KR102221053B1 - Preparation method of high performance iron/alumina catalysts and manufacturing method of synthetic liquid fuel using the iron/alumina catalyst - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일산화탄소 및 수소를 포함하는 혼합가스로부터 합성 액체 연료를 얻을 수 있는 피셔-트롭쉬 합성 반응용 철/칼륨/알루미나 복합계 촉매 및 이의 제조 방법 및 용도에 관한 것이다.
본 발명에 따른 촉매 제조방법은 담지되는 철 염의 함량이 알루미나 지지체 단위그램(g)당 0.4 ~ 1 그램(g)이 되도록 알루미나 지지체의 기공에 수화된 철 수화물염을 용융함침(melt-infiltration)시키는 제1단계; 및 알루미나 지지체 기공 내 담지된 철 금속 수화염을 활성화 가스 분위기하 소성에 의해 철카바이드로 활성화시켜 철카바이드 나노 입자가 알루미나 지지체 기공에 담지된 다공성 철카바이드/알루미나 촉매를 형성시키는 제2단계를 포함하는 것이 특징이다.
The present invention relates to an iron/potassium/alumina composite catalyst for a Fischer-Tropsch synthesis reaction capable of obtaining a synthetic liquid fuel from a mixed gas containing carbon monoxide and hydrogen, and a manufacturing method and use thereof.
The catalyst manufacturing method according to the present invention is a melt-infiltration of hydrated iron hydrate salt in the pores of the alumina support so that the content of the supported iron salt is 0.4 to 1 gram (g) per unit gram (g) of the alumina support. The first step; And a second step of activating the ferrous metal hydrate supported in the pores of the alumina support with iron carbide by firing in an atmosphere of an activation gas to form a porous ferric carbide/alumina catalyst in which the iron carbide nanoparticles are supported in the pores of the alumina support. It is a feature.

Description

고성능 철/알루미나 지지체 촉매의 제조 방법 및 이를 이용한 합성 액체연료 제조 방법 {Preparation method of high performance iron/alumina catalysts and manufacturing method of synthetic liquid fuel using the iron/alumina catalyst}{Preparation method of high performance iron/alumina catalysts and manufacturing method of synthetic liquid fuel using the iron/alumina catalyst}

본 발명은 일산화탄소 및 수소를 포함하는 혼합가스로부터 합성 액체 연료를 얻을 수 있는 피셔-트롭쉬 합성 반응용 철/칼륨/알루미나 복합계 촉매 및 이의 제조 방법 및 용도에 관한 것이다. The present invention relates to an iron/potassium/alumina composite catalyst for a Fischer-Tropsch synthesis reaction capable of obtaining a synthetic liquid fuel from a mixed gas containing carbon monoxide and hydrogen, and a manufacturing method and use thereof.

피셔-트롭쉬 (FT) 합성반응은 아래의 화학식과 같이 석탄, 천연가스, 바이오매스 등의 가스화 및 개질을 통해 얻어진 합성가스(수소와 일산화탄소)로부터 액상 합성연료(C5+ 탄화수소) 및 화학연료(에틸렌, 프로필렌등)를 제조하는 기술이다. Fischer-Tropsch (FT) synthesis reaction is a liquid synthetic fuel (C 5+ hydrocarbon) and chemical fuel obtained from synthesis gas (hydrogen and carbon monoxide) obtained through gasification and reforming of coal, natural gas, and biomass as shown in the formula below. It is a technology to manufacture (ethylene, propylene, etc.).

[반응식 1][Scheme 1]

(2n+1)H2 + nCO → CnH(2n+2) + nH2O (2n+1) H 2 + nCO → C n H (2n+2) + nH 2 O

이러한 피셔-트롭쉬 합성 (Fischer-Tropsch Synthesis) 반응에서 코발트 및 철을 기반으로 한 촉매가 주로 사용되는데, 적용되는 촉매의 종류에 따라 반응 온도 및 압력, 가스조성 등 그 반응조건이 많이 좌우되게 된다. 피셔-트롭쉬 합성반응은 크게 반응온도 및 목표로 하는 생성물의 종류에 따라 주로 200~250℃ 사이에서 반응이 이루어지며, 주로 왁스나 디젤영역의 물질을 얻는 저온 FT 반응(low temperature Fischer-Tropsch, LTFT)과 300~350℃ 사이에서 온도에서 반응하여 경질 올레핀 가스(에틸렌, 프로필렌)나 가솔린영역의 물질을 얻는 고온 FT 반응(high temperature Fischer-Tropsch, HTFT) 으로 구분 될 수 있다. 전통적으로, 파라핀계 왁스의 생성을 위해 진행하는 저온 FT 반응의 경우 촉매의 수명이 상대적으로 긴 코발트 촉매를 주로 사용하는데, 코발트계 촉매는 활성이 크고 수명이 오래가는 우수한 장점이 있으나, 황화합물 등에 의한 쉬운 피독이나 철계 촉매에 비해 가격이 매우 비싼 단점이 있다. 게다가, 코발트계 촉매의 경우 수성가스전이(WGS, water-gas-shift) 반응에 활성이 거의 없기 때문에 FT 합성반응 시에 합성가스의 성분(수소:일산화탄소=2:1) 비율에 따라 전체 반응이 큰 영향을 받게 된다. 이에 반해 철계 촉매의 경우 수성가스전이 반응에 활성을 가지고 있어 수소 대 일산화탄소 합성가스 성분비가 1~2 사이의 다양한 가스 조성에서도 사용이 가능하며, 불순 가스인 이산화탄소의 존재 하에서도 사용 가능하다. 따라서, 대형 규모의 상용으로 진행되는 고온 FT 반응의 경우 가격이 저렴하면서도 황화합물에 의한 내피독성이 강한 철계 촉매를 공정에서 주로 사용해 왔다. 지금까지 상용화된 철계 촉매를 이용한 고온 피셔-트롭쉬 반응의 대표적 예로는 Sasol사에서 용해철 (Fused Fe)된 철계 촉매를 사용한 Synthol 공정을 들 수 있다. 하지만 Fused Fe 의 경우 제조 시에 다양한 불순물이 포함 되어 질 수 있고 촉매 활성이 낮은 단점이 있다. In the Fischer-Tropsch Synthesis reaction, catalysts based on cobalt and iron are mainly used, and the reaction conditions such as reaction temperature, pressure, and gas composition depend on the type of catalyst applied. . The Fischer-Tropsch synthesis reaction is largely carried out between 200 and 250°C depending on the reaction temperature and the type of target product, and is a low temperature FT reaction (low temperature Fischer-Tropsch, which mainly obtains wax or diesel material). LTFT) and a high temperature FT reaction (high temperature Fischer-Tropsch, HTFT) in which light olefin gas (ethylene, propylene) or gasoline material is obtained by reacting at a temperature between 300 and 350°C. Traditionally, in the case of a low-temperature FT reaction that proceeds to produce paraffinic wax, a cobalt catalyst with a relatively long life of the catalyst is mainly used.The cobalt-based catalyst has an excellent advantage of having a high activity and a long lifespan, but due to sulfur compounds, etc. There is a disadvantage that the price is very expensive compared to easy poisoning or iron-based catalysts. In addition, since cobalt-based catalysts have little activity in water-gas-shift (WGS) reactions, the overall reaction depends on the ratio of the components of the synthesis gas (hydrogen: carbon monoxide = 2:1) during the FT synthesis reaction. It will be greatly affected. On the other hand, iron-based catalysts have activity in water gas transfer reactions, so they can be used in various gas compositions with a component ratio of hydrogen to carbon monoxide between 1 and 2, and can be used in the presence of carbon dioxide, which is an impure gas. Therefore, in the case of a large-scale commercial high-temperature FT reaction, iron-based catalysts, which are inexpensive and have strong resistance to skin toxicity by sulfur compounds, have been mainly used in the process. A representative example of a high-temperature Fischer-Tropsch reaction using an iron-based catalyst commercially available so far is the Synthol process using an iron-based catalyst made of fused Fe from Sasol. However, in the case of fused Fe, various impurities may be included during manufacture, and the catalytic activity is low.

현재, 상용공정에 이용되는 철 촉매의 경우 또한 촉매성능을 극적으로 개선시키기 위해 칼륨이나 구리, 실리카 등의 다양한 첨가제(promoters)들을 함께 사용해 오고 있는데, 특히 칼륨은 피셔-트롭쉬 반응에서 촉매의 반응성을 높이고, 메탄의 생성을 줄이며 탄화수소의 사슬 성장 선택도를 향상시키는 것으로 잘 알려져 있다. 칼륨의 역할은 전통적으로 염기(base)로서 전자적 영향이 잘 알려져 있으며, 최근에는 이 칼륨이 철입자의 활성표면의 형성에도 일부 관여하는 것으로 발표 되어지고 있다. 미국등록특허 제 4,340,503호에는 실리케이트 담체를 사용하여 철성분과 칼륨(Potassium) 성분을 담지시켜 철계 담지 촉매를 제조하였으며, 합성가스로부터 유동층 반응기에서 C2-C4 유분의 올레핀을 합성하는 방법이 제시되어 있다. Currently, in the case of iron catalysts used in commercial processes, various promoters such as potassium, copper, and silica have been used together to dramatically improve the catalytic performance. In particular, potassium is the reactivity of the catalyst in the Fischer-Tropsch reaction. It is well known to improve the chain growth selectivity of hydrocarbons, reduce the production of methane and increase the methane. The role of potassium is traditionally known to have an electronic effect as a base, and recently, it has been announced that potassium is partly involved in the formation of the active surface of iron particles. In U.S. Patent No. 4,340,503, an iron-based catalyst was prepared by supporting an iron component and a potassium component using a silicate carrier, and a method of synthesizing a C 2 -C 4 fraction of olefin from a synthetic gas in a fluidized bed reactor is presented. Has been.

또한, 최근의 연구에서 활성탄, 탄소튜브(CNT), 그래핀, 탄소섬유(CNF), 다공성 탄소 지지체 등의 다양한 탄소 재질의 물질들을 철 촉매의 지지체로 활용하고 있다. In addition, in recent research, various carbon materials such as activated carbon, carbon tube (CNT), graphene, carbon fiber (CNF), and porous carbon support are used as a support for an iron catalyst.

한편, 철계 촉매를 이용한 FT 반응의 경우, 활성입자를 철카바이드 형태로 잘 만들어주는 것이 중요하다. 이를 통해 반응 도입시기(induction period)를 최소화시킬 수 있으며, 보다 높은 활성을 나타낼 수 있다. 특히, 보고 되어지는 여러 철 카바이드 상들 중에서 hagg carbide(χ-Fe5C2) 가 상대적으로 우수한 성능을 보여주고 있다.On the other hand, in the case of the FT reaction using an iron-based catalyst, it is important to make the active particles well in the form of iron carbide. Through this, the reaction introduction period can be minimized, and higher activity can be exhibited. In particular, among the reported various iron carbide phases, hagg carbide (χ-Fe 5 C 2 ) shows relatively excellent performance.

저온 피셔-트롭쉬 합성반응에 주로 이용하는 철촉매의 경우, 주로 공침법(co-precipitation method)을 통해 만들어진 촉매들이 많이 사용되었다 (대한민국 특허 등록제 10-1087165호). 이러한 촉매는 전체 촉매 무게당 차지하는 철의 무게함량이 높아 철을 높은 함량으로 담지 시킬 수 있는 장점이 있다. 하지만, 제조 절차의 복잡성 및 낮은 촉매의 신뢰도와 함께 일산화탄소에 의한 촉매 코킹(coking)이나 고온 안정성 면에서 취약한 단점을 가지고 있다. In the case of iron catalysts mainly used in the low-temperature Fischer-Tropsch synthesis reaction, catalysts made mainly through the co-precipitation method were widely used (Korean Patent Registration No. 10-1087165). Such a catalyst has an advantage of being able to support iron in a high content due to the high weight of iron occupied per the total weight of the catalyst. However, it has disadvantages in terms of the complexity of the manufacturing procedure and low reliability of the catalyst, as well as catalyst coking by carbon monoxide or high temperature stability.

반면에, 주로 경질 올레핀이나 가솔린 생산을 목적으로 한 고온 피셔-트롭쉬 합성 (Fischer-Tropsch Synthesis) 반응의 경우 상용 공정에서 주로 Fused Fe (용해철) 입자를 사용하여 왔고, 소형 실험실 규모의 연구 단계에서는 담지체를 이용한 담지 촉매를 많이 적용 하였다. 상용 공정에 적용되는 Fused Fe의 경우 1000℃ 이상의 매우 고온에서 용융시켜 만들기 때문에 기계적 강도가 센 장점이 있는 반면 촉매의 결정 크기가 크고 활성이 낮은 단점이 있었다. On the other hand, in the case of the high-temperature Fischer-Tropsch Synthesis reaction, which is mainly aimed at producing light olefins or gasoline, fused Fe (melted iron) particles have been mainly used in commercial processes, and a research stage on a small laboratory scale. In, a supported catalyst using a support was applied a lot. Fused Fe, which is applied to a commercial process, has the advantage of having a high mechanical strength because it is melted at a very high temperature of 1000°C or higher, while the catalyst has a large crystal size and low activity.

이러한 철 촉매에 또한 촉매 환원성을 높이기 위해 구리를 사용하거나 촉매의 활성을 증가시키기 위해 칼륨을 첨가하여 사용하였다. 최근에는 기공이 잘 발달된 탄소를 지지체로 사용하여 칼륨을 담지한 철 촉매들이 많이 연구 되어 지고 있고, 높은 성능을 보여주고 있다. In addition to the iron catalyst, copper was used to increase catalytic reducibility, or potassium was added to increase the activity of the catalyst. Recently, a lot of studies have been conducted on iron catalysts carrying potassium using carbon with well-developed pores as a support, and show high performance.

하지만, 알루미나 지지체를 사용하여 입자를 균일하게 담지하는 방법들은 알루미나의 상대적으로 작은 기공 발달 특성으로 인해 잘 보고 되어지지 않은 실정이다. 탄소 지지체의 경우 고온 F-T 반응 중 발생하는 스팀(steam)에 안정하고, 열전달에 유리한 장점을 가지며, 탄소 지지체 내부는 좀 더 입자의 환원 및 활성화에 유리한 분위기를 제공해주며 반응물인 CO의 흡착에도 유리하게 작용할 수 있다. 하지만, 얻어진 촉매를 과립화하거나 다른 형태로 성형하여 사용하기에 잘 부스러짐으로 인해 스케일-업 된 공정에 적용하기에 불리한 단점이 있다. 이에 반해 실리카 지지체는 탄소 수준의 높은 기공성을 가지며, 성형에도 유리한 장점을 가지고 있다. 하지만, 실리카는 스팀에 대한 안정성이 떨어져 고온 피셔-트롭쉬 반응시에 구조 안정성에서 매우 취약한 단점을 가지고 있다.However, methods of uniformly supporting particles using an alumina support have not been well reported due to the relatively small pore development characteristics of alumina. In the case of a carbon support, it is stable against steam generated during high-temperature FT reactions, has an advantage of heat transfer, and the inside of the carbon support provides a more favorable atmosphere for reduction and activation of particles, and is advantageous for adsorption of CO, a reactant. Can work. However, there is a disadvantage in applying to a scale-up process because the obtained catalyst is easily crumbly to be used by granulating or molding it in another form. On the other hand, the silica support has a high porosity of carbon level and has an advantage of being advantageous for molding. However, silica has a poor stability against steam and is very vulnerable in structural stability during a high-temperature Fischer-Tropsch reaction.

본 발명의 목적은 고온에서 액체탄화수소 화합물을 매우 효과적으로 생성할 수 있는 촉매의 신규 제법을 제공하며, 이러한 촉매에 대하여 적합한 반응 조건을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a novel method for producing a catalyst capable of very effectively producing a liquid hydrocarbon compound at high temperature, and to provide suitable reaction conditions for such a catalyst.

본 발명의 또 다른 목적은 본 발명에 따른 철/칼륨/알루미나계 촉매를 이용하여 높은 CO 전환율 및 선택성을 바탕으로 하여 효과적으로 액체탄화수소를 제조하는 데 있다.Another object of the present invention is to efficiently produce liquid hydrocarbons based on high CO conversion and selectivity using the iron/potassium/alumina catalyst according to the present invention.

본 발명의 제1양태는 담지되는 철 염의 함량이 알루미나 지지체 단위그램(g)당 0.4 ~ 1 그램(g)이 되도록 알루미나 지지체의 기공에 수화된 철 수화물염을 용융함침(melt-infiltration)시키는 제1단계; 알루미나 지지체 기공 내 담지된 철 금속 수화염을 활성화 가스 분위기하 소성에 의해 철카바이드로 활성화시켜 철카바이드 나노 입자가 알루미나 지지체 기공에 담지된 다공성 철카바이드/알루미나 촉매를 형성시키는 제2단계를 포함하는 것이 특징인 촉매 제조방법을 제공한다.The first aspect of the present invention is a melt-infiltration agent for hydrated iron hydrate salt in the pores of the alumina support so that the content of the supported iron salt is 0.4 to 1 gram (g) per unit gram (g) of the alumina support. Step 1; It comprises a second step of activating the ferrous metal hydrate supported in the pores of the alumina support to iron carbide by firing in an atmosphere of an activation gas to form a porous ferric carbide/alumina catalyst in which the iron carbide nanoparticles are supported in the pores of the alumina support. It provides a method for producing a characteristic catalyst.

본 발명의 제2양태는 제1양태에 의해 제조되고, 철의 함량이 알루미나 지지체를 포함한 전체 촉매량을 기준으로 5 ~ 13wt%인 철 / 알루미나 복합촉매를 제공한다.The second aspect of the present invention provides an iron/alumina complex catalyst prepared according to the first aspect and having an iron content of 5 to 13 wt% based on the total amount of catalyst including the alumina support.

본 발명의 제3양태는 피셔-트롭시 합성반응을 이용하여 합성가스로부터 액체 탄화수소를 제조하는 방법에 있어서, 제2양태의 촉매를 고정층 반응기에 적용하는 a단계; 및 반응기에 합성가스를 주입하여 피셔-트롭쉬 반응을 수행하는 b단계를 포함하는 액체탄화수소의 제조방법을 제공한다.A third aspect of the present invention is a method for producing a liquid hydrocarbon from syngas using a Fischer-Tropsch synthesis reaction, comprising: a step of applying the catalyst of the second aspect to a fixed bed reactor; And a step b of performing a Fischer-Tropsch reaction by injecting syngas into a reactor.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명자들은 알루미나의 상대적으로 작은 기공 특성으로 인해 알루미나의 기공 내에 촉매 활성 입자를 담지시키기 어려움에도 불구하고, 다량의 철 수화물염을 알루미나에 용융함침 및 이어서 소성 및 활성화시킴으로써, 처음으로 철카바이드 나노 입자가 알루미나 지지체 기공에 담지된 다공성 철카바이드/알루미나 촉매를 제조하였으며, 나아가 상기 다공성 철카바이드/알루미나 촉매에 습식함침법으로 칼륨을 추가로 담지 시킬 수 있었다. 그 결과 조촉매인 칼륨의 적절한 첨가 (1~3 wt%) 를 통해 촉매 반응성의 향상 및 메탄 선택도 감소, 액상 탄화수소 (C5+)의 생산성 증가의 결과를 얻을 수 있었다. 이렇게 얻어진 촉매는 300℃ 이상의 고온 피셔-트롭쉬 반응에서도 구조적으로 열에 안정하며 입자의 응집을 최소화시키며 선택적으로 액체 탄화 수소를 높은 수득율로 얻을 수 있었다. 특히 기존에 보고된 탄소나 실리카 지지체 기반의 촉매들 보다 촉매 활성도 (FTY, Fe time yield) 면에서 훨씬 더 향상 되어진 성능을 발휘하였다. 본 발명은 이에 기초한 것이다.Although the present inventors have difficulty in supporting catalytically active particles in the pores of alumina due to the relatively small pore characteristics of alumina, the present inventors first melted and impregnated a large amount of iron hydrate salt in alumina, followed by firing and activating, for the first time iron carbide nanoparticles. A porous iron carbide/alumina catalyst supported on the pores of the alumina support was prepared, and further, potassium could be additionally supported on the porous iron carbide/alumina catalyst by a wet impregnation method. As a result, it was possible to obtain results of improved catalytic reactivity, reduced methane selectivity, and increased productivity of liquid hydrocarbons (C 5+ ) through appropriate addition of potassium as a cocatalyst (1~3 wt%). The catalyst thus obtained was structurally stable to heat even in a high temperature Fischer-Tropsch reaction of 300° C. or higher, minimized agglomeration of particles, and selectively obtained liquid hydrocarbons in high yield. In particular, it exhibited much improved performance in terms of catalytic activity (FTY, Fe time yield) than previously reported catalysts based on carbon or silica support. The present invention is based on this.

알루미나의 작은 기공 특성으로 인해 알루미나 지지체에 입자를 균일하게 담지하는 것이 어려운 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 수화된 철 수화물염의 용융함침(melt-infiltration) 과정을 통해 알루미나 지지체가 가지고 있는 기공 부피를 최대한 활용하여 매우 균일하게 지지체 내부로 담지하는 방법을 제시하는 것이 특징이다. 이때, 철 물질과 함께 칼륨을 균일하게 담지시킬 수 있다.In order to solve the problem that it is difficult to uniformly support the particles on the alumina support due to the small pore characteristics of alumina, the present invention provides the pore volume of the alumina support through a melt-infiltration process of hydrated iron hydrate salt. It is characterized by suggesting a method of using it as much as possible and carrying it into the support very evenly. At this time, it is possible to uniformly support potassium together with the iron material.

또한, 지금까지의 칼륨이 포함된 철 지지체 촉매의 경우, 많은 경우에 산화철 상태에서 칼륨이 소량 첨가된 촉매를 사용하는데, 이 경우 반응기 내부에서 산화철을 활성 철카바이드나 금속성 철로 만들어주기 위해 in-situ 로 장기간 환원/활성화 해주는 과정이 필수적이다. 또한 이 과정에 따라 촉매 성능이 큰 편차를 나타내기 때문에, 본 발명에서는 철 금속 수화염이 지지체에 담지된 상태에서 일산화탄소 분위기하에서의 외부 활성화 과정을 통해 철카바이드 형태로 활성화된 촉매를 얻음으로써 실제 촉매 적용시 환원 조건별 편차를 최소화할 수 있는 것을 발견하였다. In addition, in the case of the iron support catalyst containing potassium so far, in many cases, a catalyst in which a small amount of potassium is added in the state of iron oxide is used. In this case, in-situ to make the iron oxide into activated iron carbide or metallic iron inside the reactor. The long-term reduction/activation process is essential. In addition, since the catalyst performance varies greatly depending on this process, in the present invention, the catalyst activated in the form of iron carbide is obtained through an external activation process in a carbon monoxide atmosphere in a state in which the ferrous metal hydrate is supported on the support. It was found that the deviation of each reduction condition can be minimized.

본 발명에서 얻어진 철/칼륨/알루미나 나노 구조체 촉매는 열적안정성이 우수하여 340℃ 부근의 고온에서 진행되는 고온 피셔-트롭쉬 반응에서 높은 활성을 보여줄 수 있으며, 칼륨의 영향으로 메탄의 생성양은 줄이고 탄화수소 액상 생성물의 양을 늘리는 동시에 전체 촉매 활성 또한 개선할 수 있다. The iron/potassium/alumina nanostructure catalyst obtained in the present invention has excellent thermal stability and can show high activity in a high-temperature Fischer-Tropsch reaction conducted at a high temperature around 340°C. While increasing the amount of liquid product, the overall catalytic activity can also be improved.

본 발명에 따른 촉매 제조방법은,The method for producing a catalyst according to the present invention,

담지되는 철 염의 함량이 알루미나 지지체 단위그램(g)당 0.4 ~ 1 그램(g)이 되도록 알루미나 지지체의 기공에 수화된 철 수화물염을 용융함침(melt-infiltration)시키는 제1단계;A first step of melt-infiltration of the hydrated iron hydrate salt in the pores of the alumina support so that the content of the supported iron salt is 0.4 to 1 gram (g) per unit gram (g) of the alumina support;

알루미나 지지체 기공 내 담지된 철 금속 수화염을 활성화 가스 분위기하 소성에 의해 철카바이드로 활성화시켜 철카바이드 나노 입자가 알루미나 지지체 기공에 담지된 다공성 철카바이드/알루미나 촉매를 형성시키는 제2단계를 포함한다.A second step of forming a porous iron carbide/alumina catalyst in which the iron carbide nanoparticles are supported on the pores of the alumina support by activating the ferrous metal hydrate supported in the pores of the alumina support with iron carbide by firing in an atmosphere of an activating gas.

이때, 제2단계 이후 칼륨염 용액을 사용하여 습식 담지법으로 다공성 철카바이드/알루미나 촉매에 칼륨염을 담지 시키고, 활성화 가스 (순수 일산화탄소, 수소나 질소에 일부 포함된 일산화탄소등) 조건에서 열처리하여 알루미나 지지체 내에 칼륨 및 철카바이드 나노 입자를 고분산 시키는 제3단계를 더 포함할 수 있다. At this time, after the second step, potassium salt is supported on the porous iron carbide/alumina catalyst by a wet supporting method using a potassium salt solution, and heat treatment is performed under an activation gas (pure carbon monoxide, carbon monoxide partially contained in hydrogen or nitrogen, etc.) to obtain alumina. A third step of highly dispersing potassium and iron carbide nanoparticles in the support may be further included.

또한, 제1단계에서 칼륨 제공 전구체를 수화된 철 수화물염과 함께 알루미나 지지체의 기공에 담지시킬 수도 있다.In addition, in the first step, the potassium providing precursor may be supported in the pores of the alumina support together with the hydrated iron hydrate salt.

또한, 제3단계 전에 제2단계에서 형성된 다공성 철카바이드/알루미나 촉매를 패시베이션 할 수 있다.In addition, before the third step, the porous iron carbide/alumina catalyst formed in the second step may be passivated.

본 발명의 일구체예에 따른 고온 피셔-트롭쉬 합성 반응용 철, 칼륨, 알루미나 복합계 나노 촉매는 도 1에서 나타낸 바와 같이 용융함침 과정 및 일산화탄소 활성화를 통해 철카바이드/알루미나 촉매를 먼저 얻은 후, 그 위에 다시 칼륨염 용액을 습식 담지법을 통해 제조될 수 있다. 이렇게 칼륨염이 담지되면, 연속적으로 고온 일산화탄소 조건에서 충분한 활성화 과정을 통해 알루미나 지지체 내에 칼륨 및 철카바이드 나노 입자가 고분산시킬 수 있고, 최종적으로 패시베이션 과정을 통해 촉매로 작용하는 활성 입자 산화를 최소화시킬 수 있다. The iron, potassium, and alumina composite nanocatalyst for high-temperature Fischer-Tropsch synthesis reaction according to an embodiment of the present invention first obtains an iron carbide/alumina catalyst through a melt impregnation process and carbon monoxide activation as shown in FIG. The potassium salt solution can be prepared again on it through a wet supporting method. When the potassium salt is supported in this way, potassium and iron carbide nanoparticles can be highly dispersed in the alumina support through a sufficient activation process under continuous high temperature carbon monoxide conditions, and finally, the oxidation of active particles acting as a catalyst through the passivation process can be minimized. I can.

이하, 본 발명에 따른 철/칼륨/알루미나 복합계 나노 촉매의 제조방법을 단계별로 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of preparing an iron/potassium/alumina composite nanocatalyst according to the present invention will be described in more detail step by step.

제1단계 이전에 철 수화물 염과 알루미나 지지체를 함께 균일하게 갈아 분말을 형성시킬 수 있다.Before the first step, the iron hydrate salt and the alumina support may be uniformly ground together to form a powder.

철수화물 염의 비제한적인 예는 Iron(III) chloride hexahydrate, Iron(II) chloride tetrahydrate, Iron(III) nitrate nonahydrate, Iron(II) perchlorate hydrate, Iron(II) sulfate hydrate일 수 있다.Non-limiting examples of iron hydrate salts may be Iron(III) chloride hexahydrate, Iron(II) chloride tetrahydrate, Iron(III) nitrate nonahydrate, Iron(II) perchlorate hydrate, and Iron(II) sulfate hydrate.

본 발명에서 사용하는 철 수화물염은 용융점 (melting point) 이 30~100℃ 정도에 속하는 수화된 철 화합물로서 Fe(NO3)39H2O (d= 1.643 g/cm3, m.p.=47.2℃), FeCl36H2O (d= 1.82 g/cm3, m.p.= 37℃), FeSO47H2O (1.898 g/cm3, m.p.=70℃) 등이 바람직하다. 이보다 낮은 용융점을 지니는 화합물의 경우 상온에서 액체 상태라 다루기 힘들며, 100 ℃ 이상의 높은 융용점을 가지는 화합물의 경우 물이 끓는 온도보다 고온에서 함침을 하기 때문에 끓는 문제가 발생할 수 있다. 특히, 이러한 금속염들은 각각의 고유한 밀도 값을 가지고 있는데 이러한 금속염의 밀도와 다공성 탄소 지지체의 기공 부피를 고려하여 금속염의 함침양을 정하면 보다 균일하게 염을 함침시킬 수 있다. The iron hydrate salt used in the present invention is a hydrated iron compound having a melting point of about 30 to 100°C, and Fe(NO 3 ) 3 9H 2 O (d= 1.643 g/cm 3 , mp=47.2°C) , FeCl 3 6H 2 O (d= 1.82 g/cm 3 , mp= 37°C), FeSO 4 7H 2 O (1.898 g/cm 3 , mp=70°C) and the like are preferable. In the case of a compound having a melting point lower than this, it is difficult to handle it because it is in a liquid state at room temperature. In the case of a compound having a melting point higher than 100°C, a boiling problem may occur because water is impregnated at a higher temperature than the boiling temperature. In particular, each of these metal salts has a unique density value. If the impregnation amount of the metal salt is determined in consideration of the density of the metal salt and the pore volume of the porous carbon support, the salt can be impregnated more evenly.

이러한 염들과 함께 이용 되어질 수 있는 알루미나 지지체로는 감마상(gamma-phase) 의 다공성 지지체가 적합하며 이때 철 염의 원활한 담지를 위해 지지체의 기공 부피는 0.2 cm3/g 이상이 되는 것이 좋다. 입자의 담지 함량을 보다 높이기 위해서는 최대한 기공 부피가 크면서 기공 크기가 일정한 알루미나 물질을 이용하는 것이 바람직하다. 그 이유로는, 알루미나 지지체는 성형가공이 가능하며, 입자와 지지체간 강한 상호작용에 의해 입자간 안정성을 향상시킬 수 있기 때문이다. 또한, 탄소 물질 대비 펠릿화에 유리한 특성을 지니면서, 실리카 물질과 비교하여서는 보다 높은 스팀 안정성을 가지고 있다.As the alumina support that can be used with these salts, a gamma-phase porous support is suitable. In this case, the pore volume of the support is preferably 0.2 cm 3 /g or more for smooth support of the iron salt. In order to further increase the supported content of the particles, it is preferable to use an alumina material having a large pore volume and a constant pore size. The reason is that the alumina support can be molded, and the stability between particles can be improved by strong interaction between the particles and the support. In addition, while having advantageous properties for pelletization compared to carbon materials, it has higher steam stability compared to silica materials.

담지되는 철 염의 함량은 입자의 균일한 담지를 위해 알루미나 지지체 단위그램(g)당 0.4 ~ 1 그램(g)이 바람직하다. 또한 부수적으로 첨가 되는 칼륨의 함량은 지지체를 포함한 전체 촉매량을 기준으로 0.5 ~ 5wt% 가 적합하며, 촉매로 사용되는 철의 함량은 입자의 균일한 분산성과 촉매의 장기 안정성면에서 5 ~ 13wt% 로 담지하는 것이 적합하다. 13wt% 초과의 철 함량의 경우 알루미나 지지체 기공에 균일하게 함침 될 수 있는 철 수화물염의 수용량을 초과한다.The content of the supported iron salt is preferably 0.4 to 1 gram (g) per unit gram (g) of the alumina support for uniform support of the particles. In addition, the content of additionally added potassium is 0.5 ~ 5wt% based on the total amount of catalyst including the support, and the content of iron used as a catalyst is 5 ~ 13wt% in terms of uniform dispersibility of the particles and long-term stability of the catalyst. It is suitable to carry. The iron content exceeding 13wt% exceeds the capacity of the iron hydrate salt that can be uniformly impregnated in the pores of the alumina support.

또한, 함침과정에서 적용되는 금속 수화물염의 양과 반응온도에 따라 반응용기의 선택이 가능하며, 주로 스테인레스 스틸(stainless steel)로 제작된 반응기나 고분자 플라스틱 중 폴리프로필렌(Polypropylene)이나 테프론(Teflon)으로 제작된 용기를 사용하면 된다. In addition, it is possible to select a reaction vessel according to the amount of metal hydrate salt applied during the impregnation process and the reaction temperature, and the reactor is mainly made of stainless steel or made of polypropylene or Teflon among polymer plastics. You can use the old container.

또한, 철 수화물 염을 녹여서 지지체 내부로 균일하게 함침시키기 위해서는 반응기 내부의 온도조절과 압력 유지가 중요하며, 함침하고자 하는 염의 완전한 함침이 가능하도록 그 염의 용융점 보다 2~5 ℃ 정도 높여서 진행을 할 수 있고, 반응 중 발생하는 증기압으로 인한 압력은 외부로 사라지지 않도록 반응은 반드시 닫힌계 (closed system)에서 이루어져야 한다. In addition, in order to dissolve the iron hydrate salt and impregnate it evenly into the support, it is important to control the temperature and maintain pressure inside the reactor, and to allow complete impregnation of the salt to be impregnated, the melting point of the salt can be increased by about 2 to 5°C. In addition, the reaction must be carried out in a closed system so that the pressure due to the vapor pressure generated during the reaction does not disappear to the outside.

용융함침 과정은 일반적 건조오븐 (dry oven)에서도 이루어질 수 있으나, 보다 균일하면서 입자가 잘 분산 되어진 촉매를 얻기 위해 회전식 교반 오븐(tumbling oven) 을 활용할 수 있다. 회전속도는 1~60rpm 범위에서 사용이 가능하며, 적절한 교반을 위해서는 20~40rpm 범위에서 이용하는 것이 좋다. The melt-impregnation process can be performed in a general dry oven, but a rotary agitating oven can be used to obtain a more uniform and well-dispersed catalyst. The rotational speed can be used in the range of 1 to 60 rpm, and it is recommended to use it in the range of 20 to 40 rpm for proper stirring.

제1단계에서 형성된 용융함침된 철수화물염과 알루미나의 혼합분말을 상온에서 건조시킨 후 제2단계를 수행할 수 있다.The second step may be performed after drying the mixed powder of the molten-impregnated iron hydrate salt and alumina formed in the first step at room temperature.

철염을 담지 한 후에 처리해 주는 소성조건은 함침되어진 철 수화물염이 충분히 분해되어 활성을 가지는 철 카바이드 상(phase)으로 만들어 주는 것이 중요하며, 소성온도는 입자의 크기가 너무 커지지 않으면서도 활성을 나타낼 수 있는 300~400℃ 사이가 가능하며, 보다 바람직하게는 350℃ 정도가 좋다. It is important to make the impregnated iron hydrate salt into an active iron carbide phase by sufficiently decomposing the impregnated iron hydrate salt as a sintering condition after the iron salt is supported, and the sintering temperature can exhibit activity without too large a particle size. It is possible between 300 ~ 400 ℃, more preferably about 350 ℃ is good.

활성화 가스는 일산화탄소, 혼합가스 (일산화탄소+수소, 일산화탄소+질소) 가 가능 하지만 촉매 활성화 측면에서 보다 바람직하게는 순수 일산화탄소를 사용하는 것이 좋다. 소성시간은 활성화가 충분히 가능하도록 분당 100mL 이상으로 2~10시간 동안 처리해줌이 바람직하다.Carbon monoxide and mixed gas (carbon monoxide + hydrogen, carbon monoxide + nitrogen) can be used as the activating gas, but pure carbon monoxide is more preferably used in terms of catalytic activation. The firing time is preferably 100 mL or more per minute for 2 to 10 hours so that activation is sufficiently possible.

제3단계 전에 제2단계에서 형성된, 철카바이드 나노 입자가 알루미나 지지체 기공에 담지된 다공성 촉매를 패시베이션할 수 있다. 이때, 패시베이션된 촉매는 건조하여 제3단계에 사용할 수 있다. Before the third step, the iron carbide nanoparticles formed in the second step may passivate the porous catalyst supported in the pores of the alumina support. At this time, the passivated catalyst can be dried and used in the third step.

고온 CO 분위기에서 활성화된 촉매의 안정화를 위한 패시베이션 과정은 외부 환원된 촉매의 추후 반응적용에 있어 매우 중요한 단계로서, 유기 용매를 사용하여 촉매와 산소와의 반응을 차단해주는 역할을 하게 된다. 이때 사용될 수 있는 유기 용매로는 에탄올, 미네랄 오일 등 다양한 용매를 쓸 수 있으며, 다만 촉매를 산화 및 변화시킬 수 있는 물은 사용할 수 없다. 패시베이션은 질소나 다른 불활성 (inert) 가스 분위기에서 산소에 노출되지 않도록 촉매를 유기 용매 내에 직접 담그는 과정을 통해 수행되며, 추후 분석이나 고정층 반응기에 적용하기 위해서는 휘발이 쉬운 에탄올을 용매로 쓰는 것이 바람직하다. The passivation process for stabilizing the activated catalyst in a high-temperature CO atmosphere is a very important step in the subsequent reaction application of the externally reduced catalyst, and serves to block the reaction between the catalyst and oxygen using an organic solvent. At this time, various solvents such as ethanol and mineral oil can be used as the organic solvent that can be used, but water that can oxidize and change the catalyst cannot be used. Passivation is performed by immersing the catalyst directly in an organic solvent so as not to be exposed to oxygen in an atmosphere of nitrogen or other inert gas, and for later analysis or application to a fixed bed reactor, it is preferable to use ethanol, which is easily volatilized, as a solvent. .

용매에 적셔진 철카바이드/알루미나 담지 촉매의 경우 촉매 자체가 자성을 띠기 때문에 자석을 이용하여 용매로부터 쉬운 분리가 가능하며, 분리 후 진공 건조 과정을 통해 재 건조 하여 바로 사용하거나 진공 포장 또는 질소 포장을 하여 보관하는 것이 바람직하다.In the case of an iron carbide/alumina supported catalyst wetted in a solvent, since the catalyst itself is magnetic, it can be easily separated from the solvent using a magnet. After separation, re-dry it through a vacuum drying process and use it immediately, or use vacuum packaging or nitrogen packaging. It is desirable to keep it.

제3단계에서, 습식 담지법을 통해 넣은 칼륨의 경우 물이나 유기용매에 녹인 용액 상태로 사용할 수 있는데, 사용 가능한 염으로는 KOH, KI, KCl, KBr, K2CO3, K2Cr2O7, KNO3, KC2H3O2, KMnO4, KCN, KIO3, K2S2O8, K2SO4, KSCN, KClO3, KF, KH, KH2PO4, C4H9KO, C6H5K3O7 등이 될 수 있다. In the third step, potassium added through the wet supporting method can be used as a solution dissolved in water or an organic solvent, and available salts include KOH, KI, KCl, KBr, K 2 CO 3 , K 2 Cr 2 O 7 , KNO 3 , KC 2 H 3 O 2 , KMnO 4 , KCN, KIO 3 , K 2 S 2 O 8 , K 2 SO 4 , KSCN, KClO 3 , KF, KH, KH 2 PO 4 , C 4 H 9 It can be KO, C 6 H 5 K 3 O 7 etc.

제3단계 이후 형성된, 칼륨이 담지된 철카바이드/알루미나 촉매 역시 패시베이션 및/또는 건조할 수 있다.The iron carbide/alumina catalyst on which potassium is supported, formed after the third step, may also be passivated and/or dried.

한편, 본 발명에 따라, 피셔-트롭시 합성반응을 이용하여 합성가스로부터 액체 탄화수소를 제조하는 방법은, On the other hand, in accordance with the present invention, a method for producing a liquid hydrocarbon from syngas using a Fischer-Tropsch synthesis reaction,

본 발명에 따라 제조된 촉매를 고정층 반응기에 적용하는 a단계; 및 A step of applying the catalyst prepared according to the present invention to a fixed bed reactor; And

반응기에 합성가스를 주입하여 피셔-트롭쉬 반응을 수행하는 b단계를 포함한다. Including step b of performing a Fischer-Tropsch reaction by injecting syngas into the reactor.

합성가스는 일산화탄소, 수소, 그 밖에 불활성 기체나 메탄, 또는 이산화탄소로 구성되는 물질을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 일산화탄소와 수소를 1:1의 비율로 사용하는 것이 생성물의 수득율 측면에서 좋다. 또한 합성가스는 공간속도가 6 ~ 30 NL·gcat -1·h- 1 인 범위내에서 고정층 반응기에 주입되는 것이 바람직하다. 상기 공간속도 보다 미만일 경우에도 반응 진행에는 큰 무리가 없으나 액체탄화수소의 단위시간당 생산성이 낮은 문제가 발생하며 상기 공간속도 보다 많은 합성가스를 주입할 경우 일산화탄소의 전환율이 감소할 수 있다. 반응온도는 250~350℃ 에서 진행이 가능하나 일산화탄소의 전환율을 높이고 액체탄화수소의 수득률을 늘리기 위해 300~350℃사이에서 진행하는 것이 바람직하다. Synthetic gas may be carbon monoxide, hydrogen, other inert gas, methane, or a material composed of carbon dioxide. More preferably, it is good in terms of product yield to use carbon monoxide and hydrogen in a ratio of 1:1. In addition, synthesis gas space velocity 6 ~ 30 NL · g cat -1 · h - is preferably injected into the fixed bed reactor in the first range. Even if it is less than the space velocity, there is no great difficulty in the progress of the reaction, but there is a problem that the productivity per unit time of the liquid hydrocarbon is low, and when a synthesis gas greater than the space velocity is injected, the conversion rate of carbon monoxide may be reduced. The reaction temperature can be carried out at 250 to 350°C, but it is preferable to proceed between 300 to 350°C in order to increase the conversion rate of carbon monoxide and increase the yield of liquid hydrocarbons.

a단계는 촉매 로딩 과정 중에 일부 산화된 입자의 환원 및 재활성화를 위해 반응기 내부에서 in-situ 상태에서 300~400℃로 환원시키는 것을 더 포함할 수 있다.Step a may further include reducing to 300 to 400° C. in an in-situ state inside the reactor for reduction and reactivation of some oxidized particles during the catalyst loading process.

본 발명의 일구체예에 따른 철카바이드/칼륨/알루미나 촉매에서 칼륨은 일산화탄소 흡착시 철카바이드 표면에 전자를 밀어주고, 일산화탄소가 잘 떨어지도록 도와줄 뿐만 아니라, 철 함량을 적게 쓰더라도 촉매활성이 우수하다. 또한, 알루미나 상에서 철카바이드 입자의 소결(sintering) 현상을 억제하여 촉매안정성을 향상시켜준다.In the iron carbide/potassium/alumina catalyst according to an embodiment of the present invention, potassium pushes electrons to the surface of the iron carbide when carbon monoxide is adsorbed, helps carbon monoxide to fall well, and has excellent catalytic activity even when using a small amount of iron. Do. In addition, it improves catalyst stability by suppressing the sintering phenomenon of iron carbide particles on alumina.

따라서, 본 발명에 따른 철카바이드/칼륨/알루미나 복합 촉매를 이용한 피셔-트롭쉬 합성 반응 시, 300℃ 이상의 고온 조건에서 일산화탄소의 전환율이 높고, 메탄의 생성도는 낮으면서도 C5+ 이상의 액체탄화수소의 선택도를 증가시킬 수 있는 장점을 가지므로 고온 피셔-트롭쉬 반응의 우수한 촉매로서 상용 공정까지 적용될 수 있다.Accordingly, iron carbide / potassium / alumina composite catalyst according to the invention for using Fischer-Tropsch synthesis reaction at the time of, or more high conversion rate of carbon monoxide in the high temperature condition over 300 ℃, eumyeonseodo generate the methane is low, the liquid C 5+ hydrocarbon Since it has the advantage of increasing selectivity, it can be applied to commercial processes as an excellent catalyst for high-temperature Fischer-Tropsch reactions.

나아가, 알루미나 지지체는 활성탄 지지체와 달리 쉽게 성형이 가능하여 철카바이드 나노입자가 담지 된 알루미나 지지체를 펠렛과 같이 원하는 다양한 형태로 가공하여 사용할 수 있으며, 이로인해 반응기의 스케일-업이 용이하다.Furthermore, the alumina support can be easily molded, unlike the activated carbon support, so that the alumina support carrying iron carbide nanoparticles can be processed and used in various shapes as desired, such as pellets, which makes it easy to scale-up the reactor.

본 발명에서 제조된 촉매를 사용하면 조촉매인 칼륨의 적절한 첨가 (1~3 wt%) 를 통해 촉매 반응성의 향상 및 메탄 선택도 감소, 액상 탄화수소 (C5+)의 생산성 증가의 결과를 얻을 수 있었다. 이렇게 얻어진 촉매는 300℃ 이상의 고온 피셔-트롭쉬 반응에서도 구조적으로 열에 안정하며 입자의 응집을 최소화시키며 선택적으로 액체 탄화 수소를 높은 수득율로 얻을 수 있는 장점이 있다. 특히 기존에 보고된 탄소나 실리카 지지체 기반의 촉매들 보다 촉매 활성도 (FTY, Fe time yield) 면에서 훨씬 더 향상 되어진 성능을 낼 수 있다.If the catalyst prepared in the present invention is used, it is possible to obtain results of improvement in catalytic reactivity, decrease in methane selectivity, and increase in productivity of liquid hydrocarbons (C 5+ ) through appropriate addition of potassium as a cocatalyst (1~3 wt%). there was. The catalyst thus obtained has the advantage of being structurally stable to heat even in a high temperature Fischer-Tropsch reaction of 300° C. or higher, minimizing agglomeration of particles, and selectively obtaining liquid hydrocarbons in high yield. In particular, it is possible to achieve much improved performance in terms of catalytic activity (FTY, Fe time yield) than previously reported catalysts based on carbon or silica support.

도 1은 칼륨이 포함된 철카바이드/알루미나 나노 복합 촉매 제조에 대한 모식도이다.
도 2는 실시예 1의 용융함침 과정을 통해 얻어진 철카바이드/알루미나 나노복합 촉매의 저배율 (a) 및 고배율 (b) TEM 이미지 (a=98,000 배율, b=490,000 배율)이다.
도 3은 실시예 1의 용융함침 과정으로 얻어진 철카바이드/알루미나 복합체 촉매의 XRD 스펙트럼이다.
도 4는 실시예 1의 용융함침 과정으로 얻어진 철카바이드/알루미나 복합체 촉매의 질소흡탈착 그래프이다.
도 5는 질소 탈착 곡선으로부터 구한 실시예 1의 철카바이드/알루미나 복합체 촉매의 기공 분포도이다.
도 6은 실시예 2에 따라 추가 칼륨 첨가 뒤 철카바이드/칼륨/알루미나 나노복합 촉매 (칼륨함량:0.8 wt%) 의 저배율 (a) 및 고배율 (b) TEM 이미지 (a=98,000 배율, b=490, 000 배율)이다.
도 7은 실시예 2에 따라 추가 칼륨 첨가 뒤 철카바이드/칼륨/알루미나 나노복합 촉매 (칼륨함량:1.6 wt%) 의 저배율 (a) 및 고배율 (b) TEM 이미지 (a=98,000 배율, b=490, 000 배율)이다.
도 8 은 실시예 2에 따라 추가 칼륨 첨가 뒤 철카바이드/칼륨/알루미나 나노복합 촉매 (칼륨함량:3.2 wt%) 의 저배율 (a) 및 고배율 (b) TEM 이미지 (a=98,000 배율, b=490,000 배율)이다.
도 9는 실시예 2의 철-카바이드/칼륨/알루미나 나노복합 촉매의 XRD 분석결과이다.
도 10은 실시예 2에 따라 1.6wt%의 칼륨이 첨가된 철카바이드/칼륨/알루미나 복합체 촉매의 질소흡탈착 그래프이다.
도 11은 질소 탈착 곡선으로부터 구한 실시예 2에 따라 1.6wt%의 칼륨이 첨가된 철카바이드/칼륨/알루미나 촉매의 기공 분포도이다.
도 12는 실시예 3에 따라 칼륨이 포함되지 않은 철카바이드/알루미나 촉매의 (a) 전환율, (b) 선택도, (c) 피셔-트롭쉬 활성도, (d) 탄화수소 생성물 생산성 그래프이다.
도 13은 실시예 3에 따라 0.8wt%의 칼륨이 포함된 철카바이드/칼륨/알루미나 촉매의 (a) 전환율, (b) 선택도, (c) 피셔-트롭쉬 활성도, (d) 탄화수소 생성물 생산성 그래프이다.
도 14는 실시예 3에 따라 1.6wt%의 칼륨이 포함된 철카바이드/칼륨/알루미나 촉매의 (a) 전환율, (b) 선택도, (c) 피셔-트롭쉬 활성도, (d) 탄화수소 생성물 생산성 그래프이다.
도 15는 실시예 3에 따라 3.2wt%의 칼륨이 포함된 철카바이드/칼륨/알루미나 촉매의 (a) 전환율, (b) 선택도, (c) 피셔-트롭쉬 활성도, (d) 탄화수소 생성물 생산성 그래프이다.
도 16은 비교예 1에 따라 칼륨이 포함되지 않은 철카바이드/활성탄 촉매의 (a) 전환율, (b) 선택도, (c) 피셔-트롭쉬 활성도, (d) 탄화수소 생성물 생산성 그래프이다.
도 17은 칼륨이 포함되지 않은 철카바이드/다공성 실리카 SBA-15 촉매의 (a) 전환율, (b) 선택도, (c) 피셔-트롭쉬 활성도, (d) 탄화수소 생성물 생산성 그래프이다.
1 is a schematic diagram of the preparation of an iron carbide/alumina nanocomposite catalyst containing potassium.
2 is a low magnification (a) and high magnification (b) TEM image (a = 98,000 magnification, b = 490,000 magnification) of the iron carbide/alumina nanocomposite catalyst obtained through the melt-impregnation process of Example 1.
3 is an XRD spectrum of the iron carbide/alumina composite catalyst obtained by the melt-impregnation process of Example 1. FIG.
4 is a graph of nitrogen adsorption and desorption of the iron carbide/alumina composite catalyst obtained by the melt impregnation process of Example 1. FIG.
5 is a pore distribution diagram of the iron carbide/alumina composite catalyst of Example 1 obtained from a nitrogen desorption curve.
6 is a low magnification (a) and high magnification (b) TEM image (a=98,000 magnification, b=490) of an iron carbide/potassium/alumina nanocomposite catalyst (potassium content: 0.8 wt%) after addition of potassium according to Example 2 , 000 magnification).
7 is a low magnification (a) and high magnification (b) TEM image (a=98,000 magnification, b=490) of an iron carbide/potassium/alumina nanocomposite catalyst (potassium content: 1.6 wt%) after addition of potassium according to Example 2 , 000 magnification).
8 is a low magnification (a) and high magnification (b) TEM image (a=98,000 magnification, b=490,000) of an iron carbide/potassium/alumina nanocomposite catalyst (potassium content: 3.2 wt%) after addition of potassium according to Example 2 Magnification).
9 is an XRD analysis result of the iron-carbide/potassium/alumina nanocomposite catalyst of Example 2.
10 is a graph of nitrogen adsorption and desorption of an iron carbide/potassium/alumina composite catalyst to which 1.6wt% of potassium is added according to Example 2.
11 is a pore distribution diagram of an iron carbide/potassium/alumina catalyst to which 1.6 wt% of potassium is added according to Example 2 obtained from a nitrogen desorption curve.
12 is a graph of (a) conversion, (b) selectivity, (c) Fischer-Tropsch activity, and (d) hydrocarbon product productivity of an iron carbide/alumina catalyst containing no potassium according to Example 3. FIG.
13 shows the (a) conversion rate, (b) selectivity, (c) Fischer-Tropsch activity, (d) hydrocarbon product productivity of the iron carbide/potassium/alumina catalyst containing 0.8 wt% of potassium according to Example 3 It is a graph.
14 shows (a) conversion, (b) selectivity, (c) Fischer-Tropsch activity, (d) hydrocarbon product productivity of an iron carbide/potassium/alumina catalyst containing 1.6 wt% of potassium according to Example 3 It is a graph.
FIG. 15 shows the (a) conversion rate, (b) selectivity, (c) Fischer-Tropsch activity, (d) hydrocarbon product productivity of the iron carbide/potassium/alumina catalyst containing 3.2 wt% of potassium according to Example 3 It is a graph.
16 is a graph of (a) conversion, (b) selectivity, (c) Fischer-Tropsch activity, and (d) hydrocarbon product productivity of an iron carbide/activated carbon catalyst containing no potassium according to Comparative Example 1. FIG.
FIG. 17 is a graph of (a) conversion, (b) selectivity, (c) Fischer-Tropsch activity, and (d) hydrocarbon product productivity of the iron carbide/porous silica SBA-15 catalyst containing no potassium.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, these examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예Example 1. One. 철카바이드Iron carbide /알루미나 나노 촉매 제조/Alumina nano catalyst manufacturing

알루미나 지지체내 수화된 철 금속염의 균일하면서 높은 담지를 위해, 금속염을 지지체 물질에 용융 함침시 지지체 알루미나에 대비하여 그 염의 비율[F/A ratio= Fe salt(철 염의 양(g))/A(알루미나 양(g))]을 0.8 로 하여 진행하였다. 우선 Fe(NO3)39H2O (Aldrich, 98+%, fw= 404 g·mol-1, m. p. = 47.2℃) 0.8 g 과 gamma-alumina (STREM, fw= 102 g·mol-1, surface area:~185m2·g-1) 1.0g을 막자사발에 넣고 색이 균일해 질 때까지 충분히 막자로 갈아 주었다. 충분히 균일하게 될 때까지 갈아준 다음, 혼성 분말(powder)를 폴리프로필렌(polypropylene) 용기에 담은 후 용기의 마개를 꽉 조인 후 50℃로 온도가 설정된 회전식 교반 오븐에 넣고 30 rpm으로 회전하면서 24시간 동안 보관하였다. 24시간 동안의 숙성 이후에 혼성 분말은 실온에서 바로 건조되었다. 최종적으로, 튜브형 소성기 (tube furnace)를 이용하여 일산화탄소 가스분위기 하(상압, 유속 200 mL·min- 1)에서 350 에서 4시간 동안 열처리를 해주어 철카바이드/감마 알루미나 촉매를 얻을 수 있었다. 얻어진 촉매 분말은 그대로 공기 중에서 노출되면 쉽게 산화되기 때문에 활성화된 후에 바로 질소나 헬륨 같은 불활성 기체를 이용하여 공기와 차단된 분위기를 조성해준 상태에서 에탄올에 적시는 과정을 통해 패시베이션(passivation) 시킨 후, 다시 젖어 있는 에탄올을 진공 오븐에서 건조 시키는 과정을 통한 이후에 최종 진공 포장을 통해 안정하게 보관을 하였다. For uniform and high support of the hydrated iron metal salt in the alumina support, the ratio of the salt compared to the support alumina when the metal salt is melt-impregnated into the support material [F/A ratio= Fe salt (amount of iron salt (g))/A( Alumina amount (g))] was set to 0.8. First, Fe(NO 3 ) 3 9H 2 O (Aldrich, 98+%, fw= 404 g·mol -1 , mp = 47.2℃) 0.8 g and gamma-alumina (STREM, fw= 102 g·mol -1 , surface Area:~185m 2 ·g -1 ) 1.0g was put in a mortar and changed with a mortar until the color became even. After grinding until it becomes sufficiently uniform, put the mixed powder in a polypropylene container, tighten the cap of the container, and place it in a rotary stirring oven set at 50°C for 24 hours while rotating at 30 rpm. Kept for a while. After aging for 24 hours, the hybrid powder was immediately dried at room temperature. Finally, an iron carbide/gamma alumina catalyst was obtained by performing heat treatment at 350 for 4 hours in a carbon monoxide gas atmosphere (normal pressure, flow rate 200 mL min - 1) using a tube furnace. Since the obtained catalyst powder is easily oxidized when exposed to air as it is, immediately after it is activated, passivation is performed through a process of soaking in ethanol while creating an atmosphere that is blocked from air using an inert gas such as nitrogen or helium. After drying the wet ethanol in a vacuum oven, it was stably stored through final vacuum packaging.

철카바이드 입자의 형성 분석은 TEM(Transmission electron microscopy) 을 통해 진행하였으며, 도 2 에서 나타난 바와 같이 TEM 분석 결과 형성된 철카바이드의 입자의 결정 크기는 5~10 nm 내외 수준으로 매우 작음을 확인 할 수 있었다. 도 3의 XRD 분석을 통해 얻어진 촉매에 대해 알루미나 및 철카바이드 구조와 각각 매치해 볼 수 있으며, 도 4의 질소 흡탈착 실험을 통한 BET 표면적값은 169m2·g-1 으로 나타났다. 기공부피의 경우 0.345cm3·g-1 으로 입자 담지 후에도 높은 수준을 보였으며, 도 5에 나타난 바와 같이 기공 크기 분석 결과 6 nm 수준으로 균일하게 나타났다. Formation analysis of iron carbide particles was carried out through transmission electron microscopy (TEM), and as shown in FIG. 2, it was confirmed that the crystal size of the iron carbide particles formed as a result of TEM analysis was very small, ranging from 5 to 10 nm. . The catalyst obtained through the XRD analysis of FIG. 3 may be matched with alumina and iron carbide structures, respectively, and the BET surface area value through the nitrogen adsorption and desorption experiment of FIG. 4 was 169m 2 ·g -1 . In the case of the pore volume, it was 0.345cm 3 ·g -1 , which showed a high level even after the particles were loaded, and as shown in FIG. 5, the pore size analysis result showed uniformity at the level of 6 nm.

실시예 2. 철카바이드/칼륨/알루미나 촉매의 제조Example 2. Preparation of iron carbide/potassium/alumina catalyst

칼륨(K)가 전체 촉매대비 0.8wt% 포함된 촉매를 얻기 위해서 K2CO3 (Aldrich, powder, fw=139.205 g·mol-1) 수용액 (12mM) 1mL 를 마이크로 피펫을 이용하여 실시예 1에서 얻어진 철카바이드/알루미나 촉매 분말 위에 20회 이상 수십 차례 나눠 분산 함침시켰다. 함침 후 자연 건조된 분말을 다시 튜브형 소성기를 이용하여 일산화탄소 가스분위기 하(상압, 유속 200 mL ·min- 1)에서 350 에서 4시간 동안 열처리를 해주어 철카바이드/칼륨/알루미나 촉매를 얻을 수 있었다. To obtain a catalyst containing 0.8 wt% of potassium (K) relative to the total catalyst, 1 mL of K 2 CO 3 (Aldrich, powder, fw=139.205 g·mol -1 ) aqueous solution (12 mM) was added in Example 1 using a micropipette. The obtained iron carbide/alumina catalyst powder was divided and impregnated in 20 or more tens of times. After impregnation, the naturally dried powder was subjected to heat treatment at 350 for 4 hours in a carbon monoxide gas atmosphere (normal pressure, flow rate 200 mL min - 1) using a tube calciner again to obtain an iron carbide/potassium/alumina catalyst.

위와 동일한 방식을 활용하여, 함께 사용되는 K2CO3의 농도만 각각 23.9mM, 47.8mM, 95.5mM 으로 바꾸어 각 1mL씩 사용 함으로써 1.6wt%, 3.2wt%, 6.3wt%로 칼륨이 함유된 철카바이드/칼륨/알루미나 복합 촉매를 얻을 수 있었다. Using the same method as above, only the concentration of K 2 CO 3 used together is changed to 23.9mM, 47.8mM, 95.5mM, respectively, and each 1mL is used to make iron containing potassium in 1.6wt%, 3.2wt%, and 6.3wt%. A carbide/potassium/alumina composite catalyst could be obtained.

도 6~도 8 에서 나타난 바와 같이 TEM 분석 결과 0.8 ~ 3.2wt% 의 칼륨이 첨가된 철카바이드/칼륨/알루미나 복합 촉매에서 철카바이드의 입자의 결정 크기는 대부분 10 nm 내외 수준으로 얻어짐을 확인 할 수 있었다.As shown in Figs. 6 to 8, it can be seen that the crystal size of the iron carbide particles in the iron carbide/potassium/alumina composite catalyst to which 0.8 to 3.2 wt% of potassium is added is mostly obtained at a level of around 10 nm as a result of TEM analysis. there was.

얻어진 샘플에 대해 먼저 도 9에서 나타난 바와 같이 XRD 분석을 하였고, 그결과 K 함량 변화에 따른 입자상(phase)의 형태에는 뚜렷한 변화가 없는 것을 알 수 있었다.The obtained sample was first subjected to XRD analysis as shown in FIG. 9, and as a result, it was found that there was no obvious change in the shape of the particle phase according to the K content change.

도 10의 질소 흡탈착 실험을 통해 얻어진 1.6wt%의 칼륨이 첨가된 철카바이드/칼륨/알루미나 복합체 촉매의 BET 표면적값은 175m2·g-1 으로 칼륨이 첨가 되지 않은 철카바이드/알루미나 촉매보다 약간 큰 값으로 나타났다. 기공부피의 경우 0.347cm3·g-1 으로 칼륨 첨가 후에도 높은 수준을 보였으며, 도 11 에 나타난 바와 같이 탈착 곡선으로 얻어진 기공 크기 분석 결과 6 nm 수준의 균일한 값을 확인할 수 있었다. The BET surface area value of the iron carbide/potassium/alumina composite catalyst to which 1.6 wt% of potassium was added obtained through the nitrogen adsorption and desorption experiment of FIG. 10 was 175 m 2 g -1 , which was slightly higher than that of the iron carbide/alumina catalyst without potassium. It turned out to be a large value. In the case of the pore volume, it was 0.347cm 3 ·g -1 , which showed a high level even after the addition of potassium, and as shown in FIG. 11, the pore size analysis obtained by the desorption curve showed a uniform value at the level of 6 nm.

실시예 3. 철카바이드/칼륨/알루미나 촉매를 이용한 피셔-트롭쉬 반응Example 3. Fischer-Tropsch reaction using iron carbide/potassium/alumina catalyst

실시예 2 에서 얻어진 촉매를 바탕으로 피셔-트롭쉬 합성 반응을 진행하였다. 그 성능을 비교하기 위해 동일한 방법으로 제조하되 실시예 1에서 얻어진 칼륨을 전혀 포함하지 않은 촉매에 대해서도 동일한 조건에서 비교를 해 보았다.Based on the catalyst obtained in Example 2, the Fischer-Tropsch synthesis reaction was carried out. In order to compare the performance, the catalyst prepared by the same method but did not contain any potassium obtained in Example 1 was compared under the same conditions.

촉매 특성을 확인을 위해 적용된 반응기는 고정층 반응기 (fixed-bed reactor)를 이용하였고, 반응 과정은 PC(personal computer)로 조작이 가능한 자동화 시스템을 이용하였다. 5mm의 내부 직경 크기를 가지는 반응기에 얻어진 촉매 0.3 g을 건조 후 펠릿화 시켜 일정한 크기 (300-600 ㎛)로 로딩(loading)하여 사용하였다. 반응 중 촉매에서의 심각한 발열에 의한 hot spot 이 생성되는 것을 막기 위해 glass bead 3.5 g을 추가적으로 함께 넣어 주었다. 본 반응 전에 촉매 로딩 과정 중에 일부 산화된 입자의 환원 및 재활성화를 위해 반응기 내부에서 in-situ 상태에서 350도로 4시간 이상 충분히 환원해 주었다. A reactor applied to check the catalyst characteristics was a fixed-bed reactor, and an automated system capable of operating with a personal computer (PC) was used for the reaction process. 0.3 g of the catalyst obtained in a reactor having an inner diameter of 5 mm was dried, pelletized, and loaded at a constant size (300-600 μm) and used. An additional 3.5 g of glass bead was added together to prevent hot spots from being generated due to severe heat generation from the catalyst during the reaction. Prior to this reaction, in order to reduce and reactivate some oxidized particles during the catalyst loading process, the reactor was sufficiently reduced to 350 degrees for 4 hours or more in an in-situ state.

피셔-트롭쉬 반응의 진행은 수소 대 일산화탄소의 부피비가 1:1 의 비율로 유지된 합성가스를 주입하고, 반응압력은 15 기압, 공간 속도(GHSV, gas hourly space velocity)는 14 NL·gcat -1·h-1의 조건으로 반응기에 주입하여 340℃에서 피셔-트롭쉬 합성반응을 수행하였다. 이후 90 시간 동안의 촉매 종류별 반응결과를 도 12, 13, 14, 15 에 각기 나타내었다. In the Fischer-Tropsch reaction, synthesis gas with a volume ratio of hydrogen to carbon monoxide maintained at a ratio of 1:1 was injected, the reaction pressure was 15 atm, and the gas hourly space velocity (GHSV) was 14 NL·g cat. Fischer-Tropsch synthesis reaction was performed at 340°C by injecting into the reactor under the conditions of -1 ·h -1. The reaction results for each type of catalyst for 90 hours are shown in Figs. 12, 13, 14, and 15, respectively.

반응결과, 반응물 유량 대비 매우 소량의 촉매만을 사용했음에도 불구하고, 1.6wt%의 칼륨이 첨가된 철카바이드/칼륨/알루미나 촉매의 경우 도 14a에서도 볼 수 있듯이 일산화탄소의 전환율이 95% 이상으로 매우 높게 나타났으며, 도 14b에서의 생성물 선택도 그래프에서 액상탄화수소(C5+)에 대한 선택도도 40%에 육박하는 매우 우수한 특성을 보여 주었다. 또한 단위 철 그램(g) 당 시간에 따른 탄화수소의 전환 정도를 나타내어주는 FTY(Iron Time Yield) 값에서도 도 14c에서와 같이 매우 높은 값을 보여 주었다.As a result of the reaction, even though only a very small amount of catalyst was used compared to the flow rate of the reactant, in the case of iron carbide/potassium/alumina catalyst to which 1.6 wt% of potassium was added, the conversion rate of carbon monoxide was very high, 95% or more, as shown in FIG. In the product selectivity graph in FIG. 14B, the selectivity for liquid hydrocarbon (C 5+ ) also showed very excellent properties approaching 40%. In addition, the FTY (Iron Time Yield) value, which indicates the degree of conversion of hydrocarbons over time per gram of iron (g), showed a very high value as in FIG. 14C.

비교예 1. 철카바이드 /활성탄 (activated carbon) 촉매를 이용한 피셔- 트롭쉬 반응 Comparative Example 1. Fischer-Tropsch reaction using iron carbide / activated carbon catalyst

실시예 1과 동일한 방법으로 지지체를 다공성 감마 알루미나가 아닌 활성탄 (activated carbon) 으로 사용하여 촉매를 제조한 뒤, 실시예 3과 동일 전처리, 동일 반응 온도, 동일 유량 하에서 피셔-트롭쉬 합성 반응을 진행하였다. After preparing a catalyst using activated carbon instead of porous gamma alumina in the same manner as in Example 1, the Fischer-Tropsch synthesis reaction was carried out under the same pretreatment as in Example 3, the same reaction temperature, and the same flow rate. I did.

실시예 3과 마찬가지로 5mm의 내부 직경 크기를 가지는 반응기에 얻어진 촉매 0.3 g을 건조 후 바로 로딩(loading)하여 사용하였다. 반응 중 촉매에서의 심각한 발열에 의한 hot spot 이 생성되는 것을 막기 위해 glass bead 3.5 g을 추가적으로 함께 넣어 주었다. 본 반응 전에 촉매 로딩 과정 중에 일부 산화된 입자의 환원 및 재활성화를 위해 반응기 내부에서 in-situ 로 350도로 4시간 이상 충분히 환원해 주었다. 피셔-트롭쉬 반응의 진행은 수소 대 일산화탄소의 부피비가 1:1 의 비율로 유지된 합성가스를 주입하고, 반응압력은 15 기압, 공간 속도(GHSV, gas hourly space velocity)는 14 NL·gcat-1·h- 1 의 조건으로 반응기에 주입하여 340℃ 에서 피셔-트롭쉬 합성반응을 수행하였다. 이후 90 시간 동안의 촉매 반응결과를 도 16에 나타내었다. 반응결과, 철카바이드/활성탄 촉매는 철카바이드/알루미나 촉매에 비해 CO 전환율과 C5+ 생성물 선택성 면에서 다소 낮은 결과값을 보여 주었다.As in Example 3, 0.3 g of the catalyst obtained in a reactor having an inner diameter of 5 mm was dried and loaded immediately after being used. An additional 3.5 g of glass bead was added together to prevent hot spots from being generated due to severe heat generation from the catalyst during the reaction. Prior to this reaction, in order to reduce and reactivate some oxidized particles during the catalyst loading process, the reactor was sufficiently reduced to 350 degrees in-situ for 4 hours or more. Fischer-bit progression Tropsch reaction is the volume ratio of hydrogen to carbon monoxide, 1: injecting a synthesis gas maintained at a ratio of 1: 1 and the reaction pressure was 15 atm, a space velocity (GHSV, gas hourly space velocity) is 14 NL · gcat - 1 · h - injected into the reactor under the conditions of 1 to Fischer at 340 ℃ - it was performed Tropsch synthesis reaction. The result of the catalytic reaction for 90 hours is shown in FIG. 16. As a result of the reaction, the iron carbide/activated carbon catalyst showed somewhat lower results in terms of CO conversion and C 5+ product selectivity than the iron carbide/alumina catalyst.

비교예 2 철카바이드/다공성 실리카 SBA-15 촉매를 이용한 피셔-트롭쉬 반응Comparative Example 2 Fischer-Tropsch reaction using iron carbide/porous silica SBA-15 catalyst

실시예 1과 동일한 방법으로 지지체를 다공성 감마 알루미나가 아닌 잘 알려진 다공성 실리카 SBA-15으로 사용하여 촉매를 제조한 뒤, 실시예 3과 동일 전처리, 동일 반응 온도, 동일 유량 하에서 피셔-트롭쉬 합성 반응을 진행하였다. In the same manner as in Example 1, a catalyst was prepared using the well-known porous silica SBA-15 instead of porous gamma alumina, and then the Fischer-Tropsch synthesis reaction under the same pretreatment, the same reaction temperature, and the same flow rate as in Example 3. Proceeded.

실시예 3과 마찬가지로 5mm의 내부 직경 크기를 가지는 반응기에 얻어진 촉매 0.3 g을 건조 후 펠릿화시켜 일정한 크기 (300-600 ㎛)로 로딩(loading)하여 사용하였다. 반응 중 촉매에서의 심각한 발열에 의한 hot spot 이 생성되는 것을 막기 위해 glass bead 3.5 g을 추가적으로 함께 넣어 주었다. 본 반응 전에 촉매 로딩 과정 중에 일부 산화된 입자의 환원 및 재활성화를 위해 반응기 내부에서 in-situ 로 350도로 4시간 이상 충분히 환원해 주었다. 피셔-트롭쉬 반응의 진행은 수소 대 일산화탄소의 부피비가 1:1 의 비율로 유지된 합성가스를 주입하고, 반응압력은 15 기압, 공간 속도(GHSV, gas hourly space velocity)는 14 NL·gcat-1·h- 1 의 조건으로 반응기에 주입하여 340℃에서 피셔-트롭쉬 합성반응을 수행하였다. 이후 90 시간 동안의 촉매 반응결과를 도 17 에 나타내었다. As in Example 3, 0.3 g of the catalyst obtained in a reactor having an inner diameter of 5 mm was dried, pelletized, and loaded to a constant size (300-600 μm) and used. An additional 3.5 g of glass bead was added together to prevent hot spots from being generated due to severe heat generation from the catalyst during the reaction. Prior to this reaction, in order to reduce and reactivate some oxidized particles during the catalyst loading process, the reactor was sufficiently reduced to 350 degrees in-situ for 4 hours or more. Fischer-bit progression Tropsch reaction is the volume ratio of hydrogen to carbon monoxide, 1: injecting a synthesis gas maintained at a ratio of 1: 1 and the reaction pressure was 15 atm, a space velocity (GHSV, gas hourly space velocity) is 14 NL · gcat - 1 · h - injected into the reactor under the conditions of 1 to Fischer at 340 ℃ - it was performed Tropsch synthesis reaction. The result of the catalytic reaction for 90 hours after that is shown in FIG. 17.

반응결과, 철카바이드/다공성 실리카 SBA-15 촉매는 철카바이드/알루미나 촉매 및 철카바이드/활성탄 촉매에 비해 CO 전환율과 C5+ 생성물 선택성면에서 매우 낮은 결과값을 보여 주었다.As a result of the reaction, the iron carbide/porous silica SBA-15 catalyst showed very low results in terms of CO conversion and C 5+ product selectivity compared to the iron carbide/alumina catalyst and the iron carbide/activated carbon catalyst.

Claims (11)

회전식 교반 오븐(tumbling oven)에서, 담지되는 철 염의 함량이 알루미나 지지체 단위그램(g)당 0.4 ~ 1 그램(g)이 되도록 알루미나 지지체의 기공에 수화된 철 수화물염을 용융함침(melt-infiltration)시키는 제1단계;
알루미나 지지체 기공 내 담지된 철 금속 수화물염을 활성화 가스 분위기하 소성에 의해 철카바이드로 활성화시켜 촉매활성을 발휘할 수 있는 크기의 철카바이드 나노 입자가 알루미나 지지체 기공에 담지된 다공성 철카바이드/알루미나 촉매를 형성시키는 제2단계;
칼륨염 용액을 사용하여 습식 담지법으로 다공성 철카바이드/알루미나 촉매에 칼륨염을 담지시키고, 일산화탄소 함유 활성화 가스조건에서 300~400℃ 범위에서 고온 열처리하여 알루미나 지지체 기공 내에 칼륨 및 철카바이드 나노 입자를 고분산시키는 제3단계; 및
전단계에서 제조된 촉매 분말 또는 이를 패시베이션시킨 분말을 성형하는 단계
를 포함하는 것이 특징이며,
촉매 중 철카바이드 나노 입자의 결정 크기는 5 내지 10 nm이고, 칼륨의 함량은 지지체를 포함한 전체 촉매량을 기준으로 1 ~ 5wt%인, 촉매 제조방법.
In a tumbling oven, hydrated iron hydrate salt is melt-infiltration into the pores of the alumina support so that the content of the supported iron salt is 0.4 to 1 gram (g) per unit gram (g) of the alumina support. A first step of letting go;
Iron carbide nanoparticles of a size capable of exerting catalytic activity by activating ferrous metal hydrate salts supported in the pores of the alumina support into iron carbide by firing in an activating gas atmosphere to form a porous iron carbide/alumina catalyst supported in the pores of the alumina support. A second step of letting go;
Potassium salt is supported on a porous iron carbide/alumina catalyst by a wet supporting method using a potassium salt solution, and high temperature heat treatment in the range of 300 to 400°C in an activated gas condition containing carbon monoxide to collect potassium and iron carbide nanoparticles in the pores of the alumina support. A third step of dispersing; And
Forming the catalyst powder prepared in the previous step or the powder obtained by passivating the same
It is characterized by including,
In the catalyst, the crystal size of the iron carbide nanoparticles is 5 to 10 nm, and the content of potassium is 1 to 5 wt% based on the total amount of catalyst including the support.
제1항에 있어서, 용융점 (melting point) 이 30~100℃ 인 수화된 철 수화물염을 사용하는 것이 특징인 촉매 제조방법.The method of claim 1, wherein a hydrated iron hydrate salt having a melting point of 30 to 100°C is used. 제1항에 있어서, 제1단계는 수화된 철 수화물염의 용융점 보다 2~5 ℃ 정도 높은 온도에서 그리고 반응 중 발생하는 증기압으로 인한 압력이 외부로 사라지지 않도록 닫힌계 (closed system)에서 수행하는 것이 특징인 촉매 제조방법.The method of claim 1, wherein the first step is performed in a closed system so that the pressure due to the vapor pressure generated during the reaction does not disappear to the outside at a temperature about 2 to 5 °C higher than the melting point of the hydrated iron hydrate salt. Phosphorus catalyst manufacturing method. 제1항에 있어서, 제1단계에서 알루미나 지지체는 감마상(gamma-phase) 의 다공성 지지체인 것이 특징인 촉매 제조방법.The method of claim 1, wherein in the first step, the alumina support is a gamma-phase porous support. 제1항에 있어서, 제1단계에서 칼륨 제공 전구체를 수화된 철 수화물염과 함께 알루미나 지지체의 기공에 담지시키는 것이 특징인 촉매 제조방법.The method of claim 1, wherein in the first step, the potassium providing precursor is supported in the pores of the alumina support together with the hydrated iron hydrate salt. 제1항에 있어서, 제2단계는 함침되어진 철 수화물염이 분해되어 활성을 가지는 철 카바이드 상(phase)으로 만들어 주는 소성온도에서 수행되는 것이 특징인 촉매 제조방법.The method of claim 1, wherein the second step is performed at a sintering temperature at which the impregnated iron hydrate salt is decomposed to form an active iron carbide phase. ◈청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈ Claim 7 was abandoned upon payment of the set registration fee. 제6항에 있어서, 제2단계에서 철카바이드 형태로 활성화시키는 소성온도는 300~400℃인 것이 특징인 촉매 제조방법.The method of claim 6, wherein the firing temperature for activation in the form of iron carbide in the second step is 300 to 400°C. 제1항에 있어서, 제2단계에서 활성화 가스는 일산화탄소, 수소, 또는 이의 혼합가스인 것이 특징인 촉매 제조방법.The method of claim 1, wherein the activation gas in the second step is carbon monoxide, hydrogen, or a mixture gas thereof. 제1항에 있어서, 제3단계 전에 제2단계에서 형성된 다공성 철카바이드/알루미나 촉매를 패시베이션하는 것이 특징인 촉매 제조방법.The method of claim 1, wherein the porous iron carbide/alumina catalyst formed in the second step is passivated before the third step. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 의해 제조되어, 알루미나 지지체 기공 내에 칼륨 및 촉매활성을 발휘할 수 있는 크기의 철카바이드 나노 입자가 담지되어 있고, 철카바이드 나노 입자의 결정 크기는 5 내지 10 nm이며, 철의 함량이 알루미나 지지체를 포함한 전체 촉매량을 기준으로 5 ~ 13wt%이고, 칼륨의 함량은 지지체를 포함한 전체 촉매량을 기준으로 1 ~ 5wt%인 칼륨이 포함된 철/알루미나 성형가공 복합촉매.It is prepared according to any one of claims 1 to 9, and potassium and iron carbide nanoparticles having a size capable of exerting catalytic activity are supported in the pores of the alumina support, and the crystal size of the iron carbide nanoparticles is 5 to 10. nm, iron/alumina molding complex catalyst containing potassium with an iron content of 5 to 13 wt% based on the total amount of catalyst including the alumina support, and potassium content of 1 to 5 wt% based on the total catalyst amount including the support . 피셔-트롭시 합성반응을 이용하여 합성가스로부터 액체 탄화수소를 제조하는 방법에 있어서,
제10항에 기재된 촉매를 고정층 반응기에 적용하는 a단계; 및
반응기에 합성가스를 주입하여 피셔-트롭쉬 반응을 수행하는 b단계를 포함하는 액체탄화수소의 제조방법.
In the method for producing a liquid hydrocarbon from syngas using a Fischer-Tropsch synthesis reaction,
A step of applying the catalyst according to claim 10 to a fixed bed reactor; And
A method for producing a liquid hydrocarbon comprising step b of performing a Fischer-Tropsch reaction by injecting syngas into the reactor.
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