KR101840058B1 - Method of Preparing Modified Red Mud Using hydrochloric acid and phosphoric acid - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (a) 레드 머드와 물을 혼합하여 슬러리 레드 머드를 제조하는 단계, (b) 상기 슬러리 레드 머드에 염산 및 인산을 첨가하는 단계, 및 (c) 상기 (b) 단계를 거친 레드 머드에 암모니아수를 첨가한 후 이를 여과하여 최종 생성물을 수득하는 단계를 포함하는 개질된 레드 머드를 제조하는 방법에 관한 것이다.(B) adding hydrochloric acid and phosphoric acid to the slurry red mud; and (c) mixing the red mud with the red mud through the step (b). And then filtering it to obtain an end product. The present invention also relates to a method for producing a modified red mud.

Description

염산 및 인산을 이용하여 개질된 레드 머드를 제조하는 방법{Method of Preparing Modified Red Mud Using hydrochloric acid and phosphoric acid}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for preparing modified red mud using hydrochloric acid and phosphoric acid,

본 발명은 레드머드를 산처리 방법을 통하여 촉매의 활성을 향상시킨 개질된 레드 머드(Red mud)의 제조 방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 염산 및 인산을 이용하여 개질된 레드 머드를 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 상기 개질된 레드머드를 감압잔사유의 하이드로크래킹 촉매로서 이용하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a process for producing a modified Red mud in which the activity of the catalyst is improved through an acid treatment method of Red mud. More particularly, the present invention relates to a process for preparing red mud modified with hydrochloric acid and phosphoric acid. Further, the present invention relates to a method of using the modified red mud as a hydrocracking catalyst for decompression residual oil.

중질유 중 감압잔사유(Vacuum Residue, VR)는 촉매에 심각한 활성저하를 일으키는 물질이 다량 포함된 매우 복잡한 화합물로서 이를 처리시에는 촉매 표면에 많은 코크 생성과 중질유 중에 포함된 금속(Ni, V)이 침착하여 많은 문제를 일으킬 수 있다. 따라서, 이러한 중질유를 처리하기 위해서는 촉매 선정이 매우 중요한 역할을 한다. 슬러리 하이드로크래킹(Slurry hydrocracking) 반응에 사용되는 대부분의 촉매들은 고가이므로 촉매 사용 및 촉매 회수의 어려움이 문제시 되고 있어 촉매 회수 및 처리에 대한 방법이 요구되고 있다. The Vacuum Residue (VR) in heavy oil is a very complex compound containing a large amount of substances causing serious degradation of the catalyst, and when it is treated, the presence of metal (Ni, V) contained in the heavy oil Calm can cause many problems. Therefore, catalyst selection plays a very important role in treating such heavy oil. Since most of the catalysts used in the slurry hydrocracking reaction are expensive, difficulty in using the catalyst and recovering the catalyst is a problem, and a method for recovery and treatment of the catalyst is required.

레드 머드의 경우 보크사이트로부터 알루미나를 생산하는 베이어(Bayer) 공정으로부터 나오는 산업 부산물로서 매년 약 550 만톤의 상당한 양이 나오므로 가격이 저렴하여 반응 후 회수를 하지 않아도 되는 장점이 있다. 또한, 레드 머드 내에 Fe2O3, Al2O3, SiO2, TiO2, Na2O, CaO, MgO 뿐만 아니라 K, Cr, V, Ni, Cu, Mn, Zn 등과 같은 성분이 포함되어 있어 촉매로서의 활성을 가진다. 레드 머드를 전처리 공정 없이 사용하여도 반응성이 있지만, 물성제어를 통하여 레드 머드의 활성을 높일 수 있다.Red mud is an industrial by-product derived from the Bayer process that produces alumina from bauxite, and a significant amount of about 5.5 million tons is produced annually, which is advantageous in that it is inexpensive and does not need to be recovered after the reaction. In addition, components such as K, Cr, V, Ni, Cu, Mn and Zn as well as Fe2O3, Al2O3, SiO2, TiO2, Na2O, CaO and MgO are contained in the red mud and have activity as a catalyst. The red mud can be reacted even without the pretreatment process, but the activity of the red mud can be enhanced by controlling the physical properties.

종래에는 레드 머드의 활성을 높이기 위해서는 Pratt and Christoverson method을 사용하였다. 레드 머드내의 Na와 Ca는 하이드로크래킹 반응에서 포어 플러깅(pore plugging)현상을 야기시켜 촉매의 비활성화를 일으킨다고 알려져 있다. 따라서, 위 방법은 HCl를 이용하여 레드 머드가 함유하고 있는 Na와 Ca를 제거함으로써 표면적과 기공크기를 증가시켰다. 기공크기가 작을 경우, 기공입구에서 포어 플러깅(pore plugging) 현상이 발생하여 촉매의 성능을 저하시키게 되며, 반면에 기공크기가 커지면 포어 플러깅(pore plugging) 현상이 상대적으로 적게 일어나 촉매의 비활성화를 감소시킬 수 있다. 또한, 분자량이 큰 분자들이 큰 기공 내의 활성점과의 접촉이 용이하여 크래킹반응의 전환율이 향상된다.Previously, the Pratt and Christoverson method was used to increase the activity of red mud. It is known that Na and Ca in red mud cause pore plugging phenomenon in the hydrocracking reaction and cause deactivation of the catalyst. Therefore, the above method increased surface area and pore size by removing Na and Ca contained in red mud using HCl. When the pore size is small, the pore plugging phenomenon occurs at the pore inlet, thereby deteriorating the performance of the catalyst. On the other hand, when the pore size is increased, the pore plugging phenomenon is relatively small and the deactivation of the catalyst is reduced . Also, molecules having a large molecular weight can easily contact with active sites in large pores, thereby improving the conversion rate of the cracking reaction.

현재 감압잔사유 반응에 사용되는 대부분의 촉매들은 고가이므로 촉매 사용 및 촉매 회수의 어려움이 문제시 되고 있고, 레드 머드를 전처리 없이 사용하는 경우에는 반응성이 떨어지는 문제점이 있으며, 종래의 레드 머드의 활성을 높이는 방법이 존재하나, 이를 보다 개선시켜 감압잔사유의 하이드로크래킹 촉매로서 기존의 상용 촉매와 비슷한 전환율을 가지는 개질된 레드 머드의 개발이 여전히 요구되고 있다.At present, most of the catalysts used in the decompression residual oil reaction are expensive, so that it is difficult to use the catalyst and recover the catalyst. When the red mud is used without the pretreatment, the reactivity is low. There is still a need to develop a modified red mud which has a conversion ratio similar to that of a conventional commercial catalyst as a hydrocracking catalyst for decompression residual oil.

본 발명의 일 구체예는 저가의 폐기 촉매인 레드 머드를 염산 및 인산으로 산처리를 통하여 물성을 경제적으로 제어함으로써 촉매 활성이 개선된 레드 머드 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.One embodiment of the present invention is to provide a red mud which is improved in catalytic activity by economically controlling physical properties through treatment of red mud which is a low-priced waste catalyst with hydrochloric acid and phosphoric acid, and a method for producing the same.

본 발명의 또 다른 일 구체예는 중질유 중 가장 분자량이 큰 감압잔사유의 하이드로크래킹 반응에서 기존의 상용 촉매와 비슷한 전환율을 가지는 개질된 레드 머드를 제공하는 것이다.Another embodiment of the present invention is to provide a modified red mud having a conversion ratio similar to that of a conventional commercial catalyst in a hydrocracking reaction of a decompression residue having the largest molecular weight among heavy oils.

본 발명의 일 구체예에서, 개질된 레드 머드 촉매의 제조방법은 (a) 레드 머드와 물을 혼합하여 슬러리 레드 머드를 제조하는 단계, (b) 상기 슬러리 레드 머드에 염산 및 인산을 첨가하는 단계, 및 (c) 상기 (b) 단계를 거친 레드 머드에 암모니아수를 첨가한 후 이를 여과하여 최종 생성물을 수득하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a process for preparing a modified Redmud catalyst comprises the steps of (a) mixing red mud and water to produce a slurry red mud, (b) adding hydrochloric acid and phosphoric acid to the slurry red mud , And (c) adding ammonia water to the red mud through the step (b), followed by filtration to obtain an end product.

또한, 상기 (c) 단계 이후에 최종 생성물을 건조 또는 소성 또는 건조 후 소성하는 단계를 더 포함할 수 있다.Further, the method may further include a step of drying or calcining the final product after the step (c), or calcining the dried product.

본 발명의 일 구체예에서, 레드 머드는 보크사이트 원료 광물에서 베이어법(알루미나가 다량 존재하는 원료 광물에 수산화나트륨을 가하여 수산화알루미늄을 추출하는 방법)에 의하여 수산화알루미늄을 추출하고 남은 슬러지를 의미하며, 일반적으로 5~20㎛의 크기를 갖는 미분체이고, 통상 약 30% 정도의 수분함량을 가진 슬러리 형태로 산출된다. 본 발명에서는 건조된 상태의 레드 머드, 수분을 함유하고 있는 레드 머드, 건조된 상태의 레드 머드 분말에 수분을 공급하여 함수율을 높인 레드 머드 등 다양한 형태의 레드 머드를 이용할 수 있으며, 예를 들면, 레드 머드 슬러지가 미분상태로 산출됨에도 불구하고, 서로 뭉쳐 덩어리상태로 존재하기도 하므로 이를 건식분쇄 또는 습식분쇄를 이용하여 분쇄된 레드 머드 등을 이용할 수 있다.In one embodiment of the present invention, red mud refers to sludge remaining from bauxite raw mineral by a beer method (a method of extracting aluminum hydroxide by adding sodium hydroxide to a raw mineral having a large amount of alumina and extracting aluminum hydroxide) , Generally a fine powder having a size of 5 to 20 mu m, and is usually produced in the form of a slurry having a water content of about 30%. In the present invention, various types of red mud such as dried red mud, red mud containing water, and red mud having increased water content by supplying water to dried red mud powder can be used. For example, Although red mud sludge is produced in a pulverized state, the pulverized red mud can be used by dry pulverization or wet pulverization because it is present in a lump state with each other.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 슬러리 레드 머드에 염산 및 인산을 첨가하여 산처리를 하는데, 여기서, 염산의 처리는 20%~35%농도의 염산수용액을 활용할 수 있으며 레드 머드 내의 Na와 Ca를 제거하여 기공구조를 발달시키는 역할을 한다. In one embodiment of the present invention, the slurry red mud is treated with an acid by adding hydrochloric acid and phosphoric acid, wherein the hydrochloric acid treatment can utilize an aqueous hydrochloric acid solution with a concentration of 20% to 35% And the pore structure is developed.

또한, 인산의 첨가량은 인을 기준으로 3~10 wt%일 수 있으며, 좀더 구체적으로, 50%~85%농도의 인산을 인을 기준으로 3 ~ 10 wt% 함량 투입할 수 있다. 적절한 인산의 첨가량은 첨가된 인과 무기물촉매와의 상호작용을 고려하여 투입하며, 인의 함량을 초과하는 경우 초과 투입된 인이 무기물촉매의 활성점의 촉매독으로 작용하는 문제점이 발생할 수 있다. 인산을 염산과 같이 처리하였을 때, 무기 담체(inorganic support)의 안정성이 확보되고 활성상(active phase)의 분산도가 향상되어 감압잔사유의 하이드로크래킹 전환율이 증가한다. 또한 인산 처리로 인하여, 인이 레드 머드 내에 담지되며, 기공크기 또한 10 nm 이상 증가하게 된다.In addition, the amount of phosphoric acid added may be 3 to 10 wt% based on phosphorus, and more specifically, phosphoric acid at 50 to 85% concentration may be added in an amount of 3 to 10 wt% based on phosphorus. Appropriate amounts of phosphoric acid are added considering the interaction with added phosphorus and inorganic catalysts, and when the phosphorus content is exceeded, excess phosphorus may act as catalyst poison of active sites of inorganic catalysts. When phosphoric acid is treated with hydrochloric acid, the stability of the inorganic support is secured and the dispersion degree of the active phase is improved, thereby increasing the hydrocracking conversion rate of the decompression residue. Due to the phosphoric acid treatment, phosphorus is carried in the red mud, and the pore size is increased by more than 10 nm.

본 발명의 일 구체예에서, 본 발명의 제조 방법에 따라 제조된 개질된 레드 머드는 감압잔사유의 하이드로크래킹 촉매로 사용될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따라 제조된 레드 머드를 사용하면, 촉매가 없는 열분해(thermal cracking) 보다 높은 전환율을 보이며, 염산 및 인산을 이용하여 산처리한 레드 머드는 표면적 증가 등의 기본 물성이 변하고 이러한 변화가 감압잔사유의 하이드로크래킹 반응에서 반응 전환율을 높이게 된다. 따라서, 본 발명의 제조 방법에 따라 레드 머드를 처리하면 우수한 활성을 갖는 감압잔사유의 하이드로크래킹 촉매가 제조된다.In one embodiment of the present invention, the modified red mud prepared according to the process of the present invention can be used as a hydrocracking catalyst for vacuum residue oil. Red mud prepared according to one embodiment of the present invention exhibits a higher conversion rate than that of thermal cracking without a catalyst. Redmud treated with hydrochloric acid and phosphoric acid has a change in basic physical properties such as surface area increase These changes increase the reaction conversion rate in the hydrocracking reaction of the decompressed residual oil. Therefore, when Red Mud is treated according to the production method of the present invention, a hydrocracking catalyst having a good residual activity is produced.

본 발명의 일 방법에 따라 제조된 레드머드는 기공크기, 기공부피 및 비표면적이 높아져 촉매의 활성이 우수하다.Red mud prepared according to one method of the present invention has high pore size, pore volume, and specific surface area, and thus has excellent catalytic activity.

또한, 본 발명의 일 방법에 따라 제조된 레드머드는 기존 상용촉매와 상등한 감압잔사유 하이드로크래킹 반응을 통한 전환율을 나타내는 이점을 갖는다. In addition, the red mud prepared according to one method of the present invention has an advantage of exhibiting a conversion rate through hydrocracking reaction under reduced pressure equivalent to that of a conventional commercial catalyst.

또한, 본 발명의 일 방법에 따라 제조된 레드머드는 무기 담체(inorganic support)의 안정성이 확보되고 활성상(active phase)의 분산도가 향상되며, 기공크기, 기공부피 및 표면적을 증가시켜 촉매의 활성을 높이고 촉매의 포어 플러깅 현상을 방지할 수 있다.In addition, the red mud prepared according to one method of the present invention ensures stability of the inorganic support, improves the dispersibility of the active phase, increases the pore size, pore volume, and surface area, It is possible to increase the activity and prevent the phenomenon of for-plugging of the catalyst.

도 1은 제조예 1(A), 제조예 2(B), 제조예 3(C), 및 제조예 5(D)에 따른 레드 머드의 X선 회절(x-ray diffraction, XRD) 패턴 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2와 제조예 1 내지 4에 따른 레드 머드 촉매의 질소 흡착에 의한 기공구조 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 3은 제조예 1 내지 3에 따른 레드 머드 촉매의 NH3-TPD(암모니아 승온 탈착) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 다양한 종류의 레드 머드 촉매의 감압잔사유의 하이드로크래킹 반응 중 시간에 따른 반응 압력의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 다양한 종류의 레드 머드 촉매의 감압잔사유의 하이드로크래킹 반응 결과를 기상, 액상, 고상 생성물의 분포 및 전환율로 나타낸 그래프이다.
도 6은 다양한 종류의 레드 머드 촉매의 반응결과에서 액상 생성물의 분포를 GC-SIMDIS로 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 다양한 종류의 레드 머드 촉매의 감압잔사유의 하이드로크래킹 반응 결과 각 촉매의 전환율 및 구체적 생성물 분포를 나타낸 그래프이다.
1 shows X-ray diffraction (XRD) pattern results of Red Mud according to Production Example 1 (A), Production Example 2 (B), Production Example 3 (C), and Production Example 5 Fig.
2 is a graph showing the pore structure analysis results of the red mud catalyst according to Production Examples 1 to 4 by nitrogen adsorption.
3 is a graph showing NH 3-TPD (ammonia temperature desorption) results of Red Mud catalysts according to Production Examples 1 to 3.
FIG. 4 is a graph showing changes in reaction pressure with time in the hydrocracking reaction of reduced-pressure residues of various kinds of red mud catalysts.
FIG. 5 is a graph showing the results of hydrocracking reaction of reduced-pressure residues of various kinds of red mud catalysts in terms of the distribution of gaseous, liquid and solid products and conversion rates.
FIG. 6 is a graph showing the results of GC-SIMDIS analysis of the distribution of liquid product in the reaction results of various kinds of red mud catalysts.
FIG. 7 is a graph showing conversion ratios and specific product distributions of respective catalysts as a result of hydrocracking reaction of reduced-pressure residues of various kinds of red mud catalysts.

이하, 본 발명에 따른 레드 머드의 제조방법을 하기의 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예에 의하여 본 발명의 범주가 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, a method for producing red mud according to the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited by the following examples.

제조예 1: 전처리 하지 않은 레드 머드(RM)Preparation Example 1: Preparation of unmodified red mud (RM)

보크사이트로부터 알루미나를 생산하는 베이어법에 의하여 수산화알루미늄을 추출하고 남은 건조된 슬러지를 사용하였다.
Aluminum hydroxide was extracted by bait process to produce alumina from bauxite and the dried sludge remaining was used.

제조예Manufacturing example 2: 염산으로 처리된  2: treated with hydrochloric acid 레드Red 머드Mud 촉매 ( catalyst ( ARMARM ))

10g의 제조예 1의 레드 머드에 190g의 H2O를 첨가하고 이를 교반하여 슬러리를 제조하였다. 상기 레드 머드 슬러리에 18g의 농도 35%의 염산을 첨가한 후, 30분 동안 가열하였다. 그 후, 상기 용액에 총 부피가 800 cm3가 되도록 증류수를 첨가하고, 다시 이 용액의 pH가 8이 되도록 NH4OH를 투입하였다. 이 때 생성된 침전물을 여과하고 이 침전물을 약 40℃에서 증류수로 세 번 세척하였다. 상기 세척된 레드 머드를 약 110℃에서 24시간 동안 건조한 후, 약 500℃에서 2 시간 동안 에어로 소성시켜 염산으로 처리된 레드 머드 촉매(Activated Red Mud (ARM))를 제조하였다.
190 g of H 2 O was added to 10 g of Red Mud of Production Example 1 and stirred to prepare a slurry. To the red mud slurry was added 18 g of 35% hydrochloric acid, and the mixture was heated for 30 minutes. Thereafter, distilled water was added to the solution so that the total volume became 800 cm < 3 > and NH 4 OH was added thereto so that the pH of the solution became 8. The resulting precipitate was filtered and the precipitate was washed three times with distilled water at about 40 ° C. The washed red mud was dried at about 110 ° C for 24 hours and then aerosolized at about 500 ° C for 2 hours to prepare Activated Red Mud (ARM) treated with hydrochloric acid.

제조예Manufacturing example 3: 염산 및 인산으로 처리된  3: Hydrochloric acid and phosphoric acid treated 레드Red 머드Mud 촉매 ( catalyst ( PARMPARM 4%) 4%)

10g의 제조예 1의 레드 머드에 190g의 H2O를 첨가하고 이를 교반하여 슬러리를 제조하였다. 상기 레드 머드 슬러리에 18g의 농도 35%의 염산 및 1.5 g의 농도 85%의 인산을 첨가한 후 30분 동안 가열하였다. 그 후, 상기 용액에 총 부피가 800 cm3가 되도록 증류수를 첨가하고, 다시 이 용액의 pH가 8이 되도록 NH4OH를 투입하였다. 이때 생성된 침전물을 여과하고 이 침전물을 약 40℃에서 증류수로 세 번 세척하였다. 상기 세척된 레드 머드를 약 110℃에서 24시간 동안 건조한 후, 약 500℃에서 2 시간 동안 에어로 소성시켜 염산 및 인산으로 처리된 레드 머드 촉매(PARM 4%)를 제조하였다.
190 g of H 2 O was added to 10 g of Red Mud of Production Example 1 and stirred to prepare a slurry. To the red mud slurry was added 18 g of hydrochloric acid at a concentration of 35% and 85 g of phosphoric acid at a concentration of 1.5 g, followed by heating for 30 minutes. Thereafter, distilled water was added to the solution so that the total volume became 800 cm < 3 > and NH 4 OH was added thereto so that the pH of the solution became 8. The resulting precipitate was filtered and the precipitate was washed three times with distilled water at about 40 ° C. The washed red mud was dried at about 110 DEG C for 24 hours and then aerosolized at about 500 DEG C for 2 hours to prepare a red mud catalyst (PARM 4%) treated with hydrochloric acid and phosphoric acid.

제조예Manufacturing example 4: 염산 및 인산으로 처리된  4: Hydrochloric acid and phosphoric acid treated 레드Red 머드Mud 촉매( catalyst( PARMPARM 8%) 8%)

인산의 함량을 두 배로 변화시킨 점을 제외하고는 제조예 3과 동일한 방법으로 제조하였다.
Was prepared in the same manner as in Production Example 3 except that the content of phosphoric acid was doubled.

제조예Manufacturing example 5: 황화처리된  5: Sulfated 레드Red 머드Mud 촉매 ( catalyst ( SARMSARM ))

10g의 제조예 1의 레드 머드에 190g의 H2O를 첨가하고 이를 교반하여 슬러리를 제조하였다. 상기 레드 머드 슬러리에 18g의 농도 35%의 염산을 첨가한 후, 30분 동안 가열하였다. 그 후, 상기 용액에 총 부피가 800 cm3가 되도록 증류수를 첨가하고, 다시 이 용액의 pH가 8이 되도록 NH4OH를 투입하였다. 이때 생성된 침전물을 여과하고 이 침전물을 약 40℃에서 증류수로 세 번 세척하였다. 상기 세척된 레드 머드를 약 110℃에서 24시간 동안 건조한 후, 약 500℃에서 2 시간 동안 에어로 소성시켰다. 그리고 400℃에서 2시간 동안 5:50:45비율로 혼합된 H2S:H2:Ar 혼합기체를 60 ml/min 속도로 흘려주면서 제조예 2의 레드머드를 황화시키면서 황화처리된 레드 머드 촉매(SARM)를 제조하였다.
190 g of H 2 O was added to 10 g of Red Mud of Production Example 1 and stirred to prepare a slurry. To the red mud slurry was added 18 g of 35% hydrochloric acid, and the mixture was heated for 30 minutes. Thereafter, distilled water was added to the solution so that the total volume became 800 cm < 3 > and NH 4 OH was added thereto so that the pH of the solution became 8. The resulting precipitate was filtered and the precipitate was washed three times with distilled water at about 40 ° C. The washed red mud was dried at about 110 ° C for 24 hours and then aerated at about 500 ° C for 2 hours. The red mud of Preparation Example 2 was sulfided while flowing a mixed gas of H 2 S: H 2 : Ar mixed at a ratio of 5:50:45 at 400 ° C. for 2 hours at a rate of 60 ml / min, (SARM).

하기 표 1은 레드 머드의 EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 성분 분석 결과를 나타낸다.Table 1 below shows the results of EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) component analysis of Red Mud.

제조예 1
(RM)
Production Example 1
(RM)
제조예 2
(ARM)
Production Example 2
(ARM)
제조예 3
(PARM 4%)
Production Example 3
(PARM 4%)
제조예 5
(SARM)
Production Example 5
(SARM)
FeFe 23.3223.32 22.8422.84 25.1125.11 28.7828.78 OO 42.7842.78 50.3850.38 48.2448.24 30.9530.95 AlAl 10.3910.39 12.2012.20 11.2611.26 13.8113.81 SiSi 4.734.73 4.104.10 3.933.93 5.145.14 NaNa 6.186.18 0.290.29 0.410.41 0.230.23 CaCa 4.034.03 1.471.47 2.912.91 1.621.62 TiTi 4.254.25 3.823.82 4.294.29 4.714.71 PP -- -- 3.843.84 -- SS -- -- -- 14.7714.77

상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 레드 머드의 기본 성분으로 Fe이 가장 많으며, 염산처리에 의한 활성화 결과 Na과 Ca의 양이 현격히 줄어듦을 확인할 수 있었다. 한편, 염산 및 인산으로 동시에 처리한 결과, Na과 Ca의 양이 현격히 줄어들 뿐만 아니라 인의 양이 증가한 것을 확인할 수 있었다. 이는 인산 처리의 결과 레드 머드내에 인이 담지되었다는 것을 나타낸다. 황화처리 결과 레드 머드내에 황이 담지되었다는 것을 나타낸다.
As can be seen from Table 1, Fe is the most basic component of red mud, and the amount of Na and Ca is remarkably reduced as a result of activation by hydrochloric acid treatment. On the other hand, as a result of simultaneous treatment with hydrochloric acid and phosphoric acid, it was confirmed that not only the amount of Na and Ca was significantly reduced but also the amount of phosphorus was increased. Indicating that phosphorus was supported in the red mud as a result of phosphoric acid treatment. As a result of the sulfuration treatment, sulfur was supported in the red mud.

하기 표 2는 각 제조예에 따른 레드 머드의 기본 물성을 나타낸다. Table 2 shows the basic properties of red mud according to each production example.

제조예 1
(RM)
Production Example 1
(RM)
제조예 2
(ARM)
Production Example 2
(ARM)
제조예 3
(PARM 4%)
Production Example 3
(PARM 4%)
제조예 4
(PARM 8%)
Production Example 4
(PARM 8%)
기공지름(nm)Pore Diameter (nm) 25.4925.49 7.487.48 12.7812.78 16.6016.60 비표면적(㎡/g)Specific surface area (m < 2 > / g) 21.8721.87 127.71127.71 104.83104.83 97.0397.03 기공부피(㎤/g)Pore volume (cm < 3 > / g) 0.140.14 0.230.23 0.310.31 0.390.39

각 제조예에 따른 레드 머드의 질소 흡착에 의한 기공구조 분석 결과를 도시한 도 2와 각 레드 머드의 기본 물성을 나타낸 표 2로부터 알 수 있듯이, 제조예 1의 레드 머드는 기본적으로 큰 기공 크기와 낮은 비표면적을 가지고 있다. 염산처리한 제조예 2의 경우에는 Na과 Ca가 빠져나가면서 기공구조가 발달하여 10nm 이하로 기공 크기가 작아지고 비표면적은 증가하였다. 한편, 염산/인산처리한 제조예 3 및 4는 기존의 염산처리만한 제조예 2보다 큰 기공 크기를 가지게 되고 비표면적은 소량 감소하였다. 따라서, 제조예 3 및 4는 제조예 1 및 2에 비하여 촉매의 물성이 우수하게 향상되었음을 확인할 수 있었다. As can be seen from FIG. 2 showing the results of the pore structure analysis by nitrogen adsorption of Red Mud according to each production example and Table 2 showing the basic physical properties of each Red Mud, the Red Mud of Production Example 1 basically has a large pore size It has a low specific surface area. In the case of the hydrochloric acid-treated Preparation Example 2, the pore structure was evolved as Na and Ca escaped, and the pore size was decreased to 10 nm or less, and the specific surface area was increased. On the other hand, in Production Examples 3 and 4 treated with hydrochloric acid / phosphoric acid, the pore size was larger than that of Production Example 2 in which conventional hydrochloric acid treatment was performed, and the specific surface area was slightly reduced. Thus, it was confirmed that the physical properties of the catalysts of Production Examples 3 and 4 were improved as compared with those of Production Examples 1 and 2.

도 1은 제조예 1 내지 3 및 5에 따른 레드 머드의 XRD 패턴을 도시한 그래프이다(여기서, A: 제조예 1, B: 제조예 2, C: 제조예 3, D: 제조예 5의 결과임). 레드 머드의 기본 성분과 결정구조는 산화철 계열이며, 산처리(염산 및 인산 처리)에 의해 기본 성분 및 결정구조가 변하지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 다만, 제조예 5와 같이 황화 처리시 이들이 황화철 구조로 변화된다는 것을 확인할 수 있다. 1 is a graph showing XRD patterns of Red Mud according to Production Examples 1 to 3 and 5 (wherein A: Preparation Example 1, B: Preparation Example 2, C: Preparation Example 3, D: being). The basic components and crystal structure of red mud are iron oxide series, and it can be confirmed that basic components and crystal structure are not changed by acid treatment (hydrochloric acid and phosphoric acid treatment). However, as in Production Example 5, it can be confirmed that they are changed to the iron sulfide structure upon sulfiding treatment.

도 3은 제조예 1 내지 3에 따른 레드 머드 촉매의 산점 변화를 확인하고자 NH3-TPD 실험을 수행한 결과를 나타낸 그래프이다. 각 레드 머드의 TPD 패턴은 전형적인 결과이며, 산처리 이후, 산점은 크게 증가하는 것이 확인되었다. 하지만, 염산처리와 염산/인산처리에서는 산점 변화면에서 큰 차이가 없었다.
FIG. 3 is a graph showing the results of NH 3-TPD experiments performed to confirm changes in acid sites of Red Mud catalysts according to Production Examples 1 to 3. The TPD patterns of each red mud are typical results, and it has been confirmed that the acid point greatly increases after the acid treatment. However, there was no significant difference in the acid point change between hydrochloric acid treatment and hydrochloric acid / phosphoric acid treatment.

하이드로크래킹Hydro cracking 반응 실험 Reaction experiment

HCK반응장치(모델명: R-201)로 실험하였으며, 반응기는 내부 용적이 100ml인 배치(batch)형 고압용 오토클래브(autoclave)를 사용하였다. 고온의 반응 온도를 유지하기 위해 반응기 외부에는 600℃까지 승온시킬 수 있는 가열장치(heater)를 설치하였다. 냉각(Cooling)은 설정(set up)된 온도를 넘게 되면 물이 U자 형태의 관으로 흘러들어가 온도를 낮추도록 설계되었다. 반응기에는 두 개의 입구(inlet) 및 출구(outlet) 가스 라인이 설치 되어있으며, 입구 라인(inlet line)은 수소와 질소 주입에 사용되고, 출구 라인(outlet line)은 압력 벤트(vent)시에 사용되었다.
HCK reactor (model name: R-201), and a batch-type high-pressure autoclave having an internal volume of 100 ml was used as the reactor. In order to maintain the reaction temperature at a high temperature, a heater for raising the temperature to 600 ° C was installed outside the reactor. Cooling is designed to cool the water down into the U-shaped tube when the set temperature is exceeded. The reactor was equipped with two inlet and outlet gas lines, the inlet line used for hydrogen and nitrogen injection and the outlet line used for pressure vent .

실시예Example 1 (압력 변화) 1 (pressure change)

내부 용적이 100ml인 반응기에 감압잔사유 30g과 함께 1.2 g의 레드 머드 촉매를 넣고, 반응 초기 수소 압력이 90-95bar정도가 되도록 Mass Flow Controller (MFC)를 이용하여 수소를 반응기 내부로 흘려주었다. 압력 Leak 확인한 뒤, 가열장치를 사용하여 490℃까지 승온시켜 압력을 150 bar정도로 유지한 후, 2시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝나면 반응온도에서의 압력을 기록하고, 상온으로 냉각시켜 초기 압력과 비교 기록하여 △P를 측정하였다.  In a reactor having an internal volume of 100 ml, 1.2 g of red mud catalyst was added together with 30 g of vacuum residue, and hydrogen was flowed into the reactor using a mass flow controller (MFC) so that the initial hydrogen pressure of the reaction was 90-95 bar. After checking the pressure Leak, the temperature was raised to 490 ° C using a heating device, the pressure was maintained at about 150 bar, and the reaction was carried out for 2 hours. At the end of the reaction, the pressure at the reaction temperature was recorded, cooled to room temperature, and compared to the initial pressure, and ΔP was measured.

여기서, 촉매를 사용하지 않은 경우(blank), 제조예 1~4, 및 지용성 촉매(oil-soluble catalyst) (10% Mo naphthanate 1.2 g = 4,000 ppm Mo)를 사용하여 레드 머드 촉매를 변경하는 것을 제외하고, 나머지는 동일한 조건에서 반복 실험하였으며, 상기 압력변화의 결과는 도 4에 나타낸다. Here, except for changing the Redmud catalyst using Production Examples 1 to 4 and an oil-soluble catalyst (1.2% = 4,000 ppm Mo in 10% Mo naphthanate), the catalyst was not used (blank) And the rest were repeatedly experimented under the same conditions, and the results of the pressure changes are shown in FIG.

도 4은 다양한 종류의 각 레드 머드 촉매의 하이드로크래킹 반응 중 반응기 내의 반응 압력 변화를 도시한 그래프이다. 레드 머드가 하이드로크래킹 촉매로서 하이드로크래킹 반응속도 및 수소의 소모량면에서 촉매의 성능을 확인하고자 각 촉매의 하이드로크래킹 반응 중 반응기 내의 반응 압력 변화를 실험하였다. 촉매가 없는 경우(blank), 수소화 반응이 진행되지 않고 열분해 반응이 주로 일어나기 때문에 반응 중 압력 변화가 없거나 증가하나, 전처리하지 않은 레드 머드 촉매나 지용성 촉매(oil-soluble catalyst)의 경우, 하이드로촉매에 의한 수소화 반응이 크래킹과 더불어 많이 진행되기 때문에 수소의 소모에 의한 압력감소가 일어난다. 산처리를 한 레드 머드촉매의 경우 비슷한 양의 수소를 소모하고, 지용성 촉매(10% Mo naphthanate 1.2 g = 4,000 ppm Mo)의 경우 보다 많은 양의 수소를 소비하는 것을 보아 수소화 반응을 포함한 분해 반응의 속도가 상대적으로 높을 것으로 추정된다.
4 is a graph showing reaction pressure changes in the reactor during the hydrocracking reaction of various red mud catalysts of various kinds. In order to confirm the performance of the catalyst in terms of hydrocracking reaction rate and hydrogen consumption as a hydrocracking catalyst, Redmud experimented the change of the reaction pressure in the reactor during the hydrocracking reaction of each catalyst. In the case of non-preprocessed red mud and oil-soluble catalysts, hydrocatalysts are not used because the hydrogenation reaction does not proceed and the pyrolysis reaction occurs mainly. The hydrogenation reaction is progressed with the cracking, so that the pressure decrease due to the consumption of hydrogen occurs. In the case of acid-treated Red mud catalyst, it consumes a similar amount of hydrogen and consumes more hydrogen than the oil-soluble catalyst (10% Mo naphthanate 1.2 g = 4,000 ppm Mo) The speed is estimated to be relatively high.

실시예Example 2 (전환율 및 선택도) 2 (conversion rate and selectivity)

실시예 1의 반응이 끝나고 생성물 분석을 위해서 수소를 배기시켜 압력을 상압으로 내린 후, 생성물의 양을 측정함으로써 촉매의 활성을 확인하고자 전환율 및 선택도를 구하였다. 생성물은 액상(liquid), 기상(gas), 고상(solid) (잔여물+레드 머드+코크)로 구분된다. 각 생성물 기상, 액상, 및 고상 생성물은 저울(balance)을 사용하여 무게를 측정함으로써 전환율 및 선택도(수율)를 구하였다. 위 전환율 및 선택도 결과를 도 5 및 도 7에 나타낸다. After completion of the reaction of Example 1, hydrogen was evacuated for analysis of the product, the pressure was lowered to atmospheric pressure, and the amount of product was measured to determine conversion and selectivity to confirm the activity of the catalyst. The product is divided into liquid, gas, and solid (residue + red mud + coke). The conversion and selectivity (yield) of each product gas phase, liquid phase, and solid phase product were determined by weighing using a balance. The results of the above conversion and selectivity are shown in Fig. 5 and Fig.

액상 선택도 (wt%) = [고상 생성물의 무게]/[감압잔사유의 투입량]×100Liquid selectivity (wt%) = [weight of solid product] / [amount of decompression residue input] × 100

고상 선택도 (wt%) = [반응기내의 고상 무게]/[감압잔사유의 투입량]×100Solid phase selectivity (wt%) = [solid phase weight in reactor] / [injection amount of vacuum residue] × 100

기상 선택도 (wt%) ={[감압잔사유의 투입량] - [액상 및 고상 생성물의 무게]}/[감압잔사유의 투입량]×100The gas selectivity (wt%) = {[amount of decompression residual oil input] - [weight of liquid and solid product]} / [amount of decompression residual oil] x 100

전체 전환율 (wt%) = 100 ― (액상선택도 + 기상선택도)
Total conversion (wt%) = 100 - (liquid phase selectivity + gas selectivity)

도 5는 다양한 종류의 각 레드 머드 촉매의 감압잔사유의 하이드로크래킹 반응 결과를 도시한 그래프이다. 상기 반응은 배치 반응기에서 진행되었으며, 열분해(thermal cracking)와 비교하기 위해서 촉매가 없는 조건(blank test)도 수행하였다. 반응 조건 490℃는 열분해에 의한 크래킹(cracking)도 일어날 정도로 충분히 높은 반응 온도이며, 약 60%의 반응 전환율과 45%의 액상 생성물이 생성되었다. 한편, 레드 머드 촉매를 사용할 경우, 반응 전환율의 향상이 이루어졌으며 동시에 액상 생성물의 수율도 같이 높아졌다. 반응 전환율의 경우, 전처리를 하지 않은 레드 머드(RM)보다는 염산 처리한 ARM 촉매(비교예 1)가 더 높고, 이보다도 인이 첨가된 PARM 촉매(실시예 1)의 전환율이 더 높음을 확인할 수 있다. 즉, 염산 처리와 염산/인산 처리에 의해 반응 전환율의 증가가 이루어졌다. 또한, 액상 생성물의 수율도 염산/인산 처리한 촉매(PARM 4%)가 가장 높았으며, 이는 레드 머드를 다양한 산처리를 통해 변형할 경우, 변형된 물성에 의해 감압잔사유 하이드로크래킹 반응 효율이 증가됨을 의미한다. 한편, 비교를 위해 지용성 촉매(oil-soluble catalyst) (10% Mo naphthanate 1.2 g = 4,000 ppm Mo)를 사용하여 동일한 조건에서 실험한 반응 결과를 도시하였다.
5 is a graph showing the results of hydrocracking reaction of decompression residue of various red mud catalysts of various kinds. The reaction proceeded in a batch reactor and a blank test was also performed to compare with thermal cracking. Reaction condition 490 캜 was a sufficiently high reaction temperature that cracking due to pyrolysis occurred, resulting in a reaction conversion of about 60% and a liquid product of 45%. On the other hand, when the red mud catalyst was used, the conversion of the reaction was improved and the yield of the liquid product was also increased. In the case of the reaction conversion rate, it was confirmed that the conversion rate of the PARM catalyst (Example 1) with higher phosphorus was higher than that of the ARM catalyst treated with hydrochloric acid (Comparative Example 1) rather than Red Mud (RM) without the pretreatment have. That is, the reaction conversion rate was increased by hydrochloric acid treatment and hydrochloric acid / phosphoric acid treatment. In addition, the yield of the liquid product was highest in the hydrochloric acid / phosphoric acid-treated catalyst (PARM 4%), and when the redmud was modified through various acid treatments, the decompression residue hydrocracking reaction efficiency was increased due to the modified properties . On the other hand, for comparison, the reaction results were shown under the same conditions using an oil-soluble catalyst (1.2% of Mo naphthanate = 4,000 ppm Mo).

실시예Example 3 ( 3 ( GCGC -- SIMDISSIMDIS 분석) analysis)

특히 액상의 혼합물은 다양한 오일 성분으로 구성되어 있는데 이를 보다 정밀하게 분석하기위해 GC-SIMDIS 분석을 추가로 수행하였다. 위 GC-SIMDIS 분석 결과는 도 6에 나타낸다.Particularly, the liquid mixture is composed of various oil components, and GC-SIMDIS analysis is further performed to analyze it more precisely. The results of the above GC-SIMDIS analysis are shown in Fig.

도 6은 각 촉매의 반응결과에서 액상 생성물의 분포를 GC-SIMDIS로 분석한 결과를 나타낸 그래프이다. 먼저, 촉매가 없는 조건에서는 열분해가 많이 일어나기 때문에 상대적으로 가벼운 성분 즉, 나프타 및 디젤이 상대적으로 많이 생성되고, 촉매가 있는 경우 촉매에 의한 하이드로크래킹 반응이 상대적으로 많이 진행되기 때문에 디젤 및 VGO(Vacuum Gas Oil)가 상대적으로 많이 생성되었다.FIG. 6 is a graph showing the results of GC-SIMDIS analysis of the distribution of liquid products in the reaction results of the respective catalysts. First, since relatively large amounts of naphtha and diesel are produced in a relatively large amount of pyrolysis in the absence of a catalyst, and the hydrocracking reaction by the catalyst proceeds relatively in the presence of a catalyst, diesel and VGO Gas Oil) was relatively generated.

도 5는 다양한 종류의 각 레드 머드 촉매의 전환율과 기상, 액상, 고상 생성물의 수율을 나타내고, 도 6은 액상 생성물의 GC-SIMDIS 결과를 나타내고 있다. 도 7은 도 5와 6의 결과를 통합하여 다시 계산한 결과를 보여주고 있으며, 도 7에서는 각 촉매의 전환율이 낮아지는데 이는 GC-SIMDIS 결과 관측된 액상의 residue을 다시 빼주었기 때문이다. 도 5와 도 7에서 반응전환율은 제조예 1(RM)보다 제조예 2의 레드 머드 (ARM)가 높았고, 제조예 2의 레드 머드 (ARM)보다 제조예 3의 레드 머드(PARM 4%)가 높았으며, 액상 생성물의 수율 또한 동일한 경향을 보였다. 또한, 액상의 성분 분석에서는 인산첨가로 인해 VGO(Vacuum Gas Oil)가 많이 생성되었으며 이는 하이드로크래킹 반응이 촉진된 것으로 추정된다. FIG. 5 shows the conversion rates of various red mud catalysts and the yields of gaseous, liquid, and solid products, and FIG. 6 shows GC-SIMDIS results of the liquid product. FIG. 7 shows the results obtained by integrating the results of FIGS. 5 and 6 again. In FIG. 7, the conversion rate of each catalyst is lowered because the residue of the liquid phase observed by GC-SIMDIS is subtracted again. The reaction conversion ratios in FIGS. 5 and 7 were higher than that of Preparation Example 1 (RM), that of Redmud (ARM) of Preparation Example 2 was higher than that of Preparation Example 1 (RM) And the yield of liquid product was also the same. In addition, in the analysis of the liquid phase component, VGO (Vacuum Gas Oil) was generated in a large amount due to the addition of phosphoric acid, which is presumed to promote the hydrocracking reaction.

한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 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 속한다고 해야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. It is therefore intended that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.

Claims (5)

(a) 레드 머드와 물을 혼합하여 슬러리 레드 머드를 제조하는 단계,
(b) 상기 슬러리 레드 머드에 염산 및 인산을 첨가하는 단계, 및
(c) 상기 (b) 단계를 거친 레드 머드에 암모니아수를 첨가한 후 이를 여과하여 최종 생성물을 수득하는 단계를 포함하며,
여기서, 상기 인산의 첨가량은 인을 기준으로 3~10 wt%인, 개질된 레드 머드의 제조방법.
(a) mixing red mud and water to prepare a slurry red mud,
(b) adding hydrochloric acid and phosphoric acid to the slurry red mud, and
(c) adding ammonia water to the red mud after the step (b) and filtering it to obtain an end product,
Wherein the phosphoric acid is added in an amount of 3 to 10 wt% based on phosphorus.
청구항 1에 있어서,
상기 (c) 단계 이후에 최종 생성물을 건조 또는 소성 또는 건조 후 소성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개질된 레드 머드의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (c) further comprises a step of drying or firing or drying the final product after the step (c).
삭제delete 청구항 1 또는 2에 따른 제조방법으로 제조된 개질된 레드 머드.
A modified red mud produced by the manufacturing method according to claim 1 or 2.
청구항 4항에 있어서,
상기 개질된 레드 머드는 감압잔사유의 하이드로크래킹 촉매인 것을 특징으로 하는 개질된 레드 머드.
The method of claim 4,
Wherein the modified red mud is a hydrocracking catalyst of reduced-pressure residual oil.
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