KR101641212B1 - 막대 형상을 갖는 다목적용 촉매 성형방법 및 이의 방법으로 제조된 촉매. - Google Patents
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Abstract
본 발명은 막대 등 다양한 형상을 갖는 촉매를 성형하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 젤리와 같은 세라믹 후막을 판상으로 제조한 후 다양한 형태와 크기로 촉매를 절단한 다음, 소결처리를 하여 원하는 크기 및 형상으로 신속하고 대량으로 성형할 수 있는 촉매 제조방법에 관한 것이다. 이러한 촉매는 금속산화물 분말과, 바인더, 탈이온수를 첨가한 후, 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리에 첨가되는 분말의 첨가량을 조절하여 PH 및 슬러리의 점성을 조절하는 단계, 슬러리를 혼합기에서 혼합한 후, 탈이온수를 제거하여 반건조 상태를 형성하는 단계, 상기 반건조 상태의 슬러리를 50~70℃에서 2~5시간 건조기에 유지시켜 건조하는 단계, 상기 건초된 촉매를 제1, 2차 가열처리를 하여 소결하는 단계;로 이루어지는 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 막대 등 다양한 형상을 갖는 촉매를 성형하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 조형틀을 이용하여 젤리와 같은 세라믹 후막을 판상으로 제조한 후 다양한 형태와 크기로 촉매를 절단한 다음, 두 단계의 소결처리를 거쳐 원하는 크기 및 형상으로 신속하고 대량으로 성형할 수 있는 다목적용 촉매 제조방법에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 탄소수소의 연료와 산소나 공기의 산화제를 이용하여 화학에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 이러한 연료전지는 기본적으로 시스템을 구성하기 위하여 스택(STACK), 연료처리장치(FUEL PROCESSOR), 연료탱크, 연료펌프 등을 구비한다. 연료탱크 내의 연료를 연료펌프로 연료처리장치에 공급하고 연료처리장치는 공급된 연료를 개질 및 전환하여 수소를 발생시키고 그 수소를 스택으로 공급한다. 스택에서는 상기 수소를 공급받아 산소와 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.
이러한 연료전지에 공급연료로 탄화수소가 포함된 도시가스가 이용될 경우, 일반적으로 탄소수소 내에는 미량의 황이 포함되어 있는 것은 물론 사용되는 도시가스에는 부취제로 작용하는 황 화합물인 TBM(Tertiary Butyl Mercaptan)과 THT(Tetrahydrothiophene)가 3:7의 비율로 약 15ppm 함유되어 있기 때문에, 연료전지의 연료극 뿐만 아니라 연료 개질 촉매의 황피독이 필연적으로 발생하게 되어 연료전지의 성능감소 뿐만 아니라 연료개질기를 포함한 연료전지 시스템의 성능하락의 주요인이 된다. 따라서 황이 포함된 연료를 연료전지로 사용하기 위해서는 상기 황화물의 제거가 필수적이다.
이와 같이, 탄화수소 내에 소량으로 존재하는 황을 제거하기 위하여 연료전지에는 탈황촉매가 제공되어야 하며, 종래에는 국내 공개특허공보 10-2013-0072520호(2013.07.02)와 같이 여러 재질의 담체를 성형과정에서 이용하여 고온에서 사용 가능한 다공질 금속필터를 제조하거나, 국내 공개특허공보 특1999-014412호(1999.02.25)와 같이 플라이 애쉬 및 규조토를 포함하는 다공성 미생물 세라믹 담체를 제조하여 악취를 제거하였으며, 일본 공개특허공보 평9-164334호(1997.06.24)는 무기산화물의 담체 상에 몰리브덴을 산화물로 함유시켜 건조, 소성한 후에 니켈 등 기타물질을 첨가하여 다시 소성하여 탈황용 촉매로 사용하였으나, 이러한 촉매들은 성형 시, 프레스 방법을 이용하여 제작하기 때문에 형태 및 그 크기에 제한이 있게 된다.
종래에는 탈황이나 탈취를 목적으로 하는 촉매를 제작하기 위해서는 일반적으로 프레스 방법을 이용하여 촉매 형상 및 크기를 용도에 맞게 제작하고 있으나, 이 경우에 제조되는 촉매의 크기를 조절하기도 용이하지 않다. 또한, 프레스 가공의 경우 소형이거나 복잡한 형상을 갖는 촉매를 제조하기에 어려운 문제점이 있었던 것이다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 막대와 같은 초콜릿 바 형상을 갖는 판상의 모습으로 젤리와 같이 부드럽고 휘어지기 쉬운 세라믹 후막을 제작하여 다양한 형태와 크기로 절단한 다음, 소결과 같은 가열처리를 통해서 일정한 경도를 갖는 촉매를 제공하기 위한 것이다.
위에서 설명된 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 예시의 목적을 위하여 개시된 것이고, 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능한 것으로 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일실시예와 관련되는 초콜릿 바 형태를 갖는 다목적용 촉매를 성형하는 방법에 있어서, 금속산화물 분말과, 촉매 지지체 산화물 분말, 소결촉진제 및 탈이온수를 첨가한 후, 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리에 첨가되는 탈이온수 및 분말의 첨가량을 조절하여 pH 및 슬러리 점성을 조절하는 단계, 슬러리를 혼합기에서 혼합한 후, 탈이온수를 제거하여 젤리 형태의 반건조 상태를 형성하는 단계, 상기 반건조 상태의 슬러리를 50~70℃에서 2~5시간 건조기에 유지시켜 건조하는 단계, 상기 건조된 촉매를 제1, 2차 열처리를 통하여 소결하는 단계로 이루어진 다목적용 촉매 성형방법에 특징이 있는 것이다.
또한 구체적으로는, 상기 건조하는 단계 전에 펀칭이나 나이프로 절단하는 단계를 더 포함하는 것에 특징이 있는 다목적용 촉매 성형방법에 관한 것이다.
또한 구체적으로는, 상기 점성을 조절하는 단계에서 pH는 6 내지 8 범위 내인 것에 특징이 있는 다목적용 촉매 성형방법에 관한 것이다.
또한 구체적으로는, 상기 금속산화물 분말은 10~50 wt%, 소결촉진제 0.1~5 wt% 잔부 촉매 지지체 산화물 분말인 것에 특징이 있는 다목적용 촉매 성형방법에 관한 것이다.
또한 구체적으로는, 상기 제1차 열처리는 250~500℃에서 1~3시간 유지하는 것에 특징이 있는 다목적용 촉매 성형방법에 관한 것이다.
또한 구체적으로는, 상기 제2차 열처리는 500~1000℃에서 1~3시간 유지하는 것에 특징이 있는 다목적용 촉매 성형방법에 관한 것이다.
또한 구체적으로는, 상기 바인더는 수계 결합제인 것에 특징이 있는 다목적용 촉매 성형방법에 관한 것이다.
또한 구체적으로는, 상기 혼합기는 지르코니아 볼을 사용하는 볼밀인 것에 특징이 있는 다목적용 촉매 성형방법에 관한 것이다.
이와 더불어, 위의 성형방법으로 제조된 다목적용 촉매에 관한 것이다.
위에서 제시하고 있는 촉매를 제작하기 위해서, 본 발명의 일실시예와 관련된 초콜릿 바 형상을 갖는 다목적용 촉매 성형방법은 넓은 판상의 젤리 타입의 반 응고된 촉매를 펀칭을 이용하거나 나이프로 절단하여 원하는 크기나 형상으로 제조할 수 있는 것은 물론, 간단한 형상의 작은 세라믹 성형체를 신속하게 대량으로 제조할 수 있는 것이다. 게다가, 열처리 시 적당한 바인더 물질을 첨가하면서 열처리를 실시할 수 있어 완성된 촉매의 기공량을 적절하게 조절할 수도 있다.
본 발명의 도1의 (a)~(d)는 다목적용 촉매 제조과정을 순서대로 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 건조 및 열처리 이후의 완성된 촉매를 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명의 건조 및 열처리 이후의 완성된 촉매를 촬영한 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 할 수 있는 공지의 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1의 (a)~(d)는 본 발명의 실시예에 따른 다목적용 촉매 제조과정을 순서대로 나타낸 도면으로서, 도 1에 도시한 바와 같이, HDX(Hydro De Sulfurization) 촉매의 지지체 산화물과 촉매 산화물을 탈이온수와 혼합하여 슬러리 형태로 제작한 후, 지르코니아 볼을 사용하는 볼밀을 이용하여 균일하게 혼합한 슬러리 상태의 촉매를 제조하였다. 탈이온수의 양은 투입되는 금속산화물 분말, 촉매 지지체 산화물 분말 등 바인더 시스템의 종류를 고려하여 pH를 조절하면서 투입하며, pH의 변화에 따라 슬러리의 점성에 변화가 발생되므로 원하는 점성을 가질 수 있도록 탈이온수의 양을 조절하면서 투입한다. 또한, 슬러리의 점성에 따라 촉매 소결 시 형상에 변화를 야기할 수 있으므로 슬러리의 제조과정에서 첨가물에 대한 탈이온수의 첨가량을 조절하여 슬러리의 pH를 조절한다.
슬러리에 첨가되는 각 분말들의 첨가량은 금속산화물 분말 10~50 wt%, 소결촉진제 분말 0.1~5 wt%, 잔부가 촉매 지지체 산화물로 이루어진 것으로 칭량된 분말에 탈이온수를 혼합하여 슬러리를 제조하는 것이다. 금속산화물로는 탈황촉매로 이용되는 NiO 뿐만 아니라 MoO3, CoO, NiO 등의 금속산화물이 혼합되어 첨가될 수 있다. 단독 또는 혼합된 금속산화물이 10 wt% 이하로 첨가되면 촉매로서의 기능이 현저하게 감소하며, 50 wt% 이상 첨가되면 촉매의 강도가 약화되어 부스러짐성이 나빠지게 된다. 소결촉진제는 SiO2가 0.1~5 wt% 첨가되며, 소결촉진제가 0.1 wt% 미만으로 첨가되면 소결 촉진에 대한 효과가 거의 없으며, 5 wt%를 초과하면 완성된 촉매의 소결 촉진에 따라 강도가 너무 높아 촉매로서의 기능이 떨어지게 된다. 촉매 지지체 산화물은 제조된 촉매가 적절한 형태와 강도를 유지하기 위한 것으로 금속산화물 분말의 첨가량에 따라 조절되는 것이다.
본 발명에서는 최종 소결 촉매의 형상에 영향을 주지 않기 위해서 슬러리의 준비단계시 pH를 7로 유지하였으며, 이는 탈이온수 첨가를 통해서 조절이 가능하다. pH가 6 미만인 경우에는 바인더 시스템이 pH에 영향을 받음에 따라 전체 슬러리의 점도가 낮아지고, 소결이전의 촉매 형성에 시간이 많이 소비될 뿐만 아니라 목적하는 최종 소결체의 형상에 도달하지 못하게 된다. 반면 슬러리의 pH가 8을 초과하는 경우에는 점성이 높아지게 되어 젤리타입의 판 형태를 유지하는데 어려움이 발생한다. 따라서 pH에 따라 추가로 공급되는 바인더가 존재하며, 이로 인해서 제조하는 순서가 달라지며, 이는 pH 값 7을 기준으로 첨가되는 바인더와 그 제조방법이 달라진다.
pH를 조절하여 적절한 점성을 갖는 슬러리 촉매를 조형틀로 이동한 후, 이를 도1의 (b)와 같이 조형틀 내에 투입하고 탈이온수를 제거하여 젤리와 같은 반 건조 상태의 촉매를 형성하였다. 반 건조된 상태의 촉매를 50~70℃의 온도에서 2~4시간 재건조하여 도1의 (c)의 사진에서 보듯이 탈이온수를 제거하였다. 반 건조된 촉매를 70℃ 이상에서 건조하는 경우에는 탈이온수를 빠른 시간 내에 제거할 수 있으나, 표면에 크랙 및 기공(Void)이 발생하여 최종 소결체의 형상에 영향을 미치게 되며, 50℃ 이하에서는 탈이온수가 2~4시간 내에 원하는 양 만큼 제거되지 않게 된다. 건조된 판상의 슬러리를 펀칭을 이용할 수 있으며 막대 형태의 촉매를 제작할 경우 날카로운 표면을 갖는 도구를 이용하여 도1의 (d)와 같이 일정한 크기 및 형태로 절단한다.
일정한 크기로 절단된 초콜릿 형태의 촉매시편은 2차에 걸쳐 열처리를 실시한다. 제1차 열처리는 250~350℃℃에서 1~3시간 동안 유지하며 이때 분당 5℃의 승온 조건을 이용하여 천천히 열처리를 실시한다. 이와 같이 250~350℃의 온도에서 가열처리 하는 이유는 바인더 시스템을 구성하고 있는 고분자 수계 결합제를 제거하고자 하는 것으로 소결을 위한 전처리 과정으로 반 소결 상태를 유지하기 위한 것이다. 제1차 열처리를 거친 후 반 소결 상태의 촉매시편을 가열하여 제2차 열처리를 실시한다. 제2차 열처리는 500~800℃에서 1~3 시간 동안 유지하는 것으로 첨가되는 산화물 파우더가 소결되어 도2의 사진과 같이 완성된 촉매가 되는 것이다.
이와 같은 방법으로 간단한 형상의 세라믹 성형체를 대량으로 제조할 수 있는 탈황촉매는 분리가 어려운 탄소수소 내의 황 화합물을 용이하게 분리할 수 있어 연료전지 시스템을 완성할 수 있는 주요 부품인 탈황기를 포함한 액체 및 기체연료 개질기의 촉매로 적용될 경우 효율 향상에 기여할 수 있다. 동시에 이러한 탈황촉매를 포함한 액체연료 개질기를 상용화할 경우, 이를 활용한 디젤류 연료전지 시스템을 개발할 수 있어 수송 및 이동용 발전시장에 진입 또한 가능하게 된다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명토록 하겠다.
(실시예 1)
탈황촉매를 제조하기 위하여 γ-Al2O3(감마 알루미나), Ni 금속산화물 및 SiO2 각각의 분말을 준비한 다음, 이들 촉매를 γ-Al2O3 50 wt%, NiO 파우더 49 wt%, SiO2 1 wt%로 각각 칭량하여 혼합하였으며, 이때의 첨가된 SiO2는 소결촉진제로 사용한다. 이후 슬러리를 제작하였으며, 슬러리 제작 시 투입되는 파우더에 따라서 pH의 변화가 발생하나 pH 값을 7이 되도록 한다. γ-Al2O3를 탈이온수에 혼합할 경우, pH가 6.58로 측정되기 때문에 pH를 7로 조절하기 위해서 추가적인 탈이온수와 γ-Al2O3, 그리고 중화제(neutralizing agent)를 첨가한다. 이들을 수 분간 혼합한 다음 바인더를 첨가한다. 반면 pH가 7이상인 경우에는 탈이온수에 바인더와 중화제를 수 분간 혼합한 후에 칭량된 분말들을 첨가한다. 이후 혼합된 슬러리를 조형틀에 주입한 후 원하는 모양과 사이즈에 맞게 날카로운 표면을 갖는 도구를 이용하여 막대 형태의 촉매를 제조하였다. 성형 공정이 종료된 시편을 이용하여 60℃에서 3시간 동안 건조를 시킨 후 열처리를 실시하였다. 1차 열처리는 첨가된 수계 바인더 시스템을 제거하기 위해서 300℃에서 2시간동안 열처리를 하였으며, 이후 800℃에서 1시간동안 2차 열처리를 실시하였다.
(실시예 2)
상기 실시예 1에서 금속산화물 파우더를 MoO3 분말 24 wt%와 CoO 분말 7 wt%, 감마알루미나 69 wt%로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 실질적으로 동일하게 촉매를 제조하였다.
(실시예 3)
상기 실시예 1에서 금속산화물 파우더를 MoO3 분말 24 wt%와 NiO 분말 8 wt%, 감마알루미나 68 wt%로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 실질적으로 동일하게 촉매를 제조하였다.
(실시예 4)
상기 실시예 1에서 일반 개질촉매를 제조하기 위하여 Fe2O3 분말 87 wt%와 Cr2O3 분말 8 wt%, CuO 분말 2 wt% 기타 분말 3 wt%로 금속산화물 파우더를 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 실질적으로 동일하게 촉매를 제조하였다.
(비교예 1)
상기 실시예 1에서 제조된 슬러리의 탈이온수를 제거하기 위하여, 100℃로 1시간 건조시켜 반건조 상태의 촉매를 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 실질적으로 동일하게 촉매를 제조하였다.
(비교예 2)
상기 실시예 1에서 제조된 슬러리의 탈이온수 제거 및 1차 열처리까지 동일한 방법을 이용하여 촉매를 제조하였으며, 2차 열처리를 실시하지 않고 촉매를 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예에 따라 각각 제조된 촉매의 외관 및 특성을 비교해 보기 위하여, 실시예 1~4 및 비교예 1, 2의 촉매의 외관과 강도를 측정하였으며, 그 값을 표 1에 나타내었다.
외관 상 발견되는 갈라짐이나 크랙이 없으면 ○로 표시하였으며, 크랙이 발생되면 그 정도에 따라 △나 × 로 표기하였다. 강도를 측정하기 위하여 단순히 손으로 제조된 촉매를 가압하는 방법으로 부스러짐성을 측정하였으며, 부스러지는 정도에 따라 1 내지 5로 표시하였다.
| 촉매 | 외관 | 부스러짐성 | |
| 실시예 | 1 | ○ | 3 |
| 2 | ○ | 5 | |
| 3 | ○ | 4 | |
| 4 | ○ | 4 | |
| 비교예 | 1 | × | 4 |
| 2 | ○ | 1 | |
구체적으로 표1에 나타나는 바와 같이 실시예 1~4인 NiO, CoMo, NiMo 각각의 산화물 및 개질 촉매 분말을 조성에 맞게 혼합, 성형 및 열처리를 실시하였을 경우, 최종 소결된 촉매의 부스러짐성을 실시예 1을 기준으로 수치화할 경우 부스러짐성은 2차 열처리를 실시하지 않은 비교예 2가 가장 낮은 값을 나타내었으나, 다른 촉매들은 부스러짐성이 상대적으로 우수한 결과를 나타내고 있음을 알 수 있다. 실시예 1~4 및 비교예 2는 외관상으로도 큰 문제는 없어 보이나 100℃의 높은 온도로 건조시킨 비교예 1의 촉매는 그 표면에 크랙이 발생하였다. 더욱 매끄러운 표면을 제조하기 위하여 폴리싱이나 연마와 같은 기계적인 방법을 이용하여 표면을 성형하여도 문제가 없으나, 표면적의 증가를 위해서 거친 표면이 촉매 활성을 보다 증가시킬 수 있을 것으로 판단한다.
상기와 같은 초콜릿 바 형태를 갖는 촉매 제조방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
Claims (9)
- 초콜릿 바 형태를 갖는 다목적용 촉매를 성형하는 방법에 있어서,
NiO 또는 MoO3, CoO, NiO 중에서 2개 이상이 혼합된 금속산화물 분말이 10~50 wt%, 소결촉진제인 SiO2 분말이 0.1~5 wt%, 잔부가 촉매 지지체인 γ-Al2O3(감마 알루미나) 분말로 이루어진 혼합분말에 탈이온수를 첨가한 후, 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
상기 슬러리에 첨가되는 탈이온수, 바인더, 중화제 및 분말 첨가량을 조절하여 pH 및 슬러리 점성을 조절하는 단계;
슬러리를 혼합기에서 혼합한 후, 탈이온수를 제거하여 젤리 형태의 반건조 상태를 형성하는 단계;
상기 반건조 상태의 슬러리를 펀칭이나 나이프로 절단한 다음, 50~70℃에서 2~5시간 건조기에 유지시켜 건조하는 단계;
상기 건조된 촉매를 250~500℃에서 1~3시간 유지하는 제1차 열처리와 , 500~1000℃에서 1~3시간 유지하는 제2차 열처리를 통하여 소결하는 단계;로 이루어진 다목적용 촉매 성형방법.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 점성을 조절하는 단계에서 pH는 6 내지 8 범위 내인 것에 특징이 있는 다목적용 촉매 성형방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 바인더는 수계 결합제인 것에 특징이 있는 다목적용 촉매 성형방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 혼합기는 지르코니아 볼을 사용하는 볼밀인 것에 특징이 있는 다목적용 촉매 성형방법.
- 청구항 1, 3, 7, 8 중 어느 한 항의 성형방법으로 제조된 다목적용 촉매
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