KR20090043852A - Method of preparing titanium silicalite-1 catalyst in the presence of polystyrene particle and method of preparing propylene oxide using said catalyst - Google Patents

Method of preparing titanium silicalite-1 catalyst in the presence of polystyrene particle and method of preparing propylene oxide using said catalyst Download PDF

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Abstract

본 발명은 MFI 구조의 티타늄 함유 제올라이트인 티타늄 실리카라이트-1(Titanium Silicalite-1: TS-1) 촉매의 제조 방법 및 상기 촉매를 이용하여 산화프로필렌(Propylene Oxide: PO)을 제조하는 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는, 폴리스티렌(Polystyrene: PS) 입자의 존재 하에서 수열합성에 의해 티타늄 실리카라이트-1 촉매를 제조하는 방법, 및 상기 촉매의 존재 하에 과산화수소를 산화제로 사용하여 프로필렌을 에폭시화(Epoxidation)함으로써 산화프로필렌을 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for preparing a titanium silicalite-1 (TS-1) catalyst, which is a titanium-containing zeolite having an MFI structure, and a method for producing propylene oxide (PO) using the catalyst. More specifically, a method for preparing a titanium silicalite-1 catalyst by hydrothermal synthesis in the presence of polystyrene (PS) particles, and propylene is epoxidized using hydrogen peroxide as an oxidant in the presence of the catalyst. The present invention relates to a method for producing propylene oxide.

본 발명에 따라 제조된 티타늄 실리카라이트-1에는 프로필렌 에폭시화 반응에 대해 불활성인 아나타제(Anatase) 상이 적게 형성되므로, 본 발명에 따른 티타늄 실리카라이트-1을 프로필렌의 에폭시화 반응의 촉매로 사용할 경우, 보다 향상된 산화프로필렌의 선택도 및 수율을 얻을 수 있는 효과를 갖는다.Since titanium silicalite-1 prepared according to the present invention has less anatase phase inactive to propylene epoxidation reaction, when titanium silicalite-1 according to the present invention is used as a catalyst for propylene epoxidation reaction, It has the effect of obtaining better selectivity and yield of propylene oxide.

티타늄 실리카라이트-1, 폴리스티렌, 프로필렌, 과산화수소, 산화프로필렌, 프로필렌 에폭시화 Titanium Silica Light-1, Polystyrene, Propylene, Hydrogen Peroxide, Propylene Oxide, Propylene Epoxide

Description

폴리스티렌 입자의 존재 하에서 티타늄 실리카라이트-1 촉매를 제조하는 방법 및 상기 촉매를 이용한 산화프로필렌의 제조 방법{Method of preparing titanium silicalite-1 catalyst in the presence of polystyrene particle and method of preparing propylene oxide using said catalyst}Method of preparing titanium silicalite-1 catalyst in the presence of polystyrene particles and method of preparing propylene oxide using said catalyst}

본 발명은 프로필렌으로부터 산화프로필렌(Propylene Oxide: PO)을 제조하는 반응의 촉매를 제조하는 방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로는, 티타늄 함유 제올라이트인 티타늄 실리카라이트-1(Titanium Silicalite-1: TS-1)을 보다 높은 활성을 가지도록 합성하고, 이를 과산화수소를 산화제로 사용하는 프로필렌 에폭시화 반응(Epoxidation)의 촉매로 이용하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for preparing a catalyst for the reaction of producing propylene oxide (PO) from propylene. More specifically, Titanium Silicalite-1 (TS-1), a titanium-containing zeolite, is synthesized to have higher activity, and the propylene epoxidation reaction using hydrogen peroxide as an oxidizing agent. It is related with the method of using as a catalyst.

현재 산화프로필렌은 클로로히드린 공정(Chlorohydrin Process)과 과산화물을 산화제로 이용하는 간접 산화법(Hydroperoxide Process)에 의해 제조되고 있으나, 이 공정들은 환경에 유해한 산화제를 사용하고 다량의 부산물을 생성하므로 분리 공정에 많은 비용이 소요되는 문제를 가지고 있다. 이에 따라, 친환경적인 대체 공정에 관심이 집중되면서 과산화수소를 산화제로 사용한 프로필렌 에폭시화 반응에 관한 연구가 진행되었다.Currently, propylene oxide is manufactured by the chlorohydrin process and the indirect oxidation process using peroxide as an oxidant. However, these processes use oxidizing agents that are harmful to the environment and generate a large amount of by-products. There is a cost problem. As a result, attention has been focused on environmentally friendly alternative processes, and researches on propylene epoxidation reaction using hydrogen peroxide as an oxidizing agent have been conducted.

과산화수소를 산화제로 사용한 프로필렌 에폭시화 반응을 위한 촉매로, [π-C5H5NC16H33]3[PW4O16], [γ-SiW10O34(H2O)2]4-와 같은 헤테로폴리산 촉매[Z. Xi, N. Zhou, Y. Sun, K. Li, Science, 292권, 11쪽 (2001)/ N. Zhou, Z. Xi, G. Cao, S. Gao, Appl. Catal. A, 250권, 239쪽 (2003)/ K. Kamata, K. Yonehara, Y. Sumida, K. Yamaguchi, S. Hikichi, N. Mizuno, Science, 300권, 964쪽 (2003)/ N. Mizuno, K. Yamaguchi, K. Kamata, Coord. Chem. Rev., 249권, 1944쪽 (2005)]를 비롯하여, 티타늄 실리카라이트-1 및 Ti-MCM-22와 같은 티타늄을 함유한 미세기공 분자체 촉매[M.G. Clerici, G. Bellussi, U. Romano, J. Catal., 129권, 159쪽 (1991)/ G. Li, X. Wang, H. Yan, Y. Chen, Q. Su, Appl. Catal. A, 218권, 31쪽 (2001)/ X. Liu, X. Wang, X. Guo, G. Li, Catal. Today, 93-95권, 505쪽 (2004)/ G. Li, Z. Wang, H. Yan, Y. Liu, X. Liu, Appl. Catal. A, 236권, 1쪽 (2002)/ H.J. Ban, K.Y. Lee, J.K. Lee, S.T. Chung, W.S. Ahn, Korean Chem. Eng. Res., 44권, 121쪽 (2006)]들이 보고되었다. 특히 티타늄을 함유한 미세기공 분자체 촉매 중에서 Ti-MCM-22는 프로필렌 에폭시화 반응에서 100%의 산화프로필렌 선택도를 보이는 것으로 보고되었다[H.J. Ban, K.Y. Lee, J.K. Lee, S.T. Chung, W.S. Ahn, Korean Chem. Eng. Res., 44권, 121쪽 (2006)]. Catalyst for propylene epoxidation reaction using hydrogen peroxide as oxidant, [π-C 5 H 5 NC 16 H 33 ] 3 [PW 4 O 16 ], [γ-SiW 10 O 34 (H 2 O) 2 ] 4- Heteropolyacid catalysts such as [Z. Xi, N. Zhou, Y. Sun, K. Li, Science, Vol. 292, 11 (2001) / N. Zhou, Z. Xi, G. Cao, S. Gao, Appl. Catal. A, vol. 250, p. 239 (2003) / K. Kamata, K. Yonehara, Y. Sumida, K. Yamaguchi, S. Hikichi, N. Mizuno, Science, Vol. 300, pp. 964 (2003) / N. Mizuno, K. Yamaguchi, K. Kamata, Coord. Chem. Rev., Vol. 249, p. 1944 (2005)], as well as microporous molecular sieve catalysts containing titanium such as titanium silicalite-1 and Ti-MCM-22 [MG Clerici, G. Bellussi, U. Romano, J. Catal., Vol. 129, p. 159 (1991) / G. Li, X. Wang, H. Yan, Y. Chen, Q. Su, Appl. Catal. A, vol. 218, p. 31 (2001) / X. Liu, X. Wang, X. Guo, G. Li, Catal. Today, pp. 93-95, p. 505 (2004) / G. Li, Z. Wang, H. Yan, Y. Liu, X. Liu, Appl. Catal. A, vol. 236, p. 1 (2002) / HJ Ban, KY Lee, JK Lee, ST Chung, WS Ahn, Korean Chem. Eng. Res., Vol. 44, 121 (2006)]. Particularly, among the microporous molecular sieve catalysts containing titanium, Ti-MCM-22 has been reported to exhibit propylene oxide selectivity of 100% in the propylene epoxidation reaction [HJ Ban, KY Lee, JK Lee, ST Chung, WS Ahn, Korean Chem. Eng. Res., Vol. 44, 121 (2006)].

그러나 Ti-MCM-22는 합성 과정이 너무 복잡하기 때문에, 현재 알려진 합성법으로는 상용화에 적용시키기가 어려워 이에 대한 연구가 많이 진행되지 못하였고, 비교적 합성 과정이 간단한 티타늄 실리카라이트-1(Titanium Silicalite-1: TS-1) 촉매를 이용하는 프로필렌 에폭시화 반응에 관한 연구가 매우 활발히 진행되었다 [M.G. Clerici, G. Bellussi, U. Romano, J. Catal., 129권, 159쪽 (1991)/ G.F. Thiele, E. Roland, J. Mol. Catal. A, 117권, 351쪽 (1997)/ G. Li, X. Wang, H. Yan, Y. Chen, Q. Su, Appl. Catal. A, 218권, 31쪽 (2001)/ X. Liu, X. Wang, X. Guo, G. Li, Catal. Today, 93-95권, 505쪽 (2004)/ G. Li, Z. Wang, H. Yan, Y. Liu, X. Liu, Appl. Catal. A, 236권, 1쪽 (2002)/ C. Wang, B. Wang, X. Meng, Z. Mi, Catal. Today, 74권, 15쪽 (2002)/ V. Arca, A. Boscolo Boscoletto, N. Fracasso, L. Meda, G. Ranghino, J. Mol. Catal. A, 243권, 264쪽 (2006)].However, since Ti-MCM-22 is too complex to synthesize, it is difficult to apply it to commercialization with known synthesis methods, and much research has not been carried out, and titanium silicalite-1 (Titanium Silicalite-) is relatively simple. 1: Research on propylene epoxidation reaction using TS-1) catalyst has been very active [MG Clerici, G. Bellussi, U. Romano, J. Catal., Vol. 129, 159 (1991) / G.F. Thiele, E. Roland, J. Mol. Catal. A, vol. 117, p. 351 (1997) / G. Li, X. Wang, H. Yan, Y. Chen, Q. Su, Appl. Catal. A, vol. 218, p. 31 (2001) / X. Liu, X. Wang, X. Guo, G. Li, Catal. Today, pp. 93-95, p. 505 (2004) / G. Li, Z. Wang, H. Yan, Y. Liu, X. Liu, Appl. Catal. A, vol. 236, p. 1 (2002) / C. Wang, B. Wang, X. Meng, Z. Mi, Catal. Today, Vol. 74, 15 (2002) / V. Arca, A. Boscolo Boscoletto, N. Fracasso, L. Meda, G. Ranghino, J. Mol. Catal. A, vol. 243, p. 264 (2006)].

그리고 더 나아가 과산화수소와 같은 산화제를 사용하지 않고 직접 산소 기체를 사용하여 프로필렌 에폭시화 반응을 일으키는 촉매에 관한 연구가 진행되었는데, 이와 관련된 촉매로는 Pd(OAc)2-[(C6H13)4N]3[PO4[W(O)(O2)2]4]와 같은 헤테로폴리산 촉매[Y. Liu, K. Murata, M. Inaba, N. Mimura, Appl. Catal. B, 58권, 51쪽 (2005)], Ti-Al-HMS, Au/Ti-MCM-41, Au/Ti-MCM-48과 같은 티타늄을 함유한 중형기공 분자체 촉매 [Y. Liu, K. Murata, M. Inaba, N. Mimura, Catal. Lett., 89권, 49쪽 (2003)/ B.S. Uphade, Y. Yamada, T. Akita, T. Nakamura, M. Haruta, Appl. Catal. A, 215권, 137쪽 (2001)/ B.S. Uphade, T. Akita, T. Nakamura, M. Haruta, J. Catal., 209권, 331쪽 (2002)], 금, 백금, 팔라듐, 은과 같은 귀금속을 담지한 티타늄 함유 미세기공 분자체 촉매[B. Taylor, J. Lauterbach, W.N. Delgass, Appl. Catal. A, 291권, 188쪽 (2005)/ N. Yap, R.P. Andress, W.N. Delgass, J. Catal., 226권, 156쪽 (2004)/ L. Cumaranatunge, W.N. Delgass, J. Catal., 232권, 38쪽 (2005)/ G. Jenzer, T. Mallat, M. Maciejewski, F. Eigenmann, A. Baiger, Appl. Catal. A, 208권, 125쪽 (2005)/ X. Guo, R. Wang, X. Wang, J. Hao, Catal. Today, 93-95권, 211쪽 (2004)/ R. Wang, X. Guo, X. Wang, J. Hao, Catal. Today, 93-95권, 217쪽 (2004)]가 보고되었다. Furthermore, further studies have been conducted on catalysts for the propylene epoxidation reaction using oxygen gas directly without using an oxidizing agent such as hydrogen peroxide. Pd (OAc) 2 -[(C 6 H 13 ) 4 N] 3 heteropolyacid catalyst such as [PO 4 [W (O) (O 2 ) 2 ] 4 ] [Y. Liu, K. Murata, M. Inaba, N. Mimura, Appl. Catal. B, vol. 58, p. 51 (2005)], medium pore molecular sieve catalysts containing titanium such as Ti-Al-HMS, Au / Ti-MCM-41, Au / Ti-MCM-48 [Y. Liu, K. Murata, M. Inaba, N. Mimura, Catal. Lett., Vol. 89, p. 49 (2003) / BS Uphade, Y. Yamada, T. Akita, T. Nakamura, M. Haruta, Appl. Catal. A, Vol. 215, p. 137 (2001) / BS Uphade, T. Akita, T. Nakamura, M. Haruta, J. Catal., Vol. 209, p. 331 (2002)], such as gold, platinum, palladium, and silver Titanium-containing microporous molecular sieve catalyst supporting precious metals [B. Taylor, J. Lauterbach, WN Delgass, Appl. Catal. A, vol. 291, p. 188 (2005) / N. Yap, RP Andress, WN Delgass, J. Catal., Vol. 226, p. 156 (2004) / L. Cumaranatunge, WN Delgass, J. Catal., Vol. 232, P. 38 (2005) / G. Jenzer, T. Mallat, M. Maciejewski, F. Eigenmann, A. Baiger, Appl. Catal. A, vol. 208, p. 125 (2005) / X. Guo, R. Wang, X. Wang, J. Hao, Catal. Today, 93-95, pp. 211 (2004) / R. Wang, X. Guo, X. Wang, J. Hao, Catal. Today, 93-95, pp. 217 (2004).

이러한 산소 기체를 사용한 프로필렌의 직접 산화 방법은 산화제를 따로 사용하지 않으므로 환경적, 경제적으로 많은 장점을 가지고 있지만 매우 낮은 산화프로필렌 수율을 보이므로, 온화한 반응 조건에서도 우수한 활성을 보이는 티타늄 실리카라이트-1을 촉매로 이용하고 과산화수소를 산화제로 사용한 프로필렌 에폭시화 반응에 관한 연구 및 상업화에 많은 관심이 집중되어 왔다.The direct oxidation of propylene using oxygen gas has many advantages both environmentally and economically because it does not use an oxidizing agent, but shows very low propylene oxide yield. Therefore, titanium silicalite-1 having excellent activity even under mild reaction conditions is used. Much attention has been focused on the research and commercialization of propylene epoxidation reactions using catalysts and hydrogen peroxide as oxidants.

티타늄 실리카라이트-1(Titanium Silicalite-1: TS-1)은 ZSM-5와 같은 MFI 구조의 제올라이트로서, 세공 크기가 5.1×5.5 A인 구부러진(zig-zag) 형태의 채널과 5.3×5.6 A의 직선 형태의 채널이 서로 교차하는 3차원적 세공 구조를 가지며, 각각의 세공은 10개의 원자 고리로 되어 있다 [E.M. Flanigen, J.M. Bennett, R.W. Grose, J.P. Cohen, R.L. Patton, R.M. Kirchner, J.V. Smith, Nature, 271권 512쪽 (1978)]. 또한 티타늄 실리카라이트-1은 [TiO4]-[SiO4] 단위체들로 구성되어 있으며 구조 내의 실리콘 중 최대 2.5% 정도만 티타늄으로 치환 가능하고, 과량의 티타늄 전구체가 사용될 경우 구조 내에 채워지고 남은 티타늄에 의해 아나타제(Anatase) 상이 형성된다. 티타늄 실리카라이트-1 결정은 입방체 형태이며 결정 의 크기는 약 200 nm 정도이다.Titanium Silicalite-1 (TS-1) is a zeolite with an MFI structure, such as ZSM-5, with a zig-zag channel with a pore size of 5.1 × 5.5 A and 5.3 × 5.6 A. The linear channels have a three-dimensional pore structure where they intersect with each other, and each pore consists of 10 atomic rings [EM Flanigen, JM Bennett, RW Grose, JP Cohen, RL Patton, RM Kirchner, JV Smith, Nature , Vol. 271, 512 (1978)]. In addition, titanium silicalite-1 is composed of [TiO 4 ]-[SiO 4 ] units, and up to 2.5% of the silicon in the structure can be substituted with titanium. An anatase phase is formed by this. Titanium silicalite-1 crystals are cubic and have a size of about 200 nm.

티타늄 실리카라이트-1은 과산화수소를 산화제로 사용하여 온화한 반응 조건에서 다양한 유기물의 액상 산화 반응을 수행할 수 있는 촉매로, 페놀의 수산화 반응(Hydroxylation), 시클로헥사논의 암옥시화 반응(Ammoximation) 및 본 발명에서 이루고자 하는 올레핀의 에폭시화 반응의 촉매로 많이 연구되고 있다. 티타늄 실리카라이트-1에서 티타늄은 사면체 구조, 팔면체 구조 및 아나타제 상으로 존재할 수 있는데, 본 발명에서 목표로 하는 프로필렌 에폭시화 반응의 활성점으로는 MFI 구조 내에 채워진 실리카 단위체들로 둘러싸인 사면체 구조의 티타늄만 가능하며 팔면체 구조 및 아나타제 상의 티타늄은 전혀 활성이 없는 것으로 알려져 있다 [B. Notari, Catal. Today, 18권, 163쪽 (1993)/ F.Z. Zhang, X.W. Guo, X.S. Wang, G. Li, J.C. Zhou, J.Q. Yu, C. Li, Catal. Lett., 72권, 235쪽 (2001)/ S. Bordiga, A. Damin, F. Bonino, C. Lamberti, Top Organomet. Chem., 16권, 37쪽 (2005)]. Titanium silicalite-1 is a catalyst capable of performing liquid phase oxidation of various organic substances under mild reaction conditions using hydrogen peroxide as an oxidizing agent. Hydroxylation of phenol, Amoximation of cyclohexanone and present Many studies have been made as catalysts for the epoxidation reaction of olefins to be achieved in the invention. In titanium silicalite-1, titanium may exist in tetrahedral structure, octahedral structure and anatase phase. The active point of the propylene epoxidation reaction targeted in the present invention is only tetrahedral titanium surrounded by silica units filled in the MFI structure. It is known that titanium on octahedral structure and anatase is inactive [B. Notari, Catal. Today, Vol. 18, p. 163 (1993) / F.Z. Zhang, X.W. Guo, X.S. Wang, G. Li, J. C. Zhou, J.Q. Yu, C. Li, Catal. Lett., Vol. 72, p. 235 (2001) / S. Bordiga, A. Damin, F. Bonino, C. Lamberti, Top Organomet. Chem., 16, 37 (2005)].

한편, 상기 반응들에서 티타늄 실리카라이트-1에 나트륨이 소량이라도 첨가되면 활성이 급격히 떨어지는 경향이 있는데, 이는 티타늄이 함유된 분자체를 촉매로 사용하고 과산화수소를 산화제로 사용하는 액상 반응에서 일어나는 일반적인 현상이다. 따라서 촉매 제조 시 나트륨 전구체를 사용하지 않거나 혹은 사용할 경우에는 반드시 나트륨을 제거해 주는 것이 필요하다. 메탄올을 용매로 하고 과산화수소를 산화제로 사용하는 프로필렌 에폭시화 반응의 촉매로 티타늄 실리카라이트-1을 이용하면 산화프로필렌과 함께 부생성물로 1,2-프로판디올(1,2-Propanediol)과 1-메톡시-2-프로판올(1-Methoxy-2-Propanol), 2-메톡시-1-프로판올(2-Mthoxy-1- Propanol)이 주로 형성된다. 이는 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 결함 위치에 있는 실라놀(Silanol) 그룹이 산점으로 작용하여 산화프로필렌으로부터 부생성물을 형성하는 것으로, 이러한 산점은 염의 수용액으로 중화시킬 수 있다고 보고되었다 [G.F. Thiele, E. Roland, J. Mol. Catal. A, 117권, 351쪽 (1997)]. 또한 티타늄 실리카라이트-1에는 알루미늄이 존재하지 않아 ZSM-5와 같은 알루미늄을 함유한 제올라이트에 비해 소수성을 가지므로, 물 분위기에서 유기 분자들을 잘 흡착시키는 특성을 보이며, 이에 따라 메탄올과 물에 비해 친수성이 약한 과산화수소 및 프로필렌을 잘 흡착시키게 된다. 따라서 티타늄 실리카라이트-1에서 사면체 구조의 티타늄 종의 소수성은 프로필렌 에폭시화 반응의 활성에 중요한 역할을 한다고 보고되었다 [L.Y. Chen, G.K. Chuah, S. Jaenicke, J. Mol. Catal. A, 132권, 281쪽 (1998)].On the other hand, even when a small amount of sodium is added to titanium silicalite-1 in the above reactions, the activity tends to drop sharply, which is a general phenomenon occurring in a liquid phase reaction using a titanium-containing molecular sieve as a catalyst and hydrogen peroxide as an oxidizing agent. to be. Therefore, it is necessary to remove sodium when the sodium precursor is not used or used when preparing the catalyst. When titanium silicalite-1 is used as a catalyst for the propylene epoxidation reaction using methanol as a solvent and hydrogen peroxide as an oxidant, 1,2-propanediol and 1-meth as a by-product together with propylene oxide are used. 1-Methoxy-2-Propanol and 2-Methoxy-1-Propanol are mainly formed. It is reported that the silanol group at the defect site of the titanium silicalite-1 catalyst acts as an acidic point to form a byproduct from propylene oxide, which can be neutralized with an aqueous solution of salt [G.F. Thiele, E. Roland, J. Mol. Catal. A, vol. 117, p. 351 (1997)]. In addition, since titanium silicalite-1 does not contain aluminum, it has hydrophobicity compared to aluminum-containing zeolites such as ZSM-5, and thus exhibits good adsorption of organic molecules in a water atmosphere, and thus hydrophilicity compared to methanol and water. This weak hydrogen peroxide and propylene will adsorb well. Thus, the hydrophobicity of the tetrahedral titanium species in titanium silicalite-1 has been reported to play an important role in the activity of the propylene epoxidation reaction [L.Y. Chen, G.K. Chuah, S. Jaenicke, J. Mol. Catal. A, vol. 132, p. 281 (1998)].

전술한 바와 같이, 티타늄 실리카라이트-1 촉매는 온화한 반응 조건에서도 과산화수소를 산화제로 사용한 프로필렌 에폭시화 반응에서 우수한 활성을 보이며 비교적 합성 과정이 간단하므로, 상업화 공정에 관한 많은 연구가 진행되어 왔으나, 현재까지의 기술들은 아나타제의 형성을 배제하기가 어려워 촉매의 활성을 향상시키는데 있어서 기술적인 한계가 있었다.As described above, the titanium silicalite-1 catalyst shows excellent activity in the propylene epoxidation reaction using hydrogen peroxide as an oxidizing agent even under mild reaction conditions, and the synthesis process is relatively simple. Therefore, many studies on commercialization process have been conducted. 'S techniques have technical limitations in enhancing the activity of the catalyst because of the difficulty of eliminating the formation of anatase.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 프로필렌 에폭시화 반응에서 보다 높은 활성을 가지는 티타늄 실리카라이트-1의 합성 방법을 제공하는데 있다. The technical problem to be achieved in the present invention is to provide a method for synthesizing titanium silicalite-1 having a higher activity in the propylene epoxidation reaction.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 제조방법은: (a) 질소 분위기에서 실리콘 전구체, 티타늄 전구체 및 구조 배향제를 혼합하는 단계; (b) 상기 (a)단계의 혼합물에 폴리스티렌 입자를 첨가하여 혼합하는 단계; (c) 상기 폴리스티렌 입자가 혼합된 (b)단계의 혼합물을 가열하여 알코올 성분을 증발시키는 단계; (d) 상기 알코올 성분이 증발된 (c)단계의 혼합물에 증류수를 첨가하고 수열 합성하는 단계; 및 (e) 상기 (d)단계를 통하여 형성된 고체성분을 건조한 후, 소성하여 티타늄 실리카라이트-1 촉매를 얻는 단계를 포함하여 이루어진다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for preparing a titanium silicalite-1 catalyst comprising: (a) mixing a silicon precursor, a titanium precursor, and a structural alignment agent in a nitrogen atmosphere; (b) adding and mixing polystyrene particles to the mixture of step (a); (c) heating the mixture of step (b) in which the polystyrene particles are mixed to evaporate an alcohol component; (d) adding distilled water to the mixture of step (c) in which the alcohol component is evaporated and hydrothermally synthesizing; And (e) drying the solid component formed through step (d) and calcining to obtain a titanium silicalite-1 catalyst.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 제조방법을 통하여 제조된 티타늄 실리카라이트-1 촉매에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to a titanium silicalite-1 catalyst prepared by the above method.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 제조방법을 통하여 제조된 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 존재 하에서 과산화수소를 산화제로 사용하여 프로필렌을 에폭시화(Epoxidation)함으로써 산화프로필렌을 제조하는 방법에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to a method for preparing propylene oxide by epoxidizing propylene using hydrogen peroxide as an oxidant in the presence of a titanium silicalite-1 catalyst prepared by the above method.

본 발명에 따라 제조된 티타늄 실리카라이트-1에는 프로필렌 에폭시화 반응 에 대해 불활성인 아나타제(Anatase) 상이 적게 형성되므로, 본 발명에 따른 티타늄 실리카라이트-1을 프로필렌의 에폭시화 반응의 촉매로 사용할 경우, 보다 향상된 산화프로필렌의 선택도 및 수율을 얻을 수 있는 효과를 갖는다.Since titanium silicalite-1 prepared according to the present invention has less anatase phase inactive to propylene epoxidation reaction, when titanium silicalite-1 according to the present invention is used as a catalyst for epoxidation of propylene, It has the effect of obtaining better selectivity and yield of propylene oxide.

또한 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 합성 시 폴리스티렌 입자를 사용하는 본 발명에 따른 제조방법은 매우 간단하여 재현성 확보가 용이하기 때문에 상용화 공정에 적용할 경우에도 폴리스티렌 입자의 사용에 따른 부가적인 문제점이 발생하지 않는 이점이 있다. In addition, since the production method according to the present invention using polystyrene particles when synthesizing the titanium silicalite-1 catalyst is very simple and easy to secure reproducibility, there is no additional problem caused by the use of polystyrene particles even when applied to the commercialization process. There is no advantage.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명에 따른 티타늄 실리카라이트-1은 티타늄과 실리콘으로 구성된 특유의 구조를 갖는 분자체로서, 실리콘 전구체, 티타늄 전구체, 구조 배향제, 폴리스티렌 입자 및 증류수를 사용하여 제조된다. 즉, 본 발명에 따른 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 제조 방법은, (a) 질소 분위기에서 실리콘 전구체, 티타늄 전구체 및 구조 배향제를 혼합하는 단계; (b) 상기 (a)단계의 혼합물에 폴리스티렌 입자를 첨가하여 혼합하는 단계; (c) 상기 폴리스티렌 입자가 혼합된 (b)단계의 혼합물을 가열하여 알코올 성분을 증발시키는 단계; (d) 상기 알코올 성분이 증발된 (c)단계의 혼합물에 증류수를 첨가하고 수열 합성하는 단계; 및 (e) 상기 (d)단계를 통하여 형성된 고체성분을 건조한 후, 소성하여 티타늄 실리카라이트-1 촉매를 얻는 단계를 포함하여 이루어진다. Titanium silicalite-1 according to the present invention is a molecular sieve having a unique structure composed of titanium and silicon, and is prepared using a silicon precursor, a titanium precursor, a structural alignment agent, polystyrene particles, and distilled water. That is, the method for producing a titanium silicalite-1 catalyst according to the present invention comprises the steps of: (a) mixing a silicon precursor, a titanium precursor and a structural alignment agent in a nitrogen atmosphere; (b) adding and mixing polystyrene particles to the mixture of step (a); (c) heating the mixture of step (b) in which the polystyrene particles are mixed to evaporate an alcohol component; (d) adding distilled water to the mixture of step (c) in which the alcohol component is evaporated and hydrothermally synthesizing; And (e) drying the solid component formed through step (d) and calcining to obtain a titanium silicalite-1 catalyst.

본 발명에 따른 티타늄 실시카라이트-1 촉매의 제조방법에 있어서, 출발물질 로 사용되는 실리콘 전구체의 예로는 테트라에틸오르소실리케이트(Tetraethylorthosilicate)와 같은 테트라알킬오르소실리케이트(Tetraalkylorthosilicate)를 비롯하여 실리카의 콜로이드 용액, 또는 규산나트륨(Sodium Silicate), 규산칼륨(Potassium Silicate)과 같은 알칼리 금속의 규산염 등이 있다. In the method for preparing the titanium eukarylite-1 catalyst according to the present invention, examples of the silicon precursor used as a starting material include colloids of silica including tetraalkylorthosilicate such as tetraethylorthosilicate. Solutions, or silicates of alkali metals such as sodium silicate and potassium silicate.

그러나 전술한 바와 같이, 티타늄 실리카라이트-1은 나트륨이 미량이라도 첨가되면 프로필렌 에폭시화 반응에서 활성이 급격히 떨어지므로, 규산나트륨과 같은 알칼리 금속의 규산염은 실리콘 전구체로 사용되기 어렵다. 따라서 본 발명에서는 테트라에틸오르소실리케이트와 같은 테트라알킬오르소실리케이트를 실리콘 전구체로 사용하는 것이 바람직하다. However, as described above, titanium silicalite-1 has a sharp decrease in activity in the propylene epoxidation reaction even when a small amount of sodium is added, so that silicates of alkali metals such as sodium silicate are difficult to be used as silicon precursors. Therefore, in the present invention, it is preferable to use tetraalkyl orthosilicate, such as tetraethyl orthosilicate, as the silicon precursor.

또한 티타늄 전구체로는 티타늄 에톡사이드(Titanium Ethoxide)와 티타늄 이소프로폭사이드(Titanium Isopropoxide), 티타늄 부톡사이드(Titanium Butoxide)와 같은 티타늄 알콕사이드(Titanium Alkoxide) 계열의 화합물, 또는 사염화티타늄(Titanium Tetrachloride)을 사용하는 것이 바람직하다. In addition, the titanium precursor may be a titanium alkoxide-based compound such as titanium ethoxide, titanium isopropoxide, titanium butoxide, or titanium tetrachloride. It is preferable to use.

본 발명에 따른 티타늄 실리카라이트-1의 합성을 위해서는 수열 합성 전에 실리콘 전구체, 티타늄 전구체, 구조 배향제 및 폴리스티렌이 투명한 겔을 형성해야 하는데, 일반적으로 실리카보다 티타니아의 수화 속도가 더 빠르므로 투명한 겔이 잘 형성되게 하기 위해서는 티타니아의 수화 속도를 늦춰 실리카의 수화 속도와 비슷하게 맞춰야 할 필요가 있으며, 티타늄 전구체로 사용되는 티타늄 알콕사이드에 있어서, 알콕사이드의 알킬기가 크고 길수록 수화 속도가 느려진다는 특성을 고 려할 때, 티타늄 부톡사이드를 티타늄 전구체로 사용하는 것이 가장 바람직하다. For the synthesis of titanium silicalite-1 according to the present invention, the silicon precursor, the titanium precursor, the structural alignment agent, and the polystyrene should form a transparent gel before hydrothermal synthesis. In general, the transparent gel is faster because the hydration rate of titania is faster than that of silica. In order to form well, it is necessary to slow down the hydration rate of titania to be similar to the hydration rate of silica.In the case of titanium alkoxide used as a titanium precursor, when the alkyl group of the alkoxide is larger and longer, the hydration rate is slower. Most preferably, titanium butoxide is used as the titanium precursor.

티타늄 실리카라이트-1의 합성을 위한 구조 배향제로는 테트라프로필암모늄 히드록사이드(Tetrapropylammonium Hydroxide)가 바람직하며, 테트라프로필암모늄 브로마이드(Tetrapropylammonium Bromide)를 암모니아수와 같은 염기성 용액과 함께 사용하는 것도 가능하다.Tetrapropylammonium Hydroxide is preferred as a structural alignment agent for the synthesis of titanium silicalite-1, and tetrapropylammonium Bromide may be used together with a basic solution such as ammonia water.

본 발명에 따른 티타늄 실리카라이트-1의 제조방법에 있어서, 수열 합성 전에, 실리콘 전구체, 티타늄 전구체, 구조 배향제, 폴리스티렌 입자 및 증류수를 혼합하게 되는데, 이의 적절한 비율은 다음과 같다. In the method for preparing titanium silicalite-1 according to the present invention, before the hydrothermal synthesis, the silicon precursor, the titanium precursor, the structural alignment agent, the polystyrene particles, and the distilled water are mixed, and an appropriate ratio thereof is as follows.

본 발명에 사용되는 실리콘 전구체 : 티타늄 전구체의 몰 비는 10~120 : 1인 것이 바람직한데, 티타늄 전구체에 대한 실리콘 전구체의 몰 비가 10보다 작으면 과량의 아나타제 상이 형성되는 문제가 있으며, 반대로 티타늄 전구체에 대한 실리콘 전구체의 몰 비가 120보다 크면 낮은 티타늄 함량으로 인해 활성점이 너무 적게 형성되는 문제가 있다. 가장 바람직한 실리콘 전구체 : 티타늄 전구체의 몰 비는 50~60 : 1이다.The molar ratio of silicon precursor to titanium precursor used in the present invention is preferably 10 to 120: 1, but when the molar ratio of silicon precursor to titanium precursor is less than 10, there is a problem in that an excess of anatase phase is formed. If the molar ratio of silicon precursor to is greater than 120, there is a problem that too few active points are formed due to the low titanium content. The molar ratio of the most preferable silicon precursor: titanium precursor is 50-60: 1.

본 발명에 사용되는 구조 배향제 : 실리콘 전구체의 몰 비는 0.1~1 : 1인 것이 바람직한데, 실리콘 전구체에 대한 구조 배향제의 몰 비가 0.1보다 작은 경우에는 원하는 구조 배향 효과를 달성할 수 없으며, 반대로 1보다 큰 경우에는 과량의 구조 배향제의 사용으로 인해 결정 형성이 합리적이지 못하다는 문제가 있다. 더욱 바람직한 구조 배향제 : 실리콘 전구체의 몰 비는 0.45 : 1인 것이 좋다. The molar ratio of the structural alignment agent: silicon precursor to be used in the present invention is preferably 0.1 to 1: 1, but when the molar ratio of the structural alignment agent to the silicon precursor is less than 0.1, the desired structural alignment effect cannot be achieved. On the contrary, if it is larger than 1, there is a problem that crystal formation is not rational due to the use of an excessive amount of structural alignment agent. More preferably, the molar ratio of the structural alignment agent: silicon precursor is 0.45: 1.

본 발명에 따르면, 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 활성을 높이기 위하여 티 타늄 실리카라이트-1 제조 시 폴리스티렌 입자를 출발물질과 함께 혼합하여 사용하게 되는데, 본 발명에 따른 방법에 사용되는 폴리스티렌은 모노머인 스티렌(Styrene)과 가교제인 디비닐벤젠(Divinylbenzene)을 혼합한 후, 중합개시제인 과황산칼륨(Potassium Persulfate)을 첨가하여 스티렌과 디비닐벤젠을 공중합시킴으로써 제조된 것으로, 가교제의 사용을 통하여 폴리스티렌 입자는 둥근 모양의 입자들이 서로 엉겨 있는 상태로 형성된다. 스티렌과 디비닐벤젠의 공중합에 의해 형성된 폴리스티렌의 개별적인 입자의 크기는 200~800 nm인 것이 바람직한데, 200 nm보다 작으면 티타늄 실리카라이트-1 구조 형성에 영향을 미칠 가능성이 있고, 800 nm보다 크면 표면적이 작아져 효과적인 영향을 주지 못하는 문제가 있다.According to the present invention, in order to increase the activity of the titanium silica light-1 catalyst, polystyrene particles are mixed with the starting material when preparing the titanium silica light-1, and the polystyrene used in the method according to the present invention is a styrene monomer. (Styrene) and divinylbenzene, a crosslinking agent, are mixed and then a polymerization initiator, potassium persulfate, is added to copolymerize styrene and divinylbenzene. Round particles are formed in an intertwined state. The size of the individual particles of polystyrene formed by copolymerization of styrene and divinylbenzene is preferably 200 to 800 nm. If smaller than 200 nm, there is a possibility of affecting the formation of titanium silicalite-1 structure, and if larger than 800 nm There is a problem that the surface area is small and does not have an effective effect.

폴리스티렌 입자를 실리콘 전구체, 티타늄 전구체 및 구조 배향제의 혼합물에 첨가하고, 소수성인 폴리스티렌 입자가 잘 분산될 수 있도록 빠른 속도로 교반한 다음, 이를 50~70℃로 가열함으로써 함유되어 있는 알코올 성분을 증발시킨다. 알코올 성분을 최대한 증발시킴으로써 이후의 수열합성 과정의 효율을 보다 향상시킬 수 있게 된다.The polystyrene particles are added to the mixture of the silicon precursor, the titanium precursor, and the structural alignment agent, stirred at a high speed so that the hydrophobic polystyrene particles can be dispersed well, and then heated to 50-70 ° C. to evaporate the alcohol component contained therein. Let's do it. By evaporating the alcohol component as much as possible it is possible to further improve the efficiency of the subsequent hydrothermal synthesis process.

알코올 성분을 증발시킨 후, 일정 비율의 증류수를 첨가하고 수열 합성을 진행하게 되는데, 이때 증류수 : 실리콘 전구체의 몰 비는 10~200 : 1인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 35 : 1인 것이 좋다. 실리콘 전구체에 대한 증류수의 몰 비가 10보다 작은 경우에는 수열 합성 과정에서 적절한 압력을 형성하지 못하는 문제가 발생할 수 있으며, 반대로 200보다 큰 경우에는 구조 배향제, 실리콘 전구체 및 티타늄 전구체의 혼합물이 과도하게 희석되는 문제가 있다.After evaporating the alcohol component, a predetermined ratio of distilled water is added and hydrothermal synthesis is performed. In this case, the molar ratio of distilled water: silicon precursor is preferably 10 to 200: 1, more preferably 35: 1. . If the molar ratio of distilled water to silicon precursor is less than 10, there may be a problem in that it does not form an appropriate pressure during hydrothermal synthesis, on the contrary, if it is larger than 200, the mixture of the structural alignment agent, the silicon precursor and the titanium precursor is excessively diluted. There is a problem.

수열 합성을 위한 바람직한 온도는 130~200 ℃이며, 보다 바람직하게는 175 ℃에서 수열 합성을 진행하는 것이 좋으며, 이러한 수열 합성 조건을 유지하기 위해서는 고온고압 반응기를 이용하는 것이 바람직하다.The preferred temperature for hydrothermal synthesis is 130 ~ 200 ℃, more preferably it is preferable to proceed with hydrothermal synthesis at 175 ℃, it is preferable to use a high temperature and high pressure reactor in order to maintain such hydrothermal synthesis conditions.

수열 합성을 통하여 형성된 고체 결정을 회수하고 증류수 등을 이용하여 세척한 후, 100~110℃에서 12시간 동안 건조하고, 500~600℃에서 6시간 동안 소성함으로써 본 발명에 따른 티타늄 실리카라이트-1 촉매를 제조할 수 있다. 수열 합성 시에 혼합물 내에 존재하던 폴리스티렌 입자는 제조된 촉매의 소성과정을 통하여 모두 제거되게 되므로, 최종적으로 생산되는 티타늄 실리카라이트-1 촉매에는 폴리스티렌 입자 및 폴리스티렌의 구성성분이 존재하지 않는다.Titanium silicalite-1 catalyst according to the present invention by recovering the solid crystals formed through hydrothermal synthesis, washed with distilled water, etc., dried at 100-110 ° C. for 12 hours, and calcined at 500-600 ° C. for 6 hours. Can be prepared. Since the polystyrene particles present in the mixture during hydrothermal synthesis are all removed through the calcination process of the prepared catalyst, the finally produced titanium silicalite-1 catalyst does not have polystyrene particles and components of polystyrene.

본 발명에 따라 제조된 티타늄 실리카라이트-1 촉매는 프로필렌의 에폭시화 반응의 촉매로 사용되는 경우 높은 선택성과 수율을 얻을 수 있는 적합한 물성과 활성을 갖는 것으로서, 본 발명에 따른 티타늄 실리카라이트-1 촉매를 이용한 프로필렌 에폭시화 반응은, 과산화수소를 산화제로 사용하는 액상 반응이다.The titanium silicalite-1 catalyst prepared according to the present invention has a suitable physical properties and activity to obtain high selectivity and yield when used as a catalyst for the propylene epoxidation reaction, the titanium silicalite-1 catalyst according to the present invention. The propylene epoxidation reaction using is a liquid phase reaction using hydrogen peroxide as an oxidizing agent.

본 발명에 따른 프로필렌 에폭시화 반응은 고온고압반응기(Autoclave)에서 진행되며, 반응기 외벽을 둘러싼 가열장치와 반응기 내부에 설치되어 있는 온도계를 통해 일정한 반응 온도로 유지되도록 하는 것이 바람직하다. Propylene epoxidation reaction according to the present invention is carried out in a high-temperature high-pressure reactor (Autoclave), it is preferable to maintain a constant reaction temperature through a heating device surrounding the reactor outer wall and a thermometer installed inside the reactor.

반응물인 프로필렌의 압력만으로 전체 반응 압력이 결정되며, 압력은 반응기에 연결되어 있는 압력계를 통하여 측정된다. 반응 온도는 30~60 ℃, 바람직하게는 40 ℃로 유지하는 것이 바람직하며, 반응 압력은 4~10 atm, 보다 바람직하게는 7 atm으로 유지하면서 반응을 진행하는 것이 좋다. The total reaction pressure is determined solely by the pressure of the reactant propylene, which is measured through a manometer connected to the reactor. It is preferable to keep reaction temperature at 30-60 degreeC, Preferably it is 40 degreeC, and it is good to advance reaction, maintaining reaction pressure at 4-10 atm, More preferably, 7 atm.

반응기 내의 교반 속도는 500~1000 rpm, 더욱 바람직하게는 700~800 rpm인 것이 좋고, 프로필렌 에폭시화 반응을 위한 용매로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 아세토니트릴 등이 사용될 수 있으나, 이 중 메탄올을 용매로 사용하는 것이 가장 바람직하다. It is preferable that the stirring speed in the reactor is 500 to 1000 rpm, more preferably 700 to 800 rpm, and methanol, ethanol, propanol, acetonitrile, etc. may be used as a solvent for the propylene epoxidation reaction. Most preferably used as.

산화제로 사용되는 과산화수소의 농도는 용매로 사용한 메탄올의 질량을 기준으로 2.5~7.5 wt%인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 2.5 wt%로 설정하는 것이 바람직하다.The concentration of hydrogen peroxide used as the oxidant is preferably 2.5 to 7.5 wt% based on the mass of methanol used as the solvent, more preferably 2.5 wt%.

본 발명에 따른 산화프로필렌의 제조방법에 사용되는 촉매인 티타늄 실리카라이트-1의 양은 티타늄/과산화수소 몰 비가 5.1×10-4~1.2×10-3, 바람직하게는 8.2×10-4가 되도록 고정하였다. The amount of titanium silicalite-1, which is a catalyst used in the method for producing propylene oxide according to the present invention, was fixed such that the molar ratio of titanium / hydrogen peroxide was 5.1 × 10 −4 to 1.2 × 10 −3, preferably 8.2 × 10 −4. .

이하 폴리스티렌 입자를 사용하지 않은 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 제조예, 폴리스틸렌 입자의 제조예, 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 제조예, 폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1 및 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 합성한 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 실험예, 및 과산화수소를 산화제로 사용한 프로필렌 에폭시화 반응의 촉매로서 상기 촉매들을 이용한 실시예 및 비교예를 통하여 보다 자세하게 설명한다. 이하의 제조예 및 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것으로서 본 발명의 범주를 한정하고자 하는 것이 아니다.Hereinafter, a production example of a titanium silicalite-1 catalyst using no polystyrene particles, a production example of polystyrene particles, a production example of a titanium silicalite-1 catalyst in the presence of polystyrene particles, and a titanium silicalite synthesized without using polystyrene particles- 1 and experimental examples of the titanium silicalite-1 catalyst synthesized in the presence of polystyrene particles, and a catalyst for the propylene epoxidation reaction using hydrogen peroxide as an oxidizing agent will be described in more detail through examples and comparative examples using the catalysts. The following Preparation Examples and Examples are intended to illustrate the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

하기 실시예에 있어서, 프로필렌 에폭시화 반응 활성은 30분 간격으로 측정되었으며, 각 촉매의 활성 비교를 위한 반응 시간은 1시간 30분으로 설정하였다.In the following examples, the propylene epoxidation reaction activity was measured at 30 minute intervals, and the reaction time for comparing the activity of each catalyst was set to 1 hour 30 minutes.

비교 compare 제조예Production Example 1~6: 폴리스티렌 입자를 사용하지 않은 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 제조 1 to 6: Preparation of Titanium Silica Light-1 Catalyst Without Polystyrene Particles

티타늄 실리카라이트-1(Titanium Silicalite-1: TS-1)의 합성을 위하여 수열 합성 전에 실리콘 전구체, 티타늄 전구체, 구조 배향제 및 증류수를 적절한 비율로 혼합시켜 주었다. For the synthesis of titanium silicalite-1 (TS-1), a silicon precursor, a titanium precursor, a structural alignment agent, and distilled water were mixed in an appropriate ratio before hydrothermal synthesis.

실리콘 전구체로 테트라에틸오르소실리케이트를 사용하였고, 티타늄 전구체로는 티타늄 부톡사이드를 사용하였으며, 티타늄 실리카라이트-1의 MFI 구조 형성을 위한 구조 배향제로는 테트라프로필암모늄 히드록사이드를 사용하였다. 특히 공기 중에 존재하는 수분에 의해 실리콘 전구체 및 티타늄 전구체가 수화되는 것을 방지하기 위하여 질소 분위기에서 혼합시켜 주었다.Tetraethylorthosilicate was used as the silicon precursor, titanium butoxide was used as the titanium precursor, and tetrapropylammonium hydroxide was used as the structural alignment agent for forming the MFI structure of titanium silicalite-1. In particular, in order to prevent the silicon precursor and the titanium precursor from being hydrated by moisture present in the air, the mixture was mixed in a nitrogen atmosphere.

보다 구체적으로, 실리콘 : 티타늄 전구체의 몰 비가 10~120 : 1이 되도록 20 ml의 테트라에틸오르소실리케이트와 적절한 양의 티타늄 부톡사이드를 혼합하였으며, 이 용액에 티타늄 실리카라이트-1의 구조 배향제인 20 wt%의 테트라프로필암모늄 히드록사이드 44 ml를 한 방울씩 떨어뜨렸다. 테트라프로필암모늄 히드록사이드가 첨가됨에 따라 용액이 점차 불투명해지다가, 곧 다시 투명해지는 것을 관찰하였다. More specifically, 20 ml of tetraethylorthosilicate and an appropriate amount of titanium butoxide were mixed so that the molar ratio of silicon: titanium precursor was 10-120: 1, and 20 mol of titanium silicalite-1 was added to the solution. 44 ml of wt% tetrapropylammonium hydroxide were dropped dropwise. It was observed that as the tetrapropylammonium hydroxide was added the solution gradually became opaque and soon became clear again.

수화 속도를 빠르게 하고 알코올 성분을 제거하기 위해 상기의 과정을 통해 형성된 묽은 겔의 혼합물을 65 ℃에서 2시간 정도 가열하였으며, 알코올 성분이 제거되면 증류수 : 실리콘 전구체의 몰 비가 35 : 1이 되도록 증류수를 넣어 주었다. 이렇게 생성된 실리콘 전구체, 티타늄 전구체, 구조배향제 및 증류수의 혼합 용액을 고온고압반응기를 이용하여 175 ℃에서 96시간 동안 수열 합성하였으며, 그 결과 흰 색의 티타늄 실리카라이트-1 결정이 형성되는 것을 확인하였다. 증류수를 이용하여 티타늄 실리카라이트-1 결정을 세척하고, 105 ℃에서 12시간 동안 건조시킨 후, 550 ℃에서 6시간 동안 소성하여 프로필렌 에폭시화 반응의 촉매로 사용 가능한 티타늄 실리카라이트-1을 제조하였다. 이렇게 실리콘 : 티타늄 몰 비를 변화시키면서 제조된 촉매에 대한 원소 성분 분석(ICP-AES)을 통하여, 각각의 촉매들이 분석 상의 오차 범위 내에서 원하는 실리콘 : 티타늄 몰 비율로 합성된 것을 확인하였으며, 그 결과는 표 1과 같다.In order to speed up the hydration and remove the alcohol component, the mixture of dilute gel formed through the above process was heated at 65 ° C. for about 2 hours. Put it. The resulting mixture of silicon precursor, titanium precursor, structural alignment agent and distilled water was hydrothermally synthesized at 175 ° C. for 96 hours using a high temperature and high pressure reactor. As a result, it was confirmed that white titanium silicalite-1 crystals were formed. It was. Titanium silicalite-1 crystals were washed with distilled water, dried at 105 ° C. for 12 hours, and then calcined at 550 ° C. for 6 hours to prepare titanium silicalite-1 that can be used as a catalyst for propylene epoxidation reaction. Thus, through the elemental component analysis (ICP-AES) of the catalyst prepared by varying the silicon: titanium molar ratio, it was confirmed that each catalyst was synthesized in the desired silicon: titanium mole ratio within the error range of the analysis. Is shown in Table 1.

비교 제조예에 따라 제조된 티타늄 실리카라이트-1의 원소 구성비Elemental Composition Ratio of Titanium Silicalite-1 Prepared According to Comparative Preparation Example 촉매catalyst Ti 함량(wt%)Ti content (wt%) Si/Ti의 몰 비Molar ratio of Si / Ti 비교 제조예 1Comparative Production Example 1 6.966.96 10.110.1 비교 제조예 2Comparative Production Example 2 2.442.44 31.431.4 비교 제조예 3Comparative Production Example 3 1.511.51 51.351.3 비교 제조예 4Comparative Production Example 4 1.361.36 57.157.1 비교 제조예 5Comparative Production Example 5 1.181.18 66.166.1 비교 제조예 6Comparative Production Example 6 0.670.67 117.2117.2

제조예Production Example 1 One

폴리스티렌 입자의 제조Preparation of Polystyrene Particles

티타늄 실리카라이트-1 촉매의 제조 과정에서 사용되는 폴리스티렌 입자는 전술한 바와 같이 스티렌모노머와 디비닐벤젠의 공중합 반응에 의하여 제조되었으며, 구체적인 제조 과정은 다음과 같다.Polystyrene particles used in the production process of the titanium silicalite-1 catalyst was prepared by the copolymerization reaction of styrene monomer and divinylbenzene as described above, the specific production process is as follows.

중합 반응을 진행하기 전, 증류수에 포함된 산소는 균일한 입자의 생성을 방해할 수 있으므로, 증류수 내의 산소를 제거하기 위하여 질소를 50 ml/분의 속도로 1시간 이상 충분히 흘려주었다. 또한 스티렌 모노머 내에 존재하는 안정화제를 제거하기 위해 스티렌 모노머에 3 M의 가성소다를 가하고 2시간 이상 교반하였다. 상기의 전처리 과정을 마친 후, 350 ml의 증류수에 스티렌 모노머 25 ml를 넣고 70 ℃에서 1시간 동안 교반하여 분산시킨 후, 가교제인 디비닐벤젠 10 ml를 첨가하고 1시간 동안 교반하였다. 스티렌모노머와 디비닐벤젠이 함께 존재하는 혼합 용액은 탁한 상태를 지니나, 중합 개시제인 과황산 칼륨(Potassuim Persulfate)을 0.11 g 첨가하자 중합이 시작되면서 스티렌과 디비닐벤젠의 혼합액은 차츰 우유 빛을 띠었다. 이러한 상태로 70 ℃에서 24시간 동안 교반하였으며, 중합 반응이 끝난 우유 빛의 용액을 공기 중에서 건조시켜 폴리스티렌 입자를 제조하였다. 생성된 폴리스티렌 입자는 수~수십 개의 둥근 입자들이 서로 엉겨 있는 형태로, 이를 구성하고 있는 개별적인 입자 하나의 크기는 250~500 nm 정도로 관찰되었다.Since the oxygen contained in the distilled water may interfere with the formation of uniform particles before proceeding with the polymerization reaction, nitrogen was sufficiently flowed at a rate of 50 ml / min for at least 1 hour to remove the oxygen in the distilled water. In addition, 3M caustic soda was added to the styrene monomer to remove the stabilizer present in the styrene monomer, followed by stirring for 2 hours or more. After completing the pretreatment, 25 ml of styrene monomer was added to 350 ml of distilled water and stirred at 70 ° C. for 1 hour to disperse. Then, 10 ml of divinylbenzene, a crosslinking agent, was added and stirred for 1 hour. The mixed solution of styrene monomer and divinylbenzene is turbid, but when 0.11 g of potassium persulfate (Potassuim Persulfate), a polymerization initiator is added, the polymerization starts and the mixture of styrene and divinylbenzene gradually becomes milky. It was. In this state, the mixture was stirred at 70 ° C. for 24 hours, and the milky solution of the polymerization reaction was dried in air to prepare polystyrene particles. The resulting polystyrene particles were in the form of several dozens of dozen round particles entangled with each other.

폴리스티렌 입자의 존재 하에서 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 제조Preparation of Titanium Silicalite-1 Catalyst in the Presence of Polystyrene Particles

실리콘 전구체 : 구조배향제 : 증류수의 몰 비는 비교 제조예 1에서와 마찬가지로 1 : 0.45 : 35로 고정하였으며, 실리콘 : 티타늄 전구체의 몰 비는 50~60 : 1이 되도록 조절하였다. 그리고 실리콘 전구체로 테트라에틸오르소실리케이트를 사용하였고 티타늄 전구체로는 티타늄 부톡사이드를 사용하였으며, 구조배향제로는 테트라프로필암모늄 히드록사이드를 사용하였다.The molar ratio of silicon precursor: structural alignment agent: distilled water was fixed at 1: 0.45: 35 as in Comparative Preparation Example 1, and the molar ratio of silicon: titanium precursor was adjusted to 50 to 60: 1. Tetraethylorthosilicate was used as the silicon precursor, titanium butoxide was used as the titanium precursor, and tetrapropylammonium hydroxide was used as the structural alignment agent.

티타늄 실리카라이트-1의 합성 과정 역시 비교 제조예 1과 동일하되, 실리콘 전구체, 티타늄 전구체 및 구조배향제의 혼합물에 상기와 같이 제조된 폴리스티렌 입자를 첨가하는 과정을 추가하였다. 보다 구체적으로, 실리콘 : 티타늄 전구체의 몰 비가 50~60 : 1 정도가 되도록 질소 분위기에서 20 ml의 테트라에틸오르소실리케이트를 적절한 양의 티타늄 부톡사이드와 혼합하였고, 이 용액에 20 wt%의 테트라프로필암모늄 히드록사이드 44 ml를 한 방울씩 떨어뜨렸다. 상기의 과정을 통해 형성된 용액에 폴리스티렌 입자를 첨가하고, 소수성인 폴리스티렌 입자가 잘 분산될 수 있도록 빠른 속도로 교반시켜 주었다. 그리고 폴리스티렌 입자가 분산되어 있는 묽은 겔의 혼합물을 65 ℃로 2시간 동안 가열하였으며, 알코올 성분이 제거되면 증류수 : 실리콘 전구체의 몰 비가 35 : 1이 되도록 증류수를 넣어 주었다. 이렇게 형성된 혼합 용액을 비교 제조예에서와 마찬가지로, 고온고압반응기를 이용하여 175 ℃에서 96시간 동안 수열 합성하였으며, 그 결과 흰 색의 티타늄 실리카라이트-1 결정이 형성되는 것을 확인하였다. 증류수를 이용하여 티타늄 실리카라이트-1 결정을 세척하고, 105 ℃에서 12시간 동안 건조한 다음, 550 ℃에서 6시간 동안 소성하여 폴리스티렌 입자가 제거된 티타늄 실리카라이트-1을 제조하였다. 제조된 촉매에 대한 원소 성분 분석(ICP-AES)을 통하여 상기 촉매가 분석 상의 오차 범위 내에서 원하는 비율로 합성된 것을 확인하였으며, 제조된 촉매 내의 티타늄 함량은 1.36 wt%로, 실리콘/티타늄 비율이 57.5인 것으로 나타났다. Synthesis process of titanium silicalite-1 was also the same as in Comparative Preparation Example 1, but the process of adding the polystyrene particles prepared as described above to the mixture of the silicon precursor, the titanium precursor and the structural alignment agent was added. More specifically, 20 ml of tetraethylorthosilicate was mixed with an appropriate amount of titanium butoxide in a nitrogen atmosphere so that the molar ratio of silicon to titanium precursor was about 50 to 60: 1, and 20 wt% of tetrapropyl was added to the solution. 44 ml of ammonium hydroxide was added dropwise. Polystyrene particles were added to the solution formed through the above process, and the mixture was stirred at a high speed so that hydrophobic polystyrene particles could be dispersed well. The mixture of dilute gel in which polystyrene particles were dispersed was heated at 65 ° C. for 2 hours, and distilled water was added so that the molar ratio of distilled water: silicon precursor was 35: 1 when the alcohol component was removed. The mixed solution thus formed was hydrothermally synthesized at 175 ° C. for 96 hours using a high temperature and high pressure reactor, and as a result, it was confirmed that white titanium silicalite-1 crystals were formed. Titanium silicalite-1 crystals were washed with distilled water, dried at 105 ° C. for 12 hours, and then calcined at 550 ° C. for 6 hours to prepare titanium silicalite-1 from which polystyrene particles were removed. Elemental component analysis (ICP-AES) of the prepared catalyst confirmed that the catalyst was synthesized at a desired ratio within the analytical error range. The titanium content in the prepared catalyst was 1.36 wt%, and the silicon / titanium ratio was It was found to be 57.5.

실험예Experimental Example 1 : 폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1 및 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 합성한 티타늄 실리카라이트-1의 자외선 흡수 분석 결과 1: UV absorption analysis results of titanium silicalite-1 synthesized without using polystyrene particles and titanium silicalite-1 synthesized in the presence of polystyrene particles

도 1은 비교 제조예에 의한 폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1(도 1에서 비교 제조예 4로 표시) 및 제조예 1에 의해 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 합성한 티타늄 실리카라이트-1(도 1에서 제조예 1로 표시)의 자외선 흡수 분석 결과를 나타낸 것이다. 1 shows titanium silicalite-1 synthesized without using polystyrene particles according to Comparative Preparation Example (shown as Comparative Preparation Example 4 in FIG. 1) and titanium silicalite-1 synthesized in the presence of polystyrene particles according to Preparation Example 1 The ultraviolet absorption analysis result of (shown as manufacture example 1 in FIG. 1) is shown.

여기에서, 폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1로는 비교 제조예에서 제조된 여러 촉매들 중에서 제조예 1에 의해 제조된 촉매와 티타늄 함량이 유사한 비교 제조예 4를 선택하여 분석하였다. Here, titanium silicalite-1 synthesized without using polystyrene particles was analyzed by selecting Comparative Preparation Example 4 having a similar titanium content to the catalyst prepared by Preparation Example 1 among various catalysts prepared in Comparative Preparation Example.

전술한 바와 같이, 일반적으로 티타늄 실리카라이트-1에서 티타늄은 사면체 구조, 팔면체 구조 및 아나타제 상으로 존재할 수 있는데, 이러한 각각의 상들은 자외선 흡수 분석을 통하여 확인할 수 있다. MFI 구조 내에 존재하는 티타늄의 경우, 사면체 구조이면 220 nm 근처에서 흡수 밴드가 형성되고 팔면체 구조이면 270 nm 근처에서 흡수 밴드가 나타나며, 아나타제 상으로 존재하면 340 nm 부근에서 흡수 밴드가 나타난다. 이를 배경으로 도 1의 자외선 흡수 분석 결과를 살펴보면, 폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1 및 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 합성한 티타늄 실리카라이트-1은 모두 220 nm 근처에서는 흡수 밴드가 형성된 반면 270 nm 부근에서는 흡수 밴드가 나타나지 않은 것으로 보아, MFI 구조 내에 존재하는 티타늄은 모두 사면체 구조의 형태임을 확인하였다. As described above, in general, titanium in titanium silicalite-1 may exist in a tetrahedral structure, an octahedral structure, and an anatase phase. Each of these phases may be identified through ultraviolet absorption analysis. In the case of titanium present in the MFI structure, an absorption band is formed around 220 nm in a tetrahedral structure, an absorption band appears in the vicinity of 270 nm in an octahedral structure, and an absorption band appears in the vicinity of 340 nm when present in the anatase phase. In the background of the ultraviolet absorption analysis of FIG. 1, the titanium silicalite-1 synthesized without the use of polystyrene particles and the titanium silicalite-1 synthesized in the presence of the polystyrene particles were formed with an absorption band near 220 nm. Absorption bands did not appear around 270 nm, it was confirmed that all titanium present in the MFI structure is a tetrahedral structure.

또한 340 nm 근처에서 형성되는 흡수 밴드의 경우, 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 합성한 티타늄 실리카라이트-1에서는 거의 나타나지 않았지만, 폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1에서는 상당히 크게 나타났다. 과량의 티타늄 전구체를 사용할 경우 구조 내에 채워지고 남은 티타늄에 의해 아나타제 상이 형성되지만, 자외선 흡수 분석을 실시한 두 티타늄 실리카라이트-1은 실리콘/티타늄 비율이 57.1과 57.5로 티타늄 함량이 매우 유사하였다. 따라서 340 nm 근처에서 형성된 흡수 밴드 형성의 차이를 단순히 티타늄 함량에 따른 것으로 볼 수 없었으며, 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 티타늄 실리카라이트-1을 합성하면 아나타제 상의 형성을 줄일 수 있음을 확인하였다. In addition, absorption bands formed near 340 nm were hardly observed in titanium silicalite-1 synthesized in the presence of polystyrene particles, but significantly larger in titanium silicalite-1 synthesized without using polystyrene particles. When the excess titanium precursor is used, the anatase phase is formed by the remaining titanium filled in the structure, but the two titanium silicalite-1s subjected to ultraviolet absorption analysis have very similar titanium contents with silicon / titanium ratios of 57.1 and 57.5. Therefore, the difference in absorption band formation formed near 340 nm could not be considered simply due to the titanium content, and it was confirmed that the synthesis of titanium silicalite-1 in the presence of polystyrene particles can reduce the formation of the anatase phase.

실험예Experimental Example 2 : 폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1 및 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 합성한 티타늄 실리카라이트-1의 질소 흡착-탈착 분석 결과 2: Nitrogen adsorption-desorption analysis results of titanium silicalite-1 synthesized without using polystyrene particles and titanium silicalite-1 synthesized in the presence of polystyrene particles

질소 흡착-탈착 분석을 통하여 표면적을 측정한 결과, 폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1의 BET 표면적은 457 m2/g 내외이고, 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 합성한 티타늄 실리카라이트-1의 BET 표면적은 444 m2/g로 나타났다. 두 BET 표면적은 분석상의 오차를 고려하였을 때 매우 유사한 값으로 판단할 수 있으며, 따라서 티타늄 실리카라이트-1 합성 시 폴리스티렌의 사용은 촉매 표면적의 변화를 일으키지 않는다고 판단된다. 이는 폴리스티렌을 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1과 폴리스티렌의 존재 하에서 합성한 티타늄 실리카라이트-1의 활성 차이가 촉매의 표면적 차이로부터 발생한 것이 아님을 의미한다.As a result of measuring the surface area through nitrogen adsorption-desorption analysis, the BET surface area of titanium silicalite-1 synthesized without using polystyrene particles was about 457 m 2 / g and titanium silicalite-1 synthesized in the presence of polystyrene particles. The BET surface area of was 444 m 2 / g. The two BET surface areas can be judged to be very similar values considering the analytical error, and therefore, the use of polystyrene in the synthesis of titanium silicalite-1 does not cause a change in the catalyst surface area. This means that the difference in activity between titanium silicalite-1 synthesized without polystyrene and titanium silicalite-1 synthesized in the presence of polystyrene does not arise from the surface area difference of the catalyst.

비교 compare 실시예Example 1 : 폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 프로필렌  1: Propylene of Titanium Silica Light-1 Catalyst Synthesized without Using Polystyrene Particles 에폭시화Epoxidation 반응 reaction

비교 제조예에 의하여 제조된 티타늄 실리카라이트-1을 촉매로 사용하여 프로필렌 에폭시화 반응 실험을 수행하였으며, 티타늄 실리카라이트-1의 실리콘/티타늄 (Si/Ti) 함량 변화에 따른 산화프로필렌 수율의 그래프는 도 2와 같다. 프로필렌 에폭시화 반응은 메탄올을 용매로 하고 과산화수소를 산화제로 사용하여 진행되었으며, 반응 압력은 반응물인 프로필렌의 압력만으로 조절하였다. 210 ml의 고온고압반응기에 80 ml의 메탄올과 5.2 ml의 30 wt% 과산화수소와 함께 0.5 g의 티타늄 실리카라이트-1 촉매를 넣고, 700 rpm으로 교반하며 40 ℃로 가열하였다. 온도가 40 ℃로 맞춰지면 반응기 내부의 압력이 7 atm이 되도록 프로필렌을 가하였으며, 30분 간격으로 반응 혼합물을 분석하였다. 반응을 진행하면서 과산화수소를 추가로 공급하지는 않았으므로 반응 시간이 지날수록 과산화수소의 전환율은 증가하였으며, 1시간 30분 이후로는 전환율의 증가가 거의 없는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 1시간 30분에서의 반응 결과를 사용하여 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 활성 비교를 수행하였다. 과산화수소 전환율은 요오드 적정을 이용한 과산화수소 농도 변화의 측정을 통하여 계산하였으며, 산화프로필렌의 선택도는 가스크로마토그래피를 이용한 산화프로필렌과 부생성물들의 분석 결과로부터 알 수 있었다. 티타늄 실리카라이트-1을 촉매로 사용한 프로필렌 에폭시화 반응에서 과산화수소의 전환율, 산화프로필렌의 선택도 및 산화프로필렌의 수율은 다음의 수학식들을 이용하여 계산하였다.Propylene epoxidation reaction experiments were carried out using titanium silicalite-1 prepared by Comparative Preparation Example as a catalyst, and a graph of propylene oxide yield according to the change of silicon / titanium (Si / Ti) content of titanium silicalite-1 is shown. Same as FIG. The propylene epoxidation reaction was carried out using methanol as a solvent and hydrogen peroxide as an oxidizing agent, and the reaction pressure was controlled only by the pressure of propylene as a reactant. In a 210 ml high-temperature reactor, 0.5 g of titanium silicalite-1 catalyst with 80 ml of methanol and 5.2 ml of 30 wt% hydrogen peroxide was added thereto, stirred at 700 rpm, and heated to 40 ° C. When the temperature was adjusted to 40 ℃ propylene was added so that the pressure inside the reactor to 7 atm, the reaction mixture was analyzed at 30 minute intervals. As the reaction proceeded, hydrogen peroxide was not additionally supplied, so the conversion rate of hydrogen peroxide increased as the reaction time passed, and it was confirmed that there was almost no increase in the conversion rate after 1 hour and 30 minutes. Therefore, the activity comparison of the titanium silicalite-1 catalyst was performed using the reaction result at 1 hour 30 minutes. Hydrogen peroxide conversion was calculated by measuring the change in hydrogen peroxide concentration using iodine titration. The selectivity of propylene oxide was determined from the results of analysis of propylene oxide and by-products using gas chromatography. The conversion of hydrogen peroxide, the selectivity of propylene oxide, and the yield of propylene oxide in the propylene epoxidation reaction using titanium silicalite-1 as a catalyst were calculated using the following equations.

Figure 112007077971147-PAT00001
Figure 112007077971147-PAT00001

Figure 112007077971147-PAT00002
Figure 112007077971147-PAT00002

산화프로필렌 수율(%) = 과산화수소 전환율 × 산화프로필렌 선택도 × 100Yield of propylene oxide (%) = hydrogen peroxide conversion × propylene oxide selectivity × 100

도 2의 실리콘/티타늄(Si/Ti) 함량에 따른 산화프로필렌 수율 변화에 대한 그래프에 의하면 반응 시간이 1시간 30분일 때, 실리콘/티타늄 비율이 51.3인 비교 제조예 3의 촉매가 97.6%의 과산화수소 전환율과 86.3%의 산화프로필렌 선택도로 84.2%의 산화프로필렌 수율을 보였으며, 실리콘/티타늄 비율이 57.1인 비교 제조예 4의 촉매도 이와 유사하게 97.5%의 과산화수소 전환율과 86.5%의 산화프로필렌 선택도로 84.4%의 산화프로필렌 수율을 보였다. 두 촉매는 실리콘/티타늄의 차이가 작아 프로필렌 에폭시화 반응에 대한 활성이 매우 유사하였으며, 다른 비율의 촉매들에 비하여 높은 활성을 보였다. 따라서 실리콘/티타늄 비율이 50에서 60 사이인 티타늄 실리카라이트-1 촉매가 가장 높은 활성을 보이는 것으로 나타났다.According to the graph of the change in the yield of propylene oxide according to the content of silicon / titanium (Si / Ti) of FIG. The yield of propylene oxide was 84.2% with a conversion rate and 86.3% propylene oxide selectivity, and the catalyst of Comparative Preparation Example 4 with a silicon / titanium ratio of 57.1 was similarly similar to the hydrogen peroxide conversion rate of 97.5% and propylene oxide selectivity of 86.5%. Yield of propylene oxide was shown in%. The two catalysts showed very similar activity for the propylene epoxidation reaction due to the small difference in silicon / titanium, and showed higher activity than other catalysts. Therefore, the titanium silicalite-1 catalyst having a silicon / titanium ratio of 50 to 60 was found to have the highest activity.

실시예Example 1 : 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 합성한 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 프로필렌  1: Propylene of Titanium Silicalite-1 Catalyst Synthesized in the Presence of Polystyrene Particles 에폭시화Epoxidation 반응 reaction

비교 제조예에 의하여 제조된 티타늄 실리카라이트-1 촉매 중에서 높은 활성을 보이는 촉매의 실리콘/티타늄 비율을 확인한 결과, 비교 실시예 1에서 나타난 바와 같이, 실리콘/티타늄 비율이 50에서 60 사이인 비교 제조예 4의 촉매의 경우 프로필렌 에폭시화 반응에서 84.4%의 산화프로필렌 수율로 높은 활성을 보였다. 따라서 제조예 1에 나타낸 것과 같이, 실리콘/티타늄의 몰 비율이 50에서 60 사이가 되도록 티타늄 전구체의 양을 조절하여 폴리스티렌 존재 하에서 티타늄 실리카라이트-1을 합성하고, 이를 프로필렌 에폭시화 반응의 촉매로 사용하였다.As a result of confirming the silicon / titanium ratio of the catalyst showing high activity among the titanium silicalite-1 catalysts prepared by the Comparative Preparation Example, as shown in Comparative Example 1, the Comparative Preparation Example having a silicon / titanium ratio of 50 to 60 The catalyst of 4 showed high activity in the propylene epoxidation reaction with a yield of propylene oxide of 84.4%. Therefore, as shown in Preparation Example 1, by adjusting the amount of the titanium precursor so that the mole ratio of silicon / titanium is between 50 and 60 to synthesize titanium silicalite-1 in the presence of polystyrene, and used as a catalyst for propylene epoxidation reaction It was.

프로필렌 에폭시화 반응은 실시예 1에서 제시한 바와 같이, 메탄올을 용매로 하고 과산화수소를 산화제로 사용하여 40 ℃, 7 atm의 반응 조건에서 진행하였다. 210 ml의 고온고압반응기에 80 ml의 메탄올, 5.2 ml의 30 wt% 과산화수소와 0.5 g의 티타늄 실리카라이트-1 촉매를 넣은 다음, 반응 조건에 맞도록 온도와 압력을 조절하였으며, 반응 시작 후 30분 간격으로 반응 혼합물을 분석하였다. 반응 진행 후 1시간 30분에서의 반응 결과를 살펴본 결과, 과산화수소 전환율은 97.8%이고 산화프로필렌 선택도는 94.9%로 나타나, 이로부터 92.8%의 높은 산화프로필렌 수율을 얻을 수 있었다. As shown in Example 1, the propylene epoxidation reaction was carried out at 40 ° C. and 7 atm using methanol as a solvent and hydrogen peroxide as an oxidizing agent. In a 210 ml high-temperature reactor, 80 ml of methanol, 5.2 ml of 30 wt% hydrogen peroxide and 0.5 g of titanium silicalite-1 catalyst were added, and then the temperature and pressure were adjusted to the reaction conditions. The reaction mixture was analyzed at intervals. As a result of looking at the reaction result at 1 hour and 30 minutes after the progress of the reaction, the hydrogen peroxide conversion rate was 97.8% and the propylene oxide selectivity was 94.9%, thereby obtaining a high propylene oxide yield of 92.8%.

실험예Experimental Example 3 : 폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1 및 폴 리스티렌 입자의 존재 하에서 합성한 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 프로필렌  3: Propylene of Titanium Silica-1 Catalyst Synthesized without Polystyrene Particles and Titanium Silica-1 Catalyst Synthesized in the Presence of Polystyrene Particles 에폭시화Epoxidation 반응 활성 비교 Reaction activity comparison

비교 제조예에서 폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 티타늄 실리카라이트-1을 합성한 다음, 비교 실시예 1에 따라 프로필렌 에폭시화 반응의 촉매로 사용한 결과, 실리콘/티타늄 비율이 57.1인 티타늄 실리카라이트-1(비교 제조예 4)이 가장 높은 활성을 보였다. 그리고 일반적으로 50에서 60 사이의 실리콘/티타늄 비율을 가지는 티타늄 실리카라이트-1은 프로필렌 에폭시화 반응에서 높은 활성을 나타나는 것으로 확인되었다. 따라서 제조예 1에서 실리콘/티타늄 비율을 50에서 60이 되도록 조절하여 티타늄 실리카라이트-1을 합성하였으며, 폴리스티렌 입자를 실리콘 전구체, 티타늄 전구체, 구조배향제 및 증류수의 혼합 용액에 첨가하여 합성하였다. 그 결과, 57.5의 실리콘/티타늄 비율을 갖는 티타늄 실리카라이트-1 (제조예 1) 촉매를 얻을 수 있었다. 이처럼 폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1과 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 합성한 티타늄 실리카라이트-1은 매우 유사한 티타늄 함량을 가지고 있으므로, 이 두 촉매에 의한 프로필렌 에폭시화 반응 결과의 비교를 통하여 합성 시 존재한 폴리스티렌 입자의 영향을 살펴보았다.In the Comparative Preparation Example, titanium silicalite-1 was synthesized without using polystyrene particles and then used as a catalyst for the propylene epoxidation reaction according to Comparative Example 1, and the titanium silicalite-1 having a silicon / titanium ratio of 57.1 (compared to Preparation Example 4) showed the highest activity. In general, titanium silicalite-1 having a silicon / titanium ratio of 50 to 60 was found to exhibit high activity in the propylene epoxidation reaction. Therefore, in Example 1, the silicon / titanium ratio was adjusted to 50 to 60 to synthesize titanium silicalite-1, and polystyrene particles were synthesized by adding a silicon precursor, a titanium precursor, a structural alignment agent, and a mixed solution of distilled water. As a result, a titanium silicalite-1 (preparation example 1) catalyst having a silicon / titanium ratio of 57.5 was obtained. As such, the titanium silicalite-1 synthesized without using polystyrene particles and the titanium silicalite-1 synthesized in the presence of polystyrene particles have very similar titanium contents. The effects of the polystyrene particles present in the synthesis were examined.

폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1 및 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 합성한 티타늄 실리카라이트-1에 의한 프로필렌 에폭시화 반응의 시간에 따른 결과는 도 3과 같다. 전술한 바와 같이, 회분식 반응기를 이용하고 산화제로 사용된 과산화수소는 반응 중간에 주입되지 않으므로, 시간이 지남 에 따라 과산화수소 전환율은 증가하여 1시간 30분 이후로는 과산화수소가 거의 소모되어 전환율의 변화가 없는 것을 확인할 수 있었다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1(도 2 및 도 3에서 비교 제조예 4로 표시된 촉매) 및 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 합성한 티타늄 실리카라이트-1(도 3에서 제조예 1로 표시)은 반응개시 1시간 30분 후의 과산화수소 전환율은 각각 97.5%와 97.8%로 매우 유사하였다. 반면, 산화프로필렌의 선택도는 폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 경우는 86.5%이지만, 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 합성한 티타늄 실리카라이트-1은 94.9%로 나타나, 폴리스티렌 입자를 사용하여 제조된 촉매를 사용한 결과 높은 산화프로필렌 선택도를 얻을 수 있었다. 3 shows the results of the propylene epoxidation reaction with titanium silicalite-1 synthesized without using polystyrene particles and titanium silicalite-1 synthesized in the presence of polystyrene particles. As described above, since hydrogen peroxide used in a batch reactor and used as an oxidizing agent is not injected in the middle of the reaction, the hydrogen peroxide conversion rate increases with time, and hydrogen peroxide is almost consumed after 1 hour and 30 minutes so that there is no change in the conversion rate. I could confirm that. As shown in Table 2, titanium silicalite-1 synthesized without using polystyrene particles (catalyst represented by Comparative Preparation Example 4 in FIGS. 2 and 3) and titanium silicalite-1 synthesized in the presence of polystyrene particles (FIG. In Example 3, the conversion rate of hydrogen peroxide at 1 hour 30 minutes after the start of the reaction was very similar to 97.5% and 97.8%, respectively. On the other hand, the selectivity of propylene oxide was 86.5% for the titanium silicalite-1 catalyst synthesized without using the polystyrene particles, but the titanium silicalite-1 synthesized in the presence of the polystyrene particles was 94.9%. As a result of using the catalyst prepared, high propylene oxide selectivity was obtained.

폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1 및 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 합성한 티타늄 실리카라이트-1의 프로필렌 에폭시화 반응 활성 비교Comparison of Propylene Epoxidation Activity of Titanium Silica Light-1 Synthesized without Polystyrene Particles and Titanium Silica Light-1 Synthesized in the Presence of Polystyrene Particles 촉매catalyst 과산화수소 전환율(%)Hydrogen peroxide conversion rate (%) 산화프로필렌 선택도(%)Propylene Oxide Selectivity (%) 산화프로필렌 수율(%)Propylene Oxide Yield (%) 비교 제조예 4Comparative Production Example 4 97.597.5 86.586.5 84.484.4 제조예 1Preparation Example 1 97.897.8 94.994.9 92.892.8

이러한 프로필렌 에폭시화 반응 활성의 차이는 실험예 1에서 다룬 자외선 흡수 분석 결과와 연관시킬 수 있다. 실험예 1에 의하면 티타늄 함량이 유사함에도 불구하고 폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1은 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 합성한 티타늄 실리카라이트-1보다 더 큰 아나타제 상에 의한 흡수 밴드를 형성하였으므로, 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 티타늄 실리카라이트-1을 합성하면 아나타제 상의 형성을 줄일 수 있음을 확인하였다. 여기서 아나타제 상의 티타늄은 프로필렌 에폭시화 반응에서 활성이 없으므로, 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 합성한 티타늄 실리카라이트-1은 프로필렌 에폭시화 반응에서 더 높은 활성을 보이게 된다.This difference in propylene epoxidation reaction activity can be correlated with the results of ultraviolet absorption analysis described in Experimental Example 1. According to Experiment 1, although the titanium content is similar, titanium silicalite-1 synthesized without using polystyrene particles forms an absorption band due to anatase phase larger than titanium silicalite-1 synthesized in the presence of polystyrene particles. It was confirmed that the synthesis of titanium silicalite-1 in the presence of polystyrene particles can reduce the formation of the anatase phase. Since titanium on the anatase is inactive in the propylene epoxidation reaction, titanium silicalite-1 synthesized in the presence of polystyrene particles shows higher activity in the propylene epoxidation reaction.

도 1은 폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1(비교 제조예 4) 및 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 합성한 티타늄 실리카라이트-1(제조예 1)의 자외선 흡수 스펙트럼이다.1 is an ultraviolet absorption spectrum of titanium silica light-1 (Comparative Example 4) synthesized without using polystyrene particles and titanium silica light-1 (Preparation Example 1) synthesized in the presence of polystyrene particles.

도 2는 폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1(비교 제조예 1~6)의 실리콘/티타늄(Si/Ti) 함량에 따른 산화프로필렌의 수율 변화를 나타낸 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing a change in yield of propylene oxide according to silicon / titanium (Si / Ti) content of titanium silica light-1 (Comparative Examples 1 to 6) synthesized without using polystyrene particles.

도 3은 폴리스티렌 입자를 사용하지 않고 합성한 티타늄 실리카라이트-1(비교 제조예 4) 및 폴리스티렌 입자의 존재 하에서 합성한 티타늄 실리카라이트-1(제조예 1)의 시간에 따른 프로필렌의 에폭시화 반응 활성을 나타낸 그래프이다.3 shows the epoxidation activity of propylene over time of titanium silicalite-1 (Comparative Example 4) synthesized without using polystyrene particles and titanium silicalite-1 (Preparation Example 1) synthesized in the presence of polystyrene particles. This is a graph.

Claims (9)

(a) 질소 분위기에서 실리콘 전구체, 티타늄 전구체 및 구조 배향제를 혼합하는 단계; (a) mixing a silicon precursor, a titanium precursor and a structural alignment agent in a nitrogen atmosphere; (b) 상기 (a)단계의 혼합물에 폴리스티렌 입자를 첨가하여 혼합하는 단계; (b) adding and mixing polystyrene particles to the mixture of step (a); (c) 상기 폴리스티렌 입자가 혼합된 (b)단계의 혼합물을 가열하여 알코올 성분을 증발시키는 단계; (c) heating the mixture of step (b) in which the polystyrene particles are mixed to evaporate an alcohol component; (d) 상기 알코올 성분이 증발된 (c)단계의 혼합물에 증류수를 첨가하고 수열 합성하는 단계; 및 (d) adding distilled water to the mixture of step (c) in which the alcohol component is evaporated and hydrothermally synthesizing; And (e) 상기 (d)단계를 통하여 형성된 고체성분을 건조한 후, 소성하여 티타늄 실리카라이트-1 촉매를 얻는 단계를 포함하여 이루어지는 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 제조방법.(e) a method of preparing a titanium silicalite-1 catalyst comprising drying the solid component formed through the step (d) and calcining to obtain a titanium silicalite-1 catalyst. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 전구체 : 구조 배향제 : 증류수의 몰 비가 1 : 0.1~1 : 10~200인 것을 특징으로 하는 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 제조방법.The method of claim 1, wherein the molar ratio of the silicon precursor: structural alignment agent: distilled water is 1: 0.1 to 1: 10 to 200. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 전구체 및 상기 티타늄 전구체에 함유된 실리콘/티타늄의 몰 비가 50~60인 것을 특징으로 하는 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 제조방법.The method of claim 1, wherein the molar ratio of silicon / titanium contained in the silicon precursor and the titanium precursor is 50 to 60. 제1항에 있어서, 상기 폴리스티렌 입자의 크기가 250~500 nm인 것을 특징으로 하는 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 제조방법.The method of claim 1, wherein the polystyrene particles are 250 to 500 nm in size. 제1항에 있어서, 상기 폴리스티렌 입자는 모노머인 스티렌과 가교제인 디비닐벤젠의 공중합 반응에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 제조방법.The method of claim 1, wherein the polystyrene particles are prepared by a copolymerization reaction of styrene as a monomer and divinylbenzene as a crosslinking agent. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 전구체는 테트라알킬오르소실리케이고, 상기 티타늄 전구체는 티타늄 부톡사이드이며, 상기 구조 배향제는 테트라프로필암모늄 히드록사이드인 것을 특징으로 하는 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 제조방법.The method of claim 1, wherein the silicon precursor is tetraalkylorthosilica, the titanium precursor is titanium butoxide, and the structural alignment agent is tetrapropylammonium hydroxide. Way. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 티타늄 실리카라이트-1 촉매.Titanium silicalite-1 catalyst prepared by the method according to any one of claims 1 to 6. 제7항에 기재된 상기 티타늄 실리카라이트-1 촉매의 존재 하에서, 프로필렌을 산화제인 과산화수소와 반응시킴으로써 에폭시화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화프로필렌의 제조방법. A process for producing propylene oxide, comprising the step of epoxidation by reacting propylene with hydrogen peroxide, which is an oxidizing agent, in the presence of the titanium silicalite-1 catalyst according to claim 7. 제8항에 있어서, 상기 에폭시화 반응을 위한 용매로서 메틸렌을 사용하는 것을 특징으로 하는 산화프로필렌의 제조방법. The process for producing propylene oxide according to claim 8, wherein methylene is used as a solvent for the epoxidation reaction.
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