KR102572408B1 - Silver ion-exchanged zeolite catalyst and catalytic reaction system for low-concentration methane combustion using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 은이 이온 교환된 제올라이트 촉매 및 이를 이용한 저농도 메탄 연소를 위한 촉매반응시스템을 개시한다. 본 발명에 따르면, 저농도 메탄을 오존 조건 하에서 저온 연소시키기 위해 은이 이온 교환되며, 미리 설정된 Ag/Al 몰 비율을 갖는 제올라이트 촉매가 제공된다.The present invention discloses a silver ion-exchanged zeolite catalyst and a catalytic reaction system for low-concentration methane combustion using the same. According to the present invention, a zeolite catalyst having a predetermined Ag/Al molar ratio in which silver is ion-exchanged for low-temperature combustion of low-concentration methane under ozone conditions is provided.

Description

은이 이온 교환된 제올라이트 촉매 및 이를 이용한 저농도 메탄 연소를 위한 촉매반응시스템{Silver ion-exchanged zeolite catalyst and catalytic reaction system for low-concentration methane combustion using the same}Silver ion-exchanged zeolite catalyst and catalytic reaction system for low-concentration methane combustion using the same}

본 발명은 은이 이온 교환된 제올라이트 촉매 및 이를 이용한 저농도 메탄 연소를 위한 촉매반응시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a zeolite catalyst in which silver is ion-exchanged and a catalytic reaction system for low-concentration methane combustion using the same.

급격한 산업화로 화석연료의 과다한 사용이 이어지는 가운데, 이로 인해 발생하는 오염물질을 줄이고자 친환경 에너지 개발의 관심이 높아지는 추세이다. In the midst of excessive use of fossil fuels due to rapid industrialization, interest in developing eco-friendly energy is increasing in order to reduce pollutants generated thereby.

그 중 천연가스는 풍부한 매장량과 경제성으로 각광을 받고 있다. 천연가스는 메탄을 주성분으로 하고 에탄, 프로판, 부탄 등과 같은 경질 탄화수소를 포함하는 혼합가스로 해저 또는 육상의 가스전에서 채굴된다. Among them, natural gas is in the limelight due to its abundant reserves and economic feasibility. Natural gas is a mixed gas containing methane as a main component and light hydrocarbons such as ethane, propane, and butane, and is mined from gas fields on the seabed or on land.

가스전에서 채굴되는 가스는 수송수단이 없던 시절에는 태워버렸으나 배관기술의 발달로 장거리 수송이 가능하게 되었다. 천연가스는 액체 연료에 비해 수송과 저장이 어려워 이용대상과 범위가 제한되어왔으나 1960년 액화공정의 개발로 산지로부터 가스를 액화시켜 해상수송 수단이 가능해짐에 따라 이용대상이 확대되었다. Gas mined from gas fields was burned when there was no means of transportation, but long-distance transportation became possible with the development of piping technology. Compared to liquid fuel, natural gas is difficult to transport and store, so its use and range have been limited. However, with the development of the liquefaction process in 1960, it became possible to liquefy gas from production areas and use it as a means of maritime transportation.

그러나 천연가스의 주성분인 메탄의 대기 배출량이 증가되어 지구온난화 등의 환경문제가 대두되고 있다.However, environmental problems such as global warming are emerging due to an increase in atmospheric emissions of methane, a main component of natural gas.

메탄의 단위 분자당 온실효과는 이산화탄소보다 약 70 배 높은 것으로 알려져 있으나, 강력한 C-H 단일결합으로 인해 탄화수소 중 산화를 통한 분해가 가장 어렵다. It is known that the greenhouse effect per unit molecule of methane is about 70 times higher than that of carbon dioxide, but decomposition through oxidation is the most difficult among hydrocarbons due to the strong C-H single bond.

온실효과에 막대한 영향을 미치는 메탄은 화석연료 (석탄, 원유, 가스) 채굴, 매립지 폐기물, 가축분뇨, 천연가스 내연기관 (자동차, 선박 등) 등 다양한 배출원으로부터 배출되고 있다. Methane, which has a huge impact on the greenhouse effect, is emitted from various sources such as fossil fuel (coal, crude oil, gas) mining, landfill waste, livestock manure, and natural gas internal combustion engines (vehicles, ships, etc.).

이 중 천연가스 내연기관 엔진에서는 연소실에서 미연소된 메탄이 대기 중으로 직접 배출되는데, 일반적으로 농도가 1% 이하의 저농도이다. 저농도 메탄의 배출량을 줄이기 위해서 다양한 후처리 기술이 연구되고 있으나, 저농도 메탄 연소는 속도론적인 제한 때문에 저온에서 높은 제거효율을 확보하기 어려운 것으로 알려져 있다.Among them, in a natural gas internal combustion engine, methane unburned in a combustion chamber is directly discharged into the atmosphere, and generally has a low concentration of 1% or less. Various post-processing technologies are being studied to reduce the emission of low-concentration methane, but it is known that it is difficult to secure high removal efficiency at low temperatures due to kinetic limitations of low-concentration methane combustion.

특히 천연가스 내연기관에서 배출되는 미연소 메탄은 엔진 내부의 온도가 통상적인 경우보다 낮은 Cold start 조건에서 많이 발생된다. 엔진 내부가 고온이어서 배출가스 온도가 350°C 이상인 경우에는 충분한 열에너지 공급으로 인해 촉매에 의한 메탄의 연소반응이 원활히 유도될 수 있지만, 엔진 시동 초기의 Cold start 조건일 때에는 메탄이 연소되기에는 낮은 배출가스충분하지 않은 온도로 인해 반응되지 못한 저농도의 메탄이 그대로 배출되는 문제가 발생한다.In particular, unburned methane emitted from natural gas internal combustion engines is generated in a large amount under cold start conditions where the internal temperature of the engine is lower than normal. When the exhaust gas temperature is over 350°C due to the high temperature inside the engine, the combustion reaction of methane by the catalyst can be smoothly induced due to sufficient heat energy supply, but the emission is too low for methane to burn under the cold start condition at the beginning of engine startup. A problem arises in that low-concentration methane that is not reacted due to insufficient gas temperature is discharged as it is.

저농도 메탄의 연소에 대한 효과적인 촉매로는 주로 Pd 계열의 귀금속 촉매가 많이 사용되고 있으나, 값비싼 가격으로 인한 경제성의 문제가 있어 비귀금속 산화물 촉매로 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. Pd-based noble metal catalysts are mainly used as effective catalysts for the combustion of low-concentration methane.

그러나 비귀금속 기반의 촉매는 50%의 메탄을 연소시키기 위해 일반적으로 350°C 이상의 높은 온도조건이 필요하며, 높은 반응온도 조건은 후처리 장치의 에너지 효율 및 촉매 내구성 측면에서 불리하다. 따라서 각종 이동원 (천연가스 자동차) 및 고정원들에서 배출되는 저농도의 메탄을 효율적으로 연소시키기 위해서는 비귀금속 촉매를 사용하고 낮은 에너지만을 소모하는 새로운 개념의 촉매반응시스템 개발이 필요하다. However, non-noble metal-based catalysts generally require high temperature conditions of 350 ° C or higher to burn 50% of methane, and high reaction temperature conditions are disadvantageous in terms of energy efficiency and catalyst durability of post-treatment devices. Therefore, in order to efficiently burn low-concentration methane emitted from various moving sources (natural gas vehicles) and stationary sources, it is necessary to develop a new concept of a catalytic reaction system that uses a non-noble metal catalyst and consumes only low energy.

대한민국특허등록공보 10-2044604Korean Patent Registration Publication 10-2044604

상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 저온에서의 저농도 메탄 연소 활성을 향상시킬 수 있는 은이 이온 교환된 제올라이트 촉매 및 이를 이용한 저농도 메탄 연소를 위한 촉매반응시스템을 제안하고자 한다. In order to solve the above problems of the prior art, the present invention is to propose a silver ion-exchanged zeolite catalyst capable of improving low-concentration methane combustion activity at low temperature and a catalytic reaction system for low-concentration methane combustion using the same.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 저농도 메탄을 오존 조건 하에서 저온 연소시키기 위해 은이 이온 교환되며, 미리 설정된 Ag/Al 몰 비율을 갖는 제올라이트 촉매가 제공된다In order to achieve the above object, according to an embodiment of the present invention, silver is ion-exchanged for low-temperature combustion of low-concentration methane under ozone conditions, and a zeolite catalyst having a preset Ag/Al molar ratio is provided.

상기 저농도 메탄은 75 내지 175°C 온도에서 저온 연소될 수 있다. The low-concentration methane may be low-temperature combustion at a temperature of 75 to 175 °C.

상기 저농도 메탄은 125 내지 150°C 온도에서 저온 연소될 수 있다. The low-concentration methane may be low-temperature combustion at a temperature of 125 to 150 °C.

상기 Ag/Al 몰 비율은 0.001 내지 0.08 범위를 가질 수 있다. The Ag/Al mole ratio may range from 0.001 to 0.08.

상기 저농도 메탄과 상기 오존의 농도 비는 1:3 내지 1:11 범위를 가질 수 있다. A concentration ratio of the low-concentration methane and the ozone may range from 1:3 to 1:11.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 저농도 메탄을 오존 조건 하에서 저온 연소시키기 위한 제올라이트 촉매의 제조 방법으로서, 암모늄 염 형태의 제올라이트를 미리 설정된 시간 및 온도에서 열처리하여 수소 양이온이 알루미늄 음이온에 결합된 산형 제올라이트로 변환하는 단계; 질산은 수용액에 상기 산형 제올라이트를 첨가하여 교반하는 단계; 여과 장치를 통해 고체상 촉매를 분리하는 단계; 상기 분리된 고체상 촉매를 세척 및 건조하는 단계; 및 상기 세척 및 건조된 고체상 촉매를 소성하여 은이 이온 교환되며 미리 설정된 Ag/Al 몰 비율을 갖는 촉매를 제조하는 단계를 포함하는 제올라이트 촉매의 제조 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, as a method for preparing a zeolite catalyst for low-temperature combustion of low-concentration methane under ozone conditions, ammonium salt-type zeolite is heat-treated for a predetermined time and temperature to form acid-type zeolite in which hydrogen cations are bonded to aluminum anions. converting; Adding and stirring the acid type zeolite to an aqueous solution of silver nitrate; Separating the solid catalyst through a filtration device; washing and drying the separated solid catalyst; and calcining the washed and dried solid catalyst to prepare a catalyst having silver ion exchange and a predetermined Ag/Al molar ratio.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 저농도 메탄의 저온 연소를 위한 촉매반응시스템으로서, 산소 또는 공기의 산화 반응을 통해 생성된 오존을 공급하는 유전체 방전 플라즈마 (Dielectric barrier discharge, 이하 DBD) 반응기; 및 은이 이온 교환되며 미리 설정된 Ag/Al 몰 비율을 갖는 제올라이트 촉매가 충전되며, 상기 DBD 반응기로부터 공급되는 오존을 이용하여 상기 저농도 메탄을 저온 조건 하에서 연소시키는 촉매연소반응기를 포함하는 촉매반응시스템이 제공된다. According to another aspect of the present invention, a catalytic reaction system for low-temperature combustion of low-concentration methane includes a dielectric barrier discharge (DBD) reactor for supplying ozone generated through an oxidation reaction of oxygen or air; and a catalytic combustion reactor in which silver is ion-exchanged and filled with a zeolite catalyst having a predetermined Ag/Al molar ratio, and which burns the low-concentration methane under low-temperature conditions using ozone supplied from the DBD reactor. do.

본 발명에 따르면, 기존에 사용되던 산화제보다 더 강력한 산화성능을 보이는 오존을 사용하여 저온에서의 저농도 메탄 연소성능을 극대화시킬 수 있고, 200~250°C 부근에서 메탄산화 활성을 보이는 N2O 산화제와 달리 더 낮은 저온에서 활성산소종을 생성하는 오존을 산화제로 사용함으로써 현저하게 낮은 온도에서 메탄 연소성능을 향상시킬 수 있다. According to the present invention, it is possible to maximize low-concentration methane combustion performance at low temperatures by using ozone, which has stronger oxidizing performance than conventional oxidizing agents, and N 2 O oxidizing agent showing methane oxidation activity at around 200 to 250 °C Unlike, methane combustion performance at significantly lower temperatures can be improved by using ozone, which generates reactive oxygen species at lower temperatures, as an oxidizing agent.

또한, 추가적인 열원 도입 없이 저온 조건에서 메탄 연소를 구현함으로써 후처리장치의 에너지 효율을 높이고 운전비용 절감 효과를 기대할 수 있다. In addition, by implementing methane combustion under low temperature conditions without introducing additional heat sources, it is possible to increase the energy efficiency of the aftertreatment device and reduce operating costs.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 저농도 메탄의 저온 연소를 위한 팔라듐과 은이 이온 교환된 제올라이트 촉매의 제조 과정을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 은이 이온 교환된 제올라이트 촉매의 XRD(X-ray diffraction) 그래프를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저농도 메탄 연소를 위한 촉매반응시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 Pd-HBEA(0.55 wt%) 촉매와 Ag-HBEA(0.55 wt%) 촉매의 저농도 메탄 연소성능 그래프와 이산화탄소의 선택도 그래프이다.
도 5는 Ag/Al 몰 비율 (0.001~0.08)에 따른 촉매의 저농도 메탄 연소성능 그래프이다.
도 6은 메탄 농도 대비 오존 농도 비율 (2~11)에 따른 촉매에 의한 저농도 메탄 연소성능 그래프이다.
1 is a diagram showing a manufacturing process of a zeolite catalyst in which palladium and silver are ion-exchanged for low-temperature combustion of low-concentration methane according to a preferred embodiment of the present invention.
2 shows an X-ray diffraction (XRD) graph of a zeolite catalyst in which silver is ion-exchanged according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing the configuration of a catalytic reaction system for low-concentration methane combustion according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph of low concentration methane combustion performance and a selectivity graph of carbon dioxide of a Pd-HBEA (0.55 wt%) catalyst and an Ag-HBEA (0.55 wt%) catalyst.
5 is a graph of the low-concentration methane combustion performance of the catalyst according to the Ag / Al molar ratio (0.001 to 0.08).
6 is a graph of low-concentration methane combustion performance by a catalyst according to the ratio of ozone concentration to methane concentration (2 to 11).

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명에서는 오존에 의한 저농도 메탄 산화반응을 효과적으로 유도할 수 있는 은이 이온 교환된 제올라이트 촉매를 제안하며, 최적의 은 이온 교환양 범위를 제시한다. 또한 본 실시예에 따른 촉매가 효과적인 활성을 보일 수 있는 반응온도, 메탄 대비 오존 농도, 공급되는 기체의 유속 대비 촉매량(w/f) 등의 최적 반응조건들을 제시한다.In the present invention, a silver ion-exchanged zeolite catalyst capable of effectively inducing low-concentration methane oxidation by ozone is proposed, and an optimal silver ion exchange amount range is suggested. In addition, optimal reaction conditions such as reaction temperature, ozone concentration relative to methane, and catalytic amount (w/f) relative to the flow rate of supplied gas are suggested at which the catalyst according to this embodiment can show effective activity.

제올라이트는 화학 공정에서 촉매, 촉매 지지체, 흡착제 및 이온 교환 물질로서의 가치가 있다. 제올라이트는 결정질 알루미늄 규산염 산화물 (Aluminosilicate)을 의미하며 규소와 알루미늄이 각각 산소와 결합하여 사면체 구조를 형성하고 있다. 3가 양이온의 알루미늄에 2가 음이온의 산소 4개가 결합한 알루미늄 사면체는 1가 음이온을 가지게 된다. 이 음이온에 수소 양이온, 암모늄이온 및 Na 이온이 결합되어 있으나, 다른 금속 양이온으로의 이온 교환이 가능하다. Zeolites are valuable as catalysts, catalyst supports, adsorbents and ion exchange materials in chemical processes. Zeolite means crystalline aluminum silicate oxide, and silicon and aluminum combine with oxygen to form a tetrahedral structure. An aluminum tetrahedron in which four oxygen atoms of a divalent anion are bonded to aluminum of a trivalent cation has a monovalent anion. Hydrogen cations, ammonium ions and Na ions are bound to this anion, but ion exchange with other metal cations is possible.

제올라이트에 고립종 (isolated species)으로 교환된 금속이온은 활성금속의 고분산 효과를 유도할 수 있고 열 응집 (Thermal Agglomeration)에 의한 촉매성능 저하를 방지할 수 있다. 많은 연구에서 10 이상 높은 Si/Al 비율의 제올라이트가 주로 사용되고 있는데 그 이유는 Si/Al 비율이 높을수록 제올라이트의 구조 안정성이 증가하기 때문이다. Si/Al 비율이 낮으면 이온 교환 활성점의 증가로 활성금속의 치환량이 많아지므로 구조적인 불안정성을 야기할 수 있다.The metal ion exchanged with the zeolite as an isolated species can induce a high dispersion effect of the active metal and prevent degradation of catalytic performance due to thermal agglomeration. In many studies, zeolites with a Si/Al ratio higher than 10 are mainly used because the higher the Si/Al ratio, the higher the structural stability of the zeolite. If the Si / Al ratio is low, the amount of active metal substitution increases due to the increase in ion exchange active sites, which can cause structural instability.

최근 다양한 제올라이트 구조체에 금속 양이온이 이온 교환된 촉매가 메탄 산화반응에 활발히 적용되어 연구되고 있다. 활성금속들 중 귀금속들이 이온 교환된 촉매들의 활성이 매우 뛰어난데, 팔라듐(Pd)이 이온 교환된 제올라이트 촉매는 분자산소를 산화제로 사용했음에도 불구하고 50%의 메탄을 산화시킬 수 있는 반응온도가 약 250°C로 특히 우수한 저온 촉매활성을 보이고 있다. 귀금속 계열 금속인 은(Ag)이 이온 교환된 제올라이트 촉매의 경우, 분자산소 산화제를 적용하였을 때 50% 메탄 전환율을 보이는 온도가 600°C로 팔라듐 이온 교환 촉매보다는 낮은 활성을 보이는 것으로 알려져 있다. Recently, catalysts in which metal cations are ion-exchanged in various zeolite structures have been actively applied and studied for methane oxidation. Among the active metals, catalysts in which precious metals are ion-exchanged are very active. The zeolite catalyst in which palladium (Pd) is ion-exchanged has a reaction temperature that can oxidize 50% of methane even though molecular oxygen is used as an oxidizing agent. It shows excellent low-temperature catalytic activity at 250°C. In the case of a zeolite catalyst in which silver (Ag), a noble metal-based metal, is ion-exchanged, when a molecular oxygen oxidizer is applied, the temperature showing 50% methane conversion is 600 ° C, which is lower than that of a palladium ion exchange catalyst. It is known to show activity.

저농도 메탄 배출을 억제하는 후처리 장치 개발에 있어서는 높은 에너지 효율 확보 차원에서 보다 낮은 온도에서의 메탄 산화반응이 구현 되어야 한다. 메탄을 저온에서 산화시키기 위해서는 근본적으로 더욱 강력한 산화제가 필요하다. 오존은 수산기 자유 라디칼 다음으로 강력한 산화제로, 자연에서 존재할 수 있는 가장 강력한 저온 산화성능을 지닌 산화제 중 하나이다. 오존은 상온~300°C의 매우 낮은 온도 조건에서도 다양한 탄화수소를 산화시킬 수 있다. In developing an aftertreatment device that suppresses low-concentration methane emissions, a methane oxidation reaction at a lower temperature must be implemented in order to secure high energy efficiency. To oxidize methane at low temperatures, a fundamentally more powerful oxidizing agent is required. Ozone is the second most powerful oxidizing agent after hydroxyl free radicals, and is one of the most powerful low-temperature oxidizing agents that can exist in nature. Ozone can oxidize various hydrocarbons even under very low temperature conditions ranging from room temperature to 300°C.

그러나 오존은 열적으로 불안정하여 300°C 이상의 고온에서 분자 산소로 분해된다. 그렇기 때문에 오존의 강력한 산화력을 활용하기 위해서는 300°C 이하, 보다 바람직하게는 200°C의 저온 산화반응에의 적용하는 것이 합리적이다However, ozone is thermally unstable and decomposes into molecular oxygen at high temperatures above 300°C. Therefore, in order to utilize the strong oxidizing power of ozone, it is reasonable to apply it to the low-temperature oxidation reaction of 300 °C or less, more preferably 200 °C.

본 발명은 오존 산화제를 이용한 저농도 메탄연소 반응에 높은 저온 촉매활성을 보이는 은 치환 제올라이트 촉매와 그 반응시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a silver-substituted zeolite catalyst showing high low-temperature catalytic activity for a low-concentration methane combustion reaction using an ozone oxidizer and a reaction system thereof.

앞서 서술한 바와 같이 은 치환 제올라이트 촉매는 분자산소에 의한 연소반응에서 팔라듐 치환 제올라이트 촉매보다 활성이 열등한 것으로 알려져 있다. 하지만 본 실시예에 제시된 대로, 오존에 의한 메탄 연소반응에서는 반대로 은 치환촉매가 팔라듐 치환촉매보다 활성이 월등히 우수하였다. As described above, silver-substituted zeolite catalysts are known to be inferior in activity to palladium-substituted zeolite catalysts in the combustion reaction by molecular oxygen. However, as shown in this Example, in the methane combustion reaction by ozone, the silver substitution catalyst was far superior in activity to the palladium substitution catalyst.

본 명세서에서는 은 이온 교환 제올라이트 촉매의 활성온도 구간을 제시하고, 200°C 이하 저온에서의 은이 도입된 촉매의 최적 메탄연소 활성을 확보할 수 있는 은의 함량과 메탄 대비 오존농도 비율 조건들을 제시하고자 한다.In this specification, the activation temperature range of the silver ion exchange zeolite catalyst is presented, and the conditions for the silver content and methane to ozone concentration ratio conditions that can secure the optimal methane combustion activity of the silver-introduced catalyst at a low temperature of 200 ° C or less are proposed. .

이하에서는 도면을 참조하여, 은이 이온 교환된 제올라이트 촉매의 제조 과정 및 저농도 메탄 산화반응에 대해 상세하게 설명한다. Hereinafter, with reference to the drawings, a manufacturing process of a silver ion-exchanged zeolite catalyst and a low-concentration methane oxidation reaction will be described in detail.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 저농도 메탄의 저온 연소를 위한 팔라듐과 은이 이온 교환된 제올라이트 촉매의 제조 과정을 도시한 도면이다. 1 is a diagram showing a manufacturing process of a zeolite catalyst in which palladium and silver are ion-exchanged for low-temperature combustion of low-concentration methane according to a preferred embodiment of the present invention.

본 실시예에서, 저농도 메탄은 대기 중 1 부피퍼센트 이하의 농도로 정의되며, 특히 내연기관에서 Cold start 조건에서 발생하는 미연소된 메탄일 수 있다. In this embodiment, low-concentration methane is defined as a concentration of 1 vol% or less in the atmosphere, and may be unburned methane generated in a cold start condition in an internal combustion engine.

우선, 건조공기 흐름조건에서 미리 설정된 온도 및 시간 동안 열처리하여 암모늄 염 형태의 제올라이트를 수소 양이온이 알루미늄 음이온에 결합된 산형 제올라이트로 변환한다(단계 100).First, heat treatment is performed under dry air flow conditions for a predetermined temperature and time to convert ammonium salt type zeolite into acid type zeolite in which hydrogen cations are bonded to aluminum anions (step 100).

여기서, 열처리 온도 및 시간은 500 °C에서 6시간일 수 있다. Here, the heat treatment temperature and time may be 6 hours at 500 °C.

산형 제올라이트를 적절한 농도의 염화팔라듐 수용액 또는 질산은 수용액에 투입하여 상온에서 24시간 교반한다(단계 102). The acid type zeolite is added to an aqueous solution of palladium chloride or an aqueous solution of silver nitrate having an appropriate concentration and stirred at room temperature for 24 hours (step 102).

교반을 완료한 후 여과장치를 통해 수용액과 고체상 촉매를 분리한 후(단계 104), 과량의 탈이온수를 이용하여 촉매를 세척한다(단계 106).After the stirring is completed, the aqueous solution and the solid catalyst are separated through a filter (step 104), and then the catalyst is washed with an excess of deionized water (step 106).

이후, 공기 조건에서 110°C, 12시간 동안 건조하고(단계 108), 550°C 에서 4시간 소성을 거쳐 팔라듐이 이온 교환된 제올라이트 촉매 및 은이 이온 교환된 제올라이트 촉매를 제조한다(단계 110).Thereafter, drying in air at 110 ° C for 12 hours (step 108), followed by calcination at 550 ° C for 4 hours to prepare a palladium ion-exchanged zeolite catalyst and a silver ion-exchanged zeolite catalyst (step 110).

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 은이 이온 교환된 제올라이트 촉매의 XRD(X-ray diffraction) 그래프를 나타낸 것이다. 2 shows an X-ray diffraction (XRD) graph of a zeolite catalyst in which silver is ion-exchanged according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 제올라이트 결정면에 대한 회전 패턴들만이 관찰됨에 따라 은 이온이 제올라이트 구조격자 내에 효과적으로 고분산되어 이온 교환이 되었음 확인할 수 있다. Referring to FIG. 2 , since only the rotation patterns of the zeolite crystal plane were observed, it was confirmed that silver ions were effectively highly dispersed in the zeolite structural lattice and ion exchange was performed.

본 실시예에 따른 촉매는 저농도 메탄의 저온 연소를 위한 촉매반응시스템에 적용되며, 촉매반응시스템은 산소 또는 공기의 산화 반응을 통해 생성된 오존을 공급하는 유전체 방전 플라즈마 (Dielectric barrier discharge, 이하 DBD) 반응기 및 은이 이온 교환된 제올라이트 촉매가 충전되며, DBD 반응기로부터 공급되는 오존을 이용하여 상기 저농도 메탄을 저온 조건 하에서 연소시키는 촉매연소반응기를 포함할 수 있다. The catalyst according to this embodiment is applied to a catalytic reaction system for low-temperature combustion of low-concentration methane, and the catalytic reaction system is a dielectric barrier discharge (DBD) supplying ozone generated through an oxidation reaction of oxygen or air. A reactor and a catalytic combustion reactor in which a zeolite catalyst in which silver is ion-exchanged are charged, and which burns the low-concentration methane under low-temperature conditions using ozone supplied from the DBD reactor may be included.

본 실시예에서, DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 반응기는 유전체인 석영관의 외부를 둘러싸고 있는 SUS mesh와 원통 중앙에 Copper rod로 구성하였다. Power Supplier (Jungwoo System)를 이용해 409 Hz에 해당하는 주파수와 2차단 기준 16.0 kV 크기의 교류 (AC) 전압입력을 DBD 플라즈마 반응기에 공급하였고, Oscilloscope (Tektronix TDS 220)을 이용하여 플라즈마 반응기 상에서 형성되는 전압 및 전류의 파형과 크기를 관찰하였다.In this embodiment, the DBD (Dielectric Barrier Discharge) plasma reactor is composed of a SUS mesh surrounding the outside of a dielectric quartz tube and a copper rod in the center of the cylinder. Using a power supplier (Jungwoo System), an alternating current (AC) voltage input of 16.0 kV with a frequency corresponding to 409 Hz and a size of 2nd cutoff was supplied to the DBD plasma reactor, and an oscilloscope (Tektronix TDS 220) was used to supply the DBD plasma reactor. Waveforms and magnitudes of voltage and current were observed.

반응에 공급되는 총 유량의 10%에 해당하는 O2 (99.999%)을 플라즈마 반응기 내부로 흘려 주었으며, 2차 전압의 제어를 통해 오존 농도를 조절하였다. O 2 (99.999%) corresponding to 10% of the total flow rate supplied to the reaction was flowed into the plasma reactor, and the ozone concentration was controlled by controlling the secondary voltage.

생성된 오존과 미반응 산소는 메탄 가스와 질소 가스 흐름과 함께 촉매연소 반응기에 주입되었다.Produced ozone and unreacted oxygen were injected into the catalytic combustion reactor along with methane gas and nitrogen gas streams.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저농도 메탄 연소를 위한 촉매반응시스템의 구성을 도시한 도면이다. 3 is a diagram showing the configuration of a catalytic reaction system for low-concentration methane combustion according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 1/2 inch 석영관의 유리섬유 (Glass wool) 지지층 위에 촉매를 올려 고정층을 형성하였다. 반응기체는 CH4 (500 ppm) + O3 (2,500 ppm) + O2 (10%) + N2 (Balance)로 구성하였고, 유속은 53.3 ml/min으로 고정시킨 후 촉매중량은 80 mg으로 설정하였다. 사용된 촉매의 입자크기는 250~500로 설정하였다. 연소반응은 촉매 고정층 전단온도를 75, 100, 125, 150, 175°C로 변화시켜 가며 등온실험 형태로 진행하였다. Referring to FIG. 3, a catalyst was placed on a glass wool support layer of a 1/2 inch quartz tube to form a fixed layer. The reactive gas was composed of CH 4 (500 ppm) + O 3 (2,500 ppm) + O 2 (10%) + N 2 (Balance), the flow rate was fixed at 53.3 ml/min, and the catalyst weight was set at 80 mg. did The particle size of the catalyst used is 250 to 500 was set to The combustion reaction was carried out in the form of an isothermal experiment by changing the shear temperature of the catalyst fixed bed at 75, 100, 125, 150, and 175 °C.

촉매반응기 후단에 225°C로 가열된 빈관 반응기를 연결하여 미반응 오존을 제거한 후 메탄화장치 (Methanizer)가 장착된 기체 크로마토그래피 (영인크로매스, YL6500GC)를 이용해 메탄 전환율과 생성물의 선택도를 측정하였다. 메탄 전환율과 이산화탄소(CO2)의 선택도 등은 아래의 수식들을 이용해 계산하였다.After removing unreacted ozone by connecting an empty tube reactor heated to 225°C to the rear end of the catalytic reactor, methane conversion and product selectivity were measured using gas chromatography (YL6500GC, Youngin Chromas) equipped with a methanizer. measured. Methane conversion rate and selectivity of carbon dioxide (CO 2 ) were calculated using the following equations.

기체 크로마토그래피에 사용한 분리 컬럼은 Carboxen 1000 (Packed Column, 60/80 mesh, 1/8 in *15 ft, SUS tube)을 사용하였으며, 컬럼 온도는 150°C에서 일정하게 유지하였다. 이때, 이동상 기체는 10 ml/min의 N2를 사용하였으며, 불꽃 이온화 검출기 (Flame Ionization Detector, FID)를 사용하여 생성물 및 미반응 메탄의 농도를 정량하였다.The separation column used for gas chromatography was Carboxen 1000 (Packed Column, 60/80 mesh, 1/8 in *15 ft, SUS tube), and the column temperature was kept constant at 150 °C. At this time, 10 ml/min of N 2 was used as the mobile phase gas, and the concentrations of products and unreacted methane were quantified using a flame ionization detector (FID).

이하에서는 촉매에 사용되는 제올라이트 종류, Ag/Al 몰 비율, 오존의 농도 및 공급되는 기체의 유속 대비 촉매량에 따른 저농도 메탄 연소 성능에 대해 상세하게 설명한다. Hereinafter, the type of zeolite used in the catalyst, the Ag/Al molar ratio, the concentration of ozone, and the amount of catalyst compared to the flow rate of the supplied gas The low-concentration methane combustion performance is explained in detail.

이하에서의 실험은 25°C 간격으로 75~175°C 사이의 낮은 온도에서 500 ppm의 저농도 메탄을 다양한 은 중량퍼센트(또는 은 이온 교환율, Ag/Al)의 제올라이트 촉매와 오존 산화제를 이용하여 연소시켰으며, 극히 낮은 Ag 함량의 촉매들도 대부분 125~150°C 부근에서 90% 이상의 메탄 전환율을 보였다. 또한 메탄 농도 대비 산화제인 오존의 농도 비율을 변화시켰을 때, 오존 농도의 비율이 높아질수록 메탄 전환율과 이산화탄소 선택도가 향상되는 경향을 보였다. In the experiments below, 500 ppm of low-concentration methane is mixed at low temperatures between 75 and 175 °C at 25 °C intervals using zeolite catalysts and ozone oxidizers with various silver weight percent (or silver ion exchange rates, Ag/Al). Most of the catalysts with extremely low Ag content showed a methane conversion rate of more than 90% at around 125 to 150 °C. In addition, when the concentration ratio of ozone, an oxidizing agent, to methane concentration was changed, methane conversion rate and carbon dioxide selectivity tended to improve as the ratio of ozone concentration increased.

(실시예 1) BEA 구조의 제올라이트에 이온 교환된 금속의 종류에 따른 저농도 메탄 연소 성능의 비교(Example 1) Comparison of low-concentration methane combustion performance according to the type of ion-exchanged metal in BEA-structured zeolite

도 4는 팔라듐 이온 교환 제올라이트 촉매 (Pd-HBEA)와 은 이온 교환 제올라이트 촉매 (Ag-HBEA)의 저농도 메탄 연소성능과 이산화탄소로의 선택도를 그래프로 나타낸 도면이다. 4 is a graph showing low-concentration methane combustion performance and selectivity to carbon dioxide of a palladium ion exchange zeolite catalyst (Pd-HBEA) and a silver ion exchange zeolite catalyst (Ag-HBEA).

실험 조건은 촉매량 80 mg이며 공급된 메탄의 농도는 500 ppm으로 동일하게 설정하였다. 산화제인 오존의 농도는 2,500 ppm으로 조절하였으며, w/f는 1.5 mg·min/ml으로 모두 동일하다. 모든 도면의 가로축은 등온 반응실험에서 설정된 온도 값이다. 도 4에서 좌측 세로축은 메탄 전환율이며, 우측 세로축은 이산화탄소로 선택도이다. The experimental conditions were 80 mg of catalyst and the concentration of supplied methane was set to 500 ppm. The concentration of ozone, an oxidizing agent, was adjusted to 2,500 ppm, and the w/f was 1.5 mg·min/ml, all the same. The horizontal axis of all figures is the temperature value set in the isothermal reaction experiment. In FIG. 4, the left vertical axis is the methane conversion rate, and the right vertical axis is the selectivity to carbon dioxide.

도 4의 Grey Line은 SiO2/Al2O3 몰 비율이 25인 산형 BEA 제올라이트를 이용해 제조한 팔라듐 이온 교환 촉매(Pd-HBEA)의 저농도 메탄연소 성능을 보여준다. 온도가 증가함에 따라 메탄 전환율이 향상되는 것을 확인할 수 있었으며, 175°C에서 메탄의 50.5%가 전환된 후 그 이상의 온도에서는 온도가 증가할수록 메탄의 전환율이 감소되는 것을 확인하였다. The gray line in FIG. 4 shows the low-concentration methane combustion performance of the palladium ion exchange catalyst (Pd-HBEA) prepared using acid-type BEA zeolite having a SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of 25. It was confirmed that the methane conversion rate improved as the temperature increased, and after 50.5% of methane was converted at 175 ° C, it was confirmed that the methane conversion rate decreased as the temperature increased at a temperature higher than that.

이산화탄소 선택도는 모든 온도 구간에서 90% 이상을 보였다. 같은 도면에서 Black Line은 동일한 BEA 제올라이트를 이용해 제조한 은 이온 교환 촉매(Ag-HBEA)의 저농도 메탄연소 성능을 보여준다. 해당 촉매는 150°C에서 최대 성능을 보였으며, 100%의 메탄이 전환되었음을 보여주고 있다. 은 이온 교환 촉매의 경우 또한 전환된 메탄 대부분이 이산화탄소로 전환되었음을 보여주고 있다. Carbon dioxide selectivity showed more than 90% in all temperature ranges. In the same figure, the black line shows the low-concentration methane combustion performance of the silver ion exchange catalyst (Ag-HBEA) prepared using the same BEA zeolite. The catalyst showed maximum performance at 150 °C, showing that 100% of methane was converted. In the case of the silver ion exchange catalyst, it also shows that most of the converted methane is converted to carbon dioxide.

이는 산소 산화제를 적용하던 기존의 연구 결과와 비교했을 때, 촉매 내의 팔라듐 함량을 1/6배로 줄였음에도 약 50°C 가량 더 낮은 온도 조건에서 동일한 수준의 메탄 전환율을 확보할 수 있고, 은의 함량을 1/11배로 크게 줄였음에도 약 500°C 가량 더 낮은 온도인 75~100°C 사이의 온도에서 동일한 수준의 메탄 산화성능을 확보할 수 있음을 의미한다. 이를 통해 메탄 연소반응에 촉매와 오존을 적용함으로써 높은 메탄 연소성능과 에너지 효율을 동시에 확보할 수 있음이 확인되었다. Compared to the results of previous studies using an oxygen oxidizing agent, it is possible to secure the same level of methane conversion at about 50°C lower temperature conditions even though the palladium content in the catalyst is reduced by 1/6, and the silver content is reduced. This means that the same level of methane oxidation performance can be secured at a temperature between 75 and 100 °C, which is about 500 °C lower, even though it is greatly reduced by 1/11 times. Through this, it was confirmed that high methane combustion performance and energy efficiency could be secured at the same time by applying a catalyst and ozone to the methane combustion reaction.

또한 오존 산화제가 사용된 메탄 연소반응에서 은 이온 교환 제올라이트 촉매가 팔라듐 이온 교환 제올라이트 촉매보다 더욱 강력한 저농도 메탄 산화 활성을 발현하였는데, 이는 산소 산화제를 적용하던 기존의 연구를 뒤집는 결과로 오존을 이용한 반응시스템에 은 이온 교환 촉매가 활성 및 경제성 측면에서 보다 적합한 촉매임을 의미하고 있다.In addition, in the methane combustion reaction using an ozone oxidizer, the silver ion exchange zeolite catalyst exhibited more powerful low-concentration methane oxidation activity than the palladium ion exchange zeolite catalyst. , means that the ion exchange catalyst is a more suitable catalyst in terms of activity and economy.

(실시예 2) 촉매의 Ag/Al 몰 비율에 따른 Ag-HBEA 촉매의 저농도 메탄 연소 성능의 비교(Example 2) Comparison of Low Concentration Methane Combustion Performance of Ag-HBEA Catalysts According to Ag/Al Molar Ratio of Catalysts

도 5는 산형 BEA 제올라이트로 제조된 은 이온 교환 촉매의 Ag/Al 몰 비율에 따른 저농도 메탄연소의 성능을 보여준다. Figure 5 shows the performance of low-concentration methane combustion according to the Ag / Al molar ratio of the silver ion exchange catalyst prepared with acid type BEA zeolite.

은 이온 교환 제올라이트 촉매의 Ag/Al 몰비율은 0.001~0.08 사이에서 변화시켜서 촉매를 제조하였다. 실험 조건은 촉매량 80 mg이며 공급된 메탄의 농도는 500 ppm으로 동일하게 설정하였다. 산화제인 오존의 농도는 2,500 ppm으로 조절하였으며, w/f는 1.5 mg·min/ml으로 동일하였다. 동일한 조건에서 촉매들의 연소성능을 비교하였을 때 Ag/Al 몰 비율이 증가될수록 활성이 증가되어 몰 비율 0.04에서 가장 높은 활성을 보였다. 그 이상의 몰 비율에서는 성능이 오히려 감소하는 경향을 보였다. 이는 Ag 도입량 증가에 따라 Ag 고립종의 산화상태가 변화하거나, 이온교환되지 않고 촉매표면에 담지되는 Ag Cluster의 양이 증가되기 때문인 것으로 예상된다.A catalyst was prepared by changing the Ag/Al molar ratio of the silver ion exchange zeolite catalyst between 0.001 and 0.08. The experimental conditions were 80 mg of catalyst and the concentration of supplied methane was set to 500 ppm. The concentration of ozone, an oxidizing agent, was adjusted to 2,500 ppm, and w/f was the same as 1.5 mg·min/ml. When the combustion performance of the catalysts was compared under the same conditions, the activity increased as the Ag/Al molar ratio increased, showing the highest activity at a molar ratio of 0.04. At higher molar ratios, the performance tended to decrease. It is expected that this is because the oxidation state of isolated Ag species changes as the amount of Ag introduced increases or the amount of Ag clusters supported on the catalyst surface without ion exchange increases.

한편 촉매 내에 Ag/Al 몰 비율이 0.001 이하로 극히 적은 양의 은이 포함 되었음에도 불구하고 125~150°C 온도구간에서 60% 이상의 높은 메탄 전환율을 보여 본 반응에 대한 제올라이트 활성금속으로서 은의 높은 TOF (Turnover Frequency) 성능을 확인 할 수 있었다.On the other hand, despite the extremely small amount of silver with Ag/Al molar ratio of less than 0.001 in the catalyst, it showed a high methane conversion rate of more than 60% in the temperature range of 125 ~ 150 °C, which is a high TOF (Turnover) of silver as a zeolite active metal for this reaction frequency) performance.

(실시예 3) 메탄의 농도 대비 오존의 농도 비율에 따른 Ag-HBEA 촉매의 저농도 메탄 연소 성능 비교(Example 3) Comparison of low-concentration methane combustion performance of Ag-HBEA catalysts according to the ratio of ozone concentration to methane concentration

도 6은 오존 2,500 ppm에 따른 메탄의 농도를 220~1,250 ppm으로 변화시키며 측정된 메탄 연소 성능을 그래프로 제시하였다. 사용된 촉매는 앞서 <실시예 2>에서 150°C 부근 가장 높은 메탄 전환율을 보인 Ag/Al 몰비율 0.04의 Ag-HBEA 촉매였다, 실험에 사용된 촉매량은 80 mg, w/f는 1.5 mg·min/ml으로 설정되었다. 메탄농도 대비 오존의 농도 비율이 증가함에 따라 메탄 전환율은 증가하는 경향을 보였으며, 메탄 농도 대비 11배의 오존을 도입한 경우 175°C에서 100%의 메탄 전환율을 보였으며, 175°C의 온도조건에서 50%의 메탄을 전환시키려면 메탄 농도 대비 3배 이상의 오존을 도입해야 하는 것을 알 수 있다.6 is a graph of methane combustion performance measured while changing the concentration of methane from 220 to 1,250 ppm according to 2,500 ppm of ozone. The catalyst used was an Ag-HBEA catalyst with an Ag/Al molar ratio of 0.04, which showed the highest methane conversion rate around 150 ° C in <Example 2>. The amount of catalyst used in the experiment was 80 mg, w/f was 1.5 mg was set to min/ml. As the ratio of ozone concentration to methane concentration increased, the methane conversion rate tended to increase. When 11 times more ozone was introduced than the methane concentration, the methane conversion rate was 100% at 175°C, and the temperature of 175°C It can be seen that in order to convert 50% of methane under the conditions, it is necessary to introduce ozone three times more than the methane concentration.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The embodiments of the present invention described above have been disclosed for illustrative purposes, and those skilled in the art having ordinary knowledge of the present invention will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention, and such modifications, changes, and additions will be considered to fall within the scope of the following claims.

Claims (10)

메탄과 오존의 농도 비가 1:3 내지 1:11 범위를 갖는 조건 하에서 상기 메탄을 125 내지 150°C 온도에서 연소시키기 위해 은이 이온교환되며, Ag/Al 몰 비율이 0.02 내지 0.08 범위를 갖는 제올라이트 촉매.A zeolite catalyst having an Ag/Al molar ratio in the range of 0.02 to 0.08, in which silver is ion-exchanged to burn the methane at a temperature of 125 to 150 ° C under the condition that the concentration ratio of methane and ozone is in the range of 1:3 to 1:11 . 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 메탄을 오존 조건 하에서 연소시키기 위한 제올라이트 촉매의 제조 방법으로서,
암모늄 염 형태의 제올라이트를 미리 설정된 시간 및 온도에서 열처리하여 수소 양이온이 알루미늄 음이온에 결합된 산형 제올라이트로 변환하는 단계;
질산은 수용액에 상기 산형 제올라이트를 첨가하여 교반하는 단계;
여과 장치를 통해 고체상 촉매를 분리하는 단계;
상기 분리된 고체상 촉매를 세척 및 건조하는 단계; 및
상기 세척 및 건조된 고체상 촉매를 소성하여 은이 이온 교환되는 촉매를 제조하는 단계를 포함하되,
상기 메탄과 오존의 농도 비가 1:3 내지 1:11 범위를 갖는 조건 하에서 상기 메탄을 125 내지 150°C 온도에서 연소시키기 위해 상기 촉매의 Ag/Al 몰 비율은 0.02 내지 0.08 범위를 갖는 제올라이트 촉매의 제조 방법.
As a method for producing a zeolite catalyst for burning methane under ozone conditions,
heat-treating the ammonium salt-type zeolite at a preset time and temperature to convert acid-type zeolite in which hydrogen cations are bonded to aluminum anions;
Adding and stirring the acid type zeolite to an aqueous solution of silver nitrate;
Separating the solid catalyst through a filtration device;
washing and drying the separated solid catalyst; and
Calcining the washed and dried solid catalyst to prepare a catalyst in which silver is ion-exchanged,
In order to burn the methane at a temperature of 125 to 150 ° C under the condition that the concentration ratio of methane and ozone is in the range of 1: 3 to 1: 11, the Ag / Al molar ratio of the catalyst is of a zeolite catalyst having a range of 0.02 to 0.08 manufacturing method.
메탄의 연소를 위한 촉매반응시스템으로서,
산소 또는 공기의 산화 반응을 통해 생성된 오존을 공급하는 유전체 방전 플라즈마 (Dielectric barrier discharge, 이하 DBD) 반응기; 및
은이 이온 교환되며 Ag/Al 몰 비율이 0.02 내지 0.08 범위를 갖는 제올라이트 촉매가 충전되며, 상기 DBD 반응기로부터 공급되는 오존을 이용하여 상기 메탄과 오존의 농도 비가 1:3 내지 1:11 범위를 갖는 조건 하에서 상기 메탄을 125 내지 150°C 온도에서 연소시키는 촉매연소반응기를 포함하는 촉매반응시스템.

As a catalytic reaction system for the combustion of methane,
A dielectric barrier discharge (DBD) reactor for supplying ozone generated through an oxidation reaction of oxygen or air; and
Silver is ion exchanged, a zeolite catalyst having an Ag/Al molar ratio in the range of 0.02 to 0.08 is charged, and the concentration ratio of methane and ozone is in the range of 1:3 to 1:11 using ozone supplied from the DBD reactor. Catalytic reaction system comprising a catalytic combustion reactor for combusting the methane at a temperature of 125 to 150 ° C under.

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