KR101337301B1 - Aluminosilicate Nano-spheres having 3-Dimensional Open Pores, Method for Preparing the Same and Method for Producing Acrylic Acid from Glycerol Using the Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입자의 중심으로부터 입자의 반지름이 증가하는 방향으로 크기가 커지는 3차원 형태의 열린 기공과 넓은 비표면적을 가지며, 동시에 우수한 산 특성을 보유하고 있기 때문에 다양한 산 촉매 반응에 사용될 수 있는 알루미노실리케이트 구형 나노 입자 및 그 제조 방법을 제공한다. 또한 본 발명은 상기 알루미노실리케이트 구형 나노 입자를 이용하여 글리세롤로부터 우수한 수율로 아크릴산을 직접 생산하는 방법을 제공한다.The present invention is an alumino which can be used in various acid catalysis reactions because it has open pores and a wide specific surface area of a three-dimensional shape that increases in size in the direction of increasing the particle radius from the center of the particle, and at the same time has excellent acid properties. A silicate spherical nanoparticle and a method for producing the same are provided. The present invention also provides a method for directly producing acrylic acid from glycerol using the aluminosilicate spherical nanoparticles in excellent yield.

Description

3차원의 열린 기공 구조를 갖는 알루미노실리케이트 구형 나노 입자, 그 제조방법 및 상기 나노 입자를 이용하여 글리세롤로부터 아크릴산을 제조하는 방법 {Aluminosilicate Nano-spheres having 3-Dimensional Open Pores, Method for Preparing the Same and Method for Producing Acrylic Acid from Glycerol Using the Same}Aluminosilicate Nano-spheres having 3-Dimensional Open Pores, Method for Preparing the Same and Aluminosilicate Spherical Nanoparticles with Three-dimensional Open Pore Structure Method for Producing Acrylic Acid from Glycerol Using the Same}

본 발명은 3차원 형태의 열린 기공 구조를 갖는 알루미노실리케이트 구형 나노 입자, 그 제조방법 및 상기 나노 입자를 이용하여 글리세롤로부터 아크릴산을 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 입자의 중심으로부터 입자의 반지름이 증가하는 방향으로 크기가 커지는 3차원 형태의 열린 기공과 넓은 비표면적을 가지며, 동시에 우수한 산 특성을 보유하고 있기 때문에 다양한 산 촉매 반응에 사용될 수 있는 새로운 알루미노실리케이트 구형 나노 입자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 나노 입자를 이용하여 글리세롤로부터 아크릴산을 효과적으로 생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to aluminosilicate spherical nanoparticles having an open pore structure in a three-dimensional form, a method for preparing the same, and a method for producing acrylic acid from glycerol using the nanoparticles. More specifically, the present invention can be used for various acid catalysis because it has open pores and wide specific surface area of the three-dimensional shape which increases in size from the center of the particle to the direction of increasing the particle diameter, and at the same time has excellent acid properties. A novel aluminosilicate spherical nanoparticle which can be made and a method for producing the same. The present invention also relates to a method for effectively producing acrylic acid from glycerol using the nanoparticles.

화학 공정에서 고체 산(solid acids) 물질은 탈수(dehydration), 이성질화(isomerization), 분해(cracking), 에테르화(etherification), 에스테르화(esterification) 등과 같이 다양한 화학 반응의 촉매와 흡착제 등으로 널리 사용되고 있다. 그리고 최근 들어 석유, 석탄과 같은 화석 자원 대신 재생가능하고 청정한 바이오매스 자원을 활용하려는 노력이 증가하면서, 고체 산 물질의 중요성이 더욱 부각되었다. 이는 고체 산 물질이 가수분해(hydrolysis), 탈수(dehydration), 수소화분해(hydrogenolysis) 등과 같이 바이오매스의 높은 O/C 비율을 낮추어 고부가가치 연료와 화합물로 전환하는 반응들을 촉진할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 바이오디젤의 생산 과정에서 약 10% 이상의 최대 부산물로 얻어지는 글리세롤은 고체 산 촉매를 이용한 탈수 반응을 통해 고분자 등의 원료로 이용되는 아크롤레인으로 전환될 수 있다. 또한 전체 바이오매스 조성의 약 40%를 차지하는 셀룰로오스는 고체 산 촉매를 이용한 가수분해 반응을 통해 글루코오스와 같은 당류로 전환될 수 있다.Solid acids in chemical processes are widely used as catalysts and adsorbents of various chemical reactions such as dehydration, isomerization, cracking, etherification, esterification, etc. It is used. In recent years, efforts to use renewable and clean biomass resources instead of fossil resources such as petroleum and coal have increased, and the importance of solid acid materials has been highlighted. This is because solid acid materials can promote the conversion of high-value fuels and compounds by lowering the high O / C ratio of biomass such as hydrolysis, dehydration, and hydrogenolysis. For example, glycerol obtained as a maximum byproduct of about 10% or more in the production of biodiesel may be converted into acrolein, which is used as a raw material for polymers, through a dehydration reaction using a solid acid catalyst. In addition, cellulose, which accounts for about 40% of the total biomass composition, can be converted into sugars such as glucose through a hydrolysis reaction using a solid acid catalyst.

기존의 화학 공정에서 고체 산 촉매로 사용된 물질의 예로는 결정성 제올라이트, 비정질 알루미노실리케이트, 헤테로폴리산, 산 처리된 금속 산화물, 금속 포스페이트 등이 있다. 한편 산 촉매 반응을 비롯한 모든 촉매 작용은 촉매의 표면에서 이루어지기 때문에, 넓은 비표면적은 촉매의 성능을 결정하는 중요한 요소로 작용한다. 따라서 우수한 성능을 갖는 산 촉매를 제조하기 위하여 고체 산 물질의 내부에 비표면적을 넓힐 수 있는 기공을 형성하고, 이러한 기공을 이용하려는 연구가 많이 진행되었다. 특히 결정성 제올라이트는 자체적으로 분자와 유사한 크기의 미세 기공을 갖기 때문에, 기공 크기를 이용한 반응 선택도 조절 등에 많이 사용되었다. Examples of materials used as solid acid catalysts in conventional chemical processes include crystalline zeolites, amorphous aluminosilicates, heteropolyacids, acid treated metal oxides, metal phosphates, and the like. On the other hand, since all catalysis, including acid catalysis, takes place on the surface of the catalyst, a large specific surface area is an important factor in determining the performance of the catalyst. Therefore, in order to prepare an acid catalyst having excellent performance, a lot of researches have been made to form pores that can widen the specific surface area inside the solid acid material and use such pores. In particular, since crystalline zeolites have micropores of the same size as the molecules themselves, they are frequently used for controlling reaction selectivity using pore sizes.

구체적으로, 종래의 기공 형성 기술은 주로 계면활성제와 전구체 간의 자가 조립(self assembly) 현상을 이용하여 규칙적이고 정렬된 미세 기공(micropore, 2 nm 미만) 또는 중형 기공(mesopore, 2~50 nm)을 형성하는 방향으로 발전해왔다. 그런데 대부분의 바이오매스 자원은 석유 기반의 화합물과 달리 분자량이 큰 고분자 형태이고, 일반적인 용매에 대한 용해도가 낮기 때문에 Energy Environ. Sci., 2009, 2, 610 등의 문헌에서 지적한 바와 같이 물질 전달 저항에 의해 기공 내부로 전달되기 어렵다. 그리고 많은 문헌들(Green Chem. 2008, 10, 1033; Green Chem. 2010, 12, 2079; ChemSusChem, 2009, 2, 719; Chem. Soc. Rev., 2011, 40, 5588 등)에서 기존의 고체 산 촉매들이 바이오매스 자원을 전환하는데 필요한 산 특성을 보유하고 있음에도 불구하고, 실제 바이오매스 전환 반응에서 높은 성능을 보이지 못하는 것으로 보고하고 있다. 따라서 바이오매스 자원을 효과적으로 고부가가치 화합물과 연료로 전화하기 위해서는 우수한 산 특성과 함께 반응물이 쉽게 접근할 수 있는 새로운 형태의 기공 구조를 갖는 산 촉매 물질이 필요하다.Specifically, the conventional pore forming technique mainly utilizes self-assembly between the surfactant and the precursor to remove regular and ordered micropores (<2 nm) or mesopores (mesopore, 2-50 nm). It has developed in the direction of formation. However, unlike most petroleum-based compounds, most biomass resources are in the form of high molecular weight polymers and have low solubility in common solvents. As pointed out in Sci., 2009, 2, 610, etc., it is difficult to transfer into the pores by mass transfer resistance. And in many publications (Green Chem. 2008, 10, 1033; Green Chem. 2010, 12, 2079; Chem Sus Chem, 2009, 2, 719; Chem. Soc. Rev., 2011, 40, 5588, etc.). Although the catalysts have the acid properties needed to convert biomass resources, they do not report high performance in actual biomass conversion reactions. Therefore, in order to effectively convert biomass resources into high value-added compounds and fuels, an acid catalyst material having a novel form of pore structure with good acid properties and easily accessible to the reactants is required.

한편 가수분해, 탈수 반응 등과 같은 산 촉매 반응은 바이오매스 자원이 가지고 있는 산소 기능기의 함량을 낮추는데 효과적인 반응이지만, 경제성과 산업성이 우수한 최종 생성물을 만들기 위해서는 분리/정제를 비롯한 추가적인 공정과 반응이 더 필요하다. 예를 들어, 글리세롤의 탈수 반응을 통해 얻어지는 아크롤레인은 주로 아크릴산을 제조하는데 이용된다. 따라서 글리세롤로부터 얻어진 아크롤레인을 곧바로 아크릴산으로 전환할 수 있다면 분리/정제 공정을 생략할 수 있어 공정 효율과 경제성을 높일 수 있다. 또한 아크롤레인은 상온에서 반응성이 매우 낮고, 독성이 강하기 때문에 취급이 쉽지 않으므로, 중간물질인 아크롤레인을 분리/정제하지 않으면서 글리세롤을 직접 아크릴산으로 전환할 수 있는 공정의 개발이 필요하다. On the other hand, acid catalyzed reactions such as hydrolysis and dehydration reactions are effective in reducing the content of oxygen functional groups in biomass resources, but additional processes and reactions, including separation / purification, are required to produce a final product with excellent economic and industrial performance. I need more. For example, acrolein obtained through dehydration of glycerol is mainly used to produce acrylic acid. Therefore, if the acrolein obtained from glycerol can be directly converted to acrylic acid, the separation / purification process can be omitted, thereby improving process efficiency and economics. In addition, since acrolein is not easy to handle because of its low reactivity and strong toxicity at room temperature, it is necessary to develop a process that can directly convert glycerol to acrylic acid without separating / purifying intermediate acrolein.

이에 본 발명자들은 이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 3차원의 열린 기공 구조를 갖는 새로운 알루미노실리케이트 구형 나노 입자를 발명하였다. 본 발명에 따른 구형 나노 입자는 알루미노실리케이트의 산 특성을 보유하면서 동시에 입자의 중심으로부터 입자의 반지름이 증가하는 방향으로 크기가 커지는 형태의 기공을 갖는다. 따라서 기존의 미세 기공 또는 중형 기공성 산 촉매와 달리 기공의 입구가 매우 넓어 반응물이 기공 내부로 쉽게 이동할 수 있는 장점을 갖는다. 또한 상기 나노 입자를 구성하는 규소(Si)와 알루미늄(Al) 원자의 비율을 조절하여 산 특성을 제어할 수 있는 장점을 갖는다. 아울러 본 발명자들은 상기 나노 입자를 이용한 이중 촉매층 반응을 통해 글리세롤을 직접 아크릴산으로 전환할 수 있는 새로운 공정을 개발하였다.
In order to solve these problems, the inventors have invented new aluminosilicate spherical nanoparticles having an open pore structure in three dimensions. The spherical nanoparticles according to the present invention have pores in the form of retaining the acidic properties of aluminosilicates and at the same time increasing in size in the direction of increasing the radius of the particles from the center of the particles. Therefore, unlike the existing micropore or medium pore acid catalyst, the inlet of the pores is very wide has the advantage that the reactants can easily move into the pores. In addition, by controlling the ratio of silicon (Si) and aluminum (Al) atoms constituting the nanoparticles has the advantage that can control the acid properties. In addition, the present inventors have developed a new process that can directly convert glycerol to acrylic acid through a double catalyst layer reaction using the nanoparticles.

본 발명의 목적은 새로운 기공 구조와 산 특성을 동시에 갖는 알루미노실리케이트 구형 나노 입자를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide aluminosilicate spherical nanoparticles having new pore structure and acid properties simultaneously.

본 발명의 다른 목적은 반응물이 기공 내부로 이동할 때 받는 물질 전달 저항을 최소화할 수 있는 3차원의 열린 기공 구조와 넓은 비표면적을 갖는 알루미노실리케이트 구형 나노 입자를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide aluminosilicate spherical nanoparticles having a three-dimensional open pore structure and a large specific surface area that can minimize mass transfer resistance when reactants move into the pores.

본 발명의 또 다른 목적은 화석 연료에서 유래된 화합물과 바이오매스 자원의 산 촉매 반응에 효과적으로 이용될 수 있는 알루미노실리케이트 구형 나노 입자를 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide aluminosilicate spherical nanoparticles that can be effectively used for acid catalyzed reaction of compounds derived from fossil fuels and biomass resources.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 알루미노실리케이트 구형 나노 입자를 간편하고 효과적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method for easily and effectively preparing the aluminosilicate spherical nanoparticles.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 알루미노실리케이트 구형 나노 입자를 이용한 이중층 반응을 통해 글리세롤을 직접 아크릴산으로 전환할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것이다. Still another object of the present invention is to provide a method for directly converting glycerol to acrylic acid through a bilayer reaction using the aluminosilicate spherical nanoparticles.

본 발명의 상기 및 기타 목적들은 아래에 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.The above and other objects of the present invention can be achieved by the present invention described in detail below.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 구체예에 따른 알루미노실리케이트 구형 나노 입자는 입자의 중심으로부터 입자의 반지름이 증가하는 방향으로 크기가 커지는 형태의 열린 기공을 갖는다.In order to achieve the above object, the aluminosilicate spherical nanoparticles according to the embodiment of the present invention has open pores in the form of increasing in size in the direction of increasing the radius of the particle from the center of the particle.

상기 나노 입자는 1:1~300:1의 규소(Si):알루미늄(Al) 원자 비율(atomic ratio)을 가질 수 있다.The nanoparticles may have a silicon (Si): aluminum (Al) atomic ratio of 1: 1 to 300: 1.

상기 나노 입자는 50~3,000 nm의 평균 지름을 가질 수 있다.The nanoparticles may have an average diameter of 50 ~ 3,000 nm.

상기 나노 입자는 100 m2/g 이상의 비표면적, 보다 구체적으로 200~800 m2/g의 비표면적을 가질 수 있다.The nanoparticles may have a specific surface area of 100 m 2 / g or more, more specifically 200-800 m 2 / g.

본 발명의 다른 구체예에 따른 알루미노실리케이트 구형 나노 입자의 제조 방법은 실리카 전구체, 극성 용매, 비극성 용매, 이온성 계면활성제 및 염기성 화합물을 포함하는 용액을 압력 용기에서 제1 수열 처리하는 단계; 산성 수용액을 이용하여 상기 제1 수열 처리된 용액의 pH를 2~7로 조절하는 단계; 상기 pH 조절된 용액에 알루미늄 전구체를 투입하는 단계; 및 상기 알루미늄 전구체가 투입된 용액을 압력 용기에서 제2 수열 처리하는 단계를 포함하여 이루어진다.Method for producing aluminosilicate spherical nanoparticles according to another embodiment of the present invention comprises the steps of first hydrothermal treatment in a pressure vessel a solution comprising a silica precursor, a polar solvent, a nonpolar solvent, an ionic surfactant and a basic compound; Adjusting the pH of the first hydrothermally treated solution to 2 to 7 using an acidic aqueous solution; Injecting an aluminum precursor into the pH controlled solution; And a second hydrothermal treatment of the solution into which the aluminum precursor is added, in a pressure vessel.

상기 실리카 전구체와 알루미늄 전구체는 규소:알루미늄의 원자 비율이 1:1~300:1이 되도록 사용하는 것이 바람직하다.The silica precursor and the aluminum precursor are preferably used so that the atomic ratio of silicon: aluminum is 1: 1 to 300: 1.

상기 실리카 전구체는 테트라메틸 오소실리케이트(tetramethyl orthosilicate), 테트라에틸 오소실리케이트(tetraethyl orthosilicate), 테트라프로필 오소실리케이트(tetrapropyl orthosilicate) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.The silica precursor may be selected from the group consisting of tetramethyl orthosilicate, tetraethyl orthosilicate, tetrapropyl orthosilicate, and mixtures thereof.

상기 극성 용매는 물, 알코올 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.The polar solvent may be selected from the group consisting of water, alcohols and mixtures thereof.

상기 비극성 용매는 헥산(hexane), 사이클로헥산(cyclohexane), 메틸사이클로헥산(methylcyclohexane), 톨루엔(toluene), 헵탄(heptane), 옥탄(octane) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.The nonpolar solvent may be selected from the group consisting of hexane, cyclohexane, methylcyclohexane, toluene, heptane, octane, and mixtures thereof.

상기 알코올은 프로판올(propanol), 부탄올(butanol), 펜탄올(pentanol), 헥산올(hexanol) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.The alcohol may be selected from the group consisting of propanol, butanol, pentanol, hexanol and mixtures thereof.

상기 이온성 계면활성제는 세틸피리디늄 클로라이드(cetylpyridinium chloride), 세틸피리디늄 브로마이드(cetylpyridinium bromide), 세틸트리메틸암모늄 클로라이드(cetyltrimetylammonium chloride), 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(cetyltrimetylammonium bromide) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.The ionic surfactant is selected from the group consisting of cetylpyridinium chloride, cetylpyridinium bromide, cetyltrimetylammonium chloride, cetyltrimetylammonium bromide and mixtures thereof Can be.

상기 염기성 화합물은 암모니아 수용액, 우레아(urea) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.The basic compound may be selected from the group consisting of aqueous ammonia solution, urea, and mixtures thereof.

상기 산성 수용액은 염산 수용액, 질산 수용액, 황산 수용액, 인산 수용액 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.The acidic aqueous solution may be selected from the group consisting of aqueous hydrochloric acid, aqueous nitric acid, aqueous sulfuric acid, aqueous phosphoric acid and mixtures thereof.

상기 알루미늄 전구체는 염화 알루미늄(aluminum chloride), 브롬화 알루미늄(aluminum bromide), 황산 알루미늄(aluminum sulfate), 질산 알루미늄(aluminum nitrate), 초산 알루미늄(aluminum acetate) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.The aluminum precursor may be selected from the group consisting of aluminum chloride, aluminum bromide, aluminum sulfate, aluminum nitrate, aluminum acetate, and mixtures thereof. .

본 발명의 또 다른 구체예에 따른 글리세롤로부터 아크릴산을 제조하는 방법은 상기 알루미노실리케이트 구형 나노 입자와 몰리브덴(Mo) 및 바나듐(V)을 포함하는 혼합 산화물 촉매가 채워진 흐름식 기상 반응기에 기화된 글리세롤과 산소 기체를 통과시켜 반응하는 것을 포함하여 이루어진다.Method for producing acrylic acid from glycerol according to another embodiment of the present invention is a glycerol vaporized in a flow gas phase reactor filled with aluminosilicate spherical nanoparticles and a mixed oxide catalyst comprising molybdenum (Mo) and vanadium (V) And reacting with oxygen gas.

상기 나노 입자와 혼합 산화물 촉매는 서로 다른 층을 구성하도록 상기 반응기 내부에 채워지며, 상기 나노 입자로 이루어진 층이 상기 혼합 산화물 촉매로 이루어진 층보다 반응기의 입구 쪽에 가깝게 배치되는 것이 바람직하다.The nanoparticles and the mixed oxide catalyst are filled in the reactor to form different layers, and the layer of the nanoparticles is preferably disposed closer to the inlet side of the reactor than the layer of the mixed oxide catalyst.

상기 혼합 산화물 촉매는 1:1~10:1의 몰리브덴:바나듐 원자 비율을 갖는 것이 바람직하다.The mixed oxide catalyst preferably has a molybdenum: vanadium atom ratio of 1: 1 to 10: 1.

상기 반응은 250~400 oC의 온도 및 상압에서 수행하는 것이 바람직하다.The reaction is preferably carried out at a temperature of 250 ~ 400 ° C and atmospheric pressure.

본 발명의 구체예에 따른 알루미노실리케이트 구형 나노 입자는 입자의 중심으로부터 입자의 반지름이 증가하는 방향으로 크기가 커지는 3차원 형태의 열린 기공을 갖기 때문에 반응물이 기공 내부로 쉽게 전달될 수 있으며, 물질 전달 저항을 최소화할 수 있다. 또한 상기 나노 입자는 알루미노실리케이트의 산 특성을 보유하면서 동시에 넓은 비표면적을 갖기 때문에 화석 자원은 물론 바이오매스 자원의 산 촉매 반응에서 우수한 촉매 성능을 나타낼 수 있다. 또한 상기 나노 입자는 입자를 구성하는 규소와 알루미늄 원자의 비율을 조절하여 다양한 촉매 반응에 필요한 산 특성을 쉽게 제어할 수 있다.Since the aluminosilicate spherical nanoparticles according to the embodiment of the present invention have open pores of a three-dimensional shape that increases in size in the direction of increasing the radius of the particles from the center of the particles, the reactant can be easily transferred into the pores. The transfer resistance can be minimized. In addition, since the nanoparticles retain the acid properties of the aluminosilicate and have a large specific surface area, the nanoparticles may exhibit excellent catalytic performance in acid catalysis of fossil resources as well as biomass resources. In addition, the nanoparticles can easily control the acid properties required for various catalytic reactions by adjusting the ratio of silicon and aluminum atoms constituting the particles.

그리고 상기 알루미노실리케이트 구형 나노 입자를 이용한 이중 촉매층 반응은 바이오디젤의 최대 부산물인 글리세롤을 직접 고부가가치 화합물인 아크릴산으로 전환할 수 있다.In addition, the double catalyst layer reaction using the aluminosilicate spherical nanoparticles can directly convert glycerol, which is the largest byproduct of biodiesel, into acrylic acid, which is a high value compound.

아울러 본 발명의 다른 구체예에 따른 알루미노실리케이트 구형 나노 입자의 제조 방법은 간단한 pH 조절을 통해 3차원의 개방된 기공 구조와 넓은 비표면적 및 우수한 산 특성을 갖는 새로운 알루미노실리케이트 나노 입자를 제조할 수 있어 간편하며, 매우 효과적이다.In addition, the manufacturing method of the aluminosilicate spherical nanoparticles according to another embodiment of the present invention is to prepare a new aluminosilicate nanoparticles having a three-dimensional open pore structure, a wide specific surface area and excellent acid properties through simple pH adjustment. It's simple and very effective.

도 1은 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 구형 나노 입자를 나타낸 개략도이다.
도 2는 실시예 1~5에서 제조한 알루미노실리케이트 구형 나노 입자 및 비교예 1의 상용 알루미노실리케이트 촉매의 전계방출 주사 전자 현미경(FE-SEM) 사진이다.
도 3은 실시예 1~5에서 제조한 알루미노실리케이트 구형 나노 입자 및 비교예 1의 상용 알루미노실리케이트 촉매의 투과 전자 현미경(TEM) 사진이다.
도 4 (a) 및 (b)는 각각 실시예 1~5에서 제조한 알루미노실리케이트 구형 나노 입자와 비교예 1~2의 상용 알루미노실리케이트 촉매의 질소 흡탈착 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1~5에서 제조한 알루미노실리케이트 구형 나노 입자 및 비교예 1의 상용 알루미노실리케이트 촉매의 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 1~5에서 제조한 알루미노실리케이트 구형 나노 입자 및 비교예 1의 상용 알루미노실리케이트 촉매의 암모니아 TPD 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 7 (a) 및 (b)는 각각 실시예 6~10과 비교예 3~4의 반응 실험에서 3시간 후에 나타나는 글리세롤 전환율과 아크릴산 선택도를 비교한 그래프이다.
1 is a schematic view showing aluminosilicate spherical nanoparticles according to the present invention.
2 is a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of the aluminosilicate spherical nanoparticles prepared in Examples 1 to 5 and the commercial aluminosilicate catalyst of Comparative Example 1. FIG.
3 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the aluminosilicate spherical nanoparticles prepared in Examples 1 to 5 and the commercial aluminosilicate catalyst of Comparative Example 1. FIG.
4 (a) and (b) are graphs showing the results of nitrogen adsorption and desorption analysis of the aluminosilicate spherical nanoparticles prepared in Examples 1 to 5 and the commercial aluminosilicate catalysts of Comparative Examples 1 and 2, respectively.
5 is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the aluminosilicate spherical nanoparticles prepared in Examples 1 to 5 and the commercial aluminosilicate catalyst of Comparative Example 1.
6 is a graph showing the ammonia TPD pattern of the aluminosilicate spherical nanoparticles prepared in Examples 1 to 5 and the commercial aluminosilicate catalyst of Comparative Example 1.
7 (a) and (b) are graphs comparing glycerol conversion and acrylic acid selectivity, which appear after 3 hours in the reaction experiments of Examples 6 to 10 and Comparative Examples 3 to 4, respectively.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 구체예 및 실시예에 따른 3차원의 개방된 기공 구조를 갖는 알루미노실리케이트 구형 나노 입자, 그 제조 방법 및 이를 이용하여 글리세롤로부터 아크릴산을 제조하는 방법을 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 하기의 구체예 및 실시예에 의해 제한되는 것은 아니며 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있는 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the aluminosilicate spherical nanoparticles having a three-dimensional open pore structure according to embodiments and embodiments of the present invention, a method for producing the same and a method for producing acrylic acid from glycerol using the same Explain. However, the present invention is not limited to the following embodiments and examples, and those skilled in the art may realize the present invention in various other forms without departing from the spirit of the present invention. It should be understood that there may be variations and examples.

아울러 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
In addition, the terms or words used in the specification and claims should not be construed as being limited to the common or dictionary meanings, and the inventors should appropriately define the concept of terms in order to explain their invention in the best way. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that it can.

알루미노실리케이트Aluminosilicate 구형 나노 입자 Spherical nanoparticles

본 발명에 따른 알루미노실리케이트 구형 나노 입자는 입자의 중심으로부터 입자 반지름이 증가하는 방향으로 크기가 커지는 형태의 열린 기공을 갖는다. 구체적으로, 도 1에 표시한 개략도를 참조하면, 상기 구형 나노 입자는 입자의 중심에서부터 입자 표면 방향으로 기공의 내경이 증가하면서 넓은 입구가 형성되는 3차원의 열린 기공 구조를 갖는다. 따라서 본 발명에 따른 나노 입자는 기존의 미세 및 중형 기공성 물질들과 달리 바이오매스와 같이 큰 분자들이 입자의 기공 내부로 쉽게 전달될 수 있으며, 물질 전달 저항을 최소화할 수 있다.The aluminosilicate spherical nanoparticles according to the present invention have open pores in the form of increasing in size in the direction of increasing the particle radius from the center of the particles. Specifically, referring to the schematic diagram shown in FIG. 1, the spherical nanoparticles have a three-dimensional open pore structure in which a wide inlet is formed while the pore size increases from the center of the particle toward the particle surface. Therefore, the nanoparticles according to the present invention, unlike conventional micro and medium pore materials, large molecules such as biomass can be easily transferred into the pores of the particles, it is possible to minimize the mass transfer resistance.

한편 SBA-15과 같은 일반적인 기공성 물질은 약 2~10 nm의 지름과 수 ㎛의 길이를 갖는 원기둥 형태의 기공들이 6각형 모양(hexagonal array)으로 배열된 규칙적인 기공 구조를 갖는다. 그러나 본 발명에 따른 나노 입자는 도 1 및 2에 표시된 것처럼 불규칙하게 굴곡된 원뿔 형태의 기공을 가지며, 기공의 총 길이가 나노미터 단위이기 때문에, 기공 내부에 노출된 표면적이 넓고, 기공 내부에서의 전달 길이가 짧다는 장점을 갖는다. 한편 상기 나노 입자의 기공 입구는 불규칙한 모양을 갖기 때문에 지름을 정확하게 측정하는 것이 쉽지 않지만, 대략적으로 그 길이가 약 10~100 nm에 이르며, 반드시 이에 제한되지 않고 더 큰 형태의 기공 입구를 가질 수 있다.Meanwhile, general porous materials such as SBA-15 have a regular pore structure in which cylindrical pores having a diameter of about 2 to 10 nm and a length of several μm are arranged in a hexagonal array. However, since the nanoparticles according to the present invention have pores in the shape of irregular cones as shown in FIGS. 1 and 2, and the total length of the pores is in nanometers, the surface area exposed inside the pores is wide, and It has the advantage of short delivery length. On the other hand, since the pore inlet of the nanoparticles has an irregular shape, it is not easy to accurately measure the diameter, but the length thereof is approximately 10 to 100 nm, and is not limited thereto and may have a larger pore inlet. .

알루미노실리케이트는 결정성 제올라이트와 유사하게 규소(Si), 알루미늄(Al) 및 산소(O) 원자의 결합으로 이루어지며, 규소와 알루미늄을 연결하는 가교 산소(bridge oxygen) 자리가 주요 산점으로 작용한다. 구체적으로 가교 산소에 수소 이온이 결합되어 있으면, 외부에 쉽게 수소 이온을 공급하여 브뢴스테드 산(Bronsted acid)로 작용할 수 있다. 한편 가교 산소 자리에 다른 양이온이 결합되어 있지 않으면 산소 원자가 외부로부터 전자를 끌어당겨 루이스 산(Lewis acid)로 작용할 수 있다. 따라서 알루미노실리케이트의 산 특성은 주로 규소와 알루미늄의 원자 비율(atomic ratio)에 따라 결정되며, 규소에 대한 알루미늄의 비율이 증가할수록 산 특성이 높아진다고 알려져 있다.Aluminosilicate is composed of a combination of silicon (Si), aluminum (Al), and oxygen (O) atoms, similar to crystalline zeolites, and the bridge oxygen sites linking silicon with aluminum serve as the main scattering point. . Specifically, when hydrogen ions are bonded to the cross-linked oxygen, hydrogen ions can be easily supplied to the outside to act as Bronsted acid. On the other hand, if no other cation is bonded to the cross-linked oxygen site, the oxygen atom may attract electrons from the outside to act as Lewis acid. Therefore, the acid property of the aluminosilicate is mainly determined by the atomic ratio of silicon and aluminum, and it is known that the acid property increases as the ratio of aluminum to silicon increases.

본 발명에 따른 나노 입자는 1:1~300:1의 규소:알루미늄 원자 비율을 가질 수 있으며, 바람직하게는 3:1~100:1의 규소:알루미늄 원자 비율을 가질 수 있다. 규소:알루미늄의 원자 비율이 1:1 미만이거나 300:1을 초과하면, 규소와 규소 또는 알루미늄과 알루미늄 형태로 동일 원소끼리 결합할 가능성이 증가하여, 규소와 알루미늄을 연결하는 가교 산소의 산점이 충분하게 만들어지기 어렵다.The nanoparticles according to the present invention may have a silicon: aluminum atom ratio of 1: 1 to 300: 1, and preferably have a silicon: aluminum atom ratio of 3: 1 to 100: 1. If the atomic ratio of silicon to aluminum is less than 1: 1 or greater than 300: 1, the possibility of bonding the same elements in the form of silicon and silicon or aluminum and aluminum increases, so that the acidic point of the crosslinked oxygen connecting silicon and aluminum is sufficient. Hard to make.

아울러 본 발명에 따른 나노 입자는 제조에 사용되는 실리카와 알루미늄 전구체의 비율을 변화시켜 규소:알루미늄의 원자 비율을 조절할 수 있기 때문에, 반응 종류에 따라 필요한 산 특성(산 세기와 산 량 등)을 쉽게 제어할 수 있다.In addition, since the nanoparticles according to the present invention can control the atomic ratio of silicon: aluminum by changing the ratio of silica and aluminum precursor used in the manufacture, it is easy to adjust the required acid properties (acid strength and amount) according to the reaction type. Can be controlled.

상기 나노 입자는 특별히 제한되는 것은 아니지만 50~3,000 nm의 평균 지름을 갖는 것이 바람직하다. 나노 입자의 평균 지름이 50 nm 미만이면 기공의 크기가 작아지기 때문에 열린 기공의 장점을 활용하기 어려우며, 3,000 nm를 초과하면 기공의 길이가 증가하여 기공 내부에서 물질 전달 저항이 커질 염려가 있다.The nanoparticles are not particularly limited but preferably have an average diameter of 50 to 3,000 nm. If the average diameter of the nanoparticles is less than 50 nm, it is difficult to take advantage of the advantages of open pores because the size of the pores is smaller, and if the average diameter of more than 3,000 nm, the length of the pores increases, there is a fear that the mass transfer resistance inside the pores increases.

상기 나노 입자는 넓은 비표면적을 갖는다. 촉매 작용은 입자의 표면에서 이루어지기 때문에 비표면적이 넓을수록 촉매 반응에 유리하다. 따라서 비표면적의 상한값은 특별히 제한되지 않는다. 본 발명의 구체예에서, 상기 나노 입자는 100 m2/g 이상, 구체적으로는 150~1,500 m2/g, 보다 구체적으로는 200~800 m2/g의 비표면적을 갖는다.
The nanoparticles have a large specific surface area. Since the catalysis takes place on the surface of the particles, the larger the specific surface area, the more favorable the catalytic reaction. Therefore, the upper limit of the specific surface area is not particularly limited. In an embodiment of the invention, the nanoparticles have a specific surface area of 100 m 2 / g or more, specifically 150-1,500 m 2 / g, more specifically 200-800 m 2 / g.

알루미노실리케이트Aluminosilicate 구형 나노 입자의 제조 방법 Method for producing spherical nanoparticles

본 발명에 따른 알루미노실리케이트 구형 나노 입자의 제조 방법은 실리카 전구체, 극성 용매, 비극성 용매, 이온성 계면활성제 및 염기성 화합물을 포함하는 용액을 압력 용기에서 제1 수열 처리하는 단계, 산성 수용액을 이용하여 상기 제1 수열 처리된 용액의 pH를 2~7로 조절하는 단계, 상기 pH 조절된 용액에 알루미늄 전구체를 투입하는 단계 및 상기 알루미늄 전구체가 투입된 용액을 압력 용기에서 제2 수열 처리하는 단계를 포함하여 이루어진다. Method for producing aluminosilicate spherical nanoparticles according to the present invention comprises the steps of first hydrothermal treatment in a pressure vessel of a solution containing a silica precursor, a polar solvent, a nonpolar solvent, an ionic surfactant and a basic compound, using an acidic aqueous solution Adjusting the pH of the first hydrothermally treated solution to 2 to 7, adding an aluminum precursor to the pH-adjusted solution, and performing a second hydrothermal treatment of the aluminum precursor-treated solution in a pressure vessel; Is done.

구체적으로, 먼저 실리카 전구체, 극성 용매, 비극성 용매, 이온성 계면활성제 및 염기성 화합물을 혼합하여 용액을 만든다. 그리고 이렇게 혼합된 용액을 압력 용기에 담아 제1 수열 처리한다. 이 때, 각 성분을 혼합하는 순서는 특별히 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 구체예에서는 극성 용매, 이온성 계면활성제 및 염기성 화합물을 혼합한 제1 혼합액과 실리카 전구체 및 비극성 용매를 혼합한 제2 혼합액을 각각 제조한 후, 상기 제1 및 제2 혼합액을 다시 혼합하는 것이 바람직하다.Specifically, a solution is first prepared by mixing a silica precursor, a polar solvent, a nonpolar solvent, an ionic surfactant and a basic compound. The mixed solution is placed in a pressure vessel and subjected to a first hydrothermal treatment. At this time, the order of mixing the respective components is not particularly limited. In an embodiment of the present invention, after preparing a first mixture of a polar solvent, an ionic surfactant and a basic compound, and a second mixture of a silica precursor and a nonpolar solvent, respectively, the first and second mixtures are mixed again. It is desirable to.

종래의 기공성 물질은 주로 1가지 용매에 계면활성제를 임계 농도(critical micelle concentration) 이상으로 녹여 미셀을 형성하고, 이렇게 형성된 미셀 주위에서 금속 전구체가 결합되도록 유도한다. 이후 열처리 등으로 금속 전구체의 결합을 단단하게 만들면서 미셀을 제거하면, 미셀이 있던 자리가 비게 되면서 기공이 만들어지는 원리를 이용한다.Conventional porous materials mainly dissolve surfactants in critical solvents above a critical micelle concentration to form micelles, which induce metal bonds around these micelles. Then, when the micelles are removed while hardening the metal precursor by heat treatment, the micelles are empty and the pores are made.

그러나 본 발명에 따른 제조 방법은 나노 입자 내부에 3차원의 열린 기공 구조를 형성하기 위해서 서로 섞이지 않는 극성 용매와 비극성 용매의 에멀젼(emulsion)을 사용하여 입자의 중심으로부터 바깥쪽 방향으로 금속 전구체가 결합되면서 자라도록 유도한다. 구체적으로, 서로 섞이지 않는 극성 용매와 비극성 용매의 혼합물에 이온성 계면활성제를 첨가하면 두 용액의 계면이 계면활성제의 미셀에 의해 안정되며, 매우 작은 크기의 에멀젼이 형성된다. 상기 에멀젼은 극성 용매와 비극성 용매의 상대적인 양에 따라 극성 용매 내에 비극성 용매 입자가 분산된 형태이거나 비극성 용매 내에 극성 용매 입자가 분산된 형태를 가질 수 있다. 본 발명의 구체예에서는 이온성 계면활성제의 친수성 머리 부분에 의해 안정된 극성 용매 입자가 비극성 용매 안에 분산된 형태인 것이 바람직하다.However, the manufacturing method according to the present invention uses an emulsion of a polar solvent and a non-polar solvent that do not mix with each other to form a three-dimensional open pore structure inside the nanoparticles to bond the metal precursors outward from the center of the particles. Induce them to grow. Specifically, the addition of an ionic surfactant to a mixture of polar and nonpolar solvents that do not mix with each other stabilizes the interface of the two solutions by the micelle of the surfactant, forming an emulsion of very small size. The emulsion may have a form in which the non-polar solvent particles are dispersed in the polar solvent or the polar solvent particles are dispersed in the non-polar solvent according to the relative amounts of the polar solvent and the non-polar solvent. In the embodiment of the present invention, it is preferable that the polar solvent particles stabilized by the hydrophilic head of the ionic surfactant are dispersed in the nonpolar solvent.

이와 같이, 에멀젼 미셀이 형성된 혼합액을 압력 용기 내에서 제1 수열 처리하면, 실리카 전구체가 염기성 화합물의 촉매 작용을 받아 가수 분해 및 축합 반응하면서 미셀의 중심으로부터 바깥쪽으로 실리카 결합을 형성하며 자라게 된다. 이때 계면활성제가 막고 있는 부분에서는 실리카 결합이 자라지 못하며, 미셀이 열린 부분을 통해서만 실리카 결합이 성장하게 된다. 따라서 계면활성제에 의해 실리카 결합이 만들어지지 못한 부분은 입자 내부에 기공 자리를 형성하게 된다. 아울러 실리카가 결합이 입자의 중심으로부터 바깥쪽을 향해 방사상으로 자라기 때문에, 기공 또한 입자의 중심으로부터 입자의 반지름이 증가하는 방향으로 크기가 증가하는 형태로 만들어지게 된다.As described above, when the mixed solution in which the emulsion micelle is formed is first hydrothermally treated in a pressure vessel, the silica precursor grows by forming a silica bond outward from the center of the micelle while being hydrolyzed and condensed under the catalytic action of the basic compound. In this case, the silica bond does not grow in the portion blocked by the surfactant, and the silica bond grows only through the portion in which the micelle is opened. Therefore, the portion where the silica bond cannot be made by the surfactant forms pore sites in the particles. In addition, since the silica grows radially outward from the center of the particle, the pores are also made in the form of increasing in size in the direction of increasing the radius of the particle from the center of the particle.

상기 제1 수열 처리는 오토클레이브(autoclave)와 같이 밀폐된 압력 용기를 이용하여, 자체적으로 발생하는 압력을 조절하지 않으면서 수행할 수 있다. 상기 제1 수열 처리의 온도는 실리카 전구체의 가수 분해 및 축합 반응이 이루어질 수 있는 범위라면 특별히 제한되지 않는다. 본 발명의 구체예에서는 50~250도 , 바람직하게는 80~200도, 보다 바람직하게는 100~150도의 범위에서 상기 제1 수열 처리를 진행한다.The first hydrothermal treatment may be performed using a closed pressure vessel such as an autoclave, without adjusting the pressure generated by itself. The temperature of the first hydrothermal treatment is not particularly limited as long as it can be a hydrolysis and condensation reaction of the silica precursor. In the specific example of this invention, the said 1st hydrothermal process is advanced in 50-250 degree | times, Preferably it is 80-200 degree | times, More preferably, it is 100-150 degree | times.

상기 실리카 전구체로는 알콕시 실란(alkoxy silane) 화합물을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 실리카 전구체의 구체적인 예로는 테트라메틸 오소실리케이트(tetramethyl orthosilicate; TMOS), 테트라에틸 오소실리케이트(tetraethyl orthosilicate; TEOS), 테트라프로필 오소실리케이트(tetrapropyl orthosilicate; TPOS) 및 이들의 혼합물을 들 수 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실리카 전구체의 사용량은 최종 나노 입자에 포함되는 규소 : 알루미늄의 원자 비율과 사용되는 용매의 양 등을 고려하여 조절할 수 있기 때문에, 특별히 제한되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 적절하게 선택할 수 있다.It is preferable to use an alkoxy silane compound as the silica precursor. Specific examples of the silica precursor may include tetramethyl orthosilicate (TMOS), tetraethyl orthosilicate (TEOS), tetrapropyl orthosilicate (TPOS), and mixtures thereof. It is not limited. Since the amount of the silica precursor used may be adjusted in consideration of the atomic ratio of silicon: aluminum included in the final nanoparticles and the amount of the solvent used, the silica precursor is not particularly limited and has a general knowledge in the art to which the present invention pertains. You can choose your own.

상기 극성 용매로는 물, 알코올 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 알코올의 구체적인 예로는 프로판올(propanol), 부탄올(butanol), 펜탄올(pentanol), 헥산올(hexanol) 및 이들의 혼합물이 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 비극성 용매는 상기 극성 용매와 작용하여 에멀젼을 형성할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 어느 것이나 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 비극성 용매로는 헥산(hexane), 사이클로헥산(cyclohexane), 메틸사이클로헥산(methylcyclohexane), 톨루엔(toluene), 헵탄(heptane), 옥탄(octane) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 극성 용매와 비극성 용매의 사용량은 에멀젼을 구성하기에 충분한 정도라면 특별히 제한되지 않으며, 본 발명의 구체예에서는 극성 용매와 비극성 용매를 0.5:1~5:1, 바람직하게는 0.6:1~3:1의 부피 비율로 사용할 수 있다.As the polar solvent, water, alcohol or a mixture thereof may be used. Specific examples of the alcohol include propanol, butanol, pentanol, hexanol, and mixtures thereof, but are not necessarily limited thereto. The nonpolar solvent is not particularly limited as long as it can form an emulsion by working with the polar solvent, and any one can be used. For example, hexane, cyclohexane, methylcyclohexane, toluene, heptane, octane, or a mixture thereof may be used as the nonpolar solvent. The amount of the polar solvent and the nonpolar solvent is not particularly limited as long as it is sufficient to constitute the emulsion, and in the embodiment of the present invention, the polar solvent and the nonpolar solvent are 0.5: 1-5: 1, preferably 0.6: 1-3. Can be used in a volume ratio of 1: 1.

상기 이온성 계면활성제는 전술한 것과 같이 극성 용매와 비극성 용매 사이의 계면을 안정화시켜 에멀젼을 형성하고, 실리카 결합의 성장을 공간적으로 방해하여 기공 자기를 만드는 역할을 한다. 한편 계면활성제는 극성 머리 부분의 유효 면적(effective area)과 비극성 꼬리 부분의 길이 및 부피에 따라 다양한 구조의 미셀을 형성하게 되는데, 3차원 형태의 열린 기공 구조를 만들기 위해서는 계면활성제의 이러한 요소들을 고려하여 선택하는 것이 바람직하다. 상기 계면활성제의 구체적인 예로는 세틸피리디늄 클로라이드(cetylpyridinium chloride), 세틸피리디늄 브로마이드(cetylpyridinium bromide), 세틸트리메틸암모늄 클로라이드(cetyltrimetylammonium chloride), 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(cetyltrimetylammonium bromide) 및 이들의 혼합물을 들 수 있다. 상기 계면활성제는 미셀을 형성하기 충분한 양으로 사용하는 것이 바람직하며, 본 발명의 구체예에서는 실리카 전구체 1몰에 대해 약 0.1~1 몰의 비율로 사용한다.As described above, the ionic surfactant stabilizes the interface between the polar solvent and the nonpolar solvent to form an emulsion, and serves to create pore pores by spatially inhibiting the growth of silica bonds. On the other hand, the surfactant forms micelles of various structures depending on the effective area of the polar head and the length and volume of the non-polar tail. In order to create a three-dimensional open pore structure, these elements of the surfactant are considered. It is preferable to select. Specific examples of the surfactant include cetylpyridinium chloride, cetylpyridinium bromide, cetyltrimetylammonium chloride, cetyltrimethylammonium bromide, and mixtures thereof. . The surfactant is preferably used in an amount sufficient to form micelles, and in embodiments of the present invention, it is used in a ratio of about 0.1 to 1 mole with respect to 1 mole of silica precursor.

상기 염기성 화합물은 실리카 전구체의 가수 분해와 축합 반응을 촉진하는 촉매로 작용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 어느 것이나 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 염기성 화합물로는 암모니아 수용액, 우레아(urea) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 염기성 화합물은 실리카 전구체 1몰 당 0.1~2 몰의 비율로 사용하는 것이 바람직하며, 0.3~1.5 몰의 비율이 보다 바람직하고, 0.5~1 몰의 비율이 보다 더 바람직하다. 상기 염기성 화합물을 실리카 1 몰당 0.1몰 미만으로 사용하면 실리카 결합을 형성하기 어렵고, 2 몰을 초과하여 사용하면 입자들의 크기가 불균일해질 우려가 있다.The basic compound is not particularly limited as long as it can act as a catalyst for promoting hydrolysis and condensation reaction of the silica precursor, and any one can be used. For example, an aqueous ammonia solution, urea, or a mixture thereof may be used as the basic compound. It is preferable to use the said basic compound in the ratio of 0.1-2 mol per mol of silica precursors, The ratio of 0.3-1.5 mol is more preferable, The ratio of 0.5-1 mol is further more preferable. If the basic compound is used in less than 0.1 mole per 1 mole of silica, it is difficult to form silica bonds, and when used in excess of 2 moles, the size of the particles may be uneven.

이와 같이, 제1 수열 처리를 마친 용액은 산성 수용액을 이용하여 용액의 pH를 2~7로 조절한다. 이어서 상기 pH 조절된 용액에 알루미늄 전구체를 투입한다. 상기 제1 수열 처리한 용액은 염기성 화합물의 영향으로 pH 8 이상의 염기성을 띄게 된다. 그런데 알루미늄 전구체는 이러한 염기성 조건에서 불용성 알루미늄 수산화물(Al2OH3)의 형태로 쉽게 침전되는 성질이 있다. 그리고 알루미늄 전구체가 침전되면 실리카와 알루미늄의 결합이 형성되기 어렵기 때문에, 알루미늄 전구체를 투입하기 전에 용액의 pH를 중성 이하로 낮추는 것이 필요하다. 반면에 상기 용액의 pH를 2 미만의 강산 조건으로 낮추면, 약하게 결합이 만들어진 실리카가 다시 용해되거나 후속하는 제2 수열 처리 과정에서 실리카와 알루미늄의 결합 반응 속도가 지나치게 빨라져 균일한 알루미노실리케이트가 형성되기 어려울 수 있다.Thus, the solution which completed the 1st hydrothermal treatment adjusts the pH of a solution to 2-7 using an acidic aqueous solution. Subsequently, an aluminum precursor is added to the pH adjusted solution. The first hydrothermally treated solution has a basicity of pH 8 or higher under the influence of a basic compound. However, the aluminum precursor has a property of easily precipitated in the form of insoluble aluminum hydroxide (Al 2 OH 3 ) under such basic conditions. Since precipitation of the aluminum precursor is difficult to form a bond between silica and aluminum, it is necessary to lower the pH of the solution to below neutral before adding the aluminum precursor. On the other hand, when the pH of the solution is lowered to a strong acid condition of less than 2, the weakly bonded silica is dissolved again or the rate of bonding of the silica and aluminum is excessively increased in the subsequent second hydrothermal treatment to form a uniform aluminosilicate. It can be difficult.

상기 산성 수용액의 종류와 농도는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 산성 수용액으로는 염산 수용액, 질산 수용액, 황산 수용액, 인산 수용액 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.The kind and concentration of the acidic aqueous solution are not particularly limited. For example, an aqueous hydrochloric acid solution, an aqueous nitric acid solution, an aqueous sulfuric acid solution, an aqueous phosphoric acid solution, or a mixture thereof may be used as the acidic aqueous solution.

상기 알루미늄 전구체의 구체적인 예로는 염화 알루미늄(aluminum chloride), 브롬화 알루미늄(aluminum bromide), 황산 알루미늄(aluminum sulfate), 질산 알루미늄(aluminum nitrate), 초산 알루미늄(aluminum acetate) 및 이들의 혼합물을 들 수 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 알루미늄 전구체는 규소:알루미늄의 원자 비율이 1:1~300:1이 되도록 사용하는 것이 바람직하다.Specific examples of the aluminum precursors include aluminum chloride, aluminum bromide, aluminum sulfate, aluminum nitrate, aluminum acetate, and mixtures thereof. It is not necessarily limited thereto. The aluminum precursor is preferably used so that the atomic ratio of silicon: aluminum is 1: 1 to 300: 1.

상기 알루미늄 전구체가 투입된 용액은 다시 압력 용기에서 제2 수열 처리한다. 상기 제1 수열 처리 과정에서 만들어진 실리카 결합은 열처리 과정을 거치지 않았기 때문에 구조적으로 불안정하며, 결합 사이에 다른 이온이 쉽게 침투할 수 있다. 따라서 pH 조절 후 첨가된 알루미늄 이온은 제2 수열 처리 과정에서 실리카 결합체의 표면과 내부에 침투(incorporation)하여 결합을 형성하게 되며, 이를 통해 가교 산소로 연결된 알루미노실리케이트 결합이 만들어질 수 있다.The solution in which the aluminum precursor is added is subjected to a second hydrothermal treatment in a pressure vessel again. Silica bonds made during the first hydrothermal treatment are structurally unstable because they have not undergone heat treatment, and other ions can easily penetrate between the bonds. Therefore, the aluminum ions added after the pH adjustment are formed by incorporation into the surface and the inside of the silica binder during the second hydrothermal treatment process, thereby forming aluminosilicate bonds linked with crosslinked oxygen.

상기 제2 수열 처리는 상기 제1 수열 처리와 동일한 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 또한 상기 제1 수열 처리과정에서 실리카 결합이 너무 강하게 형성되면 제2 수열 처리 과정에서 알루미노실리케이트 결합이 형성되기 어렵기 때문에, 상기 제1 수열 처리 시간은 제2 수열 처리 시간보다 짧은 것이 바람직하다. 본 발명의 구체예에서 상기 제1 수열 처리는 2~4시간 동안 실시하는 것이 바람직하며, 제2 수열 처리는 3~6 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.The second hydrothermal treatment is preferably performed at the same temperature as the first hydrothermal treatment. In addition, when the silica bond is formed too strong in the first hydrothermal treatment process, since the aluminosilicate bond is difficult to form in the second hydrothermal treatment process, the first hydrothermal treatment time is preferably shorter than the second hydrothermal treatment time. In an embodiment of the present invention, the first hydrothermal treatment is preferably performed for 2 to 4 hours, and the second hydrothermal treatment is preferably performed for 3 to 6 hours.

이와 같이, 제2 수열 처리를 마치면 알루미노실리케이트 구형 나노 입자가 만들어지며, 원심분리 또는 여과 등의 방법을 이용하여 제조된 나노 입자를 용액으로부터 회수할 수 있다. 상기 나노 입자를 회수하는 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있다. 그리고 회수된 나노 입자는 각 성분 간의 결합을 더욱 단단하게 하고, 계면활성제와 불순물 등을 제거하기 위하여 건조 및 열처리(소성) 과정을 더 거칠 수 있다. 본 발명의 구체예에서 상기 건조 과정은 상온~60도의 범위에서 실시하는 것이 바람직하다. 또한 상기 열처리는 300~1,000도 범위에서 수행할 수 있다.
As such, when the second hydrothermal treatment is completed, the aluminosilicate spherical nanoparticles are made, and the nanoparticles prepared by a method such as centrifugation or filtration can be recovered from the solution. The invention for recovering the nanoparticles can be easily carried out by those of ordinary skill in the art. In addition, the recovered nanoparticles may be further subjected to drying and heat treatment (firing) to harden the bonds between the components and to remove surfactants and impurities. In the embodiment of the present invention, the drying process is preferably carried out in a range of room temperature to 60 degrees. In addition, the heat treatment may be performed in the range of 300 ~ 1,000 degrees.

글리세롤로부터 아크릴산을 제조하는 방법How to prepare acrylic acid from glycerol

상술한 방법으로 제조한 본 발명의 알루미늄실리케이트 구형 나노 입자는 3차원의 열린 기공 구조를 갖는다. 또한 규소와 알루미늄을 연결하며 산점으로 작용하는 가교 산소 자리를 풍부하게 포함하기 때문에 산 촉매 반응에서 우수한 촉매 성능을 나타낼 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 나노 입자는 글리세롤의 탈수 반응을 촉진하여 아크롤레인을 효과적으로 생성할 수 있다. 또한 상기 나노 입자와 함께 산화 작용을 할 수 있는 촉매를 같이 사용하면 글리세롤을 직접 아크릴산으로 전환할 수 있다.The aluminum silicate spherical nanoparticles of the present invention prepared by the method described above have a three-dimensional open pore structure. In addition, since it contains abundantly crosslinked oxygen sites that connect silicon and aluminum and serve as acid sites, it can exhibit excellent catalytic performance in acid catalysis. Specifically, the nanoparticles according to the present invention may promote the dehydration reaction of glycerol to effectively produce acrolein. In addition, using a catalyst capable of oxidizing with the nanoparticles can be directly converted to glycerol acrylic acid.

본 발명의 구체예에서 글리세롤로부터 아크릴산을 제조하는 방법은 상기 알루미노실리케이트 구형 나노 입자와 몰리브덴(Mo) 및 바나듐(V)을 포함하는 혼합 산화물 촉매가 채워진 흐름식 기상 반응기에 기화된 글리세롤과 산소 기체를 통과시켜 반응하는 것을 포함하여 이루어진다.In an embodiment of the present invention, a method for preparing acrylic acid from glycerol includes glycerol and oxygen gas vaporized in a flow gas phase reactor filled with aluminosilicate spherical nanoparticles and a mixed oxide catalyst including molybdenum (Mo) and vanadium (V). It comprises the reaction by passing through.

구체적으로, 본 발명에 따른 나노 입자와 상기 혼합 산화물 촉매가 채워진 흐름식 기상 반응기에 기화된 글리세롤과 산소 기체를 통과시키면, 상기 나노 입자가 글리세롤의 탈수 반응을 촉진하여 아크롤레인을 만들 수 있다. 그리고 이렇게 만들어진 아크롤레인은 상기 혼합 산화물 촉매와 산소 기체에 의해 부분적으로 산화되어 아크릴산으로 전환될 수 있다.Specifically, when the glycerol and oxygen gas vaporized in the flow gas phase reactor filled with the nanoparticles and the mixed oxide catalyst according to the present invention, the nanoparticles can promote the dehydration reaction of glycerol to make acrolein. The acrolein thus produced may be partially oxidized by the mixed oxide catalyst and oxygen gas and converted into acrylic acid.

이때, 부산물의 생성을 억제하면서 아크릴산의 수율을 높이기 위해서는, 글리세롤이 아크롤레인으로 전환되는 반응과 아크롤레인이 아크릴산으로 전환되는 반응이 순차적으로 이루어지는 것이 바람직하다. 본 발명의 한 구체예에서는 이와 같이 반응 순서를 조절하기 위하여 이중 촉매층을 이용할 수 있다. 구체적으로, 상기 나노 입자와 혼합 산화물 촉매가 서로 다른 층을 구성하도록 반응기 내부에 채우고, 상기 나노 입자로 이루어진 층을 상기 혼합 산화물 촉매의 층보다 반응기 입구 쪽에 가깝게 배치한다. 이와 같이 이중 촉매층을 이용하면 글리세롤 반응물이 먼저 상기 나노 입자와 반응하여 아크롤레인으로 전환되며, 생성된 아크롤레인이 뒤쪽에 위치한 혼합 산화물 촉매층과 만나 순차적으로 아크릴산을 만들 수 있다.At this time, in order to increase the yield of acrylic acid while suppressing the production of by-products, it is preferable that a reaction in which glycerol is converted to acrolein and a reaction in which acrolein is converted to acrylic acid are performed sequentially. In one embodiment of the present invention, a dual catalyst layer may be used to control the reaction sequence as described above. Specifically, the nanoparticles and the mixed oxide catalyst are filled inside the reactor to form different layers, and the layer made of the nanoparticles is disposed closer to the reactor inlet side than the layer of the mixed oxide catalyst. As such, when the double catalyst layer is used, the glycerol reactant is first reacted with the nanoparticles to be converted into acrolein, and the resulting acrolein may meet the mixed oxide catalyst layer located at the rear to sequentially produce acrylic acid.

상기 혼합 산화물 촉매는 몰리브덴과 바나듐을 포함하며, 구체적으로 몰리브덴과 바나듐을 1:1~10:1의 원자 비율로 포함하는 것이 바람직하다. 상기 몰리브덴:바나듐의 원자 비율이 1:1 미만이면 아크릴산의 선택도가 낮아질 수 있고, 10:1을 초과하면 아크롤레인의 전환율이 저하될 염려가 있다. 또한 상기 혼합 산화물 촉매는 선택적으로 텅스텐(W), 철(Fe), 비스무스(Bi), 구리(Cu), 망간(Mn), 안티몬(Sb), 크롬(Cr), 스트론튬(Sr) 또는 이들의 2이상의 혼합물을 더 포함할 수 있다.The mixed oxide catalyst includes molybdenum and vanadium, and specifically, molybdenum and vanadium are preferably contained in an atomic ratio of 1: 1 to 10: 1. When the atomic ratio of molybdenum: vanadium is less than 1: 1, the selectivity of acrylic acid may be lowered, and when it exceeds 10: 1, the conversion of acrolein may be lowered. In addition, the mixed oxide catalyst is optionally tungsten (W), iron (Fe), bismuth (Bi), copper (Cu), manganese (Mn), antimony (Sb), chromium (Cr), strontium (Sr) or their It may further comprise a mixture of two or more.

상기 혼합 산화물 촉매는 수열 합성법을 이용하여 수용액 상에서 전술한 성분들을 결합하거나 실리카, 알루미나, 타이타니아 등의 담체에 상기 성분들을 담지하여 제조할 수 있다. 상기 수열합성법 또는 담지법 등을 이용하여 혼합 산화물 촉매를 제조하는 방법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있다.The mixed oxide catalyst may be prepared by combining the above components in an aqueous solution using hydrothermal synthesis or by supporting the above components on a carrier such as silica, alumina, titania, or the like. The method for producing the mixed oxide catalyst using the hydrothermal synthesis method or the supporting method can be easily carried out by those skilled in the art.

본 발명의 구체예에서 글리세롤을 아크릴산으로 전환하는 반응은 250~400도의 온도 및 상압에서 진행하는 것이 바람직하다. 반응 온도가 250도 미만이면 기상 반응 조건을 유지하기 어렵고 반응 활성이 낮으며, 400도를 초과하면 부반응이 많아져 아크릴산의 수율이 감소할 우려가 있다.In the embodiment of the present invention, the reaction for converting glycerol to acrylic acid is preferably performed at a temperature of 250 to 400 degrees and atmospheric pressure. If the reaction temperature is less than 250 degrees, it is difficult to maintain the gas phase reaction conditions, the reaction activity is low, and if it exceeds 400 degrees, there is a possibility that the side reactions increase and the yield of acrylic acid decreases.

이하에서, 본 발명의 실시예와 비교예를 통해 더욱 상세하게 설명한다.
Hereinafter, it will be described in more detail through Examples and Comparative Examples of the present invention.

알루미노실리케이트Aluminosilicate 구형 나노 입자의 제조 Preparation of Spherical Nanoparticles

실시예Example 1 One

우레아 약 0.6 g(0.01 몰) 및 세틸피리디늄 브로마이드(cetylpydinium bromide) 약 1 g(0.0026 몰)을 증류수 30 mL에 녹여 제1 용액을 제조하였다. 그리고 테트라에틸 오소실리케이트(tetraethyl orthosilicate; TEOS) 약 2.5 g(0.012 몰)과 1-펜탄올 1.5 mL를 사이클로헥산 30 mL에 녹여 제2 용액을 제조하였다. 이어서 제조된 제1 용액과 제2 용액을 혼합하여 약 30분 동안 교반하였다. 교반한 용액을 오토클레이브에 넣은 후 약 120도에서 약 2시간 30분 동안 1차 수열 처리하였다. 1차 수열 처리된 용액의 pH는 약 9.5 였다. 2 M 염산 수용액을 이용하여 용액의 pH를 약 5로 조절하였다. 이후 Si:Al의 원자 비율이 50:1이 되도록 황산알루미늄 18수화물(aluminum sulfate octadecahydrate) 약 0.1632 g을 증류수 약 2 mL에 녹인 용액을 상기 pH 조절된 용액에 투입하였다. 이어서 상기 황산알루미늄을 투입한 용액을 다시 오토클레이브에 넣고 약 120도에서 약 4시간 동안 2차 수열 처리하였다. 제조된 나노 입자는 원심 분리와 세척 과정을 거쳐 회수하였고, 상온에서 건조한 후, 약 550도에서 약 6시간 동안 소성(열처리)하였다. 완성된 알루미노실리케이트 구형 나노 입자는 DAS (Si/Al=50)로 표시하였다.
About 0.6 g (0.01 mole) of urea and about 1 g (0.0026 mole) of cetylpydinium bromide were dissolved in 30 mL of distilled water to prepare a first solution. Then, about 2.5 g (0.012 mol) of tetraethyl orthosilicate (TEOS) and 1.5 mL of 1-pentanol were dissolved in 30 mL of cyclohexane to prepare a second solution. Then, the prepared first solution and the second solution were mixed and stirred for about 30 minutes. The stirred solution was placed in an autoclave and subjected to primary hydrothermal treatment at about 120 degrees for about 2 hours and 30 minutes. The pH of the first hydrothermally treated solution was about 9.5. The pH of the solution was adjusted to about 5 using 2 M aqueous hydrochloric acid. Then, a solution in which about 0.1632 g of aluminum sulfate octadecahydrate was dissolved in about 2 mL of distilled water was added to the pH-controlled solution so that the atomic ratio of Si: Al was 50: 1. Subsequently, the solution into which the aluminum sulfate was added was put back into the autoclave and subjected to secondary hydrothermal treatment at about 120 ° for about 4 hours. The prepared nanoparticles were recovered by centrifugation and washing, dried at room temperature, and calcined (heat treated) at about 550 ° C. for about 6 hours. The finished aluminosilicate spherical nanoparticles were denoted by DAS (Si / Al = 50).

실시예Example 2 2

Si:Al의 원자 비율이 40:1이 되도록 황산알루미늄 18수화물 약 0.2040 g을 증류수 약 2 mL에 녹인 용액을 pH 조절된 용액에 투입한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다. 완성된 알루미노실리케이트 구형 나노 입자는 DAS (Si/Al=40)로 표시하였다.
A solution of about 0.2040 g of aluminum sulfate 18 hydrate in about 2 mL of distilled water was prepared in the same manner as in Example 1 except that an atomic ratio of Si: Al was dissolved in about 2 mL of distilled water. The finished aluminosilicate spherical nanoparticles were denoted by DAS (Si / Al = 40).

실시예Example 3 3

Si:Al의 원자 비율이 25:1이 되도록 황산 알루미늄 18수화물 약 0.3264 g을 증류수 약 2 mL에 녹인 용액을 pH 조절된 용액에 투입한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다. 완성된 알루미노실리케이트 구형 나노 입자는 DAS (Si/Al=25)로 표시하였다.
A solution of about 0.3264 g of aluminum sulfate 18 hydrate in about 2 mL of distilled water was prepared in the same manner as in Example 1 except that an atomic ratio of Si: Al was dissolved in about 2 mL of distilled water. The finished aluminosilicate spherical nanoparticles were denoted by DAS (Si / Al = 25).

실시예Example 4 4

Si:Al의 원자 비율이 15:1이 되도록 황산 알루미늄 18수화물 약 0.5440 g을 증류수 약 2 mL에 녹인 용액을 pH 조절된 용액에 투입한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다. 완성된 알루미노실리케이트 구형 나노 입자는 DAS (Si/Al=15)로 표시하였다.
A solution of about 0.5440 g of aluminum sulfate 18 hydrate in about 2 mL of distilled water was prepared in the same manner as in Example 1 except that an atomic ratio of Si: Al was dissolved in about 2 mL of distilled water. The finished aluminosilicate spherical nanoparticles were denoted by DAS (Si / Al = 15).

실시예Example 5 5

Si:Al의 원자 비율이 8:1이 되도록 황산 알루미늄 18수화물 약 0.8160 g을 증류수 약 2 mL에 녹인 용액을 pH 조절된 용액에 투입한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다. 완성된 알루미노실리케이트 구형 나노 입자는 DAS (Si/Al=8)로 표시하였다.
A solution in which about 0.8160 g of aluminum sulfate 18 hydrate was dissolved in about 2 mL of distilled water so that the atomic ratio of Si: Al was 8: 1 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the solution was added to a pH-controlled solution. The finished aluminosilicate spherical nanoparticles were denoted by DAS (Si / Al = 8).

비교예Comparative Example 1 One

상용 중형기공성 알루미노실리케이트 촉매인 MCM-41(Catalog No. 643653-5)을 알드리치(aldrich)사에서 구매하여 사용하였다. 비교예 1의 상용 알루미노실리케이트는 MCM-41으로 표시하였다.
A commercially available mesoporous aluminosilicate catalyst, MCM-41 (Catalog No. 643653-5), was purchased from Aldrich. Commercial aluminosilicates of Comparative Example 1 are designated MCM-41.

비교예Comparative Example 2 2

상용 벌크 알루미노실리케이트 촉매(Catalog No. 34335-8)를 알드리치사에서 구매하여 사용하였다. 비교예 2의 상용 알루미노실리케이트는 bulk AS로 표시하였다.
A commercial bulk aluminosilicate catalyst (Catalog No. 34335-8) was purchased from Aldrich and used. Commercial aluminosilicates of Comparative Example 2 are designated as bulk AS.

실험예Experimental Example

1. One. 전계방출Field emission 주사 전자 현미경 및 에너지 분산 X선 분광( Scanning electron microscope and energy dispersive x-ray spectroscopy FEFE -- SEMSEM &  & EDSEDS ) ) 분석analysis

실시예 1~5에서 제조한 알루미노실리케이트 구형 나노 입자와 비교예 1의 MCM-41 촉매의 표면 형태와 표면에 노출된 Si:Al 원자 비율을 파악하기 위하여 전계방출 주사 전자 현미경(FE-SEM) 및 에너지 분산 X선 분광(EDS) 분석을 수행하였다. 도 2를 참조하면, 실시예 1~5에서 제조한 나노 입자는 모두 3차원의 개방된 기공 구조를 갖는다는 것을 확인할 수 있다. 또한 실시예 1~5에서 제조한 나노 입자의 평균 지름은 약 500~600 nm로 매우 균일하며, 기공 입구의 장축 길이가 약 20~70 nm로 매우 크다는 것을 확인할 수 있다. 반면에 상용 알루미노실리케이트 촉매인 MCM-41을 사용한 비교예 1의 경우, 입자의 형태와 크기가 불규칙하며 기공 입구가 매우 작아 SEM으로 관찰하기 어렵다는 것을 알 수 있다.Field emission scanning electron microscope (FE-SEM) to determine the surface morphology and Si: Al atomic ratio exposed on the surface of the aluminosilicate spherical nanoparticles prepared in Examples 1 to 5 and the MCM-41 catalyst of Comparative Example 1 And energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis. Referring to Figure 2, it can be seen that the nanoparticles prepared in Examples 1 to 5 all have a three-dimensional open pore structure. In addition, the average diameter of the nanoparticles prepared in Examples 1 to 5 is about 500 to 600 nm, very uniform, and the major axis length of the pore inlet is about 20 to 70 nm. On the other hand, in Comparative Example 1 using a commercial aluminosilicate catalyst MCM-41, it can be seen that the shape and size of the particles are irregular and the pore inlet is very small and difficult to observe by SEM.

하기 표 1은 실시예 1~5의 제조에 사용한 전구체의 Si:Al 원자 비율과 EDS를 이용하여 측정한 나노 입자의 Si:Al 원자 비율을 비교한 결과이다. 표 1을 참조하면, 나노 입자 제조에 사용된 전구체의 Si:Al 비율이 증가할수록 제조된 나노 입자의 Si:Al 원자 비율 역시 동일하게 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 제조 방법은 사용되는 전구체의 양을 조절함으로써, 간편하게 나노 입자의 Si:Al 원자 비율을 제어할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 한편, EDS로 분석한 Si:Al 원자 비율이 전구체의 Si:Al 원자 비율보다 낮게 측정되는 것은 알루미늄 전구체가 나노 입자 표면에서 실리카와 좀 더 많이 결합하고 있다는 것을 의미한다.Table 1 below shows the results of comparing the Si: Al atomic ratio of the precursors used in the preparation of Examples 1 to 5 with the Si: Al atomic ratio of the nanoparticles measured using EDS. Referring to Table 1, it can be seen that as the Si: Al ratio of the precursor used to prepare the nanoparticles increases, the Si: Al atomic ratio of the prepared nanoparticles also increases. Therefore, it can be seen that the manufacturing method according to the present invention can control the Si: Al atomic ratio of the nanoparticles simply by controlling the amount of the precursor used. On the other hand, the Si: Al atomic ratio measured by EDS lower than the Si: Al atomic ratio of the precursor means that the aluminum precursor is more bonded to the silica on the nanoparticle surface.


전구체의 Si:Al 원자 비율

Si: Al atomic ratio of precursor

EDS로 측정한 Si:Al 원자 비율

Si: Al atomic ratio measured by EDS

실시예 1

Example 1

50

50

38.0

38.0

실시예 2

Example 2

40

40

33.2

33.2

실시예 3

Example 3

25

25

18.9

18.9

실시예 4

Example 4

15

15

13.9

13.9

실시예 5

Example 5

8

8

6.4

6.4

2. 투과 전자 현미경 (2. Transmission electron microscope ( TEMTEM ) 분석) analysis

도 3은 실시예 1~5에서 제조한 알루미노실리케이트 구형 나노 입자 및 비교예 1의 MCM-41 촉매의 투과 전자 현미경(TEM) 사진이다. 도 3을 참조하면, 실시예 1~5에서 제조한 나노 입자는 모두 입자의 중심으로부터 입자의 반지름이 증가하는 표면 방향으로 갈수록 크기가 커지는 형태의 기공을 가지고 있다는 것을 확인할 수 있다. TEM 사진에서 입자의 중심이 짙게 나타난 것은 입자 중심 부근에는 많은 기공 내벽이 있으며, 기공의 크기가 중심으로 갈수록 감소하기 때문에 전자의 투과율이 감소하여 나타나는 현상이다. 한편 상용 MCM-41 촉매를 사용한 비교예 1의 경우, 약 2~3 nm 정도의 작은 기공이 6각형 형태로 규칙적으로 배열되어 있으며, 기공의 길이가 매우 길다는 것을 확인 수 있다. 따라서 비교예 1의 촉매는 본 발명에 따른 나노 입자보다 반응물이 기공에 들어가기 어렵고 기공 내부에서 강한 물질 전달 저항을 받는다는 것을 쉽게 알 수 있다.
3 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the aluminosilicate spherical nanoparticles prepared in Examples 1 to 5 and the MCM-41 catalyst of Comparative Example 1. FIG. Referring to FIG. 3, it can be seen that all of the nanoparticles prepared in Examples 1 to 5 have pores of a size that increases in size from the center of the particle toward the surface direction in which the radius of the particle increases. In the TEM image, the deep center of the particles is a phenomenon in which there are many inner walls of the pores near the center of the particles, and the electron transmittance decreases because the pore size decreases toward the center. On the other hand, in Comparative Example 1 using a commercial MCM-41 catalyst, small pores of about 2 to 3 nm are regularly arranged in a hexagonal shape, and it can be seen that the length of the pores is very long. Therefore, the catalyst of Comparative Example 1 can be easily seen that the reactants are less likely to enter the pores and have a stronger mass transfer resistance inside the pores than the nanoparticles according to the present invention.

3. 3. 비표면적Specific surface area 및 기공 부피 분석 And pore volume analysis

실시예 1~5에서 제조한 알루미노실리케이트 구형 나노 입자 및 비교예 1~2의 상용 알루미노실리케이트 촉매들에 대하여 질소 흡탈착 실험을 실시하여 비표면적과 기공 부피를 측정하였다. 표 2는 실시예 1~5 및 비교예 1~2의 비표면적과 기공 부피를 정리한 결과이며, 질소 흡탈착 곡선의 결과를 도 4에 나타내었다.Nitrogen adsorption and desorption experiments were performed on the aluminosilicate spherical nanoparticles prepared in Examples 1 to 5 and commercial aluminosilicate catalysts of Comparative Examples 1 to 2 to measure specific surface area and pore volume. Table 2 shows the results of arranging the specific surface area and the pore volume of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 2, and shows the results of the nitrogen adsorption and desorption curves in FIG. 4.

비표면적(m2/g)
Specific surface area (m 2 / g)
총 기공 부피(cm3/g)
Total pore volume (cm 3 / g)

실시예 1 (DAS (Si/Al=50))

Example 1 (DAS (Si / Al = 50))

479.5

479.5

1.0

1.0

실시예 2 (DAS (Si/Al=40))

Example 2 (DAS (Si / Al = 40))

494.0

494.0

1.1

1.1

실시예 3 (DAS (Si/Al=25))

Example 3 (DAS (Si / Al = 25))

429.0

429.0

1.1

1.1

실시예 4 (DAS (Si/Al=15))

Example 4 (DAS (Si / Al = 15))

457.7

457.7

1.1

1.1

실시예 5 (DAS (Si/Al=8))

Example 5 (DAS (Si / Al = 8))

481.5

481.5

1.3

1.3

비교예 1 (MCM-41)

Comparative Example 1 (MCM-41)

1087.5

1087.5

1.0

1.0

비교예 2 (Bulk AS)

Comparative Example 2 (Bulk AS)

421.2

421.2

0.6

0.6

표 2 및 도 4(a)를 참조하면, 실시예 1~5에서 제조한 알루미노실리케이트 구형 나노 입자는 약 420~500 m2/g의 넓은 비표면적과 약 1.0~1.3 cm3/g의 기공 부피를 갖는다는 것을 알 수 있다. 한편 비교예 1의 MCM-41은 비표면적과 기공 부피는 크지만 도 4(b)에 표시된 것처럼, 낮은 상대 압력 범위에서 이력현상(hysteresis)을 나타내어 기공의 크기가 작다는 것을 알 수 있다. 그리고 이러한 결과는 상기 TEM 분석 결과와 잘 일치한다. 또한 비교예 2의 Bulk AS 촉매는 실시예 1~5의 나노 입자보다 표면적과 기공 부피가 모두 작은 것으로 나타났다.
Referring to Table 2 and Figure 4 (a), the aluminosilicate spherical nanoparticles prepared in Examples 1 to 5 have a large specific surface area of about 420 to 500 m 2 / g and pores of about 1.0 to 1.3 cm 3 / g It can be seen that it has a volume. On the other hand, MCM-41 of Comparative Example 1 has a large specific surface area and pore volume, but shows hysteresis in a low relative pressure range as shown in FIG. 4 (b), indicating that the pore size is small. And this result is in good agreement with the TEM analysis result. In addition, the bulk AS catalyst of Comparative Example 2 was found to have a smaller surface area and pore volume than the nanoparticles of Examples 1 to 5.

4. X선 4. X-ray 회절diffraction (( XRDXRD ) 분석) analysis

도 5는 실시예 1~5에서 제조한 알루미노실리케이트 구형 나노 입자 및 비교예 1의 MCM-41 촉매에 대한 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면 실시예 1~5의 나노 입자는 비교예 1의 MCM-41 촉매와 비슷하게 무정형의 결합 구조를 갖는다는 것을 알 수 있다.
5 is a graph showing X-ray diffraction patterns of the aluminosilicate spherical nanoparticles prepared in Examples 1 to 5 and the MCM-41 catalyst of Comparative Example 1. FIG. Referring to Figure 5 it can be seen that the nanoparticles of Examples 1 to 5 have an amorphous bonding structure similar to the MCM-41 catalyst of Comparative Example 1.

5. 암모니아 5. Ammonia 승온Heating 탈착( Desorption( TPDTPD ) 실험) Experiment

실시예 1~5에서 제조한 알루미노실리케이트 구형 나노 입자와 비교예 1의 상용 MCM-41 촉매의 산 특성을 분석하기 위하여 암모니아 승온 탈착 (NH3 temperature programmed desorption) 실험을 수행하였고, 그 결과를 도 6에 표시하였다.In order to analyze the acid characteristics of the aluminosilicate spherical nanoparticles prepared in Examples 1 to 5 and the commercial MCM-41 catalyst of Comparative Example 1, an ammonia 3 temperature programmed desorption experiment was performed. 6 is shown.

일반적으로 암모니아 TPR 그래프의 면적은 촉매가 갖고 있는 산점의 양과 비례하며, 피크 온도는 산점의 세기와 관련된다. 도 6을 참조하면, 실시예 1~5의 나노 입자는 비교예 1의 상용 MCM-41 촉매보다 비표면적이 작은데도 불구하고, 더 많은 산점을 보유하고 있다는 것을 알 수 있다. 또한 실시예 1~5의 나노 입자와 비교예 1의 상용 MCM-41은 약 250도 근처의 비슷한 온도 범위에서 TPR 피크를 나타내어 산점의 세기가 비슷하다는 것을 확인할 수 있다.
In general, the area of the ammonia TPR graph is proportional to the amount of acid point possessed by the catalyst, and the peak temperature is related to the intensity of the acid point. Referring to FIG. 6, it can be seen that the nanoparticles of Examples 1 to 5 have more acid points, although the specific surface area is smaller than that of the commercial MCM-41 catalyst of Comparative Example 1. In addition, the nanoparticles of Examples 1 to 5 and the commercial MCM-41 of Comparative Example 1 showed a TPR peak in a similar temperature range of about 250 degrees, confirming that the intensity of the acid spots was similar.

글리세롤로부터 아크릴산의 제조Preparation of Acrylic Acid from Glycerol

실시예Example 6 6

실시예 1에서 제조한 알루미노실리케이트 구형 나노 입자(DAS (Si/Al=50))와 MoVOx/SiO2 촉매를 이용하여 글리세롤로부터 아크릴산을 제조하였다. 구체적으로, 먼저 석영 반응기에 MoVOx/SiO2 촉매 약 0.2 g을 채우고 이어서 실시예 1의 DAS (Si/Al=50) 촉매 약 0.2 g을 상기 MoVOx/SiO2 촉매 층 위에 채워 이중 촉매층을 형성하였다. 상기 MoVOx/SiO2 촉매는 몰리부덴과 바나듐의 원자 비율이 4:1이 되도록 암모늄 몰리브데이트(ammonium molybdate)와 암모늄 바나데이트(ammonium vanadate)를 증류수에 용해한 액을 초기 함침법을 사용하여 상용 실리카(degusa 제품) 담체에 담지한 후 약 300도에서 약 4 시간 동안 소성하여 제조하였다. 이때, 상기 MoVOx/SiO2 촉매는 MoO3와 V2O4를 합친 질량이 전체 촉매 중량의 약 30 중량%가 되도록 제조하였다.Acrylic acid was prepared from glycerol by using the aluminosilicate spherical nanoparticles prepared in Example 1 (DAS (Si / Al = 50)) and a MoVO x / SiO 2 catalyst. Specifically, first, about 0.2 g of MoVO x / SiO 2 catalyst was charged into a quartz reactor, and then about 0.2 g of DAS (Si / Al = 50) catalyst of Example 1 was charged on the MoVO x / SiO 2 catalyst layer to form a double catalyst layer. It was. The MoVO x / SiO 2 catalyst is commercially prepared by dissolving ammonium molybdate and ammonium vanadate in distilled water so that the atomic ratio of molybdenum and vanadium is 4: 1 using an initial impregnation method. It was prepared by sintering at about 300 degrees for about 4 hours after being supported on a silica (degusa product) carrier. At this time, the MoVO x / SiO 2 catalyst was prepared such that the combined mass of MoO 3 and V 2 O 4 is about 30% by weight of the total catalyst weight.

이어서 약 10 중량%의 글리세롤 수용액을 약 270도에서 기화시킨 후 산소 및 질소 기체와 함께 약 300도로 유지되는 상기 석영 반응기의 상부에서 하부 쪽으로 공급하여 상기 이중 촉매층을 통과하면서 반응하게 하였다. 구체적인 반응 조건은 다음 표 3과 같다. 냉각수가 흐르는 응축기를 이용하여 반응기 하부에서 얻어진 생성물을 액화시킨 후, 이를 수거하여 가스 크로마토그래피(GC)로 분석하였다. 글리세롤의 전환율 및 아크릴산의 선택도는 하기 수학식 1과 2를 이용하여 계산하였다.An aqueous solution of about 10% by weight of glycerol was then vaporized at about 270 degrees and then fed from the top to the bottom of the quartz reactor maintained at about 300 degrees with oxygen and nitrogen gas to react through the double catalyst bed. Specific reaction conditions are shown in Table 3 below. The product obtained at the bottom of the reactor was liquefied using a condenser running with cooling water, which was then collected and analyzed by gas chromatography (GC). Conversion of glycerol and selectivity of acrylic acid were calculated using the following equations (1) and (2).

반응 온도Reaction temperature 300 ℃300 ° C 10 중량% 글리세롤 수용액의 공급 속도Feed rate of 10 wt% aqueous solution of glycerol 2.1 mL/min2.1 mL / min 질소 기체의 공급 속도Nitrogen Gas Feed Rate 15 mL/min15 mL / min 산소 기체의 공급 속도Oxygen gas feed rate 1.9 mL/min1.9 mL / min

[수학식 1][Equation 1]

글리세롤 전환율(%)= (생성된 글리세롤 몰수/ 공급한 글리세롤 몰수)×100
Glycerol Conversion Rate (%) = (Moles of Glycerol Produced / Moles of Glycerol Supplied) × 100

[수학식 2]&Quot; (2) &quot;

아크릴산 선택도(%)= (생성된 아크릴산 몰수/ 공급한 글리세롤 몰수)×100
Acrylic acid selectivity (%) = (moles of acrylic acid produced / moles of glycerol supplied) x 100

실시예Example 7~10 7 to 10

실시예 2~5에서 제조한 알루미노실리케이트 구형 나노 입자를 이용한 것을 제외하고 실시예 6과 동일한 방법으로 수행하였다.
The same procedure as in Example 6 was carried out except that the aluminosilicate spherical nanoparticles prepared in Examples 2 to 5 were used.

실시예Example 3~4 3 to 4

비교예 1~2의 상용 알루미노실리케이트 촉매를 이용한 것을 제외하고 실시예 6과 동일한 방법으로 수행하였다.
The same process as in Example 6 was conducted except that the commercial aluminosilicate catalysts of Comparative Examples 1 and 2 were used.

도 7 (a) 및 (b)는 각각 실시예 6~10과 비교예 3~4의 반응 실험에서 3시간 후에 나타나는 글리세롤 전환율과 아크릴산 선택도를 비교한 그래프이다. 도 7을 참조하면, 실험한 모든 촉매들이 약 100 % 글리세롤 전환율을 나타내었지만 아크릴산 선택도에 있어서는 많은 차이를 보였다. 구체적으로, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 구형 나노 입자들은 모두 비교예 4의 상용 bulk AS 촉매보다 높은 선택도로 아크릴산을 생산할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 또한 실시예 6의 DAS (Si/Al=8) 입자 및 실시예 9의 DAS (Si/Al=40) 입자는 비표면적이 매우 넓은 비교예 3의 상용 MCM-41 촉매보다 아크릴산 생산에 효과적이라는 것을 알 수 있다.7 (a) and (b) are graphs comparing glycerol conversion and acrylic acid selectivity, which appear after 3 hours in the reaction experiments of Examples 6 to 10 and Comparative Examples 3 to 4, respectively. Referring to FIG. 7, all the catalysts tested showed about 100% glycerol conversion, but there were many differences in acrylic acid selectivity. Specifically, it can be seen that all of the aluminosilicate spherical nanoparticles according to the present invention can produce acrylic acid with higher selectivity than the commercial bulk AS catalyst of Comparative Example 4. In addition, the DAS (Si / Al = 8) particles of Example 6 and the DAS (Si / Al = 40) particles of Example 9 were more effective in producing acrylic acid than the commercial MCM-41 catalyst of Comparative Example 3 having a very large specific surface area. Able to know.

Claims (15)

입자의 중심으로부터 입자의 반지름이 증가하는 방향으로 크기가 커지는 형태의 열린 기공을 갖는 알루미노실리케이트 구형 나노 입자.An aluminosilicate spherical nanoparticle having open pores whose size increases from the center of the particle in the direction of increasing the radius of the particle. 제1항에 있어서, 상기 나노 입자는 1:1~300:1의 규소:알루미늄 원자 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 나노 입자.The nanoparticle of claim 1, wherein the nanoparticles have a silicon: aluminum ratio of 1: 1 to 300: 1. 제1항에 있어서, 상기 나노 입자는 50~3,000 nm의 평균 지름을 갖는 것을 특징으로 하는 나노 입자.According to claim 1, wherein the nanoparticles are nanoparticles, characterized in that having an average diameter of 50 ~ 3,000 nm. 제1항에 있어서, 상기 나노 입자는 100 m2/g 이상의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 나노 입자.The nanoparticle of claim 1, wherein the nanoparticles have a specific surface area of 100 m 2 / g or more. 제4항에 있어서, 상기 비표면적은 200~800 m2/g인 것을 특징으로 하는 나노 입자.The nanoparticles of claim 4, wherein the specific surface area is 200 to 800 m 2 / g. 실리카 전구체, 극성 용매, 비극성 용매, 이온성 계면활성제 및 염기성 화합물을 포함하는 용액을 압력 용기에서 제1 수열 처리하는 단계;
산성 수용액을 이용하여 상기 제1 수열 처리된 용액의 pH를 2~7로 조절하는 단계;
상기 pH 조절된 용액에 알루미늄 전구체를 투입하는 단계; 및
상기 알루미늄 전구체가 투입된 용액을 압력 용기에서 제2 수열 처리하는 단계를 포함하는 알루미노실리케이트 구형 나노 입자의 제조 방법.
First hydrothermally treating in a pressure vessel a solution comprising a silica precursor, a polar solvent, a nonpolar solvent, an ionic surfactant and a basic compound;
Adjusting the pH of the first hydrothermally treated solution to 2 to 7 using an acidic aqueous solution;
Injecting an aluminum precursor into the pH controlled solution; And
Method for producing aluminosilicate spherical nanoparticles comprising the step of hydrothermally treating the solution in which the aluminum precursor is injected in a pressure vessel.
제6항에 있어서, 상기 실리카 전구체와 알루미늄 전구체는 규소:알루미늄의 원자 비율이 1:1~300:1이 되도록 사용되는 것을 특징으로 하는 나노 입자의 제조 방법.The method of claim 6, wherein the silica precursor and the aluminum precursor are used such that an atomic ratio of silicon: aluminum is 1: 1 to 300: 1. 제6항에 있어서, 상기 실리카 전구체는 테트라메틸 오소실리케이트(tetramethyl orthosilicate), 테트라에틸 오소실리케이트(tetraethyl orthosilicate), 테트라프로필 오소실리케이트(tetrapropyl orthosilicate) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 극성 용매는 물, 알코올 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 비극성 용매는 헥산(hexane), 사이클로헥산(cyclohexane), 메틸사이클로헥산(methylcyclohexane), 톨루엔(toluene), 헵탄(heptane), 옥탄(octane) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나노 입자의 제조 방법.The method of claim 6, wherein the silica precursor is selected from the group consisting of tetramethyl orthosilicate, tetraethyl orthosilicate, tetrapropyl orthosilicate and mixtures thereof, and the polar solvent Is selected from the group consisting of water, alcohols and mixtures thereof, and the nonpolar solvent is hexane, cyclohexane, methylcyclohexane, toluene, heptane, octane ) And mixtures thereof. 제8항에 있어서, 상기 알코올은 프로판올(propanol), 부탄올(butanol), 펜탄올(pentanol), 헥산올(hexanol) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나노 입자의 제조 방법.The method of claim 8, wherein the alcohol is selected from the group consisting of propanol, butanol, butanol, pentanol, hexanol and mixtures thereof. 제6항에 있어서, 상기 이온성 계면활성제는 세틸피리디늄 클로라이드(cetylpyridinium chloride), 세틸피리디늄 브로마이드(cetylpyridinium bromide), 세틸트리메틸암모늄 클로라이드(cetyltrimetylammonium chloride), 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(cetyltrimetylammonium bromide) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나노 입자의 제조 방법.The method of claim 6, wherein the ionic surfactant is cetylpyridinium chloride (cetylpyridinium chloride), cetylpyridinium bromide (cetylpyridinium bromide), cetyltrimetylammonium chloride (cetyltrimetylammonium bromide) and their Process for producing nanoparticles, characterized in that selected from the group consisting of a mixture. 제6항에 있어서, 상기 염기성 화합물은 암모니아 수용액, 우레아(urea) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 산성 수용액은 염산 수용액, 질산 수용액, 황산 수용액, 인산 수용액 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 알루미늄 전구체는 염화 알루미늄(aluminum chloride), 브롬화 알루미늄(aluminum bromide), 황산 알루미늄(aluminum sulfate), 질산 알루미늄(aluminum nitrate), 초산 알루미늄(aluminum acetate) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나노 입자의 제조 방법.The method of claim 6, wherein the basic compound is selected from the group consisting of aqueous ammonia solution, urea, and mixtures thereof, and the acidic aqueous solution is a group consisting of aqueous hydrochloric acid, aqueous nitric acid, sulfuric acid, aqueous phosphoric acid, and mixtures thereof. The aluminum precursor is selected from the group consisting of aluminum chloride, aluminum bromide, aluminum sulfate, aluminum nitrate, aluminum acetate, and mixtures thereof. Method for producing a nanoparticles, characterized in that selected. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 알루미노실리케이트 구형 나노 입자와 몰리브덴(Mo) 및 바나듐(V)을 포함하는 혼합 산화물 촉매가 채워진 흐름식 기상 반응기에 기화된 글리세롤과 산소 기체를 통과시켜 반응하는 것을 포함하는 아크릴산의 제조하는 방법.A gaseous glycerol and oxygen gas are passed through a flow-type gas phase reactor filled with aluminosilicate spherical nanoparticles according to any one of claims 1 to 4 and a mixed oxide catalyst comprising molybdenum (Mo) and vanadium (V). Process for producing acrylic acid comprising reacting by making. 제12항에 있어서, 상기 나노 입자와 혼합 산화물 촉매는 서로 다른 층을 구성하도록 상기 반응기 내부에 채워지며, 상기 나노 입자로 이루어진 층이 상기 혼합 산화물 촉매로 이루어진 층보다 반응기의 입구 쪽에 가깝게 배치되는 것을 특징으로 하는 아크릴산의 제조 방법.The method of claim 12, wherein the nanoparticles and the mixed oxide catalyst are filled in the reactor to form different layers, and the layer of the nanoparticles is disposed closer to the inlet side of the reactor than the layer of the mixed oxide catalyst. The manufacturing method of acrylic acid characterized by the above-mentioned. 제12항에 있어서, 상기 혼합 산화물 촉매는 1:1~10:1의 몰리브덴:바나듐 원자 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 아크릴산의 제조 방법.The method of claim 12, wherein the mixed oxide catalyst has a molybdenum: vanadium atom ratio of 1: 1 to 10: 1. 제12항에 있어서, 상기 반응은 250~400 oC의 온도 및 상압에서 진행되는 것을 특징으로 하는 아크릴산의 제조 방법.The method of claim 12, wherein the reaction is performed at a temperature of 250 ° C. to 400 ° C. and atmospheric pressure.
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