in the water gas shift reaction. .

본 발명의 다른 목적은 상기 알칼리 금속을 함유하는 비-크롬계 수성가스 전환반응용 촉매를 이용한 일산화탄소 제거방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for removing carbon monoxide using the catalyst for non-chromium-based water gas shift reaction containing the alkali metal.

본 발명의 다른 목적은 상기 알칼리 금속을 함유하는 비-크롬계 수성가스 전환반응용 촉매를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
Another object of the present invention is to provide a method for preparing a catalyst for non-chromium water gas shift reaction containing the alkali metal.

본 발명의 한 양태에 따르면, 본 발명은 수성가스 전환반응용 촉매에 있어서, 철과 니켈로 구성된 촉매에 알칼리 금속이 담지되고 크롬을 함유하지 않는 복합 촉매인 것을 특징으로 하는 수성가스 전환반응용 촉매를 제공한다.According to an aspect of the present invention, the present invention is a catalyst for water gas shift reaction, the catalyst for water gas shift reaction, characterized in that the catalyst composed of iron and nickel is an alkali metal supported and does not contain chromium To provide.

본 발명에서, 탄화수소류 연료, 예컨대 액화천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG) 등은 물과 함께 개질반응에 투입되며, 버너 또는 전기로를 통해 공급되는 열을 이용하여 수증기 개질반응이 진행되어 다량의 수소와 CO2, CO가 포함된 개질가스(수성가스)로 전환된다. 이러한 개질과정 후 수성가스에서 CO를 제거하기 위하여 본 발명의 촉매가 사용된다.In the present invention, hydrocarbon fuels, such as liquefied natural gas (LNG), liquefied petroleum gas (LPG), etc. are input to the reforming reaction with water, steam reforming reaction proceeds by using heat supplied through a burner or an electric furnace It is converted into reformed gas (water gas) containing a large amount of hydrogen, CO2 and CO. The catalyst of the present invention is used to remove CO from the water gas after this reforming process.

본 발명에 사용된 용어 ‘수성가스’는 상기 개질반응 후의 개질가스로서, 물과 일산화탄소가 주를 이루는 가스를 말한다. 물론, 이 수성가스 내에는 다량의 수소와 소량의 이산화탄소나 메탄 등이 포함되어 있으며, 개질 반응 이후의 가스이므로 개질가스라는 표현도 많이 사용된다. 또한 상기 용어 ‘수성가스 전환반응’이란 반응식 [H2O + CO → CO2 + H2]로 표현되는 반응을 의미하며, 여기서 통상적인 수성가스 전환반응이 일어나는 온도범위는 200-500℃이다.The term 'aqueous gas' used in the present invention refers to a reformed gas after the reforming reaction, and a gas mainly composed of water and carbon monoxide. Of course, this water gas contains a large amount of hydrogen, a small amount of carbon dioxide, methane, and the like, and since the gas is a reforming reaction, the expression of reformed gas is often used. In addition, the term 'water gas conversion reaction' means a reaction represented by the reaction formula [H 2 O + CO → CO 2 + H 2 ], where the temperature range in which the conventional water gas conversion reaction occurs is 200-500 ℃.

본 발명에 있어서, 상기 철과 니켈로 구성된 촉매는 철 55-85 중량% 및 니켈 15-45 중량%로 구성될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 철 60-80 중량%, 니켈 20-40 중량%, 더욱 더 바람직하게는 철 66 중량%, 니켈 34 중량%로 구성될 수 있다.In the present invention, the catalyst consisting of iron and nickel may be composed of 55-85% by weight of iron and 15-45% by weight of nickel, more preferably 60-80% by weight of iron, 20-40% by weight of nickel, Even more preferably, it may be composed of 66% by weight of iron and 34% by weight of nickel.

본 발명에 있어서, 상기 복합 촉매는 철과 니켈로 구성된 촉매를 먼저 제조한 후 여기에 알칼리 금속을 담지시키게 되는데, 이때 최종 복합 촉매의 구성은 철 60-80 중량%, 니켈 15-35 중량%, 및 알칼리 금속 1-10 중량%로 포함할 수 있다.In the present invention, the composite catalyst is prepared by first preparing a catalyst consisting of iron and nickel and then loaded with an alkali metal, wherein the final composite catalyst is composed of 60-80% by weight of iron, 15-35% by weight of nickel, And alkali metal 1-10% by weight.

본 발명의 실시예에서, 상기 철과 니켈로 구성된 촉매에 담지되는 알칼리 금속은 알카리 금속의 전구체 (예컨대, K2CO3, Cs2CO3) 자체를 Fe/Ni 촉매에 첨가하는 것이므로, 예들 들어 Fe/Ni 대비 알칼리 금속이 5 wt%로 포함하는 촉매의 경우, Fe-Ni 100 g 대비 K2CO3와 Cs2CO3가 각각 5 g 씩 첨가하여 제조될 수 있다. 이와 같이, 5 g의 알칼리 금속 전구체가 첨가되어 제조된 촉매는 K의 경우 약 2.82837 g, Cs의 경우 약 2.03943 g이 첨가되어 있다고 볼 수 있다. 즉, 금속 함유량을 본다면, K의 경우 철/니켈/칼륨 = 63.53/32.73/3.74 (wt%), Cs의 경우 철/니켈/세슘 = 64.20/33.07/2.73 (wt%)일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the alkali metal supported on the catalyst consisting of iron and nickel is to add the precursor of the alkali metal (eg, K 2 CO 3 , Cs 2 CO 3 ) itself to the Fe / Ni catalyst, for example In the case of a catalyst containing 5 wt% of alkali metals relative to Fe / Ni, K 2 CO 3 and Cs 2 CO 3 may be prepared by adding 5 g to 100 g of Fe-Ni. As such, it can be seen that the catalyst prepared by adding 5 g of the alkali metal precursor is about 2.82837 g for K and about 2.03943 g for Cs. That is, when looking at the metal content, iron / nickel / potassium = 63.53 / 32.73 / 3.74 (wt%) for K and iron / nickel / cesium = 64.20 / 33.07 / 2.73 (wt%) for Cs.

본 발명에서, 상기 알칼리 금속이 담지된 복합 촉매는 알칼리 금속이 철-니켈 촉매의 표면상에 극소량으로 표면에 도드라지게 존재하고 있을 것으로 예상된다. In the present invention, the alkali metal-supported composite catalyst is expected to be present in the surface of the alkali metal in a very small amount on the surface of the iron-nickel catalyst.

본 발명에 있어서, 상기 알칼리 금속은, 수소(H)를 제외하고 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비늄(Rb), 세슘(Cs)을 포함한 알칼리금속(1족), 또는 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba)을 포함한 알칼리토금속(2족)일 수 있으나, 바람직하게는 알칼리금속, 더욱 바람직하게는 칼륨 또는 세슘일 수 있다.In the present invention, the alkali metal, except for hydrogen (H), alkali metal (Group 1) including lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubinium (Rb), cesium (Cs) Or alkaline earth metal (Group 2), including beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), and barium (Ba), preferably alkali metals, more preferably potassium or Cesium.

본 발명에서, 상기 촉매의 금속 함유 중량%는 최종적으로 얻고자 하는 금속 촉매에서의 각각의 금속들의 중량비를 나타내며, 상기 중량% 범위에 의거하여 전구체 물질의 사용량을 계산하여 촉매제조 시 금속전구체를 사용할 수 있다. 따라서 최종적으로 2성분계 촉매의 경우에는, 예를 들어 Fe/Ni 촉매는 66/34 (wt%)이고, 3성분계 촉매의 경우에는, 예를 들어 Fe/Ni/K 촉매는 63.53/32.73/3.74 (wt%)일 수 있다.In the present invention, the metal content weight percentage of the catalyst represents the weight ratio of the respective metals in the metal catalyst to be finally obtained, and calculate the amount of precursor material based on the weight% range to use the metal precursor in the preparation of the catalyst Can be. Thus, in the case of a two-component catalyst, for example, the Fe / Ni catalyst is 66/34 (wt%), and in the case of a three-component catalyst, for example, the Fe / Ni / K catalyst is 63.53 / 32.73 / 3.74 ( wt%).

본 발명에 있어서, 상기 촉매는 가솔린, 알코올, 천연가스, 등유 등 연료를 개질하여 수소를 생산할 수 있는 어떠한 연료의 수증기 개질반응 후에 사용할 수 있으나, 바람직하게는 액화석유가스(LPG) 및 액화천연가스(LNG), 더욱 바람직하게는 액화천연가스의 수증기 개질반응 후에 생성되는 일산화탄소를 제거하거나 메탄의 생성을 억제하는 데 사용되는 것이 적당하다.In the present invention, the catalyst may be used after steam reforming of any fuel capable of producing hydrogen by reforming fuel such as gasoline, alcohol, natural gas, kerosene, and preferably liquefied petroleum gas (LPG) and liquefied natural gas. (LNG), more preferably, is used to remove carbon monoxide produced after steam reforming of liquefied natural gas or to suppress the production of methane.

본 발명의 바람직한 구현예에서, 철-니켈로 구성된 2성분계 촉매를 사용하여 수성가스 전환반응을 수행하는 경우에는 일산화탄소 저감에는 매우 좋은 활성을 보이나 메탄화 반응이 일어나서 메탄이 생성된다는 약점이 있다 (도 1 참조). 그러나 본 발명의 알카리 금속이 담지된 철-니켈 촉매의 경우에는, 메탄의 생성도 억제되면서 일산화탄소도 저감되는 효과가 있다 (도 2 참조).In a preferred embodiment of the present invention, when the water gas shift reaction is performed using a two-component catalyst composed of iron-nickel, the carbon monoxide reduction activity is very good, but the methanation reaction occurs to produce methane (Fig. 1). However, in the case of the iron-nickel catalyst on which the alkali metal of the present invention is supported, carbon monoxide is also reduced while suppressing the production of methane (see FIG. 2).

본 발명의 구체적인 구현예에서, 메탄을 주성분으로 하는 LNG에 대하여 수증기 개질반응 후 생성되는 일산화탄소를 제거하거나, 메탄의 생성을 억제하는데 사용하여 본 발명의 촉매 효과를 검증하였다.In a specific embodiment of the present invention, the catalytic effect of the present invention was verified by removing carbon monoxide generated after steam reforming reaction for LNG containing methane as a main component or suppressing the production of methane.

상기 LNG 수증기개질 반응 시, 모든 반응가스가 수증기 개질반응을 통하여 수소와 일산화탄소로만 이루어진 수성가스를 생산되는 것이 바람직하나 수증기 개질 반응을 거친 수성가스 내에는 소량의 메탄, 이산화탄소, 물이 포함되어 있다. 또한 물을 수증기 개질반응의 몰비에 의거한 만큼의 양만 첨가하여 반응을 실시할 수도 있다. 이러한 경우 원하지 않는 카본(C)의 생성으로 인해 촉매의 활성이 저하되므로 몰비에 비해 과량의 물을 수증기개질 반응에 투입할 수 있으며, 이러한 비율은 일반적으로 C/H2O 비율로 표시한다.In the LNG steam reforming reaction, it is preferable that all the reaction gases produce a water gas consisting of hydrogen and carbon monoxide only through steam reforming reaction, but a small amount of methane, carbon dioxide, and water are included in the water gas undergoing the steam reforming reaction. The reaction may also be carried out by adding water in an amount based on the molar ratio of the steam reforming reaction. In this case, since the activity of the catalyst is lowered due to the generation of unwanted carbon (C), excess water may be added to the steam reforming reaction relative to the molar ratio, and this ratio is generally expressed as a C / H 2 O ratio.

따라서, 메탄, 에탄, 프로판 등으로 이루어진 LNG 가스 (C/H2O = 1/3)를 원료로 한 수증기 개질 반응을 실시하게 되면 미반응한 메탄과 물 및 부반응에 의해 생성된 이산화탄소가 포함된 수성가스가 생성되게 되는데, 수증기 개질 반응에서 생성된 수성가스는 10.0 부피% 일산화탄소, 6.7 부피% 이산화탄소, 56.7 부피% 수소, 26.7 부피% 수증기로 이루어져 있다 (International Journal of Hydrogen Energy 28 (2003) 1387-1392). 본 발명의 실시예 4에서는 상기 조성을 갖는 반응가스를 사용하여 본 발명의 촉매의 일산화탄소 전환율을 측정하였으며, 그 결과 도 2에서와 같이, 상용 촉매(크롬 함유 촉매)보다 높은 이산화탄소 제거 효과를 보였다. 뿐만 아니라, 도 1에서와 같이, 기존 철-니켈 2성분계 촉매의 경우에서는 전환반응 후 1.2% 이상의 메탄이 생성되게 되는데, 메탄이 생성되면 그 만큼 생성되는 수소의 양이 줄어들게 된다. 반면 본 발명의 알칼리 금속을 포함한 촉매의 경우는 도 2에서와 같이, 메탄의 농도가 0%에 가깝게 되어 메탄의 생성을 억제할 수 있다.
Therefore, the steam reforming reaction using LNG gas (C / H 2 O = 1/3) composed of methane, ethane, propane, and the like may contain unreacted methane, carbon dioxide produced by water, and side reactions. Water gas is produced, which is composed of 10.0% by volume carbon monoxide, 6.7% by volume carbon dioxide, 56.7% by volume hydrogen, and 26.7% by volume water vapor (International Journal of Hydrogen Energy 28 (2003) 1387-. 1392). In Example 4 of the present invention, the carbon monoxide conversion rate of the catalyst of the present invention was measured using the reaction gas having the above composition. As a result, as shown in FIG. 2, the carbon dioxide removal effect was higher than that of the commercial catalyst (chromium-containing catalyst). In addition, as shown in FIG. 1, in the case of the conventional iron-nickel two-component catalyst, more than 1.2% of methane is produced after the conversion reaction, and when the methane is produced, the amount of hydrogen generated is reduced by that amount. On the other hand, in the case of the catalyst containing the alkali metal of the present invention, as shown in Figure 2, the concentration of methane is close to 0% can suppress the production of methane.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기 촉매를 포함하는 반응기에 수성가스를 투여하고 150-500℃의 온도에서 시간당 공간속도(space velocity) 2,000 내지 100,000 ml-수성가스/g-촉매시간으로 수성가스 전환반응을 수행하는 것을 포함하는 일산화탄소 제거방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention administers water gas to a reactor comprising the catalyst and at a temperature of 150-500 ° C. at a space velocity of 2,000 to 100,000 ml-water gas / g-catalyst time. It provides a method for removing carbon monoxide comprising performing a water gas shift reaction.

본 발명에서, 상기 반응가스(수성가스) 내의 일산화탄소는 반응기 내에 충진된 촉매 상에서 물과 반응하여 이산화탄소와 수소로 전환되는데, 이와 같은 반응과정을 통하여 일산화탄소의 제거가 이루어지게 된다.
In the present invention, the carbon monoxide in the reaction gas (aqueous gas) is converted to carbon dioxide and hydrogen by reacting with water on the catalyst packed in the reactor, the carbon monoxide is removed through this reaction process.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 수성가스 전환반응용 촉매의 제조방법을 제공한다:According to another aspect of the present invention, the present invention provides a method for preparing a catalyst for a water gas shift reaction, comprising the following steps:

a) 증류수에 철 전구체와 니켈 전구체를 혼합하는 단계;a) mixing the iron precursor and the nickel precursor in distilled water;

b) 상기 혼합물에 pH 8-9가 될 때까지 증류수와 수산화나트륨(Sodium hydroxide)이 혼합된 수용액을 첨가하고 방치하는 단계;b) adding and leaving an aqueous solution mixed with distilled water and sodium hydroxide until the mixture reaches pH 8-9;

c) 상기 방치 후 생성된 침전물을 감압분리기로 분리하고 증류수로 세척하는 단계;c) separating the precipitate produced after the standing with a vacuum separator and washing with distilled water;

d) 상기 결과물을 200 ~ 800 ℃에서 열처리하여 철-니켈 촉매를 제조하는 단계;d) heat treating the resultant at 200 to 800 ° C. to produce an iron-nickel catalyst;

e) 상기 철-니켈 촉매에 대하여 1 ~ 10 중량%의 칼륨 또는 세슘 전구체를 함침법을 이용하여 담지하는 단계; 및e) supporting 1 to 10% by weight of potassium or cesium precursor with respect to the iron-nickel catalyst by impregnation; And

f) 상기 담지 후 200 ~ 800 ℃에서 열처리하여 칼륨 또는 세슘이 담지된 복합 촉매를 얻는 단계.f) heat treating at 200 to 800 ° C. after the supporting to obtain a complex catalyst loaded with potassium or cesium.

본 발명의 실시예에서, 촉매의 제조에 사용된 금속들은 전구체 형태로서 사용하였으며, 금속 전구체를 사용하여 금속 촉매를 제조하는 것은 당업계에서 일반적인 촉매제조 방법이다 (촉매개론, 전학제, 서곤, 제4판, 도서출판 한림원). 이러한 금속전구체를 사용하는 이유는 산화물 형태의 금속들은 혼합이 용이하지 않기 때문에 수용액상에서 혼합이 용이하게 할 수 있게 하기 위하여 금속전구체 형태를 사용하여 제조하며, 특히 나이트레이트 형태의 전구체의 경우 쉽게 구할 수 있고 비교적 값이 저렴하다는 장점이 있다.In an embodiment of the present invention, the metals used in the preparation of the catalyst were used as precursor forms, and the preparation of metal catalysts using metal precursors is a common catalyst preparation method in the art (Catalyst Introduction, Transfer Agent, Seogon, Fourth) Edition, Book Publishing Hallym). The reason for using these metal precursors is that the metals in the oxide form are not easy to mix, so they are prepared using the metal precursor form to facilitate the mixing in the aqueous solution. And relatively inexpensive.

본 발명에서 사용된 나이트레이트 형태의 전구체는 H2O (증류수)에 잘 녹기 때문에 촉매제조시 선호하는 전구체의 형태이며, 이들을 수용액 상태에서 혼합하는 것은 전구체의 혼합을 위한 것이다. 특별히 pH 조절 (Sodium Carbonate, Sodium Hydroxide을 이용하여)을 하는 이유는 산화물 촉매 형태의 고체 물질을 얻기 위한 과정이다. 이 때 수용액 내에 침전물(가라앉는 고체물질)이 생성되는데, 원하는 촉매 물질만이 아닌 나트륨(Sodium, Na)도 존재하게 된다. 따라서 침전물을 분리하여 취득하면서 침전물을 증류수로 세척하게 되며, 이런 과정을 거쳐서 취득한 고체 물질을 110 ℃에서 건조를 하는 이유는 고체 물질 내의 H2O를 완벽하게 제거하기 위한 것이다. 마지막으로 500℃에서 소성(calcination)을 하는 이유는 안정한 형태의 산화물 형태의 금속 촉매를 취득하고 원하지 않는 물질의 제거를 위한 것이다.The precursor in the form of the nitrate used in the present invention is a preferred precursor in the preparation of a catalyst because it is well soluble in H 2 O (distilled water), and mixing them in an aqueous solution is for mixing the precursor. The reason for the pH control (using sodium carbonate and sodium hydroxyde) in particular is to obtain a solid material in the form of an oxide catalyst. At this time, a precipitate (sink solid material) is generated in the aqueous solution, and not only the desired catalytic material but also sodium (Sodium, Na) is present. Therefore, the sediment is separated and obtained, and the precipitate is washed with distilled water. The reason for drying the solid material obtained through this process at 110 ° C. is to completely remove H 2 O in the solid material. Finally, the reason for the calcination at 500 ° C. is to obtain a metal catalyst in the form of a stable oxide and to remove unwanted substances.

본 발명에서, 상기 함침법은 종래 촉매 기술분야에 알려진 방법에 따라 칼륨 또는 세슘 전구체가 녹아있는 수용액에 철-니켈 촉매를 함침시키는 방법을 사용할 수 있다.
In the present invention, the impregnation method may be a method of impregnating an iron-nickel catalyst in an aqueous solution in which potassium or cesium precursors are dissolved according to a method known in the art.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 철, 니켈 및 알칼리 금속으로 구성되는 촉매는 액화천연가스 또는 액화석유가스의 수증기 개질 반응을 통하여 생성된 일산화탄소의 제거를 위한 수성가스 전환반응에 있어서 기존의 철-크롬계 촉매 보다 더 높은 일산화탄소 제거 효과를 보이며 촉매 내 크롬 및 귀금속이 포함되어 있지 않아 안전하고 경제적이다. 뿐만 아니라 비-크롬계 촉매인 철-니켈 촉매의 경우 수성가스 전환반응에서 소량의 메탄이 생성될 수 있는데, 본 발명의 알칼리 금속을 함유한 철-니켈 촉매는 메탄의 생성 억제에도 효과가 있다.
As described above, the catalyst composed of iron, nickel and alkali metal prepared according to the present invention is conventional in the water gas shift reaction for the removal of carbon monoxide generated through the steam reforming reaction of liquefied natural gas or liquefied petroleum gas It shows higher carbon monoxide removal effect than iron-chromium catalyst and is safe and economical because it does not contain chromium and precious metals. In addition, in the case of the iron-nickel catalyst, which is a non-chromium catalyst, a small amount of methane may be produced in the water gas shift reaction. The iron-nickel catalyst containing the alkali metal of the present invention is effective in suppressing the production of methane.

도 1은 400℃, 25,000 ml-반응가스/g-촉매시간의 조건에서 상용촉매와 철-니켈 촉매의 생성가스 내 일산화탄소 및 메탄의 부피%를 나타내는 그래프이다.
도 2는 400℃, 25,000 ml-반응가스/g-촉매시간의 조건에서 상용촉매와, 400℃, 30,000 ~ 37,500 ml-반응가스/g-촉매시간의 조건에서 칼륨/철-니켈 및 세슘/철-니켈 촉매의 생성가스 내 일산화탄소 및 메탄의 부피%를 나타내는 그래프이다.
1 is a graph showing the volume% of carbon monoxide and methane in the product gas of a commercial catalyst and an iron-nickel catalyst under conditions of 400 ° C. and 25,000 ml-reaction gas / g-catalyst time.
2 shows a commercial catalyst at 400 ° C., 25,000 ml-reaction gas / g-catalyst time, and potassium / iron-nickel and cesium / iron at 400 ° C., 30,000-37,500 ml-reaction gas / g-catalyst time. -Graph showing volume percentage of carbon monoxide and methane in the product gas of nickel catalyst.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples.

촉매제조에 사용된 금속 전구체Metal Precursors Used in Catalysis

촉매제조에 사용된 금속들은 금속 전구체 형태로 사용하였다. 철 (Fe(NO3)39H2O), 니켈 (Ni(NO3)26H2O), 칼륨 (K2CO3), 세슘 (Cs2CO3) 형태의 전구체를 사용하였으며 다 Aldrich사 제품을 사용하였다.
The metals used in the catalyst preparation were used in the form of metal precursors. Precursors in the form of iron (Fe (NO 3 ) 3 9H 2 O), nickel (Ni (NO 3 ) 2 6H 2 O), potassium (K 2 CO 3 ) and cesium (Cs 2 CO 3 ) were used. The product was used.

실시예 1. 철-니켈(66-34 중량%) 촉매 제조Example 1 Preparation of Iron-Nickel (66-34 wt.%) Catalyst

철 전구체로는 아이언 나이트레이트 노나하이드레이트(Iron(Ⅲ) nitrate nonahydrate, Aldrich사 제품)를 니켈 전구체로는 니켈 나이트레이트 헥사하이트레이트(Nickel(Ⅱ) nitrate hexahydrate, Aldrich사 제품)를 사용하였다. 증류수 390 ml와 상기 철 전구체 53.9 g, 상기 니켈 전구체 19.4 g을 혼합한 후, pH 8.5가 될 때까지 증류수 200 ml와 수산화나트륨(Sodium hydroxide, Aldrich 사 제품) 20 g이 혼합된 수용액을 첨가하고 24시간 동안 방치하였다. 혼합 용액 내에 생성된 침전물을 감압분리기를 이용하여 분리한 후, 침전물 내에 남아있는 나트륨 이온을 제거하기 위하여 침전물을 증류수로 3회 이상 세척하였다. 이렇게 취득한 침전물을 110℃ 오븐에서 24시간 동안 건조하고 건조된 고체를 500℃ 전기로에서 5시간 동안 열처리를 하여 철-니켈(66-34 중량%) 촉매를 제조하였다.
Iron nitrate nonahydrate (Iron (III) nitrate nonahydrate, manufactured by Aldrich) was used as the iron precursor, and nickel nitrate hexahydrate (Nickel (II) nitrate hexahydrate, manufactured by Aldrich) was used as the nickel precursor. After mixing 390 ml of distilled water, 53.9 g of the iron precursor, and 19.4 g of the nickel precursor, an aqueous solution of 200 ml of distilled water and 20 g of sodium hydroxide (manufactured by Aldrich) was added until the pH was 8.5. It was left for hours. The precipitate produced in the mixed solution was separated using a vacuum separator, and the precipitate was washed three times or more with distilled water in order to remove sodium ions remaining in the precipitate. The precipitate thus obtained was dried in an 110 ° C. oven for 24 hours, and the dried solid was heat-treated in a 500 ° C. electric furnace for 5 hours to prepare an iron-nickel (66-34 wt%) catalyst.

실시예 2. 칼륨이 함유된 철-니켈(66-34 중량%) 촉매 제조Example 2 Preparation of Iron-Nickel (66-34 wt.%) Catalysts Containing Potassium

칼륨 전구체로는 탄산칼륨(Potassium carbonate, Aldrich 사 제품)을 사용하였다. 상기 실시예 1의 방법으로 제조된 철-니켈(66-34 중량%) 촉매 1 g에 상기 칼륨 전구체 0.05 g이 녹아있는 수용액 0.5 ml를 함침법을 이용하여 담지하였다. 이를 110℃ 오븐에서 24시간 동안 건조하고 건조된 고체를 500℃ 전기로에서 5시간 동안 열처리를 하여 칼륨이 함유된 철-니켈(66-34 중량%) 촉매를 제조하였다.
Potassium carbonate (Potassium carbonate, manufactured by Aldrich) was used as the potassium precursor. 1 g of the iron-nickel (66-34 wt%) catalyst prepared by the method of Example 1 was loaded with 0.5 ml of an aqueous solution in which 0.05 g of the potassium precursor was dissolved using an impregnation method. It was dried in an oven at 24O < 0 > C for 24 hours, and the dried solid was heat-treated for 5 hours at a 500C electric furnace to prepare an iron-nickel (66-34 wt%) catalyst containing potassium.

실시예 3. 세슘이 함유된 철-니켈(66-34 중량%) 촉매 제조Example 3 Preparation of Iron-Nickel (66-34 wt.%) Catalysts Containing Cesium

세슘 전구체로는 탄산세슘(Cesium carbonate, Aldrich 사 제품)을 사용하였다. 상기 실시예 2과 동일한 방법으로 제조하였으며, 실시예 1에서 제조된 철-니켈(66-34 중량%) 촉매 1 g과 탄산세슘이 0.05 g이 녹아있는 수용액 0.5 ml를 이용하였다.
Cesium carbonate (Cesium carbonate, manufactured by Aldrich) was used as the cesium precursor. Prepared in the same manner as in Example 2, 1 g of the iron-nickel (66-34% by weight) catalyst prepared in Example 1 and 0.5 g of an aqueous solution in which 0.05 g of cesium carbonate was dissolved were used.

실시예 4. 액화천연가스의 수증기 개질 반응 후 일산화탄소 제거를 위한 수성가스 전환반응Example 4 Water Gas Conversion Reaction to Remove Carbon Monoxide after Steam Reforming of Liquefied Natural Gas

실시예 1, 실시예 2, 실시예 3에 의해 제조된 촉매와 상용 촉매 (Johnson Matthey사 제품, Model: 71-5M, Fe/Cr/Cu = 90/8/2 (wt%))를 사용하고 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 수증기로 혼합된 반응가스를 이용하여 수성가스 전환반응을 수행하였다. 반응에 이용된 가스의 조성은 10.0 부피% 일산화탄소, 6.7 부피% 이산화탄소, 56.7 부피% 수소, 26.7 부피% 수증기로 이루어져 있다. Using catalysts prepared in Examples 1, 2 and 3 and commercially available catalysts (Johnson Matthey, Model: 71-5M, Fe / Cr / Cu = 90/8/2 (wt%)) A water gas shift reaction was performed using a reaction gas mixed with carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, and water vapor. The composition of the gas used in the reaction consists of 10.0 vol% carbon monoxide, 6.7 vol% carbon dioxide, 56.7 vol% hydrogen, and 26.7 vol% water vapor.

수성가스 전환반응을 위해 일자형 스테인레스 반응기를 전기로 안에 설치하여 온도조절기를 통해 반응온도를 일정하게 유지하였으며, 반응물이 반응기 안의 촉매층을 연속적으로 통과하면서 반응이 진행되도록 하였다. 반응에 사용되는 일산화탄소, 이산화탄소, 수소의 양은 질량유속조절기를 사용하여 제어하였으며, 수증기의 양은 물이 담긴 실린지 펌프의 주입 속도를 조절하여 제어하였다. 반응물의 공간속도(GHSV, gas hourly space velocity)는 25,000 ~ 37,500 ml-반응가스/g-촉매시간으로 설정하였다. 수증기는 물의 형태로 주입되는데, 물은 100℃ 이상에서 수증기로 직접 기화되어 다른 반응물 가스와 완벽하게 혼합되어 반응기에 유입되도록 반응 장치를 설계하였다. 수성가스 전환반응은 400℃에서 수행하였다. A water-type stainless steel reactor was installed in the electric furnace for the water gas conversion reaction, and the reaction temperature was kept constant through the temperature controller. The reaction proceeded continuously while passing the catalyst layer in the reactor. The amount of carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen used in the reaction was controlled using a mass flow controller, and the amount of water vapor was controlled by adjusting the injection rate of the syringe pump containing water. The gas hourly space velocity (GHSV) of the reactants was set at 25,000-37,500 ml-reaction gas / g-catalyst time. The water vapor is injected in the form of water, and the reaction device is designed so that the water is directly vaporized with water vapor at 100 ° C. or higher to be completely mixed with other reactant gases and introduced into the reactor. Water gas shift reaction was carried out at 400 ℃.

생성물 종류와 양은 가스크로마토그래피(Gas Chromatography)를 통하여 분석하였으며, 분석컬럼으로는 Porapak Q를 사용하였다. 일산화탄소의 전환율은 (제거된 CO 몰수/공급된 CO 몰수) * 100 식을 이용하여 계산하였다.
Product type and amount were analyzed by gas chromatography (Gas Chromatography), Porapak Q was used as an analysis column. The conversion rate of carbon monoxide was calculated using the formula (moles of CO removed / moles of supplied CO) * 100.

도 1은 400℃, 25,000 ml-반응가스/g-촉매시간의 조건에서 상용촉매와 철-니켈 촉매의 생성가스 내 일산화탄소 및 메탄의 부피%를 나타내는 그래프이다.1 is a graph showing the volume% of carbon monoxide and methane in the product gas of a commercial catalyst and an iron-nickel catalyst under conditions of 400 ° C. and 25,000 ml-reaction gas / g-catalyst time.

도 1에서, 본 발명의 촉매를 이용한 생성가스 내 일산화탄소의 함량을 살펴보게 되면, 크롬이 포함되어 있지 않은 철-니켈(66-34 중량%) 촉매가 상용촉매 (크롬 함유 촉매)에 비해 더 낮은 일산화탄소 함량을 제공하는 것을 알 수 있다. 그러나, 생성가스 내에 메탄이 1.0 부피% 이상 함유되어 있는 것을 알 수 있다. 이러한 메탄은 수소로부터 생성되는 것으로 메탄이 생성되면 수소의 양이 줄어드는 것을 의미한다.In Figure 1, looking at the content of carbon monoxide in the product gas using the catalyst of the present invention, the iron-nickel (66-34% by weight) catalyst containing no chromium is lower than that of the commercial catalyst (chromium-containing catalyst) It can be seen that it provides a carbon monoxide content. However, it can be seen that methane is contained 1.0 vol% or more in the product gas. These methanes are produced from hydrogen, meaning that the amount of hydrogen is reduced when methane is produced.

도 2는 400℃, 25,000 ml-반응가스/g-촉매시간의 조건에서 상용촉매와, 400℃, 30,000 ml-반응가스/g-촉매시간의 조건에서 칼륨/철-니켈, 37,500 ml-반응가스/g-촉매시간의 조건에서 세슘/철-니켈 촉매의 생성가스 내 일산화탄소 및 메탄의 부피%를 나타내는 그래프이다.2 shows a commercial catalyst at 400 ° C., 25,000 ml-reaction gas / g-catalyst time, and potassium / iron-nickel, 37,500 ml-reaction gas at 400 ° C., 30,000 ml-reaction gas / g-catalyst time. It is a graph showing the volume% of carbon monoxide and methane in the product gas of the cesium / iron-nickel catalyst under the condition of / g-catalyst time.

도 2에서, 본 발명의 촉매를 이용한 생성가스 내 일산화탄소 및 메탄의 함량을 살펴보게 되면, 5 중량%의 칼륨 또는 세슘이 함유된 상기 철-니켈(66-34 중량%)촉매는 상용촉매 (크롬 함유 촉매)에 비해 더 낮은 일산화탄소 함량을 제공할 뿐만 아니라 생성가스 내에 메탄의 부피% 함량도 거의 0에 가까운 것을 알 수 있다.In Figure 2, looking at the contents of carbon monoxide and methane in the product gas using the catalyst of the present invention, the iron-nickel (66-34 wt%) catalyst containing 5 wt% of potassium or cesium is a commercial catalyst (chrome) It can be seen that in addition to providing a lower carbon monoxide content as compared to the (containing catalyst), the volume% content of methane in the product gas is almost zero.

이상의 결과에서, 본 발명에 따른 칼륨 또는 세슘이 함유된 철-니켈 복합 촉매는 크롬이 함유된 기존 상용 촉매와 비교하여 일산화탄소 제거에 더욱 효과적일 뿐만, 아니라 철-니켈 촉매와 비교하여 메탄을 거의 생성하지 않는 장점이 있음을 알 수 있다.In the above results, the iron-nickel composite catalyst containing potassium or cesium according to the present invention is more effective in removing carbon monoxide than conventional commercial catalysts containing chromium, and generates almost methane as compared to iron-nickel catalysts. It can be seen that there is an advantage that does not.

Claims (7)

수성가스 전환반응용 촉매에 있어서, 철과 니켈로 구성된 촉매에 칼륨 또는 세슘이 담지되고 크롬을 함유하지 않는 복합 촉매인 것을 특징으로 하는 수성가스 전환반응용 촉매.
A catalyst for water gas shift reaction, wherein the catalyst for water gas shift reaction is a complex catalyst in which potassium or cesium is supported on a catalyst composed of iron and nickel and does not contain chromium.
제 1항에 있어서, 상기 철과 니켈로 구성된 촉매는 철 55-85 중량% 및 니켈 15-45 중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 촉매.
The catalyst of claim 1 wherein the catalyst consisting of iron and nickel is comprised of 55-85 weight percent iron and 15-45 weight percent nickel.
제 1항에 있어서, 상기 복합 촉매는 철 60-80 중량%, 니켈 15-35 중량%, 및 칼륨 또는 세슘 1-10 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매.
The catalyst of claim 1, wherein the composite catalyst comprises 60-80 wt% iron, 15-35 wt% nickel, and 1-10 wt% potassium or cesium.
삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 촉매는 액화천연가스의 수증기 개질 반응 후 생성되는 일산화탄소를 제거하거나 메탄의 생성을 억제하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 촉매.
The catalyst according to claim 1, wherein the catalyst is used to remove carbon monoxide generated after steam reforming of liquefied natural gas or to suppress the production of methane.
제 1항 내지 제 3항, 및 제 5항 중 어느 한 항에 따른 촉매를 포함하는 반응기에 수성가스를 투여하고 150-500℃의 온도에서 시간당 공간속도(space velocity) 2,000 내지 100,000 ml-수성가스/g-촉매시간으로 수성가스 전환반응을 수행하는 것을 포함하는 일산화탄소 제거방법.
A water gas is administered to a reactor comprising the catalyst according to any one of claims 1 to 3 and 5 and a space velocity of 2,000 to 100,000 ml-water gas at a temperature of 150-500 ° C. A method for removing carbon monoxide, comprising performing a water gas shift reaction with a / g-catalyst time.
하기 단계를 포함하는 수성가스 전환반응용 촉매의 제조방법:
a) 증류수에 철 전구체와 니켈 전구체를 혼합하는 단계;
b) 상기 혼합물에 pH 8 ~ 9가 될 때까지 증류수와 수산화나트륨(Sodium hydroxide)이 혼합된 수용액을 첨가하고 방치하는 단계;
c) 상기 방치 후 생성된 침전물을 감압분리기로 분리하고 증류수로 세척하는 단계;
d) 상기 결과물을 200 ~ 800 ℃에서 열처리하여 철-니켈 촉매를 제조하는 단계;
e) 상기 철-니켈 촉매에 대하여 1 ~ 10 중량%의 칼륨 또는 세슘 전구체를 함침법을 이용하여 담지하는 단계; 및
f) 상기 담지 후 200 ~ 800 ℃에서 열처리하여 칼륨 또는 세슘이 담지된 복합 촉매를 얻는 단계.
Method for producing a catalyst for water gas shift reaction comprising the following steps:
a) mixing the iron precursor and the nickel precursor in distilled water;
b) adding and leaving an aqueous solution mixed with distilled water and sodium hydroxide until the mixture reaches pH 8-9;
c) separating the precipitate produced after the standing with a vacuum separator and washing with distilled water;
d) heat treating the resultant at 200 to 800 ° C. to produce an iron-nickel catalyst;
e) supporting 1 to 10% by weight of potassium or cesium precursor with respect to the iron-nickel catalyst by impregnation; And
f) heat treating at 200 to 800 ° C. after the supporting to obtain a complex catalyst loaded with potassium or cesium.
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