KR20110123051A - Structured mesoporous silica supported fischer-tropsch catalyst - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A catalyst for a fischer-tropsch reaction using a mesoporous silica structure is provided to efficiently generate an intermediate distilled product in a liquid hydrocarbon range by manufacturing a stable catalyst support to the fischer-tropsch reaction. CONSTITUTION: An emulsion is generated by adding a surfactant to an organic solvent and an acidic aqueous solution. Silicon alkoxide is added to the emulsion to synthesize silica. The silica is aged and filtered. The filtered silica is dried and sintered to obtain mesoporous silica. A reactive metal for a fischer-tropsch catalyst is introduced to the mesoporous silica to obtain a fischer-tropsch catalyst. The reactive metal is the mixed metal of two or more selected from a group including cobalt, iron, ruthenium, nickel, palladium, platinum, and rhodium. The acidic aqueous solution is the aqueous solution of one or more selected from a group including hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, acetic acid, carbonic acid, and acetic acid.

Description

메조포러스 실리카 구조체를 이용한 피셔-트롭시 공정용 촉매{Structured Mesoporous Silica Supported Fischer-Tropsch Catalyst}Structured Mesoporous Silica Supported Fischer-Tropsch Catalyst}

본 발명은 액상 탄화수소의 생성을 높이는 데 기여하는 피셔-트롭시 공정용 촉매의 제조방법에 관한 것이다. 코발트 촉매의 지지체로 속이 빈 구형의 메조포러스 실리카 구조체를 제조하는 방법과 상기 촉매를 피셔-트롭시 반응에 이용하는데 관한 발명이다.
The present invention is directed to a process for preparing a Fischer-Tropsch process catalyst that contributes to an increase in the production of liquid hydrocarbons. A method for producing a hollow spherical mesoporous silica structure with a support of a cobalt catalyst and an invention for using the catalyst in the Fischer-Tropsch reaction.

피셔-트롭시(Fischer-Tropsch) 공정은 합성가스, 즉 일산화탄소와 수소로부터 탄화수소를 합성하는 법으로써 1923년 독일의 피셔(Franz Fischer)와 트롭시(Hans Tropsch)가 구상하여 합성연료의 제조방법으로 발전해온 기술이다. 일산화탄소와 수소의 합성반응은 촉매의 종류와 반응온도, 압력에 따라 반응생성물이 파라핀, 올레핀계 탄화수소와 알코올 등 달라진다. 피셔-트롭시 공정에 주로 이용되는 촉매금속은 코발트나 철, 루테늄, 니켈 등이 있다. 이러한 활성 금속을 작은 크기로 고분산 시키고, 반응 중에도 안정하게 유지될 수 있게 하기 위해서 실리카, 알루미나, 제올라이트 등의 지지체에 분산시켜 이용한다. 그 중 실리카는 가격이 싸고 쉽게 구할 수 있으며, 높은 표면적과 미세 기공구조를 가져 활성금속의 분산을 돕기 때문에 지지체로 많이 이용된다.The Fischer-Tropsch process is a method of synthesizing hydrocarbons from syngas, carbon monoxide and hydrogen, and was conceived by Franz Fischer and Hans Tropsch in 1923 as a method of producing synthetic fuel. It is a technology that has evolved. The synthesis reaction of carbon monoxide and hydrogen varies depending on the type of catalyst, the reaction temperature and the pressure of the reaction product such as paraffin, olefin hydrocarbon and alcohol. Catalytic metals commonly used in Fischer-Tropsch processes include cobalt, iron, ruthenium, and nickel. The active metal is dispersed in a support such as silica, alumina or zeolite in order to be highly dispersed in a small size and to be stably maintained during the reaction. Among them, silica is inexpensive and easily available, and has a high surface area and a fine pore structure, and is widely used as a support because it helps disperse active metals.

실리카를 제조하는 종래 방법은 크게 물유리를 가수분해하고 축합반응을 통해 콜로이드 실리카를 얻는 방법, 사염화실리콘을 열분해(Thermal Pyrolysis)하여 건식 실리카(Fumed Silica)를 제조하는 법, TEOS 등을 원료로 한 졸-겔법의 일종인 스토버 프로세스 (Stprocess)를 이용한 합성 등이 있다. 이러한 방법은 불규칙한 크기의 실리카 입자가 생성되기 때문에, 평균입자크기를 1 ~ 10㎛로 조절하기 위해서는 계면활성제나 유기용매 등 특수첨가제를 사용해야 한다. 한국특허 제 10-2001-0013733호에서 역-마이셀과 졸-겔법을 이용하여 입도분포를 조절한 나노크기의 실리카 분말을 제조하는 방법에 관해 다루었다. 피셔-트롭시 반응의 생성물은 종래의 마이크로포러스 실리카의 미세 기공크기에 비해 큰 크기를 가지기 때문에 마이크로포러스 실리카를 지지체로 하였을 때 기공 내부의 활성금속을 활용하기 어렵고, 액상 탄화수소 크기의 생성물 분포가 낮은 단점을 지닌다. 이를 개선하기 위해 기공크기를 메조포어의 범위로 늘리는 연구가 진행되었다.Conventional methods for producing silica are largely hydrolyzed water glass and condensation reaction to obtain colloidal silica, pyrolysis of silicon tetrachloride (Thermal Pyrolysis) to produce fumed silica (sol) based on TEOS, etc. Synthesis using Stover, a kind of gel method. Since this method produces irregularly sized silica particles, in order to control the average particle size to 1 ~ 10㎛, special additives such as surfactants or organic solvents should be used. In Korean Patent No. 10-2001-0013733, a method of preparing a nano-sized silica powder having a particle size distribution using a reverse micelle and a sol-gel method was described. Since the Fischer-Tropsch reaction product has a larger size than the microporous size of the conventional microporous silica, it is difficult to utilize the active metal inside the pores when the microporous silica is a support, and the product distribution of the liquid hydrocarbon size is low. Has disadvantages In order to improve this, studies have been made to increase the pore size to the range of mesopores.

메조포러스(Mesoporous) 물질이란 기존의 제올라이트와 같이 기공의 크기가 1.5nm 이하인 마이크로포러스 물질보다 그 기공의 크기를 2 ~ 50nm 범위로 확장시킨 것이다. 이와 같은 메조포러스 물질은 기존 마이크로포러스 물질의 기공 크기보다 큰 물질의 흡착 및 분리, 촉매전환반응 등에 대한 분자체 물질의 응용에 이용된다. 이와 같은 메조포러스 무기물질에 관련하여 1991년도 모빌 (Mobil)사에서 이온성 계면활성제를 주형으로 하여 M41군으로 명명된 물질들이 제조되었고, 이는 미국 특허 5,057,296호 와 5,102,643호 등에 발표되었다. 일차원적인 메조포어 외에도 벌집과 같은 육방배열을 이루는 MCM-41과 중성계열의 계면활성제인 양친성 블록 공중합체 (amphiphilic block copolymer)를 이용하여 메조포러스 물질을 제조하는 방법도 미국 특허 6,027,706호, 6,054,111호 등에 개제되어있다. 메조포러스 실리카의 합성방법에는 계면활성제를 이용한 방법이 주를 이루는데, 계면활성제와 실리카 사이의 상호작용 방법에 따라 합성조건에서 산도 조절이 중요한 요소가 된다. 산성조건에서 합성되는 SBA계열의 메조포러스 실리카는 다른 실리카에 비해 열적 안정성이 우수해 촉매반응에 많이 이용되고 있다. 메조포러스 실리카는 제올라이트와 달리 알루미늄이 첨가되지 않아 촉매 활성점이 거의 없어 실리카 합성 이후 금속을 넣어 활성점을 도입한다. 실리카는 수분 흡수를 쉽게 하는데 비해 고온에서의 열적 안정성이 낮은 문제점이 있기 때문에 산성 조건에서 합성하는 방법이나, 구조체를 만듦으로서 수열 안정성을 높이기 위한 연구가 진행되고 있다. 피셔-트롭시 반응의 효율을 높이고 액체 탄화수소 범위의 생성물을 늘리는데 효과가 있으며, 반응 도중 비활성화가 적게 일어나는 촉매의 발명이 요구되는 상황이다.
Mesoporous material is a microporous material having a pore size of 1.5 nm or less, as in conventional zeolites, which extends the pore size in the range of 2 to 50 nm. Such mesoporous material is used for the application of molecular sieve material to the adsorption and separation of the material larger than the pore size of the existing microporous material, catalytic conversion reaction and the like. Regarding such mesoporous inorganic materials, materials named as M41 group were manufactured by Mobil in 1991 as a template for ionic surfactants, which are disclosed in US Pat. Nos. 5,057,296 and 5,102,643. In addition to one-dimensional mesopores, a method for producing mesoporous material using MCM-41, which forms a hexagonal array such as honeycomb, and an amphiphilic block copolymer, which is a neutral surfactant, is also described in US Pat. Nos. 6,027,706 and 6,054,111. It is listed on the back. In the synthesis of mesoporous silica, a method using a surfactant is mainly used. According to the interaction method between the surfactant and silica, acidity control is an important factor in the synthesis conditions. SBA-based mesoporous silica synthesized under acidic conditions is more widely used for catalytic reactions because of its superior thermal stability than other silicas. Unlike zeolite, mesoporous silica has no catalyst active point because aluminum is not added, and then metal is introduced after silica synthesis to introduce an active point. Silica has a problem of low thermal stability at high temperature while facilitating water absorption, and thus, a method for synthesizing under acidic conditions or making a structure has been studied to increase hydrothermal stability. There is a need for the invention of a catalyst which is effective in increasing the efficiency of the Fischer-Tropsch reaction and increasing the product in the range of liquid hydrocarbons, with less deactivation during the reaction.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명자들이 부단히 연구한 결과 구형 구조를 지닌 메조포러스 실리카를 제조하여 열적 안정성을 높인 촉매 지지체를 제조하고, 이 지지체가 피셔-트롭시 반응에 관여하는 정도를 살펴보고 기존의 실리카 겔을 이용한 촉매에 비해 월등한 효과를 얻을 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다. 즉, 본 발명은 수열안정성이 높은 메조포러스 실리카를 포함하는 촉매의 제조 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
In order to solve this problem, the present inventors have studied diligently to prepare a mesoporous silica having a spherical structure to prepare a catalyst support having a high thermal stability, and to examine the extent to which the support is involved in the Fischer-Tropsch reaction This invention was completed by confirming that the outstanding effect compared with the catalyst using the silica gel of can be obtained. That is, an object of the present invention is to provide a method for producing a catalyst containing mesoporous silica having high hydrothermal stability.

본 발명은 유기용매와 산성 수용액에 계면활성제를 첨가하여 에멀전을 생성하는 단계, 상기 에멀전에 실리콘 알콕사이드를 첨가하여 실리카를 합성하는 단계, 상기 실리카를 숙성시키고 여과하는 단계, 상기 여과된 실리카를 건조 및 소성하여 메조포러스 실리카를 제조하는 단계 및 상기 메조포러스 실리카에 피셔-트롭시 반응용 활성금속을 도입하는 단계를 포함하는 피셔-트롭시 촉매의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention comprises the steps of generating an emulsion by adding a surfactant to an organic solvent and an acidic aqueous solution, synthesizing silica by adding a silicon alkoxide to the emulsion, aging and filtering the silica, drying the filtered silica and It relates to a method for preparing a Fischer-Tropsch catalyst comprising the step of preparing mesoporous silica by calcining and introducing the active metal for Fischer-Tropsch reaction into the mesoporous silica.

본 발명에 의해 구형 구조를 띄는 메조포러스 실리카를 제조함으로서 수열안정성이 높은 실리카 입자를 생성하여 피셔-트롭시 반응에 안정한 촉매 지지체를 제조하여 반응에 이로운 촉매를 제조할 수 있다.
By producing mesoporous silica having a spherical structure according to the present invention, silica particles having high hydrothermal stability can be produced to prepare a catalyst support that is stable to the Fischer-Tropsch reaction, thereby preparing a catalyst that is beneficial to the reaction.

도 1은 실험예 1에서 메조포러스 실리카의 수열안정성을 확인한 SEM 이미지이다.
도 2는 실시예 1과 비교예 1에서 제조한 촉매의 SEM 이미지이다.
도 3은 실시예 1과 비교예 1에서 제조한 촉매의 XRD 이미지이다.
도 4는 실험예 3에서 제조한 촉매를 이용한 피셔-트롭시 반응의 생성물 분포도이다.
1 is an SEM image confirming the hydrothermal stability of mesoporous silica in Experimental Example 1.
2 is an SEM image of the catalyst prepared in Example 1 and Comparative Example 1.
3 is an XRD image of catalysts prepared in Example 1 and Comparative Example 1. FIG.
4 is a product distribution diagram of the Fischer-Tropsch reaction using the catalyst prepared in Experimental Example 3.

본 발명은 유기용매와 산성 수용액에 계면활성제를 첨가함으로써 에멀전을 생성하는 단계, 상기 에멀전에 실리콘 알콕사이드를 첨가하여 실리카를 합성하는 단계, 실리카를 숙성시키고 여과하는 단계, 여과된 실리카를 건조 소성시켜 메조포러스 실리카를 제조하는 단계 및 메조포러스 실리카에 피셔-트롭시 반응용 활성금속을 도입하는 단계를 포함하는 피셔-트롭시 촉매의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention provides an emulsion by adding a surfactant to an organic solvent and an acidic aqueous solution, adding silicon alkoxide to the emulsion to synthesize silica, aging and filtering the silica, and drying and calcining the filtered silica to meso The present invention relates to a method for preparing a Fischer-Tropsch catalyst, comprising preparing a porous silica and introducing an active metal for Fischer-Tropsch reaction into the mesoporous silica.

본 발명에서는 액상 탄화수소 생성물을 증대시키기 위해 속이 빈 구형의 메조포러스 실리카를 제조하고, 이를 피셔-트롭시 반응의 촉매 지지체로서 이용한다. 이를 위해 실리콘 알콕사이드를 이용한 졸-겔법으로 실리카를 제조하는데, 유기용매와 산성 수용액에 계면활성제를 분산시킨 에멀젼 용액을 주형물질로 이용한다. 상기 피셔-트롭시 반응용 활성금속은 특별히 한정하지 않으나 코발트, 철, 루테늄, 니켈, 팔라듐, 백금 또는 로듐이 될 수 있다.
In the present invention, hollow spherical mesoporous silica is prepared to increase the liquid hydrocarbon product, which is used as a catalyst support for the Fischer-Tropsch reaction. To this end, silica is prepared by a sol-gel method using silicon alkoxide. An emulsion solution obtained by dispersing a surfactant in an organic solvent and an acidic aqueous solution is used as a template material. The active metal for Fischer-Tropsch reaction is not particularly limited, but may be cobalt, iron, ruthenium, nickel, palladium, platinum or rhodium.

상기 메조포러스 실리카 100 중량부에 대해서 피셔-트롭시 반응용 활성금속은 1 ~ 50 중량부를 사용할 수 있다. 상기 피셔-트롭시 반응용 활성금속이 1 중량부 미만인 경우 피셔-트롭시 반응의 효율이 낮은 점에서 문제가 있을 수 있고, 50 중량부를 초과할 때에는 지지체를 이용한 피셔-트롭시 반응용 활성금속 나노입자의 분산효과가 낮아지는 문제가 있을 수 있다.
Fischer-Tropsch reaction for the active metal based on 100 parts by weight of the mesoporous silica may be used 1 to 50 parts by weight. If the Fisher-Tropsch reaction active metal is less than 1 part by weight, there may be a problem in that the efficiency of the Fischer-Tropsch reaction is low, and when it exceeds 50 parts by weight, the Fischer-Tropsch reaction active metal nano There may be a problem that the dispersion effect of the particles is lowered.

상기 유기용매는 상기 계면활성제와 실리콘 알콕사이드를 용해시킬 수 있는 것이면 특별히 한정하지 않으며, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것이 될 수 있다.The organic solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the surfactant and the silicon alkoxide, and may include a compound represented by the following Chemical Formula 1.

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 화학식 1에서, x는 1 ~ 20, y는 4 ~ 42, z는 0 ~ 20이다. 보다 바람직하게는 이소옥탄(2,2,4-trimethyl pentane)이 될 수 있다. 상기 계면활성제 1 중량부에 대해서 상기 유기용매는 1 ~ 20 중량부를 사용할 수 있다.In Formula 1, x is 1 to 20, y is 4 to 42, and z is 0 to 20. More preferably, it may be isooctane (2,2,4-trimethyl pentane). The organic solvent may be used in an amount of 1 to 20 parts by weight based on 1 part by weight of the surfactant.

상기 산성 수용액은 특별히 한정하지 않으나 염산, 질산, 황산, 아세트산, 탄산 및 초산 (Acetic acid)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 수용액이 될 수 있으며, 산성도는 pH 3 ~ 6 인 것이 바람직하다. 산성도가 pH 6을 초과하면 실리카의 탈수 축중합 반응을 향상시킬 수 없으며, 산성도가 pH 3 미만인 경우 실리카의 생성속도를 제어하기 쉽지 않은 문제가 있을 수 있다. 상기 계면활성제는 특별히 한정하지 않으나 카르복실산염, 술폰산염, 황산에스테르염, 인산에스테르염, 포스폰산염, 아민염, 4차 암모늄염, 포스포늄염, 술포늄염, 지방산 모노글리세린 에스테르, 지방산 폴리글리콜에스테르, 지방산 소르비탄에스테르, 지방산 자당에스테르, 지방산 알칸올아미드, 폴리에틸렌글리콜 축합형 비이온 계면 활성제, 폴리에틸렌글리콜-폴리프로필렌글리콜 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다. 상기 계면활성제 1 중량부에 대해서 상기 산성 수용액은 1 ~ 100 중량부를 사용할 수 있다.
The acidic aqueous solution is not particularly limited, but may be at least one aqueous solution selected from the group consisting of hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, acetic acid, carbonic acid, and acetic acid, and the acidity is preferably pH 3-6. When the acidity exceeds pH 6, the dehydration polycondensation reaction of the silica may not be improved, and when the acidity is less than pH 3, there may be a problem that it is not easy to control the production rate of silica. Although the surfactant is not particularly limited, carboxylate, sulfonate, sulfate ester salt, phosphate ester salt, phosphonate salt, amine salt, quaternary ammonium salt, phosphonium salt, sulfonium salt, fatty acid monoglycerine ester, fatty acid polyglycol ester , Fatty acid sorbitan ester, fatty acid sucrose ester, fatty acid alkanolamide, polyethylene glycol condensation type nonionic surfactant, polyethylene glycol-polypropylene glycol copolymer may be any one or more selected from the group consisting of. The acidic aqueous solution may be used in an amount of 1 to 100 parts by weight based on 1 part by weight of the surfactant.

상기 에멀젼에 실리콘 알콕사이드를 첨가하면, 실리콘 알콕사이드의 부분 가수분해 및 축합반응을 통하여 졸-겔법으로 실리카의 합성이 이루어진다. 상기 실리카의 합성은 유기용매와 산 촉매의 혼합물을 양이온성, 음이온성 또는 비이온성 계면활성제를 이용하여 에멀젼화 한 주형물질의 존재 하에 이루어져 메조포러스 실리카를 제조할 수 있다. 상기 실리콘 알콕사이드로는 특별히 한정하지 않으나 테트라메톡시실란 (Tetramethyoxysilane), 테트라에틸 오르쏘실리케이트 (Tetraethyl orthosilicate), 메틸트리메톡시실란 (Methyltrimethoxy silane), 에틸트리메톡시실란 (Ethyltrimethoxy silane), 비닐트리에톡시실란 (Vinyltriethoxy silane) 및 페닐트리에톡시실란 (Phenyltriethoxy silane)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이 될 수 있다. 상기 계면활성제 1 중량부에 대해서 실리콘 알콕사이드는 0.1 ~ 10 중량부를 첨가할 수 있다. 상기 실리콘 알콕사이드가 0.1 중량부 미만인 경우 실리카의 생성율이 낮은면에서 문제가 있을 수 있고, 10 중량부를 초과할 때에는 메조포러스 실리카가 형태를 형성하기 어려워 특정 구조의 실리카를 얻기 어려운 문제가 있을 수 있다. 메조포러스 실리카가 구조체를 형성하도록 주형물질의 종류와 산도, 첨가물의 비율, 숙성 시간 및 온도를 조절할 수 있다.
When silicon alkoxide is added to the emulsion, silica is synthesized by the sol-gel method through partial hydrolysis and condensation of silicon alkoxide. Synthesis of the silica may be prepared by mixing a mixture of an organic solvent and an acid catalyst in the presence of a template material emulsified using a cationic, anionic or nonionic surfactant. The silicon alkoxide is not particularly limited, but tetramethyoxysilane, tetraethyl orthosilicate, methyltrimethoxy silane, ethyltrimethoxysilane, and vinyltrier It may be any one or more selected from the group consisting of oxysilane (Vinyltriethoxy silane) and phenyltriethoxy silane (Phenyltriethoxy silane). The silicon alkoxide may be added in an amount of 0.1 to 10 parts by weight based on 1 part by weight of the surfactant. When the silicon alkoxide is less than 0.1 part by weight, there may be a problem in terms of low silica production rate, and when it exceeds 10 parts by weight, mesoporous silica may be difficult to form a shape, and thus may be difficult to obtain a silica having a specific structure. The type and acidity of the template material, the ratio of the additives, the aging time and the temperature can be adjusted so that the mesoporous silica forms a structure.

제조된 메조포러스 실리카를 세척, 건조 및 하소 시킨 후 이를 지지체로 하여 코발트 염을 이용하여 지지체에 담지하는 방식을 통해 코발트 지지된 피셔-트롭시 촉매를 제조할 수 있다. 상기 코발트의 전구체로는 특별히 한정하지 않으나 코발트 질산염 (Cobalt nitrate), 코발트 아세트산염 (Cobalt acetate), 코발트 브롬산염 (Cobalt bromide), 코발트 클로라이드염 (Cobalt chloride) 및 코발트 아이오다이드염 (Cobalt iodide)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 전구체를 사용할 수 있다.
The cobalt-supported Fischer-Tropsch catalyst can be prepared by washing, drying, and calcining the prepared mesoporous silica, and then supporting the mesoporous silica on the support using a cobalt salt. Preferred cobalt precursors include, but are not limited to, cobalt nitrate, cobalt acetate, cobalt bromide, cobalt chloride, and cobalt iodide. Any one or more precursors selected from the group consisting of can be used.

위와 같이 제조된 코발트-메조포러스 실리카 구조체 피셔-트롭시 촉매를 일정한 크기가 될 수 있도록 체에 내린 후 고정층 촉매 반응기에 충진하고 피셔-트롭시 반응을 진행시킨다. 피셔-트롭시 반응조건은 한정되어 있지 않으나, 바람직하게는 반응온도 100 ~ 300 ℃, 반응압력 10~50 bar 및 H2/CO 비는 1 ~ 3의 반응조건에서 수행할 수 있다.
The cobalt-mesoporous silica structure Fischer-Tropsch catalyst prepared as described above is sieved to a certain size and then charged in a fixed bed catalyst reactor and the Fischer-Tropsch reaction is performed. Fischer-Tropsch reaction conditions are not limited, but preferably the reaction temperature 100 ~ 300 ℃, the reaction pressure 10 ~ 50 bar and H 2 / CO ratio can be carried out under the reaction conditions of 1-3.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 하나, 하기한 실시예는 본 발명을 예증하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 제한하는 것은 아님을 이해하여만 할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the following examples are merely to illustrate the present invention, but it should be understood that the present invention is not limited thereto.

제조예Manufacturing example 1 :  One : 메조포러스Mesoporous 실리카 지지체의 제조 Preparation of Silica Support

에틸렌글리콜-프로필렌글리콜 공중합체 [Poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol)] 4 g을 99.9 부피% 에탄올 8.75 ml와 0.6 M 초산 수용액 112 ml에 녹였다. 2,2,4-트리메틸펜탄(trimethylpentane) 24 g을 첨가하고, 교반시켜 주형물질을 제조하였다. 테트라메톡시실란(Tetramethoxysilane) 8.52 g을 첨가하고 실온에서 교반한 후 60 ~ 180 ℃의 온도범위에서 1~100 시간동안 숙성시키고, 증류수와 에탄올을 이용하여 세척, 여과하였다. 여과된 침전물은 건조 후 소성시켰다. 약 4.8 g의 메조포러스 실리카 지지체를 수득하였다.
4 g of ethylene glycol-propylene glycol copolymer [Poly (ethylene glycol) -block-poly (propylene glycol) -block-poly (ethylene glycol)] was dissolved in 8.75 ml of 99.9 vol% ethanol and 112 ml of 0.6 M acetic acid aqueous solution. 24 g of 2,2,4-trimethylpentane was added and stirred to prepare a template. 8.52 g of tetramethoxysilane was added, stirred at room temperature, aged for 1-100 hours at a temperature in the range of 60-180 ° C, washed with distilled water and ethanol, and filtered. The filtered precipitate was calcined after drying. About 4.8 g of mesoporous silica support was obtained.

실시예Example 1 : 촉매의 제조  1: Preparation of Catalyst

에틸렌글리콜-프로필렌글리콜 공중합체 [Poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol)] 4 g을 99.9 부피% 에탄올 8.75 ml와 0.6 M 초산 수용액 112 ml에 녹였다. 2,2,4-트리메틸펜탄(trimethylpentane) 24 g을 첨가하고, 교반시켜 주형물질을 제조하였다. 테트라메톡시실란(Tetramethoxysilane) 8.52 g을 첨가하고 실온에서 교반한 후 60 ~ 180 ℃의 온도범위에서 1~100 시간동안 숙성시키고, 증류수와 에탄올을 이용하여 세척, 여과하였다. 여과된 침전물은 건조 후 550 ℃의 온도에서 소성시켜 약 4.8 g의 메조포러스 실리카 지지체를 수득하였다. 제조된 지지체 1 g에 20 중량 %의 코발트를 코발트질산염 (Co(NO3)2 6H2O) 수용액을 이용하여 함침 하였다. 함침 된 촉매는 건조 후, 550 ℃의 온도에서 5시간 동안 소성시켰다. 수득한 촉매를 20~40 메쉬 범위로 걸러 고정층 피셔-트롭시 반응에 이용할 수 있도록 준비하였다.
4 g of ethylene glycol-propylene glycol copolymer [Poly (ethylene glycol) -block-poly (propylene glycol) -block-poly (ethylene glycol)] was dissolved in 8.75 ml of 99.9 vol% ethanol and 112 ml of 0.6 M acetic acid aqueous solution. 24 g of 2,2,4-trimethylpentane was added and stirred to prepare a template. 8.52 g of tetramethoxysilane was added, stirred at room temperature, aged for 1-100 hours at a temperature in the range of 60-180 ° C, washed with distilled water and ethanol, and filtered. The filtered precipitate was dried and then calcined at a temperature of 550 ° C. to obtain about 4.8 g of mesoporous silica support. 1 g of the support was impregnated with 20 wt% of cobalt using an aqueous solution of cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 6H 2 O). The impregnated catalyst was dried and then calcined at a temperature of 550 ° C. for 5 hours. The resulting catalyst was prepared in a 20-40 mesh range for use in a fixed bed Fischer-Tropsch reaction.

비교예Comparative example 1 One

제조예 1에서 제조된 지지체 대신 실리카 겔을 사용하여 촉매를 제조하였다. 상용 실리카 겔 1 g에 20 중량 %의 코발트를 코발트질산염 (Co(NO3)2 6H2O) 수용액을 이용하여 함침 하였다. 함침 된 촉매는 건조 후, 550 ℃의 온도에서 5시간 동안 소성시켰다. 수득한 촉매를 20~40 메쉬 범위로 걸러 고정층 피셔-트롭시 반응에 이용할 수 있도록 준비하였다.
The catalyst was prepared using silica gel instead of the support prepared in Preparation Example 1. 1 g of commercial silica gel was impregnated with 20 wt% cobalt using an aqueous solution of cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 6H 2 O). The impregnated catalyst was dried and then calcined at a temperature of 550 ° C. for 5 hours. The resulting catalyst was prepared in a 20-40 mesh range for use in a fixed bed Fischer-Tropsch reaction.

실험예Experimental Example 1 : 지지체의 열적 내구성 측정 1: Measurement of the thermal durability of the support

상기 언급한 바와 같이 실리카 지지체는 수열안정성이 낮은 문제점을 가지고 있기 때문에 이를 개선하고자 구조를 가지는 메조포러스 실리카를 제조하였다. 이를 확인하고자 제조예 1의 메조포러스 실리카 1 g을 증류수 200 ml와 함께 섞어서 수열합성기에서 300 ℃의 온도에서 3일 동안 유지하였다. 수열합성기에서 3일간 열처리 한 촉매는 건조 후 전자현미경으로 구조의 변형유무를 확인하였다.
As mentioned above, since the silica support has a problem of low hydrothermal stability, a mesoporous silica having a structure has been prepared to improve it. To confirm this, 1 g of mesoporous silica of Preparation Example 1 was mixed with 200 ml of distilled water and maintained at a temperature of 300 ° C. for 3 days in a hydrothermal synthesizer. The catalyst heat-treated for 3 days in the hydrothermal synthesizer was dried and confirmed by the electron microscope for the deformation of the structure.

실험예Experimental Example 2 : 촉매의 구조특성 및 조직특성의 측정 2: Measurement of Structure and Structure Characteristics of Catalyst

실시예 1과 비교예 1의 지지체와 촉매를 하기의 방법으로 입자크기, BET 표면적, 기공부피, 기공크기를 측정하였다. 촉매의 입자크기는 XRD(X-ray Diffrentiation, Shimazdu Co., XRD-6000)를 이용하여 측정하였다. XRD에 의한 촉매 입자의 평균 크기는 최대 피크[311]의 전체반값두께(Full Width at Half Maximum)를 드베이-쉴러 방정식(Debye-Scherrer Equation)에 대입하여 계산하였다. 촉매의 BET 표면적은 N2 흡착등온식(N2-adsorption Isotherm; Quantachrome Co., Autosorb-1C)으로부터 유도하였다. SEM 이미지를 도 2에서 XRD 이미지를 도 3에서 나타내었다.The particle size, BET surface area, pore volume, and pore size of the support and the catalyst of Example 1 and Comparative Example 1 were measured by the following method. The particle size of the catalyst was measured using XRD (X-ray Diffrentiation, Shimazdu Co., XRD-6000). The average size of the catalyst particles by XRD was calculated by substituting the full width at half maximum of the peak [311] into the Debye-Scherrer Equation. The BET surface area of the catalyst was derived from N 2 adsorption isotherm (N 2 -adsorption Isotherm; Quantachrome Co., Autosorb-1C). The SEM image is shown in FIG. 2 and the XRD image in FIG. 3.

제조예 1, 실시예 1, 비교예 1 및 실리카 겔의 BET 표면적, 기공부피, 기공크기 및 XRD에 의한 촉매 입자의 평균 크기를 표 1에서 나타내었다.Table 1 shows BET surface area, pore volume, pore size and average size of catalyst particles by XRD of Preparation Example 1, Example 1, Comparative Example 1 and silica gel.

BET 표면적
(m2/g)
BET surface area
(m 2 / g)
기공부피
(cm3/g)
Pore volume
(cm < 3 > / g)
기공크기
(nm)
Pore size
(nm)
코발트 입자크기
(nm)
Cobalt Particle Size
(nm)
제조예 1Preparation Example 1 메조포러스 실리카Mesoporous Silica 721.56721.56 2.17522.1752 12.058012.0580 -- -- 실리카 겔Silica gel 620.45620.45 0.34410.3441 2.21852.2185 -- 실시예 1Example 1 코발트/메조포러스 실리카 촉매Cobalt / Mesoporous Silica Catalyst 296.98296.98 0.78560.7856 10.581010.5810 19.8519.85 비교예 1Comparative Example 1 코발트/실리카 겔 촉매Cobalt / Silica Gel Catalyst 367.19367.19 0.30100.3010 3.27903.2790 19.2319.23

상기 표 1에서도 나타나듯이, 실시예 1에서 제조한 촉매는 비록 BET 표면적은 작으나, 기공부피와 기공크기가 코발트/실리카 겔 촉매(비교예 1)에 비해 월등히 높아 이러한 특성으로 인해 피셔-트롭시 반응에서의 효율을 높일 수 있다.
As shown in Table 1, although the catalyst prepared in Example 1 had a small BET surface area, the pore volume and pore size were significantly higher than those of the cobalt / silica gel catalyst (Comparative Example 1). The efficiency at

실험예Experimental Example 3 : 촉매의 효과 비교 3: Comparison of the Effects of Catalysts

피셔-트롭시 반응용 고정층 반응기(Fixed Bed Reactor)상에 실시예 1의 촉매를 0.5 g 충진한 다음, 120시간 동안 피셔-트롭시 합성반응을 진행시켰다. 상기 합성반응은 250℃, 25 bar, H2/CO = 2 몰비 조건하에서 수행하였다. 제조된 반응가스 생성물은 On-line GC(TCD, FID)를 사용하여 분석하였고, 생성된 액상생성물은 Off-line GC(FID)를 사용하여 분석하였다.0.5 g of the catalyst of Example 1 was charged onto a Fischer-Tropsch fixed bed reactor, and then the Fischer-Tropsch synthesis reaction was performed for 120 hours. The synthesis reaction was carried out at 250 ℃, 25 bar, H 2 / CO = 2 molar ratio conditions. The produced reaction gas product was analyzed using On-line GC (TCD, FID), and the resulting liquid product was analyzed using Off-line GC (FID).

마찬가지로 비교예 1에서 제조된 촉매를 상기 방법으로 피셔-트롭시 반응시켰다. 도 5에서 실시예 1과 비교예 1에 의한 탄소수에 따른 생성물의 몰양을 나타내었으며, 하기 표 2에서 CO 전환율, H2 전환율, 탄화수소 선택도 및 액상생성물을 계산하여 정리하였다.Similarly, the catalyst prepared in Comparative Example 1 was reacted with Fischer-Tropsch by the above method. 5 shows the molar amount of the product according to the carbon number according to Example 1 and Comparative Example 1, and summarized by calculating the CO conversion rate, H 2 conversion rate, hydrocarbon selectivity and liquid product in Table 2 below.

실시예 1Example 1 비교예 1Comparative Example 1 전환율
(%)
Conversion rate
(%)
COCO 46.3746.37 11.5811.58
H2 H 2 57.9457.94 42.4942.49 선택도
(몰%)
Selectivity
(mole%)
CH4 CH 4 28.1128.11 32.7332.73
C2 ~ C4 C 2 ~ C 4 20.5720.57 17.6117.61 C5 ~ C11(가솔린)C 5 ~ C 11 (gasoline) 26.3226.32 23.0723.07 C12 ~ C18(디젤)C 12 -C 18 (diesel) 16.6916.69 25.6625.66 C19 이상C 19 or higher 3.703.70 5.485.48 액상 생성물의 생산성(g/kg_cat.h)Productivity of Liquid Products (g / kg_cat.h) 73.1473.14 57.2557.25

상기 표 2에 정리된 바와 같이, 본 발명이 특징으로 하는 촉매(실시예 1)는 액상 생성물이 비교예 1에 비교하여 현저하게 많이 생산됨을 확인할 수 있었다.As summarized in Table 2, the catalyst (Example 1) characterized by the present invention was confirmed that the liquid product is produced significantly more than in Comparative Example 1.

보다 구체적으로 살펴보면, 지지체 성분으로 메조포러스 실리카를 포함하는 촉매는(실시예 1) 수소와 일산화탄소 전환율이 비교예 1에 비해 현저히 높은 것을 확인할 수 있었다.Looking more specifically, it was confirmed that the catalyst containing mesoporous silica as a support component (Example 1) the hydrogen and carbon monoxide conversion rate is significantly higher than in Comparative Example 1.

또한 도 4에서 나타나는 것과 같이 왁스 크기의 탄소 생성물의 선택도는 낮고 가솔린 범위의 탄소 생성물의 양이 비교예 1에 비해 높음을 확인 할 수 있었다. 이는 실시예 1에 이용한 메조포러스 실리카의 공극 크기에 따른 생성물의 분자체 역할에 의한 것으로 판단된다.In addition, as shown in Figure 4 it was confirmed that the selectivity of the carbon product of the wax size is low and the amount of the carbon product in the gasoline range is higher than in Comparative Example 1. This may be due to the molecular sieve role of the product according to the pore size of the mesoporous silica used in Example 1.

Claims (10)

유기용매와 산성 수용액에 계면활성제를 첨가하여 에멀전을 생성하는 단계;
상기 에멀전에 실리콘 알콕사이드를 첨가하여 실리카를 합성하는 단계;
상기 실리카를 숙성시키고 여과하는 단계;
상기 여과된 실리카를 건조 및 소성하여 메조포러스 실리카를 제조하는 단계; 및
상기 메조포러스 실리카에 피셔-트롭시 반응용 활성금속을 도입하여 피셔-트롭시 촉매를 제조하는 단계;
를 포함하는 피셔-트롭시 촉매의 제조방법.
Generating an emulsion by adding a surfactant to the organic solvent and the acidic aqueous solution;
Adding silica alkoxide to the emulsion to synthesize silica;
Aging and filtering the silica;
Drying and calcining the filtered silica to prepare mesoporous silica; And
Preparing a Fischer-Tropsch catalyst by introducing an active metal for Fischer-Tropsch reaction into the mesoporous silica;
Fischer-Tropsch catalyst production method comprising a.
제 1항에 있어서, 상기 피셔-트롭시 반응용 활성금속은 코발트, 철, 루테늄, 니켈, 팔라듐, 백금 및 로듐으로 이루어진 군에서 선택된 단일금속 또는 2종 이상의 혼합금속인 것을 특징으로 하는 피셔-트롭시 촉매의 제조방법.
According to claim 1, wherein the fischer-Tropsch reaction active metal is Fischer-Trop, characterized in that a single metal or a mixed metal selected from the group consisting of cobalt, iron, ruthenium, nickel, palladium, platinum and rhodium. Process for preparing a catalyst
제 1항에 있어서, 상기 메조포러스 실리카 100 중량부에 대하여 상기 피셔-트롭시 반응용 활성금속은 1 ~ 50 중량부 도입하는 것을 특징으로 하는 피셔-트롭시 촉매의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the Fischer-Tropsch catalyst is prepared by introducing 1 to 50 parts by weight of the active metal for Fischer-Tropsch reaction based on 100 parts by weight of the mesoporous silica.
제 1항에 있어서, 상기 실리콘 알콕사이드는 테트라메톡시실란 (Tetramethoxysilane), 테트라에틸 오르쏘실리케이트 (Tetraethyl orthosilicate), 메틸트리메톡시실란 (Methyltrimethoxy silane), 에틸트리메톡시실란 (Ethyltrimethoxy silane), 비닐트리에톡시실란 (Vinyltriethoxy silane) 및 페닐트리에톡시실란 (Phenyltriethoxy silane)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 피셔-트롭시 촉매의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the silicon alkoxide is tetramethoxysilane, tetraethyl orthosilicate, methyltrimethoxy silane, ethyltrimethoxysilane, vinyltri Fischer-Tropsch catalyst, characterized in that any one or more selected from the group consisting of ethoxysilane (Vinyltriethoxy silane) and phenyltriethoxy silane (Phenyltriethoxy silane).
제 1항에 있어서, 상기 계면활성제는 카르복실산염, 술폰산염, 황산에스테르염, 인산에스테르염, 포스폰산염, 아민염, 4차 암모늄염, 포스포늄염, 술포늄염, 지방산 모노글리세린 에스테르, 지방산 폴리글리콜에스테르, 지방산 소르비탄에스테르, 지방산 자당에스테르, 지방산 알칸올아미드, 폴리에틸렌글리콜 축합형 비이온 계면 활성제 및 폴리에틸렌글리콜-폴리프로필렌글리콜 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 피셔-트롭시 촉매의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the surfactant is a carboxylate, sulfonate, sulfate ester salt, phosphate ester salt, phosphonate salt, amine salt, quaternary ammonium salt, phosphonium salt, sulfonium salt, fatty acid monoglycerine ester, fatty acid poly Fischer-Tropsch, characterized in that any one or more selected from the group consisting of glycol esters, fatty acid sorbitan esters, fatty acid sucrose esters, fatty acid alkanolamides, polyethylene glycol condensed nonionic surfactants and polyethylene glycol-polypropylene glycol copolymers Method for preparing a catalyst.
제 1항에 있어서, 상기 산성 수용액은 염산, 질산, 황산, 아세트산, 탄산 및 초산 (Acetic acid)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 수용액인 것을 특징으로 하는 피셔-트롭시 촉매의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the acidic aqueous solution is at least one aqueous solution selected from the group consisting of hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, acetic acid, carbonic acid, and acetic acid.
제 1항에 있어서, 상기 산성 수용액은 pH 3 ~ 6 인 것을 특징으로 하는 피셔-트롭시 촉매의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the acidic aqueous solution has a pH of 3 to 6. 6.
제 1항에 있어서, 상기 유기용매는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 피셔-트롭시 촉매의 제조방법.
[화학식 1]
Figure pat00002

상기 화학식 1에서, x는 1 ~ 20, y는 4 ~ 42, z는 0 ~ 20이다.
The method of claim 1, wherein the organic solvent comprises a compound represented by the following Chemical Formula 1. Fischer-Tropsch catalyst.
[Formula 1]
Figure pat00002

In Formula 1, x is 1 to 20, y is 4 to 42, and z is 0 to 20.
제 1항에 있어서, 상기 계면활성제 1 중량부에 대해서 상기 유기용매 1 ~ 20 중량부, 실리콘 알콕사이드 0.1 ~ 10 중량부, 및 산성 수용액 1 ~ 100 중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 피셔-트롭시 촉매의 제조방법.
Fischer-Tropsch catalyst according to claim 1, wherein 1 to 20 parts by weight of the organic solvent, 0.1 to 10 parts by weight of silicon alkoxide, and 1 to 100 parts by weight of an acidic aqueous solution are added to 1 part by weight of the surfactant. Manufacturing method.
제 1항에 있어서, 상기 활성금속으로서 코발트 질산염 (Cobalt nitrate), 코발트 아세트산염 (Cobalt acetate), 코발트 브롬산염 (Cobalt bromide), 코발트 클로라이드염 (Cobalt chloride) 및 코발트 아이오다이드염 (Cobalt iodide)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 코발트 전구체를 사용하는 것을 특징으로 하는 피셔-트롭시 반응용 촉매 제조방법.The cobalt nitrate, cobalt acetate, cobalt bromide, cobalt chloride and cobalt iodide according to claim 1, wherein the active metal is cobalt nitrate. Fischer-Tropsch reaction catalyst production method characterized in that using at least one cobalt precursor selected from the group consisting of.
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