KR19990024978A - Iron Supported Zeolite Catalysts for Hydrocarbon Production - Google Patents

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남상성
이규완
최대호
최명재
김호
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이서봉
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Abstract

본 발명은 탄화수소 제조용 철담지 제올라이트 촉매에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이온교환된-Y 제올라이트를 담지체로 사용하고 주촉매로서 철을 담지시켜 제조함으로써 이산화탄소의 수소화 반응에 의한 탄화수소의 제조공정에서 촉매로 사용하는 경우 이산화탄소의 전환율, 올레핀 선택도 및 선택적인 C2+탄화수소의 합성을 크게 향상시킬 수 있도록 개선된 탄화수소 제조용 철담지 제올라이트 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to an iron-supported zeolite catalyst for the production of hydrocarbons, and more particularly, using an ion-exchanged-Y zeolite as a support and preparing iron as a main catalyst to produce a hydrocarbon in the process of producing a hydrocarbon by a hydrogenation reaction of carbon dioxide. When used, the invention relates to an iron-supported zeolite catalyst for the production of hydrocarbons which is capable of significantly improving the conversion of carbon dioxide, olefin selectivity and the synthesis of selective C 2+ hydrocarbons.

Description

탄화수소 제조용 철담지 제올라이트 촉매Iron Supported Zeolite Catalysts for Hydrocarbon Production

본 발명은 탄화수소 제조용 철담지 제올라이트 촉매에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이온교환된-Y 제올라이트를 담지체로 사용하고 주촉매로서 철을 담지시켜 제조함으로써 이산화탄소의 수소화 반응에 의한 탄화수소의 제조공정에서 촉매로 사용하는 경우 이산화탄소의 전환율, 올레핀선택도 및 선택적인 C2+탄화수소의 합성을 크게 향상시킬 수 있도록 개선된 탄화수소 제조용 철담지 제올라이트 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to an iron-supported zeolite catalyst for the production of hydrocarbons, and more particularly, using an ion-exchanged-Y zeolite as a support and preparing iron as a main catalyst to produce a hydrocarbon in the process of producing a hydrocarbon by a hydrogenation reaction of carbon dioxide. When used, the invention relates to an iron-supported zeolite catalyst for the production of hydrocarbons which is capable of significantly improving the conversion of carbon dioxide, olefin selectivity and synthesis of selective C 2+ hydrocarbons.

이산화탄소, 메탄가스등 온실효과기체(green house effect gases)의 농도가 대기중에서 상승함으로써 야기되는 지구온난화 문제는 지구에 갖가지 영향을 초래하는 심각한 문제가 되어가고 있다. 현재 지구온난화 문제에 관한 최신의 지식을 쌓아온 IPCC(기후변화에 관한 정부간 패널)보고서에 의하면, 앞으로 특별대책이 마련되지 않을 경우 지구 전체 평균적으로 21세기중에는 10년마다 약 0.3℃씩 온도가 상승하고, 2025년까지는 약 1℃ 상승하며, 21세기말경에는 약 3℃상승이 유력하다는 것이다. 최근 세계 곳곳에서 발생하고 있는 기상이변을 비롯하여 여러 지구환경에 대한 악영향(기상변화에 의한 농작물의 피해, 강수량의 변화, 생태계의 파괴, 해수면의 상승)은 온실효과기체에 의하여 유발된 지구온난화 진행에 의한 것으로 분석되고 있으며 이러한 지구온난화는 언젠가는 인류의 생존마저 위협하게 될 것으로 관측되고 있다.The global warming problem caused by rising concentrations of green house effect gases such as carbon dioxide and methane gas in the atmosphere is becoming a serious problem causing various effects on the earth. According to the IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) report, which has accumulated up-to-date knowledge of global warming issues, the average temperature in the world will rise by about 0.3 ° C every 10 years in the 21st century if no special measures are taken. By 2025, it will rise by about 1 ° C, and by the end of the 21st century, it will be about 3 ° C. The recent adverse weather effects on the global environment, including extreme weather events that occur in various parts of the world, include damage to crops, changes in precipitation, destruction of ecosystems, and rising sea levels due to meteorological changes. Global warming is expected to threaten human survival someday.

이에 지난 92년 6월 유엔환경개발회의에서 세계기후변화협약이 채택되었고 94년 3월 21일 이 협약이 공식 발효되어 지구온난화에 영향을 미치는 온실효과기체들의 발생량을 규제하기에 이르렀다. 이들 온실효과기체는 급격한 산업발달로 인하여 발생량이 크게 증가한 것들로서 여기에는 CO2, CH4, CFC, NOx, SOx등의 여러 기체들이 있다. 그 중에서 이산화탄소는 전체 온실효과에 대한 기여도가 50% 이상인 것으로 알려져 있어 가장 심각한 환경오염원중의 하나이다. 따라서 대기 중으로 대량으로 방출되고 있는 이산화탄소의 양을 제어하거나 또는 이를 이용하고자 하는 노력이 절실히 요구되고 있다.The UN Convention on Climate Change was adopted at the United Nations Conference on Environment and Development in June 1992, and on March 21, 1994, the Convention entered into force to regulate the generation of greenhouse gases that affect global warming. These greenhouse gases have been greatly increased due to rapid industrial development, and there are various gases such as CO 2 , CH 4 , CFC, NO x and SO x . Among them, carbon dioxide is known to contribute more than 50% to the overall greenhouse effect, which is one of the most serious environmental pollution sources. Therefore, efforts to control or utilize the amount of carbon dioxide emitted in large quantities to the atmosphere are urgently required.

현재 대기중의 이산화탄소의 농도는 산업혁명 이전의 280ppm에서 353ppm으로 증가하였다. 이에 대기중 이산화탄소 농도 증가 방지를 위하여 전세계적인 적극적인 대책과 더불어 화석연료의 사용량이나 이산화탄소의 발생량을 규제하여 지구환경을 보존하고자 하는 움직임이 점차 활발히 전개되고 있다. 그러나, 현재의 산업체계를 볼 때 실제 통계에 의하면 세계 각국 에너지원의 73%가 석유나 석탄등의 화석연료에 의존하고 있어 이산화탄소의 발생을 유발시키는 화석연료나 원료를 사용하는 것은 상당히 오래 지속될 것으로 예상되기 때문에 이산화탄소의 방출원의 근본적인 차단은 현 시점에서 불가능하다 할 수 있다. 그러므로 화석연료의 연소로 발생한 이산화탄소를 재이용하여 연료나 유용한 화합물로 전환시키는 기술개발이 시급하다.At present, the concentration of carbon dioxide in the atmosphere has increased from 280ppm to 353ppm before the Industrial Revolution. In order to prevent the increase of carbon dioxide concentration in the air, there are active measures to conserve the global environment by regulating the amount of fossil fuel used or the amount of carbon dioxide generated, along with active measures around the world. However, in the current industrial system, actual statistics show that 73% of the world's energy sources rely on fossil fuels such as oil and coal, so the use of fossil fuels and raw materials that generate carbon dioxide will continue to be quite long. As expected, fundamental blocking of the source of carbon dioxide is impossible at this point. Therefore, there is an urgent need to develop technologies to recycle carbon dioxide from burning fossil fuels into fuels or useful compounds.

따라서, 이산화탄소의 방출을 저감시키기 위해서는 화석연료를 사용하지 않는 대체 청정에너지의 개발과 함께, 일시적 내지는 보완적인 대책으로서 방출되는 이산화탄소의 회수 및 재활용 등이 그 대안으로 제시되고 있다. 이에 따라, 현재 이산화탄소의 회수와 재활용에 대한 연구가 전세계적으로 활발히 진행되고 있다.Therefore, in order to reduce the emission of carbon dioxide, alternative alternative energy has been proposed along with the development of alternative clean energy that does not use fossil fuels, and the release and recycling of carbon dioxide released as a temporary or complementary measure. Accordingly, research on the recovery and recycling of carbon dioxide is actively being conducted worldwide.

현재 이산화탄소의 재활용 방법에는 여러 가지 연구가 진행되고 있으며 그 중 이산화탄소의 수소화에 의한 화학적 고정화는 연료와 자원을 동시에 제공하기 때문에 기존의 산업체계를 크게 변화시키지 않으면서 화석연료를 사용할 때의 편리함을 유지시킬 수 있다는 장점이 있다. 상기 이산화탄소의 수소화에 의한 화학적 고정화로서 가장 많이 연구되는 분야는 수소화에 의한 메탄올 합성과 탄화수소의 합성이 있다.Currently, various researches are being conducted on the recycling method of carbon dioxide. Among them, chemical immobilization by hydrogenation of carbon dioxide provides fuel and resources at the same time, thus maintaining the convenience of using fossil fuel without significantly changing the existing industrial system. The advantage is that you can. The fields most studied as chemical immobilization by hydrogenation of carbon dioxide include methanol synthesis and hydrogenation by hydrogenation.

메탄올의 합성은 그 연구가 활발하여 상당한 진전이 있어서 실용화단계에 이르렀으나, 합성의 열역학적 한계로 인하여 메탄올로의 전환율을 증가시키기 어려우며 또한 연료로서의 효용 가치에도 한계점이 있는 문제가 있다.Methanol synthesis has been actively studied and has made considerable progress, and has been put into practical use. However, due to the thermodynamic limitations of the synthesis, it is difficult to increase the conversion to methanol, and there is a problem in that the utility value as a fuel has limitations.

한편, 탄화수소의 합성은 메탄올에 비하면 열역학적인 제한도 훨씬 작게 받을 뿐만 아니라, 현재의 에너지원 및 석유화학공업의 원료로 대체할 수 있다는 장점이 있다. 탄화수소의 합성 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있다.On the other hand, the synthesis of hydrocarbons not only receive much less thermodynamic restrictions than methanol, but also has the advantage that it can be replaced by the current energy source and raw materials of the petrochemical industry. There are two main methods of synthesizing hydrocarbons.

첫 번째 방법으로는 이산화탄소를 전환시켜 메탄올을 합성하고 또한 생성된 메탄올의 연속적인 반응을 통하여 탄화수소 화합물을 합성하는 2단계 합성법이고[일본특허 공개공보 평 11-190,638호, 일본특허 공개공보 평 4-120,191호], 두 번째 방법으로는 이산화탄소와 수소를 반응시켜 탄화수소를 직접적으로 합성하는 방법이다[G, A, Somorjai, J. Catal, 52, 291(1978); C. H. Bartholomew., J. Catal, 52, 291(1978); M. D. Lee, Bull. Chem. Soc. Jpn., 62, 2756(1989)].The first method is a two-step synthesis method of synthesizing methanol by converting carbon dioxide and synthesizing a hydrocarbon compound through a continuous reaction of the produced methanol [Japanese Patent Laid-Open No. 11-190,638; 120,191], and the second method is to directly synthesize hydrocarbons by reacting carbon dioxide with hydrogen [G, A, Somorjai, J. Catal, 52, 291 (1978); C. H. Bartholomew., J. Catal, 52, 291 (1978); M. D. Lee, Bull. Chem. Soc. Jpn., 62, 2756 (1989).

실제로 메탄올의 연속반응을 통한 탄화수소 화합물을 합성하는 반응에 대한 연구는 기존의 일산화탄소와 수소의 합성가스로부터 메탄올을 합성하는 것과 매우 유사하며 낮은 압력조건에서 높은 촉매활성을 보이는 CuO/ZnO/Al2O3촉매계를 이용한 많은 연구결과가 보고되고 있다[G.C.Chichen, C.M.Hay, H.D.Vandervell, K.C.Waugh, J. Catal., 103, 79(1987)].In fact, the study of synthesizing hydrocarbon compounds through the continuous reaction of methanol is very similar to synthesizing methanol from the synthesis gas of carbon monoxide and hydrogen and shows high catalytic activity under low pressure conditions of CuO / ZnO / Al 2 O Many studies using 3 catalyst systems have been reported [GCChichen, CMHay, HDVandervell, KCWaugh, J. Catal., 103, 79 (1987)].

그러나, 이산화탄소로부터 탄화수소를 합성하는 방법은 기존의 합성가스로부터 가솔린 및 왁스를 생성하고 있는 피셔-트롭시(Fischer-Tropsch) 반응에 이용되고 있는 철, 코발트 등의 촉매를 이용하여 주로 탄소수가 1 인 메탄을 합성할 수는 있지만 탄소수 2 이상의 탄화수소로의 합성은 잘 일어나지 않는 방법으로 알려져 있다. 이것은 이들 화합물의 합성이 촉매표면탄소의 사슬성장으로부터 이루어지는 일산화탄소의 경우와는 달리 이산화탄소는 촉매표면에서의 높은 산소농도로 인한 촉매표면산소의 희석효과로 탄소사슬의 성장이 억제되기 때문으로 생각되고 있다.However, the method of synthesizing hydrocarbons from carbon dioxide mainly has a carbon number of 1, using catalysts such as iron and cobalt, which are used in Fischer-Tropsch reactions producing gasoline and waxes from existing syngas. Although methane can be synthesized, synthesis with hydrocarbons having 2 or more carbon atoms is not known. It is thought that carbon dioxide is inhibited from carbon chain growth due to the dilution of catalyst surface oxygen due to the high oxygen concentration at the surface of the catalyst, unlike the case of carbon monoxide, which is synthesized from chain growth of catalyst surface carbon. .

한편, 이산화탄소로부터 탄소수가 2 이상인 화합물을 합성하기 위한 방법으로는 철, 코발트 등의 촉매를 이용하여 피셔-트롭시(Fischer-Tropsch) 반응을 유도하는 직접적인 방법과 이산화탄소로부터 메탄올을 합성하는데 활성을 나타내는 촉매와 메탄올로부터 가솔린의 합성(Methanol-To-Gasoline, MTG)에 높은 활성을 보이는 촉매로 구성된 혼성촉매를 이용한 단계적 방법이 제시되고 있다.Meanwhile, as a method for synthesizing a compound having two or more carbon atoms from carbon dioxide, a direct method of inducing a Fischer-Tropsch reaction using a catalyst such as iron and cobalt and an activity of synthesizing methanol from carbon dioxide are shown. A stepwise method using a hybrid catalyst composed of a catalyst and a catalyst showing high activity in the synthesis of gasoline from methanol and methanol (Methanol-To-Gasoline, MTG) has been proposed.

그러나, 종래의 이산화탄소로부터 직접적인 방법에 의한 저분자량의 올레핀 및 가솔린 등의 고부가가치 탄화수소로의 전환반응은 촉매표면산소의 희석효과로인해 탄소사슬의 성장이 억제되는 기술상의 문제가 있어 이를 개선할 수 있는 대책이 필요하게 되었다.However, the conversion of carbon dioxide from high-value hydrocarbons such as olefins and gasoline, which is a direct method by conventional methods, has a technical problem that the growth of carbon chain is suppressed due to the dilution of catalytic surface oxygen. The countermeasure that there was was necessary.

본 발명은 종래의 이산화탄소의 수소화반응에 의한 탄화수소의 제조방법에서 나타나는 상기의 문제점들을 해결하고자 이산화탄소의 수소화반응에서 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐 등의 알칼리 금속을 조촉매로 사용하고 상기 알칼리 금속으로 이온교환된-Y 제올라이트를 담지체로 사용하여 철을 담지시켜서 된 촉매로써, 탄화수소 제조시에 높은 촉매활성 및 올레핀 선택도를 나타내고 탄소수 2 이상의 탄화수소를 합성할 수 있도록 새롭게 개선된 탄화수소 제조용 철담지 제올라이트 촉매를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention uses an alkali metal such as lithium, sodium, potassium, rubidium as a cocatalyst in the hydrogenation of carbon dioxide as a co-catalyst in order to solve the above problems in the conventional method for producing a hydrocarbon by the hydrogenation reaction of carbon dioxide and ion to the alkali metal Iron-supported catalyst using exchanged-Y zeolite as a support, which has high catalytic activity and olefin selectivity in the preparation of hydrocarbons and newly improved iron-supported zeolite catalyst for hydrocarbon production to synthesize hydrocarbons having 2 or more carbon atoms. The purpose is to provide.

본 발명은 철을 이용한 탄화수소 제조용 촉매에 있어서, 조촉매인 알칼리 금속으로 이온교환된 제올라이트 담지체에 주촉매로써 철이 담지되어 있고 환원 및 활성화되어 이루어진 탄화수소 제조용 철담지 제올라이트 촉매에 그 특징이 있다.The present invention is characterized in that an iron-supported zeolite catalyst for producing hydrocarbons, in which iron is supported as a main catalyst in a zeolite carrier ion-exchanged with an alkali metal as a promoter and reduced and activated in a catalyst for hydrocarbon production using iron.

또한, 본 발명은 이산화탄소로부터 촉매를 이용하여 탄화수소를 제조하는 방법에 있어서, 200 ∼ 500℃의 반응온도와 1 ∼ 50 기압의 반응압력 조건하에서 상기의 철담지 제올라이트 촉매상에서 이산화탄소와 수소가 1 : 1.0 ∼ 5.0 부피비로 혼입된 혼합기체를 1000 ∼ 2000 ㎖/ (g-촉매·시간)의 공간속도로 유입시켜 이산화탄소의 수소화반응을 수행하는 탄화수소의 제조방법을 또 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention is a method for producing a hydrocarbon using a catalyst from carbon dioxide, carbon dioxide and hydrogen on the iron-supported zeolite catalyst under the reaction temperature of 200 to 500 ℃ and reaction pressure of 1 to 50 atm: 1: 1.0 Another aspect of the present invention is a method for producing a hydrocarbon in which a mixed gas mixed at a volume ratio of -5.0 is introduced at a space velocity of 1000 to 2000 ml / (g-catalyst / hour) to perform hydrogenation of carbon dioxide.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described in more detail as follows.

본 발명에서 촉매계를 구성하기 위하여 담지체로 사용되는 제올라이트는 그 자체의 강한 산도로 인해 이산화탄소의 흡착량을 저하시킬 뿐 아니라 표면탄소의 사슬성장을 방해하기 때문에 그 응용의 선례가 많지 않았다. 그러나, 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 알칼리 금속을 제올라이트에 이온교환시킴으로써 담지체와 전반적인 촉매계의 산도를 조절하였으며, 동시에 알칼리 금속이 조촉매로 작용하여 표면탄소의 사슬성장과 올레핀 선택도에 그 효과가 있음을 알게되었다. 일반적으로 알칼리 금속은 전자부여능력이 서로 다르기 때문에 이를 이용하면 생성물의 분포도를 조절할 수 있어 공업적으로 그 활용가치의 가능성이 크다고 할 수 있다.In the present invention, zeolite used as a support for constituting the catalyst system has not been precedent for its application because it not only lowers the adsorption amount of carbon dioxide due to its strong acidity but also hinders the growth of surface carbon. However, in the present invention, in order to solve this problem, the acidity of the support and the overall catalyst system was controlled by ion exchange of alkali metal to zeolite, and at the same time, alkali metal acted as a promoter to improve the chain growth and olefin selectivity of surface carbon. I found it effective. In general, alkali metals have different electron donating abilities, which can be used to control the distribution of products.

제올라이트의 넓은 표면적과 분산능력으로 인하여 촉매활성금속인 철이 제올라이트 표면에 균일한 크기로 고르게 담지되어 촉매의 활성도가 증가한다. 이에 따르는 부수적인 효과로서 알칼리 금속을 이온교환법으로 담지하는 경우는 함침법으로 담지하는 경우와 비교하여 보다 월등히 표면에 고르게 분산되며 고온의 환원과정에서 발생되는 촉매표면에서의 소결(sintering)현상으로 인한 표면적 감소현상이 작아지는 장점이 있다.Due to the large surface area and the dispersibility of the zeolite, iron, which is a catalytically active metal, is evenly supported on the surface of the zeolite in a uniform size, thereby increasing the activity of the catalyst. As a side effect, alkali metals are supported by ion-exchange, which is more evenly dispersed on the surface than impregnated, and due to sintering at the surface of the catalyst generated during high temperature reduction There is an advantage that the surface area reduction phenomenon is reduced.

본 발명에 따르면, 이산화탄소의 수소화 반응에서 이산화탄소의 화학흡착량 증가를 극대화시키기 위하여 제올라이트에 적용되는 알칼리 금속의 담지량이 피셔-트롭시(Fischer-Tropsch) 반응(알칼리금속 : 철의 원자비 = 1 : 10)과는 달리 조촉매로서의 범위를 크게 넘고 있는데, 그렇다고 하여 지나치게 과량이면 제올라이트 표면에서 알칼리 금속의 이동(migration)으로 인해 촉매활성금속인 철의 표면적이 감소된다. 따라서, 일정범위(알칼리금속 : 철 = 1 : 2의 원자비)의 담지량을 넘어서게 되면 오히려 이산화탄소의 흡착량이 감소하는 것이 발견된다[Glen Connell, J. A. Dumesic, J. catal., 92, 17(1985); P. H. Choi, K. W. Jun, S. J. Lee, M. J. Choi, K. W. Lee, Catal. Letters, 40, 115(1996)]. 그래서 이온교환법으로 제올라이트에 알칼리 금속을 담지하게 될 경우 담지체와의 정전기적인 평형을 이루기 위한 상호작용으로 인하여 알칼리 금속이 촉매표면에서 고정화됨에 따라 상기의 문제들이 해결될 수 있다.According to the present invention, in order to maximize the increase in the amount of chemisorption of carbon dioxide in the hydrogenation of carbon dioxide, the amount of alkali metal applied to the zeolite is Fischer-Tropsch reaction (alkali metal: atomic ratio of iron = 1: 1: Unlike 10), it greatly exceeds the range as a cocatalyst. However, when excessively excessive, the surface area of iron, which is a catalytically active metal, is reduced due to the migration of alkali metals on the zeolite surface. Therefore, it is found that the adsorption amount of carbon dioxide decreases when it exceeds the supported amount (alkaline metal: iron = 1: 2 atomic ratio) [Glen Connell, JA Dumesic, J. catal., 92, 17 (1985). ; P. H. Choi, K. W. Jun, S. J. Lee, M. J. Choi, K. W. Lee, Catal. Letters, 40, 115 (1996)]. Thus, when the alkali metal is supported on the zeolite by ion exchange, the above problems may be solved as the alkali metal is immobilized on the catalyst surface due to the interaction for achieving an electrostatic equilibrium with the support.

이와 같은 본 발명을 그 촉매의 제조과정에 의거하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described in more detail based on the preparation of the catalyst as follows.

제 1 과정은 제올라이트를 제조하는 과정이다.The first process is to prepare a zeolite.

제올라이트는 Y형 뿐만 아니라 X형도 사용할 수 있으며, X형을 사용하였을 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 합성하는 방법은 미국특허 제 3,130,009 호에 개시된 합성방법에 의하여 합성할 수 있다.Zeolite can be used in addition to the Y-type and X-type, even when the X-type can be used to obtain the same effect. Synthesis method can be synthesized by the synthesis method disclosed in US Patent No. 3,130,009.

Y형 제올라이트를 예로 들어 그 제조과정을 설명한다.The production process will be described taking Y-type zeolite as an example.

제올라이트와 나트륨의 조성비는 다음 수학식 1에 나타낸 바와 같다.The composition ratio of zeolite and sodium is as shown in Equation 1 below.

단, α는 2.4 ∼ 7.0이고, β는 6.1 ∼ 10이고, γ는 95 ∼ 280이다.However, (alpha) is 2.4-7.0, (beta) is 6.1-10, (gamma) is 95-280.

제 2 과정으로는 상기에서 제조된 Na-Y 제올라이트를 모체로 사용하여 각각의 알칼리 금속에 대하여 이온교환을 수행하여 각각 Li-Y, Na-Y, K-Y, Rb-Y 제올라이트를 합성하는 과정이다.As a second process, Li-Y, Na-Y, K-Y, and Rb-Y zeolites are synthesized by ion-exchanging the respective alkali metals using the Na-Y zeolite prepared as a parent.

이온교환을 위한 출발물질로는 상기 방법으로 합성된 Na-Y 제올라이트를 이용한다. 리튬으로 치환된 형태의 제올라이트를 합성하기 위해서는 상기 합성된 Na-Y 제올라이트를 0.5M LiNO3용액(예컨대, 250㎖)에 가하고 80 ∼ 85℃에서 10 ∼ 12시간동안 수회, 예컨대 3회 이온교환하여 Li-Y 제올라이트를 제조한다.As a starting material for ion exchange, Na-Y zeolite synthesized by the above method is used. To synthesize a lithium-substituted zeolite, the synthesized Na-Y zeolite was added to a 0.5 M LiNO 3 solution (eg, 250 mL) and ion-exchanged several times, for example, three times at 80 to 85 ° C. for 10 to 12 hours. Prepare a Li-Y zeolite.

또한 K+, Rb+으로 각각 이온교환된 제올라이트 역시 상기 리튬으로 치환된 제올라이트를 제조하는 방법과 동일한 방법으로 제조하게 되는데, Na-Y 제올라이트를 0.5M KNO3, 0.5M RbNO3용액에 가하고 80 ∼ 85℃에서 10 ∼ 12시간동안 수회 이온교환하여 K-Y, Rb-Y 제올라이트를 각각 제조한다.In addition, zeolites ion-exchanged with K + and Rb + , respectively, are also prepared by the same method as for preparing a lithium-substituted zeolite. Na-Y zeolite is added to a 0.5M KNO 3 , 0.5M RbNO 3 solution and then 80 to KY and Rb-Y zeolites were prepared by ion exchange several times at 85 ° C. for 10 to 12 hours.

제 3 과정으로는 상기 알칼리 금속으로 이온교환된 제올라이트를 담지체로 하고 철을 촉매로 사용하여 철이 침지된 촉매를 제조하는 과정이다.As a third process, a catalyst in which iron is immersed is prepared by using the zeolite ion-exchanged with the alkali metal as a carrier and iron as a catalyst.

먼저, 철이 함유된 염 수용액을 제조하고, 철의 침전방지를 위해 이 용액의 pH를 1 ∼ 3 로 유지시킨 다음 상기 방법으로 제조된 알칼리 금속으로 이온교환된 Y 제올라이트 담지체에 함침시킨다.First, an aqueous salt solution containing iron is prepared, and the pH of this solution is maintained at 1 to 3 to prevent precipitation of iron, and then impregnated in the Y zeolite carrier ion-exchanged with alkali metal prepared by the above method.

그런다음 제 4 과정으로는 건조 및 소성과정이다.Then, the fourth process is drying and firing.

건조 및 소성은 100 ∼ 150℃에서 12시간 건조시키고 450 ∼ 550℃에서 12 ∼ 24시간 소성하여 철담지 제올라이트 촉매를 제조한다. 이때, 철 함유염은 염화철, 질산철, 황산철, 아세트산철 및 옥살산철 중에서 선택된 1 종을 사용하며, 철의 침지 함량은 담지체에 대하여 10 ∼ 30 중량% 함유하는 것이 바람직하다.Drying and baking are dried at 100-150 degreeC for 12 hours, and baked at 450-550 degreeC for 12 to 24 hours, and an iron supported zeolite catalyst is manufactured. At this time, the iron-containing salt is used one selected from iron chloride, iron nitrate, iron sulfate, iron acetate and iron oxalate, the iron immersion content is preferably contained 10 to 30% by weight based on the carrier.

만일 철의 침지함량이 10 중량% 미만이면 촉매활성에 문제가 있고, 30 중량%를 초과하면 촉매표면에서의 분산도에 문제가 생긴다. 또한 pH가 상기 범위를 벗어나게 되면 철이 담지체에 담지되기전 침전되는 현상이 발생한다.If the iron immersion content is less than 10% by weight, there is a problem in the catalytic activity, and if it exceeds 30% by weight, there is a problem in the degree of dispersion on the catalyst surface. In addition, when the pH is out of the above range, a phenomenon occurs in which iron is precipitated before being supported on the carrier.

이와 같이 제조된 철담지 제올라이트 촉매는 적절한 반응전 처리과정을 수행하여야 하는데, 반응전 처리는 촉매의 환원과정 및 활성화 과정으로 이루어진다.The iron-supported zeolite catalyst prepared as described above should be subjected to an appropriate pre-reaction treatment. The pre-reaction treatment consists of a reduction process and an activation process of the catalyst.

먼저 촉매의 환원과정은 1 ∼ 20 기압, 250 ∼ 600℃ 온도에서 수소를 1,000 ∼ 2,000 ㎖/g-촉매·시간 유속으로 12 ∼ 16 시간 동안 촉매에 흘려주는 과정으로서, 환원과정을 거쳐 촉매중의 산화철이 금속상태로 변하게 된다.First, the reduction of the catalyst is a process of flowing hydrogen to the catalyst for 12 to 16 hours at a flow rate of 1,000 to 2,000 ml / g-catalyst and time at a temperature of 1 to 20 atm and 250 to 600 ° C. Iron oxide is changed into a metal state.

또한 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 반응에 있어서 촉매가 높은 활성을 나타내도록 하기 위해서는 촉매의 활성화 과정을 거치게 되는데, 촉매의 활성화 과정은 10 ∼ 50 기압, 200 ∼ 500℃ 온도에서 수소와 이산화탄소가 1 : 20 의 부피비로 혼입된 혼합기체를 1,000 ∼ 2,000 ㎖/(g-촉매·시간) 유속으로 촉매에 1 ∼ 2 시간 동안 흘려준 후, 1 ∼ 20 기압 및 200 ∼ 500℃ 온도에서 아르곤, 헬륨 등의 비활성 기체를 1,000 ∼ 1,800 ㎖/(g-촉매·시간)의 유속으로 촉매에 흘려주면서 1 ∼ 2 시간 동안 흘려 주어 활성화 반응시킨다.In addition, in order to show high activity of the catalyst in the conversion reaction of carbon dioxide to hydrocarbons, a catalyst is activated. The catalyst is activated at a temperature of 10 to 50 atm and at a temperature of 200 to 500 ° C. for 1: 20 After flowing the mixed gas mixed at a volume ratio of 1 to 2 hours at a flow rate of 1,000 to 2,000 ml / (g-catalyst and hour) for 1 to 2 hours, inertness such as argon and helium at a temperature of 1 to 20 atm and 200 to 500 ° C The gas is flowed for 1 to 2 hours while flowing the catalyst at a flow rate of 1,000 to 1,800 ml / (g-catalyst / hour) to activate the reaction.

이러한 촉매의 환원과정 및 활성화 과정을 거친 촉매는 혼합금속이 탄화된 상태로 존재하여 이산화탄소의 활성화에 효과적으로 작용하게 된다.The catalyst that has undergone the reduction and activation of such a catalyst is present in the carbonized state of the mixed metal to effectively activate the carbon dioxide.

한편, 상기와 같은 본 발명에 따른 철담지 제올라이트를 사용하여 탄화수소를 제조하는 방법은 다음과 같다.On the other hand, the method for producing a hydrocarbon using the iron-supported zeolite according to the present invention as described above is as follows.

본 발명에 따른 이산화탄소와 수소의 혼합기체를 촉매존재하에서 탄화수소로 전환하는 데 있어서 반응기로는 기상의 고정층 반응기, 유동층 반응기 및 액상의 슬러리 형태의 반응기 중 선택된 1 종의 것을 사용할 수 있다. 그리고 반응조건으로는 원료기체인 이산화탄소와 수소가 1 : 1.0 ∼ 5.0 부피비로 혼합되도록 한다. 그리고, 반응온도는 200 ∼ 500℃, 반응압력은 1 ∼ 80 기압, 공간속도는 1,000 ∼ 2,000 ㎖/g-촉매·시간에서 이산화탄소의 수소화반응을 진행하여 탄화수소를 제조한다.In converting a mixed gas of carbon dioxide and hydrogen according to the present invention into a hydrocarbon in the presence of a catalyst, one of the reactor selected from a fixed gas phase fixed bed reactor, a fluidized bed reactor, and a liquid slurry type reactor may be used. As the reaction conditions, carbon dioxide and hydrogen, which are raw materials, are mixed at a volume ratio of 1: 1.0 to 5.0. The reaction temperature is 200 to 500 ° C., the reaction pressure is 1 to 80 atmospheres, and the space velocity is hydrogenated to carbon dioxide at 1,000 to 2,000 ml / g-catalyst / hour to produce a hydrocarbon.

이때, 혼합기체의 부피비가 상기 범위를 벗어나면 높은 전환율을 기대할 수 없으며, 반응온도가 200℃ 미만이면 반응속도가 충분하지 못하여 전환율이 낮아지고, 반응온도가 500℃를 초과하면 작은 분자의 생성이 유리하여 다량의 메탄이 생성되므로 C2+의 선택성이 작아진다. 또한 반응압력이 1기압 미만이면 반응속도가 너무 느리고 부산물인 메탄이 다량 생성되며, 80기압을 초과하면 반응 운전상의 문제점이 발생될 수 있다. 그리고 공간속도는 상기 범위를 벗어나게 되면 접촉시간에 대한 조건의 변화로 인해 전환율에 대한 문제가 발생한다.At this time, if the volume ratio of the mixed gas is out of the above range, high conversion cannot be expected. If the reaction temperature is less than 200 ° C., the reaction rate is insufficient and the conversion rate is low. If the reaction temperature exceeds 500 ° C., small molecules are not produced. It is advantageous that a large amount of methane is produced, thus reducing the selectivity of C 2+ . In addition, if the reaction pressure is less than 1 atm, the reaction rate is too slow and a large amount of by-product methane is produced. If the pressure exceeds 80 atm, problems in the reaction operation may occur. And if the space velocity is out of the above range, a problem about the conversion rate occurs due to the change of the conditions for the contact time.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 철담지 제올라이트 촉매는 이산화탄소의 수소에 의한 촉매 환원반응에 사용되어 수소에 의한 촉매의 환원과정을 통하여 제올라이트 담지상에서 금속으로 만들어지고, 이산화탄소와 수소의 혼합기체를 통한 활성화 과정을 거쳐 탄화된 금속으로 만들어진다.As described above, the iron-supported zeolite catalyst according to the present invention is used for the catalytic reduction reaction of carbon dioxide with hydrogen, and is made of metal on the zeolite support through the reduction process of the catalyst with hydrogen, and mixed gas of carbon dioxide and hydrogen Through activation process, it is made of carbonized metal.

상기의 반응조건하에서 이산화탄소를 수소에 의해 촉매환원 반응시켜 본 발명에 따른 탄화수소를 제조하였으며 이는 기존의 방법에서 제조한 탄화수소와 비교하여 향상된 이산화탄소의 전환율과 올레핀 선택도, 그리고 선택적인 C2+탄화수소의 합성을 보여주고 있다.Under the above reaction conditions, a hydrocarbon according to the present invention was prepared by catalytic reduction of carbon dioxide with hydrogen, which improved carbon dioxide conversion, olefin selectivity, and selective C 2+ hydrocarbon compared to the hydrocarbon prepared by the conventional method. It shows synthesis.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to Examples.

제조예Production Example

Na-Y 제올라이트는 미국특허 제 3,130,009 호에 개시된 합성방법으로 제조하고 Li+, K+, Rb+로 치환된 형태의 제올라이트는 각각 상기에서 합성된 Na-Y 제올라이트 10g을 0.5M의 LiNO3, KNO3, RbNO3용액 250㎖에 가하고 85℃에서 12시간동안 3회 이온교환하여 Li-Y, K-Y, Rb-Y 제올라이트를 제조하였다. 그리고 수소로 치환된 형태의 제올라이트는 상기 합성된 Na-Y 제올라이트를 0.5M NH4NO3용액 250㎖에 가하고 85℃에서 12시간동안 3회 이온교환하여 NH4-Y 제올라이트를 만든 후 120℃에서 12시간동안 건조한 다음 350℃로 12시간 소성하여 탈암모니아(deammoniation)과정을 거쳐 H-Y 제올라이트를 제조하였다.Na-Y zeolite was prepared by the synthesis method disclosed in U.S. Patent No. 3,130,009, and the zeolites in the form of Li + , K + , Rb + substituted 10 g of Na-Y zeolite synthesized above were 0.5M LiNO 3 , KNO 3 , 250 mL of RbNO 3 solution was added and ion-exchanged three times at 85 ° C. for 12 hours to prepare Li-Y, KY, and Rb-Y zeolites. The zeolite of the hydrogen-substituted form was added to 250 mL of 0.5 M NH 4 NO 3 solution and ion-exchanged three times at 85 ° C. for 12 hours to form NH 4 -Y zeolite at 120 ° C. After drying for 12 hours and calcining at 350 ° C. for 12 hours, HY zeolite was prepared through deammoniation.

실시예 1Example 1

상기 제조예에서 제조된 Li-Y 제올라이트 담지체에 무게비로 20%가 함침된 촉매계를 만들기 위하여 5.4 g의 Fe(NO3)3·9H2O을 물에 완전히 녹여 전체용액이 60㎖가 되도록 맞춘 후 Li-Y 제올라이트 4 g을 상기에서 제조한 질산철 수용액에 가하였다. 이때 pH는 2.0 으로 유지시켰다. 생성된 수용액을 격렬한 교반과 동시에 60 ∼ 80 ℃로 유지시키면서 용액을 서서히 증발시켰다. 그런다음 120℃에서 12시간 건조후 450℃에서 12시간동안 공기 분위기 하에서 소성을 하여 철담지 제올라이트 촉매를 제조하였다.In order to make a catalyst system in which the Li-Y zeolite carrier prepared in the above preparation was impregnated with 20% by weight, 5.4 g of Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O was completely dissolved in water to make the total solution 60 ml. Then 4 g of Li-Y zeolite was added to the aqueous solution of iron nitrate prepared above. At this time, the pH was maintained at 2.0. The solution was slowly evaporated while maintaining the resulting aqueous solution at 60-80 ° C. with vigorous stirring. Then, after drying for 12 hours at 120 ℃ baked for 12 hours at 450 ℃ to prepare an iron supported zeolite catalyst.

실시예 2Example 2

상기 제조예에서 제조된 Na-Y 제올라이트 담지체에 무게비로 20%가 함침된 촉매계를 만들기 위하여 5.4 g의 Fe(NO3)3·9H2O을 물에 완전히 녹여 전체용액이 60㎖가 되도록 맞춘후 Na-Y 제올라이트 4 g을 상기에서 제조한 질산철 수용액에 가하였다. 이때 pH는 2.0 으로 유지시키고 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 철담지 제올라이트 촉매를 제조하였다.In order to make the catalyst system impregnated with 20% by weight in the Na-Y zeolite carrier prepared in the above preparation, 5.4 g of Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O was completely dissolved in water to make the total solution 60 ml. 4 g of Na-Y zeolite was added to the aqueous solution of iron nitrate prepared above. At this time, the pH was maintained at 2.0 and the same procedure as in Example 1 to prepare an iron-supported zeolite catalyst.

실시예 3Example 3

상기 제조예에서 제조된 K-Y 제올라이트 담지체에 무게비로 20%가 함침된 촉매계를 만들기 위하여 5.4 g의 Fe(NO3)3·9H2O을 물에 완전히 녹여 전체용액이 60㎖가 되도록 맞춘후 K-Y 제올라이트 4 g을 상기에서 제조한 질산철 수용액에 가하였다. 이때 pH는 2.0 으로 유지시키고 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 철담지 제올라이트 촉매를 제조하였다.KY g of Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O was completely dissolved in water to make the catalyst system impregnated with 20% by weight in the KY zeolite carrier prepared in Preparation Example, and the total solution was adjusted to 60 ml. 4 g of zeolite was added to the aqueous solution of iron nitrate prepared above. At this time, the pH was maintained at 2.0 and the same procedure as in Example 1 to prepare an iron-supported zeolite catalyst.

실시예 4Example 4

상기 제조예에서 제조된 Rb-Y 제올라이트 담지체에 무게비로 20%가 함침된 촉매계를 만들기 위하여 5.4 g의 Fe(NO3)3·9H2O을 물에 완전히 녹여 전체용액이 60㎖가 되도록 맞춘후 Rb-Y 제올라이트 4 g을 상기에서 제조한 질산철 수용액에 가하였다. 이때 pH는 2.0 으로 유지시키고 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 철담지 제올라이트 촉매를 제조하였다.In order to make a catalyst system in which 20% of the Rb-Y zeolite carrier prepared in the above preparation was impregnated by weight ratio, 5.4 g of Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O was completely dissolved in water to make the total solution 60 ml. 4 g of Rb-Y zeolite was then added to the aqueous solution of iron nitrate prepared above. At this time, the pH was maintained at 2.0 and the same procedure as in Example 1 to prepare an iron-supported zeolite catalyst.

비교예 1Comparative Example 1

상기 제조예에서 제조된 H-Y 제올라이트 담지체에 무게비로 20%가 함침된 촉매계를 만들기 위하여 5.4 g의 Fe(NO3)3·9H2O을 물에 완전히 녹여 전체용액이 60㎖가 되도록 맞춘후 H-Y 제올라이트 4 g을 상기에서 제조한 질산철 수용액에 가하였다. 이때 pH는 2.0 으로 유지시키고 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 촉매를 제조하였다.In order to make the catalyst system impregnated with 20% by weight in the HY zeolite carrier prepared in the preparation example, 5.4 g of Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O was completely dissolved in water, and the total solution was adjusted to 60 ml. 4 g of zeolite was added to the aqueous solution of iron nitrate prepared above. At this time, the pH was maintained at 2.0 and the same procedure as in Example 1 to prepare a catalyst.

비교예 2Comparative Example 2

담지체가 없는 철 촉매를 만들기 위하여 Fe(NO3)3·9H2O 4.0 g을 취해 물에 완전히 녹여 전체용액이 100㎖가 되도록 맞추었다. 이때 pH는 1.0 으로 유지시켰다. 생성된 수용액을 교반과 동시에 50 ∼ 60℃로 유지시키면서 0.3M의 암모니아수를 150 ㎖/h의 속도로 전체용액의 pH가 6.0 ∼ 8.5가 될 때까지 적정한다음 침전된 용액을 1시간 정도 더 교반시킨고 3차 증류수로 여과 및 세척을 여러차례 반복하였다. 그런다음 120℃에서 24 시간 건조후 450℃에서 12 시간동안 공기 분위기하에서 소성을 하여 촉매를 제조하였다.To make the iron catalyst without carrier, 4.0 g of Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O was taken and completely dissolved in water, and the total solution was adjusted to 100 ml. At this time, the pH was maintained at 1.0. While maintaining the resulting aqueous solution at 50-60 ° C. while stirring, 0.3 M ammonia water was titrated at a rate of 150 ml / h until the pH of the whole solution reached 6.0-8.5, and then the precipitated solution was stirred for another 1 hour. Filtration and washing with high tertiary distilled water were repeated several times. Then, the catalyst was prepared by drying in an air atmosphere at 450 ° C. for 12 hours after drying at 120 ° C. for 24 hours.

실험예Experimental Example

상기 실시예 1 ∼ 4 및 비교예 1 ∼ 2에서 제조된 촉매 0.5g을 채취하여 각각 고정층 반응기에서 450℃, 2,000 ㎖/(g-촉매·시간)의 수소기류하에서 16 시간동안 환원시켰다. 이어서 10기압, 300℃ 온도에서 혼합기체(수소/이산화탄소의 부피비 = 3)를 1800 ㎖/(g-촉매·시간) 유속으로 촉매에 1시간 흘려준 후, 10기압 및 300℃ 온도에서 헬륨기체를 1,200㎖/(g-촉매·시간)의 유속으로 1시간 동안 촉매에 흘려 주어 활성화시켰다. 그런다음 촉매를 이산화탄소와 수소의 혼합기체(H2/CO2의 부피비 = 3)를 1,800 ㎖/g-촉매·시간의 유속으로 10 기압, 300℃에서 촉매와 접촉시켜 수소화 반응을 수행하였다.0.5 g of the catalysts prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 were taken and reduced in a fixed bed reactor under a hydrogen stream of 450 ° C. and 2,000 ml / (g-catalyst · hour) for 16 hours. Subsequently, a mixed gas (volume ratio of hydrogen / carbon dioxide = 3) was flowed into the catalyst for 1 hour at a flow rate of 1800 ml / (g-catalyst / hour) at 10 atm and 300 ° C, and then helium gas was flowed at a temperature of 10 atm and 300 ° C. It was activated by flowing the catalyst for 1 hour at a flow rate of 1,200 mL / (g-catalyst / hour). The hydrogenation reaction was then carried out by contacting the catalyst with a mixture gas of carbon dioxide and hydrogen (volume ratio of H 2 / CO 2 = 3) at 10 atm and 300 ° C. at a flow rate of 1,800 ml / g-catalyst.

접촉후 12 시간 이후부터는 동일한 농도의 생성물을 얻을 수 있으며 반응은 48 시간동안 진행시켰다. 이때 얻어진 결과를 다음 표 1에 나타내었다.After 12 hours of contact, the same concentration of product was obtained and the reaction proceeded for 48 hours. The results obtained at this time are shown in Table 1 below.

구 분division 촉 매catalyst 전환율(C mol%)Conversion rate (C mol%) 탄화수소수득율(C mol%)Hydrocarbon yield (C mol%) 탄화수소 분포도(C mol%)Hydrocarbon Distribution (C mol%) 올레핀 선택도(C mol%)Olefin Selectivity (C mol%) C1 C 1 C2 C 2 C3 C 3 C4 C 4 C5+ C 5+ 실시예 1Example 1 Fe/Li-YFe / Li-Y 26.826.8 20.120.1 16.816.8 11.411.4 16.416.4 12.712.7 42.742.7 64.764.7 실시예 2Example 2 Fe/Na-YFe / Na-Y 30.230.2 26.826.8 12.312.3 10.210.2 17.817.8 14.614.6 45.145.1 75.475.4 실시예 3Example 3 Fe/K-YFe / K-Y 27.327.3 22.522.5 10.610.6 10.010.0 16.016.0 13.413.4 50.950.9 81.081.0 실시예 4Example 4 Fe/Rb-YFe / Rb-Y 28.528.5 24.624.6 9.39.3 9.89.8 15.315.3 12.812.8 52.852.8 85.685.6 비교예 1Comparative Example 1 Fe/H-YFe / H-Y 10.210.2 7.77.7 72.672.6 15.215.2 7.77.7 3.03.0 1.51.5 0.40.4 비교예 2Comparative Example 2 Fe2O3 Fe 2 O 3 15.215.2 12.212.2 47.047.0 19.919.9 14.514.5 8.88.8 9.89.8 1.51.5

상기 표 1에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 실시예 1 ∼ 4 에서 제조한 철담지 제올라이트 촉매가 비교예 1 ∼ 2에서 제조한 촉매와 비교하여 특히 활성이 우수함을 알 수 있다. 이산화탄소의 수소화반응에 있어서 지금까지의 많은 연구결과들은 거의 대부분이 조촉매로서 칼륨만을 주목하여 왔으나 본 발명에서는 칼륨뿐 아니라 리튬, 나트륨, 루비듐과 같은 알칼리 금속을 제올라이트에 이온교환함으로써 높은 조촉매효과가 있음을 알 수 있었다.As shown in Table 1, it can be seen that the iron-supported zeolite catalysts prepared in Examples 1 to 4 according to the present invention are particularly excellent in activity compared to the catalysts prepared in Comparative Examples 1 to 2. In the hydrogenation reaction of carbon dioxide, many researches up to now have focused only on potassium as a promoter, but in the present invention, a high promoter effect is obtained by ion-exchanging not only potassium but also alkali metals such as lithium, sodium, and rubidium to zeolite. I could see that.

상기 표 1에 나타낸 결과를 보면 알칼리 금속의 전자공여도가 증가함에 따라 C5+의 탄화수소와 올레핀 선택성이 점차로 증가하였으며 이러한 현상은 촉매계의 염기도와 밀접한 관련이 있음을 알 수 있다. 따라서 담지체의 산도를 조절하는 동시에 알칼리 금속 자체의 전자공여능력이 각각 다르기 때문에 탄화수소의 분포가 달라짐을 볼 수 있으며 이는 공업적으로 고부가가치의 화합물을 선택적으로 합성할 수 있다는 관점에서 볼 때 그 가치가 크다고 할 수 있다.The results shown in Table 1 show that the C 5+ hydrocarbon and olefin selectivity gradually increased as the electron donating degree of the alkali metal increased, and this phenomenon was closely related to the basicity of the catalyst system. Therefore, the distribution of hydrocarbons can be seen because the electron donating ability of the alkali metal itself is different at the same time to control the acidity of the carrier, which is valuable from the viewpoint of selectively synthesizing high value-added compounds industrially. Can be said to be large.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 철담지 제올라이트 촉매는 알칼리 금속으로 이온교환된-Y 제올라이트를 담지체로 사용하고 여기에 철을 담지시킨 것으로써 각각의 알칼리 금속의 전자공여능력의 차이로 인해 담지체와 촉매계의 염기도를 쉽게 조절할 수 있을 뿐 아니라 이산화탄소의 흡착량 또한 조절이 가능함을 알 수 있고 이로인해 선택적인 탄화수소의 합성에 용이하며, 또한 이온교환된 알칼리 금속이 촉매계의 염기도를 조절함과 동시에 조촉매로서 작용을 하여 촉매의 활성과 올레핀의 선택도를 증가시켜 주는 효과가 있다.As described above, the iron-supported zeolite catalyst according to the present invention uses a -Y zeolite ion-exchanged with an alkali metal as a carrier and is supported by iron, thereby supporting the carrier due to the difference in electron donating ability of each alkali metal. It can be seen that the basicity of the catalyst system can be easily controlled and the adsorption amount of carbon dioxide can also be controlled, thereby facilitating the selective synthesis of hydrocarbons, and the ion-exchanged alkali metal controls the basicity of the catalyst system. It acts as a catalyst to increase the activity of the catalyst and the selectivity of olefins.

또한, 표면에 존재하는 철과 알칼리 금속은 제올라이트 담지체와 비교적 강한 상호작용을 하고 있기 때문에 촉매 표면에서 균일하게 분포할 수 있으며 이로서 고온의 환원과정에서 오는 촉매표면에서의 소결(sintering)현상을 방지함으로서 촉매의 표면적 감소를 막아 촉매의 활성을 증대시킬 수 있는 장점도 있다.In addition, iron and alkali metals present on the surface have a relatively strong interaction with the zeolite carrier, and thus can be uniformly distributed on the catalyst surface, thereby preventing sintering on the catalyst surface resulting from the high temperature reduction process. As a result, it is possible to increase the activity of the catalyst by preventing the reduction of the surface area of the catalyst.

Claims (9)

철을 이용한 탄화수소 제조용 촉매에 있어서, 조촉매인 알칼리 금속으로 이온교환된 제올라이트 담지체에 주촉매로써 철이 담지되어 있고 환원 및 활성화되어 이루어진 것임을 특징으로 하는 탄화수소 제조용 철담지 제올라이트 촉매.A catalyst for producing a hydrocarbon using iron, wherein the iron-supported zeolite catalyst for producing hydrocarbons is characterized in that iron is supported as a main catalyst on a zeolite carrier ion-exchanged with an alkali metal as a promoter and is reduced and activated. 제 1 항에 있어서, 상기 조촉매로 사용된 알칼리 금속은 리튬, 나트륨, 칼륨 또는 루비듐인 것임을 특징으로 하는 탄화수소 제조용 철담지 제올라이트 촉매.The iron-supported zeolite catalyst for producing hydrocarbons according to claim 1, wherein the alkali metal used as the cocatalyst is lithium, sodium, potassium or rubidium. 제 1 항에 있어서, 상기 담지체로 사용된 제올라이트는 X형 또는 Y형인 것임을 특징으로 하는 탄화수소 제조용 철담지 제올라이트 촉매.The iron-supported zeolite catalyst for producing hydrocarbons according to claim 1, wherein the zeolite used as the support is X type or Y type. 제 1 항에 있어서, 상기 철은 염화철, 질산철, 황산철, 아세트산철 및 옥살산철 중에서 선택된 철 함유염 수용액에 담지시킨 상태로 담지되어 있는 것임을 특징으로 하는 탄화수소 제조용 철담지 제올라이트 촉매.The iron-supported zeolite catalyst for producing a hydrocarbon according to claim 1, wherein the iron is supported in an iron aqueous salt solution selected from iron chloride, iron nitrate, iron sulfate, iron acetate, and iron oxalate. 제 1 항에 있어서, 상기 철은 전체 철담지 제올라이트 촉매에 대하여 5 ∼ 50 중량% 함유되어 있는 것임을 특징으로 하는 탄화수소 제조용 철담지 제올라이트 촉매.The iron-supported zeolite catalyst for producing hydrocarbons according to claim 1, wherein the iron is contained in an amount of 5 to 50% by weight based on the total iron-supported zeolite catalyst. 제 1 항에 있어서, 상기 환원은 1 ∼ 20 기압 및 250 ∼ 600 ℃ 온도에서 1,000 ∼ 2,000 ㎖/(g-촉매·시간) 유속으로 12 ∼ 16 시간동안 수소를 흘려 주어 시행된 것임을 특징으로 하는 탄화수소 제조용 철담지 제올라이트 촉매.The hydrocarbon as claimed in claim 1, wherein the reduction is performed by flowing hydrogen for 12 to 16 hours at a flow rate of 1,000 to 2,000 ml / (g-catalyst / hour) at a temperature of 1 to 20 atm and a temperature of 250 to 600 ° C. Iron-supported zeolite catalyst for preparation. 제 1 항에 있어서, 상기 활성화는 10 ∼ 50 기압 및 200 ∼ 500 ℃ 온도에서 수소와 이산화탄소가 1 : 20 의 부피비로 혼입된 혼합기체를 1,000 ∼ 2,000 ㎖/g-촉매·시간 유속으로 1 ∼ 2 시간 흘려준 다음, 1 ∼ 20 기압 및 100 ∼ 500 ℃ 온도에서 비활성 기체를 1,200 ∼ 1,800 /(g-촉매·시간)의 유속으로 1 ∼ 2 시간 흘려주어 시행된 것임을 특징으로 하는 탄화수소 제조용 철담지 제올라이트 촉매.The method according to claim 1, wherein the activation is performed at a flow rate of 1,000 to 2,000 ml / g-catalyst and time at a flow rate of 1:20 at a pressure of 10 to 50 atm and a temperature of 200 to 500 ° C. in a volume ratio of 1:20. After the passage of time, the iron-supported zeolite for hydrocarbon production, which was carried out by flowing an inert gas at a flow rate of 1,200 to 1,800 / (g-catalyst / hour) for 1 to 2 hours at a temperature of 1 to 20 atm and 100 to 500 ° C catalyst. 이산화탄소의 수소화 반응에 의해 탄화수소를 제조하는 방법에 있어서, 상기 제 1 항에 따른 철담지 제올라이트 촉매하에서 200 ∼ 500℃의 반응온도와 1 ∼ 50 기압의 반응압력 조건에서 이산화탄소와 수소가 1 : 1.0 ∼ 5.0 부피비로 혼입된 혼합기체를 1,000 ∼ 2,000 ㎖/(g-촉매·시간)의 공간속도로 유입시켜 이산화탄소의 수소화 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 탄화수소의 제조방법.In the method for producing a hydrocarbon by hydrogenation of carbon dioxide, carbon dioxide and hydrogen are 1: 1.0 to 1 at a reaction temperature of 200 to 500 ° C. and a reaction pressure of 1 to 50 atm under the iron-supported zeolite catalyst according to claim 1. Method for producing a hydrocarbon, characterized in that the hydrogenation reaction of carbon dioxide by introducing a mixed gas mixed at a volume ratio of 5.0 to 2,000 ml / (g-catalyst, time) at a space velocity. 제 8 항에 있어서, 상기 수소화 반응은 액상의 슬러리 형태의 반응기, 기상의 고정층 반응기 또는 유동층 반응기 중에서 수행하는 것을 특징으로 하는 탄화수소의 제조방법.The method of claim 8, wherein the hydrogenation reaction is performed in a slurry slurry reactor, a gaseous fixed bed reactor, or a fluidized bed reactor.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2012067291A1 (en) * 2010-11-19 2012-05-24 한국에너지기술연구원 Preparation method of iron catalyst

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