KR20070112934A - Amonia oxidation catalyst and removal method of ammonia using the same - Google Patents

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KR20070112934A
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Abstract

An ammonia oxidation catalyst and a removal method of ammonia in exhaust gas or wastewater using the same are provided to have a high ammonia removal ratio and a low production ratio of nitrogen oxides as byproducts even in a low temperature range, and have excellent durability even in the presence of sulfur compounds. In a catalyst used when oxidizing ammonia contained in exhaust gas or wastewater by a catalytic oxidation process, an ammonia oxidation catalyst is characterized in that Al2O3 is used as a carrier, and platinum(Pt) and niobium(Nb) are doped on the carrier. The ammonia oxidation catalyst comprises 0.5 to 3.0 wt.% of the platinum and 0.5 to 10.0 wt.% of the niobium based on the weight of the Al2O3. In a method for oxidizing ammonia contained in exhaust gas or wastewater by a catalytic oxidation process, a removal method of ammonia comprises supplying ammonia at a space velocity of 2,000 to 50,000 hr^-1 in the presence of the ammonia oxidation catalyst, thereby oxidizing ammonia at a temperature of 180 to 300 deg.C.

Description

암모니아 산화촉매 및 암모니아 제거방법{Amonia oxidation catalyst and removal method of ammonia using the same}Amonia oxidation catalyst and removal method of ammonia using the same}

도 1은 본 발명에 사용된 실험장치의 개략도이다.1 is a schematic diagram of an experimental apparatus used in the present invention.

도 2는 실시예1과 비교예1의 실험결과인 반응온도별 암모니아전환율을 나타낸 선도이다.Figure 2 is a diagram showing the ammonia conversion rate by reaction temperature which is the experimental result of Example 1 and Comparative Example 1.

도 3은 실시예1과 비교예1의 실험결과인 반응온도별 질소산화물발생량을 나타낸 선도이다.Figure 3 is a diagram showing the amount of nitrogen oxide generated by the reaction temperature of the experimental results of Example 1 and Comparative Example 1.

도 4는 실시예2와 비교예 2의 실험결과인 가동시간별 암모니아전환율을 나타낸 선도이다.Figure 4 is a diagram showing the ammonia conversion rate by operating time which is the experimental result of Example 2 and Comparative Example 2.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

12: 암모니아 유량조절기 14: 질소 유량조절기12: ammonia flow regulator 14: nitrogen flow regulator

16: 산소 유량조절기 18: 유량조절기 조절장치16: oxygen flow regulator 18: flow regulator regulator

22: 혼합챔버(mixing chamber) 24: 용매수송펌프22: mixing chamber 24: solvent transport pump

26: 가열시스템 28: 온도조절장치26: heating system 28: thermostat

32: 유입부 34: 유출부32: inlet 34: outlet

42: 혼합기 44: 열전대42: mixer 44: thermocouple

46: 가열 조절장치 52: 가스분석기46: heating regulator 52: gas analyzer

54: 벤트(vent) 60: 반응기54 vent 60 reactor

본 발명은 암모니아 산화촉매에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저온부(180~300℃)에서, 배기가스나 폐수 중에 포함된 암모니아를 산화시켜 질소산화물의 발생을 최소화시키면서 무해한 질소로 전환 시키고, 황산화물에 의한 촉매의 내구성 감소를 최소화할 수 있는 암모니아 산화촉매 및 암모니아 제거방법에 관한 것이다.The present invention relates to an ammonia oxidation catalyst, and more particularly, in a low temperature portion (180 ~ 300 ℃), by oxidizing ammonia contained in the exhaust gas or waste water to minimize the generation of nitrogen oxides to harmless nitrogen, sulfur oxides The present invention relates to an ammonia oxidation catalyst and ammonia removal method capable of minimizing durability reduction of the catalyst.

암모니아는 암모늄 질산염, 요소, 암모늄 인산염 등의 형태로, 석유정련소와 코크스제조를 위한 화학공정 등에서 다양한 목적으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한 석탄화력발전소, 소각로 등에서 배출되는 질소산화물을 제거하기 위하여 탈질설비가 설치되어 있는데, 필요한 화학양론량 보다 많은 암모니아가 주입될 경우 미반응 암모니아가 배출된다.Ammonia, in the form of ammonium nitrate, urea and ammonium phosphate, is widely used for various purposes in petroleum refineries and chemical processes for coke production. In addition, denitrification facilities are installed to remove nitrogen oxides emitted from coal-fired power plants and incinerators. Unreacted ammonia is emitted when more ammonia is injected than necessary stoichiometry.

한편, 암모니아를 함유하고 있는 폐수는 부영양화를 일으키는 심각한 오염원 중의 하나로서 환경규제가 점점 엄격해 지고 있다. 암모니아로 오염된 폐수를 제거하는 방법에는 생물학적 처리, 흡착, 열 소각 및 촉매를 이용하는 방법 등이 있다. 그러나 생물학적 처리방법은 처리용량과 미생물을 관리하는데 어려움이 있고, 흡착제를 이용한 흡착제 처리방법은 흡착제의 재생교환 및 폐 흡착제 처리에 문제가 있다. 또한 소각을 이용한 열 소각 방법은 반응온도를 고온으로 유지해야 하므로 운 전비용이 많이 든다는 문제점이 있었다.On the other hand, wastewater containing ammonia is one of the serious pollutants that cause eutrophication, and environmental regulations are getting stricter. Methods for removing wastewater contaminated with ammonia include biological treatment, adsorption, thermal incineration, and the use of catalysts. However, the biological treatment method has difficulty in managing the treatment capacity and microorganisms, and the adsorbent treatment method using the adsorbent has problems in regenerative exchange of the adsorbent and disposal of the waste adsorbent. In addition, the thermal incineration method using incineration has a problem in that the operation cost is high because the reaction temperature must be maintained at a high temperature.

촉매를 이용한 암모니아 산화방법은 저온에서 암모니아를 제거할 수 있어, 운전비용이 적게 들고 장기간 시스템이 유지될 수 있다는 등의 장점을 갖고, 기존의 생물학적 처리방법이나 화학적 처리방법에 비해 환경적인 측면에서도 장점을 갖는다.The ammonia oxidation method using a catalyst can remove ammonia at a low temperature, has a low operating cost and can maintain the system for a long time, and has an advantage in terms of the environment in comparison with the conventional biological treatment or chemical treatment. Has

암모니아를 촉매를 이용하여 제거하는 방법으로는 (1) 600~900℃에서 니켈(Ni)촉매상에서 암모니아를 수소와 산소로 분해시키는 방법, (2) 암모니아 함유 폐수를 스트리핑하여 암모니아를 기화시키고, 촉매상에서 암모니아를 질소로 산화시키는 방법, (3) 암모니아를 질소산화물로 일부 산화시키고, 탈질촉매상에서 암모니아와 질소산화물을 반응시켜 질소로 전환시키는 방법 등이 있다.As a method of removing ammonia using a catalyst, (1) ammonia is decomposed into hydrogen and oxygen on a nickel (Ni) catalyst at 600 to 900 ° C, (2) ammonia is vaporized by stripping ammonia-containing wastewater and A method of oxidizing ammonia to nitrogen in the phase, and (3) a method of partially oxidizing ammonia to nitrogen oxide and converting ammonia and nitrogen oxide on a denitrification catalyst to nitrogen.

상기의 방법 중 (2)의 방법은 비교적 저온에서, 간단한 방법으로 운영되어 설치비 및 운전비가 상대적으로 적다는 장점을 갖는다.Method (2) of the above method is operated at a relatively low temperature and in a simple manner, and has an advantage of relatively low installation and operating costs.

그러나 촉매를 이용하여 암모니아를 질소로 산화시키는 과정에서 부산물로 NO, NO2, N2O 등의 질소산화물이 발생하는 문제가 있다. 상기의 질소산화물은 대기중에 방출되어 산성우의 원인이 될 뿐만 아니라 광화학스모그의 원인이 되는 대기 오염물질로 규제의 대상이 되고 있다. 따라서 암모니아산화촉매에 있어서 상기의 질소산화물과 같은 부산물이 적게 나오는 촉매의 개발이 필요하다.However, there is a problem in that nitrogen oxides such as NO, NO 2 and N 2 O are generated as by-products in the process of oxidizing ammonia to nitrogen using a catalyst. The nitrogen oxides are regulated as air pollutants that are released into the atmosphere and cause acid rain as well as photochemical smog. Therefore, it is necessary to develop a catalyst in which less by-products such as nitrogen oxides are produced in the ammonia oxidation catalyst.

한편 화석연료를 연소시키는 공정에서는 배기가스에 질소산화물 외에 황화합물을 포함할 수 있다. 암모니아 함유폐수를 스트리핑하여 암모니아를 기화시키는 경우에 있어서도 폐수 자체의 성상에 따라 스트리핑된 기체 내에 암모니아 이외에 황화합물을 포함할 수 있다. 상기의 황화합물은 수분 존재하에서 황산염 등의 염을 생성하여 촉매표면에서 분해되지 않고 잔류함으로써 촉매 피독이 유발될 수 있다. 상기의 황화합물이 황산으로 전환되는 경우에는 촉매층 및 후단의 설비를 부식시키는 원인이 될 수 있다.Meanwhile, in the process of burning fossil fuels, the exhaust gas may include sulfur compounds in addition to nitrogen oxides. In the case where ammonia-containing wastewater is stripped to vaporize ammonia, sulfur compounds other than ammonia may be included in the stripped gas depending on the properties of the wastewater itself. The sulfur compound may generate salts such as sulfates in the presence of water and remain undecomposed at the surface of the catalyst, thereby causing catalyst poisoning. When the sulfur compound is converted to sulfuric acid, it may cause corrosion of the catalyst layer and the equipment of the rear stage.

또한, 일본 특허공개 1997-001165에서는 암모니아함유폐수를 처리함에 있어 망간(Mn)촉매를 이용하는 발명이 게시되어 있으나 저온에서 암모니아 분해 활성이 낮고, 부산물로 질소산화물인 N2O가 발생하며, 처리가스 중에 황화수소(H2S)나 황화합물이 함유되어 있을 경우 촉매의 내구성이 떨어지는 문제점이 있었다.In addition, Japanese Patent Publication No. 1997-001165 discloses an invention using a manganese (Mn) catalyst in treating ammonia-containing wastewater, but has a low ammonia decomposition activity at low temperatures, and N 2 O, a nitrogen oxide, is generated as a by-product. When hydrogen sulfide (H 2 S) or a sulfur compound contained in the catalyst had a problem of poor durability.

또한, 일본 특허공개 1996-89758에서는 각종 배기가스중 암모니아를 백금(Pt)촉매를 이용하여 분해하는 발명이 게시되어 있으나 운전온도가 300~400℃로 높아 유지비용이 높다는 문제점이 있었다.In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 1996-89758 discloses an invention for decomposing ammonia in various exhaust gases by using a platinum (Pt) catalyst, but has a problem in that the maintenance cost is high because the operating temperature is 300 to 400 ° C.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 배기가스 또는 폐수중의 암모니아를 촉매산화법에 의해 산화처리할 때 이용하는 촉매에 있어서, 저온부에서도 암모니아 제거율은 높고 부산물인 질소산화물의 생성율은 낮으며, 황화합물의 존재하에서도 내구성이 우수한 암모니아 산화촉매를 제공하는 것이다.Therefore, the first technical problem to be achieved by the present invention is a catalyst used for oxidizing ammonia in exhaust gas or waste water by catalytic oxidation method, which has a high ammonia removal rate at low temperature and low generation rate of byproduct nitrogen oxide, and sulfur compounds. It is to provide an ammonia oxidation catalyst with excellent durability even in the presence of.

본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기의 암모니아 산화촉매를 이용하여 저온부에서 배기가스 또는 폐수 중의 암모니아를 제거하는 방법을 제 공하는 것이다.The second technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for removing ammonia in the exhaust gas or waste water at a low temperature by using the ammonia oxidation catalyst.

본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여, 배기가스 또는 폐수 중에 함유된 암모니아를 촉매산화법에 의해 산화처리할 때 이용하는 촉매에 있어서, 담체로서 Al2O3를 사용하고, 상기 담체에 백금(Pt) 및 나이오븀(Nb)이 담지된 것을 특징으로 하는 암모니아 산화촉매를 제공한다.The present invention, in order to achieve the first technical problem, in the catalyst used for the oxidation treatment of ammonia contained in the exhaust gas or waste water by the catalytic oxidation method, using Al 2 O 3 as a carrier, the platinum ( It provides an ammonia oxidation catalyst, characterized in that Pt) and niobium (Nb) are supported.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 Al2O3 중량기준으로 상기 백금은 0.5~3.0중량%, 상기 나이오븀은 0.5~10.0중량%인 것을 특징으로 할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the platinum may be 0.5 to 3.0% by weight, and the niobium may be 0.5 to 10.0% by weight based on the weight of the Al 2 O 3 .

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 촉매를 금속판, 세라믹 필터, 폼 및 하니콤으로 이루어진 군으로부터 선택되는 지지체 상에 코팅하여 제조한 것을 특징으로 할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the catalyst may be prepared by coating on a support selected from the group consisting of metal plates, ceramic filters, foams and honeycombs.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 촉매를 지지체 상에 코팅하여 제조하는 경우, Al2O3의 함량은 상기 지지체 기준으로 0.5~3.0g/in3인 것을 특징으로 할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, in the case of preparing the catalyst by coating on the support, the content of Al 2 O 3 may be characterized in that 0.5 to 3.0g / in 3 based on the support.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 촉매를 입자형 또는 단일체(monolith)로 압출 가공하여 제조한 것을 특징으로 할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the catalyst may be prepared by extrusion processing into a particle or monolith.

본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여, 배기가스 또는 폐수 중에 함유된 암모니아를 촉매산화법에 의해 산화처리하는 방법에 있어서, 상기 촉매 존재하에서 암모니아를 2,000~50,000hr-1의 공간속도로 공급하여 180~300℃의 온도에서 암모니아를 산화시키는 암모니아 제거방법을 제공한다.The present invention provides a method for oxidizing ammonia contained in exhaust gas or waste water by catalytic oxidation in order to achieve the second technical problem, in which ammonia is supplied at a space velocity of 2,000 to 50,000 hr −1 in the presence of the catalyst. By providing an ammonia removal method of oxidizing ammonia at a temperature of 180 ~ 300 ℃.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 타이타늄(Ti), 바나듐(V), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매층을 추가로 설치하여 잔여 암모니아 및 질소산화물을 제거하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the catalyst layer further comprises one or more elements selected from the group consisting of titanium (Ti), vanadium (V), molybdenum (Mo), and tungsten (W). It may be characterized by removing ammonia and nitrogen oxides.

이하, 첨부된 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings and examples, but the present invention is not limited thereto.

본 발명에 따른 암모니아 산화촉매는 배기가스 또는 폐수 중에 함유된 암모니아를 촉매산화법에 의해 산화처리할 때 이용할 수 있는 촉매로, 담체로서 Al2O3를 사용하고, 상기 담체에 백금(Pt) 및 나이오븀(Nb)이 담지된 것을 특징으로 할 수 있다.The ammonia oxidation catalyst according to the present invention is a catalyst which can be used for oxidizing ammonia contained in exhaust gas or waste water by catalytic oxidation method, using Al 2 O 3 as a carrier, and platinum (Pt) and age on the carrier. It may be characterized in that the Obium (Nb) is supported.

담체로서 Al2O3를 사용함으로써 저온부(250℃미만의 온도)에서도 암모니아를 제거할 수 있다. Pt/Al2O3촉매의 경우 180℃에서 80%이상의 암모니아 제거율을 나타낼 수 있다.By using Al 2 O 3 as a carrier, ammonia can be removed even at a low temperature portion (temperature below 250 ° C.). Pt / Al 2 O 3 catalyst may exhibit ammonia removal rate of 80% or more at 180 ℃.

고온부(300℃이상)에서는 담체의 종류에 따른 영향을 크게 받지 않고 암모니아 제거율이 일정한 값을 나타낼 수 있으나, 담체로 Al2O3를 사용하면 다른 종류의 담체에 비해 저온부(250℃미만의 온도)에서 암모니아 제거율이 높아질 수 있다. 그 이유는 담체로 사용된 Al2O3의 비표면적이 300m2/g으로 다른 종류의 담체에 비해 큰 값을 나타내기 때문으로 판단할 수 있다. 왜냐하면 촉매의 활성이 충분하지 않은 온도의 영역에서는 촉매의 비표면적에 따른 흡착반응이 촉매의 활성에 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있기 때문이다.In the high temperature part (above 300 ° C), the ammonia removal rate may show a constant value without being greatly influenced by the type of carrier. However, when Al 2 O 3 is used as the carrier, the low temperature part (temperature below 250 ° C) is compared with other types of carriers. The removal rate of ammonia can be high. The reason is that the specific surface area of Al 2 O 3 used as the carrier is 300 m 2 / g and can be judged to be larger than other types of carriers. This is because the adsorption reaction according to the specific surface area of the catalyst affects the activity of the catalyst in the temperature range where the activity of the catalyst is insufficient.

상기 백금(Pt)은 귀금속(Ag, Ir, Pd, Pt, Rh 등) 가운데 암모니아 산화성능이 우수하기 때문에 본 발명에 사용할 수 있다. 1.3중량% Pt/Al2O3 촉매를 이용하여 200~400℃의 반응온도구간에서 암모니아를 전환시킬 경우 전체 온도구간에서 99%이상의 암모니아가 전환될 수 있다.The platinum (Pt) can be used in the present invention because it is excellent in ammonia oxidation performance among noble metals (Ag, Ir, Pd, Pt, Rh, etc.). When ammonia is converted in a reaction temperature range of 200 to 400 ° C. using 1.3 wt% Pt / Al 2 O 3 catalyst, more than 99% of ammonia may be converted in the entire temperature range.

상기 백금(Pt)촉매 제조시 전조물은 H2PtCl6, Pt(NO3)2, Pt(NH3)2(NO2)2, Pt(NH3)4(NO3)2, Pt(SO3)x 등을 사용할 수 있다.In the preparation of the platinum (Pt) catalyst, precursors are H 2 PtCl 6 , Pt (NO 3 ) 2 , Pt (NH 3 ) 2 (NO 2 ) 2 , Pt (NH 3 ) 4 (NO 3 ) 2 , and Pt (SO 3 ) x may be used.

또한 상기 촉매제조시 Al2O3 중량기준으로 상기 백금(Pt)은 0.5~3.0중량%로 할 수 있다. 이는 0.5중량%미만일 때 촉매의 성능이 현저히 떨어질 염려가 있고, 3.0중량%를 초과하면 촉매성능이 더 이상 증가하지 않는 반면 경제성 측면에선 불리할 염려가 있기 때문이다.In addition, the preparation of Al 2 O 3 The platinum (Pt) may be 0.5 to 3.0% by weight based on weight. This is because there is a concern that the performance of the catalyst is significantly reduced when less than 0.5% by weight, the catalyst performance does not increase any more than 3.0% by weight, but there is a risk of economic disadvantages.

상기 나이오븀(Nb)은 배기가스 중에 함유된 수증기 및 황화합물에 대한 내피독성이 높고, 높은 반응열 발생시 소결이 적은 내열성 등의 특성을 가질 수 있다. 상기 담체에 담지된 금속성분이 배기가스 중에 함유된 황화합물과 반응하여 황산염등이 되어 암모니아 분해성능을 감소시킬 수 있으므로 나이오븀(Nb)을 사용하여 이 를 극복할 수 있다. 아울러 본 발명에선 상기 나이오븀(Nb)과 백금(Pt)의 복합금속화합물을 만듦으로써 백금(Pt)의 황산염화도 최소화시킬 수 있다. 백금과 같은 귀금속은 내피독성이 낮을 수 있으므로 내피독성이 강한 나이오븀(Nb)과 복합금속을 만들게 되면 백금(Pt)을 보호할 수 있는 것이다.The niobium (Nb) may have characteristics such as high heat resistance to steam and sulfur compounds contained in exhaust gas, and low sintering when generating high reaction heat. Since the metal component supported on the support reacts with the sulfur compound contained in the exhaust gas to become a sulfate and the like, thereby reducing ammonia decomposition performance, niobium (Nb) can be used to overcome this problem. In addition, in the present invention, by forming a composite metal compound of niobium (Nb) and platinum (Pt) it can also minimize the sulfate of platinum (Pt). Precious metals such as platinum may have low endothelial toxicity, so making a composite metal with niobium (Nb), which is highly endothelial, will protect platinum (Pt).

또한 상기 촉매제조시 Al2O3 중량기준으로 상기 나이오븀(Nb)은 0.5~10.0중량%로 할 수 있다. 이는 0.5중량%미만일 때 촉매의 성능이 현저히 떨어질 염려가 있으며, 10.0중량%를 초과하면 촉매성능이 더 이상 증가하지 않는 반면 경제성 측면에선 불리할 염려가 있기 때문이다.In addition, the preparation of Al 2 O 3 The niobium (Nb) may be 0.5 to 10.0% by weight based on weight. This is because there is a concern that the performance of the catalyst is significantly reduced when less than 0.5% by weight, the catalyst performance does not increase any more than 10.0% by weight, but there is a risk of economic disadvantages.

상기 백금(Pt)및 나이오븀(Nb)의 복합금속화합물을 상기 Al2O3 담체에 담지함으로써 암모니아 산화율을 높이는 것과 동시에 상기 촉매의 황화합물에 대한 내피독성을 높일 수 있다.The composite metal compound of platinum (Pt) and niobium (Nb) was added to the Al 2 O 3 Supporting the carrier can increase the ammonia oxidation rate and increase the endothelial toxicity to the sulfur compound of the catalyst.

상기 촉매를 지지체 상에 코팅하는 방법으로 제조하는 경우에는 상기 지지체를 금속판, 세라믹 필터, 폼 및 하니콤으로 이루어진 군으로부터 선택하여 상기 지지체 상에 Al2O3를 코팅하여 제조할 수 있다. 이때 코팅공정은 당업계에서 널리 알려져 있는 방법에 따라 실시될 수 있다.When the catalyst is prepared by a method of coating on a support, the support may be prepared by coating Al 2 O 3 on the support by selecting from a group consisting of a metal plate, a ceramic filter, a foam, and a honeycomb. In this case, the coating process may be performed according to a method well known in the art.

상기 지지체에 Al2O3담체를 코팅하는 경우, Al2O3의 함량은 0.5~3.0g/in3일 수 있다. 0.5g/in3미만일 때 촉매의 성능이 현저히 떨어질 염려가 있으며, 3.0g/in3를 초과하면 촉매성능이 더 이상 증가하지 않을 염려가 있기 때문이다.When the Al 2 O 3 carrier is coated on the support, the content of Al 2 O 3 may be 0.5 to 3.0 g / in 3 . It is because there is a fear that the performance of the catalyst is significantly reduced when less than 0.5g / in 3 , and if the content exceeds 3.0g / in 3 there is a fear that the catalytic performance no longer increases.

또한, 본 발명의 촉매는 입자형 또는 단일체(monolith)로 압출 가공한 형태로 사용할 수 있으며 이때 압출가공공정은 당업계에서 널리 알려져 있는 방법에 따라 실시될 수 있다.In addition, the catalyst of the present invention may be used in the form of extrusion or granular (monolith) in the form of extrusion processing may be carried out according to methods well known in the art.

본 발명의 촉매를 사용하여 배기가스 또는 폐수 중에 함유된 암모니아를 촉매산화법으로 처리하는 공정은 상기 촉매 존재하에서 암모니아를 2,000~50,000hr-1의 공간속도로 공급하여 180~300℃의 온도범위에서 반응시킴으로써 이루어질 수 있다.The process of catalytic oxidation of ammonia contained in exhaust gas or wastewater using the catalyst of the present invention is carried out at a temperature range of 180 to 300 ° C. by supplying ammonia at a space velocity of 2,000 to 50,000 hr −1 in the presence of the catalyst. This can be done by.

상기 반응온도가 180℃미만에서는 반응이 거의 일어나지 않을 염려가 있고, 300℃초과시에는 암모니아 전환율은 높으나 상당량의 질소산화물이 발생될 염려가 있어 바람직하지 않기 때문이다. 반응온도가 300℃를 초과하여 500℃가 된 경우에는 주입한 암모니아의 화학양론에 해당하는 양의 질소산화물이 발생할 염려가 있다.When the reaction temperature is less than 180 ℃ there is a fear that the reaction hardly occurs, and when it exceeds 300 ℃ high ammonia conversion, but there is a possibility that a considerable amount of nitrogen oxides are generated because it is not preferable. When the reaction temperature exceeds 300 ° C. and reaches 500 ° C., there is a concern that nitrogen oxide in an amount corresponding to the stoichiometry of the injected ammonia is generated.

상기 공간속도가 2,000hr- 1미만이면 촉매성능이 더 이상 증가하지 않을 염려가 있고, 50,000hr-1을 초과하면 촉매의 성능이 현저히 떨어질 염려가 있다.If the space velocity is less than 2,000hr - 1, there is a concern that the catalytic performance will not increase any more, and if it exceeds 50,000hr -1 , there is a fear that the performance of the catalyst is significantly reduced.

가스 중에 수분이 함유된 경우 수분의 양이 증가할수록 암모니아 전환율은 조금씩 감소할 수 있다. 이때 암모니아 전환율이 감소하는 것은 단점이 될 수 있으나 부산물인 질소산화물의 생성농도도 조금씩 감소할 수 있다. 그러나 폐수 속에 함유된 암모니아를 제거하고자 하는 경우에는 스트리핑이 필수적이다. 그 이유는 수분이 함유되더라도 암모니아 전환율이 크게 감소하지 않지만 수분이 함유된 경우 가스를 승온시켜야 촉매상에서 반응시킬 수 있는 문제가 있으므로 승온시켜야 하는 부담을 감소시키기 위해 30부피%이하의 수분함량을 유지하도록 할 수 있다.If water is contained in the gas, the ammonia conversion may decrease little by little as the amount of water increases. At this time, the reduction in ammonia conversion may be a disadvantage, but the production concentration of by-product nitrogen oxide may also decrease little by little. However, stripping is essential if you want to remove ammonia in the wastewater. The reason is that the ammonia conversion rate does not decrease significantly even if it contains water, but if it contains water, there is a problem that the gas must be heated to react on the catalyst. Therefore, to keep the water content below 30% by volume to reduce the burden of raising the temperature. can do.

상기 스트리핑은 암모니아 스트리핑을 의미하는 것으로 암모니아 스트리핑은 알칼리를 첨가하여 pH 11로 상승시켜 암모늄 이온을 물속에 녹은 암모니아로 전환시킨 뒤 분압을 낮추어 대기중으로 탈기 시키는 것이다. 즉 높은 pH의 수욕상에서 공기와 액체가 접촉하여 암모니아를 액상에서 기상으로 바꾸어 주는 것이다.The stripping refers to ammonia stripping, and the ammonia stripping is to increase the pH to 11 by adding alkali to convert ammonium ions into ammonia dissolved in water, and then to lower the partial pressure to degas into the atmosphere. In other words, the contact of air and liquid in a high pH water bath changes the ammonia from the liquid phase to the gas phase.

또한 상기의 촉매를 사용하여 배기가스 또는 폐수 중에 함유된 암모니아를 촉매산화법으로 처리한 후에 발생한 질소산화물과 잔여 암모니아를 제거하기 위해 질소산화물과 암모니아 제거에 사용할 수 있는 촉매를 추가적으로 사용할 수 있다.In addition, a catalyst that can be used to remove nitrogen oxides and ammonia may be additionally used to remove nitrogen oxides and residual ammonia generated after the ammonia contained in exhaust gas or waste water is treated by catalytic oxidation using the above catalyst.

상기 추가적 처리에 사용하는 촉매는 타이타늄(Ti), 바나듐(V), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The catalyst used for the further treatment may be characterized in that it comprises at least one element selected from the group consisting of titanium (Ti), vanadium (V), molybdenum (Mo), tungsten (W).

제조예 1Preparation Example 1

Pt-Nb/Al2O3 촉매의 제조Pt-Nb / Al 2 O 3 Preparation of the catalyst

탈이온교환수에 알루미나(Al2O3)[Spheralite557, Axens, 프랑스]를 천천히 첨가하면서 강하게 교반하여 균일한 슬러리를 만들었다. 제조된 슬러리를 크기 15×15×10cm, 셀밀도 200cells/in2(84×84cells)인 코디어라이트 하니컴성형체[세라컴, 한국]에 코팅하여 하루 동안 자연건조를 시켰다. 그 후 120℃에서 2시간 건조시킨 다음, 분당 2.8℃로 승온하여 450℃에서 3시간 소성하였다.Alumina (Al 2 O 3 ) [Spheralite 557, Axens, France] was slowly added to the deionized water with vigorous stirring to form a uniform slurry. The prepared slurry was coated on a cordierite honeycomb molded body (Ceracomm, Korea) having a size of 15 × 15 × 10 cm and a cell density of 200 cells / in 2 (84 × 84 cells), and then dried naturally for one day. After drying at 120 ° C. for 2 hours, the temperature was raised to 2.8 ° C. per minute and calcined at 450 ° C. for 3 hours.

상기 기술한 방법으로 제조된 촉매에 다이나트로다이암모늄플라티늄(Pt(NH3)2(NO2)2)[한결골드, 대한민국] 및 오염화나이오븀(NbCl5)[Sigma-Aldrich, 미국]수용액에 함침한 다음 하루 동안 자연건조를 시켰다.Aqueous solution of dynatrodiammoniumplatinum (Pt (NH 3 ) 2 (NO 2 ) 2 ) [Gold Gold, South Korea] and niobium chloride (NbCl 5 ) [Sigma-Aldrich, USA] Impregnated in and then allowed to dry for one day.

그 후 120℃에서 2시간 건조한 후, 분당 2.8℃로 승온하여 450℃에서 3시간 소성하였으며, H2 1부피%/Air[대덕가스, 대한민국]를 흘려주며 650℃까지 승온한 후 이 온도에서 2시간 유지하여 Pt-Nb/Al2O3촉매를 제조하였다.After drying for 2 hours at 120 ℃, the temperature was raised to 2.8 ℃ per minute and calcined at 450 ℃ for 3 hours, flowing H 2 1% by volume / Air [Daedeok Gas, South Korea] and heated up to 650 ℃ 2 at this temperature Keeping time, Pt-Nb / Al 2 O 3 catalyst was prepared.

상기의 방법에 의하여 제조된 촉매의 조성은 알루미나/하니컴의 비 1.2g/in3이며, 백금(Pt) 및 나이오븀(Nb)은 알루미나 기준 각각 1.3중량%, 3.0중량%이었다.The composition of the catalyst prepared by the above method was 1.2 g / in 3 of alumina / honeycomb, and platinum (Pt) and niobium (Nb) were 1.3 wt% and 3.0 wt%, respectively, based on alumina.

제조예 2Preparation Example 2

Pt/Al2O3 촉매의 제조Pt / Al 2 O 3 Preparation of the catalyst

제조예 1의 촉매와 동일한 방법으로 제조하였다. 다만 염화나이오븀을 첨가하지 않았다.It prepared by the same method as the catalyst of Preparation Example 1. No niobium chloride was added.

상기의 방법에 의하여 제조된 촉매의 조성은 알루미나/하니컴의 비 1.2g/in3이며, 백금(Pt)은 알루미나 기준 1.3중량%이었다.The composition of the catalyst prepared by the above method was 1.2 g / in 3 of alumina / honeycomb, and platinum (Pt) was 1.3 wt% based on alumina.

실시예 1Example 1

제조예 1에서 제조한 촉매를 사용하여 암모니아 촉매산화실험을 행하였다.Ammonia catalytic oxidation experiment was conducted using the catalyst prepared in Preparation Example 1.

상기 암모니아 촉매산화실험을 위해 도 1에 나타낸 실험장치를 사용하였다.The experimental apparatus shown in FIG. 1 was used for the ammonia catalytic oxidation experiment.

도 1에 나타낸 바와 같이 상기 실험장치는 암모니아유량조절기(12), 질소유 량조절기(14), 산소유량조절기(16), 유량조절기 조절장치(18), 혼합챔버(22), 용매수송펌프(24), 가열시스템(26), 온도조절장치(28), 혼합기(42), 열전대(44), 가열 조절장치(46), 벤트(54), 가스분석기(52), 유입부(32), 유출부(34), 반응기(60)로 구성된다.As shown in FIG. 1, the experimental apparatus includes an ammonia flow controller 12, a nitrogen flow controller 14, an oxygen flow controller 16, a flow controller controller 18, a mixing chamber 22, and a solvent transport pump ( 24, heating system 26, thermostat 28, mixer 42, thermocouple 44, heating regulator 46, vent 54, gas analyzer 52, inlet 32, It consists of the outlet part 34 and the reactor 60.

상기 반응기(60)[삼손하이텍, 대한민국]는 SUS304로 제작된 직경 4cm, 길이 100cm의 직사각형 형태이며, 하니컴 형태의 촉매가 들어갈 수 있게 정사각형으로 구성되어 있다. 또한 반응기를 승온하기 위하여 3개의 가열부분으로 구성된 로[Lindburg, 미국]를 사용하였으며 가열조절장치(46)를 이용하여 온도조절을 할 수 있도록 하였다. 또한 열전대(44)를 이용하여 반응기 내부의 온도를 측정하였다.The reactor 60 [Samson Hi-Tech, South Korea] is a rectangular shape of 4cm in diameter, 100cm in length made of SUS304, it is composed of a square so that the honeycomb type catalyst can enter. In addition, a furnace consisting of three heating sections [Lindburg, USA] was used to heat the reactor, and the temperature was controlled by using a heat controller 46. In addition, the temperature inside the reactor was measured using the thermocouple 44.

또한 상기 용매수송펌프(24)[SP930D, 영린기기, 대한민국]를 이용하여 수분을 공급하고, 공급되는 라인(line)은 수분이 기화된 상태를 유지할 수 있도록 가열시스템(26)을 이용하여 가열하였다. 또한 상기 온도조절장치(28)로 반응기(60)에 주입되는 혼합가스의 온도를 조절하였다. 질소, 산소, 암모니아와 같은 가스를 일정량씩 반응기(60)에 주입하기 위해 상기 암모니아유량조절기(12), 질소유량조절기(14), 산소유량조절기(16), 유량조절기 조절장치(18)를 사용하였다. 상기 유량조절기는 F-201C-FAC-22-V[Bronkhorst, 네덜란드]를 이용하여 가스의 유량을 조절하였고 가스상을 일정 농도로 유지하기 위해 상기 혼합챔버(22)를 사용하여 질소, 산소, 암모니아를 혼합하였다.In addition, the solvent supply pump 24 [SP930D, Yeonglin equipment, Korea] to supply the water, and the supplied line (line) was heated using the heating system 26 to maintain the vaporized state of water. . In addition, the temperature of the mixed gas injected into the reactor 60 by the temperature control device 28 was adjusted. In order to inject a gas such as nitrogen, oxygen, and ammonia into the reactor 60 by a predetermined amount, the ammonia flow regulator 12, the nitrogen flow regulator 14, the oxygen flow regulator 16, and the flow regulator regulator 18 are used. It was. The flow regulator was controlled using F-201C-FAC-22-V [Bronkhorst, Netherlands] to control the flow rate of the gas and to maintain the gas phase at a constant concentration by using the mixing chamber 22 to obtain nitrogen, oxygen and ammonia. Mixed.

상기 반응기(60) 내부에는 혼합가스와 수분이 반응기 내에서 촉매와의 반응성을 높이기 위해 충분히 혼합될 수 있도록 팬형태의 혼합기(42)를 반응기 내에 이 중으로 설치하였다.Inside the reactor 60, a fan-shaped mixer 42 was installed in the reactor so that the mixed gas and the moisture could be sufficiently mixed to increase the reactivity with the catalyst in the reactor.

상기 반응기(60)에서 반응하기 전과 후의 가스농도를 측정하기 위해 유입부(32)와 유출부(34)에서 시료를 채취할 수 있도록 하였고, 상기 가스분석기(52)로 상기 시료를 분석하였다. 상기 가스분석기(52)는 암모니아의 농도를 측정하기 위한 경우는 검지관(3L, 3La, 3M)[Gastec, 일본]을 사용하였고, 산소, 일산화질소, 이산화질소 등의 가스는 portable gas analyzer인 MK-Ⅱ[Eurotron, 이탈리아]를 사용하여 측정하였다. 시료를 채취한 나머지 가스는 상기 벤트(vent)(54)를 이용하여 배출시켰다. 또한 암모니아 전환율은 하기 수학식 1로 계산하였다.In order to measure the gas concentration before and after the reaction in the reactor (60), it was possible to take a sample from the inlet 32 and the outlet 34, the sample was analyzed by the gas analyzer (52). The gas analyzer 52 used detection tubes (3L, 3La, 3M) [Gastec, Japan] to measure the concentration of ammonia, and gas such as oxygen, nitrogen monoxide, and nitrogen dioxide was a portable gas analyzer, MK-. It was measured using II [Eurotron, Italy]. The remaining gas from which the sample was taken was discharged using the vent 54. In addition, ammonia conversion was calculated by the following equation (1).

NH3 전환율(%)=[(반응전 NH3농도 - 반응후 NH3농도)/반응전 NH3농도]×100(%)NH 3 conversion ratio (%) = [(NH 3 concentration before reaction After reaction NH 3 concentration) / NH 3 concentration before reaction] × 100 (%)

상기 실험장치를 이용하여 제조예 1에서 제조한 촉매에 대한 실험을 행하였다. Using the experimental apparatus was carried out experiments on the catalyst prepared in Preparation Example 1.

상기 실험에 사용한 촉매의 부피는 45cm3이며, 반응조건은 공간속도 10,000h-1이었다.The volume of the catalyst used in the experiment was 45 cm 3 , the reaction conditions were space velocity 10,000h -1 .

상기 실험에 사용한 유입가스의 조성을 표 1에 나타내었다.Table 1 shows the composition of the inlet gas used in the experiment.

성상 Constellation NH3 NH 3 H2OH 2 O O2 O 2 N2 N 2 농도 density 500ppmv 500ppmv 3.28부피% 3.28% by volume 18.00부피% 18.00% by volume 78.67부피%  78.67% by volume

상기 실험결과 얻어진 암모니아 전환율 및 생성된 질소산화물의 농도를 도 2 및 도 3에 나타내었다.The ammonia conversion rate and the concentration of the produced nitrogen oxide obtained as a result of the above experiment are shown in FIGS. 2 and 3.

비교예 1Comparative Example 1

제조예 2에서 제조한 촉매를 사용하여 실시예 1과 같이 실험을 행하였으며 그 결과 얻어진 암모니아 전환율 및 생성된 질소산화물의농도를 도 2 및 도 3에 나타내었다.Experiments were carried out in the same manner as in Example 1, using the catalyst prepared in Preparation Example 2, and the resulting ammonia conversion and concentration of the resulting nitrogen oxides are shown in FIGS. 2 and 3.

도 2에서 보면 실시예 1의 암모니아 전환율이 180℃에서 250℃의 온도범위에서 비교예 1에 비해 높은 것을 알 수 있다. 한편 도 3에서 보는 바와 같이 180℃에서 240℃의 온도범위에서 질소산화물이 생성되지 않다가 온도가 증가하면서 질소산화물이 급격히 증가하는 것을 알 수 있다. 실시예 1의 경우 240℃에서 350℃의 온도범위에서 비교예 1에 비해 질소산화물의 생성량이 작음을 알 수 있다. 또한 300℃이하의 온도에서는 질소산화물의 발생량이 급격하게 증가하지 않아 300℃이하에서 운전할 경우 질소산화물의 발생억제 측면에선 유리하다 하겠다. 결국 본 발명의 암모니아제거방법을 질소산화물의 생성량은 작되 암모니아 전환율은 높아야한다는 목적을 달성하면서 실시할 수 있는 온도범위는 180℃에서 300℃일 수 있다.2 shows that the ammonia conversion of Example 1 is higher than that of Comparative Example 1 in the temperature range of 180 ℃ to 250 ℃. On the other hand, as shown in Figure 3 it can be seen that the nitrogen oxide is not produced in the temperature range of 180 ℃ to 240 ℃ is rapidly increased as the temperature increases. In the case of Example 1 it can be seen that the amount of nitrogen oxides produced in comparison with Comparative Example 1 in the temperature range of 240 ℃ to 350 ℃. In addition, since the generation amount of nitrogen oxide does not increase rapidly at the temperature below 300 ℃, it is advantageous in terms of suppressing the generation of nitrogen oxide when operating below 300 ℃. As a result, the ammonia removal method of the present invention can be carried out while achieving a goal of producing a small amount of nitrogen oxides but a high ammonia conversion rate may be 180 ℃ to 300 ℃.

실시예 2Example 2

제조예 1에서 제조한 촉매를 사용하여 실시예 1과 같이 실험하였다. 다만 이산화황을 반응기에 추가로 주입하기 위해 유입가스의 조성을 하기 표 2와 같이 하였으며, 반응온도를 250℃로 고정하여 진행하였다. 그 결과인 암모니아 전환율을 도 4에 나타내었다.Experiment was carried out as in Example 1 using the catalyst prepared in Preparation Example 1. However, in order to further inject sulfur dioxide into the reactor, the composition of the inlet gas was as shown in Table 2 below, and the reaction temperature was fixed at 250 ° C. The resulting ammonia conversion is shown in FIG. 4.

성상  Constellation NH3 NH 3 SO2 SO 2 H2OH 2 O O2 O 2 N2 N 2 농도  density 500ppmv 500ppmv 50ppmv 50ppmv 3.28부피% 3.28% by volume 18.00부피% 18.00% by volume 78.67부피% 78.67% by volume

비교예 2Comparative Example 2

제조예 2에서 제조한 촉매를 사용하여 실시예 2와 같이 실험하였다. 그 결과인 암모니아 전환율을 도 4에 나타내었다.Experiment was carried out as in Example 2 using the catalyst prepared in Preparation Example 2. The resulting ammonia conversion is shown in FIG. 4.

도 4의 결과로 실시예 2와 비교예 2에서 이산화황이 촉매의 내구성에 미치는 영향을 알 수 있다.As a result of Figure 4 it can be seen that the effect of sulfur dioxide on the durability of the catalyst in Example 2 and Comparative Example 2.

비교예 2의 경우 초기 암모니아 전환율이 92.6%에서 시간이 경과함에 따라 전환율이 감소하다가 30시간 후부터 85%정도를 유지하는 것을 알 수 있다. 한편, 실시예 2의 경우는 초기 암모니아 전환율 94%를 계속 유지하였다.In the case of Comparative Example 2 it can be seen that the conversion rate decreases with time as the initial ammonia conversion rate is 92.6% and then maintains about 85% after 30 hours. On the other hand, in Example 2, the initial ammonia conversion was maintained at 94%.

이러한 결과는 본 발명의 촉매가 배기가스중 이산화황의 존재에도 불구하고 산화력을 계속 유지하는 것을 나타내며 이산화황에 대한 내피독성이 우수하다는 것을 나타내는 반증이라 할 수 있다.These results indicate that the catalyst of the present invention maintains the oxidizing power despite the presence of sulfur dioxide in the exhaust gas, and shows that the endothelial toxicity to sulfur dioxide is excellent.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 암모니아 제거율은 높고 부산물인 질소산화물의 생성율은 낮으며, 황화합물의 존재하에서도 내구성이 우수한 암모니아 산화촉매를 사용하여 저온부에서도 배기가스 또는 폐수중의 암모니아를 촉매산화법에 의해 산화처리할 수 있다. 또한 상기의 암모니아 산화촉매를 이용하면 저온부에서도 배기가스 또는 폐수 중의 암모니아를 제거할 수 있다는 장점이 있다.As described above, according to the present invention, the ammonia removal rate is high, the production rate of nitrogen oxide as a by-product is low, and the ammonia in the exhaust gas or the waste water at low temperature is catalyzed by using an ammonia oxidation catalyst having excellent durability even in the presence of sulfur compounds. It can be oxidized by. In addition, the use of the ammonia oxidation catalyst has the advantage that it is possible to remove ammonia in the exhaust gas or waste water even in a low temperature portion.

Claims (7)

배기가스 또는 폐수 중에 함유된 암모니아를 촉매산화법에 의해 산화처리할 때 이용하는 촉매에 있어서, 담체로서 Al2O3를 사용하고, 상기 담체에 백금(Pt) 및 나이오븀(Nb)이 담지된 것을 특징으로 하는 암모니아 산화촉매.A catalyst used for oxidizing ammonia contained in exhaust gas or waste water by a catalytic oxidation method, wherein Al 2 O 3 is used as a support, and platinum (Pt) and niobium (Nb) are supported on the support. Ammonia oxidation catalyst. 제 1항에 있어서, 상기 Al2O3중량기준으로 상기 백금은 0.5~3.0중량%, 상기 나이오븀은 0.5~10.0중량%인 것을 특징으로 하는 암모니아 산화촉매.The ammonia oxidation catalyst according to claim 1, wherein the platinum is 0.5 to 3.0% by weight and the niobium is 0.5 to 10.0% by weight based on the weight of Al 2 O 3 . 제 1항 또는 제 2항의 촉매를 금속판, 세라믹 필터, 폼 및 하니콤으로 이루어진 군으로부터 선택되는 지지체 상에 코팅하여 제조한 것을 특징으로 하는 암모니아 산화촉매.An ammonia oxidation catalyst prepared by coating the catalyst of claim 1 or 2 on a support selected from the group consisting of a metal plate, a ceramic filter, a foam and a honeycomb. 제 3항에 있어서, 상기 Al2O3의 함량은 상기 지지체 기준으로 0.5~3.0g/in3인 것을 특징으로 하는 암모니아 산화촉매.The ammonia oxidation catalyst according to claim 3, wherein the content of Al 2 O 3 is 0.5 to 3.0 g / in 3 based on the support. 제 1항 또는 제 2항의 촉매를 입자형 또는 단일체(monolith)로 압출 가공하여 제조한 것을 특징으로 하는 암모니아 산화촉매.An ammonia oxidation catalyst prepared by extruding the catalyst of claim 1 or 2 into a particle or a monolith. 배기가스 또는 폐수 중에 함유된 암모니아를 촉매산화법에 의해 산화처리하는 방법에 있어서, 제 1항의 촉매 존재하에서 암모니아를 2,000~50,000hr-1의 공간속도로 공급하여 180~300℃의 온도에서 암모니아를 산화시키는 암모니아 제거방법.In the method of oxidizing ammonia contained in exhaust gas or waste water by catalytic oxidation method, ammonia is oxidized at a temperature of 180 to 300 ° C. by supplying ammonia at a space velocity of 2,000 to 50,000 hr −1 in the presence of the catalyst of claim 1. To remove ammonia. 제 6항에 있어서, 타이타늄(Ti), 바나듐(V), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매층을 추가로 설치하여 잔여 암모니아 및 질소산화물을 제거하는 것을 특징으로 하는 암모니아 제거방법.The catalyst layer of claim 6, further comprising at least one element selected from the group consisting of titanium (Ti), vanadium (V), molybdenum (Mo), and tungsten (W). Ammonia removal method characterized in that the oxide is removed.
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