KR102193939B1

KR102193939B1 - 에너지 및 비용 절감 촉매 반응기

Info

Publication number: KR102193939B1
Application number: KR1020190138076A
Authority: KR
Inventors: 이종협; 이현주; 이경록
Original assignee: 서울대학교산학협력단; 한국과학기술원
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2020-12-22

Abstract

본 발명은 에너지 및 비용 절감 촉매 반응기에 관한 것으로, 기존에는 촉매의 활성을 약 2배 정도 증가시키기 위해서 기존에는 외부 열원을 사용하여 반응 온도를 20 ℃정도 올려야 했으나, 본 발명의 촉매 반응기는 0.2 V 정도의 인가전압을 직접 촉매 층에 걸어주어서 이러한 촉매적 활성을 달성할 수 있으며, 이로 인해 에너지 및 운전 비용의 절감되어, 효율적인 공정 설계를 할 수 있는 효과가 있다.

Description

에너지 및 비용 절감 촉매 반응기 {Energy and Cost Saving Catalytic Reactor}

본 발명은 에너지 및 비용 절감 촉매 반응기에 관한 것이다.

화학반응을 일으키기 위한 최소한의 에너지를 활성화 에너지라 한다. 반응물질들이 모두 존재한다고 하여 화학 반응이 진행되는 것은 아니라, 입자의 유효충돌이 많아야 하고 입자 자체가 일정한 양 이상의 에너지를 가지고 있어야 화학반응이 진행되는데, 이 일정한 에너지가 바로 활성화 에너지이다.

기존에 사용된 촉매 반응기는 촉매가 낮춰준 활성화 에너지 이상의 에너지를 공급하기 위해서 전기로와 같은 외부 열원을 활용하였다. 그리고 촉매적 활성을 증진시키기 위해서는 외부 열원의 온도를 증가시켜서, 촉매 및 반응물의 활성을 증가시키는 방법을 주로 사용 중이다. 그러나 이는 높은 에너지 소모를 요구하는 과정이며, 또한 반응 시스템 전체를 가열 하기에 공정 및 운전 비용과 같은 추가 비용도 발생하게 된다.

고전압 환경에서 발생할 수 있는 부반응으로의 가능성을 제외하기 위해서, 본 발명에서는 저전압 조건에서 반응을 조절하고자 한다. 이를 위해서 기상반응용 비균질계 촉매 층에 직접 전극을 연결하여, 촉매 층에 전류가 흐를 수 있도록 하였다.

또한, 줄열에 의한 촉매 층의 가열을 막고자, 저전압 조건을 설정하였으며 계산을 바탕으로 발열 정도가 무시 가능한 수준임을 확인하였다. 촉매의 경우 전류가 흐르기 위해서 일정 수준 이상의 전도성이 요구되며, 이를 만족하기 위해서 탄소 담체를 선정한 뒤, 이에 금속 나노입자를 담지하여 반응기에 활용하였다.

또한, 본 발명에서는 제안한 반응기에서의 촉매 반응활성을 실험적으로 확인하기 위한 모델 반응의 경우 산화반응으로 설정하였다.

이에, 본 발명의 목적은 본 발명은 에너지 및 비용 절감 촉매 반응기를 제공하는 것이다.

본 발명에서 촉매 반응기에서 외부 인가 전압에 의한 촉매 활성 변화만을 유도하기 위해서는 고전압 환경에서 줄열에 의한 발열 효과가 무시 되어야 한다.

마찬가지로 본 발명에서는 발생하는 줄열의 효과를 실험적으로 확인하기 위해서 인가전압을 0 V부터 1.5 V까지 변화시켜가면서 발생하는 줄열에 의해서 증가한 촉매 층의 온도를 반응기 내부에 접속된 서모커플을 사용해서 측정하였으며, 발생하는 줄열의 영향은 무시 가능함을 확인하였다.

본 발명은 저전압 인시추 조작이 가능한 에너지 및 비용 절감 촉매 반응기에 관한 것이다.

이하 본 발명을 더욱 자세히 설명하고자 한다.

본 발명의 일 예는 쿼츠 반응기(1); 전도성 촉매 층(3); 상기 촉매 층 양 옆에 위치하는 도전성 시트(2); 도전성 시트와 연결된 도선(4); 도선과 연결되는 전원 공급부; 외부 열공급이 가능한 열공급원(7); 및 반응물 주입부;를 포함하는 촉매 반응기에 관한 것이다.

본 발명에 있어서 상기 쿼츠 반응기는 사각 기둥 형태인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 있어서 촉매 반응을 위하여 상기 전도성 촉매 층은 금속 촉매 또는 금속 촉매가 담지되어 담체를 포함하는 것일 수 있다. 이를 통해 도전성 시트를 통하여 인가되는 전압에 의하여 전류가 흐를 수 있다.

본 발명에 있어서 상기 담체는 전도성 담체 또는 전도성 물질과 혼합된 비전도성 담체인 것일 수 있다.

본 발명에 있어서 상기 전도성 담체는 카본 블랙, 활성 탄소(activated carbon) 및 카본 나노 튜브로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전기가 통하는 물질이라면 특별한 제한 없이 모두 사용할 수 있다.

본 발명에 있어서 상기 금속 촉매는 8족 내지 11족의 원소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으며, 예를 들어, Fe, Ru, Pt, Ag 및 Au로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 반응기에서 실행되는 반응에 따라서 결정될 수 있다.

본 발명에 있어서 상기 도전성 시트는 촉매 층에 전압을 인가할 수 있는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 카본 시트, GDL (Gas Diffusion Layer) 카본 페이퍼 및 구리 시트로 이루어 지는 군에서 선택되는 1종 이상인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 있어서 상기 도전성 시트와 도전성 촉매 층의 연결 단면은 직사각형(rectangular)인 것일 수 있다. 본 발명의 반응기는 도전성 시트를 통하여 촉매 층에 전기적 에너지를 공급하는데, 이 때 촉매 층에 균일하게 에너지를 공급하기 위해서 도전성 시트와 도전성 촉매 칭의 연결 단면은 직사각형 형태인 것이 바람직하다.

구체적으로, 도전성 시트와 촉매 층 연결 구조의 단면이 원형(Cylindrical)이면 에너지가 공급될 때 촉매 층의 위치에 따라 서로 상이한 에너지가 공급되어 균일한 에너지의 공급이 어려워져 촉매 층 위치에 따라 각 촉매들이 공급받게 되는 전기 에너지의 양이 상이해지므로, 반응기 전체의 효율이 떨어지면서 반응의 결과물이 균일하게 생성되지 못하는 문제가 발생하게 된다.

도전성 시트와 촉매 층 연결 구조의 단면이 직사각형인 경우 촉매 층 전체에 균일한 에너지가 공급되어 촉매 층의 어느 위치에 있는지에 상관없이 공급받는 전기 에너지의 양이 동일해지므로 반응기 전체의 효율이 높아질 뿐만 아니라 반응의 결과물이 균일하게 생성된다는 장점이 있다.

본 발명에 있어서 상기 도선은 전류를 통하게 할 수 있는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 구리, 은, 금, 스테인리스 및 철로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상으로 제작된 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 있어서 전원 공급부는 필요한 전압을 인가할 수 있는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다.

다만, 본 발명의 에너지 및 비용 절감 촉매 반응기는 외부 열공급이 가능한 열공급원을 포함하고 있기 때문에, 전원이 인가되는 도전성 시트의 단위 면적을 기준으로 1.0 V/cm² 이하의 전압을 인가하여도 반응이 잘 일어나는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명의 상기 전원 공급부는 전원이 인가되는 도전성 시트의 단위 면적에 1.0 V/cm²이하의 전압을 인가하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 0.01 내지 1.0 V/cm², 0.01 내지 0.9 V/cm² _,0.01 내지 0.8 V/cm² _,0.01 내지 0.7 V/cm² _,0.01 내지 0.6 V/cm² _,0.01 내지 0.5 V/cm² _,0.01 내지 0.4 V/cm², 0.01 내지 0.3 V/cm², 0.01 내지 0.2 V/cm² 전압을 인가하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 반응물 주입부는 기상 또는 기화된 액상물질이 주입되는 것이다.
본 발명의 에너지 및 비용 절감 촉매 반응기는 촉매를 사용하는 반응이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 메탄의 건식 개질반응 또는 일산화탄소의 산화반응 등에 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 도 1 및 도 2에는 상기 촉매 반응기에 대한 구체적인 일 예를 나타내고 있다.

본 발명의 촉매 반응기는 도 1 및 2에서와 같이 전체 반응 시스템 중, 촉매 반응기 위치에 설치되며, 외부 열공급이 가능한 열공급원으로부터 공급된 열과 함께 인가된 전압에 의한 효과로 촉매 층에서의 활성 변화를 일으키는 역할을 한다.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "상"에 또는 "아래"에 형성된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접 또는 또 다른 구성 요소를 개재하여 간접적으로 형성되는 것을 모두 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응 시스템에 대한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응 시스템의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 금 나노입자가 담지된 촉매를 사용하여, 다양한 온도 조건에서, 0, 0.2 및 0.4 V의 전압을 인가한 경우에 일산화탄소 전환률을 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예 1. Au/C 촉매를 이용한 일산화탄소의 산화 반응

HAuCl₄·3H₂O (Sigma aldrich사 제품) 0.105 g을 Ketjen black (Akzo Nobel 사 제품) 1 g에 혼합하여, 25 ℃에서 1시간 동안 혼합하여 담지하였다. 이 후, 이를 70 ℃에서 12 시간 동안 건조 시킨 후, 촉매 층이 고정된 흐름반응기를 이용하여 500 ℃에서 1시간동안 수소 분위기에서 환원 반응을 진행하여 촉매 층에 사용한 Au/C 촉매를 제조하였다.

상기와 같이 제조된 Au/C 촉매를 촉매 층(3)에 적재한 뒤, 하기 반응식 1과 같은 일산화탄소의 산화반응에 각각의 전압 및 온도 조건을 달리하여 반응 실험을 실시하였다. 구체적으로, 외부 전기로를 통해서 촉매 반응기에 설정한 반응 온도는 각각 260, 280, 300 ℃이고 인가한 외부 전압은 각각 0, 0.2, 0.4 V 이며, 그 결과를 도 2 및 표 1에 나타내었다.

[반응식 1]

CO + O₂ --> CO₂

		온도 (℃)
		260	280	300 ℃
전압 (V)	0	9.24	19.37	28.06
	0.2	17.80	24.09	32.27
	0.4	22.01	25.45	32.35

도 2 및 표 1에서 확인할 수 있듯이, Au/C 촉매는 우선 외부 전기로에서 가한 열에너지에 의해서 설정된 반응 온도가 증가함에 따라서 일산화탄소 전환율이 증가함을 확인 하였다.

또한, 인가한 전압의 증가에 따라서 촉매에서의 일산화탄소 전환율이 증가하는 것을 실험적으로 확인하였다. 줄열에 의해 발생한 발열 효과는 무시 할 수 있기 때문에 이를 통하여 본 발명의 촉매 반응기는 플라즈마와 같은 고전압 환경이 아니라 0.4 V 이하의 저전압 조건에서 촉매의 활성을 증가 시킬 수 있는 반응 시스템임을 알 수 있었다.

1: 쿼츠 반응기
2: 도전성 시트
3: 촉매 층
4: 도선
5: 서모커플 (thermocouple)
6: 쿼츠 울 (quartz wool)
7: 외부 열공급이 가능한 열공급원

Claims

쿼츠 반응기(1);
전도성 촉매 층(3);
촉매 층 양 옆에 위치하는 도전성 시트(2);
도전성 시트와 연결된 도선(4);
도선과 연결되는 전원 공급부;
외부 열공급이 가능한 열공급원(7); 및
반응물 주입부를 포함하고,
상기 촉매층은 Au 촉매 또는 Au 촉매가 담지되어 있는 담체를 포함하는 것이고,
상기 Au 촉매의 Au는 나노 입자 형태인 것이고,
상기 촉매의 반응 온도는 260 내지 280 ℃인 것이고,
상기 전원 공급부는 전원이 인가되는 도전성 시트의 단위 면적에 0.01 내지 1.0 V/cm²의 전압을 인가하는 것인 에너지 및 비용 절감 촉매 반응기.
삭제
제1항에 있어서, 상기 담체는 전도성 담체 또는 전도성 물질과 혼합된 비전도성 담체인 것인, 에너지 및 비용 절감 촉매 반응기.
제3항에 있어서, 상기 전도성 담체는 카본 블랙, 활성 탄소 (activated carbon) 및 카본 나노 튜브로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인, 에너지 및 비용 절감 촉매 반응기.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 도전성 시트는 연결 단면이 직사각형인 것인, 에너지 및 비용 절감 촉매 반응기.
제1항에 있어서, 상기 도선은 구리, 은, 금 및 스테인리스 철로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인, 에너지 및 비용 절감 촉매 반응기.
삭제
제1항에 있어서, 상기 반응물 주입부는 기상 또는 기화된 액상 물질이 주입되는 것인, 에너지 및 비용 절감 촉매 반응기.