KR102600234B1 - 단열재 지지체가 적용된 개질촉매 제조를 위한 코팅액 및 개질촉매 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 다양한 형상으로 간편하고 경제적으로 제조가 가능하고, 촉매 사용량을 줄일 수 있으며, 고온 반응에서도 안정적이며, 내구성이 뛰어난 개질촉매를 제공하기 위하여, 실리카졸, 알루미나졸 및 용매를 포함하는 보강액 및 촉매를 포함하는 프리 코팅액; 및 실리카졸 및 알루미나졸을 포함하는 무기바인더 및 촉매수용액을 포함하는 촉매 코팅액;을 제공하고, 프리 코팅액을 사용하여 프리 코팅 단열재 지지체를 제조하는 프리 코팅 단계; 상기 프리 코팅 단열재 지지체를 가열하여 소성하는 소성 단계; 및 상기 프리 코팅 단열재 지지체에 촉매 코팅액을 코팅하여 개질촉매를 제조하는 촉매 코팅 단계;를 포함하는, 개질촉매 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 단열재 지지체가 적용된 개질촉매에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단열재 지지체가 적용된 개질촉매 제조를 위한 코팅액 조성 및 단열재 지지체가 적용된 개질촉매의 제조방법에 관한 것이다.
최근 각 국가 및 기업은 환경오염과 지구온난화에 대응하기 위하여, 많은 노력을 기울이고 있다. 특히 화석연료는 현재 가장 널리 사용되는 에너지원이나, 환경오염과 지구온난화에 큰 영향을 주고 있어 이를 대체하기 위한 대체에너지를 확보하기 위하여 많은 노력을 기울이고 있다. 특히 유망한 대체에너지원인 수소를 생산하는 방법 중 하나는 개질기를 이용하여 메탄, 메탄올, 가솔린 및 천연 가스 등의 화석연료를 수소로 전환시키는 것으로 수증기 개질 반응, 부분산화반응, 자열 개질 반응 등이 있다.
이러한 개질 반응은 일반적으로 가격이 저렴한 전이금속인 니켈(Ni)을 주로 촉매 물질로 사용하는데 니켈을 촉매 활성 물질로 사용할 경우 CO가 니켈 표면에 흡착되어 탄소가 침적 되는 반응이 일어난다. 이러한 문제를 해결하기위해 표면적이 큰 알루미나(Al2O3, Alumina)에 촉매 활성 물질인 귀금속이 담지 또는 함침 된 형태로 사용하면 효율과 안정성을 높일 수 있다. 하지만 니켈 금속 가격에 비해 귀금속이 높은 가격대를 형성하고 있다.
일반적으로, 촉매생산은 분말로 제조되어 반응조건과 상태에 따라 촉매를 구형, 원통형, 펠렛형 등의 형태로 성형 및 가공하여 일정크기의 구형 또는 펠렛 형태로 압축 성형하여 사용한다. 그러나, 이러한 방식으로 가공된 개질촉매는, 성형방법에 있어 고가의 장비를 필요로 하며, 투입되는 촉매의 양이 많아 제작 비용이 올라가는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 알루미나 기반의 촉매 지지체를 사용하여 표면에 촉매를 코팅하여 펠렛 타입으로 사용한다. 하지만 개질반응은 고온에서 일어나는 매우 심한 흡열 또는 발열 반응으로 알루미나 기반 지지체 촉매의 경우 열전달 속도가 느려 시동시간 및 열효율이 낮은 단점을 기지고 있다.
이에 따라, 반응에 적합한 다양한 형상으로 간편하고 경제적으로 제조가 가능하고, 촉매 사용량을 줄일 수 있어 경제적이며, 고온 반응에서도 안정적이며, 내구성이 뛰어난 개질촉매의 개발이 필요하다.
본 발명은, 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 다양한 형상으로 간편하고 경제적으로 제조가 가능하고, 촉매 사용량을 줄일 수 있으며, 고온 반응에서도 안정적이며, 내구성이 뛰어난 개질촉매를 제공하고자 한다.
본 발명은, 단열재 지지체가 적용된 개질촉매를 제공하기 위하여, 실리카 및 알루미나를 포함하는 단열재 지지체에 코팅되며, 실리카졸, 알루미나졸 및 용매를 포함하는 보강액; 및 촉매파우더; 를 포함하는, 프리 코팅액을 제공한다.
또한 본 발명은, 단열재 지지체가 적용된 개질촉매를 제공하기 위하여, 프리 코팅 단열재 지지체에 코팅되며, 실리카졸 및 알루미나졸을 포함하는 무기바인더; 및 촉매파우더; 를 포함하고, 상기 프리 코팅 단열재 지지체는 실리카 및 알루미나를 포함하는 단열재 지지체에 실리카졸 및 알루미나졸을 포함하는 프리 코팅액을 코팅하여 형성되는 것인, 촉매 코팅액을 제공한다.
또한, 본 발명은, 단열재 지지체가 적용된 개질촉매를 제공하기 위하여, 실리카 및 알루미나를 포함하는 단열재 지지체에 실리카졸, 및 알루미나졸을 포함하는 프리 코팅액을 코팅하여 형성하여 프리 코팅 단열재 지지체를 제조하는 프리 코팅 단계; 상기 프리 코팅 단열재 지지체를 가열하여 소성하는 소성 단계; 및 상기 프리 코팅 단열재 지지체에 실리카졸 및 알루미나졸을 포함하는 무기바인더 및 촉매파우더를 포함하는 촉매 코팅액을 코팅하여 개질촉매를 제조하는 촉매 코팅 단계; 를 포함하는, 개질촉매 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 단열재 지지체가 적용된 개질촉매를 다양한 형상으로 간편하고 경제적으로 제조할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 단열재 지지체가 적용함에 따라, 개질촉매 제조시 촉매 사용량을 줄일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 단열재 지지체가 적용된 개질촉매를 사용함에 따라, 고온 반응에서도 안정적으로 촉매 반응을 진행할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내구성이 뛰어난 단열재 지지체가 적용된 개질촉매를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단열재 지지체가 적용된 개질촉매 제조방법의 모식도이다.
도 2는 실시예1에 따라 제작된 개질촉매를 사용하여 CH4 개질 반응을 350시간동안 측정한 그래프이다.
도 2는 실시예1에 따라 제작된 개질촉매를 사용하여 CH4 개질 반응을 350시간동안 측정한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예들이 상세하게 설명된다. 그러나 본 발명이 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 내용을 더 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명은 단열재 지지체가 적용된 개질촉매를 제조하기 위한 것으로, 단열재 지지체의 강도 향상을 위한 프리 코팅액 및 상기 단열재 지지체에 촉매 코팅을 위한 촉매 코팅액을 제공하고, 상기 프리 코팅액과, 상기 촉매 코팅액을 이용하여 상기 단열재 지지체가 적용된 개질촉매의 제조방법을 제공한다. 이에 따라, 낮은 밀도 및 낮은 기계적 강도를 갖는 단열재를 개질촉매의 지지체로 사용할 수 있도록 강도를 확보하여, 내구성이 뛰어난 개질촉매를 제공하고, 상기 단열재 지지체를 적용함에 따라, 고온 반응에서도 안정적이며, 촉매 사용량을 줄일 수 있어 경제적인 개질촉매를 제공할 수 있다.
이때, 상기 단열재 지지체는, 표면적 넓고, 낮은 열전도율을 갖고 있으며, 물리적/화학적으로 안정하며, 안전한 물질로 제조되고, 가공 용이 하고, 낮은 단가를 갖는 단열재가 적용되는 것이 바람직하다. 특히, 열안정성이 우수한 실리카와 강도가 우수한 알루미나가 적용된 단열재가 바람직하다. 예를 들어, 상기 단열재는 Al2O3 : 46~85%, SiO2 : 10~52%, 밀도 350 ± 35 kg/㎥ 로 형성된 단열재가 적용될 수 있되, 이에 제한되지 않는다.
이하, 본 발명의 프리 코팅액 및 촉매 코팅액에 대해 자세히 설명한다.
본 발명에 따른 프리 코팅액은, 실리카졸, 알루미나졸, 및 용매를 포함하는 보강액 및 촉매파우더를 포함한다.
상기 프리 코팅액은, 상기 보강액 및 상기 촉매파우더가 98.0~100 : 0~2.0 의 중량 비율로 혼합될 수 있다. 상기 프리 코팅액의 주요한 목적은 상기 보강액을 이용하여 프리 코팅 단열재 지지체를 제조하기 위함이다. 이때, 상기 프리 코팅액이 상기 단열재 지지체 표면 기공의 일부를 치밀화 시켜 제조된 상기 프리 코팅 단열재 지지체의 외측의 기계적 강도 및 내구성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 단열재 지지체가 적용된 개질촉매의 강도 및 내구성이 향상될 수 있다.
또한, 상기 프리 코팅액에서, 보강액의 투입 비율을 높게 가져가는 것이 상기 개질촉매의 강도 및 내구성 확보에 유리하되, 상기 촉매파우더를 소량 추가하여, 상기 프리 코팅 단열재 지지체의 표면에 상기 촉매파우더가 미리 분포되어, 상기 개질촉매의 성능을 효과적이고, 안정적으로 발휘할 수 있도록 할 수 있다.
상기 보강액은, 상기 실리카졸 45.0~55.0 중량%, 상기 알루마나졸 32.5~42.5 중량%, 및 잔량으로 상기 용매를 포함할 수 있다. 이에 따라, Al2O3 및 SiO2가 주요 성분인 상기 단열재 지지체와 상기 보강액이 동일한 성분을 갖고 있어, 상기 프리 코팅액이 상기 단열재 지지체의 표면에 잘 코팅 될 수 있다.
예를 들어, 상기 실리카졸은, SiO2 입자가 27~33 중량% 함량으로 분산된 분산액이되, 상기 SiO2 입자의 크기가 8~25㎚인 실리카졸이 적용될 수 있다. 또한, 상기 알루미나졸은, Al2O3 입자가 5~20 중량% 함량으로 분산된 분산액이되, 상기 Al2O3 입자 크기가 15~170㎚ 인 알루미나졸이 적용될 수 있다.
상기 보강액에 있어서, 상기 실리카졸 및 상기 알루미나졸 비율이 낮아지지면, 상기 단열재 지지체의 표면코팅 능력이 떨어질 수 있다. 예를 들어, 상기 보강액에 실리카졸 45.0 중량%, 상기 알루마나졸 32.5 중량% 미만으로 포함될 경우, 상기 실리카졸 및 상기 알루미나졸이 상기 단열재 지지체의 표면에 코팅될 때, 상기 표면 기공의 일부를 치밀화 시키는 능력이 떨어지게 되고, 상기 프리 코팅 단열재 지지체의 외측의 기계적 강도 및 내구성에 악영향을 줄 수 있다.
또한, 상기 보강액에 있어서, 상기 실리카졸 비율이 높아지게 되면, 상기 프리 코팅 단열재 지지체의 강도가 낮아질 수 있다. 예를 들어, 상기 실리카졸이 55.0 중량%를 초과할 경우, 상기 단열재 지지체의 표면에 실리카 입자가 과도하게 코팅되어, 상기 프리 코팅 단열재 지지체의 외측이 외부 충격에 깨지기 쉬운 물성을 띄게 되어, 기계적 강도 및 내구성에 악영향을 줄 수 있다.
또한, 상기 보강액에 있어서, 상기 알루미나졸 비율이 높아지게 되면, 상기 프리 코팅 단열재 지지체의 열안정성이 낮아질 수 있다. 예를 들어, 알루마나졸이 42.5 중량%를 초과할 경우, 상기 단열재 지지체의 표면에 알루미나 입자가 과도하게 코팅되어, 상기 프리 코팅 단열재 지지체의 표면에 열전도율이 증가하여 상기 프리 코팅 단열재 지지체 표면에 형성된 촉매의 열안정성에 악영향을 줄 수 있다.
상기 용매는 물이 적용될 수 있다. 예를 들어, 증류수 및 DI-water가 적용될 수 있되, 이에 제한되지 않는다. 이에 따라, 유기용매를 사용할 경우 발생할 수 있는 환경 문제 및 안전 문제를 방지할 수 있으며, 유기용매를 완전히 제거하기 위하여 소요되는 소성 및 건조 시간의 증가를 방지할 수 있다.
또한 상기 용매는, 증류수 및 DI-water에 유기물질 0~2%가 포함되는 수용액이 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 유기물질은 Methyl cellulose 및 PVA 등이 적용될 수 있되 이에 제한되지 않는다. 이에 따라, 상기 상기 실리카졸 및 상기 알루미나졸의 상기 SiO2 입자와, 상기 Al2O3 입자가 상기 유기물질에 의해 상기 단열재 지지체의 표면에 잘 부착될 수 있다. 이때, 상기 유기물질이 2%를 초과할 경우 점도가 높아 보강액 내부의 파우더의 분산력이 떨어져 일정한 코팅이 어려우며, 유기물질을 완전히 제거하기 위하여 필요한 소성 및 건조 시간이 증가할 수 있어 바람직하지 않다.
상기 촉매파우더는, Ni, Zn, Al, Zr, Ce 기반 촉매 로서 귀금속인 Ru, Pt, Rh, Pd 가 사용된 촉매가 적용될 수 있되 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 촉매파우더는 10㎛ 미만 파우더 형태로 가공되어 혼합될 수 있다. 이에 따라, 상기 촉매파우더가 상기 용매에 균일하게 분산될 수 있으며, 상기 단열재 지지체 표면에 균일하게 코팅될 수 있다.
상기 프리 코팅액은, 입자 크기가 4㎛ 이하의 SiO2를 포함하는 첨가제가 더 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 보강액 중량 기준 상기 첨가제가 0.1~3.0% 의 중량으로 더 추가될 수 있다. 이에 따라, 다공성 재질의 상기 단열재 지지체의 표면에 있어서, 기공의 크기가 큰 부분이나, 다양한 형태로 가공된 상기 단열재 지지체의 표면에도 효과적으로 치밀화 시킬 수 있어, 상기 프리 코팅 단열재 지지체의 기계적 강도 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 첨가제 투입량이 과도하게 높아질 경우, 상기 프리 코팅 단열재 지지체의 강도가 낮아질 수 있다. 예를 들어, 상기 첨가제 투입량이 상기 보강액 중량의 3.0%를 초과할 경우, 상기 단열재 지지체의 표면에 실리카 입자가 과도하게 코팅되어, 상기 프리 코팅 단열재 지지체의 외측이 외부 충격에 깨지기 쉬운 물성을 띄게 되어, 기계적 강도 및 내구성에 악영향을 줄 수 있다.
본 발명에 따른 촉매 코팅액은, 실리카졸 및 알루미나졸을 포함하는 무기바인더와 용매 및 촉매파우더를 포함하는 촉매수용액을 포함한다.
상기 촉매 코팅액은, 상기 무기바인더 2.6~5.2 중량%, 및 잔량으로 상기 촉매수용액을 포함할 수 있다. 상기 촉매 코팅액의 주요한 목적은 상기 프리 코팅 단열재 지지체 표면에 촉매를 코팅시켜, 상기 개질촉매를 제조하는데 있다. 예를 들어, 상기 촉매 코팅액에, 상기 무기바인더 함량이 2.6 중량% 미만일 경우 상기 촉매파우더 대비 상기 무기바인더 비율이 떨어져, 상기 프리 코팅 단열재 지지체 표면에 상기 촉매파우더를 안정적으로 부착시키는데 악영향을 줄 수 있으며, 기계적 강도 및 내구성에 악영향을 줄 수 있다. 또한, 상기 촉매 코팅액에, 상기 무기바인더 함량이 5.2 중량%를 초과할 경우, 상기 프리 코팅 단열재 지지체 표면에 상기 무기바인더의 비율이 상승하고, 상대적으로 상기 촉매파우더의 비율이 떨어져, 연료 전환율이 하락할 수 있으며, 투입된 상기 촉매파우더량 대비 효율이 하락할 수 있다.
상기 무기바인더는 상기 실리카졸 및 상기 알루미나졸을 1~5 : 0~4 중량 비율로 혼합될 수 있다. 이에 따라, Al2O3 및 SiO2 가 주요 성분인 상기 단열재 지지체와 상기 무기바인더가 동일한 성분을 갖고 있어, 상기 촉매 코팅액이 상기 프리 코팅 단열재 지지체의 표면에 잘 코팅 되고, 상기 촉매파우더 입자가 프리 코팅 단열재 지지체의 표면에 잘 부착될 수 있다.
예를 들어, 상기 실리카졸은, SiO2 입자가 27~33% 함량으로 분산된 분산액이되, 상기 SiO2 입자의 크기가 8~25㎚인 실리카졸이 적용될 수 있다. 또한, 상기 알루미나졸은, Al2O3 입자가 5~20% 함량으로 분산된 분산액이되, 상기 Al2O3 입자 크기가 15~170㎚ 인 알루미나졸이 적용될 수 있다. 이에 따라, 상기 프리 코팅 단열재 지지체 표면에 상기 무기바인더에 의해 상기 촉매파우더가 안정적으로 부착될 수 있다.
상기 촉매수용액은 상기 용매 및 상기 촉매파우더가 89~91 : 9~11 중량 비율로 혼합될 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매파우더가 상기 용매에 있어, 9 중량 비율 미만으로 포함되거나, 상기 촉매파우더가 상기 용매에 있어 11 중량 비율을 초과하여 포함될 경우, 상기 프리 코팅 단열재 지지체 표면에 상기 촉매파우더가 고르게 코팅되지 않을 수 있다.
상기 촉매파우더는, Ni, Zn, Al, Zr, Ce 기반 촉매 로서 귀금속인 Ru, Pt, Rh, Pd 가 사용된 촉매가 적용될 수 있되 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 촉매파우더는 10㎛ 미만 파우더 형태로 가공되어 혼합될 수 있다. 이에 따라, 상기 촉매파우더가 상기 용매에 균일하게 분산될 수 있으며, 상기 프리 코팅 단열재 지지체 표면에 균일하게 코팅될 수 있다.
상기 용매는 물이 적용될 수 있다. 예를 들어, 증류수 및 DI-water가 적용될 수 있되, 이에 제한되지 않는다.
또한 상기 용매는, 증류수 및 DI-water에 유기물질 0~2%가 포함되는 수용액이 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 유기물질은 Methyl cellulose 및 PVA 등이 적용될 수 있되 이에 제한되지 않는다. 이에 따라, 상기 촉매파우더 입자가 상기 유기물질에 의해 상기 프리 코팅 단열재 지지체의 표면에 잘 부착될 수 있다. 이때, 상기 유기물질이 2%를 초과할 경우 점도가 높아 보강액 내부의 촉매파우더의 분산력이 떨어져 일정한 코팅이 어려우며, 유기물질을 완전히 제거하기 위하여 필요한 소성 및 건조 시간이 증가할 수 있어 바람직하지 않다.
이하, 도 1을 참조하며, 상기 프리 코팅액 및 상기 촉매 코팅액을 이용한 단열재 지지체가 적용된 개질촉매 제조방법에 대해 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단열재 지지체가 적용된 개질촉매 제조방법의 모식도이다.
본 발명에 따른 단열재 지지체가 적용된 개질촉매 제조방법은, 단열재 지지체 준비 단계(S1), 프리 코팅 단계(S2), 소성 단계(S3) 및 촉매 코팅 단계(S4)를 포함한다.
상기 단열재 지지체 준비 단계(S1)는, 상기 개질촉매의 단열재 지지체를 준비하는 단계로, 단열재 지지체 가공 단계 및 분진 제거 단계를 포함할 수 있다.
상기 단열재 지지체 가공 단계는, 상기 단열재 지지체를 다양한 형상으로 가공하는 단계이다. 이때, 상기 단열재 지지체는 다양한 형상으로 가공이 가능하다. 예를 들어, 정육면체, 직육면체, 구형, 펠렛형, 원통형 및 실린더형 등으로 가공될 수 있되, 이에 제한되지 않으며, 상기 단열재 지지체의 표면에 다양한 요철 가공도 가능하되 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 단열재 지지체의 크기는 장변부가 5mm 이상일 수 있다. 이때, 상기 단열재 지지체의 효과를 최대한 활용하기 위하여 구형 또는 정육면체와 같이 장변과 단편의 차이가 크지 않을 수록 유리하다. 예를 들어, 상기 단열재 지지체가 장변과 단변의 차이가 큰 형상으로 가공될 경우, 상기 단열재 지지체가 충분한 부피를 형성하지 못하게 되며, 이에 따라 단열 효과를 충분히 발휘할 수 없어, 열안정성이 떨어지고, 촉매 반응의 효율이 저하될 수 있다. 또한, 상기 단열재 지지체의 크기가 5mm 미만으로 가공될 경우, 내구성으로 인한 동일한 형상을 얻기 어려워 가공 수율이 낮아, 바람직하지 않다.
상기 분진 제거 단계는, 상기 단열제 지지체의 표면에 붙어있는 이물질을 제거하는 단계이다. 예를 들어, 상기 단열재 지지체 가공 시 발생한 분진이 상기 단열재 지지체 표면에 붙어 있을 수 있어 이를 브러쉬 또는 블로워 등 다양한 방법을 사용하여 제거할 수 있다. 이에 따라, 상기 단열재 지지체에 코팅을 실시할 때, 상기 단열재 지지체 표면에 붙어 있던 이물질로 인하여, 코팅면에 불균일 코팅부 또는 미코팅부가 생기는 것을 방지할 수 있다.
상기 프리 코팅 단계(S2)는 상기 프리 코팅액을 이용하여 상기 단열재 지지체를 코팅하여 프리 코팅 단열재 지지체를 생성하는 단계로, 프리 코팅 함침 단계 및 프리 코팅 건조 단계를 포함할 수 있다.
상기 프리 코팅 함침 단계는, 복수개의 상기 단열재 지지체를 상기 프리 코팅액에 함침 하는 단계이다. 이때, 상기 프리 코팅액 및 상기 단열재 지지체는 1.8~2.2 : 1 부피 비율로 준비되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 프리 코팅액 비율이 1.8 미만일 경우, 상기 단열재 지지체의 표면 코팅 능력이 저하될 수 있다. 또한, 상기 프리 코팅액 비율이 2.2를 초과할 경우, 상기 프리 코팅액의 낭비가 발생할 수 있다.
상기 프리 코팅 함침 단계에서, 복수개의 상기 단열재 지지체를 상기 프리 코팅액에 함침 할 때, 상기 프리 코팅액이 교반 되고 있는 상태에서 상기 단열재 지지체를 함침 시킬 수 있다. 예를 들어, 복수개의 상기 단열재 지지체를 1,000~2,000 mesh의 거름망에 넣고, 상기 프리 코팅액이 교반 되고 있는 배합통에 함침시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 단열재 지지체가 상기 프리 코팅액의 교반에 따라 상기 배합통 내에서 움직이지 않고 안정적으로 함침 될 수 있고, 교반에 따른 상기 단열재 지지체의 파손을 방지할 수 있다.
상기 프리 코팅 함침 단계의 상기 프리 코팅액의 교반 조건은 상온에서, 100~300 RPM 으로 교반 시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 교반조건 100 RPM 미만일 경우, 복수개의 상기 단열재 지지체가 고르게 코팅되지 않을 수 있으며, 교반조건 300 RPM을 초과할 경우, 거품이 발생하거나, 과도한 믹싱에 의해 상기 단열재 지지체의 표면 코팅 능력이 저하될 수 있다.
상기 프리 코팅 건조 단계는, 상기 프리 코팅 함침 단계 완료 후 상기 단열재 지지체를 꺼내어, 건조시키는 단계이다. 예를 들어, 열풍 건조, 적외선 건조 및 이의 조합이 적용될 수 있되 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 단열재 지지체가 고르게 건조될 수 있도록, 상기 단열재 지지체를 서로 겹치지 않도록 고르게 펼쳐서 건조시키는 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 프리 코팅 건조 단계에서 상기 단열재 지지체 표면에 용매와 함께 묻어 있던 SiO2와 Al2O3가 상기 단열재 지지체 표면 부착되어 코팅막을 형성하게 되고, 상기 용매 및 유기물질이 제거될 수 있다.
또한, 상기 SiO2와 상기 Al2O3 가 상기 단열재 지지체 표면에 일체화되기 때문에 상기 단열재 지지체 표면의 강도를 향상시킬 수 있으며, 상기 단열재 지지체 표면에서 발생되는 분진을 막아 상기 프리 코팅 단열재 지지체에 코팅된 촉매가 분진 때문에 쉽게 박리되는 현상을 방지할 수 있다.
상기 프리 코팅 건조 단계는, 건조 온도 180~220℃에서, 0.5~1.5시간 동안 건조시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 건조 온도가 180℃ 미만일 경우, 충분한 열이 가해지지 않아, 상기 단열재 지지체 표면에 상기 프리 코팅액에 의한 코팅막이 안정적으로 형성되기 어려울 수 있다. 또한, 건조 온도가 220℃를 초과할 경우 상기 단열재 지지체 표면에 상기 프리 코팅액이 코팅막을 형성하기에 충분한 열 이상을 가하는 것으로, 불필요한 에너지 사용에 따른, 공정 효율 하락이 발생할 수 있다.
또한, 상기 건조 시간이 0.5시간 미만일 경우, 상기 단열재 지지체 표면에 상기 프리 코팅액에 의한 코팅막이 안정적으로 형성되지 않을 수 있으며, 1.5시간을 초과할 경우, 상기 단열재 지지체 표면에 상기 프리 코팅액에 의한 코팅막이 충분히 형성된 이후로, 불필요한 에너지 사용에 따른, 공정 효율 하락이 발생할 수 있다.
상기 프리 코팅 단계(S2)는, 상기 프리 코팅 함침 단계와 상기 프리 코팅 건조 단계를 1회 이상 반복할 수 있다. 예를 들어, 상기 프리 코팅 건조 단계가 완료된 상기 프리 코팅 단열재 지지체와 상기 프리 코팅 단계(S2) 투입 전 상기 단열재 지지체의 중량 차이를 바탕으로 밀도 차이를 계산하여 산출한 코팅량이 150~300 kg/㎥ (0.15~0.30 g/㎤)이 될 때 까지 상기 프리 코팅 함침 단계와 상기 프리 코팅 건조 단계를 1회 이상 반복할 수 있다. 이때, 프리 코팅 단계(S2)에서 상기 프리 코팅액이 상기 단열재 지지체의 기공에 침투하여 코팅되는 것으로, 밀도 계산 시 부피의 변화는 무시할 수 있다. 이에 따라, 효과적으로 프리 코팅 단열재 지지체를 생성할 수 있다.
상기 소성 단계(S3)는, 상기 프리 코팅 단계(S2)를 완료한 상기 프리 코팅 단열재 지지체를 가열하여 소성 시키는 단계이다. 예를 들어, 상기 소성 단계(S3)는 열풍 가열, 적외선 가열 및 이의 조합이 적용된 다양한 가열로가 적용될 수 있되 이에 제한되지 않는다. 이때, 가열 조건은 5~10℃승온 속도로 목표 온도 700~1,000℃까지 상승시킨 후 6~12시간 동안 유지하는 것이 바람직하다.
상기 소성 단계(S3)는 목표 온도까지 상승하면서 용매 및 유기물질이 모두 제거된 상기 프리 코팅 단열재 지지체의 표면에 코팅막을 형성시키고, 기공을 포함하는 상기 프리 코팅 단열재 지지체에 촉매를 코팅하기 전 고온 에서 미리 수축시켜, 상기 프리 코팅 단열재 지지체의 반응면적을 제대로 활용할 수 있도록 처리하는 작업이다. 이에 따라, 상기 목표 온도가 700℃ 미만이면 상기 프리 코팅 단열재 지지체가 적용된 상기 개질촉매를 고온 에서 사용할 때 추가 수축이 발생하여 상기 개질촉매의 효율이 저하될 수 있으며, 상기 목표 온도가 1000℃를 초과할 경우, 상기 프리 코팅 단열재 지지체를 수축시키기에 충분한 온도 이상이므로, 불필요한 에너지 사용에 따른, 공정 효율 하락이 발생할 수 있다.
또한, 승온 속도가 5℃ 미만일 경우, 상기 목표 온도까지 도달하는 시간이 과도하게 걸려, 공정 효율 하락이 발생할 수 있으며, 승온 속도가 10℃/min를 초과할 경우 빠른 온도상승에 따른 상기 프리 코팅 단열재 지지체의 변형이 발생할 수 있다.
상기 소성 단계(S3)는 목표온도 도달 후 6시간 미만으로 작업할 경우 소성이 다 이루어지지 않을 수 있고, 12시간을 초과하면 소성이 다 일어난 이후로 불필요한 에너지 및 시간 소요에 따른, 공정 효율 하락이 발생할 수 있다.
상기 촉매 코팅 단계(S4)는, 상기 촉매 코팅액을 이용하여 상기 소성 단계(S3)를 마친 상기 프리 코팅 단열재 지지체를 코팅하여 상기 개질촉매를 생성하는 단계로, 촉매 코팅 함침 단계 및 촉매 코팅 건조 단계를 포함할 수 있다.
상기 촉매 코팅 함침 단계는, 상기 소성 단계(S3)를 완료한 복수개의 상기 프리 코팅 단열재 지지체를 상기 촉매 코팅액에 함침 하는 단계이다. 이때, 상기 촉매 코팅액 및 상기 프리 코팅 단열재 지지체는 1.8~2.2 : 1 부피 비율로 준비되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 촉매 코팅액 비율이 1.8 미만일 경우, 상기 프리 코팅 단열재 지지체의 표면에 코팅 능력이 저하될 수 있다. 또한, 상기 촉매 코팅액 비율이 2.2를 초과할 경우, 상기 촉매 코팅액의 낭비가 발생할 수 있다.
상기 촉매 코팅 함침 단계에서, 복수개의 상기 프리 코팅 단열재 지지체를 상기 촉매 코팅액에 함침 할 때, 상기 촉매 코팅액이 교반 되고 있는 상태에서 상기 프리 코팅 단열재 지지체를 함침 시킬 수 있다. 예를 들어, 복수개의 상기 프리 코팅 단열재 지지체를 1,000~2,000 mesh의 거름망에 넣고, 상기 촉매 코팅액이 교반 되고 있는 배합통에 함침시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 프리 코팅 단열재 지지체가 상기 촉매 코팅액의 교반에 따라 상기 배합통 내에서 움직이지 않고 안정적으로 함침 될 수 있고, 상기 프리 코팅 단열재 지지체의 파손을 방지할 수 있다.
상기 촉매 코팅 함침 단계의 상기 촉매 코팅액의 교반 조건은 상온에서 교반조건 100~300 RPM으로 교반 시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 교반조건 100 RPM 미만일 경우, 복수개의 상기 프리 코팅 단열재 지지체가 고르게 코팅되지 않을 수 있으며, 교반조건 300 RPM을 초과할 경우, 거품이 발생하거나, 과도한 믹싱에 의해 상기 프리 코팅 단열재 지지체의 표면 코팅 능력이 저하될 수 있다.
상기 촉매 코팅 건조 단계는, 상기 촉매 코팅 함침 단계 완료 후 상기 프리 코팅 단열재 지지체를 꺼내어, 건조시키는 단계이다. 예를 들어, 열풍 건조, 적외선 건조 및 이의 조합이 적용될 수 있되 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 단열재 지지체가 고르게 건조될 수 있도록, 상기 단열재 지지체를 서로 겹치지 않도록 고르게 펼쳐서 건조시키는 것이 바람직하다.
이에 따라, 상기 촉매 코팅 건조 단계에서 상기 프리 코팅 단열재 지지체 표면에 용매와 함께 묻어 있던 SiO2, Al2O3 및 상기 촉매파우더가 상기 프리 코팅 단열재 지지체 표면 부착되어 코팅막을 형성하게 되고, 상기 용매 및 유기물질이 제거될 수 있다. 또한, 상기 SiO2, 상기 Al2O3 및 상기 촉매파우더가 상기 프리 코팅 단열재 지지체 표면에 일체화되어 부착되기 때문에, 상기 프리 코팅 단열재 지지체 표면에 상기 촉매파우더가 안정적으로 부착될 수 있다.
상기 촉매 코팅 건조 단계는, 건조 온도 180~220℃, 건조시간 0.5~1.5시간이 바람직하다. 예를 들어, 건조 온도가 180℃ 미만일 경우, 충분한 열이 가해지지 않아, 상기 프리 코팅 단열재 지지체 표면에 상기 촉매 코팅액에 의한 코팅막이 안정적으로 형성되기 어려울 수 있다. 또한, 건조 온도가 220℃를 초과할 경우 상기 프리 코팅 단열재 지지체 표면에 상기 촉매 코팅액이 코팅막을 형성하기에 충분한 열 이상을 가하는 것으로, 불필요한 에너지 사용에 따른, 공정 효율 하락이 발생할 수 있다. 또한, 상기 건조 시간이 0.5시간 미만일 경우, 상기 프리 코팅 단열재 지지체 표면에 상기 촉매 코팅액에 의한 코팅막이 안정적으로 형성되지 않을 수 있으며, 1.5시간을 초과할 경우, 상기 프리 코팅 단열재 지지체 표면에 상기 촉매 코팅액에 의한 코팅막이 충분히 형성된 이후로, 불필요한 에너지 사용에 따른, 공정 효율 하락이 발생할 수 있다.
상기 촉매 코팅 단계(S4)에서는, 상기 촉매 코팅 함침 단계와 상기 촉매 코팅 건조 단계를 1회 이상 반복할 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매 코팅 건조 단계가 완료된 프리 코팅 단열재 지지체와 상기 촉매 코팅 단계(S4) 투입 전 프리 코팅 단열재 지지체의 중량 차이를 바탕으로 밀도 차이를 계산하여 산출한 코팅량이 20~40kg/㎥ (0.02~0.04g/㎤)이 될 때 까지 상기 촉매 코팅 함침 단계와 상기 촉매 코팅 건조 단계를 1회 이상 반복할 수 있다. 이때, 촉매 코팅 단계(S4)에서 상기 프리 코팅 단열재 지지체에 코팅되는 두께가 매우 낮아, 밀도 차이 계산 시 부피의 변화는 무시할 수 있다. 이에 따라, 효과적으로 상기 개질촉매를 생성할 수 있다.
상기 프리 코팅 단계(S2)를 실시한 후 상기 촉매 코팅 단계(S4)를 실시함에 따라, 상기 단열재 지지체의 강도를 확보하여, 내구성이 뛰어난 촉매를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 프리 코팅 단계(S2)없이 상기 촉매 코팅 단계(S4)만 진행할 경우, 상기 단열재 지지체의 충분한 강도를 확보할 수 없다. 또한 상기 프리 코팅 단계(S2)만 진행할 경우 상기 개질촉매에 필요한 촉매 물질을 부여할 수 없어, 상기 개질촉매를 촉매로서 사용할 수 없다.
또한, 상기 프리 코팅 단계(S2)와 상기 촉매 코팅 단계(S4)에서, 상기 단열재 지지체와 동일한 주요 성분을 갖는 상기 프리 코팅액 및 상기 촉매 코팅액을 사용함에 따라, 상기 단열재 지지체의 특성인 내열성과 고온 반응에서도 안정적인 특성을 유지하면서 상기 단열재 지지체에 효율적으로 코팅이 이뤄질 수 있다.
유기물 제거 단계는, 상기 촉매 코팅 단계(S4)를 완료한 상기 개질촉매에 포함되어 있을 수 있는 잔여 유기물을 제거하기 위한 단계이다. 특히, 상기 프리 코팅액 및 상기 촉매 코팅액에 유기물질을 포함한 수용액을 사용하였을 경우 상기 유기물 제거 단계를 적용하는 것이 바람직하다.
상기 유기물 제거 단계는 열풍 가열, 적외선 가열 및 이의 조합이 적용된 다양한 가열로가 적용될 수 있되 이에 제한되지 않는다. 이때, 가열 조건은 550~750℃에서 2~4시간 동안 유지하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 온도가 550℃ 미만일 경우, 상기 개질촉매에 포함된 상기 유기물질이 충분히 제거되지 않을 수 있으며, 온도가 750℃를 초과할 경우, 상기 개질촉매에 포함된 상기 유기물질을 제거하기에 충분한 온도 이상으로 불필요한 에너지 사용에 따른, 공정 효율 하락이 발생할 수 있다. 또한, 상기 유기물 제거 단계는 2시간 미만으로 작업할 경우 상기 개질촉매에 포함된 상기 유기물질이 충분히 제거되지 않을 수 있으며, 4시간을 초과할 경우, 상기 개질촉매에 포함된 상기 유기물질을 제거하기에 충분한 시간 이상으로 투입되어, 불필요한 에너지 사용 및 과도한 시간 소비에 따른 공정 효율이 하락할 수 있다.
이하, 제조예, 실시예, 비교예 및 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
제조예 : 프리 코팅 단열재 지지체 제조
단열재 지지체 : Al2O3 46~85%, SiO2 25~54%, 밀도 350±10% kg/㎥, 한 변의 길이가 6mm인 정육면체 형태로 가공된 단열재 사용.
실리카졸 : SiO2 입자 함량 29~31 중량%, SiO2 입자 크기 10~20㎚인 실리카졸 SS-30SG(에스켐텍), SS-30A(에스켐텍) 및 SS-30(에스켐텍)을 혼합하여 사용.
알루미나졸 : Al2O3 입자 함량 5~20 중량%, Al2O3 입자 크기 20~150㎚인 알루미나졸(알인텍) 사용.
물 : 증류수
촉매파우더 : Al-Ru 3% (알루미나 - 루테늄 3%), 10㎛ 미만 파우더 형태로 가공
프리 코팅 함침 단계 조건 : 프리 코팅액 : 단열재 지지체 = 2 : 1 부피 비율, 교반속도 150 RPM, 함침 온도 20℃, 단열재에서 기포가 발생하지 않을 때 까지 함침 진행
프리 코팅 건조 단계 조건 : 열풍건조, 온도 180~220℃, 건조시간 1hr
상기 단열재 지지체, 상기 실리카졸, 상기 알루미나졸, 상기 물 및 상기 촉매파우더를 사용하여 표 1에 기재된 프리 코팅액 함량을 기준으로, 상기 프리 코팅 함침 단계 조건 및 상기 프리 코팅 건조 단계 조건을 만족하는 프리 코팅 단계를 상기 단열재 지지체에 코팅량이 250 kg/㎥에 도달하도록 실시하여, 프리 코팅 단열재 지지체를 제조하였다.
| 구분 | 프리 코팅액 함량 | |||
| 실리카졸(g) | 알루미나졸(g) | 물(g) | 촉매파우더(g) | |
| 제조예1 | 100 | 75 | 25 | 2 |
| 제조예2 | 90 | 85 | 25 | 2 |
| 제조예3 | 110 | 65 | 25 | 2 |
| 제조예4 | 100 | 75 | 25 | 0 |
실시예 : 개질촉매 제조
실리카졸 : SiO2 입자 함량 29~31 중량%, SiO2 입자 크기 10~20㎚인 실리카졸 SS-30SG(에스켐텍), SS-30A(에스켐텍) 및 SS-30(에스켐텍)을 혼합하여 사용.
알루미나졸 : Al2O3 입자 함량 5~20 중량%, Al2O3 입자 크기 20~150㎚인 알루미나졸(알인텍) 사용.
물 : 증류수
촉매파우더 : Al-Ru 3% (알루미나 - 루테늄 3%), 10㎛ 미만 파우더 형태로 가공
소성 단계 조건 : 열풍건조, 온도 850℃, 소성 시간 6hr
촉매 코팅 배합 조건 : 촉매 코팅액 : 단열재 지지체 = 2 : 1 부피 비율, 교반속도 150 RPM, 함침 온도 20℃, 단열재에서 기포가 발생하지 않을때 까지 함침 진행.
촉매 코팅 건조 조건 : 열풍건조, 온도 200℃, 건조시간 1hr
제조예1 내지 제조예4으로 제조된 상기 프리 코팅 단열재 지지체에 상기 소성 단계 조건을 만족하는 소성 단계를 실시하였다. 이어서, 상기 소성 단계를 완료한 상기 프리 코팅 단열재 지지체에 상기 실리카졸, 상기 알루미나졸, 상기 물 및 상기 촉매파우더를 사용하여 표 2에 기재된 촉매 코팅액 함량을 기준으로, 상기 촉매 코팅 함침 단계 조건 및 촉매 코팅 건조 단계 조건을 만족하는 촉매 코팅 단계를 상기 프리 코팅 단열재 지지체에 코팅량이 30 kg/㎥ (0.03g/㎤)에 도달하도록 실시하여, 개질촉매를 제조하였다.
| 구분 | 프리 코팅 단열재 지지체 | 촉매 코팅액 함량 | |||
| 실리카졸(g) | 알루미나졸(g) | 물(g) | 촉매파우더(g) | ||
| 실시예1 | 제조예1 | 1 | 2 | 100 | 10 |
| 실시예2 | 제조예3 | 2 | 4 | 100 | 10 |
| 실시예3 | 제조예2 | 4 | 2 | 100 | 10 |
| 실시예4 | 제조예4 | 1 | 2 | 100 | 10 |
비교예1~5 : 개질촉매 제조
상기 제조예와 동일한 실리카졸, 알루미나졸, 물 및 촉매파우더를 사용하여 표 3에 기재된 프리 코팅액 함량을 기준으로, 상기 제조예와 동일한 프리 코팅 함침 단계 조건 및 상기 프리 코팅 건조 단계 조건을 만족하는 프리 코팅 단계를 실시하여, 프리 코팅 단열재 지지체를 제조하였다.
이어서, 상기 프리 코팅 단열재 지지체에 상기 실시예와 동일한 소성 단계 조건을 만족하는 소성 단계를 실시하고, 상기 소성 단계를 완료한 상기 프리 코팅 단열재 지지체에, 상기 실시예와 동일한 실리카졸, 알루미나졸, 물 및 촉매파우더를 사용하여 표 3에 기재된 촉매 코팅액 함량을 기준으로, 상기 실시예와 동일한 촉매 코팅 함침 단계 조건 및 촉매 코팅 건조 단계 조건을 만족하는 촉매 코팅 단계를 실시하여 개질촉매를 제조하였다.
| 구분 | 프리 코팅액 함량 | 촉매 코팅액 함량 | |||||||
| 실리카졸 (g) |
알루미나졸 (g) |
물 (g) |
촉매파우더 (g) |
실리카졸 (g) |
알루미나졸 (g) |
물 (g) |
촉매파우더 (g) |
||
| 비교예1 | 150 | 25 | 25 | 2 | 1 | 2 | 100 | 10 | |
| 비교예2 | 175 | 0 | 25 | 2 | 1 | 2 | 100 | 10 | |
| 비교예3 | 125 | 50 | 25 | 2 | 1 | 2 | 100 | 10 | |
| 비교예4 | 75 | 100 | 25 | 2 | 1 | 2 | 100 | 10 | |
| 비교예5 | 87.5 | 87.5 | 25 | 2 | 1 | 2 | 100 | 10 | |
실험예1 : 개질촉매 CH
4
개질 반응 실시
상기 실시예1 내지 실시예4 및 상기 비교예1 내지 비교예5을 통하여 제작된 개질촉매를 사용하여 동일한 SCR(Steam to Cabon Ratio)반응 조건에서, GHSV(Gas Hourly Space Velocity) 2000, 개질반응 온도 750℃ 조건으로, CH4 개질 반응을 진행하였으며, 촉매효과 및 시간에 따른 안정성을 비교하기 위하여, CH4 gas (mol%)를 측정하여 표 4에 나타내었다.
| CH4 gas (mol%) | 5시간 | 10시간 | 15시간 | 20시간 |
| 실시예1 | 0.21 | 0.22 | 0.21 | 0.23 |
| 실시예2 | 0.47 | 0.47 | 0.47 | 0.46 |
| 실시예3 | 0.69 | 0.69 | 0.69 | 0.69 |
| 실시예4 | 0.33 | 0.38 | 0.37 | 0.38 |
| 비교예1 | 0.41 | 0.45 | 0.49 | 0.51 |
| 비교예2 | 0.43 | 0.46 | 0.49 | 0.51 |
| 비교예3 | 0.34 | 0.37 | 0.44 | 0.47 |
| 비교예4 | 0.28 | 0.24 | 0.24 | 0.34 |
| 비교예5 | 0.61 | 0.59 | 0.59 | 0.65 |
표 4를 참조하면, 본 발명에 따른 개질촉매를 적용하였을 때, (실시예1 내지 실시예4) 시간에 따른 CH4 gas (mol%) 농도의 변화가 매우 작음을 확인할 수 있다. 이에 따라, 단열재 지지체가 적용된 개질촉매의 시간에 따른 안정성을 확인할 수 있다.
이에 대비하여, 실리카졸 및 알루미나졸의 적정비율을 벗어난 비교예1 내지 비교예5의 시간에 따른 CH4 gas (mol%) 농도의 변화가 시간이 지남에 따라, 높아짐을 확인할 수 있어, 열안정성이 열악해졌음을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 개질촉매 중 프리 코팅액에 촉매파우더가 포함된 실시예1과, 프리 코팅액에 촉매파우더가 포함되지 않은 실시예4를 비교하였을 때, 실시예1 및 실시예4 모두 시간에 따른 CH4 gas (mol%)값이 안정적으로 유지됨을 확인할 수 있으나, 실시예1의 CH4 gas (mol%)값이 상대적으로 낮아, 반응량에 차이가 있음을 확인할 수 있다. 이에 따라, 상기 프리 코팅액에 촉매파우더가 적용될 경우 단열재 지지체가 적용된 개질촉매의 촉매 반응이 더 효과적으로 일어날 수 있음을 확인할 수 있다.
비교예7 : 펠렛형 촉매
2~3mm 크기의 펠렛 형태로 가공된 Al-Ru 3% (알루미나 - 루테늄 3%) 촉매량 기준 30g이 포함된 펠렛형 촉매 적용.
실험예2 : 개질촉매 CH
4
개질 반응 실시
상기 실시예1을 통하여 제작된 개질촉매 (촉매량 기준 9g) 및 상기 비교예7의 펠렛형 촉매를 사용하여 동일한 SCR(Steam to Cabon Ratio)반응 조건에서, GHSV(Gas Hourly Space Velocity) 2000, 개질반응 온도 750℃ 조건으로 CH4 개질 반응을 진행하였으며, 촉매효과 및 시간에 따른 안정성을 비교하기 위하여, CH4 gas (mol%)를 측정하여 표 5에 나타내었다.
| CH4 gas (mol%) | 5시간 | 10시간 | 15시간 | 20시간 |
| 실시예1 | 0.21 | 0.22 | 0.21 | 0.23 |
| 비교예7 | 0.31 | 0.33 | 0.33 | 0.34 |
표 5를 참조하면, 본 발명에 따른 개질촉매를 적용하였을 때 (실시예1) 및 종래의 촉매 형태인 팰렛형 촉매(비교예7)를 적용하였을 때, 시간에 따른 CH4 gas (mol%) 농도가 일정하게 유지됨을 확인할 수 있으며, 반응량도 유사함을 확인할 수 있다.
그러나, 유사한 반응량을 획득하기 위하여, 종래의 촉매 형태인 팰렛형 촉매(비교예7)는 본 발명에 따른 단열재 지지체가 적용된 개질촉매 대비 촉매량이 약 70% 정도 더 투입되었다. 이는 연료전지 기준 1kW의 전력을 생산하는데 있어, 본 발명에 따른 단열재 지지체가 적용된 개질촉매는 약90g의 촉매가 투입됨에 비하여, 종래의 촉매 형태인 팰렛형 촉매는 약300g의 촉매가 투입되야 함을 의미한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 단열재 지지체가 적용된 개질촉매를 적용하였을 때, 고가의 촉매 사용량을 줄일 수 있어 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.
실험예3 : 개질촉매 CH
4
개질 반응 장시간 실시
상기 실시예1을 통하여 제작된 개질촉매를 사용하여 동일한 SCR(Steam to Cabon Ratio)반응 조건에서, GHSV(Gas Hourly Space Velocity) 2000, 개질반응 온도 750℃ 조건으로, CH4 개질 반응을 진행하였으며, 촉매효과 및 시간에 따른 안정성을 비교하기 위하여, H2, CO, CO2 및 CH4 gas mol% 를 350시간동안 측정하여 도 2에 나타내었다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 개질촉매를 적용하였을 경우(실시예1) 장시간 고온에서 반응을 실행하여도 안정적으로 반응이 일어남을 확인할 수 있다.
상기 실험예1 내지 실험예3 을 통하여, 본 발명에 따른 단열재 지지체가 적용된 개질촉매의 코팅액의 효과적인 조성을 확인할 수 있으며, 종래의 펠렛형 촉매 대비 효과적이고, 안정적으로 발휘됨을 확인할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.
Claims (13)
- 수소 생산을 위한 개질촉매에 있어서,
실리카 및 알루미나를 포함하는 단열재 지지체에 프리 코팅액이 코팅 형성된 프리 코팅 단열재 지지체; 및
상기 프리 코팅 단열재 지지체에 코팅 형성되는 촉매 코팅액;을 포함하고,
상기 프리 코팅액은,
보강액 및 촉매파우더를 포함하되, 상기 보강액은 실리카졸 45.0~55.0 중량%, 알루마나졸 32.5~42.5 중량%, 및 잔량으로 용매를 포함하고, 상기 단열재 지지체 표면 기공을 치밀화 시키기 위해 적용되며,
상기 촉매 코팅액은,
무기바인더 2.6~5.2 중량% 및 잔량으로 촉매수용액을 포함하되, 상기 무기바인더는 실리카졸 및 알루미나졸이 1~4 : 2~4 중량 비율로 혼합되고, 상기 촉매수용액은 용매 및 촉매파우더를 포함하며,
상기 프리 코팅액 및 상기 촉매 코팅액에서 상기 촉매파우더는 알루미나 및 루테늄을 포함하는, 개질촉매.
- 청구항 1에 있어서,
상기 보강액 및 상기 촉매파우더는 98.0~99.9 : 0.1~2.0 의 중량 비율로 혼합되는,
개질촉매.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 촉매수용액은 용매 및 촉매파우더가 89~91 : 9~11 중량 비율로 혼합되는,
개질촉매.
- 삭제
- 삭제
- 수소 생산을 위한 개질촉매 제조방법에 있어서,
실리카 및 알루미나를 포함하는 단열재 지지체에 프리 코팅액을 코팅하여 프리 코팅 단열재 지지체를 제조하는 프리 코팅 단계;
상기 프리 코팅 단열재 지지체를 가열하여 소성하는 소성 단계; 및
상기 프리 코팅 단열재 지지체에 촉매 코팅액을 코팅하여 개질촉매를 제조하는 촉매 코팅 단계;를 포함하고,
상기 프리 코팅액은,
보강액 및 촉매파우더를 포함하되, 상기 보강액은 실리카졸 45.0~55.0 중량%, 알루마나졸 32.5~42.5 중량%, 및 잔량으로 용매를 포함하고, 상기 단열재 지지
체 표면 기공을 치밀화 시키기 위해 적용되며,
상기 촉매 코팅액은,
무기바인더 2.6~5.2 중량% 및 잔량으로 촉매수용액을 포함하되, 상기 무기바인더는 실리카졸 및 알루미나졸이 1~4 : 2~4 중량 비율로 혼합되고, 상기 촉매수용액은 용매 및 촉매파우더를 포함하며,
상기 프리 코팅액 및 상기 촉매 코팅액에서 상기 촉매파우더는 알루미나 및 루테늄을 포함하는, 개질촉매 제조방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 프리 코팅 단계는,
상기 단열재 지지체를 상기 프리 코팅액에 함침하는 프리 코팅 함침 단계; 및
상기 프리 코팅 함참 단계 완료 후 상기 단열재 지지체를 건조시키는 프리 코팅 건조 단계;를 포함하되,
상기 프리 코팅 함침 단계 및 상기 프리 코팅 건조 단계는 적어도 1회 이상 포함하는,
개질촉매 제조방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 소성 단계는,
상기 프리 코팅 단열재 지지체를 가열하되, 5~10℃승온 속도로 700~1,000℃까지 상승시킨 후 6~12시간 동안 유지하는,
개질촉매 제조방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 촉매 코팅 단계는,
상기 프리 코팅 단열재 지지체를 상기 촉매 코팅액에 함침하는 촉매 코팅 함침 단계; 및
상기 촉매 코팅 함참 단계 완료 후 상기 프리 코팅 단열재 지지체를 건조시키는 촉매 코팅 건조 단계;를 포함하되,
상기 촉매 코팅 함침 단계 및 상기 촉매 코팅 건조 단계는 적어도 1회 이상 포함하는,
개질촉매 제조방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 개질촉매를 550~750℃, 2~4시간 동안 가열하여 잔여 유기물 제거하는 유기물 제거 단계를 더 포함하는,
개질촉매 제조방법.
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