KR102412647B1 - 함침법을 이용한 버너용 고온 연소촉매 제조방법 및 이에 의해 제조된 고온 연소촉매 - Google Patents

함침법을 이용한 버너용 고온 연소촉매 제조방법 및 이에 의해 제조된 고온 연소촉매 Download PDF

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Abstract

함침법을 이용한 고온 연소촉매 제조방법 및 이에 의해 제조된 고온 연소촉매가 개시되어 있다.
개시된 본 발명의 일 실시예는 탄화수소, 수소 및 일산화탄소의 연소를 위한 함침법을 이용한 고온 연소촉매 제조방법으로, 증류수에 질산염 전이금속 및 질산염 알칼리 토금속으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속 전구체를 용해시켜서 금속 전구체 용액을 제조하는 1 단계; 상기 금속 전구체 용액에 촉매 지지체를 혼합하여 화학식이 [(MnO-MgO)/Support]인 혼합물을 제조하되, 상기 촉매 지지체의 혼합 부피는 금속 전구체 용액의 부피에 비하여 8 ~ 20% 작게 혼합하는 2 단계; 상기 혼합물을 90±5℃로 1차 가열하여 수분을 증발시킴에 따라 금속 전구체 물질이 촉매 지지체 표면에 코팅되도록 하는 3 단계; 상기 코팅이 완료된 촉매 지지체를 100℃로 10 내지 12시간 동안 2차 가열하여 잔존 수분을 제거하는 4 단계; 및 상기 2차 가열에 의해 건조가 완료된 촉매 지지체를 1,200℃로 2시간 동안 3차 가열하여 금속 전구체가 코팅된 촉매 지지체가 스피넬 구조와 헥사 알루미네이트 구조를 갖는 고온 연소촉매를 제조하는 5 단계;를 포함하되, 상기 1 내지 5 단계에 의해 제조된 고온 연소촉매의 비표면적은 5.74m2/g-cat. 이고, 기공부피는 0.025cm2/g-cat. 이며, 기공크기는 18.35nm인 것을 더 포함하며, 상기 물성으로 제조된 연소촉매를 소형 전기로 반응기를 이용하여 3L/min의 메탄가스와 65L/min의 공기를 투입하고, 상기 소형 전기로 반응기를 750 ~ 850℃로 가열하면 연소촉매의 온도가 900℃가 되고 배기가스의 온도는 415℃가 되고, 이때의 NOx 및 CO 발생량이 0 ppm으로 완전 연소되는 것을 확인하는 것을 특징으로 한다.

Description

함침법을 이용한 버너용 고온 연소촉매 제조방법 및 이에 의해 제조된 고온 연소촉매{Method for manufacturing high-temperature combustion catalyst for burner using impregnation method and high-temperature combustion catalyst prepared thereby}
본 발명은 연소촉매 분야에 관련한 것으로, 더 상세하게는 함침법을 이용한 버너용 고온 연소촉매 및 이에 의해 대량 제조되는 고온 연소촉매에 관한 것이다.
연소촉매는 화염이 없이 탄화수소나 일산화탄소, 수소와 같은 가연성 가스를 연소시킬 수 있는 촉매이다. 연소 촉매는 화염이 없고 희박 연소, 완전 연소가 가능하기 때문에, 안정적인 연소 시스템을 위해서 필요한 요소이다.
현재 개발된 연소 촉매는 귀금속 (Pt, Pd, Ru 등)을 담지한 촉매나 하니콤 형태로 많이 사용된다. 이러한 연소촉매는 고가이며, 500 oC 이상의 고온에서는 성능 저하가 일어난다. 그 원인으로 감마알루미나(γ-Alumina)를 사용하는 귀금속 촉매에서는 감마알루미나 지지체(담체)가 500 oC 이상의 고온에서 급격한 상변화를 일으켜, 촉매의 소결현상이 일어나기 때문이다.
또 다른 원인으로 400 oC 부근에서는 일어나는 부다반응(Boudouard reaction)으로 인한 이산화탄소 및 탄화수소에 대한 탄소침적(coking) 현상으로 인한 촉매의 비활성이 일어나기 때문이다.
그래서 연소반응은 500 oC 이상의 고온에서 진행을 해야만 부다반응의 영향이 없이 정상적으로 연소반응을 진행 시킬 수 있다. 이러한 이유로 500 oC 이상의 온도에서 연소반응을 안정적으로 진행할 수 있는 촉매가 필요하다.
이러한 연소 촉매는 산업용이나 가정용 등에 사용되는 버너에 적용하기에는 부적합한 형태이다. 왜냐하면 버너는 약 700 oC 이상의 고온이 지속적이고, 안정적으로 요구되는 열기구이기 때문이다. 기존의 귀금속 촉매는 저온용 연소촉매이므로 이러한 요구 조건을 가지는 버너에는 적용이 힘들다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 반드시 고온 연소촉매의 개발이 필요하고, 상용화를 위해서 저렴하게 대량생산이 가능한 기술이 필요하다.
1. 등록특허공보 제0406366호(2003.11.07 등록) 2. 등록특허공보 제1979478호(2019.05.10 등록) 3. 등록특허공보 제0938716호(2010.01.18 등록)
본 발명의 목적은 고온에서 활성이 우수하면서 안정적이어서 버너에 적합하게 사용할 수 있는 함침법을 이용한 버너용 고온 연소촉매 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 제조방법을 이용하여 대량 제조되는 버너용 고온 연소촉매를 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은, 탄화수소, 수소 및 일산화탄소의 연소를 위한 함침법을 이용한 고온 연소촉매 제조방법으로, 증류수에 질산염 전이금속 및 질산염 알칼리 토금속으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속 전구체를 용해시켜서 금속 전구체 용액을 제조하는 1 단계; 상기 금속 전구체 용액에 촉매 지지체를 혼합하여 화학식이 [(MnO-MgO)/Support]인 혼합물을 제조하되, 상기 촉매 지지체의 혼합 부피는 금속 전구체 용액의 부피에 비하여 8 ~ 20% 작게 혼합하는 2 단계; 상기 혼합물을 90±5℃로 1차 가열하여 수분을 증발시킴에 따라 금속 전구체 물질이 촉매 지지체 표면에 코팅되도록 하는 3 단계; 상기 코팅이 완료된 촉매 지지체를 100℃로 10 내지 12시간 동안 2차 가열하여 잔존 수분을 제거하는 4 단계; 및 상기 2차 가열에 의해 건조가 완료된 촉매 지지체를 1,200℃로 2시간 동안 3차 가열하여 금속 전구체가 코팅된 촉매 지지체가 스피넬 구조와 헥사 알루미네이트 구조를 갖는 고온 연소촉매를 제조하는 5 단계;를 포함하되, 상기 1 내지 5 단계에 의해 제조된 고온 연소촉매의 비표면적은 5.74m2/g-cat. 이고, 기공부피는 0.025cm2/g-cat. 이며, 기공크기는 18.35nm인 것을 더 포함하며, 상기 물성으로 제조된 연소촉매를 소형 전기로 반응기를 이용하여 3L/min의 메탄가스와 65L/min의 공기를 투입하고, 상기 소형 전기로 반응기를 750 ~ 850℃로 가열하면 연소촉매의 온도가 900℃가 되고 배기가스의 온도는 415℃가 되고, 이때의 NOx 및 CO 발생량이 0 ppm으로 완전 연소되는 것을 확인하는 것을 특징으로 하는 함침법을 이용한 버너용 고온 연소촉매 제조방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 전이금속은 망간, 마그네슘, 코발트, 철, 크롬, 구리 및 니켈로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지고, 상기 알칼리 토금속은 마그네슘, 칼슘, 스트론듐 및 바륨으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
삭제
바람직하게, 상기 2 단계에서 촉매 지지체의 혼합 부피는 금속 전구체 용액의 부피에 비하여 10% 작게 혼합할 수 있다.
바람직하게, 상기 촉매 지지체는, 감마 알루미나 또는 뮬라이트(mullite), 커런덤(Corundum, 강옥), 코어디어라이트(Cordierite, 근청석) 중 어느 하나 인 것을 포함하되, 상기 촉매 지지체는 세라믹 결정을 갖는 비드 또는 하니컴의 형태로 적용될 수 있다.
바람직하게, 상기 고온 연소촉매는 탄화수소, 수소 및 일산화탄소의 연소를 위한 촉매일 수 있다.
바람직하게, 탄화수소는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 포함한 LNG, LPG 성분과 휘발성유기화합물(VOC)를 포함한 산화반응이 가능한 탄화수소(Hydro Carbon)로 될 수 있다.
삭제
삭제
본 발명의 실시예에 따른 고온 연소촉매는 고가의 귀금속을 사용하지 않으며, 상대적으로 저렴한 전이 금속을 이용하여 제조할 수 있으며, 함침법으로 제조한 고온용 연소촉매는 대량생산이 가능하고, 1,200 oC 이상에서 열처리를 거친 후, 고온에서 안정성을 확보할 수 있는 스피넬 구조를 가질 수 있는 연소촉매로, 고온에서도 촉매의 고유 활성을 높게 유지함과 동시에, 촉매의 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 함침법을 이용한 고온 연소촉매의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 2는 본 발명의 방법에 의해 제조된 고온 연소촉매의 X-선 회절분석(XRD) 결과를 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명의 방법에 의해 제조된 고온 연소촉매의 실물사진,
도 4a는 본 발명에 따른 고온 연소촉매의 활성화 사진,
도 4b는 본 발명에 따른 고온 연소촉매의 연소 반응온도 및 CO/NOx 배출량을 나타낸 사진,
도 5는 뮬라이트 구조를 가진 하니컴에 촉매 성분을 함침한 후, X-선 회절분석(XRD) 결과를 나타낸 그래프,
도 6은 뮬라이트 구조를 가진 하니컴에 촉매 성분을 함침한 촉매 사진,
도 7은 뮬라이트 구조를 가진 하니컴에 촉매 성분을 함침한 촉매의 활성화 사진과, CO/NOx 배출량을 계측한 사진이다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 함침법을 이용한 고온 연소촉매 제조방법은 종래 공침법에 따른 연속촉매의 제조방법과 달리 공정이 간편하고 대량생산을 위한 공정설계가 용이하다. 일반적인 공침법에서는 촉매를 합성하기 위해서 침전제로 탄산나트륨이나 수산화나트륨 같이 염기성 물질을 사용한다. 그리고 전구체는 금속 질산염 같은 산성 물질을 사용한다. 이 두 물질의 산·중화 반응에서 생성되는 염을 사용하여 촉매로 이용하게 된다. 이 과정에서 pH 조절이 촉매의 물성과 성능을 결정짓는 중요한 요소 중 하나이다. 그러나 pH 조절 속도를 맞추는 것은 비교적 어려운 공정이며 까다로운 공정이다. 이러한 공정으로 인해 동일한 품질의 촉매를 대량, 반복적으로 제조하는 것에 어려움이 있었다.
반면, 본 발명에서는 고온 연소촉매를 제조함에 있어서 균일 용액 침전법이 적용될 수 있다. 이러한 균일 용액 침전법은 pH 조절 문제를 해결하면서 대량, 반복적으로 동일한 품질의 촉매를 제조할 수 있다. 균일 용액 침전법에서는 침전제로 요소(urea)를 사용하게 되는데, 상기 요소는 90 내지 100 ℃에서 암모니아(NH3)와 탄산가스(CO2)로 분해되어 금속염들과 반응하게 된다. 이때, 용액 전체에서 침전반응이 균일하게 나타나며, pH는 자연적으로 7을 유지하게 된다. 수산화나트륨 등을 침전제로 이용한 공침법에서는 침전제가 투입되는 곳에서만 먼저 침전반응이 국부적으로 일어나면서 순간적으로 그 부위만 높은 pH가 나타나므로 강한 교반이 필요하고 균일성을 보장하기 힘들기 때문에서 동일한 품질의 촉매를 생산하기 어려운 단점을 가지고 있다. 반면, 균일용액 침전법은 이러한 문제점을 해결할 수 있으므로 동일한 품질의 촉매를 비교적 간단히 생산할 수 있음을 전제한다.
첨부된 도 1은 본 발명에 따른 함침법을 이용한 고온 연소촉매 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
위 도면에 따르면, 본 발명에 따른 함침법을 이용한 고온 연소촉매 제조방법은 증류수에 질산염 전이금속 및 질산염 알칼리 토금속으로 이루어진 그룹에서 선책된 하나 이상의 촉매 지지체를 용해시켜서 금속 전구체 용액을 제조하는 1 단계(S100), 상기 금속 전구체 용액에 촉매 지지체를 혼합하여 혼합물을 제조하되, 상기 촉매 지지체의 혼합 부피는 금속 전구체 용액의 부피에 비하여 8 ~ 20% 작게 혼합하는 2 단계(S200), 상기 혼합물을 90±5℃로 1차 가열하여 수분을 증발시킴에 따라 금속 전구체 물질이 촉매 지지체 표면에 코팅되도록 하는 3 단계(S300), 상기 코팅이 완료된 촉매 지지체에 100℃로 10 내지 12시간 동안 2차 가열하여 잔존 수분을 제거하는 4 단계(S400), 상기 건조가 완료된 촉매 지지체를 1,200℃로 2시간 동안 3차 가열하여 금속 전구체가 코팅된 촉매 지지체가 스피넬 구조와 헥사 알루미네이트 구조를 갖는 고온 연소촉매가 제조되는 5 단계(S500)를 거치게 되며, 상기 혼합물의 화학식은 [MnO-MgO-Al2O3]로 될 수 있다.
상기 금속 전구체 용액을 제조하는 단계(S100)는 증류수 100 중량부에 대하여 금속전구체 1 내지 15 중량부가 혼합되어 이루어질 수 있다. 이와는 달리 망간염과 마그네슘염들의 수용액을 제조하고 이들을 혼합하여 사용할 수도 있다.
전자의 경우, 교반기가 구비된 혼합장치에 증류수와 금속 전구체를 투입한 후, 100 내지 400rpm의 속도범위 중 선택된 특정 교반속도를 일정하게 유지한 채 30 ~ 60분 동안 교반하여 혼합할 수 있다.
상기 교반속도의 범위는 교반기 내에 증류수와 금속 전구체의 총량이 많을 수도 있고 반대로 적을 수도 있으므로 투입량이 많은 경우에는 위 규정 범위내에서 교반속도를 상대적으로 빠르게 하고, 반대로 투입량이 적은 경우에는 위 규정 범위내에서 교반속도를 상대적으로 느리게 할 수 있다.
상기 금속 전구체는 질산염 전이금속 및 질산염 알칼리 토금속으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 여기서, 질산염 전이금속과 질산염 알칼리 토금속의 몰 비는 (1-x)/(1-y)로 하되, x는 0.1 내지 0.5 범위의 수이고, 그리고 y는 0.1 내지 0.5 범위의 수일 수 있다
상기 전이금속은 망간, 마그네슘, 코발트, 철, 크롬, 구리 및 니켈로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 알칼리 토금속은 마그네슘, 칼슘, 스트론튬 및 바륨으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 혼합물 제조단계(S200)는 상기 금속 전구체 용액에 촉매 지지체를 혼합하여 혼합물을 제조하되, 상기 촉매 지지체의 혼합 부피는 금속 전구체 용액의 부피에 비하여 8 ~ 20% 작게 혼합하며, 보다 바람직하게는 10% 작게 혼합하는 것이 좋다.
상기 설정된 부피비는 금속 전구체 물질과 촉매 지지체를 혼합하였을 때, 촉매 지지체가 금속 전구체 용액 내에 모두 침수된 상태가 되어야만 촉매 지지체 전체를 금속 전구체 물질을 코팅(함침)시킬 수 있도록 하기 위한 범위이다. 즉, 촉매 지지체가 금속 전구체로부터 일부가 노출된 상태라면 노출된 촉매 지지체에는 금속 전구체가 코팅되지 않거나 양호한 코팅이 이루어지지 않게 되는 것이다.
상기 혼합단계는 교반수단에 의해 이루어질 수 있는데, 상기 교반 수단은 로터리 킬른이나 리본 믹서기가 적용될 수 있다.
상기 코팅 단계(S300)는 상기 혼합물을 1차 가열하여 수분을 증발시킴에 따라 금속 전구체 물질이 촉매 지지체 표면에 코팅되도록 하는 단계로서, 혼합물을 가열장치가 구비된 반응기에 투입한 후, 90±5℃의 온도로 1차 가열하여 증류수를 증발시키는 과정을 통해서 촉매 지지체의 표면에 상기 금속 전구체 용액에 함유되어 있는 금속 전구체가 고착되도록 한다. 상기 1차 가열시간은 특정하지 않으며, 증류수가 모두 증발될 때까지 가열하면 된다.
여기서, 상기 촉매 지지체는 감마 알루미나가 적용될 수 있고, 이외에도 뮬라이트(mullite) 구조, 커런덤Corundum, 강옥) 구조, 코어디어라이트(Cordierite, 근청석) 등 여러 가지 세라믹 결정을 가지는 비드, 하니컴 등의 형태에도 적용할 수 있다. 상기 감마 알루미나의 경우, 알루미나에 비해 비표면적이 높기 때문에 금속 전구체의 고착효율이 양호하다. 상기 감마 알루미나의 비표면적은 0.01 ~ 10 m2/g인 것이 사용될 수 있다.
상기 잔존 수분 제거 단계(S400)는 상기 코팅이 완료된 촉매 지지체에 100℃로 10 내지 12시간 동안 2차 가열하여 잔존 수분을 제거하는 단계로서, 상기 코팅단계를 통하여 촉매 지지체의 표면에는 금속 전구체가 고착된 상태이며, 상기와 같이 금속 전구체가 고착된 촉매 지지체를 오븐에 투입하고 100℃의 온도에서 10 내지 12시간 동안 가열하면 잔존 수분이 제거된다.
상기 고온 연소촉매가 제조되는 최종단계(S500)는 상기 건조가 완료된 촉매 지지체를 1,200℃로 2시간 동안 3차 가열하여 금속 전구체가 코팅된 촉매 지지체가 스피넬 구조와 헥사 알루미네이트 구조를 갖는 고온 연소촉매가 수득된다.
이하, 실시예를 설명한다.
[실시예 1]
(금속 전구체 용액의 제조)
금속 전구체로 망간, 마그네슘을 질산염의 형태인 Mn nitrate (Mn(NO3)2·6H2O), Mg nitrate (Mg(NO3)2·6H2O) 시약을 사용하였다. 연소촉매의 성분은 MnO-MgO-Al2O3 이며, Al2O3 무게를 기준으로 Mn 3 중량부와, Mg 1.4 중량부를 각각 증류수에 용해시켰다. 상기 증류수의 양은 Al2O3의 부피보다 10% 초과하는 양으로 준비하였다.
(Al203 비드)
Al2O3 비드는 비표면적이 높은 감마알루미나를 사용하였으며, 비표면적은 약 250 ~ 300 m2/g, 밀도는 0.75 g/ml, 비크 크기는 직경 5 ~ 7 mm 급을 사용하였다.
(혼합 및 함침)
상기에서 제조된 금속 전구체 용액 및 감마알루미나 비드를 90 oC 정도로 가열이 가능한 로터리 킬른 형태의 용기(반응기)에서 혼합한 다음, 90 oC 내외로 가열하여, 수분만 증발시켜서 금속 전구체 물질이 감마알루미나 비드 표면에 코팅(함침)되도록 한다.
(건조 및 소성과정)
코팅(함침)이 완료된 감마알루미나는 내부에 잔존한 수분을 완전히 제거하기 위해서 약 100 oC 건조 오븐에서 약 10 시간 이상 건조 작업을 실시한다. 그 후 최종 연소촉매를 제조하기 위해서, 1,200 oC로 약 5 oC/min의 승온 속도로 승온한 다음 약 2 시간 유지한다.
(물성 분석)
상기 제조한 연소촉매의 구조 및 비표면적, 기공 부피, 기공 크기 등의 물성 분석을 실시하였다. 촉매의 구조를 분석하기 위해서 X-선 회절 분석기(XRD)를 이용하였다(표 1 및 도 2 참조).
Figure 112021150558438-pat00001
[실시예 2]
(금속전구체 용액 제조)
금속 전구체로 망간, 마그네슘을 질산염의 형태인 Mn nitrate (Mn(NO3)2·6H2O), Mg nitrate (Mg(NO3)2·6H2O) 시약을 사용하였다. 연소촉매의 성분은 MnO-MgO/support 이며, 촉매 지지체(Support) 무게를 기준으로 Mn 금속 3 중량%, Mg 금속 1.4 중량%를 각각 증류수에 용해시켰다.
(촉매 지지체)
촉매 지지체는 뮬라이트 구조를 가지는 하니컴을 사용하였다.
(혼합 및 함침)
상기에서 제조된 금속 전구체 용액에 촉매 지지체를 담근 다음 촉매 지지체 표면에 금속 전구체 용액이 스며들게 한 다음, 진공이나 80 oC 내외의 오븐에서 건조를 시킨다. 수분이 완전히 증발될 때까지 반복적으로 건조를 시켜, 금속 전구체 물질이 촉매 지지체 표면에 코팅(함침)될 수 있도록 한다.
(건조 및 소성과정)
코팅(함침)이 완료된 촉매 지지체는 내부에 잔존한 수분을 완전히 제거하기 위해서 약 100 oC 건조 오븐에서 약 10 시간 이상 건조 작업을 실시한다. 그 후 최종 연소촉매를 제조하기 위해서, 1,200 oC로 약 5 oC/min의 승온 속도로 승온한 다음 약 2 시간 유지한다.
(물성 분석)
상기 제조한 연소촉매의 구조를 분석하기 위해서 X-선 회절 분석기 (XRD)를 이용하였다.
(연소 실험)
상기 제조한 연소촉매의 활성화 상태를 관찰하기 위해서, 소형 전기로 반응기에서 메탄가스 연소실험을 진행하였다. 메탄가스의 양은 약 3 L/min이며, 투입되는 공기의 양은 65 L/min이다. 그 결과 750 oC 이상에서 메탄가스의 완전 산화반응이 시작되었으며, 850 oC에서는 메탄가스의 완전 연소반응이 완료됨을 알 수 있었다. 촉매층 온도가 900 oC 정도였으며, 이때 배기가스 온도는 약 415 oC 정도이고, 이때 발생되는 NOx 및 CO는 0 ppm으로 완전 연소반응에 가까운 활성 반응이 일어남을 알 수 있었다(도 7 참조).
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

  1. 탄화수소, 수소 및 일산화탄소의 연소를 위한 함침법을 이용한 고온 연소촉매 제조방법으로,
    증류수에 질산염 전이금속 및 질산염 알칼리 토금속으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속 전구체를 용해시켜서 금속 전구체 용액을 제조하는 1 단계;
    상기 금속 전구체 용액에 촉매 지지체를 혼합하여 화학식이 [(MnO-MgO)/Support]인 혼합물을 제조하되, 상기 촉매 지지체의 혼합 부피는 금속 전구체 용액의 부피에 비하여 8 ~ 20% 작게 혼합하는 2 단계;
    상기 혼합물을 90±5℃로 1차 가열하여 수분을 증발시킴에 따라 금속 전구체 물질이 촉매 지지체 표면에 코팅되도록 하는 3 단계;
    상기 코팅이 완료된 촉매 지지체를 100℃로 10 내지 12시간 동안 2차 가열하여 잔존 수분을 제거하는 4 단계; 및
    상기 2차 가열에 의해 건조가 완료된 촉매 지지체를 1,200℃로 2시간 동안 3차 가열하여 금속 전구체가 코팅된 촉매 지지체가 스피넬 구조와 헥사 알루미네이트 구조를 갖는 고온 연소촉매를 제조하는 5 단계;를 포함하되,
    상기 1 내지 5 단계에 의해 제조된 고온 연소촉매의 비표면적은 5.74m2/g-cat. 이고, 기공부피는 0.025cm2/g-cat. 이며, 기공크기는 18.35nm인 것을 더 포함하며,
    상기 물성으로 제조된 연소촉매를 소형 전기로 반응기를 이용하여 3L/min의 메탄가스와 65L/min의 공기를 투입하고, 상기 소형 전기로 반응기를 750 ~ 850℃로 가열하면 연소촉매의 온도가 900℃가 되고 배기가스의 온도는 415℃가 되고, 이때의 NOx 및 CO 발생량이 0 ppm으로 완전 연소되는 것을 확인하는 것을 특징으로 하는 함침법을 이용한 버너용 고온 연소촉매 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전이금속은 망간, 마그네슘, 코발트, 철, 크롬, 구리 및 니켈로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지고,
    상기 알칼리 토금속은 마그네슘, 칼슘, 스트론듐 및 바륨으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 함침법을 이용한 고온 연소촉매 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 2 단계에서 촉매 지지체의 혼합 부피는 금속 전구체 용액의 부피에 비하여 10% 작게 혼합하는 것을 특징으로 하는 함침법을 이용한 고온 연소촉매 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매 지지체는,
    감마 알루미나 또는 뮬라이트(mullite), 커런덤(Corundum, 강옥), 코어디어라이트(Cordierite, 근청석) 중 어느 하나 인 것을 포함하되,
    상기 촉매 지지체는 세라믹 결정을 갖는 비드 또는 하니컴의 형태로 적용되는 것을 특징으로 하는 함침법을 이용한 고온 연소촉매 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 고온 연소촉매는 탄화수소, 수소 및 일산화탄소의 연소를 위한 촉매인 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    탄화수소는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 포함한 LNG, LPG 성분과 휘발성유기화합물(VOC)를 포함한 산화반응이 가능한 탄화수소(Hydro Carbon)인 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
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