KR102253138B1 - Catalyst for dehydration of glycerin, preparing method thereof and production method of acrolein using the catalyst - Google Patents

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Abstract

본 발명은 글리세린 탈수 반응용 촉매, 이의 제조 방법, 및 상기 촉매를 이용한 아크롤레인의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 구현예에 따른 촉매는 넓은 비표면적과 큰 기공 부피를 지니며 탈수 반응에 높은 활성을 갖는 지르코늄 포스페이트에 세륨 산화물을 소정의 함량 범위로 담지시킴으로써, 금속 산화물과 산 특성 조절 효과를 통해 장시간 반응에서 획기적인 아크롤레인 생산성을 확보할 수 있다. 또한, 상대적으로 높은 생산성을 가지는 기상-연속 흐름식 반응 시스템을 사용함으로써 아크롤레인의 수율을 극대화하고 공정 안정성을 확보할 수 있다.The present invention relates to a catalyst for a glycerin dehydration reaction, a method for producing the same, and a method for producing acrolein using the catalyst. The catalyst according to an embodiment of the present invention has a large specific surface area and a large pore volume, and by supporting cerium oxide in a predetermined content range on zirconium phosphate having high activity in dehydration reaction, through the effect of controlling metal oxide and acid properties. Breakthrough acrolein productivity can be secured in a long reaction. In addition, by using a gas phase-continuous flow reaction system having a relatively high productivity, it is possible to maximize the yield of acrolein and secure process stability.

Description

글리세린 탈수 반응용 촉매, 이의 제조 방법 및 상기 촉매를 이용한 아크롤레인의 제조 방법 {CATALYST FOR DEHYDRATION OF GLYCERIN, PREPARING METHOD THEREOF AND PRODUCTION METHOD OF ACROLEIN USING THE CATALYST}A catalyst for glycerin dehydration reaction, a method for preparing the same, and a method for producing acrolein using the catalyst {CATALYST FOR DEHYDRATION OF GLYCERIN, PREPARING METHOD THEREOF AND PRODUCTION METHOD OF ACROLEIN USING THE CATALYST}

본 발명은 아크롤레인 제조 등을 위한 글리세린의 탈수 반응용 촉매에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 세륨 산화물을 소정의 함량 범위로 함침시켜 장시간 반응에서 획기적인 아크롤레인 생산성을 확보할 수 있는 글리세린 탈수 반응용 촉매, 이의 제조 방법 및 상기 촉매를 이용한 아크롤레인의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a catalyst for dehydration of glycerin for production of acrolein, and more particularly, a catalyst for dehydration of glycerin capable of securing breakthrough acrolein productivity in a long reaction by impregnating cerium oxide in a predetermined content range, and the like. It relates to a manufacturing method and a method of manufacturing acrolein using the catalyst.

최근 화석 연료의 고갈 및 지구 온난화 등의 환경 문제가 대두됨에 따라 수소 에너지, 광전지 및 2차 전지 등 대체 에너지원에 대한 관심이 증가하고 있다. 그 중에서도 바이오디젤은 화석 자원에 비해 친환경적이며, 재생 가능해 실현 가능성이 높은 대체 에너지원으로 평가받고 있다. 이미 일부 선진국에서는 자국에서 판매되는 경유 연료에 바이오디젤을 일부 포함되도록 법으로 규정하고 있거나 그 자체를 연료로 사용하기 위한 품질 기준이 마련되어 있다. 해마다 전세계 바이오디젤 생산량은 꾸준히 증가해왔으며 환경규제의 점진적인 강화에 따라 그 생산량은 앞으로도 계속적으로 증가할 것으로 예상되고 있다(비특허문헌 1, 2). Recently, as environmental problems such as depletion of fossil fuels and global warming have emerged, interest in alternative energy sources such as hydrogen energy, photovoltaic cells, and secondary batteries is increasing. Among them, biodiesel is considered as an alternative energy source that is more environmentally friendly than fossil resources and has a high possibility of realization because it is renewable. Already, some developed countries have legally stipulated that some of the biodiesel is included in the diesel fuel sold in their own country, or quality standards have been established to use it as a fuel. World biodiesel production has been steadily increasing year by year, and it is expected that the production will continue to increase in the future with the gradual strengthening of environmental regulations (Non-Patent Documents 1 and 2).

식물성 기름이나 동물성 지방의 모노 알킬에스테르류라고 부르는 바이오디젤은 식물성 기름(유지 트리글리세라이드)과 메탄올을 혼합한 후 알코올 분해 과정을 통해 제조된다. 바이오디젤 생산과정에서 약 10%에 해당하는 글리세린이 부산물로 생성되며, 바이오디젤 생산량이 전 세계적으로 증가함에 따라 글리세린의 생산량 또한 급증하고 있다. 이에 따라 글리세린 가격이 하락하면서 글리세린의 새로운 활용 기술에 대한 개발이 요구되고 있으며, 그 중에서도 글리세린의 화학적 전환은 저가의 부산물을 고부가 가치화함으로써 바이오디젤의 경쟁력을 확보할 수 있는 매우 중요한 기술로 평가받고 있다(비특허문헌 3). Biodiesel, called monoalkyl esters of vegetable oil or animal fat, is prepared by mixing vegetable oil (fatty triglyceride) and methanol and then decomposing alcohol. In the biodiesel production process, about 10% of glycerin is produced as a by-product, and as biodiesel production increases worldwide, the production of glycerin is also rapidly increasing. Accordingly, as the price of glycerin declines, the development of a new technology for utilizing glycerin is required, and among them, chemical conversion of glycerin is evaluated as a very important technology that can secure the competitiveness of biodiesel by increasing the value-added by-products of low cost. (Non-Patent Document 3).

상기 연구 중 글리세린의 탈수에 의해 제조되는 아크롤레인은 가장 단순한 구조를 지닌 불포화 알데하이드이며 높은 반응성을 지녀 아클릴산, 폴리에스테르 수지, 폴리우레판 및 메티오닌과 같은 합성 단백질을 제조하기 위한 플랫폼 물질로 사용되고 있다(비특허문헌 4). 아크롤레인은 매우 강한 독성을 지니고 있어 대부분의 기업들은 저장 및 수송을 최소화하고 있으며, 아크롤레인 유도물질을 생산하기 위한 중간체로서 사용을 위해 아크롤레인을 생산 사이트에서 직접 생산 및 전환한다. 따라서, 아크롤레인 직접 제조에 대한 기술개발은 저장 및 수송을 최소화하며, 가격 및 안정성 측면에서 경쟁력을 확보하기 위해 반드시 선행되어야 한다. 아크롤레인을 생산하기 위한 기존 상용 공정은 프로필렌 부분 산화 반응에 기초하고 있지만, 바이오디젤 생산량 급증에 따른 글리세린 접근성 증가로 인해 글리세린 탈수 반응을 통한 아크롤레인 제조 기술 개발에 대한 재조명이 이뤄지고 있다(비특허문헌 5~7). Among the above studies, acrolein produced by dehydration of glycerin is an unsaturated aldehyde with the simplest structure, and has high reactivity, so it is used as a platform material for producing synthetic proteins such as acrylic acid, polyester resin, polyurethane, and methionine ( Non-Patent Document 4). Since acrolein is very toxic, most companies minimize storage and transport, and produce and convert acrolein directly at the production site for use as an intermediate for producing acrolein derivatives. Therefore, technology development for direct manufacturing of acrolein must be preceded in order to minimize storage and transport, and to secure competitiveness in terms of price and stability. The existing commercial process for producing acrolein is based on a partial propylene oxidation reaction, but due to the increase in accessibility to glycerin due to the rapid increase in biodiesel production, the development of acrolein manufacturing technology through the glycerin dehydration reaction is being re-examined (Non-Patent Document 5~ 7).

글리세린의 탈수반응을 통한 아크롤레인의 제조는 통상적으로 산 촉매 상에서 진행되며, 중간 생성물로 3-하이드록시 프로피온알데히드를 거쳐 아크롤레인이 생성된다. 일반적으로 탈수 반응에 유리한 조건인 고온에서 반응이 진행되면 일정 수준 이상의 산도를 가진 산 촉매가 필요한 것으로 보고된다. 기존의 보고된 촉매들 중 황산이나 염산 등을 이용한 액상 반응의 아크롤레인의 수율이 가장 높다고 알려져 있지만, 액상 반응시 나타나는 반응기의 부식과 생성물의 분리를 위한 추가 공정으로 인해 경제적, 환경적 측면에서 활용 가능성이 제한된다. 따라서, 비균일계 촉매를 이용하여 글리세린의 기상 탈수 반응을 통한 아크롤레인 제조 공정의 중요성이 부각되고 있다(특허문헌 1~3, 비특허문헌 8~9). Preparation of acrolein through dehydration of glycerin is usually carried out on an acid catalyst, and acrolein is produced through 3-hydroxy propionaldehyde as an intermediate product. In general, when the reaction proceeds at a high temperature, which is a favorable condition for dehydration, it is reported that an acid catalyst having a certain level of acidity or higher is required. Among the previously reported catalysts, it is known that the yield of acrolein in the liquid phase reaction using sulfuric acid or hydrochloric acid is known to be the highest. This is limited. Therefore, the importance of a process for manufacturing acrolein through gas phase dehydration reaction of glycerin using a non-uniform catalyst has emerged (Patent Documents 1 to 3, Non-Patent Documents 8 to 9).

그러나, 높은 산도를 가지는 제올라이트, 헤테로폴리산을 포함하는 기존의 고체산 촉매들의 경우에는 탈수 반응을 수행할 경우에 촉매 표면에서의 빠른 코크 형성으로 인해 비활성화가 빠르게 진행된다는 문제가 있다. 촉매가 코크 형성을 억제할 정도의 적절한 산 세기를 가지고 있더라도 촉매의 비표면적이 작거나 기공 구조가 발달하지 않았을 경우에는 생성된 코크에 의해 활성점이 쉽게 피독되어 촉매의 비활성화가 빠르게 진행되어질 수 있다. However, in the case of existing solid acid catalysts including zeolite and heteropolyacid having high acidity, there is a problem that deactivation proceeds rapidly due to rapid formation of coke on the catalyst surface when dehydration is performed. Even if the catalyst has an appropriate acid strength to suppress coke formation, when the specific surface area of the catalyst is small or the pore structure is not developed, the active sites are easily poisoned by the generated coke, and the catalyst may be rapidly deactivated.

따라서, 기존의 촉매들과는 달리 적절한 산 세기와 넓은 비표면적을 가지며 비활성화에 대하여 높은 저항성을 갖는 글리세린의 탈수 반응을 통한 아크롤레인 제조용 촉매 개발에 대한 연구가 필요하다. Therefore, there is a need for a study on the development of a catalyst for producing acrolein through the dehydration reaction of glycerin, which has an appropriate acid strength and a large specific surface area, and has high resistance to deactivation, unlike conventional catalysts.

US 5,387,730 (D. AKTIENGESELLSCHAFT) 1993. 11.12.US 5,387,730 (D. AKTIENGESELLSCHAFT) 1993. 11.12. US 2006/087083 A3 (ARKEMA FRANCE DUBOIS) 2006. 12.28.US 2006/087083 A3 (ARKEMA FRANCE DUBOIS) 2006.12.28. US 2012/005348 A1 (NIPPON KAYAKU) 2012. 01. 12.US 2012/005348 A1 (NIPPON KAYAKU) 2012.01.12.

Y. T. Huang, H. T. Lee, and C. W. Lai, J. Nanosci. Nanotechnol. 13권, 2117쪽 (2013) Y. T. Huang, H. T. Lee, and C. W. Lai, J. Nanosci. Nanotechnol. Vol. 13, p. 2117 (2013) A. Srivastava and R. Prasad, Renewable Sustainable Energy Rev. 4권, 113쪽 (2000) A. Srivastava and R. Prasad, Renewable Sustainable Energy Rev. Volume 4, p. 113 (2000) K.-W, Lee, J. X, Yu, J/K. Mei, Y.-W. Kim, and K.-W. Chung, H. INd. Eng. Chem. 13권, 799쪽 (2007) K.-W, Lee, J. X, Yu, J/K. Mei, Y.-W. Kim, and K.-W. Chung, H. INd. Eng. Chem. Vol. 13, p. 799 (2007) L. Liu, X. P. Ye, and J. J. Bozell, ChemSuschem. 5권, 1162쪽 (2012) L. Liu, X. P. Ye, and J. J. Bozell, Chem Suschem. Volume 5, p. 1162 (2012) E. H. Xie, Z. L. Zhang, and K. T. Chuang, Appl. Catal. A. 220권, 215쪽 (2001) E. H. Xie, Z. L. Zhang, and K. T. Chuang, Appl. Catal. A. Vol. 220, p. 215 (2001) W. Yan and G. J. Suppes, Ind. Eng. Chem. Res. 48권, 3279쪽 (2009) W. Yan and G. J. Suppes, Ind. Eng. Chem. Res. Volume 48, p. 3279 (2009) A. Corma, G. W. Huber, L. Sauvanaud, and P. O'Connor, J. Catal. 257권, 163쪽 (2008) A. Corma, G. W. Huber, L. Sauvanaud, and P. O'Connor, J. Catal. Vol. 257, p. 163 (2008) M. Watanabe, T. Lida, Y. Aizawa, T. M. Aida, and H. Inomata, Bioresource Technology, 98권, 1285쪽 (2007) M. Watanabe, T. Lida, Y. Aizawa, T. M. Aida, and H. Inomata, Bioresource Technology, Vol. 98, p. 1285 (2007) H. Zhao, C. H. Zhou, L. M. Wu, J. Y. Lou, N. Li, H. M. Yang, D. S. Tong, and W. H. Yu, Appl. Clay. Sci, 74권, 154쪽 (2013) H. Zhao, C. H. Zhou, L. M. Wu, J. Y. Lou, N. Li, H. M. Yang, D. S. Tong, and W. H. Yu, Appl. Clay. Sci, Vol. 74, p. 154 (2013)

본 발명은 우수한 산 특성과 골격 구조를 지니는 포스페이트 촉매와 금속 산화물 간의 상호 보완 효과를 통해 아크롤레인 생산성을 높이고 촉매 비활성화가 억제되어 공정의 안정성이 확보되고, 아크롤레인에 대해 높은 선택도 및 수율을 나타내는 글리세린 탈수 반응용 촉매를 제공하고자 한다. The present invention enhances acrolein productivity through a complementary effect between a phosphate catalyst having excellent acid properties and a skeletal structure and a metal oxide, and suppresses catalyst deactivation, thereby ensuring process stability, and glycerin dehydration showing high selectivity and yield for acrolein. It is intended to provide a catalyst for reaction.

또한, 본 발명은 대량 생산에 유리한 재현성 높은 상기 촉매의 제조 방법을 제공하고자 한다. In addition, the present invention is to provide a method for producing the catalyst with high reproducibility, which is advantageous for mass production.

또한, 본 발명은 상기 촉매를 이용한 아크롤레인의 제조 방법 및, 글리세린의 탈수 반응을 통한 아크롤레인의 생산 공정에서 생산성을 극대화할 수 있는 반응 시스템을 제공하고자 한다. In addition, the present invention is to provide a method for producing acrolein using the catalyst and a reaction system capable of maximizing productivity in the production process of acrolein through dehydration of glycerin.

발명의 일 구현예에 따르면, 지르코늄 포스페이트(ZrP)에 세륨 산화물을 담지시킨 촉매로서, 상기 지르코늄 포스페이트(ZrP)의 중량 기준으로 세륨 산화물 6 중량% 내지 18 중량%를 담지시킨 글리세린 탈수 반응용 촉매가 제공된다. According to one embodiment of the invention, as a catalyst in which cerium oxide is supported on zirconium phosphate (ZrP), a catalyst for a glycerin dehydration reaction supporting 6% to 18% by weight of cerium oxide based on the weight of the zirconium phosphate (ZrP) is Is provided.

일 예로, 상기 세륨 산화물은 CeO2 및 Ce2O3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. For example, the cerium oxide may be at least one selected from the group consisting of CeO 2 and Ce 2 O 3.

한편, 발명의 다른 일 구현예에 따르면, (a) 지르코늄 전구체 및 포스페이트 전구체를 제1 용매에 용해시켜 전구체 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 얻어진 결과물을 에이징하여 지르코늄 포스페이트 침전물을 제조하는 단계; (c) 상기 (b) 단계에서 얻어진 침전물을 건조 및 열처리하여 지르코늄 포스페이트(ZrP) 담체를 생성시키는 단계; (d) 세륨 전구체를 제2 용매에 용해시켜 세륨 전구체 용액을 제조하는 단계; (e) 세륨 전구체 용액에 상기 (c) 단계에서 생성된 지르코늄 포스페이트(ZrP) 담체를 함침시킨 후, 제2 용매를 제거하여 침전물을 생성시키는 단계; 및 (f) 상기 (e) 단계에서 얻어진 침전물을 건조 및 열처리하는 단계;를 포함하고, 상기 지르코늄 포스페이트(ZrP)의 중량 기준으로 세륨 산화물 6 내지 18 중량%가 담지되도록 하는 글리세린 탈수 반응용 촉매의 제조 방법이 제공 된다.On the other hand, according to another embodiment of the present invention, (a) preparing a precursor solution by dissolving a zirconium precursor and a phosphate precursor in a first solvent; (b) aging the product obtained in step (a) to prepare a zirconium phosphate precipitate; (c) drying and heat treating the precipitate obtained in step (b) to produce a zirconium phosphate (ZrP) carrier; (d) dissolving a cerium precursor in a second solvent to prepare a cerium precursor solution; (e) impregnating the cerium precursor solution with the zirconium phosphate (ZrP) carrier produced in step (c), and then removing the second solvent to generate a precipitate; And (f) drying and heat-treating the precipitate obtained in step (e); including, and containing 6 to 18% by weight of cerium oxide based on the weight of the zirconium phosphate (ZrP) of a catalyst for a glycerin dehydration reaction to support A manufacturing method is provided.

구체적으로, 상기 (c) 단계에서 건조 공정은 70 내지 150 ℃의 온도 범위에서 수행되고, 열처리 공정은 300 내지 500 ℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다. Specifically, in step (c), the drying process may be performed at a temperature range of 70 to 150°C, and the heat treatment process may be performed at a temperature range of 300 to 500°C.

또한, 상기 (f) 단계에서 건조 공정은 70 내지 150 ℃의 온도 범위에서 수행되고, 열처리 공정은 300 내지 500 ℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.In addition, in step (f), the drying process may be performed at a temperature range of 70 to 150°C, and the heat treatment process may be performed at a temperature range of 300 to 500°C.

한편, 발명의 또다른 일 구현예에 따르면, 지르코늄 포스페이트(ZrP)에 세륨 산화물을 담지시킨 촉매의 존재 하에서, 글리세린 혹은 글리세린 수용액을 반응물로 사용하고, 운반 기체로 비활성 기체 혹은 비활성 기체와 산소의 혼합 기체를 사용하는 기상-연속 흐름식 반응 시스템에서 글리세린을 탈수 반응시키는 단계를 포함하고, 상기 지르코늄 포스페이트(ZrP)의 중량 기준으로 세륨 산화물 6 중량% 내지 18 중량%를 담지시킨 글리세린 탈수 반응용 촉매는 아크롤레인의 제조 방법이 제공된다. Meanwhile, according to another embodiment of the invention, in the presence of a catalyst supporting cerium oxide on zirconium phosphate (ZrP), glycerin or an aqueous glycerin solution is used as a reactant, and an inert gas or an inert gas and oxygen are mixed as a carrier gas. A catalyst for dehydration of glycerin comprising the step of dehydrating glycerin in a gas phase-continuous flow reaction system, and supporting 6% to 18% by weight of cerium oxide based on the weight of the zirconium phosphate (ZrP). A method for producing acrolein is provided.

구체적으로, 상기 글리세린 탈수 반응은 250 내지 400 ℃의 온도에서 수행할 수 있다. Specifically, the glycerin dehydration reaction may be performed at a temperature of 250 to 400 °C.

또한, 상기 글리세린 탈수 반응에서 글리세린의 단위 시간(h) 및 단위 촉매 중량(g)당 반응양(mmol)이 1.0 mmol/gcatㆍh 내지 200.0 mmol/gcatㆍh의 범위가 될 수 있다.In addition, in the glycerin dehydration reaction, the reaction amount (mmol) per unit time (h) and unit catalyst weight (g) of glycerin may range from 1.0 mmol/g cat ㆍh to 200.0 mmol/g cat ㆍh.

본 발명의 일 구현예에 따라 세륨 산화물의 담지량을 소정의 함량 범위로 최적화한 세륨 산화물/포스페이트 촉매는 글리세린의 기상-탈수반응을 통한 아크롤레인의 생산 공정에 적용시킬 경우 기존의 무기산 및 고체산 촉매에 비해 높은 수율로 아클로레인을 생산할 수 있으며, 촉매의 비활성화를 감소시켜 높은 수명의 촉매를 안정적으로 얻어낼 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the cerium oxide/phosphate catalyst in which the supported amount of cerium oxide is optimized to a predetermined content range is applied to the production process of acrolein through gas phase-dehydration reaction of glycerin. Compared to that, achlorine can be produced in a high yield, and a high-life catalyst can be stably obtained by reducing the deactivation of the catalyst.

또한, 본 발명의 세륨 산화물/포스페이트 촉매는 간단한 촉매 제조 방법을 통해 쉽게 제조할 수 있으며, 촉매 제조에 있어서 우수한 재현성을 확보할 수 있는 우수한 효과가 있다.In addition, the cerium oxide/phosphate catalyst of the present invention can be easily prepared through a simple catalyst preparation method, and has an excellent effect of securing excellent reproducibility in the preparation of the catalyst.

도 1은 본 발명의 시험예 1에 따른 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 담지 촉매의 X-선 회절 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 시험예 2에 따른 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 촉매의 질소 흡탈착 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 대조예 1~4에 따른 지르코늄 포스페이트, 알루미늄 포스페이트, 티타늄 포스페이트 및 보론 포스페이트 촉매 상에서 글리세린 탈수 반응을 10 시간 수행하는 동안 각 촉매들의 글리세린 탈수 반응에 의한 아크롤레인 수율을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1~2 및 비교예 1~5에 따른 지르코늄 포스페이트 촉매 및 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 촉매 상에서 글리세린 탈수 반응을 10 시간 수행하는 동안 각 촉매들의 글리세린 탈수 반응에 의한 아크롤레인 수율을 나타내는 그래프이다(실시예 1: 10CeO2/ZrP, 실시예 2: 15CeO2/ZrP, 비교예 1: ZrP, 비교예 2: 5CeO2/ZrP, 비교예 3: 20CeO2/ZrP, 비교예 4: 25CeO2/ZrP, 및 비교예 5: 30CeO2/ZrP).
도 5는 본 발명의 실시예 2 및 비교예 6~8에 따른 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트, 텅스텐 옥사이드/지르코늄 포스페이트, 코발트 옥사이드/지르코늄 포스페이트, 및 바나듐 옥사이드/지르코늄 포스페이트 촉매 상에서 글리세린 탈수 반응을 10 시간 수행하는 동안 각 촉매들의 글리세린 탈수 반응에 의한 아크롤레인 수율을 나타내는 그래프이다(실시예 2: 15CeO2/ZrP, 비교예 6: 15WO3/ZrP, 비교예 7: 15CoO2/ZrP, 비교예 8: 15V2O6/ZrP).
1 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of a cerium oxide/zirconium phosphate supported catalyst according to Test Example 1 of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the nitrogen adsorption and desorption analysis results of the cerium oxide / zirconium phosphate catalyst according to Test Example 2 of the present invention.
3 is a graph showing the yield of acrolein by the glycerin dehydration reaction of each catalyst while performing a glycerin dehydration reaction for 10 hours on zirconium phosphate, aluminum phosphate, titanium phosphate and boron phosphate catalysts according to Comparative Examples 1 to 4 of the present invention.
Figure 4 shows the yield of acrolein by the glycerin dehydration reaction of each catalyst while performing a glycerin dehydration reaction for 10 hours on the zirconium phosphate catalyst and the cerium oxide/zirconium phosphate catalyst according to Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 5 of the present invention. It is a graph shown (Example 1: 10CeO 2 /ZrP, Example 2: 15CeO 2 /ZrP, Comparative Example 1: ZrP, Comparative Example 2: 5CeO 2 /ZrP, Comparative Example 3: 20CeO 2 /ZrP, Comparative Example 4: 25CeO 2 /ZrP, and Comparative Example 5: 30CeO 2 /ZrP).
5 is a cerium oxide/zirconium phosphate, tungsten oxide/zirconium phosphate, cobalt oxide/zirconium phosphate, and a vanadium oxide/zirconium phosphate catalyst according to Examples 2 and 6 to 8 of the present invention. It is a graph showing the yield of acrolein by the glycerin dehydration reaction of each catalyst (Example 2: 15CeO 2 /ZrP, Comparative Example 6: 15WO 3 /ZrP, Comparative Example 7: 15CoO 2 /ZrP, Comparative Example 8: 15V 2 O 6 /ZrP).

본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. In the present invention, terms such as first and second are used to describe various components, and the terms are used only for the purpose of distinguishing one component from other components.

또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In addition, terms used in the present specification are only used to describe exemplary embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present specification, terms such as "comprise", "include", or "have" are intended to designate the existence of a feature, number, step, element, or combination of the implemented features, but one or more other features or It is to be understood that the possibility of the presence or addition of numbers, steps, elements, or combinations thereof is not preliminarily excluded.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention will be described in detail below and exemplify specific embodiments, as various modifications can be made and various forms can be obtained. However, this is not intended to limit the present invention to a specific form disclosed, it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

이하에서는 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 글리세린 탈수 반응용 촉매, 이의 제조 방법 및 상기 촉매를 이용한 아크롤레인의 제조 방법 등에 관하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, a catalyst for a glycerin dehydration reaction according to a preferred embodiment of the present invention, a method for preparing the same, and a method for preparing acrolein using the catalyst will be described in more detail.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 지르코늄 포스페이트(ZrP)에 세륨 산화물을 담지시킨 촉매로서, 상기 지르코늄 포스페이트(ZrP)의 중량 기준으로 세륨 산화물 6 내지 18 중량%를 담지시킨 글리세린 탈수 반응용 촉매가 제공된다. According to an embodiment of the present invention, a catalyst for dehydration of glycerin is provided, in which 6 to 18% by weight of cerium oxide is supported based on the weight of the zirconium phosphate (ZrP) as a catalyst in which cerium oxide is supported on zirconium phosphate (ZrP). do.

특히, 본 발명은 글리세린의 탈수 반응을 통한 아크롤레인 제조용 촉매에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 넓은 비표면적과 큰 기공 부피를 지니며 탈수 반응에 높은 활성을 갖는 지르코늄 포스페이트 촉매를 침전법으로 제조하고 촉매 특성의 변화를 통한 아크롤레인 수율 향상을 목적으로 세륨 산화물을 소정의 함량 범위로 함침시켜 장시간 반응에서 획기적인 아크롤레인 생산성을 확보할 수 있는 글리세린 탈수 반응용 촉매를 제공한다.In particular, the present invention relates to a catalyst for the production of acrolein through the dehydration reaction of glycerin, and more particularly, a zirconium phosphate catalyst having a large specific surface area and a large pore volume and having high activity in the dehydration reaction is prepared by a precipitation method and catalytic properties In order to improve the yield of acrolein through the change of, cerium oxide is impregnated in a predetermined content range to provide a catalyst for glycerin dehydration reaction capable of securing breakthrough acrolein productivity in a long-time reaction.

상기 탈수 반응용 촉매는 우수한 산 특성과 골격 구조를 지니는 포스페이트 촉매와 금속 산화물 간의 상호 보완 효과를 통해 아크롤레인 생산성을 높이고 촉매 비활성화가 억제되어 우수한 공정 안정성을 확보할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 촉매는 넓은 비표면적과 큰 기공 부피를 지니며 탈수 반응에 높은 활성을 갖는 포스페이트 촉매에 세륨 금속산화물을 소정의 범위로 함침시킴으로써, 금속 산화물과 산 특성 조절 효과를 통해 장시간 반응에서 획기적인 아크롤레인 생산성을 확보할 수 있다. 또한, 상대적으로 높은 생산성을 가지는 기상-연속 흐름식 반응 시스템을 사용함으로써 아크롤레인의 수율을 극대화하고 공정 안정성을 확보할 수 있다. The catalyst for dehydration reaction increases acrolein productivity through a complementary effect between a phosphate catalyst having excellent acid properties and a skeleton structure and a metal oxide, and suppresses deactivation of the catalyst, thereby ensuring excellent process stability. In particular, the catalyst according to the present invention has a large specific surface area and a large pore volume, and by impregnating a cerium metal oxide in a predetermined range in a phosphate catalyst having high activity for dehydration reaction, it reacts for a long time through the effect of controlling metal oxide and acid properties. It is possible to secure breakthrough acrolein productivity. In addition, by using a gas phase-continuous flow reaction system having a relatively high productivity, it is possible to maximize the yield of acrolein and secure process stability.

본 발명의 탈수 반응용 촉매는 높은 비표면적을 갖는 지르코늄 포스페이트(ZrP)를 담체로 사용하며, 세륨 산화물을 소정의 함량 범위로 담지시켜 글리세린의 탈수 반응에서 높은 활성과 함께 아크롤레인의 선택도 및 비활성화에 대한 안정성을 확보할 수 있다. 이러한 본 발명 촉매가 갖는 비활성화에 대한 높은 안정성에 따르면, 장시간 반응에도 기존 촉매들과 비교하여 안정적인 수율을 나타내는 특징을 나타낸다. The catalyst for dehydration reaction of the present invention uses zirconium phosphate (ZrP) having a high specific surface area as a carrier, and supports high activity in the dehydration reaction of glycerin by supporting cerium oxide in a predetermined content range, as well as for the selectivity and deactivation of acrolein. Stability can be secured. According to the high stability against deactivation of the catalyst of the present invention, it exhibits a characteristic of showing a stable yield compared to conventional catalysts even during a long reaction.

이러한 측면에서, 본 발명의 탈수 반응용 촉매는 촉매에서 담체가 되는 지르코늄 포스페이트(ZrP)의 비표면적은 80 m2/g 이상 또는 80 내지 350 m2/g의 비표면적을 나타낼 수 있다. 상기 촉매의 비표면적은 바람직하게는 100 m2/g 이상 또는 100 내지 250 m2/g, 좀더 바람직하게는 150 m2/g 이상 또는 150 내지 250 m2/g가 될 수 있다. 예컨대, 상기 촉매에서 CeO2의 담지량이 15 wt% 이하인 경우에 담지 촉매의 비표면적은 150 m2/g 이상이 될 수 있으며, CeO2의 담지량이 10 wt% 이상인 경우에는 190 m2/g 이하가 될 수 있다. In this aspect, the catalyst for dehydration reaction of the present invention may exhibit a specific surface area of 80 m 2 /g or more or 80 to 350 m 2 /g of zirconium phosphate (ZrP) serving as a carrier in the catalyst. The specific surface area of the catalyst may be preferably 100 m 2 /g or more or 100 to 250 m 2 /g, more preferably 150 m 2 /g or more or 150 to 250 m 2 /g. For example, when the supported amount of CeO 2 in the catalyst is 15 wt% or less, the specific surface area of the supported catalyst may be 150 m 2 /g or more, and when the supported amount of CeO 2 is 10 wt% or more, 190 m 2 /g or less Can be.

또한, 본 발명의 탈수 반응용 촉매는 상기 지르코늄 포스페이트(ZrP)과의 산 특성 조절 효과를 통해 장시간 반응에서 획기적인 아크롤레인 생산성을 확보할 수 있도록 소정의 세륨 산화물을 담지시킨다. In addition, the catalyst for dehydration reaction of the present invention supports a predetermined cerium oxide so as to secure breakthrough acrolein productivity in a long-term reaction through the effect of controlling acid properties with zirconium phosphate (ZrP).

일 예로, 상기 세륨 산화물은 CeO2 및 Ce2O3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 특히, 세륨 산화물은 산 촉매로서의 기능뿐만 아니라 산화 환원 기능을 가지고 있어 촉매 표면의 코크 형성을 억제하는 특징을 갖는다.For example, the cerium oxide may be at least one selected from the group consisting of CeO 2 and Ce 2 O 3. Particularly, cerium oxide has a function of not only an acid catalyst but also an oxidation-reduction function, thereby suppressing the formation of coke on the surface of the catalyst.

상기 세륨 산화물은 담체로 사용되는 지르코늄 포스페이트(ZrP)의 중량을 기준으로 6 내지 18 중량%의 함량으로 담지시키고, 바람직하게는 8 내지 16 중량%, 좀더 바람직하게는 10 내지 15 중량%으로 담지시킬 수 있다. 상기 촉매에서 6 중량% 미만의 세륨 산화물을 담지시키는 경우에는, 충분한 세륨 산화물 활성상이 담지되지 않아 활성 향상 및 비활성화 억제 효과가 나타나지 않는다. 또한, 상기 세륨 산화물의 담지량이 18 중량%를 초과하는 경우에는, 세륨 산화물 클러스터가 형성되어 물리적 특성이 감소하고 반응물의 물질 전달이 제한적이게 되어 바람직하지 못하다. 특히, 세륨의 담지량이 너무 많게 되면, 산화물 클러스터를 형성하여 세륨 산화물 분산이 떨어지고 비표면적이 감소하여 오히려 촉매의 코크 형성으로 인한 비활성화가 빠르게 일어날 수 있다. The cerium oxide is supported in an amount of 6 to 18% by weight, preferably 8 to 16% by weight, more preferably 10 to 15% by weight based on the weight of zirconium phosphate (ZrP) used as a carrier. I can. In the case where less than 6% by weight of cerium oxide is supported in the catalyst, a sufficient cerium oxide active phase is not supported, so that the effect of improving the activity and inhibiting deactivation does not appear. In addition, when the amount of the cerium oxide supported exceeds 18% by weight, cerium oxide clusters are formed, thereby reducing physical properties and limiting mass transfer of reactants, which is not preferable. In particular, when the amount of cerium supported is too large, oxide clusters are formed, resulting in decreased dispersion of cerium oxide and a decrease in specific surface area.

한편, 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 대량 생산에 유리한 재현성 높은 상술한 바와 같은 글리세린 탈수 반응용 촉매를 제조하는 방법이 제공된다. 상기 글리세린 탈수 반응용 촉매의 제조 방법은 (a) 지르코늄 전구체 및 포스페이트 전구체를 제1 용매에 용해시켜 전구체 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 얻어진 결과물을 에이징하여 지르코늄 포스페이트 침전물을 제조하는 단계; (c) 상기 (b) 단계에서 얻어진 침전물을 건조 및 열처리하여 지르코늄 포스페이트(ZrP) 담체를 생성시키는 단계; (d) 세륨 전구체를 제2 용매에 용해시켜 세륨 전구체 용액을 제조하는 단계; (e) 세륨 전구체 용액에 상기 (c) 단계에서 생성된 지르코늄 포스페이트(ZrP) 담체를 함침시킨 후, 제2 용매를 제거하여 침전물을 생성시키는 단계; 및 (f) 상기 (e) 단계에서 얻어진 침전물을 건조 및 열처리하는 단계;를 포함한다. Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, there is provided a method of preparing a catalyst for a glycerin dehydration reaction as described above with high reproducibility, which is advantageous for mass production. The preparation method of the catalyst for glycerin dehydration reaction includes the steps of: (a) dissolving a zirconium precursor and a phosphate precursor in a first solvent to prepare a precursor solution; (b) aging the product obtained in step (a) to prepare a zirconium phosphate precipitate; (c) drying and heat treating the precipitate obtained in step (b) to produce a zirconium phosphate (ZrP) carrier; (d) dissolving a cerium precursor in a second solvent to prepare a cerium precursor solution; (e) impregnating the cerium precursor solution with the zirconium phosphate (ZrP) carrier produced in step (c), and then removing the second solvent to generate a precipitate; And (f) drying and heat treating the precipitate obtained in step (e).

상기 (a) 단계에서 사용되는 지르코늄 전구체는 지르코늄 (Zr)를 포함하여 통상적으로 사용되는 전구체라면 어떠한 것도 사용 가능하며, 클로라이드(chloride), 나이트레이트(nitrate), 및 알콕사이드(alkoxide) 계열의 전구체를 사용하는 것이 바람직하다. 예컨대, 지르코늄 나이트레이트(zirconium nitrate), 지르코늄 클로라이드(zirconium chloride), 지르코늄 부톡사이드(zirconium butoxide) 등 중에서 1종 이상을 사용할 수 있다. 또한, 상기 지르코늄 전구체와 함께 사용되는 포스페이트 전구체는 인산염으로서 인산기(PO4)를 포함하여 통상적으로 사용되는 전구체라면 어떠한 것도 사용 가능하다. 예컨대, 인산(phosphoric acid), 암모늄 포스페이트 (ammonium phosphate) 등 중에서 1종 이상을 사용할 수 있다. The zirconium precursor used in the step (a) may be any conventionally used precursor including zirconium (Zr), and a precursor of chloride, nitrate, and alkoxide series It is preferable to use. For example, one or more of zirconium nitrate, zirconium chloride, zirconium butoxide, and the like may be used. In addition, the phosphate precursor used together with the zirconium precursor may be any precursor that is commonly used including a phosphoric acid group (PO 4) as a phosphate salt. For example, one or more of phosphoric acid and ammonium phosphate may be used.

또한, 상기 (a) 단계에서 사용되는 제1 용매로는 물 등을 사용할 수 있다. 특히, 인산(phosphoric acid) 등에 적절한 양의 물을 혼합하여 약산으로 사용하여, 상기 (a) 단계를 수행할 수 있다. In addition, water or the like may be used as the first solvent used in step (a). In particular, the step (a) may be performed by mixing an appropriate amount of water such as phosphoric acid and the like and using it as a weak acid.

상기 (a) 단계에서 사용되는 지르코늄 전구체와 포스페이트 전구체 및 용매의 사용량은 제조하고자 하는 지르코늄과 인 성분의 비율에 따라 사용되며, 일반적으로 알콕사이드(alkoxide) 계열의 지르코늄 전구체의 경우 용매에 충분히 수화될 수 있도록 1 내지 2 시간 동안 교반해주는 것이 바람직하다. The amount of zirconium precursor, phosphate precursor, and solvent used in step (a) is used according to the ratio of the zirconium and phosphorus components to be prepared, and in general, an alkoxide-based zirconium precursor can be sufficiently hydrated in a solvent. It is preferable to stir for 1 to 2 hours so that.

상기 (b) 단계에서 에이징의 목적은 지르코늄 전구체와 포스페이트 전구체인 인산 등의 화학적 결합을 위한 것이므로 일반적인 에이징 조건에 따라 에이징 온도 및 시간을 한정할 수 있는데, 예를 들어 에이징 온도는 70 내지 150 ℃, 바람직하게는 80 내지 120 ℃, 건조시간은 3 내지 24 시간, 바람직하게는 6 내지 12 시간으로 정할 수 있다. Since the purpose of aging in step (b) is for chemical bonding of the zirconium precursor and phosphoric acid, which is a phosphate precursor, the aging temperature and time may be limited according to general aging conditions. For example, the aging temperature is 70 to 150°C, Preferably 80 to 120 ℃, drying time can be set to 3 to 24 hours, preferably 6 to 12 hours.

상기 (c) 단계에서의 열건조의 목적은 생성된 지르코늄 포스페이트 침전체에 남아 있는 수분을 제거하기 위한 것이므로 일반적인 수분 건조 조건에 따라 건조 온도 및 건조 시간을 한정할 수 있는데, 예를 들어 건조 온도는 70 내지 150 ℃, 바람직하게는 80 내지 120 ℃, 건조 시간은 3 내지 24 시간, 바람직하게는 6 내지 12 시간으로 정할 수 있다. 건조 온도가 70 ℃ 미만이면 용매가 충분히 제거되지 않을 수 있으며, 150 ℃를 초과하는 경우 건조 과정에서 구성 성분의 변형이 일어날 수 있어 바람직하지 않다. Since the purpose of thermal drying in step (c) is to remove moisture remaining in the generated zirconium phosphate precipitate, the drying temperature and drying time may be limited according to general moisture drying conditions. For example, the drying temperature is 70 to 150 °C, preferably 80 to 120 °C, drying time may be set to 3 to 24 hours, preferably 6 to 12 hours. If the drying temperature is less than 70° C., the solvent may not be sufficiently removed, and if it exceeds 150° C., constituents may be deformed during the drying process, which is not preferable.

또한, 상기 (c) 단계에서 열처리는 포스페이트를 합성하기 위한 목적으로 수행하는데, 300 내지 500 ℃, 바람직하게는 400 내지 500 ℃의 온도 범위에서 2 내지 5 시간, 바람직하게는 4 내지 5 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 이는 상기 열처리 온도가 300 ℃ 미만이거나 열처리 시간이 2 시간 미만인 경우에는 포스페이트에 포함된 전구체 잔여물의 완전한 제거가 이루어지지 않아서 바람직하지 않고, 열처리 온도가 500 ℃를 초과하거나 열처리 시간이 5 시간을 초과하는 경우에는 포스페이트 상이 변성될 염려가 있기 때문에 바람직하지 않다. In addition, the heat treatment in step (c) is performed for the purpose of synthesizing phosphate, and is performed for 2 to 5 hours, preferably 4 to 5 hours at a temperature range of 300 to 500°C, preferably 400 to 500°C. It is desirable to do it. This is not preferable because the heat treatment temperature is less than 300 °C or the heat treatment time is less than 2 hours because the precursor residue contained in phosphate is not completely removed, and the heat treatment temperature exceeds 500 °C or the heat treatment time exceeds 5 hours. In this case, it is not preferable because the phosphate phase may be denatured.

상기 (d) 단계에서 사용되는 금속 산화물 전구체, 즉, 세륨 전구체는 세륨 (Ce) 원소를 포함하는 것으로, 통상적으로 사용되는 전구체라면 어떠한 것도 사용 가능하며, 할로겐화물(halide), 나이트레이트(nitrate), 및 알콕사이드(alkoxide) 계열의 전구체를 사용하는 것이 바람직하다. 예컨대, 세륨 나이트레이트 (cerium nitrate), 세륨 클로라이드(cerium chloride), 세륨 나이트레이트(cerium nitrate), 세륨 아세테이트(cerium acetate), 세륨 설페이트(cerium sulfate), 세륨 알콕사이드 (cerium alkoxide) 등 중에서 1종 이상을 사용할 수 있다.The metal oxide precursor used in step (d), that is, the cerium precursor contains cerium (Ce) element, and any precursor that is commonly used may be used, and a halide or nitrate , And it is preferable to use a precursor of the alkoxide series. For example, one or more of cerium nitrate, cerium chloride, cerium nitrate, cerium acetate, cerium sulfate, cerium alkoxide, etc. Can be used.

상기 (d) 단계에서 사용되는 세륨 전구체의 함량은 지르코늄 포스페이트(ZrP)의 중량에 대하여 세륨 산화물의 담지량이 6 내지 18 중량%가 되도록 함침시키고, 바람직하게는 세륨 산화물의 담지량이 8 내지 16 중량%, 좀더 바람직하게는 10 내지 15 중량%가 되도록 함침시킬 수 있다. 즉, 상기 세륨 전구체의 함침량은 촉매 담지시 이론적인 세륨 산화물의 담지량을 몰수로 변환하여 이를 다시 전구체의 양으로 전환하는 것으로 계산하여 전구체량을 결정할 수 있다. 상기 세륨 전구체의 함침량이 충분하지 않아 세륨 산화물의 담지량이 6 중량% 미만인 경우에는, 충분한 세륨 산화물 활성상이 담지되지 않아 ZrP의 산도 증가 효과가 미미하여 활성 향상 및 비활성화 억제 효과가 나타나지 않는다. 또한, 상기 세륨 전구체의 함침량이 과량으로 첨가되어 세륨 산화물의 담지량이 18 중량%를 초과하는 경우에는, 세륨 산화물 클러스터가 형성되어 물리적 특성이 감소하고 반응물의 물질 전달이 제한적이게 되어 바람직하지 못하다. 특히, 이처럼 세륨 전구체의 함침량이 너무 많게 되면, 소성 과정에서 산화물 클러스터가 형성되어 세륨 산화물 활성상의 분산을 저해하게 되고 비표면적이 감소하여 오히려 촉매의 코크 형성으로 인한 비활성화가 빠르게 일어날 수 있다.The content of the cerium precursor used in step (d) is impregnated so that the supported amount of cerium oxide is 6 to 18% by weight based on the weight of zirconium phosphate (ZrP), and preferably, the supported amount of cerium oxide is 8 to 16% by weight. , More preferably, it may be impregnated to be 10 to 15% by weight. That is, the amount of the cerium precursor impregnated can be determined by converting the theoretical amount of cerium oxide to be carried in moles when the catalyst is supported, and converting it to the amount of the precursor again, to determine the amount of the precursor. When the amount of the cerium precursor impregnated is not sufficient and the amount of cerium oxide supported is less than 6% by weight, the effect of increasing the acidity of ZrP is insignificant because a sufficient cerium oxide active phase is not supported. In addition, when the impregnation amount of the cerium precursor is added in an excessive amount and the supported amount of cerium oxide exceeds 18% by weight, cerium oxide clusters are formed, thereby reducing physical properties and limiting mass transfer of the reactants, which is not preferable. In particular, if the amount of impregnation of the cerium precursor is too large, oxide clusters are formed during the firing process, thereby inhibiting dispersion of the cerium oxide active phase, and a specific surface area may decrease, so that deactivation due to coke formation of the catalyst may occur rapidly.

상기 (d) 단계에서 사용하는 제2 용매는 물 또는 알코올 중에서 선택될 수 있으며, 물이 바람직하지만 이에 제한되는 것은 아니다. The second solvent used in step (d) may be selected from water or alcohol, and water is preferable, but is not limited thereto.

상기 (e) 단계는 세륨 산화물을 지르코늄 포스페이트(ZrP) 담체에 담지하기 위한 단계로서, 상기 (d) 단계에서 제조한 세륨 전구체 용액에 (c) 단계에서 제조한 지르코늄 포스페이트(ZrP)를 넣은 후 격렬하게 교반하여 함침한다. 이로써, 지르코늄 포스페이트(ZrP)에 고르게 분산된 금속 산화물/포스페이트 담지체를 준비할 수 있다. 일 예로, 상기 (e) 단계의 교반 공정은 약 300 rpm 내지 500 rpm 조건 하에서 수행할 수 있다. The step (e) is a step for supporting the cerium oxide on a zirconium phosphate (ZrP) carrier, and after adding the zirconium phosphate (ZrP) prepared in step (c) to the cerium precursor solution prepared in step (d), vigorously Stirred and impregnated. Accordingly, a metal oxide/phosphate carrier evenly dispersed in zirconium phosphate (ZrP) can be prepared. For example, the stirring process of step (e) may be performed under conditions of about 300 rpm to 500 rpm.

상기 (f) 단계에서 열건조의 목적은 금속 산화물을 함침한 후 남아 있는 수분을 제거하기 위한 것이므로, 일반적인 수분 건조 조건에 따라 건조 온도 및 건조 시간을 한정할 수 있다. 예를 들어, 상기 건조 온도는 70 내지 150 ℃, 바람직하게는 80 내지 120 ℃, 건조 시간은 3 내지 24 시간, 바람직하게는 6 내지 12 시간으로 정할 수 있다. 건조 온도가 70 ℃ 미만이며 용매가 충분히 제거되지 않을 수 있으며, 150 ℃를 초과하는 경우 건조 과정에서 구성 성분의 변형이 일어날 수 있어 바람직하지 않다. Since the purpose of thermal drying in step (f) is to remove moisture remaining after impregnation with metal oxide, drying temperature and drying time may be limited according to general moisture drying conditions. For example, the drying temperature may be set at 70 to 150° C., preferably 80 to 120° C., and the drying time may be set at 3 to 24 hours, preferably 6 to 12 hours. The drying temperature is less than 70° C. and the solvent may not be sufficiently removed, and if it exceeds 150° C., deformation of constituents may occur during the drying process, which is not preferable.

또한, 상기 (f) 단계에서 열처리는 금속산화물/포스페이트를 합성하기 위한 목적으로 수행하는데, 300 내지 500 ℃, 바람직하게는 400 내지 500 ℃의 온도 범위에서 2 내지 5 시간, 바람직하게는 4 내지 5 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 이는 상기 열처리 온도가 300 ℃ 미만이거나 열처리 시간이 2 시간 미만인 경우에는 금속산화물/포스페이트 촉매의 합성이 충분하지 않아서 바람직하지 않고, 열처리 온도가 500 ℃를 초과하거나 열처리 시간이 5 시간을 초과하는 경우에는 화학적 구조가 변형되고 포스페이트상이 변성될 염려가 있기 때문에 바람직하지 않다. In addition, the heat treatment in step (f) is performed for the purpose of synthesizing a metal oxide/phosphate, and at a temperature range of 300 to 500°C, preferably 400 to 500°C, for 2 to 5 hours, preferably 4 to 5 It is desirable to carry out for hours. This is not preferable because the synthesis of the metal oxide/phosphate catalyst is insufficient when the heat treatment temperature is less than 300 °C or the heat treatment time is less than 2 hours, and when the heat treatment temperature exceeds 500 °C or the heat treatment time exceeds 5 hours It is not preferable because the chemical structure may be modified and the phosphate phase may be denatured.

상기 탈수 반응용 촉매의 제조 방법은 상술한 단계 외에 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 채용하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. The method of preparing the catalyst for dehydration reaction may further include a step commonly employed in the technical field to which the present invention pertains, in addition to the steps described above.

한편, 발명의 또다른 일 구현예에 따르면, 상술한 바와 같은 방법으로 제조된 촉매 상에서 글리세린의 탈수 반응을 통해 아크롤레인을 제조하는 방법이 제공된다. 상기 아크롤레인의 제조 방법은 지르코늄 포스페이트(ZrP)에 세륨 산화물 6 내지 18 중량%를 담지시킨 촉매의 존재 하에서, 글리세린 혹은 글리세린 수용액을 반응물로 사용하고, 운반 기체로 비활성 기체 혹은 비활성 기체와 산소의 혼합 기체를 사용하는 기상-연속 흐름식 반응 시스템에서 글리세린을 탈수 반응시키는 단계를 포함하는 아크롤레인의 제조 방법이 제공된다. Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, a method of preparing acrolein through a dehydration reaction of glycerin on a catalyst prepared by the method as described above is provided. The manufacturing method of the acrolein is in the presence of a catalyst supporting 6 to 18% by weight of cerium oxide on zirconium phosphate (ZrP), using glycerin or an aqueous glycerin solution as a reactant, and an inert gas or a mixed gas of an inert gas and oxygen as a carrier gas. There is provided a method for producing acrolein comprising the step of dehydrating glycerin in a gas phase-continuous flow reaction system using.

특히, 본 발명에 따르면 우수한 산 특성과 골격 구조를 지니는 포스페이트 촉매와 금속 산화물 간의 상호 보완 효과를 갖는 세륨 산화물/지르코늄 포스페이트 촉매를 사용하여, 글리세린의 탈수 반응을 통한 아크롤레인의 생산 공정에서 생산성을 극대화할 수 있는 반응시스템을 제공할 수 있다. In particular, according to the present invention, using a cerium oxide/zirconium phosphate catalyst having a complementary effect between a phosphate catalyst having excellent acid properties and a skeleton structure and a metal oxide, the productivity can be maximized in the production process of acrolein through the dehydration reaction of glycerin. It can provide a reaction system that can be used.

글리세린의 탈수 반응을 통한 아크롤레인의 생산 공정은 크게 액상 탈수 반응과 기상 탈수 반응으로 나눌 수 있다. 기존의 선행 연구에서 글리세린의 액상 탈수 반응은 주로 회분식 반응기에서 염산, 황산과 같은 액상 산촉매 하에서 진행되는데, 글리세린의 탈수 반응에서부터 생성된 부산물이 회분식 반응기에 침적되어 반응 활성과 안정성을 떨어뜨리며 액상 산 촉매가 반응기의 부식을 유발하고 생성물과 분리가 어려운 점이 확인되었다. 즉, 본 발명의 금속 산화물/포스페이트 촉매를 이용한 아크롤레인의 제조 방법에 있어서, 상기 탈수 반응은 연속 흐름식 반응기를 이용한 기상 탈수 반응에서 250 ℃ 내지 400 ℃의 온도 범위와 글리세린 1.0 mmol/gcatㆍh 내지 200.0 mmol/gcatㆍh의 단위 시간(h) 및 단위 촉매 중량(g)당 반응양(mmol) 범위 조건 하에서 수행되었다. 바람직하게는, 상기 글리세린 탈수 반응은 280 ℃ 내지 320 ℃의 온도에서 수행할 수 있으며, 글리세린의 접촉 시간은 20 mmol/gcatㆍh 내지 50 mmol/gcatㆍh의 범위가 될 수 있다. 상기 글리세린 탈수 반응을 250 ℃ 이하의 온도 조건에서 수행할 경우, 글리세린의 고분자화 반응 선택성이 높아져 반응 속도가 느리고 낮은 전환율을 보이며, 400 ℃ 이상의 온도 조건에서 수행할 경우글리세린의 전환율이 높은 반면 글리세린의 탈수 반응에서 생성되는 부산물인 1-하이드록시아세톤과 알릴 알코올의 선택도가 높아지기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 글리세린의 단위 시간(h) 및 단위 촉매 중량(g)당 반응양(mmol)이 1.0 mmol/gcatㆍh 미만일 경우 아크롤레인 생산량이 너무 적어 바람직하지 않으며, 200.0 mmol/gcatㆍh을 초과하는 경우에는 촉매의 반응 수산물로 인한 코킹 침적이 빠르게 일어나 반응을 저해하기 때문에 바람직하지 않다. The production process of acrolein through the dehydration reaction of glycerin can be largely divided into a liquid phase dehydration reaction and a gas phase dehydration reaction. In previous studies, the liquid phase dehydration reaction of glycerin is mainly carried out in a batch reactor under liquid acid catalysts such as hydrochloric acid and sulfuric acid.By-products generated from the dehydration reaction of glycerin are deposited in the batch reactor, reducing the reaction activity and stability, and a liquid acid catalyst. It was confirmed that the reaction caused corrosion of the reactor and it was difficult to separate it from the product. That is, in the method for producing acrolein using a metal oxide/phosphate catalyst of the present invention, the dehydration reaction is in a temperature range of 250° C. to 400° C. in a gas phase dehydration reaction using a continuous flow reactor and 1.0 mmol/g cat ·h of glycerin. It was carried out under conditions ranging from a unit time (h) of to 200.0 mmol/g cat占h and a reaction amount per unit catalyst weight (g) (mmol). Preferably, the glycerin dehydration reaction may be carried out at a temperature of 280 °C to 320 °C, and the contact time of glycerin may be in the range of 20 mmol/g cat ㆍh to 50 mmol/g cat ㆍh. When the glycerin dehydration reaction is performed under a temperature condition of 250° C. or less, the selectivity of the polymerization reaction of glycerin increases, resulting in a slow reaction rate and a low conversion rate. When performed under a temperature condition of 400° C. or higher, the conversion rate of glycerin is high, whereas It is not preferable because the selectivity of 1-hydroxyacetone and allyl alcohol, which are by-products produced in the dehydration reaction, increases. In addition, if the reaction amount (mmol) per unit time (h) and unit catalyst weight (g) of glycerin is less than 1.0 mmol/g cat ㆍh, the amount of acrolein production is too small, which is not preferable, and exceeds 200.0 mmol/g cat ㆍh. In this case, it is not preferable because coking deposition due to reaction aquatic products of the catalyst occurs rapidly, thereby inhibiting the reaction.

상기 아크롤레인의 제조 방법은 상술한 단계 외에 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 채용하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. The manufacturing method of the acrolein may further include a step commonly employed in the technical field to which the present invention pertains in addition to the above-described steps.

또한, 상기 탈수 반응을 수행한 후에, 상기 탈수 반응으로부터 얻어진 생성물로부터 아크롤레인의 부분 산화 반응을 수행하여, 글리세린의 탈수 반응을 통해 생성된 아크롤레인을 아크릴산으로 최종 전환시키는 단계를 추가로 수행할 수 있다.In addition, after performing the dehydration reaction, a partial oxidation reaction of acrolein from the product obtained from the dehydration reaction is performed, and a step of finally converting acrolein produced through the dehydration reaction of glycerin to acrylic acid may be further performed.

본 발명에 따른 아크롤레인의 제조 방법은, 반응 개시 후 10 시간 이상 경과한 시점에서 측정한 글리세린 전환율 90% 이상을 유지할 수 있으며, 아크롤레인에 대한 선택도가 35% 이상을 나타낼 수 있으며, 아크롤레인의 수율은 35% 이상을 나타낼 수 있다. 바람직하게는, 상기 글리세린 전환율 93% 이상을 유지할 수 있으며, 아크롤레인에 대한 선택도가 44.5% 이상을 나타낼 수 있으며, 아크롤레인의 수율은 43% 이상을 나타낼 수 있다.The manufacturing method of acrolein according to the present invention can maintain a glycerin conversion of 90% or more, measured at a time point 10 hours or more after the initiation of the reaction, and a selectivity to acrolein can be 35% or more, and the yield of acrolein is It can represent 35% or more. Preferably, the glycerin conversion may be maintained at 93% or more, selectivity to acrolein may be 44.5% or more, and the yield of acrolein may be 43% or more.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a preferred embodiment is presented to aid the understanding of the present invention. However, the following examples are provided for easier understanding of the present invention, and the contents of the present invention are not limited thereto.

[제조예][Production Example]

제조예 1. 지르코늄 포스페이트 (ZrP) 담체 제조Preparation Example 1. Preparation of zirconium phosphate (ZrP) carrier

본 발명에서 금속 산화물이 함침될 포스페이트는 지르코늄 포스페이트로서 침전법을 통해 제조되었다. In the present invention, the phosphate to be impregnated with a metal oxide was prepared as zirconium phosphate through a precipitation method.

먼저, 지르코늄 전구체와 용매로서 지르코늄 부톡사이드(Zirconium butoxide) 및 인산을 각각 4.57 mL, 60 mL(각각 0.01 mol zirconium butoxide, 0.1 M phosphoric acid solution)을 준비한 다음 알콕사이드를 용매에 녹였다. 포스페이트 전구체 용액을 상온에서 1~2 시간 교반하였다. 상기 용액의 전구체들이 충분히 수화된 다음, 지르코늄 포스페이트의 화학적 구조를 결합하기 위해 120 ℃의 대류 오븐에서 10 시간 동안 에이징하면서 포스페이트 침전체를 얻어낼 수 있었다. 상기 과정으로 얻어진 지르코늄 포스페이트 침전체를 필터링하고 증류수 2 L를 이용하여 워싱하였다. 그 후, 100 ℃ 대류 오븐에서 10 시간 동안 건조 한 뒤 촉매를 분말 형태로 분쇄하여 정제되지 않은 포스페이트 담체에 포함된 물 분자 혹은 유기 분자를 제거하기 위해 공기 분위기 하에서 2 ℃/min의 승온 속도로 400 ℃까지 승온시킨 뒤 400 ℃의 온도에서 3 시간 소성 과정을 거지고 최종적으로 지르코늄 포스페이트 (ZrP) 담체를 얻었다. First, as a zirconium precursor and a solvent, zirconium butoxide and phosphoric acid were prepared in 4.57 mL and 60 mL (each 0.01 mol zirconium butoxide, 0.1 M phosphoric acid solution), and then the alkoxide was dissolved in a solvent. The phosphate precursor solution was stirred at room temperature for 1 to 2 hours. After the precursors of the solution were sufficiently hydrated, a phosphate precipitate could be obtained by aging in a convection oven at 120° C. for 10 hours to bind the chemical structure of zirconium phosphate. The zirconium phosphate precipitate obtained by the above process was filtered and washed with 2 L of distilled water. Then, after drying in a convection oven at 100°C for 10 hours, the catalyst is pulverized in powder form to remove water or organic molecules contained in the unrefined phosphate carrier at 400 at a heating rate of 2°C/min under an air atmosphere. After raising the temperature to °C, a sintering process was performed at 400 °C for 3 hours to finally obtain a zirconium phosphate (ZrP) carrier.

제조예Manufacturing example 2 및 3. 세륨 2 and 3. CE 옥사이드Oxide /지르코늄 /zirconium 포스페이트Phosphate (( XCeOXCeO 22 // ZrPZrP , X=10, 15 wt%) 촉매 제조, X=10, 15 wt%) catalyst preparation

상기 제조예 1에 의한 방법으로 제조한 지르코늄 포스페이트 담체에 세륨 옥사이드를 함침한 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 담지 촉매를 제조하고, 제조하여 이를 특성 분석하고 반응 실험을 수행하였다. 좀더 구체적으로, 지르코늄 포스페이트 담체에 세륨 옥사이드의 함침법을 통한 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트(XCeO2/ZrP, X=10, 15 wt%) 촉매 제조법은 다음과 같다. A cerium oxide/zirconium phosphate supported catalyst was prepared, which was impregnated with cerium oxide in the zirconium phosphate carrier prepared by the method according to Preparation Example 1, and prepared and characterized, and a reaction experiment was performed. More specifically, a method for preparing a cerium oxide/zirconium phosphate (XCeO 2 /ZrP, X=10, 15 wt%) catalyst by impregnating a zirconium phosphate carrier with cerium oxide is as follows.

먼저, 다양한 담지량으로 구성된 담지 촉매를 제조하기 위해 세륨 옥사이드 전구체로서 세륨 나이트레이트 (cerium nitrate)/지르코늄 포스페이트 전구체 양을 최종 촉매에서 세륨 옥사이드의 담지량에 따라 10CeO2/ZrP (0.234 g, 0.9 g), 15CeO2/ZrP (0.351 g, 0.9 g), 20CeO2/ZrP (0.468 g, 0.9 g)와 같이 준비한 다음, 각각의 전구체와 포스페이트를 물에 녹인다. 용액의 전구체와 포스페이트가 충분히 균일하게 섞이도록 약 1~2 시간 동안 교반해주었다. 이후 80 ℃에서 가열하면서 증류수가 완전히 증발한 때까지 교반시키면서 고체 물질을 얻었다. 이후, 상기 고체 물질을 100 ℃ 오븐에서 약 12 시간 정도로 건조시키고, 이렇게 얻은 시료를 공기 하에서 2 ℃/min의 승온 속도로 400 ℃까지 승온시킨 뒤 400 ℃의 온도에서 3 시간 동안 소성 과정을 거쳐 열처리함으로써 세륨 옥사이드(CeO2)의 담지량이 ZrP 중량 기준하여 각각 10 중량% 및 15 중량%인 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 (XCeO2/ZrP, X=10, 15 wt%) 촉매를 제조하였다. First, in order to prepare a supported catalyst composed of various supported amounts, the amount of cerium nitrate/zirconium phosphate precursor as a cerium oxide precursor was determined according to the amount of cerium oxide supported in the final catalyst, 10CeO 2 /ZrP (0.234 g, 0.9 g), Prepare 15CeO 2 /ZrP (0.351 g, 0.9 g), 20CeO 2 /ZrP (0.468 g, 0.9 g), and then dissolve each precursor and phosphate in water. The solution was stirred for about 1 to 2 hours so that the precursor and phosphate were sufficiently uniformly mixed. Thereafter, while heating at 80° C., a solid material was obtained by stirring until the distilled water was completely evaporated. Thereafter, the solid material was dried in an oven at 100° C. for about 12 hours, and the obtained sample was heated to 400° C. at a heating rate of 2° C./min in air, followed by a firing process at 400° C. for 3 hours to heat treatment. By doing so, a cerium oxide/zirconium phosphate (XCeO 2 /ZrP, X=10, 15 wt%) catalyst was prepared in which the supported amount of cerium oxide (CeO 2 ) was 10 wt% and 15 wt%, respectively, based on the weight of ZrP.

비교 compare 제조예Manufacturing example 1~4. 세륨 1~4. cerium 옥사이드Oxide /지르코늄 /zirconium 포스페이트Phosphate (( XCeOXCeO 22 // ZrPZrP , X=5, 20, 25, 30 wt%) 촉매 제조, X=5, 20, 25, 30 wt%) catalyst preparation

상기 제조예 2~3에서와 동일한 방법으로 다양한 함침량의 세륨 옥사이드가 담지된 담지 촉매를 제조하여 이를 특성 분석하고 반응 실험을 수행하였다. In the same manner as in Preparation Examples 2 to 3, a supported catalyst having various impregnation amounts of cerium oxide was prepared and characterized and a reaction experiment was performed.

특히, 다양한 담지량으로 구성된 담지 촉매를 제조하기 위해 세륨 옥사이드 전구체로서 세륨 나이트레이트(cerium nitrate)/포스페이트 전구체 양을 최종 촉매에서 세륨 옥사이드의 담지량에 따라 5CeO2/ZrP (0.117 g, 0.8 g), 20CeO2/ZrP (0.468 g, 0.9 g), 25CeO2/ZrP (0.584 g, 0.9 g), 30CeO2/ZrP (0.701 g, 0.9 g)와 같이 준비한 다음, 제조예 2~3에서와 동일한 방법으로 함침 공정 및 건조, 열처리 공정을 수행하여 세륨 옥사이드(CeO2)의 담지량이 ZrP 중량 기준하여 각각 5 중량%, 20 중량%, 25 중량%, 및 30 중량%인 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 (XCeO2/ZrP, X=5, 20, 25, 30 wt%) 촉매를 제조하였다. In particular, in order to prepare a supported catalyst composed of various supported amounts, the amount of cerium nitrate/phosphate precursor as a cerium oxide precursor was determined according to the amount of cerium oxide supported in the final catalyst. 5CeO 2 /ZrP (0.117 g, 0.8 g), 20CeO 2 /ZrP (0.468 g, 0.9 g), 25CeO 2 /ZrP (0.584 g, 0.9 g), 30CeO 2 /ZrP (0.701 g, 0.9 g), and then impregnated in the same manner as in Preparation Examples 2-3 processing and drying, a 5% by weight by loading a standard ZrP weight of the heat-treating step and cerium oxide (CeO 2) performing, 20%, 25%, and 30% by weight of cerium oxide / zirconium phosphate (XCeO 2 / ZrP , X=5, 20, 25, 30 wt%) catalyst was prepared.

[시험예][Test Example]

시험예Test example 1. 세륨 1. CE 옥사이드Oxide /지르코늄 /zirconium 포스페이트Phosphate 담지 촉매의 X-선 회절 분석 평가 X-ray diffraction analysis evaluation of supported catalyst

상기 제조예 2~3 및 비교제조예 1~4의 방법에 의해 제조된 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 (XCeO2/ZrP, X=10, 15 wt% 및 X=5, 20, 25, 30 wt%) 촉매에 대하여 X-선 회절 분석(XRD)을 수행하고, 상기 X-선 회절 분석(XRD)을 통해 얻어진 담체의 결정상 분석 결과를 도 1에 나타내었다. 상기 제조예 2 및 3의 방법에 의해 제조된 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 담지 촉매를 각각 10CeO2/ZrP, 15CeO2/ZrP 라고 표기하였으며, 상기 비교제조예 1~4의 방법에 의해 제조된 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 담지 촉매를 각각 5CeO2/ZrP, 20CeO2/ZrP, 25CeO2/ZrP, 및 30CeO2/ZrP라고 표기하였다. Cerium oxide/zirconium phosphate prepared by the method of Preparation Examples 2 to 3 and Comparative Preparation Examples 1 to 4 (XCeO 2 /ZrP, X=10, 15 wt% and X=5, 20, 25, 30 wt%) The catalyst was subjected to X-ray diffraction analysis (XRD), and the results of crystal phase analysis of the carrier obtained through the X-ray diffraction analysis (XRD) are shown in FIG. 1. The cerium oxide/zirconium phosphate supported catalysts prepared by the methods of Preparation Examples 2 and 3 were respectively expressed as 10CeO 2 /ZrP and 15CeO 2 /ZrP, and cerium oxide prepared by the method of Comparative Preparation Examples 1 to 4 / The zirconium phosphate supported catalyst was denoted as 5CeO 2 /ZrP, 20CeO 2 /ZrP, 25CeO 2 /ZrP, and 30CeO 2 /ZrP, respectively.

도 1에 나타낸 바와 같이, 제조예 2~3 및 비교제조예 1~4에 따라 제조된 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트(XCeO2/ZrP, X=5, 10, 15, 20, 25, 30 wt%) 촉매의 X-선 회절 분석 결과에 따라면, 촉매에서 세륨 옥사이드 담지량을 달리하였을 때 해당 피크가 크게 나타남을 확인할 수 있다. 특히, 함침량이 낮은 담지량 (X=5 wt%)의 세륨 옥사이드 담지 촉매에서는 세륨 옥사이드 결정상을 나타내는 피크는 거의 관찰되지 않았으며 결정성이 없는 무정형 지르코늄 포스페이트 지지체의 X-선 회절 분석 결과와 비슷한 개형을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 매우 높은 담지량 (X=20, 25, 30 wt%)에서는 세륨 옥사이드 피크가 매우 큰 세기로 관찰되었으며, 이는 담지량이 높아짐에 따라 옥사이드 형태의 결정상이 잘 형성되며 산화물 클러스터가 형성되었음을 알 수 있다. 반면에, 제조예 2~3에 따라 세륨 옥사이드의 담지량이 10 중량% 및 15 중량%가 되도록 최적화하여 함침시킨 경우에는, 세륨 옥사이드 활성상이 효과적으로 생성되며 산화물 클러스터를 이루지 않은 채 우수한 분산성으로 담지되었음을 알 수 있다. As shown in Figure 1, cerium oxide / zirconium phosphate prepared according to Preparation Examples 2 to 3 and Comparative Preparation Examples 1 to 4 (XCeO 2 /ZrP, X=5, 10, 15, 20, 25, 30 wt%) According to the results of X-ray diffraction analysis of the catalyst, it can be seen that the peak appears large when the amount of cerium oxide supported in the catalyst is varied. In particular, in the cerium oxide supported catalyst having a low impregnation amount (X = 5 wt%), a peak indicating a cerium oxide crystal phase was hardly observed, and a modification similar to the result of X-ray diffraction analysis of an amorphous zirconium phosphate support having no crystallinity was observed. It could be confirmed that it was shown. In addition, at a very high loading amount (X=20, 25, 30 wt%), a cerium oxide peak was observed with a very large intensity, which indicates that an oxide-type crystal phase is well formed and oxide clusters are formed as the loading amount increases. . On the other hand, in the case of optimizing and impregnating the loading amount of cerium oxide to 10% by weight and 15% by weight according to Preparation Examples 2 to 3, the cerium oxide active phase was effectively generated and supported with excellent dispersibility without forming oxide clusters. Able to know.

시험예Test example 2. 세륨 2. CE 옥사이드Oxide /지르코늄 /zirconium 포스페이트Phosphate 담지 촉매의 질소 Nitrogen in supported catalyst 흡탈착Adsorption and desorption 분석 평가 Analysis evaluation

상기 제조예 2~3 및 비교제조예 1~4의 방법에 의해 제조된 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 (XCeO2/ZrP, X=10, 15 wt% 및 X=5, 20, 25, 30 wt%) 촉매에 대하여 질소 흡탈착 분석을 수행하고, 상기 질소 흡탈착 분석을 통해 얻어진 그래프 개형을 도 2에 나타내었다. 상기 제조예 2~3의 방법에 의해 제조된 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 담지 촉매를 10CeO2/ZrP, 15CeO2/ZrP 라고 표기하였으며, 상기 비교제조예 1~4의 방법에 의해 제조된 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 담지 촉매를 5CeO2/ZrP, 20CeO2/ZrP, 25CeO2/ZrP, 및 30CeO2/ZrP라고 표기하였다. Cerium oxide/zirconium phosphate prepared by the method of Preparation Examples 2 to 3 and Comparative Preparation Examples 1 to 4 (XCeO 2 /ZrP, X=10, 15 wt% and X=5, 20, 25, 30 wt%) The catalyst was subjected to nitrogen adsorption and desorption analysis, and the graph obtained through the nitrogen adsorption and desorption analysis is shown in FIG. 2. The cerium oxide/zirconium phosphate supported catalyst prepared by the method of Preparation Examples 2 to 3 was expressed as 10CeO 2 /ZrP, 15CeO 2 /ZrP, and cerium oxide/zirconium prepared by the method of Comparative Preparation Examples 1 to 4 The phosphate-supported catalyst was designated as 5CeO 2 /ZrP, 20CeO 2 /ZrP, 25CeO 2 /ZrP, and 30CeO 2 /ZrP.

도 2에서 나타난 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 담지 촉매의 질소 흡탈착 분석 결과로부터 모든 촉매가 Type IV 형태의 H2 hysteresis 현상을 나타냈으며, 이를 통해 모든 촉매가 중형 기공성을 가지는 메조포러스(Mesoporous) 물질임을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 상기 제조예 1에 의해 제조된 지르코늄 포스페이트(ZrP) 및 제조예 2~3, 비교제조예 1~4에 의해 제조된 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 (XCeO2/ZrP, X=10, 15 wt% 및 X=5, 20, 25, 30 wt%) 촉매의 성공적인 합성을 확인할 수 있었다. From the nitrogen adsorption and desorption analysis results of the cerium oxide/zirconium phosphate supported catalyst shown in FIG. 2, all catalysts exhibited a Type IV type of H2 hysteresis, and through this, it was confirmed that all catalysts were mesoporous materials having mesoporous properties. Could. Through this, the zirconium phosphate (ZrP) prepared by Preparation Example 1 and Preparation Examples 2 to 3, cerium oxide / zirconium phosphate prepared by Comparative Preparation Examples 1 to 4 (XCeO 2 /ZrP, X = 10, 15 wt. % And X=5, 20, 25, 30 wt%) successful synthesis of the catalyst was confirmed.

[실시예][Example]

대조예Contrast 1~4. 지르코늄 1~4. zirconium 포스페이트Phosphate (( ZrPZrP ), 알루미늄 ), aluminum 포스페이트Phosphate (( AlPAlP ), 티타늄 포스페이트(TiP) 및 보론 ), titanium phosphate (TiP) and boron 포스페이트Phosphate (BP) 촉매 상에서 글리세린의 탈수 반응을 통한 아크롤레인의 제조(BP) Preparation of acrolein through dehydration of glycerin on a catalyst

서로 다른 종류의 메탈을 지닌 포스페이트 촉매의 활성을 비교하기 위해, 포스페이트 촉매 중 대표적으로 산 특성을 지니는 지르코늄 포스페이트(ZrP), 알루미늄 포스페이트(AlP), 티타늄 포스페이트(TiP) 및 보론 포스페이트(BP) 촉매 상에서 글리세린 탈수 반응을 진행하였다. 상기 포스페이트 촉매들은 각각의 전구체로서 지르코늄 부톡사이드(ZrP 관련, Zirconium butoxide), 알루미늄 클로라이드 헥사하이드레이트(AlP 관련, Aluminium chloride hexahydrate), 티타늄 클로라이드(TiP 관련, Titanium chloride) 및 소듐 테트라보레이트 데카하이드레이드(BP 관련, Sodium tetraborate decahydrate)를 사용하였고 인산을 이용하여 침전법으로 직접 합성하여 반응 실험에 이용하였다. In order to compare the activities of phosphate catalysts with different kinds of metals, among the phosphate catalysts, zirconium phosphate (ZrP), aluminum phosphate (AlP), titanium phosphate (TiP) and boron phosphate (BP) catalysts, which have typical acid properties. The glycerin dehydration reaction proceeded. The phosphate catalysts are zirconium butoxide (ZrP-related, Zirconium butoxide), aluminum chloride hexahydrate (AlP-related, aluminum chloride hexahydrate), titanium chloride (TiP-related, Titanium chloride), and sodium tetraborate decahydride (BP-related) as respective precursors. Related, sodium tetraborate decahydrate) was used, and it was directly synthesized by precipitation using phosphoric acid and used in the reaction experiment.

글리세린의 탈수 반응을 통한 아크롤레인의 제조는 기상에서 연속 흐름식 U자관 고정층 반응기를 사용하여 수행하였다. 반응물로서 증류수와 글리세린을 혼합시킨 글리세린 수용액을 사용하였고, 분석을 위한 내부표준물질로서 1, 4-다잉옥산을 사용하였다. 촉매 반응을 위해 연속 흐름식 U자관 고정층 반응기를 전기로 안에 설치하여 상기 촉매 0.1 g을 반응기에 충진시키고, 운반 기체로 질소를 30 mL/min의 유량으로 흘려주면서 5 ℃/min의 속도로 반응 온도인 300 ℃까지 승온한 뒤 반응 라인의 정상 상태를 유지하기 위해 1 시간 동안 해당 반응 온도를 유지하였다. 이후 글리세린의 단위 시간(h) 및 단위 촉매 중량(g)당 반응양(mmol)이 45.9 mmol/gcatㆍh가 되도록 글리세린 수용액을 주입하여 글리세린의 탈수 반응을 수행하였다. 글리세린의 탈수 반응은 10 시간 동안 수행되었으며, 반응 후 생성물에는 본 반응의 주 생성물인 아크롤레인 이외에 1-하이드록시아세톤, 알릴 알코올 등의 부산물과 미반응한 글리세린이 포함되어 있으므로, 글리세린 탈수 반응이 진행되는 동안 반응 생성물은 샘플링 밸브(six-port valve)을 통해 일정한 간겨긍로 가스 크로마토그래피에 주입되어 분석하였다. 글리세린의 탈수 반응에 의한 글리세린의 전환율, 아크롤레인의 선택도 및 수율은 다음의 수학식 1, 2, 및 3에 의해 계산하였다. Preparation of acrolein through the dehydration reaction of glycerin was performed in a gas phase using a continuous flow U-tube fixed bed reactor. As a reactant, an aqueous glycerin solution in which distilled water and glycerin were mixed was used, and 1 and 4-dioxane were used as internal standards for analysis. For the catalytic reaction, a continuous flow U-tube fixed bed reactor was installed in an electric furnace, and 0.1 g of the catalyst was charged into the reactor, and nitrogen was flowed as a carrier gas at a flow rate of 30 mL/min, while the reaction temperature at a rate of 5 °C/min. After raising the temperature to 300° C., the reaction temperature was maintained for 1 hour in order to maintain a steady state of the reaction line. Thereafter, a glycerin aqueous solution was injected so that the reaction amount (mmol) per unit time (h) and unit catalyst weight (g) of glycerin became 45.9 mmol/g cat ㆍh to perform a dehydration reaction of glycerin. The dehydration reaction of glycerin was carried out for 10 hours, and the product after the reaction contains unreacted glycerin with by-products such as 1-hydroxyacetone and allyl alcohol, in addition to acrolein, which is the main product of the reaction. The reaction product during the period was injected into gas chromatography through a sampling valve (six-port valve) and analyzed. The conversion rate of glycerin, selectivity and yield of acrolein by the dehydration reaction of glycerin were calculated by the following equations 1, 2, and 3.

[수학식 1][Equation 1]

글리세린의 전환율(%) = {(공급된 글리세린의 몰수 - 미반응 글리세린의 몰수)/공급된 글리세린의 몰수} × 100Conversion rate of glycerin (%) = {(number of moles of glycerin supplied-number of moles of unreacted glycerin) / number of moles of supplied glycerin} × 100

[수학식 2][Equation 2]

아크롤레인의 선택도(%) = {생성된 아크롤레인의 몰수/(공급된 글리세린의 몰수 - 미반응 글리세린의 몰수)} × 100Selectivity of acrolein (%) = {number of moles of acrolein produced/(number of moles of supplied glycerin-number of moles of unreacted glycerin)} × 100

[수학식 3][Equation 3]

아크롤레인의 수율(%) = (생성된 아크롤레인의 몰수/공급된 글리세린의 몰수) × 100Yield of acrolein (%) = (number of moles of acrolein produced/number of moles of glycerin supplied) × 100

대조예 1 내지 4에 따라, 지르코늄 포스페이트, 알루미늄 포스페이트, 티타늄 포스페이트 및 보론 포스페이트 촉매 상에서 수해된 10 시간 동안의 글리세린 탈수 반응에서 아크롤레인 수율 변화 추이를 도 3에 나타내었고, 반응이 진행된 지 10 시간 후 글리세린이 전환율, 아크롤레인의 선택도 및 수율을 하기 표 1에 나타내었다. According to Control Examples 1 to 4, the trend of acrolein yield change in the glycerin dehydration reaction for 10 hours under water over a zirconium phosphate, aluminum phosphate, titanium phosphate and boron phosphate catalyst is shown in Fig.3, and 10 hours after the reaction proceeds, glycerin The conversion rate, selectivity and yield of acrolein are shown in Table 1 below.

촉매catalyst 글리세린
전환율(%)
glycerin
Conversion rate (%)
아크롤레인
선택도(%)
Acrolein
Selectivity (%)
아크롤레인
수율(%)
Acrolein
yield(%)
대조예 1Control Example 1 지르코늄 포스페이트(ZrP)Zirconium phosphate (ZrP) 93.593.5 36.836.8 34.434.4 대조예 2Control Example 2 알루미늄 포스페이트(AlP)Aluminum phosphate (AlP) 90.290.2 30.030.0 27.127.1 대조예 3Control Example 3 티타늄 포스페이트(TiP)Titanium phosphate (TiP) 85.385.3 25.925.9 22.122.1 대조예 4Control Example 4 보론 포스페이트(BP)Boron phosphate (BP) 74.874.8 27.727.7 20.720.7

도 3을 살펴보면, 지르코늄 포스페이트, 알루미늄 포스페이트, 티타늄 포스페이트 및 보론 포스페이트 촉매에 의해 진행된 글리세린 탈수 반응의 경우, 시간이 경과함에 따라 촉매 활성이 비활성화가 되는 경향을 보였으며, 이는 여러 문헌에 보고된 것처럼 글리세린 탈수 반응 후 생성된 탄소 물질의 코킹 침적에 의해 비활성화가 나타나는 것으로 판단된다. 특히, 표 1과 도 3에 나타난 바와 같이, 지르코늄 포스페이트 촉매를 다른 포스페이트 촉매의 활성과 비교했을 때 우수한 활성을 보이는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 글리세린 탈수 반응을 위한 금속 산화물/포스페이트 담지 촉매의 제조에 있어서 지르코늄 포스페이트를 활성상으로 사용하는 것이 바람직한 것으로 나타났다. Referring to Figure 3, in the case of the glycerin dehydration reaction proceeded by zirconium phosphate, aluminum phosphate, titanium phosphate, and boron phosphate catalyst, the catalytic activity tends to be deactivated over time, which has been reported in various documents. It is judged that inactivation occurs due to coking deposition of the carbon material generated after the dehydration reaction. In particular, as shown in Table 1 and Figure 3, it can be seen that the zirconium phosphate catalyst exhibits excellent activity when compared with the activity of other phosphate catalysts, through which the preparation of a metal oxide/phosphate-supported catalyst for the glycerin dehydration reaction Thus, it has been shown that it is preferable to use zirconium phosphate as the active phase.

실시예Example 1~2. 세륨 1~2. cerium 옥사이드Oxide /지르코늄 /zirconium 포스페이트Phosphate ( ( XCeOXCeO 22 // ZrPZrP , X=10, 15 , X=10, 15 wt%wt% ) 촉매상에서 글리세린의 탈수 반응을 통한 아크롤레인의 제조) Preparation of acrolein through dehydration reaction of glycerin on a catalyst

상기 제조예 2 및 3의 방법에 의해 제조된 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 (XCeO2/ZrP, X=10, 15 wt%) 촉매를 사용하여 글리세린의 탈수 반응을 통한 아크롤레인 제조를 수행하였다. 촉매 반응을 위해 연속 흐름식 U자관 고정층 반응기를 전기로 안에 설치하여 상기 촉매 0.1 g을 반응기에 충진시키고, 운반 기체로 질소와 산소를 각각 30 mL/min, 1 mL/min의 유량으로 흘려주면서 5 ℃/min의 속도로 반응 온도인 275 ℃까지 승온한 뒤 반응 라인의 정상 상태를 유지하기 위해 1 시간 동안 해당 반응 온도를 유지하였다. 이후 글리세린의 단위 시간(h) 및 단위 촉매 중량(g)당 반응양(mmol)이 45.8 mmol/gcatㆍh가 되도록 글리세린 수용액을 주입하여 글리세린의 탈수 반응을 수행하였다. Using the cerium oxide/zirconium phosphate (XCeO 2 /ZrP, X=10, 15 wt%) catalyst prepared by the methods of Preparation Examples 2 and 3, acrolein was prepared through dehydration of glycerin. For the catalytic reaction, a continuous flow U-tube fixed bed reactor was installed in an electric furnace, and 0.1 g of the catalyst was charged to the reactor, and nitrogen and oxygen as carrier gases were flowed at a flow rate of 30 mL/min and 1 mL/min, respectively. After raising the temperature to 275°C, which is the reaction temperature at a rate of °C/min, the reaction temperature was maintained for 1 hour in order to maintain a steady state of the reaction line. Thereafter, a glycerin aqueous solution was injected so that the reaction amount (mmol) per unit time (h) and unit catalyst weight (g) of glycerin became 45.8 mmol/g cat ㆍh to perform a dehydration reaction of glycerin.

10 시간 동안의 글리세린 탈수 반응에서 아크롤레인 수율 변화 추이를 도 4에 나타내었고, 반응이 진행된지 10 시간 후 글리세린의 전환율, 아크롤레인의 선택도 및 수율을 하기 표 2에 나타내었다. 상기 제조예 2~3의 방법에 의해 제조된 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 담지 촉매를 10CeO2/ZrP, 15CeO2/ZrP 라고 표기하였다. The change in the yield of acrolein in the glycerin dehydration reaction for 10 hours is shown in FIG. 4, and the conversion rate of glycerin, selectivity and yield of acrolein 10 hours after the reaction proceeds are shown in Table 2 below. The cerium oxide/zirconium phosphate supported catalyst prepared by the method of Preparation Examples 2 to 3 was expressed as 10CeO 2 /ZrP, 15CeO 2 /ZrP.

비교예Comparative example 1. 지르코늄 1. Zirconium 포스페이트Phosphate (( ZrPZrP ) 촉매 상에서 글리세린의 탈수 반응을 통한 아크롤레인의 제조) Preparation of acrolein through dehydration reaction of glycerin over catalyst

상기 제조예 1의 방법에 의해 제조된 지르코늄 포스페이트(ZrP) 촉매를 사용하여 실시예 1~2와 동일한 방법으로 글리세린의 탈수 반응을 통한 아크롤레인 제조를 수행하였다. 10 시간 동안의 글리세린 탈수 반응에서 아크롤레인 수율 변화 추이를 도 4에 나타내었고, 반응이 진행된지 10 시간 후 글리세린의 전환율, 아크롤레인의 선택도 및 수율을 하기 표 2에 나타내었다. 상기 제조예 1의 방법에 의해 지르코늄 포스페이트 촉매는 ZrP라고 표기하였다. Using the zirconium phosphate (ZrP) catalyst prepared by the method of Preparation Example 1, acrolein was prepared through dehydration of glycerin in the same manner as in Examples 1 and 2. The change in the yield of acrolein in the glycerin dehydration reaction for 10 hours is shown in FIG. 4, and the conversion rate of glycerin, selectivity and yield of acrolein 10 hours after the reaction proceeds are shown in Table 2 below. By the method of Preparation Example 1, the zirconium phosphate catalyst was designated as ZrP.

비교예Comparative example 2~5. 세륨 2-5. cerium 옥사이드Oxide /지르코늄 /zirconium 포스페이트Phosphate ( ( XCeOXCeO 22 // ZrPZrP , X=5, 20, 25, 30 wt%) 촉매상에서 글리세린의 탈수 반응을 통한 아크롤레인의 제조, X=5, 20, 25, 30 wt%) Preparation of acrolein through dehydration of glycerin on a catalyst

상기 비교제조예 1~4의 방법에 의해 제조된 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 (XCeO2/ZrP, X=5, 20, 25, 30 wt%) 촉매를 사용하여 실시예 1~2와 동일한 방법으로 글리세린의 탈수 반응을 통한 아크롤레인 제조를 수행하였다. 10 시간 동안의 글리세린 탈수 반응에서 아크롤레인 수율 변화 추이를 도 4에 나타내었고, 반응이 진행된지 10 시간 후 글리세린의 전환율, 아크롤레인의 선택도 및 수율을 하기 표 2에 나타내었다. 상기 비교제조예 1~4의 방법에 의해 제조된 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 (XCeO2/ZrP, X=5, 20, 25, 30 wt%) 촉매를 각각 5CeO2/ZrP, 20CeO2/ZrP, 25CeO2/ZrP, 및 30CeO2/ZrP라고 표기하였다. Using the cerium oxide/zirconium phosphate (XCeO 2 /ZrP, X=5, 20, 25, 30 wt%) catalyst prepared by the method of Comparative Preparation Examples 1 to 4, glycerin in the same manner as in Examples 1 to 2 Acrolein preparation was performed through the dehydration reaction of. The change in the yield of acrolein in the glycerin dehydration reaction for 10 hours is shown in FIG. 4, and the conversion rate of glycerin, selectivity and yield of acrolein 10 hours after the reaction proceeds are shown in Table 2 below. The cerium oxide/zirconium phosphate (XCeO 2 /ZrP, X=5, 20, 25, 30 wt%) catalyst prepared by the method of Comparative Preparation Examples 1 to 4 was respectively 5CeO 2 /ZrP, 20CeO 2 /ZrP, 25CeO 2 /ZrP, and 30CeO 2 /ZrP.

비교예Comparative example 6. 텅스텐 6. Tungsten 옥사이드Oxide /지르코늄 /zirconium 포스페이트Phosphate (WO(WO 33 // ZrPZrP ) 촉매 상에서 글리세린의 탈수 반응을 통한 아크롤레인의 제조) Preparation of acrolein through dehydration reaction of glycerin over catalyst

실시예 2에 의한 방법에 따라 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 촉매를 통한 글리세린의 탈수 반응 활성 결과와의 비교를 위하여, 상기 제조예 3과 동일한 방법으로 제조된 텅스텐 옥사이드/지르코늄 포스페이트(WO3/ZrP)를 제조하고, 이를 사용하여 촉매 상에서 글리세린의 탈수 반응을 통한 아크롤레인의 제조 공정을 수행하였다. For comparison with the results of dehydration activity of glycerin through a cerium oxide/zirconium phosphate catalyst according to the method according to Example 2, tungsten oxide/zirconium phosphate (WO 3 /ZrP) prepared in the same manner as in Preparation Example 3 was used. And, using this, a process for producing acrolein through dehydration of glycerin on a catalyst was performed.

특히, 상기 텅스텐 옥사이드/지르코늄 포스페이트(WO3/ZrP)는 제조예 2와 동일한 방법으로 지르코늄 포스페이트 담체에 텅스텐 옥사이드를 함침하여 제조하였다. 이 때, 텅스텐 옥사이드 함침량은 15 wt%로 하였다. 상기 텅스텐 옥사이드/지르코늄 포스페이트(WO3/ZrP)를 사용한 글리세린 탈수 반응은 실시예 2와 동일한 방법으로 수행하였다. 상기 텅스텐 옥사이드/지르코늄 포스페이트 촉매 상에서 수행된 10 시간 동안의 글리세린 탈수 반응에서 아크롤레인 수율 변화 추이를 도 5에 나타내었고, 반응이 진행된지 10 시간후 글리세린의 전환율, 아크롤레인의 선택도 및 수율을 하기 표 2에 나타내었다. 제조된 텅스텐 옥사이드/지르코늄 포스페이트 촉매를 15WO3/ZrP라고 표기하였다. In particular, the tungsten oxide/zirconium phosphate (WO 3 /ZrP) was prepared by impregnating tungsten oxide in a zirconium phosphate carrier in the same manner as in Preparation Example 2. At this time, the amount of tungsten oxide impregnated was 15 wt%. The glycerin dehydration reaction using the tungsten oxide/zirconium phosphate (WO 3 /ZrP) was performed in the same manner as in Example 2. The trend of acrolein yield change in the glycerin dehydration reaction for 10 hours performed on the tungsten oxide/zirconium phosphate catalyst is shown in FIG. 5, and the conversion rate of glycerin, selectivity and yield of acrolein 10 hours after the reaction proceeded are shown in Table 2 below. Shown in. The prepared tungsten oxide/zirconium phosphate catalyst was designated as 15WO 3 /ZrP.

비교예Comparative example 7. 코발트 7. Cobalt 옥사이드Oxide /지르코늄 /zirconium 포스페이트Phosphate (( CoOCoO 22 // ZrPZrP ) 촉매 상에서 글리세린의 탈수 반응을 통한 아크롤레인의 제조) Preparation of acrolein through dehydration reaction of glycerin over catalyst

제조예 3과 동일한 방법으로 제조된 코발트 옥사이드/지르코늄 포스페이트(CoO2/ZrP) 촉매를 사용하여 실시예 2와 동일한 방법으로 상기 촉매 상에서 글리세린의 탈수 반응을 통한 아크롤레인의 제조 공정을 수행하였다. 이때, 코발트 옥사이드 함침량은 15 wt%로 하였다. 코발트 옥사이드/지르코늄 포스페이트 촉매 상에서 수행된 10 시간 동안의 글리세린 탈수 반응에서 아크롤레인 수율 변화 추이를 도 5에 나타내었고, 반응이 진행된지 10 시간후 글리세린의 전환율, 아크롤레인의 선택도 및 수율을 하기 표 2에 나타내었다. 제조된 코발트 옥사이드/지르코늄 포스페이트 촉매를 15CoO2/ZrP라고 표기하였다. Using a cobalt oxide/zirconium phosphate (CoO 2 /ZrP) catalyst prepared in the same manner as in Preparation Example 3, a process for producing acrolein through dehydration of glycerin on the catalyst was performed in the same manner as in Example 2. At this time, the amount of cobalt oxide impregnated was 15 wt%. The trend of acrolein yield change in the glycerin dehydration reaction for 10 hours performed on a cobalt oxide/zirconium phosphate catalyst is shown in FIG. 5, and the conversion rate of glycerin, selectivity and yield of acrolein 10 hours after the reaction proceeded are shown in Table 2 below. Indicated. The prepared cobalt oxide/zirconium phosphate catalyst was designated as 15CoO 2 /ZrP.

비교예Comparative example 8. 바나듐 8. Vanadium 옥사이드Oxide /지르코늄 /zirconium 포스페이트Phosphate (( VV 22 OO 66 // ZrPZrP ) 촉매 상에서 글리세린의 탈수 반응을 통한 아크롤레인의 제조) Preparation of acrolein through dehydration reaction of glycerin over catalyst

제조예 3과 동일한 방법으로 제조된 바나듐 옥사이드/지르코늄 포스페이트(V2O6/ZrP) 촉매를 사용하여 실시예 2와 동일한 방법으로 상기 촉매 상에서 글리세린의 탈수 반응을 통한 아크롤레인의 제조 공정을 수행하였다. 이때, 바나듐 옥사이드 함침량은 15 wt%로 하였다. 바나듐 옥사이드/지르코늄 포스페이트 촉매 상에서 수행된 10 시간 동안의 글리세린 탈수 반응에서 아크롤레인 수율 변화 추이를 도 5에 나타내었고, 반응이 진행된지 10 시간후 글리세린의 전환율, 아크롤레인의 선택도 및 수율을 하기 표 2에 나타내었다. 제조된 바나듐 옥사이드/지르코늄 포스페이트 촉매를 15V2O6/ZrP라고 표기하였다. Using a vanadium oxide/zirconium phosphate (V 2 O 6 /ZrP) catalyst prepared in the same manner as in Preparation Example 3, a process for producing acrolein through dehydration of glycerin on the catalyst was performed in the same manner as in Example 2. At this time, the amount of vanadium oxide impregnated was 15 wt%. The trend of acrolein yield change in the glycerin dehydration reaction for 10 hours performed on a vanadium oxide/zirconium phosphate catalyst is shown in FIG. 5, and the conversion rate of glycerin, selectivity and yield of acrolein after 10 hours after the reaction proceeded are shown in Table 2 below. Indicated. The prepared vanadium oxide/zirconium phosphate catalyst was designated as 15V 2 O 6 /ZrP.

상기 실시예 1~2 및 비교예 1~8에 따라 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트(XCeO2/ZrP, X=10, 15 wt%), 지르코늄 포스페이트(ZrP), 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트(XCeO2/ZrP, X=5, 20, 25, 30 wt%), 텅스텐 옥사이드/지르코늄 포스페이트(15WO3/ZrP), 코발트 옥사이드/지르코늄 포스페이트(15CoO2/ZrP), 및 바나듐 옥사이드/지르코늄 포스페이트(15V2O6/ZrP) 촉매의 글리세린 탈수 반응에서 10 시간 반응 후 글리세린 전환율, 아크롤레인의 선택도 및 아크롤레인의 수율은 하기 표 2에 나타낸 바와 같다. According to Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 8, cerium oxide/zirconium phosphate (XCeO 2 /ZrP, X=10, 15 wt%), zirconium phosphate (ZrP), cerium oxide/zirconium phosphate (XCeO 2 /ZrP) , X=5, 20, 25, 30 wt%), tungsten oxide/zirconium phosphate (15WO 3 /ZrP), cobalt oxide/zirconium phosphate (15CoO 2 /ZrP), and vanadium oxide/zirconium phosphate (15V 2 O 6 / The glycerin conversion rate, selectivity of acrolein, and yield of acrolein after 10 hours reaction in the glycerin dehydration reaction of the ZrP) catalyst are as shown in Table 2 below.

촉매catalyst 글리세린
전환율(%)
glycerin
Conversion rate (%)
아크롤레인
선택도(%)
Acrolein
Selectivity (%)
아크롤레인
수율(%)
Acrolein
yield(%)
실시예 1Example 1 10CeO2/ZrP10CeO 2 /ZrP 96.696.6 45.045.0 43.443.4 실시예 2Example 2 15CeO2/ZrP15CeO 2 /ZrP 93.793.7 49.149.1 46.146.1 비교예 1Comparative Example 1 ZrPZrP 93.593.5 36.836.8 34.434.4 비교예 2Comparative Example 2 5CeO2/ZrP5CeO 2 /ZrP 96.196.1 43.143.1 41.441.4 비교예 3Comparative Example 3 20CeO2/ZrP20CeO 2 /ZrP 88.588.5 48.048.0 42.442.4 비교예 4Comparative Example 4 25CeO2/ZrP25CeO 2 /ZrP 83.483.4 44.544.5 38.138.1 비교예 5Comparative Example 5 30CeO2/ZrP30CeO 2 /ZrP 77.977.9 42.542.5 33.133.1 비교예 6Comparative Example 6 15WO3/ZrP15WO 3 /ZrP 90.890.8 47.147.1 42.842.8 비교예 7Comparative Example 7 15CoO2/ZrP15CoO 2 /ZrP 92.492.4 44.644.6 41.241.2 비교예 8Comparative Example 8 15V2O6/ZrP15V 2 O 6 /ZrP 91.391.3 39.639.6 36.236.2

도 4를 살펴보면, 모든 촉매 상에서 시간이 경과함에 따라 촉매 활성이 비화성화가 되는 경향을 보였으며, 이는 글리세린 탈수 반응 후 생성된 탄소 물질의 코킹 침적에 의해 비활성화가 나타나는 것으로 판단된다. 특히, 본 발명의 제조예 2 및 3에 의한 방법으로 제조한 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 촉매 활성(실시예 1 및 2)이 제조예 1에 의한 방법으로 제조한 기존의 지르코늄 포스페이트 촉매의 반응 활성(비교예 1)과 비교했을 때 훨씬 높은 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 글리세린 탈수 반응을 위한 기상-연속 흐림식 반응 시스템에서 아크롤레인 수율을 극대화하고 공정 안정성을 확보할 수 있다. Referring to FIG. 4, it was observed that the catalytic activity tends to become non-chemical over time on all catalysts, which is determined to be deactivated by coking deposition of the carbon material generated after the glycerin dehydration reaction. In particular, the cerium oxide/zirconium phosphate catalyst activity prepared by the method according to Preparation Examples 2 and 3 of the present invention (Examples 1 and 2) was the reaction activity of the conventional zirconium phosphate catalyst prepared by the method according to Preparation Example 1 (comparative Compared to Example 1), it can be seen that it is much higher, and through this, it is possible to maximize acrolein yield and secure process stability in a gas phase-continuous clouding reaction system for glycerin dehydration reaction.

한편, 표 2와 도 4에 나타낸 바와 같이, 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 촉매 중에서 실시예 1 및 2의 10CeO2/ZrP, 15CeO2/ZrP 촉매가 다른 함침량을 지닌 비교예 2~5의 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 촉매보다 우수한 활성을 보이는 것을 확인할 수 있으며, 함침량이 증가함에 따라 글리세린 전환율은 감소하고 선택도는 증가하다가 감소하는 형상을 나타내었다. 따라서, 본 발명의 반응 시스템에 상기 촉매를 적용할 경우, 최대의 아크롤레인 수율을 얻기 위해서는 적당한 함침량의 세륨 옥사이드를 지닌 실시예 1 및 2의 10CeO2/ZrP, 15CeO2/ZrP 촉매를 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 본 발명에 따라 실시예 1 및 2의 촉매에서 CeO2를 최적 범위로 추가하여 담지시킴으로써, ZrP가 가지고 있는 산도를 증가시켜 아크롤레인의 생성 수율을 증가시킬 수 있으며, CeO2가 가지는 산소 저장 및 배출 능력으로 인해 촉매 표면 상에 침적되는 코크 형성을 억제하여 비활성화를 줄일 수 있는 효과가 있다. On the other hand, as shown in Table 2 and 4, among the cerium oxide/zirconium phosphate catalysts, the 10CeO 2 /ZrP and 15CeO 2 /ZrP catalysts of Examples 1 and 2 have different amounts of impregnation. It can be seen that it exhibits superior activity than the zirconium phosphate catalyst, and as the impregnation amount increases, the glycerin conversion rate decreases and the selectivity increases and then decreases. Therefore, when applying the catalyst to the reaction system of the present invention, in order to obtain the maximum acrolein yield, it is recommended to use the 10CeO 2 /ZrP and 15CeO 2 /ZrP catalysts of Examples 1 and 2 having an appropriate impregnation amount of cerium oxide. desirable. In particular, by adding and supporting CeO 2 in the optimum range in the catalysts of Examples 1 and 2 according to the present invention, the yield of acrolein production can be increased by increasing the acidity of ZrP, and oxygen storage and storage of CeO 2 Due to the discharging ability, there is an effect of reducing deactivation by suppressing the formation of coke deposited on the catalyst surface.

또한, 실시예 2의 15CeO2/ZrP 촉매는 같은 함침량을 지니면서 서로 다른 금속 산화물을 함침한 비교예 6 내지 8의 15WO3/ZrP, 15CoO2/ZrP 및 15V2O6/ZrP 촉매보다 우수한 활성을 나타낸다. 따라서, 본 발명의 금속 산화물/포스페이트 촉매 시스템에서 최대의 아크롤레인 수율을 얻기 위한 방법으로 포스페이트 계열 중 지르코늄 포스페이트를 사용하고, 금속 산화물로서 세륨 옥사이드를 함침한 세륨 옥사이드/지르코늄 포스페이트 촉매를 사용하는 것이 바람직한 것으로 나타났다. In addition, the 15CeO 2 /ZrP catalyst of Example 2 was superior to the 15WO 3 /ZrP, 15CoO 2 /ZrP and 15V 2 O 6 /ZrP catalysts of Comparative Examples 6 to 8 impregnated with different metal oxides while having the same amount of impregnation. Shows activity. Therefore, it is preferable to use zirconium phosphate among the phosphate series as a method for obtaining the maximum acrolein yield in the metal oxide/phosphate catalyst system of the present invention, and to use a cerium oxide/zirconium phosphate catalyst impregnated with cerium oxide as the metal oxide. appear.

특히, 비교예 6에서 15WO3/ZrP 촉매의 경우, WO3가 ZrP 촉매의 산도를 증가시키게 되어, 촉매의 단기 활성을 증가시킬 수는 있지만, 산도의 증가로 인하여 코크 형성 속도도 함께 증가하여 촉매의 비활성화도 빠르게 진행된다는 문제점이 있다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예 2에서 15CeO2/ZrP 촉매의 CeO2 활성상은 자체적으로 산 특성을 가지고 있어 반응 활성을 증가시키는 동시에, 산소의 증가 및 배출 능력을 가지고 있기 때문에 촉매 비활성화의 주된 원인인 코크의 생성을 억제하는 기능을 수행하는 것을 알 수 있다.In particular, in the case of the 15WO 3 /ZrP catalyst in Comparative Example 6, WO 3 increases the acidity of the ZrP catalyst, so that the short-term activity of the catalyst can be increased, but the coke formation rate also increases due to the increase in acidity. There is a problem that the deactivation of is also rapidly progressing. However, in Example 2 according to the present invention, since the CeO 2 active phase of the 15CeO 2 /ZrP catalyst has its own acid property, it increases the reaction activity and has the ability to increase and discharge oxygen, which is the main cause of catalyst deactivation. It can be seen that it performs the function of suppressing the formation of coke.

Claims (8)

지르코늄 포스페이트(ZrP)에 세륨 산화물을 담지시킨 촉매로서,
상기 지르코늄 포스페이트(ZrP)의 중량 기준으로 세륨 산화물 6 중량% 내지 18 중량%를 담지시킨,
글리세린 탈수 반응용 촉매.
As a catalyst in which cerium oxide is supported on zirconium phosphate (ZrP),
6% to 18% by weight of cerium oxide is supported based on the weight of the zirconium phosphate (ZrP),
Catalyst for glycerin dehydration reaction.
제1항에 있어서,
상기 세륨 산화물은 CeO2 및 Ce2O3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 글리세린 탈수 반응용 촉매.
The method of claim 1,
The cerium oxide is at least one selected from the group consisting of CeO 2 and Ce 2 O 3 glycerin dehydration catalyst.
(a) 지르코늄 전구체 및 포스페이트 전구체를 제1 용매에 용해시켜 전구체 용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계에서 얻어진 결과물을 에이징하여 지르코늄 포스페이트 침전물을 제조하는 단계;
(c) 상기 (b) 단계에서 얻어진 침전물을 건조 및 열처리하여 지르코늄 포스페이트(ZrP) 담체를 생성시키는 단계;
(d) 세륨 전구체를 제2 용매에 용해시켜 세륨 전구체 용액을 제조하는 단계;
(e) 세륨 전구체 용액에 상기 (c) 단계에서 생성된 지르코늄 포스페이트(ZrP) 담체를 함침시킨 후, 제2 용매를 제거하여 침전물을 생성시키는 단계; 및
(f) 상기 (e) 단계에서 얻어진 침전물을 건조 및 열처리하는 단계;
를 포함하고,
상기 지르코늄 포스페이트(ZrP)의 중량 기준으로 세륨 산화물 6 내지 18 중량%가 담지되도록 하는 글리세린 탈수 반응용 촉매의 제조 방법.
(a) dissolving a zirconium precursor and a phosphate precursor in a first solvent to prepare a precursor solution;
(b) aging the product obtained in step (a) to prepare a zirconium phosphate precipitate;
(c) drying and heat treating the precipitate obtained in step (b) to produce a zirconium phosphate (ZrP) carrier;
(d) dissolving a cerium precursor in a second solvent to prepare a cerium precursor solution;
(e) impregnating the cerium precursor solution with the zirconium phosphate (ZrP) carrier produced in step (c), and then removing the second solvent to generate a precipitate; And
(f) drying and heat treating the precipitate obtained in step (e);
Including,
A method for producing a catalyst for a glycerin dehydration reaction in which 6 to 18% by weight of cerium oxide is supported based on the weight of the zirconium phosphate (ZrP).
제3항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 건조 공정은 70 내지 150 ℃의 온도 범위에서 수행되고, 열처리 공정은 300 내지 500 ℃의 온도 범위에서 수행되는 글리세린 탈수 반응용 촉매의 제조 방법.
The method of claim 3,
In step (c), the drying process is performed at a temperature range of 70 to 150°C, and the heat treatment process is performed at a temperature range of 300 to 500°C.
제3항에 있어서,
상기 (f) 단계에서 건조 공정은 70 내지 150 ℃의 온도 범위에서 수행되고, 열처리 공정은 300 내지 500 ℃의 온도 범위에서 수행되는 글리세린 탈수 반응용 촉매의 제조 방법.
The method of claim 3,
In the step (f), the drying process is performed at a temperature range of 70 to 150°C, and the heat treatment process is performed at a temperature range of 300 to 500°C.
지르코늄 포스페이트(ZrP)에 세륨 산화물을 담지시킨 촉매의 존재 하에서, 글리세린 혹은 글리세린 수용액을 반응물로 사용하고, 운반 기체로 비활성 기체 혹은 비활성 기체와 산소의 혼합 기체를 사용하는 기상-연속 흐름식 반응 시스템에서 글리세린을 탈수 반응시키는 단계를 포함하고,
상기 촉매는 지르코늄 포스페이트(ZrP)의 중량 기준으로 세륨 산화물 6 중량% 내지 18 중량%를 담지시킨 것인, 아크롤레인의 제조 방법.
In the presence of a catalyst in which cerium oxide is supported on zirconium phosphate (ZrP), glycerin or an aqueous glycerin solution is used as a reactant, and an inert gas or a mixture of inert gas and oxygen is used as a carrier gas in a gas phase-continuous flow reaction system. Including the step of dehydrating glycerin,
The catalyst is a method for producing acrolein, which supports 6% to 18% by weight of cerium oxide based on the weight of zirconium phosphate (ZrP).
제6항에 있어서,
상기 글리세린 탈수 반응은 250 내지 400 ℃의 온도에서 수행하는 아크롤레인의 제조 방법.
The method of claim 6,
The glycerin dehydration reaction is a method for producing acrolein carried out at a temperature of 250 to 400 ℃.
제6항에 있어서,
상기 글리세린 탈수 반응에서 글리세린의 단위 시간(h) 및 단위 촉매 중량(g)당 반응양(mmol)이 1.0 mmol/gcatㆍh 내지 200.0 mmol/gcatㆍh의 범위인 아크롤레인의 제조 방법.
The method of claim 6,
In the glycerin dehydration reaction, the reaction amount (mmol) per unit time (h) and unit catalyst weight (g) of glycerin is in the range of 1.0 mmol/g cat ㆍh to 200.0 mmol/g cat ㆍh.
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