KR101419041B1 - A method for low-temperature reduction of nitrous oxide using a reductant over platinum group bi-metallic catalysts containing copper as a primary component - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저가금속인 구리를 제1성분으로 구성하는 백금족(금, 은 포함) 이원금속 촉매상에서 수소를 환원제로 사용하여 질산 제조 플랜트, 아디픽산 제조 플랜트 등의 가스 익스팬더 후단 배기가스에 함유된 아산화질소를 저온 및 고공간속도에서 효과적으로 제거하는 방법을 제공하는 뛰어난 효과가 있다.The present invention relates to a process for producing a suboxide (including gold and silver) contained in a gas expander exhaust gas such as a nitric acid production plant and an adipic acid production plant by using hydrogen as a reducing agent on a platinum group (including gold and silver) There is an excellent effect of providing a method of effectively removing nitrogen at low temperature and high space velocity.

Description

구리를 제1성분으로 하는 백금족 이원금속 촉매상에서 배기가스 내의 아산화질소를 저온촉매환원법으로 제거하는 방법{A method for low-temperature reduction of nitrous oxide using a reductant over platinum group bi-metallic catalysts containing copper as a primary component}[0001] The present invention relates to a method for removing nitrous oxide in an exhaust gas on a platinum-group binary metal catalyst having copper as a first component by a low-temperature catalytic reduction method primary component}

본 발명은 구리를 제1성분으로 포함하는 백금족 이원금속으로 이루어진 촉매상에서 수소를 환원제로 사용하여 배기가스 내의 아산화질소(N2O)를 제거하는 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 질산 제조 플랜트, 아디픽산(adipic acid) 제조 플랜트 등의 가스 익스팬더(gas expander) 후단 배기가스에 함유된 아산화질소를 저가금속인 구리를 제1성분으로서 포함하는 백금족(금, 은 포함) 이원금속 촉매상에서 수소를 환원제로 사용하여 저온 및 고공간속도에서 제거하는 효과적인 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for removing nitrous oxide (N 2 O) in exhaust gas using hydrogen as a reducing agent on a catalyst composed of a platinum bivalent metal containing copper as a first component. More particularly, the present invention relates to a process for producing nitrous oxide contained in a gas expander exhaust gas such as a nitric acid production plant, an adipic acid production plant, and the like, , ≪ / RTI > including hydrogen) as a reducing agent on a binary metal catalyst at low temperature and high space velocity.

온실가스의 실질적인 감축을 위해 1997년 일본 교토에서 채택한 교토의정서에서 감축대상 온실가스로 이산화탄소(CO2), 메탄, 아산화질소(NO2), 수소불화탄소, 과불화탄소와 육불화황의 6가지를 지정하였다. 온실가스 총 배출량에서 차지하는 비중은 이산화탄소가 월등히 높지만, 'non-CO2 온실가스'로 통칭되는 나머지 가스들의 지구온난화지수(global warming potential, GWP)가 상대적으로 매우 크기 때문에 이들의 효과적인 제거는 온실가스의 높은 감축효과를 달성할 수 있다.
In Kyoto Protocol adopted by Kyoto, Japan in 1997, six greenhouse gases (CO 2 ), methane, nitrous oxide (NO 2 ), hydrogen fluoride, perfluorocarbons and sulfur hexafluoride were designated for practical reduction of greenhouse gases. Respectively. Since the global warming potential (GWP) of the remaining gases, referred to as 'non-CO 2 greenhouse gases', is relatively high, the proportion of total greenhouse gas emissions is high, A high reduction effect can be achieved.

지구온난화를 유발하는 대표적인 'non-CO2 온실가스'에 해당하는 아산화질소의 인위적인 주요 배출원은 질산, 아디픽산, 카프로락탐, 아크릴로니트릴, 글리옥실산, 글리옥살 등의 화학제품을 제조하는 고정원과 자동차와 같은 이동원이 대표적이다. 이산화탄소의 GWP가 1이고 아산화질소의 GWP는 310이므로, 상기의 배출원들로부터 발생한 아산화질소가 대기 중에 존재할 때 지구온난화를 유발하는 효과는 이산화탄소에 비해 310배이다. 따라서, 산업공정들로부터 배출되는 아산화질소 1톤을 제거한다면 이는 이산화탄소 310톤을 저감하는 것과 동일한 효과가 있다. 상술한 대표적인 대규모 및 중소규모 고정 및 이동 배출원들에서 배출되는 아산화질소의 농도 수준은 발생원들의 특성에 따라 매우 상이한 배기가스 조성을 나타낸다.
The main anthropogenic sources of nitrous oxide, which is representative of 'non-CO 2 greenhouse gases' that cause global warming, are those that produce chemical products such as nitric acid, adipic acid, caprolactam, acrylonitrile, glyoxylic acid, It is representative of migrants such as circles and cars. Since the GWP of carbon dioxide is 1 and the GWP of nitrous oxide is 310, the effect of causing nitrous oxide from the above sources is 310 times that of carbon dioxide. Thus, removing 1 tonne of nitrous oxide from industrial processes has the same effect as reducing 310 tonnes of carbon dioxide. The concentration levels of nitrous oxide emitted from representative large-scale and small-scale fixed and mobile sources described above represent very different exhaust gas compositions depending on the characteristics of the sources.

산업공정에서 배출되는 아산화질소의 저감기술로는 직접 촉매분해, 촉매환원, 열분해 등의 방법이 있으며, 국내의 아산화질소 대량 발생원으로는 질산 제조 플랜트, 아디픽산 제조 플랜트, 카프로락탐 제조 플랜트 등이 있다. 아디픽산 제조 플랜트에서 고농도로 배출되는 아산화질소는 열분해기술 또는 직접 촉매분해 방법으로 저감하고 있으며, 질산 제조 플랜트에서는 촉매분해와 촉매환원 방법으로 아산화질소 발생량을 저감하고 있다.
There are direct catalytic decomposition, catalytic reduction, pyrolysis, etc. as technologies for reducing nitrous oxide emitted from industrial processes, and nitric acid production plant, adipic acid production plant, and caprolactam production plant are the major sources of nitrous oxide in Korea . Nitrous oxide discharged at high concentration in adipic acid production plant is reduced by pyrolysis technology or direct catalytic decomposition method. In nitric acid production plant, the amount of nitrous oxide emission is reduced by catalytic decomposition and catalytic reduction method.

대표적인 대규모 아산화질소 배출원에 해당하는 아디픽산 제조 플랜트로부터 배출되는 아산화질소의 효과적인 제거를 위하여 가장 널리 적용되는 방법은 촉매분해공정이다. 촉매반응기가 설치되는 위치에서의 온도는 400 내지 650이므로, 이러한 반응온도에서 활성성분으로 사용되는 금속 또는 금속 산화물의 소결현상을 최소화할 수 있어야 한다. 또한, 고온에서 0.3 내지 3%의 H2O가 공존하기 때문에 강한 수열안정성이 요구될 뿐만 아니라, 4 내지 15% 정도 존재하는 O2에 대한 내구성도 고려되어야 한다. 대표적인 상용촉매들로는 바스프의 CuAl2O4/Al2O3, Ag-CuO/Al2O3와 Ag/Al2O3, 듀퐁의 CoO-NiO/ZrO2, 아사히의 CuO/Al2O3 등이 잘 알려져 있다.
The most widely applied method for the effective removal of nitrous oxide from the adipic acid production plant, which is a representative large-scale nitrous oxide emission source, is the catalytic cracking process. Since the temperature at the position where the catalytic reactor is installed is 400 to 650 ° C , it is necessary to minimize the sintering of the metal or metal oxide used as the active ingredient at such a reaction temperature. Further, since 0.3 to 3% of H 2 O coexists at high temperature, not only strong hydrothermal stability is required but also durability against O 2 present in the range of 4 to 15% should be considered. Typical commercial catalysts include CuAl 2 O 4 / Al 2 O 3 , Ag-CuO / Al 2 O 3 and Ag / Al 2 O 3 of BASF, CoO-NiO / ZrO 2 of DuPont, CuO / Al 2 O 3 of Asahi This is well known.

한편, 다소 낮은 반응온도(300 내지 600℃)에서 아산화질소를 제거할 수 있는 코발트(Co) 또는 철(Fe)이 이온교환된 제올라이트계 촉매들이 개발되었는데, 실제 현장 적용의 측면에서 90% 이상의 아산화질소 제거율을 달성하기 위해서는 500℃ 정도의 반응온도가 요구된다. 상기 요구되는 높은 반응온도를 낮추기 위하여 소량의 귀금속들을 첨가할 수 있는데, 이는 저온에서의 촉매활성 향상을 위해서는 바람직하지만 촉매제조 비용의 상승을 초래하게 된다.On the other hand, cobalt (Co) or iron (Fe) ion-exchanged zeolite catalysts capable of removing nitrous oxide at a relatively low reaction temperature (300 to 600 ° C.) have been developed. In order to achieve the nitrogen removal rate, a reaction temperature of about 500 ° C is required. A small amount of noble metals may be added to lower the required high reaction temperature, which is desirable for improving the catalytic activity at low temperatures, but this results in an increase in catalyst production cost.

또 다른 대규모 아산화질소 배출원에 해당하는 질산 제조 플랜트로부터 발생되는 아산화질소의 배출농도는 공정 압력과 온도, 가우즈형 촉매의 조성(백금/로듐 비율 등)과 사용시간, 공간속도, 암모니아(NH3) 산화반응기 내에서의 체류시간, 촉매반응기의 디자인 등에 의하여 영향을 받는다(프레즈-라미레즈 등, Appl. Catal. B, 44, 117, 2003). 특히, 아산화질소 배출농도는 흡수탑 전과 후에서 크게 달라지는데, 암모니아 산화반응을 위한 가우즈 반응기에서부터 열교환기까지의 영역("프로세스 가스(process-gas)"로 칭함), 흡수탑 후단에서부터 가스 익스팬더까지의 영역("테일 가스(tail-gas)"로 칭함) 및 가스 익스팬더 이후의 영역("종말 가스(end-of-pipe-gas)"로 칭함)으로 구분할 수 있고, 이들 영역에서의 배기가스 조성과 요구되는 촉매물성은 커다란 차이점을 갖는다.The concentration of nitrous oxide emissions from nitric acid production plants, which correspond to another large source of nitrous oxide emissions, depends on the process pressure and temperature, the composition of the Gaussian type catalyst (platinum / rhodium ratio), use time, space velocity, ammonia (NH 3 ) The residence time in the oxidation reactor, the design of the catalytic reactor, and the like (Press-Ramirez et al., Appl. Catal. B, 44, 117, 2003). Particularly, the nitrous oxide emission concentration greatly differs between before and after the absorption tower, from the area from the Gauss reactor to the heat exchanger (referred to as "process-gas") for the ammonia oxidation reaction, from the rear of the absorption tower to the gas expander (Hereinafter referred to as " tail-gas ") and regions after the gas expander (referred to as" end-of-pipe-gas " And the required catalytic properties have large differences.

촉매를 이용하여 프로세스 가스 영역에서 아산화질소를 제거하는 방법 이른바, 프로세스 가스 분해법은 1.5 내지 2.5% 수준의 아산화질소 농도를 효과적으로 제거할 수 있어야 하고, 95 내지 97%로 존재하는 일산화질소(NO)와는 반응하지 않으면서 즉 높은 선택성이 요구되며 800℃ 이상의 고온에서도 강한 내구성을 갖는 촉매물성이 요구된다. 테일 가스 조건에서 촉매를 이용하여 아산화질소를 제거하는 방법 즉, 테일 가스 분해법 또는 테일 가스 촉매환원법의 경우, 아산화질소의 배출농도가 300 내지 3,500 ppm으로 크게 낮아졌으나, 여전히 400℃ 이상의 배기가스 온도를 유지하고 있을 뿐만 아니라 0.3 내지 3% 수준의 H2O이 공존하므로 해당 온도에서의 높은 반응활성과 강한 수열안정성을 갖는 촉매들이 요구된다.The so-called process gas decomposition method, which removes nitrous oxide in the process gas region using a catalyst, should be capable of effectively removing the nitrous oxide concentration of 1.5 to 2.5%, and the nitrogen monoxide (NO) present in 95 to 97% That is, high selectivity is required, and catalyst properties having strong durability even at a high temperature of 800 ° C or more are required. In the tail gas decomposition method or the tail gas catalytic reduction method, the emission concentration of nitrous oxide is greatly reduced to 300 to 3,500 ppm, but the exhaust gas temperature of 400 ° C or more is still lower than the exhaust gas temperature And H 2 O at a level of 0.3 to 3% coexist, so that a catalyst having a high reaction activity at a corresponding temperature and a strong hydrothermal stability is required.

종말 가스 내의 아산화질소 제거를 위한 방법 이른바 종말 가스 촉매환원법에서는 테일 가스와 유사한 조성을 갖지만, 가스 익스팬더 후단이므로 배기가스의 온도(100 내지 300℃)가 가장 낮으므로, 이와 같은 저온에서 고활성을 갖는 촉매들이 요구된다. 종말 가스 조건에서 촉매분해법을 적용할 수도 있으나, 상기와 같이 배기가스의 온도가 낮기 때문에 이를 위해서는 배기가스를 재가열해주어야 하므로 실제 현장에서 효과적인 방법은 아니다.In the so-called tail gas catalytic reduction method, although the tail gas has a composition similar to that of the tail gas, since the temperature of the exhaust gas is the lowest (100 to 300 ° C) since it is the rear end of the gas expander, Are required. The catalytic cracking method may be applied at the end gas condition, but since the temperature of the exhaust gas is low as described above, the exhaust gas must be reheated, which is not an effective method in the actual field.

기존 선행특허들에서는 주로 철이 함유된 제올라이트 촉매와 환원제(암모니아, 탄화수소)를 사용하여 비교적 300℃ 이상의 고온에서 아산화질소를 제거하는 방법을 제안하고 있다.In the prior art patents, a method of removing nitrous oxide at a relatively high temperature of 300 ° C or higher by using a zeolite catalyst mainly containing iron and a reducing agent (ammonia, hydrocarbon) is proposed.

대한민국 특허 제10-0801451호는 질산제조 플랜트에서 발생하는 아산화질소를 촉매분해법으로 제거하기 위한 장치를 다루고 있다. 암모니아 산화반응기 바로 아래의 열교환기와 흡수탑 사이에 하나 이상의 철이 함유된 제올라이트로 구성된 촉매층을 통과시켜 암모니아 산화반응으로부터 생성된 아산화질소를 제거한다. 이때, 촉매층의 바람직한 온도는 350 내지 600℃이고, 별도의 환원제는 사용하지 않는 프로세스 가스 직접분해법에 해당한다.
Korean Patent No. 10-0801451 deals with a device for removing nitrous oxide produced by a nitric acid production plant by catalytic cracking. A catalyst layer composed of zeolite containing at least one iron between the heat exchanger directly below the ammonia oxidation reactor and the absorption tower is passed to remove the nitrous oxide produced from the ammonia oxidation reaction. At this time, the preferable temperature of the catalyst layer is from 350 to 600 DEG C, and a separate reducing agent corresponds to the direct decomposition method of the process gas.

PCT/JP2009/051739에서는 아산화질소를 함유하는 배출가스를 촉매 존재 하에서 환원제와 접촉시켜, 아산화질소를 환원 제거하는 방법으로서, 아산화질소 분해촉매 전단 배출가스 중의 수증기 농도에 따라, 아산화질소 분해촉매와 접촉되는 배출가스 온도 또는 환원제의 첨가량을 제어하는 것을 특징으로 하는 아산화질소 제거방법을 구현하고 있다. 이때 촉매로는 철을 함유한 제올라이트나 알루미나 또는 제올라이트 담체에 담지된 귀금속 촉매임을 특징으로 하고, 환원제로는 메탄, 프로판, 암모니아 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 배출가스 중의 아산화질소를 환원제거하는 방법이다. 그러나, 상기 특허는 400℃ 부근의 고온을 유지하기 위한 배출가스 재가열과 환원제 첨가량을 제어하는 방법에 주안점을 두고 있다.In PCT / JP2009 / 051739, a method for reducing and removing nitrous oxide by contacting an exhaust gas containing nitrous oxide with a reducing agent in the presence of a catalyst, comprising the steps of: contacting the nitrous oxide decomposition catalyst with the nitrous oxide decomposition catalyst And the exhaust gas temperature or the amount of the reducing agent to be added is controlled. Wherein the catalyst is a noble metal catalyst supported on iron-containing zeolite, alumina or zeolite carrier, and the reducing agent is selected from the group consisting of methane, propane and ammonia. . However, this patent focuses on reheating the exhaust gas to maintain a high temperature around 400 DEG C and controlling the addition amount of the reducing agent.

한편, 철 또는 수소 이온으로 교환된 제올라이트 촉매상에서 질산제조공정으로부터 발생하는 프로세스 가스 또는 테일 가스 내의 아산화질소를 제거하는 방법이 대한민국 특허 제10-0858010호에 개시되어 있는데, 여기서도 적정 수준의 아산화질소 제거율을 얻기 위한 온도가 200 내지 600℃이므로 고온공정에 해당한다.
Meanwhile, Korean Patent No. 10-0858010 discloses a method for removing nitrous oxide in a process gas or a tail gas generated from a nitric acid production process on a zeolite catalyst exchanged with iron or hydrogen ions. Here, Since the temperature is 200 to 600 캜, it corresponds to a high-temperature process.

니폰쇼쿠바이에서는 아산화질소 분해용 촉매와 이를 이용한 아산화질소 제거방법(PCT/JP2007/060284)을 개시하고 있는데, 이는 적어도 알칼리금속, 알칼리토금속, 마그네슘, 희토류 중에서 하나를 선택하고 적어도 니켈, 코발트, 구리, 철, 망간, 은, 루테늄, 백금, 로듐, 금, 팔라듐, 이리듐 중에서 하나를 선택한 성분으로 이루어진 촉매를 사용하여 450℃ 이상의 고온에서 아산화질소를 직접분해법으로 제거하는 방법으로, 사용하는 촉매와 제거하는 방법측면에서 본 발명과 상이하다. In Nippon Shokubai, a catalyst for decomposing nitrous oxide and a method for removing nitrous oxide using the same (PCT / JP2007 / 060284) are disclosed. At least one of alkali metals, alkaline earth metals, magnesium and rare earths is selected and at least nickel, cobalt, A method for removing nitrous oxide by direct decomposition at a high temperature of 450 ° C or higher using a catalyst composed of iron, manganese, silver, ruthenium, platinum, rhodium, gold, palladium and iridium, Which is different from the present invention.

대한민국 특허 제10-0937594호에서는 아산화질소 제거 또는 아산화질소와 질소산화물(NOx)을 동시에 제거하기 위한 촉매와 이를 이용한 제거방법에 관하여 다루고 있다. 상기 특허에서 촉매는 철(Fe)과 인(P)이 수식된 제올라이트계를 제안하고, 제거방법은 직접 분해 또는 암모니아 및 탄화수소 중에서 선택된 1 종 이상을 환원제로서 사용하는 선택적 환원분해법을 채용하였는데, 원하는 수준의 아산화질소 제거율을 달성하기 위해서는 420 내지 650℃의 고온이 요구된다는 단점이 있다.
Korean Patent No. 10-0937594 discloses a catalyst for removing nitrous oxide or nitrous oxide and nitrogen oxides (NO x ) at the same time, and a method for removing the catalyst. In this patent, a zeolite system in which iron (Fe) and phosphorus (P) are modified is proposed in the above patent, and the selective reduction decomposition method employing direct decomposition or using at least one selected from ammonia and hydrocarbons as a reducing agent is adopted. It is required to have a high temperature of 420 to 650 DEG C in order to achieve the nitrous oxide removal rate of the level.

이 밖에도 아산화질소와 질소산화물(NOx)을 동시에 제거하기 위한 시도가 대한민국 특허 제10-0824225호에서도 제안되었는데, 이는 철이 담지된 제올라이트 촉매 존재 하에서 환원제로 암모니아를 주입하고, 50% 이상의 아산화질소를 반응영역에서 제거하기 위하여 350 내지 450℃의 반응온도를 부여해야 한다.In addition, an attempt to simultaneously remove nitrous oxide and nitrogen oxides (NOx) has been proposed in Korean Patent No. 10-0824225. This is because ammonia is injected as a reducing agent in the presence of iron-supported zeolite catalyst, Lt; RTI ID = 0.0 > 350 C < / RTI >

이상에서 언급한 아산화질소와 질소산화물을 제거방법들은 고온(프로세스 가스), 중온(테일 가스), 저온(종말 가스) 영역에서 그 어떠한 환원제도 사용하지 않고 아산화질소를 촉매상에서 직접 분해시키는 촉매분해법과 암모니아, 탄화수소 등과 같은 환원제를 사용하여 촉매상에서 아산화질소를 환원시키는 촉매환원법에 관한 것들이다. 특히, 테일 가스와 종말 가스 조건에서 아산화질소를 제거하기 위한 상용기술의 대표적인 한 예에 해당하는 암모니아, 탄화수소 등의 환원제 존재 하에서 철 이온이 교환된 제올라이트 촉매를 사용하여 아산화질소를 환원시키는 촉매환원법의 경우, 산업현장에서 요구되는 수준의 아산화질소 제거효율을 달성하기 위해서는 300℃ 이상의 고온의 반응온도를 필요로 한다.The above-mentioned methods for removing nitrous oxide and nitrogen oxide include a catalytic decomposition method in which nitrous oxide is directly decomposed on a catalyst without using any reducing agent in the high temperature (process gas), middle temperature (tail gas) and low temperature (end gas) And a catalytic reduction method for reducing nitrous oxide on a catalyst using a reducing agent such as ammonia, hydrocarbon and the like. Particularly, a catalytic reduction method in which nitrous oxide is reduced using a zeolite catalyst in which iron ions have been exchanged in the presence of a reducing agent such as ammonia or hydrocarbon, which is a typical commercial technique for removing nitrous oxide under tail gas and end gas conditions , A high temperature reaction temperature of 300 DEG C or more is required to achieve the level of nitrous oxide removal efficiency required in an industrial field.

질산, 아디픽산 제조공정 등의 대규모 고정원으로부터 배출되는 아산화질소의 제거를 위해 지금까지 개시된 기존의 촉매들이 가지고 있는 대표적인 문제점들은 구체적으로, Typical problems of existing catalysts for removal of nitrous oxide discharged from a large-scale fixing source such as nitric acid and adipic acid production process are as follows. Specifically,

(1) 질산 제조 플랜트에 널리 사용되는 촉매분해법 중 프로세스 가스 분해법은 매우 높은 온도 800 내지 1,000℃를 요구하고, 테일 가스 분해법이라 할지라도 440℃ 이상의 반응온도를 필요로 하는 점과;(1) Of the catalytic cracking methods widely used in nitric acid production plants, the process gas cracking method requires a very high temperature of 800 to 1,000 ° C. and requires a reaction temperature of 440 ° C. or more even in the tail gas decomposition method;

(2) 아디픽산 제조 플랜트에 적용되는 아산화질소 제거용 촉매들의 경우에도 프로세스 가스 분해법에서는 850 내지 1,000℃의 반응온도와 테일 가스 분해법에서는 500℃ 이상의 고온을 요구하는 점과;(2) Even in the case of the catalysts for removing nitrous oxide, which is applied to the adipic acid production plant, the process gas decomposition method requires a reaction temperature of 850 to 1,000 ° C and the tail gas decomposition method requires a high temperature of 500 ° C or more;

(3) 프로세스 가스 분해법 적용 시 매우 높은 수준으로 촉매의 열안정성을 요구하고 고온에서의 촉매 소결현상의 발생으로 인한 촉매의 활성상실, 수명단축 등이 야기되는 점과;(3) the application of the process gas decomposition method requires a very high level of thermal stability of the catalyst and causes the catalytic activity loss and the service life shortening due to the catalyst sintering at high temperature;

(4) 테일 가스 분해법의 경우 상대적으로 낮은 440 내지 550℃의 온도라 할지라도 대량의 배기가스를 목적하는 반응온도까지 재가열하기 위해 보조연료, 주로 천연가스를 필요로 하고 이로 인한 운전비용 증가와 이산화탄소가 추가로 발생하는 점 (4) In the case of the tail gas decomposition method, even at a relatively low temperature of 440 to 550 ° C, an auxiliary fuel, mainly natural gas, is required to reheat a large amount of exhaust gas to a target reaction temperature, The point where an additional

등을 들 수 있다.
And the like.

이상의 문제점들을 해결하고자 본 발명자들은 특허출원 제10-2011-0022098호 '배기가스 내의 아산화질소를 저온촉매환원법으로 제거하는 방법'에서 지지체에 나노입자로 지지된 0.2 내지 0.5 중량% 수준의 금, 은을 포함하는 백금족 금속 촉매의 존재 하에 환원제로서 수소를 사용하여 100 내지 200℃의 낮은 반응온도에서 아산화질소를 산업현장에서 요구하는 수준으로 고효율로 제거하는 방법을 제시하였으나, 상대적으로 높은 가격을 갖는 백금 계열의 금속만으로 이루어진 단일성분 촉매를 사용함으로 인해 촉매제조 원가가 매우 높다는 문제점을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
In order to solve the above problems, the present inventors have proposed a method of removing nitrous oxide in exhaust gas by a low-temperature catalytic reduction method in Patent Application No. 10-2011-0022098, wherein 0.2 to 0.5 wt% In the presence of a platinum group metal catalyst, hydrogen peroxide as a reducing agent at a low reaction temperature of 100 to 200 DEG C at a high efficiency to a level required in the industrial field has been proposed. However, Based catalyst composed of only a metal of the series, and thus the present invention has been accomplished.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 종래 기술의 문제점들을 극복할 뿐만 아니라, 본 발명자의 선행기술의 단점이었던 백금족 단일성분 촉매보다 제조원가 측면에서 저렴하면서도 아산화질소 제거효율을 획기적으로 향상시키기 위한 것으로, 고활성 다성분계 촉매를 제공하는 데 있다.Therefore, the object of the present invention is to overcome the above-described problems of the prior art and to significantly improve the removal efficiency of nitrous oxide, while being cheaper in terms of the production cost than the platinum group single component catalyst, which was a disadvantage of the prior art of the present inventor To provide an active multicomponent catalyst.

본 발명의 다른 목적은 상기 촉매계를 사용하여 질산이나 아디픽산 제조공장의 테일 가스 배기 위치에서, 가능한 한 낮은 반응온도에서 또, 가능한 한 아산화질소를 함유하는 배기가스를 대량으로 처리할 수 있는 높은 공간속도에서 산업적으로 요구하는 높은 90% 이상의 높은 수준으로 아산화질소 제거율을 달성하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a process for producing an exhaust gas purifying catalyst, which is capable of removing nitrogen oxides in an exhaust gas at a tail gas exhausting position of a nitric acid or adipic acid producing plant using the catalyst system, The goal is to achieve nitrous oxide removal rates as high as 90% or higher, which is industrially required at high speeds.

본 발명의 상기 목적은 나노입자크기의 백금을 지지체 표면에 지지시키고 상기 지지체 표면에 상대적으로 매우 저가인 구리를 제1성분으로서 추가하여 다성분계 구리-백금 촉매를 제조함으로써 고가인 백금의 요구량을 줄이는 동시에, 백금 표면(Pts) 및 구리 표면(Cus)에서 하기 <반응식 1> 내지 <반응식 4>가 동시에 일어나도록 하여 보다 높은 공간속도에서도 아산화질소를 환원제인 수소로 저온에서 환원시킴으로써 달성한다.The object of the present invention is to provide a method of producing a multi-component copper-platinum catalyst by supporting nanoparticle size of platinum on a support surface and adding relatively inexpensive copper as a first component to the support surface, thereby reducing the amount of expensive platinum At the same time, the following reactions 1 to 4 are simultaneously carried out on the platinum surface Pt s and the copper surface Cu s , thereby reducing the nitrous oxide to hydrogen as a reducing agent at a lower space velocity.

<반응식 1><Reaction Scheme 1>

Pts + N2O → N2 + PtsOPt s + N 2 O? N 2 + Pt s O

<반응식 2><Reaction Scheme 2>

PtsO + 3/2H2 → PtsH + H2O Pt s O + 3 / 2H 2 - > Pt s H + H 2 O

<반응식 3><Reaction Scheme 3>

Cus + ½N2O → ½Cus-O-Cus + ½N2 Cu s + ½N 2 O → ½Cu s -O-Cu s + ½N 2

<반응식 4><Reaction Scheme 4>

PtsH + ½Cus-O-Cus → Pts + Cus + ½H2OPt s H + ½Cu s -O-Cu s → Pt s + Cu s + ½H 2 O

본 발명의 상기 다른 목적은 수소를 환원제로 하여 낮은 반응온도와 높은 공간속도에서 실 현장에 적용 가능한 수준으로 질산 제조 플랜트, 아디픽산 제조 플랜트 등으로부터 배출되는 배기가스 내에 함유된 아산화질소를 제거함으로써 달성한다.The other object of the present invention is achieved by removing nitrous oxide contained in the exhaust gas discharged from a nitric acid production plant, an adipic acid production plant, etc. at a low reaction temperature and a high space velocity and at a level applicable to actual field using hydrogen as a reducing agent do.

본 발명의 또 다른 목적은 아산화질소를 제거하는 방법에서 사용되는 다성분계 촉매로서, 이산화규소, 이산화티타늄, 삼산화알루미늄, 제올라이트(ZSM-5 등), 활성탄 등의 지지체에 백금족 금속(금, 은 포함) 전구체 이온을 1차로 교환하고 여기에 다시 구리 전구체 이온을 교환한 다음 이를 환원시킨 다성분계 촉매를 사용함으로써 달성한다.
It is still another object of the present invention to provide a multicomponent catalyst for use in a method for removing nitrous oxide, which comprises a platinum group metal (including gold and silver) on a support such as silicon dioxide, titanium dioxide, aluminum trioxide, zeolite ) Precursor ions are firstly exchanged and then copper precursor ions are exchanged again, and then the precursor ions are reduced and then reduced.

본 발명에 따르면, 질산 제조 플랜트, 아디픽산 제조 플랜트 등으로부터 배출되는 배기가스 내에 다량 함유된 아산화질소를 제거함에 있어서 구리와 귀금속으로 이루어진 다성분계 촉매를 사용함으로써 단일성분 귀금속 촉매의 가격적인 문제를 해결하면서 종래의 상용 촉매공정에 비하여 훨씬 낮은 반응온도와 매우 높은 반응기 공간속도에서 수소를 환원제로 사용하여 실제 현장에 적용가능한 수준으로 아산화질소를 고효율으로 제거할 수 있다는 현저한 효과를 갖는다.According to the present invention, a multi-component catalyst made of copper and a noble metal is used to remove a large amount of nitrous oxide contained in the exhaust gas discharged from a nitric acid production plant, an adipic acid production plant, etc., The present invention has a remarkable effect that it is possible to remove nitrous oxide with high efficiency at a level applicable to actual field by using hydrogen as a reducing agent at a much lower reaction temperature and a very high reactor space velocity as compared with the conventional commercial catalytic process.

또한, 본 발명에 따르면, 본 발명자들의 특허출원 제10-2011-0022098호에 비해, 상대적으로 고가인 귀금속의 함량을 줄이면서도 훨씬 더 높은 반응기 공간속도에서도 동일하거나 그보다 높은 수준의 아산화질소 제거효율을 달성할 수 있는 효과가 있다.
Further, according to the present invention, compared to our patent application No. 10-2011-0022098, it is possible to reduce the content of noble metal which is relatively expensive, and at the same or higher level of nitrous oxide removal efficiency at a much higher reactor space velocity There is an effect that can be achieved.

도 1은 반응기의 공간속도가 389,000 h-1이고, 아산화질소 농도는 500ppm이고, 수소농도는 500ppm인 반응조건에서 반응온도를 각각 135℃와 150℃로 달리하였을 때, 지지체 이산화규소에 0.57중량% 구리와 1.13중량% 백금이 지지된 이원금속 촉매상에서의 아산화질소 제거율을 도시한 그래프이다.FIG. 1 shows that when the reaction temperature was changed from 135 ° C. to 150 ° C. under the reaction conditions of the reactor having a space velocity of 389,000 h -1 , a nitrous oxide concentration of 500 ppm and a hydrogen concentration of 500 ppm, Graph showing the nitrous oxide removal rate on a bimetallic catalyst supported with copper and 1.13 wt% platinum.

본 발명에 있어서 다성분계 촉매는 촉매성분으로 사용되는 귀금속과 구리를 지지체에 지지 또는 담지 시키는 순서에 제한받지 아니한다.
In the present invention, the multi-component catalyst is not limited to the order of supporting or supporting the noble metal and copper used as the catalyst component on the support.

본 발명에서 다성분계 촉매성분으로서, 상기 귀금속은 백금 이외에 로듐, 팔라듐 또는 루테늄을 사용할 수 있으며, 이외에도 금 또는 은을 선택할 수 있다. 다성분계 촉매성분으로서, 구리 이외에 상기에 나열된 귀금속들 중에서 선택되는 성분수에 제한받지는 아니한다.As the multicomponent catalyst component in the present invention, the noble metal may be rhodium, palladium or ruthenium in addition to platinum, and gold or silver may be selected. As the multicomponent catalyst component, the number of components selected from the above-listed noble metals other than copper is not limited.

또, 지지체로서 상기 지지체들만으로 제한받지는 않으며 보다 바람직하게는, 넓은 비표면적을 갖는 것을 선택하고 상기의 방법으로 아산화질소를 제거하는 반응에서 생성되는 물의 흡수 및 흡착 성능이 가능한 한 낮은 소수성 지지체가 더 바람직하다.
Further, the support is not limited to only the above supports, and more preferably, a hydrophobic support having as low a water absorption and adsorption performance as possible in the reaction of removing nitrous oxide by selecting the one having a broad specific surface area desirable.

한편, 지지체에 지지되는 상기 금, 은을 포함하는 귀금속의 함량은 특별히 제한받지는 않지만 지지체와 귀금속을 합한 총중량을 기준으로 0.05 내지 5중량%인 것이 바람직하고 보다 바람직하게는, 0.1 내지 2중량%를 사용한다. 귀금속의 함량이 상기한 범위보다 적을 경우에는 낮은 반응온도 및 높은 공간속도에서 실제 현장에서 요구하는 수준의 아산화질소 제거율을 달성하기 어려우며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 촉매 제조원가의 상승을 초래한다.
On the other hand, the content of the noble metal including the gold and silver supported on the support is not particularly limited, but is preferably 0.05 to 5 wt%, more preferably 0.1 to 2 wt%, based on the total weight of the support and the noble metal, Lt; / RTI &gt; When the content of the noble metal is less than the above range, it is difficult to achieve the nitrous oxide removal rate required at the actual site at a low reaction temperature and a high space velocity. When the content exceeds the above range, the catalyst production cost is increased.

그리고, 지지체에 지지되는 구리의 함량은 특별히 제한받지 않지만 지지체와 구리를 합한 총중량을 기준으로 0.1 내지 20중량%인 것이 바람직하고 보다 바람직하게는, 0.3 내지 10중량%를 사용한다. 구리의 함량이 상기한 범위보다 낮을 경우에는 다성분계 촉매성분으로서의 구리의 역할이 낮아지고 촉매 제조원가를 절감시킬 수 있는 효과가 감소하며, 상기한 범위를 초과하는 경우에는 구리의 입자크기가 너무 커지거나 구리에 의한 귀금속 성분의 덮힘 현상으로 인해 오히려 귀금속의 아산화질소 제거반응 참여도를 줄일 수 있다.The content of copper supported on the support is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 20% by weight, more preferably 0.3 to 10% by weight, based on the total weight of the support and copper. When the content of copper is lower than the above range, the role of copper as a multicomponent catalyst component is lowered and the effect of reducing the manufacturing cost of the catalyst is decreased. If the content is larger than the above range, the particle size of copper becomes too large It is possible to reduce the participation of the noble metal in the removal of nitrous oxide due to the covering of the noble metal component by copper.

본 발명에서 낮은 반응온도라 함은 기존의 상용 촉매공정(테일 가스 분해법 및 환원법)에서 통상적으로 적용되는 반응온도인 350℃보다 낮은 30 내지 300℃로 선택되는 경우이고, 보다 바람직하게는 100 내지 200℃이다. 반응온도가 100℃보다 낮으면, 반응 중에 생성되는 물이 촉매표면으로부터 원활히 탈착되지 않아 시간에 따른 반응활성이 감소하고, 반응온도가 200℃보다 높을 경우에는 배기가스(테일 가스)를 별도의 열원으로 재가열해야 하므로 운전비용이 증가하게 된다.
In the present invention, the lower reaction temperature is a temperature selected from 30 to 300 캜, which is lower than 350 캜, which is generally employed in the conventional catalytic process (tail gas decomposition and reduction), more preferably 100 to 200 / RTI &gt; When the reaction temperature is lower than 100 ° C, water generated during the reaction is not smoothly desorbed from the catalyst surface, and the reaction activity with time decreases. When the reaction temperature is higher than 200 ° C, the exhaust gas (tail gas) The operation cost is increased.

본 발명에서 공간속도는 반응기에 충진된 분말촉매 단위부피 당 배기가스 유량으로 정의된다. 본 발명에서 높은 공간속도라 함은 반응기에 충진되는 다성분계 분말촉매의 단위부피당 2종의 반응물 즉, 아산화질소와 수소를 포함하는 운반기체의 총유량으로 계산하였을 때, 50,000 내지 1,000,000 h-1로 하는 경우이고, 50,000 내지 800,000 h-1인 것이 보다 바람직하다. 50,000 h-1 미만의 공간속도에서는 아산화질소 제거율이 우수하지만 촉매소요량이 많아 촉매비용이 과다해지고, 또한 질산 제조공장, 아디픽산 제조공장 등의 실제 산업현장에서 요구하는 대량의 배기가스를 효과적으로 처리하기에는 어려움이 있다. 공간속도가 800,000 h-1보다 클 경우에는 요구되는 촉매량이 적어지기 때문에 촉매비용을 현저히 절감할 수는 있지만, 아산화질소 제거율이 낮아지는 단점이 있다.
In the present invention, the space velocity is defined as the exhaust gas flow rate per powder catalyst unit volume filled in the reactor. In the present invention, the high space velocity is calculated as the total flow rate of two kinds of reactants per unit volume of the multicomponent powder catalyst packed in the reactor, that is, carrier gas containing nitrous oxide and hydrogen, and the flow rate is 50,000 to 1,000,000 h -1 , And more preferably 50,000 to 800,000 h -1 . At a space velocity of less than 50,000 h -1, the removal rate of nitrous oxide is excellent, but the catalyst cost is excessive due to a large amount of catalyst, and in order to effectively treat a large amount of exhaust gas required in actual industrial sites such as nitric acid production plant and adipic acid production plant There is a difficulty. If the space velocity is greater than 800,000 h -1 , the amount of catalyst required can be reduced, so that the catalyst cost can be significantly reduced, but the nitrous oxide removal rate is lowered.

상기 지지체에 상기 귀금속(금, 은 포함) 및 구리를 지지시키는 방법 이른바, 촉매제조방법은 본 발명에서 이용한 방법만으로 특별히 제한되지는 않으며, 이온교환법 외에 습식담지법, 함침법, 공침법을 포함하는 침전법 등을 이용할 수 있다. 보다 바람직한 방법으로는 지지체 표면에 지지되는 귀금속 및 구리의 입자를 0.5 내지 50nm의 나노입자크기로 제조하기 위해 이온교환법을 적용할 수 있다.
The method of supporting the noble metal (including gold and silver) and copper on the support is not particularly limited by the method used in the present invention. The method of preparing the catalyst includes a wet-type supporting method, an impregnation method, Precipitation method and the like can be used. In a more preferred method, the ion exchange method may be applied to produce particles of noble metal and copper supported on the surface of the support at a nanoparticle size of 0.5 to 50 nm.

한편, 본 발명에서 "아산화질소 제거용 이원금속 촉매"란 고가의 귀금속의 중량%를 감소시키면서도 100 내지 200℃의 저온에서 아산화질소를 환원시킬 수 있는 촉매를 의미하며, 본 발명에 따른 백금족 이원금속 촉매는 백금족 귀금속만으로 구성된 촉매보다 더 높은 공간속도에서도 우수한 아산화질소 제거효율을 나타낸다.
In the present invention, the term "binary metal oxide catalyst for removing nitrous oxide" means a catalyst capable of reducing nitrous oxide at a low temperature of 100 to 200 DEG C while reducing the weight percentage of expensive noble metal, The catalyst exhibits excellent nitrous oxide removal efficiency even at higher space velocities than catalysts composed only of platinum group precious metals.

이하, 구리를 제1성분으로 하는 백금족 이원금속 촉매 상에서 배기가스 내의 아산화질소를 저온촉매환원법으로 제거하는 본 발명의 방법을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하고자 하지만 본 발명의 권리범위는 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니고 당업자간에 수치와 저가 금속의 채용, 변경 실시가 가능한데 이러한 수치와 물성이 다른 설계변경은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것은 물론이다.
Hereinafter, the method of the present invention for removing nitrous oxide in exhaust gas by a low temperature catalytic reduction method on a platinum group bimetallic catalyst having copper as a first component will be described in more detail by way of example, but the scope of the present invention is not limited to these embodiments It is needless to say that the numerical value and the low-cost metal can be adopted and changed among those skilled in the art, and design changes having different values and physical properties are included in the scope of the present invention.

<< 실시예Example >>

<< 비교예Comparative Example 1> 1>

570℃에서 4시간 동안 공기(99.999%)를 200㎤/분의 유량으로 흘려주면서 소성된 이산화규소(SiO2) 지지체에 1.13 중량%의 백금(Pt)이 담지된 촉매(1.13 중량% Pt/SiO2)는 다음과 같은 이온교환법으로 제조되었다.(1.13 wt% Pt / SiO 2 ) supported on a silicon dioxide (SiO 2 ) support with a flow rate of 200 cm 3 / min at 570 ° C. for 4 hours with air (99.999% 2 ) was prepared by the following ion exchange method.

300mL의 3차 증류수를 비이커에 넣은 후 교반하면서 수산화암모늄(NH4OH, 25 내지 28%) 용액을 몇 방울 첨가하여 pH를 9.8로 조절하였다. 여기에 소성된 이산화규소를 서서히 부가한 다음 30분 동안 충분히 혼합한 후, 백금 금속의 전구체인 테트라아민플라티늄클로라이드(Pt(NH3)4Cl2·xH2O, 99.995%) 0.284g을 3차 증류수 1mL에 녹인 용액을 서서히 가하였다. 2시간마다 주기적으로 수산화암모늄을 가하여 용액의 pH를 9.8로 8시간 동안 유지한 후, 여과기를 이용해 여과하였다. 백금 전구체가 이온교환된 상태로 있는 시료를 회수하여 120℃의 건조기에 넣고 12시간 동안 충분히 건조한 다음, 시료병에 넣어 데시케이터 내에 보관하였다.300 mL of tertiary distilled water was added to the beaker and a few drops of ammonium hydroxide (NH 4 OH, 25-28%) solution was added with stirring to adjust the pH to 9.8. The fired silicon dioxide was slowly added thereto, and the mixture was thoroughly mixed for 30 minutes. Thereafter, 0.284 g of tetraamine platinum chloride (Pt (NH 3 ) 4 Cl 2 .xH 2 O, 99.995%), which is a precursor of platinum metal, Dissolved in 1 mL of distilled water was slowly added thereto. Ammonium hydroxide was added periodically every 2 hours to maintain the pH of the solution at 9.8 for 8 hours and then filtered through a filter. The sample in which the platinum precursor was ion-exchanged was collected, placed in a dryer at 120 ° C., dried thoroughly for 12 hours, and placed in a sample bottle and stored in a desiccator.

테트라아민플라티늄 이온(Pt(NH3)4 2+)의 지지체로 이산화티타늄, 삼산화이알루미늄(Al2O3) 및 ZSM-5를 사용한 경우에는 3차 증류수 300mL의 pH를 10.1과 11.0으로 각각 조절한 것 이외에는 상기의 방법과 동일하게 제조하였다.When titanium dioxide, aluminum sesquioxide (Al 2 O 3 ) and ZSM-5 were used as supports for tetraamine platinum ions (Pt (NH 3 ) 4 2+ ), the pH of 300 mL of the third distilled water was adjusted to 10.1 and 11.0 Was prepared in the same manner as described above.

상기와 같은 제조방법으로 얻어진 이산화규소 표면에 테트라아민플라티늄 이온(Pt(NH3)4 2+)이 교환된 촉매는 반응에 사용되기 전, 아래와 같은 방법으로 환원되었다.The catalyst in which the tetraamine platinum ion (Pt (NH 3 ) 4 2+ ) was exchanged on the silicon dioxide surface obtained by the above-mentioned production method was reduced in the following manner before it was used in the reaction.

목적하는 양의 시료를 ¼″x ⅜″ 파이렉스 반응기에 넣고, 질소(99.999%)를 200㎤/분으로 흘리면서 5℃/분의 승온속도로 400℃까지 가열한 후 1시간 동안 유지하였다. 그 후 400℃에서 200㎤/분의 유량으로 수소(99.999%)를 1시간 동안 흘려주면서 Pt(NH3)4 2+을 백금 금속(Pto)으로 환원한 다음, 200㎤/분의 질소 흐름 하에서 375℃로 내리고 30분 동안 퍼지(purge)하였다. 이 질소 흐름을 유지하면서 목적하는 반응온도(110 내지 135℃)로 내린 후, 연속 흐름식 고정층 촉매반응기를 이용하여 아산화질소 제거반응을 수행하였다.The desired amount of the sample was put into a ¼ "x 10" Pyrex reactor and heated to 400 캜 at a heating rate of 5 캜 / min while flowing nitrogen (99.999%) at 200 cm 3 / min, and then maintained for 1 hour. Thereafter, Pt (NH 3 ) 4 2+ was reduced to platinum metal (Pt 0 ) while hydrogen (99.999%) was flowed at 400 ° C. at a flow rate of 200 cm 3 / min for 1 hour, Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 375 C &lt; / RTI &gt; and purged for 30 minutes. The nitrogen stream was maintained at a desired reaction temperature (110 to 135 ° C), and then a nitrous oxide removal reaction was carried out using a continuous flow fixed bed catalytic reactor.

이산화티타늄, 삼산화이알루미늄 및 ZSM-5에 이온교환된 Pt(NH3)4 2+을 백금 금속으로 환원시킬 때도 상기와 동일한 방법을 적용하였다.The same method as above was applied to the reduction of Pt (NH 3 ) 4 2+ ion-exchanged to titanium dioxide, aluminum sesquioxide and ZSM-5 to platinum metal.

연속 흐름식 고정층 반응기 내에 담지체로 사용된 이산화규소(SiO2) 및 이산화티타늄(TiO2)을 각각 0.2 내지 0.3g 충진하고, 목적하는 반응온도, 대표적으로는 110℃에서 운반가스인 질소의 흐름에 아산화질소(99.999%) 500ppm, 환원제로서 수소(99.999%) 0ppm 또는 500ppm을 흘리면서 이들이 갖는 촉매로서의 활성을 시험하였다.Silicon dioxide (SiO 2 ) and titanium dioxide (TiO 2 ) used as a support in a continuous flow type fixed-bed reactor are filled in an amount of 0.2 to 0.3 g, respectively, and a stream of nitrogen at a desired reaction temperature, typically 110 ° C., 500 ppm of nitrous oxide (99.999%) and 0 ppm or 500 ppm of hydrogen (99.999%) as a reducing agent were tested to test their activity as catalysts.

아산화질소의 농도는 열전도도 검출기와 포라팩 큐(Porapak Q) 칼럼을 장착한 기체 크로마토그래피로 분석하였으며, 아산화질소의 제거율은 하기 <계산식 1>에 따라 계산하였다.The concentration of nitrous oxide was analyzed by gas chromatography equipped with a thermal conductivity detector and a Porapak Q column, and the removal rate of nitrous oxide was calculated according to the following equation (1).

<계산식 1><Formula 1>

Figure 112012064724000-pat00001
Figure 112012064724000-pat00001

아산화질소 제거반응 동안에 촉매활성이 반응시간에 따라 감소하는 경향을 나타내는 사례가 있었기 때문에 반응시간을 또 하나의 변수로 취급하여 아산화질소 제거율을 조사하였으며, 본 발명의 비교예 1의 실험결과를 하기 <표 1>에 수록하였다.Since the catalytic activity tends to decrease with the reaction time during the nitrous oxide removal reaction, the reaction time was treated as another parameter to examine the nitrous oxide removal rate. The results of the experiment of Comparative Example 1 of the present invention are shown in the following < Table 1.

비교예 1의 결과The results of Comparative Example 1 비교예
번호
Comparative Example
number
Pt/SiO2의 Pt중량(%)Pt weight of Pt / SiO 2 (%) 아산화질소
농도(ppm)
Nitrous oxide
Concentration (ppm)
수소농도
(ppm)
Hydrogen concentration
(ppm)
반응온도
(℃)
Reaction temperature
(° C)
공간속도
(h-1)
Space velocity
(h -1 )
이산화질소 제거율(%)Nitrogen Dioxide Removal Rate (%)
반응시간(h)Reaction time (h) 00 0.10.1 0.250.25 0.50.5 1One 1One 1.131.13 500500 00 110110 388,800388,800 100100 33 00 00 00

상기 <표 1>의 비교예 1의 실험결과에서 알 수 있듯이, 본 발명에서 비교촉매로 사용된 1.13 중량% Pt/SiO2에서 환원제인 수소가 존재하지 않을 때 아산화질소 제거율은 6분 이내에 5% 이하로 감소하였고, 15분 이후부터는 아산화질소 제거성능을 나타내지 않았다.
As can be seen from the results of the experiment of Comparative Example 1 in Table 1, when the reducing agent, hydrogen, was not present in 1.13 wt% Pt / SiO 2 used as a comparative catalyst in the present invention, the nitrous oxide removal rate was 5% And no nitrous oxide removal performance was observed after 15 minutes.

<< 비교예Comparative Example 2와  2 and 비교예Comparative Example 3> 3>

상기에서 제조된 1.13 중량% Pt/SiO2 촉매를 388,800 h-1의 공간속도(분말 기준)와 500ppm의 환원제 수소와 500ppm의 아산화질소인 반응조건 하에 각각 110℃와 135℃의 반응온도에서 아산화질소 제거율을 조사하였고, 하기 <표 2>에 그 결과를 기재하였다.The 1.13 wt% Pt / SiO 2 catalyst prepared above was reacted at a reaction temperature of 110 DEG C and 135 DEG C under a reaction condition of a space velocity of 388,800 h < -1 > (powder basis), 500 ppm of hydrogen reducing agent and 500 ppm of nitrous oxide, The removal rate was examined, and the results are shown in Table 2 below.

비교예 2와 비교예 3의 결과 The results of Comparative Example 2 and Comparative Example 3 비교예
번호
Comparative Example
number
Pt/SiO2의 Pt
중량(%)
Pt / SiO 2 Pt
weight(%)
아산화
질소농도
(ppm)
Suboxide
Nitrogen concentration
(ppm)
수소
농도
(ppm)
Hydrogen
density
(ppm)
반응온도
(℃)
Reaction temperature
(° C)
공간속도
(h-1)
Space velocity
(h -1 )
이산화질소 제거율(%)Nitrogen Dioxide Removal Rate (%)
반응시간(h)Reaction time (h) 00 1One 33 55 1515 2525 3535 4040 22 1.131.13 500500 500500 110110 388,800388,800 100100 1111 66 44 22 1One 22 1One 33 1.131.13 500500 500500 135135 388,800388,800 100100 2222 1616 1414 77 55 33 22

상기 <표 2>의 비교예 2와 비교예 3의 결과에서 알 수 있듯이, 110℃의 반응온도에서 반응개시와 함께 100%의 제거율을 보이지만, 반응시간 경과와 함께 제거율은 급속히 감소하여 3시간 이후부터는 5% 이하의 아산화질소 제거율을 보였다. 135℃에서는 110℃보다 높은 아산화질소 제거율을 보여주고 있으나, 실 질산 제조공장이나 아디픽산 제조공장으로부터 배출되는 배기가스 내의 아산화질소를 제거하는 촉매로 사용하기에는 전반적으로 활성수준이 낮았다.
As can be seen from the results of Comparative Example 2 and Comparative Example 3 shown in Table 2, the removal rate was 100% with the initiation of reaction at the reaction temperature of 110 ° C., but the removal rate rapidly decreased with the elapse of the reaction time, Showed a nitrous oxide removal rate of 5% or less. Although the removal rate of nitrous oxide is higher than 110 ° C at 135 ° C, the activity level is generally low for use as a catalyst for removing nitrous oxide in the exhaust gas discharged from a nitric acid manufacturing plant or an adipic acid manufacturing plant.

<< 실시예Example 1 내지  1 to 실시예Example 3> 3>

본 발명에서 사용한 구리와 귀금속으로 이루어진 이원금속 촉매들은 아래와 같은 방법으로 제조되었다.
Bimetallic catalysts composed of copper and a noble metal used in the present invention were prepared as follows.

상기 <비교예 1>에서 기술한 바와 같이, 먼저 이산화규소 지지체에 0.1 내지 1.5중량%의 백금이 이온교환된 촉매들을 제조한 후에, 이를 <비교예 1>에서 설명한 바와 유사한 방법으로 수소로 환원시켜 0.1 내지 1.5중량%의 Pt/SiO2 촉매를 얻었다. 여기에 목적하는 함량 0.1 내지 5중량%의 구리를 추가로 지지시키기 위하여, 구리 금속의 전구체인 질산구리(Cu(NO3)2·xH2O, 99.999%) 일정량을 3차 증류수 300mL가 들어 있는 비이커에 넣은 후 교반하면서 상기 환원된 0.1 내지 1.5중량%의 Pt/SiO2 촉매를 질산구리 용액 속으로 서서히 투여하였다. 활발한 교반과 함께 이를 8시간 동안 유지한 후 여과기를 이용해 여과하고, 이것을 회수하여 120℃의 건조기에 넣고 12시간 동안 충분히 건조함으로써 이산화규소에 지지된 목적하는 중량%의 구리-백금 촉매를 얻었다. 이하, Cu-Pt/SiO2 촉매로 칭한다.
As described in <Comparative Example 1>, first, 0.1 to 1.5% by weight of platinum ion-exchanged catalysts were prepared on a silicon dioxide support, and then reduced with hydrogen in a manner similar to that described in <Comparative Example 1> of 0.1 to 1.5 wt.% Pt / SiO 2 Catalyst. To further support 0.1 to 5% by weight of copper, a predetermined amount of copper nitrate (Cu (NO 3 ) 2 .xH 2 O, 99.999%), which is a precursor of copper metal, was added to a solution containing 300 mL of tertiary distilled water And then the reduced 0.1 to 1.5 wt% Pt / SiO 2 catalyst was slowly added to the copper nitrate solution while stirring in a beaker. This was stirred for 8 hours with vigorous stirring, filtered through a filter, recovered, and placed in a dryer at 120 ° C. for 12 hours to obtain a copper-platinum catalyst of the desired weight percentage supported on the silicon dioxide. Hereinafter, it is referred to as a Cu-Pt / SiO 2 catalyst.

이산화규소 외의 지지체로 이산화티타늄, 삼산화이알루미늄 및 ZSM-5를 사용한 경우에도 상기한 방법과 동일하게 제조되었다.Titanium dioxide, aluminum sesquioxide and ZSM-5 as substrates other than silicon dioxide were also prepared in the same manner as described above.

상기의 제조방법으로 얻어진 Cu-Pt 촉매들은 아산화질소 제거반응을 수행하기 전에 아래와 같은 방법으로 환원되었다.
The Cu-Pt catalysts prepared by the above process were reduced in the following manner before performing the nitrous oxide removal reaction.

목적하는 양의 촉매분말 시료를 ¼″x ⅜″파이렉스 반응기에 넣고, 질소(99.999%)를 200㎤/분으로 흘리면서 5℃/분의 승온속도로 300℃까지 가열한 후 1시간 동안 유지하였다. 그 후 300℃에서 200㎤/분의 유량으로 수소(99.999%)를 4시간 동안 흘려주면서 지지체에 지지된 구리 이온과 백금 이온을 구리 금속(Cuo)과 백금 금속(Pto)으로 환원한 다음 200㎤/분의 질소 흐름에서 30분 동안 유지되었다. 이 질소 흐름을 유지하면서 목적하는 반응온도 90 내지 150℃로 내린 후 목적하는 반응조건에서 아산화질소 제거율을 측정하였다.
A desired amount of the catalyst powder sample was placed in a ¼ "x 10" Pyrex reactor and heated to 300 캜 at a heating rate of 5 캜 / min while flowing nitrogen (99.999%) at 200 cm 3 / min, and then maintained for 1 hour. Thereafter, hydrogen (99.999%) was flowed at 300 ° C at a flow rate of 200 cm 3 / min for 4 hours, and the copper ions and platinum ions supported on the support were reduced to copper (Cu 0 ) and platinum (Pt 0 ) Lt; RTI ID = 0.0 &gt; cm3 / min. &Lt; / RTI &gt; While the nitrogen flow was maintained, the target reaction temperature was lowered to 90 to 150 DEG C, and the nitrous oxide removal rate was measured under the desired reaction conditions.

상기한 바와 같이 제조 및 환원된 각기 다른 중량%의 Cu-Pt/SiO2 촉매들의 아산화질소 제거율은 110℃의 반응온도, 388,800h-1의 공간속도, 500ppm의 아산화질소 농도 및 500ppm의 수소농도인 반응조건에서 조사되었다.
The nitrous oxide removal rates of different weight percent Cu-Pt / SiO 2 catalysts prepared and reduced as described above were measured at a reaction temperature of 110 ° C, a space velocity of 388,800 h -1 , a nitrous oxide concentration of 500 ppm and a hydrogen concentration of 500 ppm The reaction conditions were investigated.

하기 <표 3>의 실시예 1의 결과에서 알 수 있듯이, 0.57중량% Cu-1.13중량% Pt/SiO2 촉매는 반응개시 1시간 이후부터 25시간 동안이라고 할지라도 활성감소없이 94%의 이산화질소 제거율을 보여주었다. 상기 <표 2>의 비교예 2에서와 동일한 1.13중량%의 Pt/SiO2 촉매의 경우에 동일한 반응조건에서 반응개시 후 3시간 이후부터 5% 이하의 아산화질소 제거율을 보인 결과와 비교해 보면, 소량의 구리가 첨가됨으로써 아산화질소 제가반응이 매우 촉진되는 것을 알 수 있었다.As can be seen from the results of Example 1 shown in Table 3 below, the 0.57 wt% Cu-1.13 wt% Pt / SiO 2 catalyst showed 94% NO 2 removal efficiency . Compared to the results of the same 1.13 wt% Pt / SiO 2 catalyst as in Comparative Example 2 in Table 2, the removal rate of nitrous oxide was 5% or less after 3 hours from the initiation of the reaction under the same reaction conditions, Of copper was added, so that the reaction of the nitrous oxide was very accelerated.

실시예 1 내지 실시예 3의 결과 Results of Examples 1 to 3 실시예
번호
Example
number
Cu-Pt/SiO2의 Cu와
Pt 중량(%)
Cu with Cu-Pt / SiO 2
Pt weight (%)
아산화
질소농도
(ppm)
Suboxide
Nitrogen concentration
(ppm)
수소
농도
(ppm)
Hydrogen
density
(ppm)
반응온도
()
Reaction temperature
( ° C )
공간속도
(h-1)
Space velocity
(h -1 )
아산화질소 제거율(%)Nitrous oxide removal rate (%)
반응시간(h)Reaction time (h) CuCu PtPt 00 1One 33 55 1515 2525 1One 0.570.57 1.131.13 500500 500500 110110 388,800388,800 100100 9393 9494 9393 9393 9494 22 1.841.84 1.131.13 500500 500500 110110 388,800388,800 100100 100100 100100 100100 100100 100100 33 3.013.01 1.131.13 500500 500500 110110 388,800388,800 100100 100100 100100 100100 100100 100100

상기 <표 3>의 실시예 2와 실시예 3의 결과에서는 구리의 중량%를 증가시켰을 때 반응시간의 경과에 따른 이산화질소 제거율을 보여주고 있는데, 구리의 함량이 1.84중량%에서 보다 높은 아산화질소 제거율을 나타내고, 이보다 더 높은 3.01중량%의 Cu-Pt 촉매 상에서도 100%의 촉매활성을 나타냈다.
The results of Example 2 and Example 3 in Table 3 show the nitrogen dioxide removal rate with the elapse of the reaction time when the weight percentage of copper is increased. When the copper content is higher than 1.84% by weight, , And exhibited a catalytic activity of 100% even on a 3.01 wt% Cu-Pt catalyst, which was higher than this.

<< 실시예Example 4 내지  4 to 실시예Example 6> 6>

하기 <표 4>의 실시예 5와 실시예 6의 결과에서는 반응온도를 달리하였을 때의 0.57중량% Cu-1.13중량% Pt/SiO2 촉매의 아산화질소 제거율을 보여주고 있다. 실시예 4의 결과에서 알 수 있듯이, 90℃의 반응온도에서 아산화질소 제거율은 반응시간의 경과와 함께 서서히 감소하여, 25시간에서는 36%의 제거효율을 보였다. 110℃보다 높은 125℃와 135℃의 반응온도에서는 모두 반응시간에 관계없이 25시간의 반응 동안에 100%의 아산화질소 제거율을 안정적으로 나타냈고, 도 1은 반응기의 공간속도가 389,000 h-1이고, 아산화질소 농도는 500ppm이고, 수소농도는 500ppm인 반응조건에서 반응온도를 각각 135℃와 150℃로 달리하였을 때, 지지체 이산화규소에 0.57중량% 구리와 1.13중량% 백금이 지지된 이원금속 촉매 상에서의 아산화질소 제거율을 도시하는 그래프이다. The results of Example 5 and Example 6 in Table 4 below show the nitrous oxide removal rate of 0.57 wt% Cu-1.13 wt% Pt / SiO 2 catalyst at different reaction temperatures. As can be seen from the results of Example 4, at a reaction temperature of 90 ° C, the nitrous oxide removal rate gradually decreased with the elapse of the reaction time, and showed a removal efficiency of 36% at 25 hours. And the reaction temperature of higher than 125 ℃ and 135 ℃ 110 ℃ pulled reliably receive all the nitrous oxide removal rate of 100% during the reaction of 25 hours, regardless of the reaction time, 1 is the space velocity of the reactor 389,000 h -1, When the reaction temperature was changed from 135 ° C to 150 ° C under the reaction conditions of 500 ppm of N 2 O and 500 ppm of hydrogen, the reaction was carried out on a binary metal catalyst supported with 0.57% by weight of copper and 1.13% A graph showing the nitrous oxide removal rate.

실시예 4 내지 실시예 6의 결과Results of Examples 4 to 6 실시예
번호
Example
number
Cu-Pt/SiO2의 Cu와
Pt 중량(%)
Cu with Cu-Pt / SiO 2
Pt weight (%)
아산화
질소농도
(ppm)
Suboxide
Nitrogen concentration
(ppm)
수소
농도
(ppm)
Hydrogen
density
(ppm)
반응온도
(℃)
Reaction temperature
(° C)
공간속도
(h-1)
Space velocity
(h -1 )
아산화질소 제거율(%)Nitrous oxide removal rate (%)
반응시간(h)Reaction time (h) CuCu PtPt 00 1One 33 55 1515 2525 44 0.570.57 1.131.13 500500 500500 9090 388,800388,800 100100 7474 5959 5252 4343 3636 55 0.570.57 1.131.13 500500 500500 125125 388,800388,800 100100 100100 100100 100100 100100 100100 66 0.570.57 1.131.13 500500 500500 135135 388,800388,800 100100 100100 100100 100100 100100 100100

<< 실시예Example 7 내지  7 to 실시예Example 9> 9>

하기 <표 5>의 실시예 7 내지 실시예 9의 결과는 공간속도를 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 반응조건, 즉 110℃의 반응온도, 500ppm의 아산화질소 농도 및 500ppm의 수소농도 하에서 공간속도를 변화시켰을 때의 아산화질소 제거율을 보여주고 있다. 실시예 1에서 이용한 388,800 h-1의 공간속도보다 낮은 364,500 h-1의 공간속도에서는 기대되는 대로 100%의 아산화질소 제거율을 보였고, 388,800 h-1보다 높은 공간속도인 486,000 h-1과 583,200 h-1의 공간속도에서는 각각 78%와 52% 정도의 아산화질소 제거율을 25시간 동안 안정적으로 유지하였다.The results of Examples 7 to 9 in the following Table 5 were obtained under the same reaction conditions as in Example 1 except for the space velocity, that is, at a reaction temperature of 110 DEG C, a nitrous oxide concentration of 500 ppm and a hydrogen concentration of 500 ppm, It shows the nitrous oxide removal rate when the speed is changed. In Example 1, a space velocity of 388,800 h -1 lower than 364,500 h -1 of the space velocity used in the showed the nitrous oxide removal rate of 100%, as expected, a high space velocity of 388,800 h -1 than 486,000 h -1 to 583,200 h -1 in the space velocity of 78% and 52%, respectively.

실시예 7 내지 실시예 9의 결과Results of Examples 7 to 9 실시예
번호
Example
number
Cu-Pt/SiO2의 Cu와
Pt 중량(%)
Cu with Cu-Pt / SiO 2
Pt weight (%)
아산화
질소농도
(ppm)
Suboxide
Nitrogen concentration
(ppm)
수소
농도
(ppm)
Hydrogen
density
(ppm)
반응온도
(℃)
Reaction temperature
(° C)
공간속도
(h-1)
Space velocity
(h -1 )
아산화질소 제거율(%)Nitrous oxide removal rate (%)
반응시간(h)Reaction time (h) CuCu PtPt 00 1One 33 55 1515 2525 77 0.570.57 1.131.13 500500 500500 110110 364,500364,500 100100 100100 100100 100100 100100 100100 88 0.570.57 1.131.13 500500 500500 110110 486,000486,000 100100 7878 7878 7676 7777 7878 99 0.570.57 1.131.13 500500 500500 110110 583,200583,200 100100 5353 5151 4949 5252 5353

<< 실시예Example 10과  10th 실시예Example 11> 11>

하기 <표 6>의 실시예 10과 실시예 11의 결과에서는 촉매를 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 반응조건, 즉 110℃의 반응온도, 500ppm의 아산화질소 농도, 500ppm의 수소농도 및 388,800 h-1의 공간속도 하에서 0.48중량% Cu-1.21중량% Pt/Al2O3 촉매 및 0.52중량% Cu-1.04중량% Pt/ZSM-5 촉매의 아산화질소 제거율을 반응시간의 함수로 보여주고 있다. 실시예 10에서는 83% 정도의 아산화질소 제거율을 25시간 동안 안정적으로 관찰할 수 있었고, 실시예 11에서는 77% 정도의 아산화질소 제거율을 얻을 수 있었다.In the results of Example 10 and Example 11 shown in Table 6 below, the same reaction conditions as in Example 1 except for the catalyst, namely, the reaction temperature of 110 ° C, the concentration of nitrous oxide of 500 ppm, the hydrogen concentration of 500 ppm and the hydrogen concentration of 388,800 h The removal rate of nitrous oxide of 0.48 wt% Cu-1.21 wt% Pt / Al 2 O 3 catalyst and 0.52 wt% Cu-1.04 wt% Pt / ZSM-5 catalyst under a space velocity of -1 is shown as a function of reaction time. In Example 10, the nitrous oxide removal rate of about 83% was observed stably for 25 hours, and in Example 11, the nitrous oxide removal rate of about 77% was obtained.

실시예 10과 실시예 11의 결과Results of Example 10 and Example 11
실시예
번호

Example
number

촉매

catalyst
아산화
질소농도
(ppm)
Suboxide
Nitrogen concentration
(ppm)
수소
농도
(ppm)
Hydrogen
density
(ppm)
반응
온도(℃)
reaction
Temperature (℃)
공간
속도
(h-1)
space
speed
(h -1 )
아산화질소 제거율(%)Nitrous oxide removal rate (%)
반응시간(h)Reaction time (h) 00 1One 33 55 1515 2525 1010 0.48중량% Cu-
1.21중량% Pt/Al2O3
0.48 wt% Cu-
1.21 wt% Pt / Al 2 O 3
500500 500500 110110 388,800388,800 100100 8383 8484 8282 8181 8383
1111 0.52중량% Cu-
1.04중량% Pt/ZSM-5
0.52 wt% Cu-
1.04 wt% Pt / ZSM-5
500500 500500 110110 388,800388,800 100100 7777 7575 7676 7878 7676

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 저가 금속인 구리를 제 1성분으로 구성하는 백금족 이원금속 촉매상에서 수소를 환원제로 하여 가스 익스팬더 후단의 배기가스에 함유된 아산화질소를 저온 및 고공간속도에서 효과적으로 제거하는 뛰어난 효과가 있으므로 온실가스사용 감축과 관련한 녹색기술산업상 매우 유용한 발명인 것이다.As described above, the present invention can effectively remove nitrous oxide contained in exhaust gas downstream of a gas expander at a low temperature and a high space velocity using hydrogen as a reducing agent on a platinum group binary metal catalyst composed of a copper as a low-cost metal as a first component It is a very useful invention in the green technology industry related to the reduction of greenhouse gas use because of its excellent effect.

Claims (7)

삭제delete 나노입자크기의 백금족 귀금속을 지지체 표면에 지지시키고, 이를 환원시킨 후 구리를 제1성분으로 추가하고 다시 환원하여, 아산화질소 제거반응이 구리와 백금족 귀금속 표면에서 동시에 일어나도록 하는 가스 익스팬더 후단의 배기가스 중 아산화질소 제거용 다성분계 구리-백금족 촉매를 촉매반응기 내에 충진하고 환원제를 주입하는 것을 특징으로 하여, 고가인 백금의 요구량을 줄이는 동시에, 100℃ ∼ 200℃의 반응온도와 50,000h-1 ∼ 800,000h-1의 반응기 공간속도에서, 질산, 아디픽산 제조 플랜트 등으로부터 배출되는 배기가스 중의 아산화질소를 제거하는 것이 특징인 저온촉매 환원방법.The noble metal of the noble metal size is supported on the support surface and is reduced and then copper is added as the first component and reduced again so that the nitrous oxide removal reaction occurs simultaneously on the copper and platinum group noble metal surfaces. And a reducing agent is injected into the catalytic reactor to reduce the amount of expensive platinum, and at the same time, the reaction temperature of 100 ° C to 200 ° C and the reaction temperature of 50,000 h -1 to 800,000 at a reactor space velocity of h -1 , nitrous oxide in the exhaust gas discharged from a nitric acid, adipic acid production plant or the like is removed. 제2항에 있어서, 상기 환원제가 수소임을 특징으로 하는 아산화질소를 제거하는 저온촉매 환원방법.The low temperature catalyst reduction method according to claim 2, wherein the reducing agent is hydrogen. 제2항에 있어서, 상기 다성분계 구리-백금족 촉매는 백금족 귀금속의 함량이 지지체와 귀금속을 합한 총중량을 기준으로 0.05 내지 5중량%인 것을 특징으로 하는 아산화질소를 제거하는 저온촉매 환원방법.The low-temperature catalyst reduction method according to claim 2, wherein the multicomponent copper-platinum group metal catalyst comprises 0.05 to 5% by weight of platinum group noble metal based on the total weight of the support and noble metals. 제2항에 있어서, 상기 다성분계 구리-백금족 촉매는 제1성분인 구리의 함량이 지지체와 구리를 합한 총중량을 기준으로 0.1 내지 20중량%인 것을 특징으로 하는 아산화질소를 제거하는 저온촉매 환원방법.The method of claim 2, wherein the multicomponent copper-platinum group metal catalyst is a low-temperature catalyst reduction method for removing nitrous oxide, wherein the content of copper as a first component is 0.1 to 20% by weight based on the total weight of the support and copper . 삭제delete 삭제delete
KR1020120088486A 2012-08-13 2012-08-13 A method for low-temperature reduction of nitrous oxide using a reductant over platinum group bi-metallic catalysts containing copper as a primary component KR101419041B1 (en)

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