KR101309259B1 - Single crystalline catalyst of gamma-bismuth molybdate and process for preparing 1,3-butadiene using the catalyst - Google Patents

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Abstract

본 발명은 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매, 이의 제조방법 및 상기 촉매를 이용하여 납사크래킹 공정에서 배출되는 C4 잔사유-Ⅲ을 산화탈수소화 반응시켜 1,3-부타디엔을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing 1,3-butadiene by oxidative dehydrogenation of gamma-bismuth molybdate single phase catalyst, a method for preparing the same, and C 4 residue oil-III discharged from naphtha cracking using the catalyst. It is about.

Description

감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매 및 이를 이용한 1,3-부타디엔의 제조방법 {Single crystalline catalyst of gamma-bismuth molybdate and process for preparing 1,3-butadiene using the catalyst}Single crystalline catalyst of gamma-bismuth molybdate and process for preparing 1,3-butadiene using the catalyst

본 발명은 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매, 이의 제조방법 및 상기 촉매를 이용하여 납사크래킹 공정에서 배출되는 C4 잔사유-Ⅲ을 산화탈수소화 반응시켜 1,3-부타디엔을 제조하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing 1,3-butadiene by oxidative dehydrogenation of gamma-bismuth molybdate single phase catalyst, a method for preparing the same, and C 4 residue oil-III discharged from naphtha cracking using the catalyst. It is about.

1,3-부타디엔은 무색 무취의 가연성 기체로 합성고무의 원료가 되는 매우 중요한 기초유분이다. 석유화학 기초 유분을 원료로 사용하여 1,3-부타디엔을 얻을 수 있는 공업적 방법으로는, 납사를 스팀크래킹하여 생성된 C4 유분으로부터 부타디엔을 추출하는 방법, 그리고 부탄이나 부텐을 탈수소화하는 방법, 부텐을 산화탈수소화(Oxidative dehydrogenation)하는 방법이 있다. 1,3-Butadiene is a colorless, odorless, flammable gas that is a very important base oil that is a raw material for synthetic rubber. Industrial methods for obtaining 1,3-butadiene using petrochemical base oil as a raw material include a method of extracting butadiene from C 4 oil produced by steam cracking naphtha, and dehydrogenating butane or butene. For example, there is a method of oxidative dehydrogenation of butene.

부텐의 산화탈수소화 방법은 부텐을 산소(공기)와 반응시켜 물을 생성시킴으로써 탈수소화하는 방법이다. 산화탈수소화 공정에 사용되는 촉매로는 CoFe2O4 및 CuFe2O4와 같이 AB4O4의 스피넬(Spinel) 구조를 지니는 페라이트(ferrite) 계열 촉매와, Sb/Sn 혹은 Sn/P를 중심으로 하는 Sn 계열 촉매와, 그리고 Bi-Mo를 기본으로 하는 비스무스-몰리브데이트 계열의 촉매가 있다. 이중 페라이트 계열의 촉매는 완전산화를 유발한다는 단점이 있으며, 최적 조건에서 얻을 수 있는 전환율은 70% 내외이다 [J. Mol. Catal. A. 125권, 53쪽 (1997년)]. Sn 계열 촉매는 Sn 함량에 따라 촉매활성이 다르게 나타나는 것으로 알려져 있으며, 최적 조건하에서 얻을 수 있는 전환율은 55% 내외인 것으로 알려져 있다 [Petroleum Chemistry U.S.S.R. 7권, 177쪽 (1967)]. 한편, 미국등록특허 제3,764,632호에는 비스무스-몰리브데이트 계열의 촉매가 제시되어 있는데, 첨가되는 금속의 종류 및 양에 따라 촉매활성이 다르게 나타나기는 하지만, 최적의 반응 조건하에서 90% 이상의 부텐 전환율과 1,3-부타디엔 선택도를 보이는 것으로 나타나 현재까지 개발된 촉매 중에서는 가장 효율이 좋은 촉매로 알려지고 있다. Oxide dehydrogenation of butenes is a method of dehydrogenation by reacting butene with oxygen (air) to produce water. The catalysts used in the oxidative dehydrogenation process are ferrite catalysts having a spinel structure of AB 4 O 4 , such as CoFe 2 O 4 and CuFe 2 O 4, and Sb / Sn or Sn / P. Sn-based catalysts, and bismuth-molybdate-based catalysts based on Bi-Mo. Dual ferrite-based catalysts have the disadvantage of inducing complete oxidation, and the conversion obtained at optimum conditions is around 70% [J. Mol. Catal. A. Volume 125, 53 (1997)]. It is known that Sn-based catalysts exhibit different catalytic activities depending on the Sn content, and the conversion obtained under optimum conditions is about 55% [Petroleum Chemistry USSR Vol. 7, pp. 177 (1967)]. On the other hand, U.S. Patent No. 3,764,632 shows a bismuth-molybdate-based catalyst, although catalytic activity varies depending on the type and amount of metal added, but at least 90% butene conversion under optimum reaction conditions. It has been shown to exhibit 1,3-butadiene selectivity and is known to be the most efficient catalyst developed to date.

비스무스-몰리브데이트 계열 촉매는 비스무스와 몰리브덴 산화물로만 만들어진 순수 비스무스 몰리브데이트와, 비스무스와 몰리브덴을 기본으로 하여 다양한 금속 성분이 추가된 다성분계 비스무스 몰리브데이트 촉매로 나눌 수 있다. 순수 비스무스 몰리브데이트는 여러 가지 상을 갖고 있는데, 알파-비스무스 몰리브데이트(Bi2Mo3O12), 베타-비스무스 몰리브데이트(Bi2Mo2O9) 및 감마-비스무스 몰리브데이트(Bi2MoO6) 세 가지 상으로 구분되고 있다 [B. Grzybowska, J. Haber, J. Komorek, J. Catal., 25권, 25쪽 (1972년)]. 그 중에서 베타와 감마 상이 알파 상의 비스무스 몰리브데이트 보다 노르말-부텐의 산화탈수소화 반응에 좋은 활성을 보이는 촉매로 알려지고 있다 [A.P.V. Soares, L.K. Kimitrov, M.C.A. Oliveira, L. Hilaire, M.F. Portela, R.K. Grasselli, Appl. Catal., 253권, 191쪽 (2003년)].Bismuth-molybdate-based catalysts can be divided into pure bismuth molybdate made only of bismuth and molybdenum oxides, and multicomponent bismuth molybdate catalysts based on bismuth and molybdenum added with various metal components. Pure bismuth molybdate has several phases, including alpha-bismuth molybdate (Bi 2 Mo 3 O 12 ), beta-bismuth molybdate (Bi 2 Mo 2 O 9 ) and gamma-bismuth molybdate ( Bi 2 MoO 6 ) is divided into three phases [B. Grzybowska, J. Haber, J. Komorek, J. Catal., 25, 25 (1972)]. Among them, beta and gamma phases are known to be more effective catalysts for oxidative dehydrogenation of normal-butene than bismuth molybdate of alpha phase [APV Soares, LK Kimitrov, MCA Oliveira, L. Hilaire, MF Portela, RK Grasselli , Appl. Catal., Vol. 253, 191 (2003)].

또한 노르말-부텐의 산화탈수소화 반응에 대한 활성을 증가시키기 위한 방법으로, 비스무스와 몰리브데이트 이외에 다양한 금속성분이 추가된 다성분계 비스무스 몰리브데이트 촉매가 개발되어 보고된 바 있다. 구체적으로 살펴보면, 니켈, 세슘, 비스무스 및 몰리브덴으로 이루어진 복합 산화물 촉매를 사용하여 520℃에서 1-부텐의 산화탈수소화 반응을 수행하여 69%의 1,3-부타디엔 수율을 얻었음이 보고되었다 [J. Catal., 32권, 25쪽 (1974년)]. 미국등록특허 제3,998,867호(1976년)에는 코발트, 철, 비스무스, 마그네슘, 포타슘, 몰리브덴으로 구성된 복합 산화물 촉매를 사용하여 470℃에서 노르말-부탄 및 노르말-부텐을 포함한 C4 혼합물의 산화탈수소화 반응을 수행하여 최고 62%의 1,3-부타디엔 수율을 얻었음이 보고되었다. 미국등록특허 제3,764,632호 (1973년)에는 니켈, 코발트, 철, 비스무스, 인, 포타슘, 몰리브덴으로 이루어진 복합 산화물 촉매를 사용하여 320℃에서 1-부텐의 산화탈수소화 반응을 수행하여 최고 96%의 1,3-부타디엔 수율을 얻었음이 보고되었다.In addition, as a method for increasing the activity of oxidative dehydrogenation of normal-butene, multi-component bismuth molybdate catalysts in which various metal components are added in addition to bismuth and molybdate have been reported. Specifically, it was reported that oxidative dehydrogenation of 1-butene was carried out at 520 ° C. using a complex oxide catalyst consisting of nickel, cesium, bismuth, and molybdenum to obtain 69% 1,3-butadiene yield [J. Catal., 32, 25 (1974)]. U.S. Patent No. 3,998,867 (1976) discloses an oxidative dehydrogenation reaction of a C 4 mixture containing normal-butane and normal-butene at 470 ° C. using a complex oxide catalyst consisting of cobalt, iron, bismuth, magnesium, potassium, and molybdenum. It was reported that 1,3-butadiene yield of up to 62% was obtained by performing the following. US Patent No. 3,764,632 (1973) discloses 1-butene oxidative dehydrogenation at 320 ° C. using a complex oxide catalyst consisting of nickel, cobalt, iron, bismuth, phosphorus, potassium, and molybdenum to yield up to 96% It was reported that 1,3-butadiene yield was obtained.

상기 문헌에 제시된 다성분계 비스무스 몰리브데이트 촉매를 이용하면 매우 높은 수율의 1,3-부타디엔을 얻을 수 있으나, 상기 촉매들은 합성 과정이 매우 복잡한 절차로 이루어지고, 촉매 제조 시 여러 금속 전구체를 사용하는데 금속간의 혼합이 어려워서 균일성을 유지하기 힘들며 촉매의 제조 재현성을 확보하는데 용이하지 않아서 촉매 제조의 상업화에 어려움이 있다.Using the multicomponent bismuth molybdate catalysts described in the literature, very high yields of 1,3-butadiene can be obtained. However, these catalysts have a very complicated synthesis process, and various metal precursors are used to prepare the catalyst. It is difficult to maintain uniformity due to difficulty in mixing between metals, and it is difficult to commercialize catalyst production because it is not easy to secure reproducibility of catalyst production.

이상에서 살펴본 바와 같이 부텐으로부터 고효율로 1,3-부타디엔을 제조하는 방법들은 잘 알려져 있으나, 납사크래킹 공정 중에서 부생되는 C4 잔사유-Ⅲ으로부터 1,3-부타디엔을 제조하는 방법은 최근에서야 발표되고 있다.As described above, methods for producing 1,3-butadiene from butenes with high efficiency are well known.However, a method for preparing 1,3-butadiene from C 4 residue oil-III produced in naphtha cracking process has only recently been published. have.

Applide Catalysis A: General 317, 244 (2007)에 의하면, C4 혼합물을 감마-Bi2MoO6 촉매 상에서 440℃ 반응시킨 결과, 노르말-부텐의 전환율이 최대 66%, 1,3-부타디엔의 선택도가 60%인 것으로 보고되어 있다. 대한민국 공개특허 제2007-0103219호에서는 노르말-부탄 및 노르말-부텐을 포함하는 C4 혼합물로부터 1,3-부타디엔을 제조하는 방법을 제시하고 있는데, 알파-비스무스 몰리브데이트(Bi2Mo3O12)와 감마-비스무스 몰리브데이트(Bi2MoO6)로 구성된 혼합 상의 비스무스-몰리브데이트 촉매를 사용하여 노르말-부텐으로부터의 1,3-부타디엔 수율이 약 60% 이었으며 48시간 동안 비활성화가 나타나지 않았음을 제시하였다. According to Applide Catalysis A: General 317, 244 (2007), the C 4 mixture was reacted at 440 ° C on a gamma-Bi 2 MoO 6 catalyst, resulting in a conversion of normal-butene up to 66% and selectivity of 1,3-butadiene. Is reported to be 60%. Korean Patent Laid-Open Publication No. 2007-0103219 discloses a method for preparing 1,3-butadiene from a C 4 mixture comprising normal-butane and normal-butene, wherein alpha-bismuth molybdate (Bi 2 Mo 3 O 12 ) And gamma-bismuly molybdate (Bi 2 MoO 6 ) using a mixed bismuth-molybdate catalyst yielded about 60% 1,3-butadiene yield from normal-butene with no inactivation for 48 hours Yin was presented.

일반적으로 단일상의 순수한 비스무스 몰리브데이트 촉매는 전통적 촉매 제조법인 공침법에 의해 제조되고 있다. 비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매를 공침법에 의해 제조하는 경우, 촉매 성분이 균일하게 혼합되는 것이 쉽지 않으며 침전을 형성하기 위해 pH 조절이 정확하게 이루어져야 하며, 또한 침전 후 촉매를 여과하는 과정에서 금속의 손실이 발생할 수 있어 촉매 제조의 재현성이 떨어지는 문제점을 갖고 있다. 또한, 공침법으로 제조된 비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매는 비표면적이 매우 낮아서 촉매 표면의 활성점의 수가 작아져 C4 혼합물로부터 1,3-부타디엔을 제조하는 공정에서 경제성이 떨어지는 단점을 갖고 있다.In general, single phase pure bismuth molybdate catalysts are prepared by coprecipitation, which is a traditional catalyst preparation. When bismuth molybdate single phase catalysts are prepared by coprecipitation, the catalyst components are not easily mixed uniformly, pH control must be precisely formed to form a precipitate, and the loss of metal during the filtration of the catalyst after precipitation This may cause a problem of poor reproducibility of catalyst production. In addition, the bismuth molybdate single phase catalyst prepared by the coprecipitation method has a disadvantage that the specific surface area is so low that the number of active sites on the surface of the catalyst is small, resulting in poor economic efficiency in the process of producing 1,3-butadiene from the C 4 mixture. .

전술한 바와 같이 노르말-부텐으로부터 고효율로 1,3-부타디엔을 제조하는 촉매공정 및 납사크래킹 공정 중에서 부생되는 C4 잔사유-Ⅲ으로부터 1,3-부타디엔을 제조하는 촉매공정에 관한 문헌 또는 특허들은 순수 비스무스 몰리브데이트 또는 매우 복잡한 다성분계 비스무스 몰리브데이트를 공침법으로 제조하는 것이 일반적 기술이다.As described above, the literature or patents relating to the catalytic process for producing 1,3-butadiene from normal-butene with high efficiency and the catalytic process for producing 1,3-butadiene from C 4 residue oil-III produced in naphtha cracking process are described. It is a common technique to prepare pure bismuth molybdate or very complex multicomponent bismuth molybdate by coprecipitation method.

그러나, 본 발명에서는 비스무스와 몰리브덴으로 이루어진 단일상의 감마-비스무스 몰리브데이트 촉매를 졸-겔법으로 제조하는 새로운 방법을 제안하며, 특히 졸-겔 반응에 시트르산을 포함시켜 촉매 제조의 재현성을 확보함은 물론 제조된 촉매의 세공부피, 세공크기 및 비표면적을 증가시켜 C4 잔사유-Ⅲ의 산화탈수소반응에서 높은 촉매활성을 얻을 수 있음을 실험을 통해 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
However, the present invention proposes a new method for preparing a single-phase gamma-bismuth molybdate catalyst consisting of bismuth and molybdenum by the sol-gel method, and in particular, incorporating citric acid in the sol-gel reaction to ensure reproducibility of catalyst production. Of course, by increasing the pore volume, pore size, and specific surface area of the prepared catalyst, experiments confirmed that high catalytic activity can be obtained in oxidative dehydrogenation of C 4 residue-III.

본 발명의 과제는 세공부피, 세공크기 및 비표면적이 조절된 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a gamma-bismuth molybdate single phase catalyst having controlled pore volume, pore size and specific surface area.

본 발명의 과제는 시트르산을 이용한 졸-겔 제조공정에 의해 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method for preparing a gamma-bismuth molybdate single phase catalyst by a sol-gel production process using citric acid.

본 발명의 과제는 상기한 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매를 사용하여 C4 잔사유-Ⅲ로부터 1,3-부타디엔을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
An object of the present invention is to provide a method for producing 1,3-butadiene from C 4 residue oil-III using the gamma-bismuth molybdate single phase catalyst described above.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 비표면적이 5 내지 30 ㎡/g이고, 평균 세공부피가 0.05 내지 0.1 ㎤/g이고, 평균 세공직경이 200 내지 500Å으로 조절된 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매를 그 특징으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention has a specific surface area of 5 to 30 m 2 / g, an average pore volume of 0.05 to 0.1 cm 3 / g, and an average pore diameter of 200 to 500 kPa. It features a date single phase catalyst.

또한, 본 발명은 a) 비스무스(Bi)/몰리브덴(Mo)의 원자수비가 1 내지 3 범위이고, 시트르산/비스무스의 몰비가 0.1 내지 5 범위가 되도록, 몰리브덴 전구체 수용액, 비스무스 전구체 수용액 및 시트르산 수용액을 각각 제조하는 과정; b) 상기 몰리브덴 전구체 수용액과 상기 시트르산 수용액을 혼합한 혼합용액을 제조하는 과정; c) 상기 혼합용액을 교반하면서 상기 비스무스 전구체 수용액을 첨가하되, 질산 수용액을 첨가하여 최종적으로 용액의 pH를 0.1 내지 3 범위로 조절하여 투명한 졸(Sol) 형태의 용액을 제조하는 과정; d) 상기 졸(Sol) 형태의 용액을 숙성시켜 겔(Gel) 형태의 혼합물을 얻는 과정; 및 e) 상기 겔(Gel) 형태의 혼합물을 건조 및 소성하는 과정; 을 포함하는 1,3-부타디엔 제조를 위한 산화탈수소화 반응용 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매의 제조방법을 그 특징으로 한다.In addition, the present invention is a) molybdenum precursor aqueous solution, bismuth precursor aqueous solution and citric acid aqueous solution so that the atomic ratio of bismuth (Bi) / molybdenum (Mo) is in the range of 1 to 3, and the molar ratio of citric acid / bismuth is in the range of 0.1 to 5. Each manufacturing process; b) preparing a mixed solution in which the molybdenum precursor aqueous solution and the citric acid aqueous solution are mixed; c) adding the bismuth precursor aqueous solution while stirring the mixed solution, adding nitric acid aqueous solution to finally adjust the pH of the solution to a range of 0.1 to 3 to prepare a transparent sol (Sol) solution; d) aging the solution in the form of a sol to obtain a mixture in the form of a gel; And e) drying and firing the mixture in gel form. Characterized by a method for producing a gamma-bismuth molybdate single-phase catalyst for oxidative dehydrogenation reaction for the production of 1,3-butadiene comprising a.

또한, 본 발명은 상기한 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매 존재 하에서, 납사크래킹 공정에서 배출되는 C4 잔사유-Ⅲ을 산화탈수소화 반응하여 1,3-부타디엔을 제조하는 방법을 그 특징으로 한다.
In addition, the present invention is characterized in that the method for producing 1,3-butadiene by oxidative dehydrogenation of C 4 residue oil-III discharged from the naphtha cracking process in the presence of the gamma-bismuth molybdate single-phase catalyst described above. do.

본 발명의 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매는 복잡한 다성분계 금속 산화물과 달리 구성성분이 간단하며 합성이 용이하여 촉매 제조의 재현성 확보가 유리하며, C4 잔사유-Ⅲ을 산화탈수소화 하는 반응용 촉매로 유용한 효과가 있다. Unlike complex multicomponent metal oxides, the gamma-bismuth molybdate single phase catalyst of the present invention has a simple constituent and is easy to synthesize, which is advantageous to secure reproducibility of the catalyst production, and reacts to oxidative dehydrogenation of C 4 residue-III. It has a useful effect as a catalyst.

본 발명의 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매는 졸-겔법으로 제조하며, 졸-겔 과정 중에 시트르산을 포함시켜 촉매의 균일성이 증가하여 촉매 제조의 재현성을 높이고 촉매의 대량 생산이 용이한 효과가 있다.Gamma-bismuth molybdate single phase catalyst of the present invention is prepared by the sol-gel method, including citric acid during the sol-gel process to increase the uniformity of the catalyst to increase the reproducibility of the catalyst production and easy mass production of the catalyst There is.

본 발명의 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매는 기존의 공침법으로 제조된 촉매에 비교하여 촉매의 비표면적, 세공부피 및 세공직경이 증가하여 촉매활성을 높이는 효과가 있다. Gamma-bismuth molybdate single phase catalyst of the present invention has the effect of increasing the specific surface area, pore volume and pore diameter of the catalyst compared to the catalyst prepared by the conventional coprecipitation method to increase the catalytic activity.

본 발명의 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매는 C4 잔사유-Ⅲ를 산화탈수소화 반응에 의해 1,3-부타디엔으로 전환하는 반응에서 높은 촉매활성을 나타내므로, 저가의 C4 잔사유-Ⅲ를 고부가가치화를 이룰 수 있는 측면에서 매우 효과가 있다.The gamma bismuth molybdate single phase catalyst of the present invention exhibits high catalytic activity in the reaction of converting C 4 residue oil-III to 1,3-butadiene by oxidative dehydrogenation reaction, thereby inexpensive C 4 residue oil- It is very effective in terms of achieving high value added to III.

또한, 본 발명은 폐연료로서 태워 없어지는 C4 잔사유-Ⅲ을 재활용하여 산업적으로 유용한 1,3-부타디엔을 수득하는 발명으로, 환경오염을 방지하는 효과가 있다.
In addition, the present invention is an invention to obtain industrially useful 1,3-butadiene by recycling C 4 residue oil-III burned away as waste fuel, it is effective to prevent environmental pollution.

도 1은 본 발명에 따른 졸-겔법에 의한 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매의 제조과정에 대한 개략도이다.
도 2는 종래의 공침법에 의한 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매의 제조과정에 대한 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 졸-겔법 또는 종래의 공침법에 의해 제조된 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매에 대한 X-선 회절 분석한 결과를 비교한 그래프이다.
1 is a schematic diagram of a process for preparing a gamma-bismuth molybdate single phase catalyst by the sol-gel method according to the present invention.
2 is a schematic diagram of a process for preparing gamma-bismuth molybdate single phase catalyst by a conventional coprecipitation method.
Figure 3 is a graph comparing the results of X-ray diffraction analysis of the gamma-bismuth molybdate single phase catalyst prepared by the sol-gel method or a conventional coprecipitation method according to the present invention.

본 발명은 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매 및 상기 촉매의 제조방법, 그리고 상기 촉매를 납사크래킹 공정에서 배출되는 C4 잔사유-Ⅲ의 산화탈수소화 반응에 사용하여 높은 수율로 1,3-부타디엔을 제조하는 방법을 그 특징으로 한다.The present invention provides a high yield of 1,3-butadiene by using a gamma-bismuth molybdate single phase catalyst and a method for preparing the catalyst, and the oxidative dehydrogenation of C4 residue oil-III discharged from the naphtha cracking process. It is characterized by a method of manufacturing.

특히, 본 발명에서는 촉매 제조를 위한 졸-겔 과정에서 시트르산을 사용하고 있는 바, 시트르산은 활성금속들이 혼합하는 과정에서 일어나는 불균일화를 방지하여 촉매의 균일성을 증진시켜 촉매 제조의 재현성을 높인다. 이는 일반적인 공침법으로 제조된 촉매와 비교할 때 획기적인 결과라 할 수 있다. 또한, 시트르산은 유기물로서 소성과정에서 연소되어 촉매 내부에 추가로 세공(pore)을 생성시킨다. 시트르산의 연소로 인해 세공이 생성됨으로써 촉매의 비표면적은 현저히 증가하게 되고, 또한 시트르산의 사용량 조절을 통해 세공의 직경 및 부피 및 촉매 비표면적을 조절하는 것이 가능하다. 촉매의 비표면 증가로 촉매 활성점의 수가 증가하게 되어 반응물인 노르말-부텐이 더 많이 흡착을 할 수 있고, 또한 넓어진 표면에 의해 반응에 참여하는 격자 산소의 이동이 수월하게 된다. 그 결과, 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매의 제조방법으로 잘 알려져 있는 공침법으로 제조된 촉매에 비교하여, 노르말-부텐의 산화탈수소화 반응에서 높은 촉매활성을 보임으로써 노르말-부텐의 전환율과 1,3-부타디엔의 선택도가 증가하게 된다.Particularly, in the present invention, citric acid is used in the sol-gel process for preparing the catalyst, and the citric acid prevents disproportionation occurring in the process of mixing the active metals, thereby improving the uniformity of the catalyst and thus improving the reproducibility of the catalyst production. This is a breakthrough result when compared to a catalyst prepared by a general coprecipitation method. In addition, citric acid is burned during the firing process as an organic material to generate additional pores in the catalyst. As the pore is generated due to the combustion of citric acid, the specific surface area of the catalyst is remarkably increased, and it is possible to control the diameter and volume of the pore and the catalyst specific surface area by controlling the amount of citric acid used. Increasing the specific surface of the catalyst increases the number of catalytically active sites, allowing the reactant normal-butene to adsorb more, and the wider surface facilitates the transfer of lattice oxygen participating in the reaction. As a result, compared with the catalyst prepared by the coprecipitation method, which is well known as a method for preparing a gamma-bismuth molybdate single phase catalyst, the conversion rate of the normal-butene was shown to be higher in the oxidative dehydrogenation reaction of the normal-butene. The selectivity of 1,3-butadiene is increased.

상기한 바와 같은 진보된 특성을 가지는 본 발명의 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매의 제조방법을 그 제조과정별로 구분하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다. The method for preparing the gamma-bismuth molybdate single phase catalyst of the present invention having the advanced characteristics as described above will be described in detail according to the preparation process.

먼저, a)과정에서는 비스무스 전구체 수용액, 몰리브덴 전구체 수용액, 및 시트르산 수용액을 각각 제조한다.First, in the process a), bismuth precursor aqueous solution, molybdenum precursor aqueous solution, and citric acid aqueous solution are prepared, respectively.

상기 비스무스 전구체와 몰리브덴 전구체는 촉매 제조분야에서 일반적으로 사용되는 금속염으로서, 나이트레이트, 아세테이트, 설페이트, 암모늄, 염화물, 산화물 등으로부터 선택하여 적절히 사용할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 비스무스 전구체로서 비스무스 나이트레이트를, 몰리브덴 전구체로서 암모늄 몰리브데이트를 대표적으로 사용하고 있지만, 본 발명은 이러한 전구체 화합물의 선택에 대해서는 특별히 제한을 두고 있지 않다. 시트르산 화합물으로는 대표적으로 시트르산 모노하이드레이트를 사용할 수 있으며, 본 발명은 시트르산 화합물의 선택에 대해서는 특별히 제한을 두고 있지 않다. 상기 수용액을 준비하는 과정에서는 용해도를 보다 좋게 하기 위하여 증류수의 온도를 30℃ 내지 90℃, 바람직하기로는 40℃ 내지 60℃ 온도로 승온할 수 있고, 또는 필요에 따라 0.01 내지 5 중량% 범위로 질산용액을 첨가할 수도 있다.The bismuth precursor and the molybdenum precursor are metal salts generally used in the field of catalyst production, and may be appropriately selected from nitrate, acetate, sulfate, ammonium, chloride, oxide, and the like. Although the bismuth nitrate is used as the bismuth precursor and ammonium molybdate as the molybdenum precursor in the embodiment of the present invention, the present invention does not particularly limit the selection of such precursor compounds. Citric acid monohydrate can be used typically as a citric acid compound, and this invention does not have a restriction | limiting in particular about selection of a citric acid compound. In the preparation of the aqueous solution, in order to improve the solubility, the temperature of the distilled water may be raised to 30 ° C. to 90 ° C., preferably 40 ° C. to 60 ° C., or, if necessary, to nitric acid in a range of 0.01 to 5 wt%. Solution may also be added.

상기한 비스무스 전구체, 몰리브덴 전구체 및 시크르산 화합물의 사용 비율은 다양하게 조절이 가능하나, 본 발명의 촉매 제조의 목적에 부합하고, 아울러 촉매 활성을 증진시키기 위하여 비스무스/몰리브덴의 원자수비 및 시트르산/비스무스 몰비는 특정 범위로 제한하는 것이 좋다. 본 발명에서는 a)과정에서 비스무스 전구체 수용액과 몰리브덴 전구체 수용액비는 준비함에 있어서는, 비스무스/몰리브덴 원자수비를 1 내지 3 범위, 바람직하기로는 1.5 내지 2.2 범위, 특히 바람직하기로는 2로 조절하여 감마상의 단일상을 형성하도록 하였다. 또한, 시트르산 수용액을 준비함에 있어서는, 시트르산/비스무스의 몰비를 0.5 내지 30 범위, 바람직하게는 1 내지 10 범위, 특히 바람직하게는 1 내지 3 범위로 조절하여 촉매의 비표면적, 세공부피 및 세공직경을 조절하였다.The use ratio of the bismuth precursor, molybdenum precursor and the citric acid compound can be controlled in various ways, but in order to meet the purpose of the catalyst production of the present invention, and to improve the catalytic activity, the ratio of bismuth / molybdenum and citric acid / bismuth The molar ratio is preferably limited to a specific range. In the present invention, in preparing a bismuth precursor aqueous solution and molybdenum precursor aqueous solution ratio in step a), the bismuth / molybdenum atomic ratio is adjusted to a range of 1 to 3, preferably 1.5 to 2.2, particularly preferably 2 To form a daily routine. In preparing the citric acid aqueous solution, the specific surface area, pore volume and pore diameter of the catalyst are adjusted by adjusting the molar ratio of citric acid / bismuth to 0.5 to 30, preferably 1 to 10, particularly preferably 1 to 3 Adjusted.

b)과정에서는 상기에서 준비한 몰리브덴 전구체 수용액과 시트르산 수용액을 먼저 혼합하여 혼합용액을 제조한다.In the process b), the molybdenum precursor aqueous solution prepared above and the aqueous citric acid solution are mixed first to prepare a mixed solution.

상기 b)과정에서 침전이 생길 수 있으므로 시트르산 수용액에 몰리브덴 전구체 수용액을 서서히 적가하는 방법으로 진행하는 것이 좋으며, 침전이 생기지 않도록 혼합과정에서 질산용액을 추가로 첨가하여 투명한 졸(sol) 형태의 용액을 제조하는 것도 가능하다. 상기의 졸 형태 용액은 최종적으로 pH 0.1 내지 3 범위, 바람직하기로는 0.5 내지 2 범위로 조정되었을 때, 투명한 졸 형태의 용액을 얻을 수 있다. 혼합이 완료되면 1 내지 6시간, 바람직하기로는 2 내지 4시간 동안 충분히 교반한다. Since the precipitation may occur in the process b), it is recommended to proceed by slowly dropping the molybdenum precursor aqueous solution to the citric acid aqueous solution, and adding a nitric acid solution in the mixing process to prevent the precipitation from forming a transparent sol solution. It is also possible to manufacture. When the sol form solution is finally adjusted to a pH range of 0.1 to 3, preferably 0.5 to 2, a clear sol solution can be obtained. When mixing is complete, the mixture is sufficiently stirred for 1 to 6 hours, preferably 2 to 4 hours.

c)과정에서는 상기 혼합용액에 비스무스 전구체 수용액을 첨가하여 투명한 졸(Sol) 형태의 용액을 제조한다.In the step c), a bismuth precursor aqueous solution is added to the mixed solution to prepare a transparent sol (Sol) solution.

상기 c)과정에서 침전이 생길 수 있으므로 비스무스 전구체 수용액을 서서히 적가하는 방법으로 진행하는 것이 좋으며, 침전이 생기지 않도록 질산용액을 혼합과정에서 첨가하여 투명한 졸(Sol) 형태의 용액을 제조하도록 한다. 상기의 졸 형태 용액은 최종적으로 pH 0.1 내지 3 범위, 바람직하기로는 0.5 내지 2 범위로 조정되었을 때, 투명한 졸 형태의 용액을 얻을 수 있다. 혼합이 완료되면 1 내지 6시간, 바람직하기로는 2 내지 4시간 동안 충분히 교반한다. Since cation may occur in the process c), it is preferable to proceed slowly by dropwise addition of bismuth precursor aqueous solution, and nitric acid solution is added in a mixing process to prevent precipitation, thereby preparing a transparent sol (Sol) solution. When the sol form solution is finally adjusted to a pH range of 0.1 to 3, preferably 0.5 to 2, a clear sol solution can be obtained. When mixing is complete, the mixture is sufficiently stirred for 1 to 6 hours, preferably 2 to 4 hours.

d)과정에서는, 상기에서 제조한 졸(Sol) 형태의 용액을 숙성시켜 겔(Gel) 형태의 혼합물을 제조한다.In the step d), a solution in the form of a sol form is prepared by aging to prepare a mixture in the form of a gel.

상기에서 제조한 졸 형태의 용액을 교반하지 않고, 40℃ 내지 120℃, 바람직하기로는 60℃ 내지 80℃ 온도에서 12 내지 60시간, 바람직하기로는 24 내지 48시간동안 정체된 상태로 보관하면, 겔 형태의 혼합물을 얻을 수 있다. When the sol-type solution prepared above is stored without stirring, it is stored at a temperature of 40 ° C. to 120 ° C., preferably 60 ° C. to 80 ° C., for 12 to 60 hours, preferably 24 to 48 hours, A mixture of forms can be obtained.

e)과정에서는 상기 겔(Gel) 형태의 혼합물을 건조 및 소성하여 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매를 제조한다.In the e) process, the mixture of the gel form is dried and calcined to prepare a gamma-bismuth molybdate single phase catalyst.

상기에서 제조한 겔 형태의 혼합물은 80℃ 내지 250℃, 바람직하기로는 110℃ 내지 150℃에서 10 내지 24시간 동안 건조한다. 그리고, 상기 건조하여 얻은 고체성분을 전기로에 넣은 후 200℃ 내지 700℃, 바람직하게는 350℃ 내지 550℃에서 소성하여 본 발명이 목적하는 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매를 얻을 수 있다.The gel-form mixture prepared above is dried at 80 ° C. to 250 ° C., preferably at 110 ° C. to 150 ° C. for 10 to 24 hours. Then, the dried solid component is placed in an electric furnace and calcined at 200 ° C to 700 ° C, preferably 350 ° C to 550 ° C, thereby obtaining a gamma bismuth molybdate single phase catalyst according to the present invention.

상기한 바와 같은 졸-겔법으로 제조된 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매는 비표면적이 5 내지 30 ㎡/g이고, 평균 세공부피가 0.05 내지 0.1 ㎤/g이고, 평균 세공직경이 200 내지 500Å이다. 이는 일반적인 공침법으로 제조된 촉매와 비교할 때, 현격하게 향상된 결과이다.The gamma-bismuth molybdate single phase catalyst prepared by the sol-gel method as described above has a specific surface area of 5 to 30 m 2 / g, an average pore volume of 0.05 to 0.1 cm 3 / g, and an average pore diameter of 200 to 500 kPa. to be. This is a markedly improved result when compared to a catalyst prepared by conventional coprecipitation.

한편, 본 발명은 상기 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매를 사용하여 C4 잔사유-Ⅲ의 산화탈수소화 반응을 수행하여 1,3-부타디엔을 제조하는 방법에도 특징이 있다. On the other hand, the present invention is also characterized by a method for producing 1,3-butadiene by carrying out the oxidative dehydrogenation of C 4 residue-III using the gamma-bismuth molybdate single-phase catalyst.

본 발명에 따른 1,3-부타디엔의 제조방법에서 원료물질로 사용하는 C4 잔사유-Ⅲ는 납사의 스팀크래킹 공정에서 부생되고 있으며, 주로 연료로 사용되고 있다. C4 잔사유-Ⅲ의 구성성분을 살펴보면, n-부텐이 40 중량% 이상을 차지하고 있고, 이소부탄을 포함한 부탄류가 약 40 중량%, 나머지는 이소부텐과 기타 불순물(예를 들면, C5 이상 탄화수소, 메틸터셔리부틸에테르, 다이메틸에테르, 에틸렌)로 구성되어 있다. 즉, C4 잔사유-Ⅲ의 일반적인 조성은 n-부텐 40 ∼ 65 중량%, 부탄류 30 ∼ 50 중량%, 이소부텐 0 ∼ 10 중량% 및 기타 불순물 0.5 ∼ 5 중량%로 이루어진다.C 4 residue oil-III, which is used as a raw material in the production method of 1,3-butadiene according to the present invention, is a by-product in the steam cracking process of naphtha and is mainly used as a fuel. Looking at the constituents of C 4 residue-III, n-butene accounts for 40% by weight or more, about 40% by weight of butanes including isobutane and the remainder of isobutene and other impurities (e.g. C 5 Hydrocarbon, methyl tertiary butyl ether, dimethyl ether, ethylene). That is, the general composition of C 4 residue oil-III consists of 40 to 65 wt% of n-butene, 30 to 50 wt% of butanes, 0 to 10 wt% of isobutene and 0.5 to 5 wt% of other impurities.

본 발명에 따른 1,3-부타디엔의 제조방법을 그 반응조건을 중심으로 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.Hereinafter, the method for preparing 1,3-butadiene according to the present invention will be described in more detail with reference to the reaction conditions.

C4 잔사유-Ⅲ의 산화탈수소화 반응의 반응온도는 250℃ 내지 550℃ 범위로 유지하며, 바람직하기로는 350℃ 내지 450℃ 범위로 유지한다. 여기서, 반응온도를 상기 범위로 한정한 이유는 촉매의 활성을 최적화하기 위한 것으로서, 만일 반응온도가 상기 범위를 벗어나면 미반응물의 증가 내지는 부생성물의 증가로 인하여 C4 잔사유-Ⅲ의 전환율과 1,3-부타디엔의 선택도에 있어 큰 문제를 야기하기 때문이다. 또한, 반응압력은 0 기압 내지 10 기압으로 하는 바, 만일 그 범위를 벗어나면 1,3-부타디엔의 선택도가 급격하게 감소하는 문제가 있어 바람직하지 않다. 그리고, 산화탈수소화 반응에 있어서 반응물의 부피비를 C4 잔사유-Ⅲ/공기/스팀 = 1 / 1∼20 / 1∼30으로 하는 바, 그 범위를 한정한 이유는 반응진행 정도와 선택도에 큰 변화가 있기 때문이다. 마지막으로, 접촉시간을 0.01 내지 100 초(sec)로 하여 산화탈수소화 반응을 수행하는 바, 그 이유는 상술한 바와 같이 반응진행 정도와 선택도 변화에 큰 영향을 주기 때문이다.The reaction temperature of the oxidative dehydrogenation reaction of C 4 residue-III is maintained in the range of 250 ° C. to 550 ° C., preferably in the range of 350 ° C. to 450 ° C. Here, as for a reason why only the reaction temperature in the above range to optimize the activity of the catalyst, the conversion of emergency reaction temperature is C 4 residue due to an increase in the increase of unreacted by-product naejineun fall outside of the above range and -Ⅲ This is because it causes a big problem in the selectivity of 1,3-butadiene. In addition, since the reaction pressure is 0 to 10 atm, if it is out of the range, there is a problem that the selectivity of 1,3-butadiene decreases rapidly, which is not preferable. In the oxidative dehydrogenation reaction, the volume ratio of the reactants is C 4 residue oil-III / air / steam = 1/1 1-20 / 1-30. The reason for limiting the range is the degree of reaction progress and selectivity. Because there is a big change. Finally, the oxidative dehydrogenation reaction is carried out with a contact time of 0.01 to 100 seconds (sec), as described above, because it significantly affects the degree of reaction progress and the selectivity change.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매는 공침법으로 제조되는 촉매의 비해 촉매 활성을 크게 증가시켰으며, C4 잔사유-Ⅲ의 산화적 탈수화 반응에 의해 높은 수율의 1,3-부타디엔을 얻을 수 있으며, 또한 부산물로서 생성되는 이산화탄소의 발생량을 감소시키는 효과를 얻을 수 있다. As described above, the gamma-bismuth molybdate single phase catalyst of the present invention significantly increased the catalytic activity compared to the catalyst prepared by the co-precipitation method, and was increased by the oxidative dehydration reaction of C 4 residue-III. Yield 1,3-butadiene can be obtained, and the effect of reducing the amount of carbon dioxide generated as a by-product can be obtained.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 하기의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
The present invention as described above will be described in more detail based on the following examples, but the present invention is not limited by the examples.

[실시예]
[Example]

실시예 1. 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매의 제조(시트르산/비스무스 몰비= 0.5)Example 1 Preparation of Gamma-bismuth Molybdate Single Phase Catalysts (Citrate / Bismuth Molar Ratio = 0.5)

암모늄 몰리브데이트 4수화물 ((NH4)6Mo7O24·4H2O) 2.89 g을 60℃의 증류수 60 ㎖에 잘 녹도록 충분히 교반하였다. 같은 방법으로 15.91 g의 비스무스 나이트레이트 5수화물 (Bi(NO3)3·5H2O)을 10% HNO3 20 ㎖에 넣어 교반하면서 녹였다. 또한 시트르산 수용액은 시트르산 1수화물 3.45 g을 증류수 35 ㎖에 넣어 교반하면서 준비하였다. 준비된 시트르산 수용액의 시트르산은 비스무스 대비 0.5 몰비로 하였다(시트르산/비스무스 몰비= 0.5). 모든 준비된 용액들이 완전히 용해된 것을 확하였다.2.89 g of ammonium molybdate tetrahydrate ((NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 .4H 2 O) was sufficiently stirred to dissolve well in 60 ml of distilled water at 60 ° C. In the same manner, 15.91 g of bismuth nitrate pentahydrate (Bi (NO 3 ) 3 .5H 2 O) was added to 20 ml of 10% HNO 3 and dissolved with stirring. In addition, the aqueous citric acid solution was prepared by stirring 3.45 g of citric acid monohydrate into 35 ml of distilled water. The citric acid of the prepared citric acid aqueous solution was 0.5 molar ratio with respect to bismuth (citric acid / bismuth molar ratio = 0.5). It was confirmed that all prepared solutions were completely dissolved.

그리고, 시트르산 수용액을 암모늄 몰리브데이트 수용액에 첨가하고 충분히 교반하여 혼합용액을 제조하였다. 상기 혼합용액에 미리 준비된 비스무스 나이트레이트 수용액을 천천히 첨가하였고, 비스무스 전구체 용액을 첨가 동안 상기 용액이 졸 형태를 유지하며 침전이 생성되지 않게 하기위해, 별도의 질산용액을 첨가하였다. 모든 용액이 첨가된 후 마지막으로 질산 용액을 사용하여 pH를 1로 맞추었다. 그리고 핫플레이트를 이용하여 60℃에서 2시간 동안 교반하였다.Then, an aqueous citric acid solution was added to the aqueous ammonium molybdate solution and sufficiently stirred to prepare a mixed solution. The bismuth nitrate aqueous solution prepared in advance was slowly added to the mixed solution, and a separate nitric acid solution was added to keep the solution in sol form and no precipitation was formed during the addition of the bismuth precursor solution. After all the solutions were added the pH was finally set to 1 using nitric acid solution. And it was stirred for 2 hours at 60 ℃ using a hot plate.

반응용액은 교반을 완전히 정지시키고 80℃의 온도에서 48시간 동안 숙성시켜 겔 형태의 혼합물을 얻었다. 얻어진 혼합물은 140℃의 오븐에서 건조하고 475℃에서 소성하여, 목적하는 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매를 제조하였다.The reaction solution was completely stopped stirring and aged for 48 hours at a temperature of 80 ℃ to obtain a mixture in the form of a gel. The resulting mixture was dried in an oven at 140 ° C. and calcined at 475 ° C. to prepare the desired gamma-bismuly molybdate single phase catalyst.

본 실시예 1에 따른 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매의 제조과정에 대한 개략적인 도식도를 첨부도면 도 1에 나타내었다.
A schematic diagram of a process for preparing a gamma-bismuth molybdate single phase catalyst according to Example 1 is shown in FIG. 1.

실시예 2. 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매의 제조(시트르산/비스무스 몰비= 1.0)Example 2. Preparation of Gamma-bismuth molybdate single phase catalyst (citric acid / bismuth molar ratio = 1.0)

상기 실시예 1에 예시된 졸-겔법으로 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매를 제조하되, 다만 시트르산 1수화물 6.89 g을 증류수 70 ㎖에 용해시켜 시트르산 수용액(시트르산/비스무스 몰비= 1.0)을 준비하여 사용하였다.
A gamma-bismuth molybdate single phase catalyst was prepared by the sol-gel method illustrated in Example 1, except that 6.89 g of citric acid monohydrate was dissolved in 70 ml of distilled water to prepare an aqueous citric acid solution (citric acid / bismuth molar ratio = 1.0). Used.

실시예 3. 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매의 제조(시트르산/비스무스 몰비= 2.0)Example 3. Preparation of Gamma-bismuth molybdate single phase catalyst (citric acid / bismuth molar ratio = 2.0)

상기 실시예 1에 예시된 졸-겔법으로 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매를 제조하되, 다만 시트르산 1수화물 13.78 g을 증류수 140 ㎖에 용해시켜 시트르산 수용액(시트르산/비스무스 몰비= 2.0)을 준비하여 사용하였다.A gamma-bismuth molybdate single phase catalyst was prepared by the sol-gel method illustrated in Example 1, except that 13.78 g of citric acid monohydrate was dissolved in 140 ml of distilled water to prepare an aqueous citric acid solution (citric acid / bismuth molar ratio = 2.0). Used.

실시예 4. 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매의 제조(시트르산/비스무스 몰비= 3.0)Example 4 Preparation of Gamma-bismuth Molybdate Single Phase Catalysts (Citrate / Bismuth Molar Ratio = 3.0)

상기 실시예 1에 예시된 졸-겔법으로 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매를 제조하되, 다만 시트르산 1수화물 20.67 g을 증류수 210 ㎖에 용해시켜 시트르산 수용액(시트르산/비스무스 몰비= 3.0)을 준비하여 사용하였다.
A gamma-bismuth molybdate single phase catalyst was prepared by the sol-gel method illustrated in Example 1, except that 20.67 g of citric acid monohydrate was dissolved in 210 ml of distilled water to prepare an aqueous citric acid solution (citric acid / bismuth molar ratio = 3.0). Used.

비교예 1. 공침법에 의한 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매의 제조Comparative Example 1. Preparation of gamma-bismuth molybdate single phase catalyst by coprecipitation

당 분야에서 널리 사용되는 공침법을 이용하여 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매를 제조하였다. Gamma-bismuth molybdate single phase catalysts were prepared using coprecipitation methods widely used in the art.

암모늄 몰리브데이트 4수화물 ((NH4)6Mo7O24·4H2O) 2.89 g을 60℃의 증류수 60 ㎖에 잘 녹도록 충분히 교반하였다. 같은 방법으로 15.91 g의 비스무스 나이트레이트 5수화물 (Bi(NO3)3·5H2O)을 10% HNO3 20 ㎖에 넣어 교반하면서 녹였다. 비스무스 나이트레이트 수용액을 암모늄 몰리브데이트 용액에 천천히 한 방울씩 적가하였다. pH 조절을 위해 암모니아수를 한 방울씩 적가하면서 pH가 3이 되도록 맞추었다. 이 혼합용액을 교반기를 사용하여 상온에서 1시간 동안 교반하였다. 교반을 멈춘 후 침전된 용액을 감압여과기를 사용하여 고체 시료를 얻었다. 이 고체시료를 140℃의 오븐에서 건조하고, 475℃에서 소성하여, 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매를 제조하였다.2.89 g of ammonium molybdate tetrahydrate ((NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 .4H 2 O) was sufficiently stirred to dissolve well in 60 ml of distilled water at 60 ° C. In the same manner, 15.91 g of bismuth nitrate pentahydrate (Bi (NO 3 ) 3 .5H 2 O) was added to 20 ml of 10% HNO 3 and dissolved with stirring. Bismuth nitrate aqueous solution was slowly added dropwise to the ammonium molybdate solution. The pH was adjusted to 3 while dropwise adding ammonia water for pH adjustment. This mixed solution was stirred at room temperature for 1 hour using a stirrer. After stopping the stirring, the precipitated solution was obtained using a vacuum filter to obtain a solid sample. The solid sample was dried in an oven at 140 ° C. and calcined at 475 ° C. to prepare a gamma-bismuth molybdate single phase catalyst.

본 비교예 1에 따른 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매의 제조과정에 대한 개략적인 도식도를 첨부도면 도 2에 나타내었다.
A schematic diagram of a process for preparing a gamma-bismuth molybdate single phase catalyst according to Comparative Example 1 is shown in FIG. 2.

[촉매특성 확인]
[Chemical Property Check]

1. 촉매의 구조 분석1. Structural Analysis of Catalysts

1) 원소성분 분석(ICP-AES) 및 표면적(BET) 분석 1) Elemental Analysis (ICP-AES) and Surface Area (BET) Analysis

상기 실시예 2와 비교예 1에서 제조한 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매에 대한 원소성분 분석(ICP-AES), 표면적(BET) 분석한 결과를 하기 표 1에 나타내었다. Table 1 shows the results of elemental analysis (ICP-AES) and surface area (BET) analysis of the gamma-bismuth molybdate single phase catalyst prepared in Example 2 and Comparative Example 1.

촉매catalyst Bi/Mo 원자비 (ICP-AES)Bi / Mo atomic ratio (ICP-AES) 표면적 (m2/g)Surface area (m 2 / g) Bi2MoO6-졸겔법(실시예 2)Bi 2 MoO 6 -sol gel method (Example 2) 1.91.9 8.08.0 Bi2MoO6-공침법(비교예 1)Bi 2 MoO 6 -Coprecipitation Method (Comparative Example 1) 1.81.8 2.02.0

상기 표 1에는 상기 실시예 2와 비교예 1에서 제조한 촉매를 원소성분 분석(ICP-AES)하여 얻어낸 Bi/Mo 원자수 비와 표면적(BET)를 나타내었다. 원소성분 분석(ICP-AES) 결과, 두 촉매 모두 금속 함량 비에서 원하는 상으로 이루어진 것을 확인 할 수 있었고, 이들 두 촉매 모두 감마상을 갖는 비스무스 몰리브데이트 촉매들임을 알 수 있었다. 또한, BET 분석을 통해 시트르산을 포함하는 졸-겔 법에 의해 제조된 촉매가 공침법으로 제조된 촉매에 비해 4배 증가된 큰 비표면적을 가짐을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로부터, 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매 제조에서 시트르산을 포함하는 졸-겔 법이 공침법에 비해 휠씬 넓은 비표면적을 갖는 촉매를 제조하는 방법임을 알 수 있었고, 이들 결과를 통해 더 넓어진 비표면적에 의해 촉매 활성점이 증가되어 산화탈수소화 반응에 우수한 활성을 보이는 매우 효과적인 촉매라 할 수 있다. Table 1 shows the Bi / Mo atomic number ratio and the surface area (BET) obtained by the elemental component analysis (ICP-AES) of the catalysts prepared in Example 2 and Comparative Example 1. As a result of elemental analysis (ICP-AES), it was confirmed that both catalysts consisted of a desired phase in the metal content ratio, and both catalysts were bismuth molybdate catalysts having a gamma phase. In addition, it was confirmed through BET analysis that the catalyst prepared by the sol-gel method including citric acid has a large specific surface area increased by four times compared to the catalyst prepared by the coprecipitation method. From these results, it was found that the sol-gel method including citric acid in the preparation of the gamma-bismuth molybdate single phase catalyst was a method for preparing a catalyst having a much wider specific surface area than the coprecipitation method. The catalytic activity point is increased by the specific surface area, which is a very effective catalyst showing excellent activity in the oxidative dehydrogenation reaction.

2) 세공부피 및 세공직경 분석2) pore volume and pore diameter analysis

상기 실시예 1 내지 4와 비교예 1에서 제조한 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매에 대한 세공부피 및 평균세공직경을 질소 흡·탈착 실험(N2 Ads./Des.)과 주사전자현미경(SEM)으로 분석한 결과를 하기 표 2에 나타내었다. Nitrogen adsorption and desorption experiments (N 2 Ads./Des.) And scanning electron microscopy of pore volume and average pore diameter for the gamma-bismuth molybdate single phase catalyst prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 SEM) results are shown in Table 2 below.

구 분division 촉매catalyst 촉매 제조법Catalyst Preparation 시트르산/
비스무스 몰비
Citric Acid /
Bismuth molar
세공부피(㎤/g)Pore volume (cm 3 / g) 세공직경(Å)Pore diameter
실시예 1Example 1 Bi2MoO6 Bi 2 MoO 6 졸-겔법Sol-gel method 0.50.5 0.020.02 120120 실시예 2Example 2 Bi2MoO6 Bi 2 MoO 6 졸-겔법Sol-gel method 1One 0.080.08 250250 실시예 3Example 3 Bi2MoO6 Bi 2 MoO 6 졸-겔법Sol-gel method 22 0.090.09 320320 실시예 4Example 4 Bi2MoO6 Bi 2 MoO 6 졸-겔법Sol-gel method 33 0.050.05 200200 비교예 1Comparative Example 1 Bi2MoO6 Bi 2 MoO 6 공침법Coprecipitation method -- 0.010.01 9595

3) X-선 회절 분석 3) X-ray diffraction analysis

상기 실시예 2와 비교예 1에서 제조한 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매에 대한 X-선 회절 분석한 결과를 도 3에 나타내었다. X-ray diffraction analysis results of the gamma-bismuth molybdate single phase catalyst prepared in Example 2 and Comparative Example 1 are shown in FIG. 3.

도 3에 의하면, 두 촉매는 거의 일치하는 분석결과를 나타내었으며, 문헌에 보고된 감마상을 띠는 비스무스 몰리브데이트 단일상임을 알 수 있었다.
According to FIG. 3, the two catalysts showed almost identical analysis results, and it was found that the bismuth molybdate single phase having a gamma phase reported in the literature.

2. 촉매활성 평가2. Catalytic Activity Evaluation

상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 제조한 각각의 고체촉매를 사용하여 C4 잔사유-Ⅲ를 산화탈수소화 반응시켜 1,3-부타디엔을 제조하였다.1,3-butadiene was prepared by oxidative dehydrogenation of C 4 residue oil-III using the respective solid catalysts prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1.

본 실험예에서 사용된 C4 잔사유-Ⅲ는 납사크래킹 공정에서 배출되는 것으로서, 그 조성이 n-부텐 58 중량%, 부탄류 40 중량%, 이소부텐 0.1 중량% 및 기타 불순물(C5 이상 탄화수소, 메틸터셔리부틸에테르, 다이메틸에테르, 에틸렌) 1.9 중량%로 이루어졌다.C 4 residue oil-III used in the present experimental example is discharged from the naphtha cracking process, the composition of n-butene 58% by weight, butanes 40% by weight, isobutene 0.1% by weight and other impurities (C 5 or more hydrocarbons) , Methyl tertiary butyl ether, dimethyl ether, ethylene).

산화탈수소화 반응은 반응온도 420℃, 반응압력 1기압, 반응물의 부피비 C4 잔사유-Ⅲ/공기/스팀=1/2/7.5로 하고, 접촉시간을 5 초(sec)로하여 수행하였다.The oxidative dehydrogenation reaction was carried out with a reaction temperature of 420 ° C., a reaction pressure of 1 atmosphere, a volume ratio of C 4 residue oil-III / air / steam = 1/2 / 7.5, and a contact time of 5 seconds (sec).

각 고체촉매 하에서의 반응결과로서 n-부텐의 전환율과 1,3-부타디엔의 수율은 하기 수학식 1과 2에 의해 계산하였다. 또한, 반응부산물로서 이산화탄소와 퓨란 및 기타물질이 생성되었다. 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.The conversion of n-butene and the yield of 1,3-butadiene were calculated by the following equations (1) and (2) as a reaction result under each solid catalyst. In addition, carbon dioxide, furan and other substances were generated as reaction byproducts. The results are shown in Table 3 below.

Figure 112010053544499-pat00001
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Figure 112010053544499-pat00002
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구 분division 촉매catalyst 촉매 제조법Catalyst Preparation 시트르산/비스무스 몰비Citric acid / bismuth molar ratio n-부텐의 전환율(%)% conversion of n-butene 1,3-부타디엔 선택도(%)Selectivity of 1,3-butadiene (%) 1,3-부타디엔 수율(%)1,3-butadiene yield (%) 실시예 1Example 1 Bi2MoO6 Bi 2 MoO 6 졸-겔법Sol-gel method 0.50.5 40.040.0 94.794.7 38.038.0 실시예 2Example 2 Bi2MoO6 Bi 2 MoO 6 졸-겔법Sol-gel method 1One 71.171.1 95.095.0 67.567.5 실시예 3Example 3 Bi2MoO6 Bi 2 MoO 6 졸-겔법Sol-gel method 22 63.763.7 94.094.0 59.859.8 실시예 4Example 4 Bi2MoO6 Bi 2 MoO 6 졸-겔법Sol-gel method 33 60.860.8 95.995.9 58.358.3 비교예 1Comparative Example 1 Bi2MoO6 Bi 2 MoO 6 공침법Coprecipitation method -- 52.152.1 90.590.5 47.147.1

이상의 결과에 의하면, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4의 촉매는 시트르산을 이용한 졸-겔법에 의해 제조된 비스무스 몰리브데이트 촉매이고, 특히 시트르산/비스무스의 몰비를 1 내지 3 범위로 조절하여 제조된 촉매로서 기존의 공침법으로 제조된 촉매에 비교하여 C4 잔사유-Ⅲ을 산화탈수소화 반응함에 있어 n-부텐의 전환율과 1,3-부타디엔의 선택도를 동시에 향상시키는 효과를 나타낸다. 이러한 효과는 시트르산에 의해 촉매의 세공부피, 세공직경, 비표면적 등의 촉매 구조변경의 결과로 얻어진 것이다.According to the above results, the catalysts of Examples 1 to 4 according to the present invention are bismuth molybdate catalysts prepared by the sol-gel method using citric acid, and in particular, are prepared by adjusting the molar ratio of citric acid / bismuth to 1 to 3 range. Compared to the catalyst prepared by the conventional coprecipitation method, the conversion of n-butene and the selectivity of 1,3-butadiene are simultaneously improved in oxidative dehydrogenation of C 4 residue oil-III. This effect is obtained as a result of catalyst structure change such as pore volume, pore diameter, specific surface area, etc. of the catalyst by citric acid.

따라서, 본 발명이 특징으로 하는 제조방법으로 제조된 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매는, C4 잔사유-Ⅲ을 산화탈수소화 반응하여 1,3-부타디엔을 제조하는 공정에 촉매로 유용하다.Accordingly, the gamma-bismuth molybdate single phase catalyst prepared by the production method characterized by the present invention is useful as a catalyst in the process for producing 1,3-butadiene by oxidative dehydrogenation of C 4 residue oil-III. .

Claims (10)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 하기 a) 내지 e)의 과정을 수행하여 제조된 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매 존재하에서, 납사크래킹 공정에서 배출되는 C4 잔사유-Ⅲ을 산화탈수소화 반응하여 1,3-부타디엔을 제조하는 것을 특징으로 하는 1,3-부타디엔의 제조방법 :
a) 비스무스(Bi)/몰리브덴(Mo)의 원자수비가 1 내지 3 범위이고, 시트르산/비스무스의 몰비가 0.1 내지 5 범위가 되도록, 몰리브덴 전구체 수용액, 비스무스 전구체 수용액 및 시트르산 수용액을 각각 제조하는 과정,
b) 상기 몰리브덴 전구체 수용액과 상기 시트르산 수용액을 혼합한 혼합용액을 제조하는 과정,
c) 상기 혼합용액을 교반하면서 상기 비스무스 전구체 수용액을 첨가하되, 질산 수용액을 첨가하여 최종적으로 용액의 pH를 0.1 내지 3 범위로 조절하여 투명한 졸(Sol) 형태의 용액을 제조하는 과정,
d) 상기 졸(Sol) 형태의 용액을 40℃ 내지 120℃ 온도에서 12 내지 60 시간동안 숙성시켜 겔(Gel) 형태의 혼합물을 얻는 과정, 및
e) 상기 겔(Gel) 형태의 혼합물을 80℃ 내지 250℃ 온도에서 건조하고, 200℃ 내지 700℃ 온도에서 소성하여, 비표면적이 5 내지 30 ㎡/g이고, 평균 세공부피가 0.05 내지 0.1 ㎤/g이고, 평균 세공직경이 200 내지 500Å인 감마-비스무스 몰리브데이트 단일상 촉매를 제조하는 과정.
1,3-butadiene was prepared by oxidative dehydrogenation of C 4 residue oil-III discharged from the naphtha cracking process in the presence of a gamma-bismuth molybdate single phase catalyst prepared by carrying out the steps a) to e). Method for producing 1,3-butadiene, characterized in that:
a) a process of preparing an aqueous molybdenum precursor solution, an aqueous bismuth precursor solution and an aqueous citric acid solution such that the atomic ratio of bismuth (Bi) / molybdenum (Mo) is in the range of 1 to 3 and the molar ratio of citric acid / bismuth is in the range of 0.1 to 5;
b) preparing a mixed solution in which the molybdenum precursor aqueous solution and the citric acid aqueous solution are mixed;
c) adding the bismuth precursor aqueous solution while stirring the mixed solution, adding nitric acid aqueous solution to finally adjust the pH of the solution to a range of 0.1 to 3 to prepare a transparent sol (Sol) solution,
d) aging the solution in the form of a sol (Sol) at a temperature of 40 ℃ to 120 ℃ for 12 to 60 hours to obtain a gel (gel) mixture, and
e) The gel-like mixture is dried at a temperature of 80 ° C to 250 ° C, calcined at a temperature of 200 ° C to 700 ° C, and has a specific surface area of 5 to 30 m 2 / g and an average pore volume of 0.05 to 0.1 cm 3. / g and a process for producing a gamma-bismuth molybdate single phase catalyst having an average pore diameter of 200 to 500 microns.
청구항 7에 있어서,
상기 산화탈수소화 반응은 반응온도가 250℃ 내지 550℃이고, 반응압력이 0 내지 10 기압이며, 반응물의 부피비가 C4 잔사유-Ⅲ/공기/스팀=1 / 1∼20 / 1∼30이고, 그리고 접촉시간이 0.01 내지 100 초(sec)인 조건 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 1,3-부타디엔의 제조방법.
The method of claim 7,
In the oxidative dehydrogenation reaction, the reaction temperature is 250 ° C to 550 ° C, the reaction pressure is 0 to 10 atm, and the volume ratio of the reactants is C 4 residue-III / air / steam = 1/1 to 20 to 1 to 30. And And a method for producing 1,3-butadiene, characterized in that carried out under the condition that the contact time is 0.01 to 100 seconds (sec).
삭제delete 삭제delete
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