KR101377935B1 - 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법 - Google Patents

바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101377935B1
KR101377935B1 KR1020120058366A KR20120058366A KR101377935B1 KR 101377935 B1 KR101377935 B1 KR 101377935B1 KR 1020120058366 A KR1020120058366 A KR 1020120058366A KR 20120058366 A KR20120058366 A KR 20120058366A KR 101377935 B1 KR101377935 B1 KR 101377935B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hydrogen
methane
separation membrane
biogas
gas separation
Prior art date
Application number
KR1020120058366A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130134679A (ko
Inventor
서봉국
유현민
Original Assignee
(주)유성
한국화학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)유성, 한국화학연구원 filed Critical (주)유성
Priority to KR1020120058366A priority Critical patent/KR101377935B1/ko
Publication of KR20130134679A publication Critical patent/KR20130134679A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101377935B1 publication Critical patent/KR101377935B1/ko

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C7/00Purification; Separation; Use of additives
    • C07C7/144Purification; Separation; Use of additives using membranes, e.g. selective permeation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C7/00Purification; Separation; Use of additives
    • C07C7/20Use of additives, e.g. for stabilisation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10LFUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L3/00Gaseous fuels; Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by subclass C10G, C10K; Liquefied petroleum gas
    • C10L3/06Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by C10G, C10K3/02 or C10K3/04
    • C10L3/08Production of synthetic natural gas
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C2523/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group C07C2521/00
    • C07C2523/38Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group C07C2521/00 of noble metals
    • C07C2523/40Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group C07C2521/00 of noble metals of the platinum group metals
    • C07C2523/46Ruthenium, rhodium, osmium or iridium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C2523/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group C07C2521/00
    • C07C2523/70Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group C07C2521/00 of the iron group metals or copper
    • C07C2523/74Iron group metals
    • C07C2523/75Cobalt
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C2523/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group C07C2521/00
    • C07C2523/70Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group C07C2521/00 of the iron group metals or copper
    • C07C2523/74Iron group metals
    • C07C2523/755Nickel

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

본 발명은 쓰레기 매립지, 하수 슬러지 등으로부터 발생하는 바이오 가스를 메탄 선택투과성 기체분리 멤브레인을 이용하여 메탄을 분리회수하고, 이로부터 미분리된 메탄과 이산화탄소의 혼합기체를 기체분리 멤브레인이 장착된 반응기에서 촉매 개질 반응 또는 수증기 개질 반응에 의해 수소를 제조할 수 있는 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법에 관한 것이다.

Description

바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법 {METHOD FOR MANUFACTURING METHANE AND HYDROGEN FROM BIOGAS}
본 발명은 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 쓰레기 매립지, 하수 슬러지 등으로부터 발생하는 바이오 가스를 메탄 선택투과성 기체분리 멤브레인을 이용하여 메탄을 분리회수하고, 이로부터 미분리된 메탄과 이산화탄소의 혼합기체를 기체분리 멤브레인이 장착된 반응기에서 촉매 개질 반응 등에 의해 수소를 제조할 수 있는 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법에 관한 것이다.
대부분의 화학 제품 생산에 있어서 반응과 분리 공정이 많은 부분을 차지하며, 동시에 가장 많은 에너지를 소비하는 과정이다. 이러한 반응과 분리를 동시에 수행할 수 있는 기체분리 멤브레인 반응기를 도입하면, 공정 단순화에 의한 생산성 향상을 기대할 수 있다. 또한, 멤브레인 반응기는 가역 반응에서 나오는 생성물 중의 특정 물질을 기체분리 멤브레인을 이용하여 선택적으로 제거함으로서, 열역학적 평형을 뛰어넘는 전환율과 부반응물(by-product) 억제에 의한 반응 효율을 향상시킬 수 있다 [H.P. Hsieh, "Inorganic Membranes for Separation and Reaction", Elsevier, NL, 1996].
즉, 기체분리 멤브레인 기술은 새로운 저 에너지 소비 분리정제 기술로써 환경 및 에너지 산업, 화학산업, 생물산업, 반도체 산업 등 넓은 범위에서 응용 가능한 새로운 기술로써 전세계적인 개발과 산업분야의 활용이 시도되고 있다. 최근에는 반응과 분리공정을 결합하여 반응 효율을 크게 향상시킬 수 있는 멤브레인 반응기의 개발에 관심이 높아지는 추세이다.
유기성 폐기물로부터 생성되는 바이오 가스는 주 발생원이 쓰레기 매립지 및 하수 슬러지이며, 메탄과 이산화탄소가 주요 성분으로 이루어져 있다. 메탄과 이산화탄소는 지구 온난화의 주된 요인이므로, 바이오 가스의 촉매 개질 반응을 통한 수소의 제조는 폐기물 자원화 및 온실가스 배출 억제 등의 친환경 신재생에너지 생산 방안으로서 관심을 모으고 있다. 따라서 기존 촉매반응기 바이오 가스 개질 공정을 개선하여, 보다 효율적이고 경제적인 바이오 가스 개질 시스템에 대한 구축이 필요하다.
바이오 가스의 촉매 개질 반응에 의한 수소 생성은 다음과 같은 반응식으로 나타낼 수 있다.
CH4 + CO2 ↔ 2H2 + 2CO
바이오 가스의 촉매 개질 반응에 의해 수소를 제조하기 위한 종래기술로서, 습식 함침법에 의해 제조된 NiCo/La2O3Al2O3 이원 금속 촉매를 고정층 반응기에 충전한 후 메탄과 이산화탄소의 혼합기체를 공급하여 바이오가스의 촉매 개질 반응을 수행하는 단계를 수행하여 수소를 생산하는 방법이 개시되어 있다 (Jianxin Ma 외 INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY 34 (2009) 6646-6654 참조).
상기 종래기술에 개시된 촉매 반응기를 사용할 경우, 상기 반응이 열역학적 평형에 도달하게 되면 더 이상 반응이 진행되지 않게 되어 메탄 전환율이 제한되며, 미반응 이산화탄소와 생성물인 수소가 반응하는 부반응이 진행되면 수소 수율이 감소된다. 또한, 반응 후에 최종 제품인 고순도의 수소를 얻기 위해서는 반응기로부터 얻은 생성물 중의 미반응 메탄 및 이산화탄소를 제거하는 분리정제 공정을 거쳐야만 한다. 즉, 종래의 반응은 높은 전환율과 수율을 달성하기 위해 700 ℃ 이상의 고온 조건에서 반응기를 운전해야만 하는 어려움이 있다. 또한, 바이오 가스의 개질 촉매 반응 도중에 탄소가 생성(carbon deposition, coking)되어 사용되는 니켈계 촉매의 활성을 저하(deactivation)시켜 촉매 내구성에 치명적인 요인으로 작용하는 것으로 알려져 있다.
이러한 촉매 활성 저하 현상은 550~750 ℃에서는 반응 온도 증가에 따라 발달하지만, 기존 촉매 반응기에서는 반응 전환율을 높이기 위해 온도를 높이면서 Pt, Pd 과 같은 고가의 귀금속을 촉매에 첨가한다. 그러므로, 경제적이고 효율적인 바이오 가스의 촉매 개질 반응에 의한 수소 생산 시스템을 구축하기 위해서는 촉매 반응 효율 향상 및 공정 결합에 의한 단순화 과정의 개발이 절실한 실정이다.
본 발명의 목적은 쓰레기 매립지, 하수 슬러지 등으로부터 발생하는 바이오 가스를 메탄 선택투과성 기체분리 멤브레인을 이용하여 고순도의 메탄을 분리회수하여 재생에너지로 활용하고, 이로부터 미분리된 메탄과 이산화탄소의 혼합기체를 촉매 개질 반응에 의해 수소를 제조하여 석유화학원료인 합성가스 등으로 활용할 수 있는 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 바이오 가스로부터 메탄을 기체분리 멤브레인에 의해 분리 및 회수하는 단계; 촉매가 충진된 기체분리 멤브레인이 장착된 반응기로 상기 단계에서 미분리된 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체를 주입하는 단계 및 상기 반응기에 주입된 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체를 촉매 개질 반응 또는 수증기 개질 반응시켜 수소가 생성됨과 동시에 기체분리 멤브레인에 의해 수소를 선택적으로 분리 및 회수하는 단계를 포함하는 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 반응기에 주입된 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체를 촉매 개질 반응시키는 단계는 550~650 ℃에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 반응기에 주입된 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체는 메탄이 20~80 부피%이고, H2S 및 실론산의 함량이 0 초과 0.1 중량% 미만인 것이 바람직하다.
본 발명에서 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체를 촉매 개질 반응시켜 수소가 생성됨과 동시에 기체분리 멤브레인에 의해 수소를 선택적으로 분리 및 회수하는 단계에서 사용되는 기체분리 멤브레인은 다공성 금속-세라믹 복합막을 사용할 수 있으며, 상기 기체분리 멤브레인의 수소 투과도는 5~15 L/m2·분이고, 수소 선택도는 10~50 인 것이 바람직하다.
본 발명은 바이오 가스로부터 메탄 및 수소를 제조할 수 있는 방법을 제공함으로써, 바이오 가스에 포함된 메탄과 이산화탄소의 배출을 억제하고 이를 고순도의 메탄으로 분리하여 연료 등으로 활용할 수 있고, 또한 미분리된 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체를 반응과 분리를 동시에 수행할 수 있는 무기 소재의 기체분리 멤브레인 반응기를 활용하여 촉매 반응 영역에서 생성되는 수소를 반응과 동시에 선택적으로 분리 및 회수하여 반응 억제에 의한 수소 수율을 개선할 수 있고, 기존의 바이오 가스의 촉매 개질 반응에 의한 수소 제조 조건에 비해 보다 완화된 온도에서도 높은 반응 효율을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 촉매의 활성 저하를 방지하고 수명을 연장하며, 반응공정 후단의 분리 정제 공정 효율을 개선할 수 있는 효과를 동시에 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 바이오 가스로부터 메탄 및 수소를 제조하는 방법의 공정 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법을 구체적으로 설명한다.
우선, 바이오 가스로부터 메탄을 기체분리 멤브레인에 의해 분리하고 회수한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따르는 경우, 바이오 가스로부터 메탄을 메탄 선택투과성인 기체분리 멤브레인을 이용하여 메탄을 분리한 후, 이로부터 미분리된 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체를 수소 선택투과성 기체분리 멤브레인이 설치된 분리막 반응기로 투입하여 촉매 개질 반응을 수행하여 수소를 생성하고, 생성과 동시에 수소를 상기 기체분리 멤브레인을 이용하여 분리하여 회수함으로써 바이오 가스로부터 메탄 및 수소를 제조할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 바이오 가스는 쓰레기 매립지, 하수 슬러지 등 유기성 폐기물로부터 회수되는 메탄과 이산화탄소를 주성분으로 포함하는 것을 의미한다.
본 발명에서 바이오 가스로부터 메탄을 분리하기 위해 사용되는 메탄 선택투과성인 기체분리 멤브레인은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 알려진 것을 제한없이 사용할 수 있다.
본 발명에서 사용될 수 있는 메탄 선택투과성인 기체분리 멤브레인은, 예를 들어, 중합체 용액을 비-용매에 담가 용매와 비-용매 간의 상호 교환에 의하여 중합체를 침전시키는 용매 교환법으로 분리막의 대칭성 등을 조절하여 고도의 투과성 및 선택성을 지닐 수 있도록 제조된 것을 사용할 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 멤브레인을 제조하기 위해서 중합체인 폴리술폰(Polysulfone, PSF)과 용매인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)를 중합체의 농도에 따라 교반 시간을 달리하여 중합체 용액(dope 용액)을 제조한다. 이렇게 만들어진 중합체 용액은 도프 탱크(dope tank)에 주입하여 기어펌프를 통해 노즐로 유입하게 되는데 이때 중합체 용액이 기어펌프로 원활한 공급을 위해 불활성기체인 N2 가스를 일정한 압력으로 도프 탱크에 공급하게 된다. 기어펌프로 공급된 중합체 용액은 일정 속도로 노즐로 밀어주게 되고, 동시에 노즐에서는 내부에 홀을 형성시키기 위한 내부 응고제(초순수)가 펌프를 통해 공급되면서 중공사의 형태로 응고 배스에 침적되어 상전이가 이루지게 된다. 방사된 중공사는 응력을 주지 않기 위한 free take-up 방식을 이용하여 장력이 거의 느껴지지 않을 정도의 일정한 속도로 감은 후 5 시간 이상 용매 세정 및 건조 과정을 거치게 된다. 이후 중공사의 표면을 코팅 처리하여 기체 분리층을 형성시킴으로써 메탄 선택투과성인 기체분리 멤브레인이 제조된다.
바이오 가스로부터 메탄을 회수하기 멤브레인 공정은 공급 기체 압력을 2~8 기압차로 변화시키며 이산화탄소 및 메탄 혼합가스를 이용하여 실시하는 것이 바람직하다. 멤브레인 공정 운전 시에 레귤레이터(regulator)를 이용하여 공급 압력을 형성하고, 유량계(flow meter)를 이용하여 잔류 유량을 4~400 LPM (liter per minute) 으로 변화시키며 수행하며, 이때 스테이지-컷(stage-cut)은 0.05~0.6 범위인 것이 바람직하다. 스테이지-컷은 투과되는 유량과 공급되는 유량의 비율로써, 공급 유량이 증가하면 스테이지-컷은 감소하는 반면 투과 유량은 증가하고 전체적으로 처리할 수 있는 유량이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이후, 촉매가 충진된 기체분리 멤브레인이 장착된 반응기로 상기 단계에서 미분리된 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체를 주입한다.
상기 촉매가 충진된 기체분리 멤브레인이 장착된 반응기에서 사용될 수 있는 촉매로는 바이오 가스의 촉매 개질 반응에 사용되는 공지된 촉매, 예를 들어, 니켈계 촉매, 루테늄계 촉매, 니켈-루테늄 이원 촉매, 니켈-코발트 이원 촉매 등을 사용할 수 있으며, 이외 다른 공지된 촉매를 사용할 수 있음은 물론이다 (INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY 34 (2009) 6646-6654).
상기 기체분리 멤브레인이 장착된 반응기에서 사용되는 기체분리 멤브레인은 수소 선택투과성 기체분리 멤브레인으로써 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 알려진 것을 제한없이 사용할 수 있으나, 다공성 금속-세라믹 복합막(한국등록특허 0454089 참조)을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 수소 선택투과성 기체분리 멤브레인으로는 수소 투과도가 5~15 L/m2·분 인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 수소 투과도가 5 L/m2·분 미만이면 수소 생성 속도에 비해 수소 제거 속도가 너무 느리고, 수소 투과도가 15 L/m2·분을 초과하면 수소와 함께 반응물이 다량 투과하게 되는 문제점이 발생될 수 있다.
또한, 상기 수소 선택투과성 기체분리 멤브레인으로는 수소 선택도가 10~50 범위인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 수소 선택도가 10 미만이면 반응물의 손실을 초래하고, 수소 선택도가 50 을 초과하면 수소가 충분히 제거되지 못하는 문제점이 발생될 수 있다.
바이오가스의 촉매 개질 반응에 의한 수소 제조시에 사용하던 기존의 반응기에 상기와 같은 조건을 만족하는 기체분리 멤브레인이 장착된 반응기를 본 발명에 적용할 수 있다.
다음으로, 상기 반응기에 주입된 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체를 촉매 개질 반응시켜 수소가 생성됨과 동시에 기체분리 멤브레인에 의해 수소를 선택적으로 분리하고 회수한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 반응기에 주입된 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체는 메탄이 20~80 부피%이고, H2S 및 실론산의 함량이 0 초과 0.1 중량% 미만인 것이 바람직하다.
본 발명에서는 상기 반응기에 주입된 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체를 촉매 개질 반응시켜 수소가 생성됨과 동시에 기체분리 멤브레인에 의해 수소를 선택적으로 분리하고 회수하는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에서는 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체의 촉매 개질 반응에서 생성된 수소를 선택적으로 분리회수하여 반응물 중의 이산화탄소와 수소가 반응하는 부반응이 억제됨에 따라 수소 수율이 증대되며, 생성물인 수소를 지속적으로 제거함으로써 평형 전환율을 넘어서서 정반응이 계속 진행되어 보다 낮은 반응 온도에서도 높은 반응 전환율을 얻을 수 있으며, 이에 따른 촉매 활성 저하를 억제할 수 있다.
이와 같이, 기존의 기체분리 멤브레인이 미장착된 반응기의 적용 온도가 700~800 ℃ 범위였던 것에 비하여 본 발명에서는 상술한 수소 선택투과성 기체분리 멤브레인이 장착된 반응기는 550~650 ℃ 온도범위에서도 조작할 수 있어서 제조 조건을 완화할 수 있으며, 이에 따른 에너지 절감 효과를 얻을 수 있으며, 상대적으로 저온에서 수소를 제조함으로써 사용되는 촉매 활성이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
또한 본 발명에서 사용되는 수소 선택투과성 기체분리 멤브레인이 장착된 반응기는 가역 반응에 대해 생성물인 수소를 선택적으로 제거함으로써 평형 전환율 및 제품 순도 개선에 매우 효과적이며, 반응과 분리 공정을 결합하여 동시에 수행함으로서 화학 공정의 생산성 향상에 효과적으로 이용될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 수소 선택투과성 기체분리 멤브레인이 장착된 반응기는 바이오 가스의 촉매 개질 반응뿐만 아니라 바이오 가스의 수증기 개질 반응에 의해 생성되는 수소를 생성과 동시에 분리하도록 사용될 수 있음은 물론이다.
한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 적용 부위를 변경하여 사용하는 것이 가능하고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 따라서, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
실시예
실시예 1 내지 4: 기체분리 멤브레인이 장착된 반응기를 사용한 바이오 가스의 촉매 개질 반응에 의한 수소의 제조
최적의 반응조건 확립을 위하여 반응온도(550~650 ℃)에서 바이오 가스의 공간속도(GHSV, Gas hourly space velocity, 1.0-3.0/h)를 다음 표 1에 나타낸 것과 같이 변화시키면서, 금속 (SUS) 재질의 튜브 형(tubular type) 기체분리 멤브레인 반응기를 이용하여 바이오 가스 개질 반응에 의한 수소를 제조하였다. 반응기는 외경 1/2", 길이 30 cm에 바이오가스 개질 반응용 Ni계 촉매(비중 1.15 g/cm3, 상품명 ICI-46, 제조사명 Imperial Chemical Industry, US)를 1 cm 정도 층의 두께로 채웠다. 반응기 내에 장착한 기체분리 멤브레인으로는 고온 수소를 선택적으로 투과 분리하는 다공성 스테인레스 스틸/세라믹 복합막(SUS316, Mott Co. US)을 사용하였다. 튜브형 로(Tubular Furnace)에 상기 반응기를 수직으로 고정시킨 후 촉매 활성화를 위해 수소 분위기에서 500 ℃로 2 시간 동안 가열한 다음 바이오 가스를 MFC (mass flow controller)를 이용하여 반응기 하부로 주입하였다. 생성물은 카보스퍼(Carbospher) 또는 포라팩 T 칼럼(Porapack T Column)을 사용하는 GC로 분석하였다.
비교예 1 및 2: 기존의 반응기를 이용한 바이오 가스의 촉매 개질 반응에 의한 수소의 제조
비교 실험을 위해, 기체분리 멤브레인이 장착되지 않은 종래의 튜브형 고정-베드(tubular type fixed-bed) 반응기를 이용하여 바이오 가스의 촉매 개질 반응에 의한 수소의 제조 실험을 표 1의 조건 하에 실시하였다. 반응기 제원 및 조건은 상기 실시예와 같다. 종래의 반응기와 기체분리 멤브레인 반응기로부터 얻은 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
실험예 : 기체분리 멤브레인 반응기의 안정성 확인
650 ℃에서 250 시간 연속 운전을 실시하여 일정한 반응 전환율 및 선택도를 확보함으로서 기체분리 멤브레인 반응기의 안정성을 확인하였다. 이것은 보다 낮은 반응 온도에서 개질 반응을 실시하면서 반응 중 생성되는 수소를 즉시 기체분리 멤브레인을 통해 제거함으로써, 부반응 억제와 동시에 촉매의 활성 저하를 방지할 수 있었기 때문이다. 본 실시예에서 각 반응 시스템의 성능을 비교하기 위한 요소인 전환율 및 선택도(수소 수율), GHSV를 다음과 같이 정의하여 사용한다.
메탄전환율(%) = 100 (반응한 메탄 몰수)/(공급한 메탄 몰수)
수소 수율(%) = 100 (생성된 수소 몰수)/(반응한 메탄 몰수)
GHSV(h-1) = (바이오 가스의 유속(cc/h))/(촉매량(cc))
[표 1]
Figure 112012043715838-pat00001
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예에 의하면, 기존의 바이오 가스의 촉매 개질 반응에 의한 수소 제조 조건보다 완화된 550~650 ℃ 온도 범위에서 실시하더라도 종래의 반응기에 비해, 수소 수율이 최대 85 %에서 99 %로 각각 대폭 개선됨과 동시에 촉매 활성 수명도 현저하게 향상되었다. 이것은 반응과 동시에 생성물인 수소를 제거하는 기체분리 멤브레인 반응기의 효과에 의해 가능하였다.

Claims (8)

  1. 바이오 가스로부터 메탄을 기체분리 멤브레인에 의해 분리하고 회수하는 단계;
    촉매가 충진된 기체분리 멤브레인이 장착된 반응기로 상기 단계에서 미분리된 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체를 주입하는 단계; 및
    상기 반응기에 주입된 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체를 촉매 개질 반응시켜 수소가 생성됨과 동시에 기체분리 멤브레인에 의해 수소를 선택적으로 분리 및 회수하는 단계;
    를 포함하는 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법으로서,
    상기 미분리된 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체에서 메탄의 함량이 20~80 부피%이고, H2S 및 실론산의 함량이 0 초과 0.1 중량% 미만이고,
    상기 수소를 선택적으로 분리 및 회수하기 위해 사용되는 기체분리 멤브레인의 수소 투과도는 5~15 L/m2·분이고, 수소 선택도는 10~50 인 것을 특징으로 하는 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기에 주입된 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체를 촉매 개질 반응시키는 단계는 550~650 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매는 니켈계 촉매, 루테늄계 촉매, 니켈-루테늄 이원 촉매 또는 니켈-코발트 이원 촉매인 것을 특징으로 하는 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소를 선택적으로 분리 및 회수하기 위해 사용되는 기체분리 멤브레인은 다공성 금속-세라믹 복합막인 것을 특징으로 하는 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 바이오 가스로부터 메탄을 기체분리 멤브레인에 의해 분리하고 회수하는 단계;
    기체분리 멤브레인이 장착된 반응기로 상기 단계에서 미분리된 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체를 주입하는 단계; 및
    상기 반응기에 주입된 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체를 수증기 개질 반응시켜 수소가 생성됨과 동시에 기체분리 멤브레인에 의해 수소를 선택적으로 분리 및 회수하는 단계;
    를 포함하는 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법으로서,
    상기 미분리된 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체에서 메탄의 함량이 20~80 부피%이고, H2S 및 실론산의 함량이 0 초과 0.1 중량% 미만이고,
    상기 수소를 선택적으로 분리 및 회수하기 위해 사용되는 기체분리 멤브레인의 수소 투과도는 5~15 L/m2·분이고, 수소 선택도는 10~50 인 것을 특징으로 하는 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법...
KR1020120058366A 2012-05-31 2012-05-31 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법 KR101377935B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120058366A KR101377935B1 (ko) 2012-05-31 2012-05-31 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120058366A KR101377935B1 (ko) 2012-05-31 2012-05-31 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130134679A KR20130134679A (ko) 2013-12-10
KR101377935B1 true KR101377935B1 (ko) 2014-03-28

Family

ID=49982267

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120058366A KR101377935B1 (ko) 2012-05-31 2012-05-31 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101377935B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210097987A (ko) 2020-01-31 2021-08-10 한국에너지기술연구원 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기
KR20210097986A (ko) 2020-01-31 2021-08-10 한국에너지기술연구원 분할 가스 분사 방식을 갖는 열화학적 이산화탄소 메탄화 반응기

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102144472B1 (ko) * 2018-11-29 2020-08-13 한국에너지기술연구원 메탄의 열분해 장치 및 메탄의 열분해 방법
CN110295073B (zh) * 2019-07-09 2021-03-09 哈尔滨工业大学 沼气提纯膜生物反应器及其使用方法
CN110357039B (zh) * 2019-08-12 2021-04-02 中国科学院工程热物理研究所 一种沼气和太阳能互补的合成气制备系统及方法
CN114408866B (zh) * 2022-01-05 2023-03-14 大连理工大学 一种基于高纯气体产物全回收的甲烷蒸汽重整反应装置及其使用方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19980028528A (ko) * 1996-10-23 1998-07-15 우덕창 세라믹스 분리막을 이용한 메탄 가스 분리 장치
JP4819537B2 (ja) * 2006-03-15 2011-11-24 日本碍子株式会社 選択透過膜型反応器及びそれを用いた水素製造方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19980028528A (ko) * 1996-10-23 1998-07-15 우덕창 세라믹스 분리막을 이용한 메탄 가스 분리 장치
JP4819537B2 (ja) * 2006-03-15 2011-11-24 日本碍子株式会社 選択透過膜型反応器及びそれを用いた水素製造方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210097987A (ko) 2020-01-31 2021-08-10 한국에너지기술연구원 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기
KR20210097986A (ko) 2020-01-31 2021-08-10 한국에너지기술연구원 분할 가스 분사 방식을 갖는 열화학적 이산화탄소 메탄화 반응기

Also Published As

Publication number Publication date
KR20130134679A (ko) 2013-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101377935B1 (ko) 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법
Marcano et al. Catalytic membranes and membrane reactors
DK3034485T3 (en) Reaction of carbon dioxide with hydrogen using a permselective membrane
CN102459066B (zh) 从反应混合物中电化学分离氢气的方法
US8518151B2 (en) Porous hollow fiber supported dense membrane for hydrogen production, separation, or purification
Liguori et al. Methanol steam reforming in an Al2O3 supported thin Pd-layer membrane reactor over Cu/ZnO/Al2O3 catalyst
EP3033304B1 (en) Processes utilising selectively permeable membranes
CA3003318C (en) Device for separating carbon dioxide using silicone separation film and method for manufacturing the same
Brunetti et al. CO2 conversion by membrane reactors
CN111087279A (zh) 一种基于分子筛膜反应器的甲烷无氧芳构化方法
JP5102932B2 (ja) 高純度水素製造方法
KR100795883B1 (ko) 수소분리막을 이용한 연료개질 방법 및 이를 이용한연료개질 장치
Molinari et al. Liquid-phase oxidation of benzene to phenol using CuO catalytic polymeric membranes
Meng et al. Enhanced decomposition of sulfur trioxide in the water-splitting iodine–sulfur process via a catalytic membrane reactor
Drioli et al. High temperature membrane reactors for clean productions
CN106852130B (zh) 用于将生物质转变成氢的催化膜系统
Do et al. Carbon-free hydrogen production using membrane reactors
Api Biohydrogen purification from palm oil mill effluent fermentation for fuel cell application
JP5062769B2 (ja) 低級炭化水素の直接改質方法
Marcano et al. Reactive Membrane Separation
Junwei et al. Synthesis of dimethyldichlorosilane by fluidized bed membrane reactor
JP2022116748A (ja) 低級炭化水素分解方法および低級炭化水素分解装置
JP2017043552A (ja) 水素キャリアの製造方法および水素キャリアの製造システム
Rahimpour 7 Catalytic-Membrane
Lapkin Hydration of propene using a porous carbon membrane contactor

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170202

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180326

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190325

Year of fee payment: 6