KR20120037821A - Ni-based hydrotalcite-like catalyst for diesel steam reforming, preparing method thereof, and producing method of hydrogen using the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Nickel-based hydrotalcite catalyst for modifying the vapor of diesel, a method for manufacturing the same, and a method for manufacturing hydrogen based on the modification of diesel using the same are provided to improve the yield of hydrogen. CONSTITUTION: Nickel-based hydrotalcite catalyst for modifying the vapor of diesel is represented by chemical formula 1. In chemical formula 1, A is one or more alkali earth metal oxides; B is one or more Group 8B precious metal atoms; a is the content of the alkali earth metal in catalyst and is between 0 and 10 weight%; b is the content of the Group 8B precious metal atoms and is between 0 and 10 weight%; either of the alkali earth metal or the Group 8B precious metal atoms is more than or equal to 0 weight%; and x and y are the molar ratio of Ni and Mg; x is between 0.2 and 0.9; and y is between 0.5 and 5.5.

Description

디젤의 수증기 개질반응용 니켈계 하이드로탈사이트 촉매, 이의 제조방법 및 이를 이용한 디젤의 개질반응에 의한 수소의 제조방법{Ni-based hydrotalcite-like catalyst for diesel steam reforming, Preparing method thereof, and Producing method of hydrogen using the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a nickel-based hydrotalcite catalyst for steam reforming of diesel, a process for producing the same, and a process for preparing hydrogen by a reforming reaction of diesel using the same, hydrogen using the same}

본 발명은 디젤의 수증기 개질반응용 니켈계 유사-하이드로탈사이트 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 촉매를 디젤의 개질반응에 이용하여 수소를 제조하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a nickel-based quasi-hydrotalcite catalyst for steam reforming of diesel and a process for its preparation. The present invention also relates to a method for producing hydrogen by using the catalyst in the reforming reaction of diesel.

일반적으로 수소는 천연가스의 개질반응을 통해 90% 이상 제조되고 있으며, 그 외에 석탄의 가스화, 물의 전기분해, 열화학적 사이클 및 바이오매스로부터 생산되고 있으나, 향후 수 십년 동안은 화석연료를 개질하는 방법을 통해 수소를 생산하는 것이 경제적일 것으로 보고되었다.Generally, hydrogen is produced by more than 90% of natural gas reforming. In addition, it is produced from gasification of coal, electrolysis of water, thermochemical cycle and biomass. However, for several decades, It has been reported that producing hydrogen through hydrogen is economical.

화석연료를 개질하여 수소를 생산하는 방법으로는 크게 수증기 개질, 산소를 이용한 부분산화 개질, 수증기 개질과 부분산화 개질을 적절히 조합한 자열개질(autothermal reforming) 등이 있으며, 현재 상용화된 수증기 개질공정이 수소를 대량 생산하기 위해 적합한 공정으로 알려져 있다. 이에 수증기 개질반응에 의해 수소를 높은 수율로 제조하기 위한 새로운 촉매개발 및 수증기 개질공정의 개선에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.Methods for producing hydrogen by reforming fossil fuels include steam reforming, partial oxidation reforming using oxygen, autothermal reforming in which steam reforming and partial oxidation reforming are combined in an appropriate manner, and currently commercialized steam reforming processes It is known as a suitable process for mass production of hydrogen. Therefore, the development of a new catalyst for the production of hydrogen at a high yield by the steam reforming reaction and the improvement of the steam reforming process have been actively carried out.

개질공정에서는 개질촉매의 탄소 침적에 의한 촉매 비활성화 방지가 가장 중요한 문제로 지적되고 있다. 상기 탄소 침적은 반응물 중의 수소원자 : 탄소원자의 몰비 및 산소원자 : 탄소원자의 몰비에 의해 열역학적으로 계산될 수 있기 때문에, 기존의 메탄 및 프로판의 수증기 개질공정에서는 탄소 침적에 의한 촉매 비활성화를 막기 위해 수증기를 과량 첨가하여 수소원자 : 탄소원자의 몰비 및 산소원자 : 탄소원자의 몰비를 높여 사용하면 반응 중 수성가스화 반응이 상대적으로 촉진되어 수소 : 일산화탄소의 몰비가 3:1 이상의 조성으로 생성물이 얻어지므로 고농도의 수소 제조를 위한 공정에 적합하다. 현재 공업적으로 사용되는 메탄의 수증기 개질공정은 730 ~ 860℃, 20 ~ 40 기압에서 메탄 : 수증기의 몰비가 1 : 4 ~ 6인 조건에서 운전되고 있다.In the reforming process, prevention of catalyst deactivation by carbon deposition of the reforming catalyst is pointed out as the most important problem. Since the carbon deposition can be thermodynamically calculated by the molar ratio of hydrogen atoms to carbon atoms in the reactants and the molar ratio of oxygen atoms to carbon atoms, in the existing steam reforming process of methane and propane, water vapor is used to prevent catalyst deactivation due to carbon deposition When the molar ratio of hydrogen atoms to carbon atoms and the molar ratio of oxygen atoms to carbon atoms are increased, the water gasification reaction is relatively accelerated during the reaction, and the product is obtained in a molar ratio of hydrogen: carbon monoxide of 3: 1 or more. Which is suitable for the process. At present, the steam reforming process of methane used industrially is operated at a temperature of 730 ~ 860 ° C and a pressure of 20 ~ 40 atm, where the molar ratio of methane: water vapor is 1: 4 ~ 6.

한편, 디젤의 개질반응은 액화천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG) 등의 개질반응에 비해서 같은 반응온도에서 고농도의 수소를 얻는데 더 유리하지만, 탄소 침적 및 연료 중의 황 성분에 의한 촉매의 피독 문제로 인하여 촉매의 내구성이 LNG 및 LPG 등에 비해서 현저히 저하되는 문제점이 있기 때문에 이를 극복하기 위한 촉매연구가 필요한 상황이다.On the other hand, the reforming reaction of diesel is more advantageous than the reforming reaction of liquefied natural gas (LNG) and liquefied petroleum gas (LPG) at the same reaction temperature. However, The catalyst has a problem that the durability of the catalyst is considerably lower than that of LNG and LPG due to the poisoning problem. Therefore, a catalyst study is needed to overcome this problem.

상용 수증기 개질반응에서는 니켈계 촉매가 주로 사용되고 있다. 따라서 기존의 수증기 개질 촉매보다 우수한 개질촉매가 개발되기 위해서는 탄소 침적에 대한 저항성뿐만 아니라 열안정성 및 기계적 안정성을 갖추어야 하며, 이를 충족시키기 위해서는 알루미나 담체와 같은 비표면적이 크면서 기계적, 열적안정성이 높은 적절한 담체의 선정이 매우 중요하다.In the commercial steam reforming reaction, nickel-based catalysts are mainly used. Therefore, in order to develop a reforming catalyst superior to the existing steam reforming catalyst, it is required not only to have resistance to carbon deposition but also to have thermal stability and mechanical stability. In order to satisfy this, it is necessary to have a high specific surface area such as alumina carrier, Selection of carrier is very important.

기존의 메탄 수증기 개질 촉매로서 Ni/Al2O3[Numaguchi, T., Ind. Eng. Chem. Res., 30, 447 ~ 453, 1991]이 보고되었으며, 나프타의 개질 촉매로 TiO2/MgO 및 Pt-Re/Al2O3[Teresita, F. G. and Carlos, R. A., Ind. Eng. Chem. Res., 31, 1283 ~ 1288, 1992]가 보고된 바 있는데, 상기 보고된 촉매들은 탄소침적에 의한 촉매의 빠른 비활성화가 문제점으로 지적되었다. 탄화수소 화합물의 수증기 개질 촉매로서 니켈에 코발트를 첨가한 지르코니아 담지 니켈 촉매가 공개된 바 있고[미국 등록특허 제 4,026,823 호], 또 다른 방법으로 니켈 촉매에 란타늄, 세륨 등의 금속과 은의 적정 비율을 조촉매로 첨가한 것을 일반적인 담체인 알루미나, 실리카, 마그네시아, 지르코니아 등에 담지한 촉매가 공개된 바 있다[미국 등록특허 제 4,060,498 호]. 그리고 지르코니아와 알루미나의 혼합 담체에 이리듐을 담지한 탄화수소 화합물의 수증기 개질 촉매가 각각 공개된 바 있다[미국 등록특허 제 4,297,205 호, 제 4,240,934 호]. 그러나 상기 방법들의 경우 높은 공간속도에서 수증기 개질반응에 적용할 경우 활성이 낮아지거나 촉매가 비활성화 되는 문제가 있어 수증기 개질반응에 이용하기 위해서는 반응의 활성 및 고온에서의 열안정성, 그리고 높은 기체 공간속도에서의 활성 유지할 수 있도록 담체를 개선하거나 활성금속을 작은 크기로 고분산시켜야 할 필요가 있다. 또한 산화망간, 산화세륨을 알루미나 담체에 소량 첨가하여 담체를 제조한 뒤 Pt, Pd, Rh, Ir 등의 귀금속과 Ni, Co 금속 및 Ca, Mg 등의 알칼리 토금속을 적절한 몰비로 혼합한 다성분계 탄화수소 화합물 개질용 촉매 및 이를 이용한 탄화수소 화합물의 개질방법에 관한 공정이 공개되었다[국제특허 WO 2002/38268, WO 2002/78840]. 그러나 상기의 방법은 촉매의 조성이 다성분계로 이루어졌기 때문에 촉매를 제조하기가 상당히 어려울 뿐만 아니라 많은 시간이 소요되고 활성금속으로 귀금속을 사용하므로 제조 단가가 높으며, 고온영역 및 높은 공간속도의 조건하에서 촉매의 활성이 감소하는 단점이 있어 이를 수증기 개질에 응용하여 고농도의 수소를 제조하기 위해서는 다성분계 촉매를 보다 간단한 공정으로 제조하고, 귀금속의 사용을 억제하여 촉매의 제조단가를 낮추어야 하며, 고온 및 높은 공간속도에서도 활성의 변화가 없도록 촉매를 개선해야 할 필요가 있다.As a conventional methane steam reforming catalyst, Ni / Al 2 O 3 [Numaguchi, T., Ind. Eng. Chem. Res., 30, 447-453, 1991). As a naphtha reforming catalyst, TiO 2 / MgO and Pt-Re / Al 2 O 3 [Teresita, FG and Carlos, RA, Ind. Eng. Chem. Res., 31, 1283 ~ 1288, 1992), the reported catalysts point out to be a problem of rapid deactivation of the catalyst by carbon deposition. A zirconia supported nickel catalyst in which cobalt is added to nickel as a steam reforming catalyst of a hydrocarbon compound has been disclosed [US Pat. No. 4,026,823]. In another method, a suitable ratio of a metal such as lanthanum, cerium, A catalyst supported on alumina, silica, magnesia, zirconia or the like, which is a common carrier, has been disclosed [US Pat. No. 4,060,498]. And a steam reforming catalyst of a hydrocarbon compound carrying iridium on a mixed carrier of zirconia and alumina, respectively (US Pat. Nos. 4,297,205 and 4,240,934). However, in the case of the above methods, there is a problem that when the present invention is applied to a steam reforming reaction at a high space velocity, the activity becomes low or the catalyst becomes inactive. Therefore, in order to use the steam reforming reaction, the reaction activity, thermal stability at a high temperature, It is necessary to improve the carrier or to disperse the active metal in a small size and high dispersion. Further, after a carrier is prepared by adding a small amount of manganese oxide and cerium oxide to an alumina carrier, a multicomponent hydrocarbon having a proper molar ratio of noble metals such as Pt, Pd, Rh and Ir and an alkaline earth metal such as Ni, A catalyst for reforming a compound and a process for modifying a hydrocarbon compound using the catalyst have been disclosed [WO 2002/38268, WO 2002/78840]. However, since the catalyst is composed of a multi-component catalyst, it is difficult to produce a catalyst and it takes a lot of time. Since the noble metal is used as an active metal, the production cost is high. Under the condition of a high temperature region and a high space velocity In order to produce hydrogen at a high concentration by applying it to steam reforming, it is necessary to manufacture a multicomponent catalyst by a simpler process, lower the production cost of the catalyst by inhibiting the use of a noble metal, It is necessary to improve the catalyst so that there is no change in activity even at a space velocity.

하이드로탈사이트 전구체를 이용한 촉매를 제조하여 메탄의 산화반응, 메탄올의 개질반응[미국 등록특허 제 5,354,932 호, 미국 등록특허 제 6,071,433 호]에 이용한 문헌이 공지되어 있다. 미국특허에 공지된 하이드로탈사이트를 전구체로 사용한 금속 산화물 촉매는 300 ~ 400℃ 이상의 온도영역에서 하이드로탈사이트의 특징적 층상 구조가 붕괴되는 점을 감안하여 300℃ 이하에서 진행되는 반응에 적용하였다. 따라서 300℃ 이상의 온도에서 진행되는 탄화수소 화합물의 개질과 같은 반응에 이 촉매를 이용하기 위해서는 고온의 열처리 과정에서 발생하는 하이드로탈사이트의 층상 구조 붕괴 이후에도 새로운 구조를 형성하여 활성을 유지할 수 있는 금속을 선택하는 것이 중요하다. 일본 공개특허 평 11-276893 호 에서는 활성금속으로 귀금속(Rh, Pd, Ru) 및 Ni을 사용하는 하이드로탈사이트를 전구체로 한 금속산화물 촉매를 제조하여 메탄의 이산화탄소 개질반응을 수행하였다. 그러나 고가의 귀금속을 사용하였음에도 불구하고 800℃ 에서만 메탄의 전환율이 90% 이상으로 나타났으며, 그 이하의 온도 영역에서는 전환율이 급격히 감소하여 600℃ 에서는 사용한 촉매계 중 Rh가 5 중량% 포함된 촉매(메탄 전환율 약 50%)를 제외하고는 메탄의 전환율이 30%를 넘지 못하는 것으로 보고되었다.A catalyst using hydrotalcite precursors has been prepared and a literature has been known in which an oxidation reaction of methane and a reforming reaction of methanol (U.S. Patent No. 5,354,932, U.S. Patent No. 6,071,433) are used. The metal oxide catalyst using hydrotalcite as a precursor, which is known in the U.S. patent, is applied to a reaction proceeding at 300 ° C or less in consideration of the collapse of the characteristic layered structure of hydrotalcite in a temperature range of 300 to 400 ° C or more. Therefore, in order to use this catalyst for the reaction such as the modification of the hydrocarbon compound proceeding at a temperature of 300 ° C or more, a metal that can maintain its activity by forming a new structure even after the layered structure collapse of the hydrotalcite It is important to do. In JP-A-11-276893, a metal oxide catalyst having hydrotalcite as a precursor using noble metals (Rh, Pd, Ru) and Ni as an active metal was prepared and carbon dioxide reforming reaction of methane was carried out. However, in spite of the use of expensive precious metals, the conversion of methane was more than 90% at 800 ℃, and the conversion rate decreased sharply in the temperature range below 600 ℃. Methane conversion rate of about 50%), the methane conversion rate was reported not to exceed 30%.

한편, 탄화수소 화합물 개질용 니켈 촉매에 칼슘을 첨가할 경우 반응 중 탄소 침적에 대한 내구성을 지니는 것으로 알려져 있다. Z.I. Zhang 등 [Z. I. Zhang and X. E. Verykios, Catal. Today, 21, 589 ~ 595, 1994]은 니켈이 함침된 α-알루미나에 10 중량%의 Ca를 첨가한 촉매를 사용하여 메탄의 이산화탄소 개질 실험을 수행하였고, 그 결과 Ca이 첨가된 촉매가 그렇지 못한 촉매보다 장시간 운전 시 촉매의 활성 및 안정성이 향상되는 것으로 보고한 바 있고, Juliana da S. Lisboa 등 [Juliana da S. Lisboa, Danielle C.R.M. Santos, Fabio B. Passos, Fabio B. Noronha, Catal. Today, 101, 15 ~ 21, 2005]은 같은 촉매에 5 ~ 10 중량%의 알칼리토금속인 마그네슘 및 칼슘을 첨가한 촉매를 사용하여 메탄의 수증기 개질 실험을 수행한 결과 이산화탄소 개질 실험과 마찬가지로 장시간 운전 시 촉매의 활성 및 내구성이 향상되는 것으로 보고하였는데, 이는 메탄의 수증기 개질반응 과정에서 침적된 탄소가 연소에 의해 이산화탄소로 전환되면 촉매에 침적된 탄소가 줄어 촉매의 활성 및 내구성이 증가되는데, 이 때 마그네슘 및 칼슘이 침적 탄소의 연소에 영향을 미치는 것으로 보고한 바 있다.On the other hand, it is known that when calcium is added to a nickel catalyst for reforming a hydrocarbon compound, it has durability against carbon deposition during the reaction. Z.I. Zhang et al. [Z. I. Zhang and X. E. Verykios, Catal. Today, 21, 589-595, 1994, a carbon dioxide reforming experiment of methane was carried out using a catalyst in which 10 wt% of Ca was added to a-alumina impregnated with nickel. As a result, The activity and stability of the catalyst are improved when the catalyst is operated for a longer time than the catalyst. Juliana da S. Lisboa et al. [Juliana da S. Lisboa, Danielle CRM Santos, Fabio B. Passos, Fabio B. Noronha, Catal. As a result of conducting steam reforming experiments on methane using a catalyst containing 5 to 10% by weight of alkaline earth metals such as magnesium and calcium in the same catalyst, as in the carbon dioxide reforming experiment, The activity and the durability of the catalyst are improved. When the carbon immersed in the methane steam reforming reaction is converted into carbon dioxide by combustion, the amount of carbon deposited on the catalyst decreases, thereby increasing the activity and durability of the catalyst. And calcium affect the combustion of the deposited carbon.

또한, α-알루미나 대신 γ-알루미나에 니켈을 함침시켜 제조한 촉매에 칼슘을 첨가시켜 제조한 촉매[Angeliki A. Lemonidou, Iacovos A. Vasalos, Appl. Catal. A:, 228, 227 ~ 235, 2002]를 사용하여 메탄의 이산화탄소 개질반응을 수행한 결과, 메탄의 전화율이 약 80 % 정도로 750℃의 온도에서 50 시간 정도 지속되며, 칼슘이 첨가되지 않은 경우 이보다 촉매 활성 및 내구성이 저하되는 것으로 보고되었다.Also, a catalyst prepared by adding calcium to a catalyst prepared by impregnating? -Alumina with nickel instead of? -Alumina [Angeliki A. Lemonidou, Iacovos A. Vasalos, Appl. Catal. A :, 228, 227 ~ 235, 2002], the conversion of methane to methane was about 80% at a temperature of 750 ° C for about 50 hours, And the catalyst activity and durability are lowered.

이상에서 살펴본 바와 같이 현재까지 보고된 문헌으로는 본 발명이 목적하는 디젤 개질시 다량으로 발생할 가능성이 큰 탄소 침적에 대한 내구성을 보이는 촉매의 적용 가능성을 예측하기 어렵다.As described above, it is difficult to predict the applicability of the catalyst showing durability against carbon deposition, which is likely to occur in large amounts in the diesel reforming of the present invention.

한편, 본 발명자들은 수증기/탄소의 비율이 낮은 상태의 반응조건에서 기존의 메탄 수증기 개질용 촉매보다 우수한 성능을 보이는 유사 하이드로탈사이트를 이용한 니켈계 액화석유가스 수증기 개질용 촉매(대한민국 공개특허 제 10-2007-0043201 호) 및 Rh가 첨가된 유사 하이드로탈사이트를 이용한 니켈계 액화석유가스 수증기 개질용 촉매(대한민국 공개특허 제 10-2010-0090492 호)를 개발한 바 있다. 그러나, 상기 촉매들은 디젤 개질용 촉매로서 우수한 성능을 갖고 있는 것으로 판단되지만 본 발명자들의 지속된 연구결과, 혹독한 조건에서 탄소 침적에 대한 완벽한 내구성을 보이는 개선된 촉매 개발에 대한 필요성을 확인하게 되었다. 현재까지 발표된 문헌에 의하면, 탄화수소 화합물이 혼합된 액화석유가스의 수증기 개질반응에 사용되는 촉매로서 혹독한 조건하에서 탄소침적에 대한 내구성을 지니면서 또한 황에 의한 촉매 피독에 저항성을 갖는 촉매가 공개된 바 없다.
On the other hand, the present inventors have found that a catalyst for reforming a nickel-based liquefied petroleum gas vapor using a pseudo hydrotalcite exhibiting superior performance over existing methane steam reforming catalysts under the reaction conditions of low vapor / -2007-0043201), and a nickel-based liquefied petroleum gas steam reforming catalyst (Korean Patent Laid-Open No. 10-2010-0090492) using Rh-added similar hydrotalcite. However, these catalysts are judged to have excellent performance as a catalyst for diesel reforming, but the continuous study of the inventors has confirmed the need for the development of improved catalysts that exhibit complete durability against carbon deposition under severe conditions. According to the literature published so far, a catalyst which is used in the steam reforming reaction of a liquefied petroleum gas mixed with a hydrocarbon compound has a catalyst which has durability against carbon deposition under severe conditions and which is resistant to sulfur poisoning by catalysts There is no way.

이에 본 발명자들은 귀금속의 사용량을 최소화한 촉매를 제조하여 이로 인한 제조단가 문제를 개선함은 물론이고, 기존 촉매에 비교하여 디젤 개질반응 시 탄소침적에 의한 촉매의 비활성화를 개선하고 탄소침적에 대한 내구성을 향상시키는 고성능 촉매를 개발하고자 노력하였다. 그 결과 알루미늄과 마그네슘의 양이온으로 구성된 하이드로탈사이트 구조의 전구체를 제조한 후, 상기 마그네슘 일부를 니켈로 치환시켜 촉매의 표면과 내부에 니켈을 고르게 분산시키고 여기에 알칼리 토금속과 8B족 귀금속을 일부 첨가하되 상기 각 금속 성분들의 비를 특정범위를 유지하도록 최적화한 Aa-Bb-Nix/MgyAl 조성의 니켈계 촉매를 제조하였다. 이 촉매는 디젤 개질반응용 촉매로서 종래의 촉매에 비교하여 비표면적이 비교적 높고, 고가의 귀금속 함량을 줄이면서 니켈성분이 고 분산된 촉매로, 디젤 개질반응에 적용하여 수소를 고 수율로 제조할 수 있으며, 종래에 비해 혹독한 반응조건인 낮은 탄소 대비 수증기 및 낮은 온도 조건에서의 촉매의 탄소침적이 최소화되어, 기존의 상용촉매 및 기 발명된 촉매에 비해 우수한 촉매활성이 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
The present inventors not only improved the manufacturing cost of the catalyst by using the catalyst with a minimized amount of the noble metal, but also improved the deactivation of the catalyst by the carbon deposition in the diesel reforming reaction as compared with the conventional catalyst, Based catalysts. As a result, a precursor of a hydrotalcite structure composed of aluminum and magnesium cations was prepared. Then, a portion of the magnesium was substituted with nickel to uniformly disperse nickel on the surface and inside of the catalyst, and then an alkaline earth metal and a part of the Group 8B noble metal were partially added The nickel-based catalysts of the composition A a -B b -Ni x / Mg y Al were prepared so that the ratio of the respective metal components was optimized to maintain a specific range. This catalyst is a catalyst for diesel reforming reaction, which has a comparatively high specific surface area as compared with a conventional catalyst, and is a catalyst in which nickel component is highly dispersed while reducing the amount of expensive noble metal, and is applied to a diesel reforming reaction to produce hydrogen at a high yield And it is confirmed that the carbon deposition of the catalyst at a low carbon-to-carbon water vapor and a low temperature condition, which are harsh reaction conditions compared to the prior art, is minimized and that the catalytic activity is superior to that of the conventional commercial catalyst and the invented catalyst, It was completed.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 디젤의 수증기 개질반응용 니켈계 유사 하이드로탈사이트 촉매를 그 특징으로 한다.The present invention is characterized by a nickel-based pseudohydrotalcite catalyst for steam reforming reaction of diesel represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Aa-Bb-Nix/MgyAlA a -B b -Ni x / Mg y Al

상기 화학식 1에서, A는 1종 이상의 알칼리 토금속 산화물이고, B는 1종 이상의 8B족 귀금속원자이며, a는 촉매 중 알칼리 토금속의 함량으로 0 ~ 10 중량%이고, b는 촉매 중 8B족 귀금속의 함량으로 0 ~ 10 중량%이며, 단, 알칼리 토금속과 8B족 귀금속의 함량은 동시에 0 중량%가 될 수 없고, x 및 y는 Al에 대한 Ni 및 Mg의 몰비로서 0.2≤x≤0.9 이고, 0.5≤y≤5.5 이다.Wherein A is at least one kind of alkaline earth metal oxide, B is at least one kind of 8B group noble metal atom, a is 0 to 10 wt% in terms of the content of alkaline earth metal in the catalyst, 0 to 10% by weight, with the proviso that the content of the alkaline earth metal and the Group 8B noble metal can not be 0% by weight at the same time, and x and y are the molar ratios of Ni and Mg to Al in the range of 0.2? ? Y? 5.5.

또한 본 발명은Also,

알루미늄, 마그네슘 및 탄산의 몰비가 1 : 0.5 ~ 5.5 : 1 이 되도록 알루미늄 전구체, 마그네슘 전구체 및 탄산나트륨을 물에 용해시켜 하이드로탈사이트 전구체 용액을 제조하는 단계;Preparing a hydrotalcite precursor solution by dissolving an aluminum precursor, a magnesium precursor, and a sodium carbonate in water such that the molar ratio of aluminum, magnesium, and carbonic acid is 1: 0.5 to 5.5: 1;

상기 하이드로탈사이트 전구체 용액에 알루미늄과 니켈의 몰비가 1 : 0.2 ~ 0.9 가 되도록 니켈 전구체를 첨가한 후, 수산화나트륨을 첨가하여 침전물이 생성된 침전용액을 제조하는 단계;Adding a nickel precursor to the hydrotalcite precursor solution so that a molar ratio of aluminum to nickel is 1: 0.2 to 0.9, and then adding sodium hydroxide to prepare a precipitate solution;

상기 침전용액에 촉매 중 알칼리 토금속의 함량이 0 ~ 10 중량% 및 8B족 귀금속의 함량이 0 ~ 10 중량%가 되도록 알칼리 토금속 전구체 및 8B족 귀금속 전구체를 첨가하여 혼합용액을 제조하는 단계; 및Preparing an alkaline earth metal precursor and an 8B group noble metal precursor by adding the alkaline earth metal precursor and the 8B group noble metal precursor to the precipitation solution so that the content of the alkaline earth metal in the catalyst is 0 to 10 wt% and the content of the 8B group noble metal is 0 to 10 wt% And

상기 혼합용액을 여과하여 침전물을 회수한 후 건조 및 소성하는 단계;Filtering the mixed solution to recover the precipitate, followed by drying and calcining;

를 포함하는 상기 화학식 1로 표시되는 디젤의 수증기 개질반응용 니켈계 유사 하이드로탈사이트 촉매의 제조방법을 그 특징으로 한다.The present invention is directed to a method for preparing a nickel-based hydrotalcite catalyst for steam reforming of diesel represented by the above formula (1).

또한 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 니켈계 유사 하이드로탈사이트 촉매 하에서 디젤의 수증기 개질반응에 의한 수소의 제조방법을 그 특징으로 한다.
The present invention also provides a method for producing hydrogen by the steam reforming reaction of diesel under the nickel-based pseudohydrodithium catalyst represented by the above formula (1).

본 발명에 의한 디젤의 수증기 개질반응용 니켈계 유사 하이드로탈사이트 촉매는 디젤의 수증기 개질반응에 적용시 탄소침적을 억제시키면서 고농도의 수소를 높은 수율로 얻을 수 있으며, 종래의 함침법으로 제조된 메탄의 수증기 개질용 촉매로 적용하기 어려웠던 고온 및 높은 기체 공간속도의 환경에서 적용이 가능하다. 또한, 반응시간에 따른 탄소침적이 억제되어 촉매의 안정성이 매우 우수하다.
The nickel-based hydrotalcite catalyst for the steam reforming reaction of diesel according to the present invention can obtain a high concentration of hydrogen at a high yield while suppressing carbon deposition when applied to the steam reforming reaction of diesel, The present invention can be applied to a high temperature and high gas space velocity which is difficult to apply as a steam reforming catalyst. In addition, the stability of the catalyst is excellent due to suppression of carbon deposition depending on the reaction time.

도 1은 데카하이드로나프탈렌(C11H10) 및 n-헥사데칸(n-hexadecane)의 수증기 개질반응에 촉매제조예 2의 CaO-Ni0 .5/Mg2 .5Al(Ca 3 중량%) 촉매를 적용한 수소의 선택도를 나타낸 그래프이다.
도 2은 촉매제조예 1의 CaO-Ni0.5/Mg2.5Al(Ca 1 중량%) 촉매, 비교촉매제조예 1의 Ni0.5/Mg2.5Al 촉매 및 비교촉매제조예 2의 Ni/γ-Al2O3 촉매를 데카하이드로나프탈렌의 수증기 개질반응에 적용 시 반응시간에 따른 수소의 선택도로 대표되는 촉매의 내구성을 비교한 그래프이다.
FIG. 1 shows a graph showing the relationship between the CaO-Ni 0 .5 / Mg 2 .5 Al (Ca 3 wt%) catalyst of Catalyst 2 of the present invention in the steam reforming reaction of decahydronaphthalene (C 11 H 10 ) and n-hexadecane In which hydrogen is used as a catalyst.
Figure 2 is a catalyst versed one of CaO-Ni 0.5 / Mg 2.5 Al (Ca 1 % by weight) catalyst and Comparative Catalyst versed one of Ni 0.5 / Mg 2.5 Al catalyst and the comparison catalyst versed 2 Ni / γ-Al 2 O 3 catalyst of Is a graph comparing the durability of the catalyst represented by the selection of hydrogen with respect to the reaction time in applying the steam reforming reaction of decahydronaphthalene.

이하 본 발명을 더욱 자세하게 설명하겠다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 디젤의 수증기 개질반응용 니켈계 유사 하이드로탈사이트 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a nickel-based pseudohydrotalcite catalyst for steam reforming reaction of diesel represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Aa-Bb-Nix/MgyAlA a -B b -Ni x / Mg y Al

상기 화학식 1에서, A는 1종 이상의 알칼리 토금속 산화물이고, B는 1종 이상의 8B족 귀금속원자이며, a는 촉매 중 알칼리 토금속의 함량으로 0 ~ 10 중량%이고, b는 촉매 중 8B족 귀금속의 함량으로 0 ~ 10 중량%이며, 단, 알칼리 토금속과 8B족 귀금속의 함량은 동시에 0 중량%가 될 수 없고, x 및 y는 Al에 대한 Ni 및 Mg의 몰비로서 0.2≤x≤0.9 이고, 0.5≤y≤5.5 이다.Wherein A is at least one kind of alkaline earth metal oxide, B is at least one kind of 8B group noble metal atom, a is 0 to 10 wt% in terms of the content of alkaline earth metal in the catalyst, 0 to 10% by weight, with the proviso that the content of the alkaline earth metal and the Group 8B noble metal can not be 0% by weight at the same time, and x and y are the molar ratios of Ni and Mg to Al in the range of 0.2? ? Y? 5.5.

본 발명의 니켈계 유사 하이드로탈사이트 촉매는 100 ? 300 m2/g 범위의 비표면적을 형성한다. 이는 전구체로 [(M2 +)1-x(M3 +)x(OH-)2]x+[(An -)x/n]ㅇmH2O 의 일반식을 가지는 하이드로탈사이트 구조에서 2가 금속(M2+)과 3가 금속(M3+)이 브루사이트형(brucite-type) 층을 형성하면서 원자가를 맞출때 형성된 구조 내의 빈공간(hole)에 니켈이 일부 채워지면서 이에 상응하는 만큼의 비표면적이 증가된 것이다. 본 발명에서 알칼리 토금속 내지는 귀금속 첨가 이전의 유사 하이드로탈사이트 구조의 니켈계 촉매를 하이드로탈사이트 구조식으로 표시하면 [(Ni2+)x(Mg2+)y(Al3+)(OH-)2]1-x/y[(CO3 2-)(x/y)/n]ㅇmH2O 로 나타낼 수 있다. 이때, x와 y는 Al에 대한 Ni 및 Mg의 몰비로서, 0.2≤x≤0.9 이고, 0.5≤y≤5.5 이며, m은 수화 시 물의 개수를 나타낸다.The nickel-based pseudohydrotalcite catalyst of the present invention is a 100? Forming a specific surface area in the range of 300 m 2 / g. This is a precursor [(M 2 +) 1- x (M 3 +) x (OH -) 2] x + [(A n -) x / n] o 2 in the hydrotalcite structure having a general formula of mH 2 O Nickel is partially filled in the voids in the structure formed when the metal (M 2+ ) and the trivalent metal (M 3+ ) form a brucite-type layer, The specific surface area is increased. Marking a nickel-containing catalyst of similar hydrotalcite structure in the earlier alkaline earth naejineun noble metal is added in the present invention as hydrotalcite formula [(Ni 2+) x (Mg 2+) y (Al 3+) (OH -) 2 ] 1-x / y [(CO 3 2- ) (x / y) / n ] mH 2 O. Here, x and y are molar ratios of Ni and Mg to Al, 0.2? X? 0.9, 0.5? Y? 5.5, and m represents the number of water in hydration.

상기 화학식 1에서 알루미늄에 대한 니켈의 몰비인 x가 0.2 미만이면 반응 사이트가 감소하여 촉매의 활성저하의 문제가 있을 수 있고, 0.9 를 초과하면 휘스커(whisker) 카본을 형성할 만큼 큰 입자로 촉매가 제조되어 개질반응 중 탄소침적에 따른 촉매의 비활성화가 발생할 수 있다. 또한, 알루미늄에 대한 마그네슘의 몰비인 y가 0.5 미만이면 촉매활성이 떨어질 수 있으며, 5.5 를 초과하면 하이드로탈사이트 전구체의 비표면적이 줄어들어 역시 촉매활성이 감소하는 문제가 있을 수 있다.If the molar ratio x of nickel to aluminum in the above formula (1) is less than 0.2, the reaction site may decrease and the catalyst may be inferior in activity. If the mole ratio of x is larger than 0.9, the catalyst may be large enough to form whisker carbon. And deactivation of the catalyst due to carbon deposition during the reforming reaction may occur. If the molar ratio y of magnesium to aluminum is less than 0.5, the catalytic activity may be lowered, and if it exceeds 5.5, the specific surface area of the hydrotalcite precursor may be decreased, which may also cause a decrease in catalytic activity.

또한, 상기 화학식 1에서 알칼리 토금속은 마그네슘, 칼슘, 스트론튬(Sr) 또는 바륨(Ba)을 이용할 수 있으며, 바람직하기로는 칼슘을 사용하는 것이 좋다. 알칼리토금속을 함유함으로써 디젤의 주요성분인 데카하이드로나프탈렌(C11H10)에 대한 촉매 활성이 개선되는 효과를 얻을 수 있다. 촉매 중의 알칼리 토금속의 함량은 0 ~ 10 중량%, 바람직하기로는 1 ~ 10 중량%가 좋다. 알칼리 토금속의 함량이 너무 적으면 첨가에 따른 효과상의 실익이 미미하며, 반대로 함량이 10 중량%를 초과하면 알칼리 토금속 입자가 활성점 역할을 하는 니켈 입자를 덮어 촉매 활성이 감소될 수 있으므로 바람직하지 못하다. 또한, 본 발명의 촉매는 디젤의 또 다른 주요성분인 n-헥사데칸에 대한 촉매 활성 개선을 위해 8B족 귀금속을 함유할 수 있다. 8B족 귀금속는 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir) 또는 백금을 이용할 수 있다. 함유량은 0 ~ 10 중량%, 바람직하기로는 0.1 ~ 5 중량%가 좋은데, 귀금속의 함유량이 10 중량%를 초과하여도 증량에 따른 촉매활성 상의 실익이 미미하므로 상기 범위를 선택하는 것이 바람직하다.
In the above formula (1), magnesium, calcium, strontium (Sr) or barium (Ba) may be used as the alkaline earth metal, and calcium is preferably used. The effect of improving the catalytic activity on decahydronaphthalene (C 11 H 10 ), which is a main component of the diesel, can be obtained by containing an alkaline earth metal. The content of the alkaline earth metal in the catalyst is preferably 0 to 10% by weight, and more preferably 1 to 10% by weight. If the content of the alkaline earth metal is too small, the effect on the effect due to the addition is insignificant. On the other hand, if the content exceeds 10 wt%, the alkaline earth metal particles may cover the nickel particles serving as active sites and the catalytic activity may be reduced, which is not preferable . In addition, the catalyst of the present invention may contain a Group 8B noble metal for improving the catalytic activity to n-hexadecane, another major component of diesel. Ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir) or platinum can be used as the Group 8B precious metal. The content is preferably from 0 to 10% by weight, more preferably from 0.1 to 5% by weight. However, even if the content of the noble metal exceeds 10% by weight, it is preferable to select the above range because the benefit of the catalytic activity due to the increase is insignificant.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 디젤의 수증기 개질반응용 니켈계 유사 하이드로탈사이트 촉매의 제조방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a process for preparing a nickel-based hydrotalcite catalyst for steam reforming of diesel represented by the above formula (1).

알루미늄, 마그네슘 및 탄산의 몰비가 1 : 0.5 ~ 5.5 : 1 이 되도록 알루미늄 전구체, 마그네슘 전구체 및 탄산나트륨을 물에 용해시켜 하이드로탈사이트 전구체 용액을 제조하는 단계에서, 알루미늄 전구체 및 마그네슘 전구체는 각 금속의 질산염, 아세톤염, 아세트산염, 할로겐화염 및 아세트아세토네이트염 중에서 선택한 1종 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하기로는 질산염을 사용하는 것이 좋다. 상기 탄산나트륨은 2가 금속인 마그네슘 이온(Mg2+)과 3가 금속인 알루미늄 이온(Al3+)이 수산기(OH-) 음이온과 함께 형성한 브루사이트형(brucite-type) 층을 안정화시키면서 유사 하이드로탈사이트 구조를 형성할 수 있도록 하는 음이온 역할을 수행한다.In the step of dissolving an aluminum precursor, a magnesium precursor and a sodium carbonate in water to prepare a hydrotalcite precursor solution such that the molar ratio of aluminum, magnesium and carbonic acid is 1: 0.5 to 5.5: 1, the aluminum precursor and the magnesium precursor are nitrates , An acetone salt, an acetate salt, a halogenated flame and an acetoacetonate salt may be used, and it is preferable to use nitrates. The sodium carbonate can be prepared by stabilizing a brucite-type layer formed of a magnesium ion (Mg 2+ ) as a divalent metal and an aluminum ion (Al 3+ ) as a trivalent metal together with a hydroxyl group (OH - ) anion And acts as an anion to enable the formation of the hydrotalcite structure.

상기 하이드로탈사이트 전구체 용액에 알루미늄과 니켈의 몰비가 1 : 0.2 ~ 0.9 가 되도록 니켈 전구체를 첨가한 후, 수산화나트륨을 첨가하여 침전물이 생성된 침전용액을 제조하는 단계에서, 니켈 전구체는 니켈의 질산염, 아세톤염, 아세트산염, 할로겐화염 및 아세트아세토네이트염 중에서 선택한 1종 이상을 사용할 수 있다. 니켈 전구체를 첨가한 용액를 상온에서 30 ~ 60 분 동안 격렬히 교반한 후 수산화나트륨을 첨가하여 pH 가 8 ~ 10 이 되도록하면 침전물이 생성된 침전용액이 얻어지며, 이를 하이드로탈사이트 구조의 마그네슘 자리 일부가 니켈로 치환된 유사 하이드로탈사이트 구조를 얻기 위해 침전용액을 60 ~ 80℃에서 4 ~ 8 시간동안 숙성시킨다.The nickel precursor is added to the hydrotalcite precursor solution so that the molar ratio of aluminum to nickel is 1: 0.2 to 0.9, and then sodium hydroxide is added to prepare a precipitate solution. The nickel precursor is nickel nitrate , An acetone salt, an acetate salt, a halogenated flame and an acetylacetonate salt. The solution containing the nickel precursor was agitated vigorously at room temperature for 30 to 60 minutes and then sodium hydroxide was added to adjust the pH to 8 to 10 to obtain a precipitate in which the precipitate was formed, The precipitate solution is aged at 60-80 ° C for 4-8 hours to obtain a pseudo hydrotalcite structure substituted with nickel.

상기 침전용액에 촉매 중 알칼리 토금속의 함량이 0 ~ 10 중량% 및 8B족 귀금속의 함량이 0 ~ 10 중량%가 되도록 알칼리 토금속 전구체 및 8B족 귀금속 전구체를 첨가하여 혼합용액을 제조하는 단계에서, 알칼리 토금속 전구체와 8B족 귀금속 전구체는 마찬가지로 각 금속의 질산염, 아세톤염, 아세트산염, 할로겐화염 및 아세트아세토네이트염 중에서 선택한 1종 이상을 사용할 수 있으며, 다시 60 ~ 80℃에서 12 ~ 18 시간동안 숙성시킴으로서 유사 하이드로탈사이트 구조에 알칼리 토금속 및 8B족 귀금속을 함유시킨다.The alkaline earth metal precursor and the 8B group noble metal precursor are added to the precipitation solution such that the content of the alkaline earth metal in the catalyst is 0 to 10 wt% and the content of the 8B group noble metal is 0 to 10 wt% The precursor of the earth metal and the precursor of the Group 8B metal may be at least one selected from nitrate, acetone, acetate, halogenate and acetylacetonate of each metal and may be aged at 60 to 80 ° C for 12 to 18 hours The alkaline earth metal and Group 8B noble metal are contained in the similar hydrotalcite structure.

이후, 상기 혼합용액을 여과하여 침전물을 회수한 후, 건조 및 소성 단계를 거쳐 상기 화학식 1로 표시되는 디젤의 수증기 개질반응용 니켈계 유사 하이드로탈사이트 촉매를 회수한다. 여과는 증류수를 이용하여 수산화이온 및 나트륨이온이 관찰되지 않을 때까지 세척하며 실시한다. 소성온도는 800 ~ 900℃가 바람직한데, 소성온도가 800℃ 미만이면 소성과정에서 니켈-금속간의 고용체 형성이 잘 되지 않아 니켈의 입자크기가 충분히 작게 형성되지 못하여 촉매 활성이 나타나지 않는 문제가 있을 수 있으며, 900℃를 초과하면 촉매의 소결이 나타나 촉매 활성이 저하되는 문제가 있으므로 상기 온도범위를 유지하는 것이 좋다.
Thereafter, the mixed solution is filtered to recover the precipitate, and the nickel-based pseudohydrodithium catalyst for steam reforming reaction of the diesel represented by Formula 1 is recovered through drying and calcination steps. Filtration is carried out by using distilled water until no hydroxide ions or sodium ions are observed. If the calcination temperature is lower than 800 ° C, the solidification of the nickel-metal solidification during the calcination process is not good, so that the particle size of the nickel is not sufficiently small and the catalyst activity may not be exhibited. If the temperature is higher than 900 ° C., sintering of the catalyst may occur and the catalytic activity may decrease. Therefore, it is preferable to maintain the above temperature range.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 니켈계 유사 하이드로탈사이트 촉매 하에서 디젤의 수증기 개질반응을 통해 수소를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method for producing hydrogen through a steam reforming reaction of diesel under the nickel-based pseudohydrodithium catalyst represented by the formula (1).

상기 디젤의 수증기 개질반응은 관형 고정층 촉매 반응장치를 사용하는 것이 바람직하다. 반응 전의 전처리 과정으로, 상기 Aa-Bb-Nix/MgyAl 촉매를 80 ~ 100 메쉬(mesh)의 체로 처리하여 150 ~ 250 ㎛ 입자 크기를 갖는 촉매만을 반응기에 충전한 후 반응개시 전에 수소로 환원한 후 사용하는 것이 바람직하다. 반응물인 디젤과 수증기는 탄소와 수증기의 몰비가 1 : 1 ~ 3 이 되도록 조절하여 반응기에 주입한다. 수증기의 몰비가 너무 작으면 탄소 침적이 빠른 시간 안에 급격하게 발생하여 촉매 활성이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 반대로 3을 초과하면 수소의 생성이 줄어듬과 동시에 과잉 수증기 공급으로 인한 에너지 비용이 더 증가하기 때문에 상기 범위를 선택하는 것이 바람직하다. 디젤의 경우 실제로는 다양한 액체 탄화수소 화합물의 혼합물로 구성되어 있다. 본 발명의 실시예에서는 디젤의 주요한 구성 성분인 n-헥사데칸과 데카하이드로나프탈렌(C11H10)을 디젤의 모사연료로 사용하였다. 또한, 디젤의 수증기 개질반응은 반응압력 1 ~ 30 atm, 반응온도 700 ~ 900℃가 바람직한데, 반응압력이 너무 낮으면 탄소침적에 의한 촉매 비활성화가 나타날 가능성이 높은 문제가 있을 수 있고, 너무 높으면 디젤연료의 분해 및 메탄화반응이 진행되어 수소의 생성이 감소하는 문제가 있을 수 있다. 또한, 반응온도가 700℃ 미만이면 부다 반응에 의한 탄소 침적이 열역학적으로 더 진행되어 이로 인한 촉매 비활성화가 나타나는 문제가 있을 수 있고, 900℃을 초과하면 촉매의 소결이 진행되어 촉매활성이 감소는 문제가 있을 수 있다. 또한, 반응물의 공간속도는 10,000 ~ 90,000 h-1 가 되도록 유지하는 것이 좋은데, 공간속도가 10,000 h-1 미만이면 반응기 중 반응물의 머무름 시간의 증가에 따른 압력강하가 발생하며 개질보다 메탄화 반응 및 탄화수소 분해가 더 진행되어 메탄 생성이 증가하여 이에 따라 수소 생성이 감소하는 문제가 있을 수 있고, 90,000 h-1 을 초과하는 경우 충분히 반응물이 촉매에 접촉하지 못하여 수소/합성가스의 생성량이 감소하는 문제가 있을 수 있다.
The steam reforming reaction of the diesel is preferably performed using a tubular fixed bed catalytic reactor. As a pretreatment before the reaction, the catalyst of A a -B b -Ni x / Mg y Al was treated with a sieve of 80-100 mesh to fill only the catalyst having a particle size of 150-250 mu m into the reactor, It is preferable to use it after reduction with hydrogen. The reactants diesel and water vapor are adjusted so that the molar ratio of carbon and water vapor is 1: 1 ~ 3 and injected into the reactor. If the molar ratio of water vapor is too small, carbon deposition may occur rapidly in a short period of time, resulting in deterioration of catalytic activity. On the other hand, if the molar ratio of water vapor is more than 3, hydrogen production is reduced and energy cost due to excessive water vapor supply is further increased It is preferable to select the above range. In the case of diesel, it actually consists of a mixture of various liquid hydrocarbon compounds. In the examples of the present invention, n-hexadecane and decahydronaphthalene (C 11 H 10 ), which are major components of diesel, were used as simulated fuel for diesel. The steam reforming reaction of the diesel is preferably carried out at a reaction pressure of 1 to 30 atm and a reaction temperature of 700 to 900 ° C. If the reaction pressure is too low, there is a possibility that the catalyst deactivation due to carbon deposition is likely to occur. The decomposition and methanation reaction of the diesel fuel may proceed and the generation of hydrogen may be reduced. If the reaction temperature is lower than 700 ° C, there may be a problem that the carbon deposition due to the puddle reaction proceeds thermodynamically further, resulting in deactivation of the catalyst. If the temperature exceeds 900 ° C, sintering of the catalyst proceeds to decrease the catalytic activity . In addition, the space velocity of the reaction is good to maintain such that 10,000 ~ 90,000 h -1, if the space velocity is less than 10,000 h -1 and the pressure drop due to the increase of the retention time of the reactants in the reactor occurs methanation reaction than the modified and There may be a problem that the decomposition of the hydrocarbon further proceeds to increase the methane production and thus the hydrogen production, and when the amount exceeds 90,000 h -1 , the reactant does not sufficiently contact with the catalyst, .

본 발명에 의한 디젤의 수증기 개질반응용 니켈계 유사 하이드로탈사이트 촉매는 디젤의 수증기 개질반응에 적용시 탄소침적이 억제되어 촉매 안정성이 매우 우수하며, 고농도의 수소를 높은 수율로 얻을 수 있으며, 기존의 메탄 및 프로판의 수증기 개질촉매로 적용하기 어려웠던 고온 및 높은 기체 공간속도의 환경에서도 적용이 가능하다. 또한, 탄소에 대한 저항성의 개선에 의해 디젤에 대한 수증기의 몰비가 비교적 낮은 조건하에서도 적용이 가능하다.
The nickel-based hydrotalcite catalyst for the steam reforming reaction of diesel according to the present invention is excellent in the stability of the catalyst due to the suppression of carbon deposition when applied to the steam reforming reaction of diesel, The present invention can be applied to a high temperature and high gas space velocity environment which is difficult to apply as a steam reforming catalyst for methane and propane. Further, by improving the resistance to carbon, it is possible to apply even under a condition that the molar ratio of water vapor to diesel is relatively low.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by the following Examples.

[실시예][Example]

촉매제조예 1 : CaO-NiCatalyst Preparation 1: CaO-Ni 0.50.5 /Mg/ Mg 2.52.5 Al(Ca 1 중량%) 촉매의 제조Preparation of Al (Ca 1 wt%) catalyst

Al(NO3)3?9H2O 5g, Mg(NO3)2?6H2O 9.49g, Na2CO3 0.63g 을 각각 증류수 20 mL 로 용해시킨 후, Na2CO3 수용액에 Al(NO3)2 와 Mg(NO3)2 수용액을 각각 적하투입하여 하이드로탈사이트 전구체 용액을 제조하고 30분 동안 교반하였다. Ni(NO3)2?6H2O 0.89g 을 증류수 10 mL에 용해시킨 수용액을 상기 하이드로탈사이트 전구체 용액에 적가하고 30분 동안 교반한 다음, 5M NaOH 수용액을 pH 10 이 될 때까지 적가하여 침전물을 발생시켜 침전용액을 제조하고 이를 30분 동안 교반하였다. 그런 다음 침전물이 유사 하이드로탈사이트 구조로 만들어 질 수 있도록 물 중탕 분위기에서 60℃에서 4시간 동안 숙성시켰다. 이후 침전용액에 Ca(NO3)2 0.12g을 증류수 10 mL에 용해시킨 수용액을 적하 투입하여 혼합용액을 제조하고, 이를 2시간 동안 교반 후 60℃로 유지한 오븐에서 12 시간동안 숙성시켰다. 그 다음 상기 혼합용액을 40℃ 정도의 증류수로 수산화 이온 및 나트륨 이온이 나타나지 않을 때 까지 세척하면서 여과를 실시하여 침전물을 회수하고, 회수된 침전물은 80℃에서 1 ~ 2 시간 동안 건조시켰다. 건조된 침전물을 850℃에서 5시간 동안 공기분위기하에서 소성하여 조촉매인 칼슘이 첨가되고 니켈이 고분산된 디젤의 수증기 개질용 촉매를 제조하였다. 제조된 촉매는 CaO-Ni0.5/Mg2.5Al(Ca 1 중량%) 의 조성을 가지며 표면적은 145.8 m2/g 이였다.
Al (NO 3) 3? 9H 2 O 5g, Mg (NO 3) 2? 6H 2 O 9.49g, Na 2 CO 3 was dissolved in 0.63g with distilled water, each 20 mL, Al (NO in aqueous solution of Na 2 CO 3 3 ) 2 and Mg (NO 3 ) 2 aqueous solution were respectively added dropwise to prepare a hydrotalcite precursor solution and stirred for 30 minutes. An aqueous solution prepared by dissolving 0.89 g of Ni (NO 3 ) 2 ? 6H 2 O in 10 mL of distilled water was added dropwise to the hydrotalcite precursor solution and stirred for 30 minutes. Then, a 5M aqueous NaOH solution was added dropwise until the pH reached 10, To produce a precipitate solution, which was stirred for 30 minutes. It was then aged at 60 ° C for 4 hours in a water bath atmosphere so that the precipitate could be made into a similar hydrotalcite structure. Thereafter, an aqueous solution prepared by dissolving 0.12 g of Ca (NO 3 ) 2 in 10 mL of distilled water was added dropwise to the precipitation solution to prepare a mixed solution, which was stirred for 2 hours and then aged in an oven maintained at 60 ° C. for 12 hours. Then, the mixed solution was washed with distilled water at about 40 ° C. until the hydroxide ion and sodium ion were not observed, and the precipitate was collected by filtration, and the recovered precipitate was dried at 80 ° C. for 1 to 2 hours. The dried precipitate was fired at 850 ° C for 5 hours in an air atmosphere to prepare a catalyst for steam reforming of diesel having highly dispersed nickel added with calcium as a cocatalyst. The prepared catalyst had a composition of CaO-Ni 0.5 / Mg 2.5 Al (Ca 1 wt%) and a surface area of 145.8 m 2 / g.

촉매제조예 2 : CaO-NiCatalyst Preparation 2: CaO-Ni 0.50.5 /Mg/ Mg 2.52.5 Al(Ca 3 중량%) 촉매의 제조Preparation of Al (Ca 3 wt%) catalyst

상기 촉매제조예 1과 동일하게 실시하되, 첨가하는 Ca(NO3)2의 양을 0.38 g으로 하였다. 제조된 촉매는 CaO-Ni0.5/Mg2.5Al(Ca 3 중량%)의 조성을 가지며 표면적은 134.2 m2/g이였다.
The same procedure as in Catalyst Preparation 1 was carried out except that the amount of Ca (NO 3 ) 2 added was 0.38 g. The prepared catalyst had a composition of CaO-Ni 0.5 / Mg 2.5 Al (Ca 3% by weight) and a surface area of 134.2 m 2 / g.

촉매제조예 3 : MgO-NiCatalyst Preparation 3: MgO-Ni 0.50.5 /Mg/ Mg 2.52.5 Al(Mg 1 중량%) 촉매의 제조Preparation of Al (Mg 1 wt%) catalyst

상기 촉매제조예 1과 동일하게 실시하되, Ca(NO3)2 대신 Mg(NO3)2 을 0.12 g 첨가하였다. 제조된 촉매는 MgO-Ni0.5/Mg2.5Al(Mg 1 중량%)의 조성을 가지며 표면적은 104.4 m2/g이였다.
But the same manner as in the catalyst versed 1, Ca (NO 3) 2 instead of the Mg (NO 3) 2 was added 0.12 g. The prepared catalyst had a composition of MgO-Ni 0.5 / Mg 2.5 Al (Mg 1 wt%) and a surface area of 104.4 m 2 / g.

촉매제조예 4 : CaO-Rh-NiCatalyst Preparation 4: CaO-Rh-Ni 0.50.5 /Mg/ Mg 2.52.5 Al(Ca 1 중량%, Rh 0.3 중량%) 촉매의 제조Preparation of Al (Ca 1 wt%, Rh 0.3 wt%) catalyst

상기 촉매제조예 1과 동일하게 실시하되, Ca(NO3)2 와 함께 RhCl3 를 0.23 g 첨가하였다. 제조된 촉매는 CaO-Rh-Ni0.5/Mg2.5Al(Ca 1 중량%, Rh 0.3 중량%)의 조성을 가지며 표면적은 109.6 m2/g이였다.
In the same manner as in Catalyst Preparation 1, 0.23 g of RhCl 3 was added together with Ca (NO 3 ) 2 . The prepared catalyst had a composition of CaO-Rh-Ni 0.5 / Mg 2.5 Al (Ca 1 wt%, Rh 0.3 wt%) and had a surface area of 109.6 m 2 / g.

촉매제조예 5 : Rh-NiCatalyst Preparation 5: Rh-Ni 0.50.5 /Mg/ Mg 2.52.5 Al(Rh 0.3 중량%) 촉매의 제조Preparation of Al (Rh 0.3 wt%) catalyst

상기 촉매제조예 1과 동일하게 실시하되, Ca(NO3)2 대신 RhCl3 를 0.16 g 첨가하였다. 제조된 촉매는 Rh-Ni0.5/Mg2.5Al(Rh 0.3 중량%)의 조성을 가지며 표면적은 114.6 m2/g이였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that 0.16 g of RhCl 3 was added instead of Ca (NO 3 ) 2 . The prepared catalyst had a composition of Rh-Ni 0.5 / Mg 2.5 Al (Rh 0.3 wt%) and had a surface area of 114.6 m 2 / g.

비교촉매제조예 1 : NiComparative Catalyst Preparation 1: Ni 0.50.5 /Mg/ Mg 2.52.5 Al 촉매의 제조Preparation of Al catalyst

상기 촉매제조예 1과 동일하게 실시하되, 칼슘의 첨가 없이 Al(NO3)3?9H2O 2.5g, Mg(NO3)2?6H2O 4.75g, Na2CO3 0.31g 및 Ni(NO3)2?6H2O 0.44g을 사용하여 촉매를 제조하였다. 제조된 촉매는 Ni0 .5/Mg2 .5Al의 조성을 가지며 표면적은 174.4 m2/g 이였다.
2.5 g of Al (NO 3 ) 3 ? 9H 2 O, 4.75 g of Mg (NO 3 ) 2 ? 6H 2 O, 0.31 g of Na 2 CO 3 and Ni 3 ) 2 ? 6H 2 O was used to prepare a catalyst. The prepared catalyst had a composition of Ni 0 .5 / Mg 2 .5 Al and a surface area of 174.4 m 2 / g.

비교촉매제조예 2 : Ni/γ-AlComparative Catalyst Preparation 2: Ni / γ-Al 22 OO 3 3 촉매의 제조Preparation of Catalyst

본 발명에서 제조된 촉매와의 성능 비교를 위해 상용 천연가스의 수증기 개질 공정에서 가장 많이 사용되는 Ni/γ-Al2O3 촉매를 함침법으로 제조하였다. γ-알루미나에 니켈이 20 중량% 담지된 촉매를 제조하였으며, 건조 및 소성 조건은 동일하게 수행하였다. 제조된 Ni/γ-Al2O3 촉매의 표면적은 91.3 m2/g 이였다.In order to compare the performance with the catalyst prepared in the present invention, the Ni / γ-Al 2 O 3 catalyst most commonly used in the steam reforming process of commercial natural gas was prepared by impregnation. A catalyst having 20 wt% of nickel supported on? -alumina was prepared, and drying and firing conditions were the same. The surface area of the prepared Ni / γ-Al 2 O 3 catalyst was 91.3 m 2 / g.

구 분division 촉 매catalyst 니켈 담지량
(중량 %)
Nickel loading
(weight %)
BET 표면적
(m2/g)
BET surface area
(m 2 / g)
활성금속 표면적
(m2/g)
Active metal surface area
(m 2 / g)
촉매
제조예
catalyst
Manufacturing example
1One CaO-Ni0.5/Mg2.5Al
(Ca 1 중량%)
CaO-Ni 0.5 / Mg 2.5 Al
(Ca 1% by weight)
20.020.0 145.8145.8 6.36.3
22 CaO-Ni0.5/Mg2.5Al
(Ca 3 중량%)
CaO-Ni 0.5 / Mg 2.5 Al
(Ca 3% by weight)
20.020.0 126.3126.3 6.76.7
33 MgO-Ni0.5/Mg2.5Al
(Mg 1 중량%)
MgO-Ni 0.5 / Mg 2.5 Al
(Mg 1% by weight)
20.020.0 104.4104.4 4.54.5
44 CaO-Rh-Ni0.5/Mg2.5Al
(Ca 1 중량%, Rh 0.3 중량%)
CaO-Rh-Ni 0.5 / Mg 2.5 Al
(Ca 1% by weight, Rh 0.3% by weight)
20.120.1 109.6109.6 7.07.0
55 Rh-Ni0.5/Mg2.5Al
(Rh 0.3 중량%)
Rh-Ni 0.5 / Mg 2.5 Al
(Rh 0.3% by weight)
20.320.3 114.6114.6 3.13.1
비교촉매
제조예
Comparative Catalyst
Manufacturing example
1One Ni0.5/Mg2.5AlNi 0.5 / Mg 2.5 Al 10.010.0 174.4174.4 2.82.8
22 Ni/γ-Al2O3 Ni / γ-Al 2 O 3 20.020.0 91.391.3 1.71.7 니켈 담지량: ICP/MS 에 의해 분석
BET 표면적: Quantachrome社의 Autosorb-1 에 의해 분석
활성금속 표면적: Micromeritrics社의 Autochem-Ⅱ 에 의해 분석
Nickel loading: analyzed by ICP / MS
BET surface area: analyzed by Quantachrome's Autosorb-1
Active metal surface area: Analyzed by Autochem-II from Micromeritrics

제조된 촉매의 특성을 표 1에 정리하였다. 표 1에서 보이는 바와 같이 칼슘이 첨가된 하이드로탈사이트 구조를 전구체로 하여 제조된 Aa-Bb-Nix/MgyAl 촉매가 함침법으로 제조한 Ni/γ-Al2O3 촉매보다 활성금속 표면적이 높게 나타났음을 알 수 있다.
The properties of the prepared catalysts are summarized in Table 1. Prepared by the hydrotalcite structure in which calcium is added as shown in Table 1 as the precursor A a -B b -Ni x / Mg y Al The surface area of the active metal is higher than that of the Ni / γ-Al 2 O 3 catalyst prepared by the impregnation method.

실시예 1 : CaO-NiExample 1: Preparation of CaO-Ni 0.50.5 /Mg/ Mg 2.52.5 Al(Ca 1 중량%) 촉매를 이용한 데카하이드로나프탈렌의 수증기 개질반응Steam reforming of decahydronaphthalene using Al (Ca 1 wt%) catalyst

촉매제조예 1에서 제조한 CaO-Ni0.5/Mg2.5Al(Ca 1 중량%) 촉매를 80 ~ 100 메쉬(mesh)의 체로 처리하여 150 ~ 250 ㎛ 입자 크기를 갖는 촉매만을 관형 고정층 반응기에 0.54 g 충전한 후 반응개시 전에 수소로 750℃에서 10 시간 동안 환원시켰다. 디젤의 모사연료로 데카하이드로나프탈렌(C11H10)을 이용하였으며, 반응 온도 800℃에서 탄소와 수증기의 몰비는 1 : 3, 반응물의 공간속도는 10,000 h-1 가 되도록 질량 유량 조절기(Mass Flow Controller)로 기체를 반응기에 주입하여 64 시간 동안 디젤의 수증기 개질반응을 실시하며 촉매의 장기 안정성 및 탄소 침적에 대한 내구성을 평가하였다. 반응전 후 기체의 조성은 반응장치에 직접 연결된 기체 크로마토그래프로 분석하였으며, 이때 기체의 분리를 위해서 카보스피어(Carbosphere) 컬럼을 사용하였다.The CaO-Ni 0.5 / Mg 2.5 Al (Ca 1% by weight) catalyst prepared in Preparation 1 of the catalyst 1 was treated with a sieve of 80-100 mesh to prepare only the catalyst having a particle size of 150-250 μm into the tubular fixed- And then reduced with hydrogen at 750 DEG C for 10 hours before the initiation of the reaction. Decahydronaphthalene (C 11 H 10 ) was used as a fuel for diesel. At a reaction temperature of 800 ° C, the mass ratio of carbon to water vapor was 1: 3, and the space velocity of the reactant was 10,000 h -1. Mass flow Controller was used to inject the gas into the reactor and the steam reforming reaction of the diesel was performed for 64 hours. The durability of the catalyst for long term stability and carbon deposition was evaluated. The composition of the gas before and after the reaction was analyzed by a gas chromatograph directly connected to the reaction apparatus, and a Carbosphere column was used for gas separation.

디젤의 전환율은 100%로 얻어졌으며, 반응 개시 후 약 63시간 동안 수소 선택도는 69.2% 정도로 유지되었음을 확인할 수 있다. 이 때 C2 이상의 탄화수소 화합물은 거의 검출되지 않았으며, 일산화탄소 및 이산화탄소의 선택도는 각각 18 ~ 22%, 9 ~ 12% 범위에서 변화하는데 반응 시간이 늘어남에 따라서 일산화탄소의 선택도는 서서히 감소하지만, 이산화탄소의 선택도는 서서히 증가하였다.The conversion of diesel was 100% and the hydrogen selectivity was maintained at about 69.2% for about 63 hours after the start of the reaction. At this time, almost no hydrocarbon compounds of C 2 or more were detected, and the selectivities of carbon monoxide and carbon dioxide varied from 18 to 22% and 9 to 12%, respectively. As the reaction time increased, the selectivity of carbon monoxide gradually decreased, The selectivity of carbon dioxide increased gradually.

또한 63 시간 반응 과정 동안 반응기 내부의 압력상승 등의 탄소 침적의 징후는 나타나지 않았으며, 반응 후 수거된 촉매에서도 탄소 침적이 거의 없는 것으로 관찰되었다.
Also, no sign of carbon deposition such as pressure rise in the reactor during the 63 - hour reaction process was observed, and the carbon deposition after the reaction was found to be almost free of carbon deposition.

실시예 2 : CaO-NiExample 2: CaO-Ni 0.50.5 /Mg/ Mg 2.52.5 Al(Ca 3 중량%) 촉매를 이용한 데카하이드로나프탈렌의 수증기 개질반응Steam Reforming of Decahydronaphthalene Using Al (Ca 3 wt%) Catalyst

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 촉매로 촉매제조예 2에서 제조한 CaO-Ni0.5/Mg2.5Al(Ca 3 중량%) 촉매를 사용하였다.The CaO-Ni 0.5 / Mg 2.5 Al (Ca 3 wt%) catalyst prepared in Example 2 of the catalyst was used as the catalyst in Example 1.

디젤의 전환율은 100%로 얻어졌으며, 도 1에 나타난 바와 같이 반응 개시 후 약 78시간 동안 수소의 선택도는 71.4%정도로 유지되었음을 확인할 수 있다. 이 때 C2 이상의 탄화수소 화합물은 거의 검출되지 않았으며, 일산화탄소 및 이산화탄소의 선택도는 각각 15 ~ 25%, 8 ~ 13% 범위에서 변화하는데 반응 시간이 늘어남에 따라서 일산화탄소의 선택도는 서서히 감소하지만, 이산화탄소의 선택도는 서서히 증가하였다.The conversion of diesel was 100%, and as shown in FIG. 1, the selectivity of hydrogen was maintained at about 71.4% for about 78 hours after the start of the reaction. At this time, almost no hydrocarbon compounds of C 2 or more are detected, and the selectivities of carbon monoxide and carbon dioxide are changed in the range of 15 to 25% and 8 to 13%, respectively. As the reaction time is increased, the selectivity of carbon monoxide is gradually decreased, The selectivity of carbon dioxide increased gradually.

또한 78 시간 반응 과정 동안 반응기 내부의 압력상승 등의 탄소 침적의 징후는 나타나지 않았으며, 반응 후 수거된 촉매에서도 탄소 침적이 거의 없는 것으로 관찰되었다.
In addition, no signs of carbon deposition such as a pressure rise in the reactor during the 78 - hour reaction process were observed, and carbon deposition was observed in the collected catalysts.

실시예 3 : CaO-Rh-NiExample 3: CaO-Rh-Ni 0.50.5 /Mg/ Mg 2.52.5 Al(Ca 1 중량%, Rh 0.3 중량%) 촉매를 이용한 데카하이드로나프탈렌의 수증기 개질반응Steam reforming reaction of decahydronaphthalene using Al (Ca 1 wt%, Rh 0.3 wt%) catalyst

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 촉매로 촉매제조예 4에서 제조한 CaO-Rh-Ni0.5/Mg2.5Al(Ca 1 중량%, Rh 0.3 중량%) 촉매를 사용하였다.Except that CaO-Rh-Ni 0.5 / Mg 2.5 Al (Ca 1 wt%, Rh 0.3 wt%) catalyst prepared in Preparation Example 4 of the catalyst was used as the catalyst.

디젤의 전환율은 100%로 얻어졌으며, 반응 개시 후 약 78 시간 동안 수소 선택도는 각기 69.6% 정도로 유지되었다. 78 시간 반응 과정 동안 반응기 내부의 압력상승 등의 탄소 침적의 징후는 나타나지 않았으며, 반응 후 수거된 촉매에서도 탄소 침적이 거의 없는 것으로 관찰되었다.
The conversion of diesel was 100% and the hydrogen selectivity was maintained at 69.6% for about 78 hours after the start of the reaction. No signs of carbon deposition such as pressure rise in the reactor during the 78 hour reaction process were observed, and carbon deposition was observed to be almost nonexistent even after the reaction.

실시예 4 : Rh-NiExample 4: Rh-Ni 0.50.5 /Mg/ Mg 2.52.5 Al(Rh 0.3 중량%) 촉매를 이용한 데카하이드로나프탈렌의 수증기 개질반응Steam reforming of decahydronaphthalene using Al (Rh 0.3 wt%) catalyst

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 촉매로 촉매제조예 5에서 제조한 Rh-Ni0.5/Mg2.5Al(Rh 0.3 중량%) 촉매를 사용하였다.The catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that Rh-Ni 0.5 / Mg 2.5 Al (Rh 0.3 wt%) catalyst prepared in Preparation 5 of the catalyst was used as a catalyst.

디젤의 전환율은 100%로 얻어졌으며, 반응 개시 후 약 50 시간 동안 수소의 선택도는 각기 68.3%로 유지되었다. 실험조건하에서 50시간 동안 반응기 내부의 압력상승 등의 탄소 침적의 징후는 나타나지 않았다.
The conversion of diesel was 100% and the selectivity of hydrogen was maintained at 68.3% for about 50 hours after the start of the reaction. No signs of carbon deposition, such as pressure build up in the reactor, were observed for 50 hours under the experimental conditions.

실시예 5 : CaO--NiExample 5: CaO - Ni 0.50.5 /Mg/ Mg 2.52.5 Al(Ca 3 중량%) 촉매를 이용한 n-헥사데칸의 수증기 개질반응Steam reforming of n-hexadecane using Al (Ca 3 wt%) catalyst

상기 실시예 2와 동일하게 실시하되, 데카하이드로나프탈렌 대신 n-헥사데칸을 디젤의 모사연료로 이용하였다.The procedure of Example 2 was repeated except that n-hexadecane was used instead of decahydronaphthalene as a diesel fuel.

디젤의 전환율은 100%로 얻어졌으며, 도 1에 나타나듯이 반응 개시 후 약 78 시간 동안 수소 선택도는 74.2% 정도로 유지되었다. 이 때 C2 이상의 탄화수소 화합물 및 메탄은 거의 검출되지 않았으며, 일산화탄소 및 이산화탄소의 선택도는 각각 12 ~ 21%, 8 ~ 18% 범위에서 반응 시간 동안 유지되었다.The conversion of diesel was 100%, and hydrogen selectivity was maintained at about 74.2% for about 78 hours after the start of the reaction as shown in Fig. At this time, almost no hydrocarbon compounds and methane of C 2 or more were detected, and the selectivities of carbon monoxide and carbon dioxide were maintained in the range of 12 to 21% and 8 to 18%, respectively.

또한 78시간 반응 과정 동안 반응기 내부의 압력상승 등의 탄소 침적의 징후는 나타나지 않았으며, 반응 후 수거된 촉매에서도 탄소 침적이 거의 발생하지 않은 것으로 관찰되었다.
In addition, no signs of carbon deposition such as a pressure rise in the reactor during the 78 - hour reaction process were observed, and carbon deposition did not occur in the collected catalysts.

실시예 6 : MgO-NiExample 6: MgO-Ni 0.50.5 /Mg/ Mg 2.52.5 Al(Mg 1 중량%) 촉매를 이용한 n-헥사데칸의 수증기 개질반응Steam reforming reaction of n-hexadecane using Al (Mg 1 wt%) catalyst

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 촉매로 촉매제조예 3에서 제조한 MgO-Ni0.5/Mg2.5Al(Mg 1 중량%) 촉매를 사용하여 n-헥사데칸의 수증기 개질반응을 실시하였다.The steam reforming reaction of n-hexadecane was carried out in the same manner as in Example 1 except that MgO-Ni 0.5 / Mg 2.5 Al (Mg 1 wt%) catalyst prepared in Catalyst Preparation Example 3 was used.

디젤의 전환율은 100%로 얻어졌으며, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 메탄이 생성되었고 C2 이상의 탄화수소 화합물은 거의 검출되지 않았다. 반응 개시 후 53시간 동안 수소의 선택도는 각기 61.6% 정도로 유지되었으며, 반응기 내부의 압력상승 등의 탄소 침적의 징후는 나타나지 않았으며, 반응 후 수거된 촉매에서도 탄소 침적은 거의 없는 것으로 관찰되었다.
The conversion of diesel was 100%, and hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and methane were produced, and almost no hydrocarbon compounds of C 2 or more were detected. The selectivity of hydrogen was maintained at 61.6% for 53 hours after the initiation of the reaction. No signs of carbon deposition such as pressure rise inside the reactor were observed.

실시예 7 : Rh-NiExample 7: Rh-Ni 0.50.5 /Mg/ Mg 2.52.5 Al(Rh 0.3 중량%) 촉매를 이용한 n-헥사데칸의 수증기 개질반응Steam reforming reaction of n-hexadecane using Al (Rh 0.3 wt%) catalyst

상기 실시예 4와 동일하게 실시하되, 데카하이드로나프탈렌 대신 n-헥사데칸을 디젤의 모사연료로 이용하였다.The procedure of Example 4 was repeated except that n-hexadecane was used instead of decahydronaphthalene as a diesel fuel.

디젤의 전환율은 100%로 얻어졌으며, 반응 개시 후 약 53 시간 동안 수소 선택도는 64.1%정도로 유지되었다. 이 때 C2 이상의 탄화수소 화합물은 거의 검출되지 않았으며, 53 시간 반응 과정 동안 반응기 내부의 압력상승 등의 탄소 침적의 징후는 나타나지 않았다.
The conversion of diesel was 100%, and hydrogen selectivity was maintained at about 64.1% for about 53 hours after the start of the reaction. At this time, almost no hydrocarbon compounds of C 2 or more were detected, and there was no sign of carbon deposition such as a pressure rise inside the reactor during the reaction time of 53 hours.

실시예 8 : CaO-NiExample 8: Preparation of CaO-Ni 0.50.5 /Mg/ Mg 2.52.5 Al(Ca 1 중량%) 촉매를 이용한 혼합디젤의 수증기 개질반응Steam reforming of mixed diesel using Al (Ca 1 wt%) catalyst

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 데카하이드로나프탈렌와 n-헥사데칸을 1 : 1 중량비로 혼합하여 디젤의 모사연료로 이용하였다.The procedure of Example 1 was repeated except that decahydronaphthalene and n-hexadecane were mixed at a weight ratio of 1: 1 and used as a diesel fuel for simulation.

디젤의 전환율은 100%로 얻어졌으며, 반응 개시 후 약 78 시간 동안 수소의 선택도는 각기 64.1 % 정도로 유지되었다. 이 때 C2 이상의 탄화수소 화합물 및 메탄은 거의 검출되지 않았으며, 일산화탄소 및 이산화탄소의 선택도는 각각 9 ~ 15%, 13 ~ 19% 범위에서 반응 시간 동안 유지되었다.The conversion of diesel was 100%, and the selectivity of hydrogen was maintained at about 64.1% for about 78 hours after the start of the reaction. At this time, almost no C 2 or more hydrocarbon compounds and methane were detected, and the selectivities of carbon monoxide and carbon dioxide were maintained in the range of 9 to 15% and 13 to 19%, respectively.

또한 78시간 반응 과정 동안 반응기 내부의 압력상승 등의 탄소 침적의 징후는 나타나지 않았으며, 반응 후 수거된 촉매에서도 탄소 침적이 거의 발생하지 않은 것으로 관찰되었다.
In addition, no signs of carbon deposition such as a pressure rise in the reactor during the 78 - hour reaction process were observed, and carbon deposition did not occur in the collected catalysts.

실시예Example 9 :  9: CaOCaO --- NiNi 00 .5.5 // MgMg 22 .5.5 AlAl (( CaCa 1 중량%) 촉매를 이용한 유사디젤의 수증기  1 wt%) Water vapor of quasi-diesel using a catalyst 개질반응Reforming reaction

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 데카하이드로나프탈렌와 n-헥사데칸 및 방향족화합물인 1-메틸나프탈렌을 실제 디젤연료와 유사한 비율인 3:5:2 중량비로 혼합하고 여기에 미량의 황성분(디벤조티오프렌)을 극소량 첨가하여 디젤의 모사연료로 이용하였다.Decahydronaphthalene, n-hexadecane and aromatic compound 1-methylnaphthalene were mixed at a weight ratio of 3: 5: 2, which is similar to the actual diesel fuel, and a small amount of sulfur component Thioprene) was added as a diesel fuel.

디젤의 전환율은 100%로 얻어졌으며, 반응 개시 후 약 78 시간 동안 수소선택도는 62.7 % 정도로 유지되었다. 이 때 C2 이상의 탄화수소 화합물 및 메탄은 거의 검출되지 않았으며, 일산화탄소 및 이산화탄소의 선택도는 각각 10 ~ 14%, 11 ~ 17% 범위에서 반응 시간 동안 유지되었다. 반응 과정 동안 반응기 내부의 압력상승 등의 탄소 침적의 징후는 나타나지 않았으며, 반응 후 수거된 촉매에서도 탄소 침적이 소량 발생하였다.
The conversion of diesel was 100%, and hydrogen selectivity was maintained at 62.7% for about 78 hours after the start of the reaction. At this time, almost no C 2 or more hydrocarbon compounds and methane were detected, and the selectivities of carbon monoxide and carbon dioxide were maintained in the range of 10 to 14% and 11 to 17%, respectively. No signs of carbon deposition such as pressure rise in the reactor during the course of the reaction were observed and a small amount of carbon deposition occurred in the catalysts collected after the reaction.

비교실시예 1 : NiComparative Example 1: Ni 0.50.5 /Mg/ Mg 2.52.5 Al 촉매를 이용한 데카하이드로나프탈렌의 수증기 개질반응Steam reforming of decahydronaphthalene using Al catalyst

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 촉매로 비교촉매제조예 1에서 제조한 Ni0.5/Mg2.5Al 촉매를 사용하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that the Ni 0.5 / Mg 2.5 Al catalyst prepared in Comparative Example 1 of Comparative Catalyst was used as a catalyst.

반응 개시 후 약 45 시간 동안 수소 선택도는 각기 66.4%정도로 유지되었으나, 45시간 이후에는 수소의 선택도가 감소하기 시작하여 반응 53시간 이후에는 침적된 탄소에 의해 반응기가 봉쇄되어 더 이상의 반응을 할 수 없었다. 메탄 및 C2 이상의 탄화수소 화합물의 선택도는 증가하였다. 이는 반응 중 탄소 침적이 발생하여 촉매의 비활성화가 발생하여 디젤연료의 개질반응이 아닌 분해가 촉진되었기 때문이라 생각된다.
The hydrogen selectivity was maintained at about 66.4% for about 45 hours after the start of the reaction, but the selectivity of hydrogen began to decrease after 45 hours, and the reactor was blocked by the carbon deposited after 53 hours I could not. The selectivity of methane and C 2 or more hydrocarbon compounds increased. This is probably due to the deactivation of the diesel fuel, not the reforming reaction, due to the deactivation of the catalyst due to carbon deposition during the reaction.

비교실시예 2 : Ni/γ-AlComparative Example 2: Ni /? - Al 22 OO 3 3 촉매를 이용한 데카하이드로나프탈렌의 수증기 개질반응Steam Reforming of Decahydronaphthalene Using Catalysts

상기 실시예 1와 동일하게 실시하되, 촉매로 비교촉매제조예 2에서 제조한 Ni/γ-Al2O3 촉매를 사용하였다.The procedure of Example 1 was repeated except that Ni / γ-Al 2 O 3 prepared in Comparative Example 2 of Comparative Catalyst 2 Catalyst.

디젤의 수증기 개질반응 후 3 시간부터 탄소침적에 의한 수소의 선택도가 감소하는 촉매의 비활성화가 나타나기 시작하여 반응 10시간 후에는 침적된 탄소에 의해 반응기 압력이 상승하여 반응을 중단하였다.
From 3 hours after the steam reforming reaction of the diesel, the deactivation of the catalyst in which the selectivity of hydrogen decreased due to the carbon deposition began to appear. After 10 hours of reaction, the reactor pressure was increased by the deposited carbon and the reaction was stopped.

비교실시예 3 : NiComparative Example 3: Ni 0.50.5 /Mg/ Mg 2.52.5 Al 촉매를 이용한 n-헥사데칸의 수증기 개질반응Steam reforming of n-hexadecane using Al catalyst

상기 비교실시예 1과 동일하게 실시하되, 데카하이드로나프탈렌 대신 n-헥사데칸을 디젤의 모사연료로 이용하였다.The same procedure as in Comparative Example 1 was carried out except that n-hexadecane was used instead of decahydronaphthalene as a simulated fuel for diesel.

디젤의 전환율은 100%로 얻어졌으나, 반응 개시 후 수소의 선택도는 서서히 떨어지는 경향을 보였다. 반응 후 수거된 촉매에서는 탄소침적이 발생됨을 확인할 수 있었다.
The conversion of diesel was 100%, but the selectivity of hydrogen tended to decrease gradually after the start of the reaction. It was confirmed that carbon deposition occurred in the catalyst collected after the reaction.

비교실시예 4 : Ni/γ-AlComparative Example 4: Ni /? - Al 22 OO 3 3 촉매를 이용한 n-헥사데칸의 수증기 개질반응Steam reforming of n-hexadecane using catalyst

상기 비교실시예 2와 동일하게 실시하되, 데카하이드로나프탈렌 대신 n-헥사데칸을 디젤의 모사연료로 이용하였다.The same procedure as in Comparative Example 2 was carried out except that n-hexadecane was used as a simulated fuel for diesel instead of decahydronaphthalene.

디젤의 수증기 개질반응 후 3 시간부터 탄소침적에 의한 수소의 선택도가 감소하는 촉매의 비활성화가 나타나기 시작하여 반응 10시간 후에는 침적된 탄소에 의해 반응기 압력이 상승하여 반응을 중단하였다.
From 3 hours after the steam reforming reaction of the diesel, the deactivation of the catalyst in which the selectivity of hydrogen decreased due to the carbon deposition began to appear. After 10 hours of reaction, the reactor pressure was increased by the deposited carbon and the reaction was stopped.

도 2은 촉매제조예 1의 CaO-Ni0 .5/Mg2 .5Al(Ca 1 중량%) 촉매, 비교촉매제조예 1의 Ni0 .5/Mg2 .5Al 촉매 및 비교촉매제조예 2의 Ni/γ-Al2O3 촉매를 데카하이드로나프탈렌의 수증기 개질반응에 적용 시 반응시간에 따른 수소의 선택도로 대표되는 촉매의 내구성을 비교한 그래프이다. 도 2에서 보이는 바와 같이, Aa-Bb-Nix/MgyAl 로 표시되는 본 발명의 디젤의 수증기 개질반응용 니켈계 하이드로탈사이트 촉매는 디젤의 수증기 개질반응에 적용시 선택도, 탄소침적에 대한 내구성 및 장기 안정성이 기존의 촉매보다 우수하므로 고농도의 수소를 높은 수율로 안정적으로 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.FIG. 2 is a graph showing the results of a comparison of a CaO-Ni 0 .5 / Mg 2 .5 Al (Ca 1 wt%) catalyst of Catalyst Preparation 1, a Ni 0 .5 / Mg 2 .5 Al catalyst of Comparative Catalyst 1 and a Ni / γ-Al 2 O 3 catalyst for the steam reforming reaction of decahydronaphthalene is a graph comparing the durability of the catalyst represented by the selection of hydrogen with respect to the reaction time. As shown in FIG. 2, the nickel-based hydrotalcite catalyst for the steam reforming reaction of the diesel of the present invention represented by A a -B b -Ni x / Mg y Al has a selectivity for application to steam reforming of diesel, It was confirmed that the durability against deposition and the long-term stability are superior to those of conventional catalysts, so that it is possible to stably produce hydrogen at a high concentration at a high yield.

Claims (10)

하기 화학식 1로 표시되는 디젤의 수증기 개질반응용 니켈계 유사 하이드로탈사이트 촉매:
[화학식 1]
Aa-Bb-Nix/MgyAl
상기 화학식 1에서, A는 1종 이상의 알칼리 토금속 산화물이고, B는 1종 이상의 8B족 귀금속원자이며, a는 촉매 중 알칼리 토금속의 함량으로 0 ~ 10 중량%이고, b는 촉매 중 8B족 귀금속의 함량으로 0 ~ 10 중량%이며, 단, 알칼리 토금속과 8B족 귀금속의 함량은 동시에 0 중량%가 될 수 없고, x 및 y는 Al에 대한 Ni 및 Mg의 몰비로서 0.2≤x≤0.9 이고, 0.5≤y≤5.5 이다.
A nickel-based pseudohydrotalcite catalyst for steam reforming of diesel represented by the following formula (1)
[Chemical Formula 1]
A a -B b -Ni x / Mg y Al
Wherein A is at least one kind of alkaline earth metal oxide, B is at least one kind of 8B group noble metal atom, a is 0 to 10 wt% in terms of the content of alkaline earth metal in the catalyst, 0 to 10% by weight, with the proviso that the content of the alkaline earth metal and the Group 8B noble metal can not be 0% by weight at the same time, and x and y are the molar ratios of Ni and Mg to Al in the range of 0.2? ? Y? 5.5.
제 1 항에 있어서, 상기 화학식 1의 a는 1 ~ 10 중량%인 것을 특징으로 하는 디젤의 수증기 개질반응용 니켈계 유사 하이드로탈사이트 촉매.
The nickel-based hydrotalcite catalyst for steam reforming of diesel fuel according to claim 1, wherein a in Formula 1 is 1 to 10 wt%.
제 1 항에 있어서, 하기 화학식 2로 표시되는 디젤의 수증기 개질반응용 니켈계 유사 하이드로탈사이트 촉매:
[화학식 2]
Bb-Nix/MgyAl
상기 화학식 2에서, B는 1종 이상의 8B족 귀금속원자이고, b는 촉매 중 8B족 귀금속의 함량으로 0.1 ~ 5 중량%이며, x 및 y는 Al에 대한 Ni 및 Mg의 몰비로서 0.2≤x≤0.9 이고, 0.5≤y≤5.5 이다.
The nickel-based pseudo hydrotalcite catalyst for steam reforming of diesel according to claim 1,
(2)
B b -Ni x / Mg y Al
B is at least one kind of 8B group noble metal atom, b is 0.1 to 5 wt% in terms of the content of the Group 8B noble metal in the catalyst, x and y are molar ratios of Ni and Mg to Al, 0.9, and 0.5? Y? 5.5.
알루미늄, 마그네슘 및 탄산의 몰비가 1 : 0.5 ~ 5.5 : 1 이 되도록 알루미늄 전구체, 마그네슘 전구체 및 탄산나트륨을 물에 용해시켜 하이드로탈사이트 전구체 용액을 제조하는 단계;
상기 하이드로탈사이트 전구체 용액에 알루미늄과 니켈의 몰비가 1 : 0.2 ~ 0.9 가 되도록 니켈 전구체를 첨가한 후, 수산화나트륨을 첨가하여 침전물이 생성된 침전용액을 제조하는 단계;
상기 침전용액에 촉매 중 알칼리 토금속의 함량이 0 ~ 10 중량% 및 8B족 귀금속의 함량이 0 ~ 10중량%가 되도록 알칼리 토금속 전구체 및 8B족 귀금속 전구체를 첨가하여 혼합용액을 제조하는 단계; 및
상기 혼합용액을 여과하여 침전물을 회수한 후 건조 및 소성하는 단계;
를 포함하는 하기 화학식 1로 표시되는 디젤의 수증기 개질반응용 니켈계 유사 하이드로탈사이트 촉매의 제조방법:
[화학식 1]
Aa-Bb-Nix/MgyAl
상기 화학식 1에서, A는 1종 이상의 알칼리 토금속 산화물이고, B는 1종 이상의 8B족 귀금속원자이며, a는 촉매 중 알칼리 토금속의 함량으로 0 ~ 10 중량%이고, b는 촉매 중 8B족 귀금속의 함량으로 0 ~ 10 중량%이며, 단, 알칼리 토금속과 8B족 귀금속의 함량은 동시에 0 중량%가 될 수 없고, x 및 y는 Al에 대한 Ni 및 Mg의 몰비로서 0.2≤x≤0.9 이고, 0.5≤y≤5.5 이다.
Preparing a hydrotalcite precursor solution by dissolving an aluminum precursor, a magnesium precursor, and a sodium carbonate in water such that the molar ratio of aluminum, magnesium, and carbonic acid is 1: 0.5 to 5.5: 1;
Adding a nickel precursor to the hydrotalcite precursor solution so that a molar ratio of aluminum to nickel is 1: 0.2 to 0.9, and then adding sodium hydroxide to prepare a precipitate solution;
Preparing an alkaline earth metal precursor and an 8B group noble metal precursor by adding the alkaline earth metal precursor and the 8B group noble metal precursor to the precipitation solution so that the content of the alkaline earth metal in the catalyst is 0 to 10 wt% and the content of the 8B group noble metal is 0 to 10 wt% And
Filtering the mixed solution to recover the precipitate, followed by drying and calcining;
A method for preparing a nickel-based pseudo hydrotalcite catalyst for steam reforming of diesel represented by the following formula (1)
[Chemical Formula 1]
A a -B b -Ni x / Mg y Al
Wherein A is at least one kind of alkaline earth metal oxide, B is at least one kind of 8B group noble metal atom, a is 0 to 10 wt% in terms of the content of alkaline earth metal in the catalyst, 0 to 10% by weight, with the proviso that the content of the alkaline earth metal and the Group 8B noble metal can not be 0% by weight at the same time, and x and y are the molar ratios of Ni and Mg to Al in the range of 0.2? ? Y? 5.5.
제 4 항에 있어서, 상기 알루미늄 전구체, 마그네슘 전구체, 니켈 전구체, 알칼리 토금속 전구체 및 8B족 귀금속 전구체는 각 금속의 질산염, 아세톤염, 아세트산염, 할로겐화염 및 아세트아세토네이트염 중에서 선택한 1종 이상인 것을 특징으로 하는 디젤의 수증기 개질반응용 니켈계 유사 하이드로탈사이트 촉매의 제조방법.
5. The method of claim 4, wherein the aluminum precursor, the magnesium precursor, the nickel precursor, the alkaline earth metal precursor, and the Group 8B precursor are at least one selected from nitrate, acetone, acetate, Wherein the hydrothermal reaction is carried out in the presence of a catalyst.
제 4 항에 있어서, 상기 소성은 800 ~ 900℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 디젤의 수증기 개질반응용 니켈계 유사 하이드로탈사이트 촉매의 제조방법.
5. The method of claim 4, wherein the calcination is performed at 800 to 900 < 0 > C.
하기 화학식 1로 표시되는 니켈계 유사 하이드로탈사이트 촉매 하에서 디젤의 수증기 개질반응에 의한 수소의 제조방법:
[화학식 1]
Aa-Bb-Nix/MgyAl
상기 화학식 1에서, A는 1종 이상의 알칼리 토금속 산화물이고, B는 1종 이상의 8B족 귀금속원자이며, a는 촉매 중 알칼리 토금속의 함량으로 0 ~ 10 중량%이고, b는 촉매 중 8B족 귀금속의 함량으로 0 ~ 10 중량%이며, 단, 알칼리 토금속과 8B족 귀금속의 함량은 동시에 0 중량%가 될 수 없고, x 및 y는 Al에 대한 Ni 및 Mg의 몰비로서 0.2≤x≤0.9 이고, 0.5≤y≤5.5 이다.
A process for producing hydrogen by steam reforming reaction of diesel under a nickel-based pseudohalide catalyst represented by the following formula (1)
[Chemical Formula 1]
A a -B b -Ni x / Mg y Al
Wherein A is at least one kind of alkaline earth metal oxide, B is at least one kind of 8B group noble metal atom, a is 0 to 10 wt% in terms of the content of alkaline earth metal in the catalyst, 0 to 10% by weight, with the proviso that the content of the alkaline earth metal and the Group 8B noble metal can not be 0% by weight at the same time, and x and y are the molar ratios of Ni and Mg to Al in the range of 0.2? ? Y? 5.5.
제 7 항에 있어서, 상기 디젤은 n-헥사데칸, 데카하이드로나프탈렌 또는 이들의 혼합물이 함유된 것을 특징으로 하는 디젤의 수증기 개질반응에 의한 수소의 제조방법.
8. The method of claim 7, wherein the diesel comprises n-hexadecane, decahydronaphthalene, or a mixture thereof.
제 7 항에 있어서, 상기 개질반응은 탄소와 수증기의 몰비가 1 : 1 ~ 3 인 것을 특징으로 하는 디젤의 수증기 개질반응에 의한 수소의 제조방법.
The method for producing hydrogen according to claim 7, wherein the reforming reaction has a molar ratio of carbon to steam of 1: 1 to 3.
제 7 항에 있어서, 상기 개질반응은 반응압력 1 ~ 30 atm, 반응온도 700 ~ 900℃ 및 반응물의 공간속도 10,000 ~ 90,000 h- 1 에서 수행하는 것을 특징으로 하는 디젤의 수증기 개질반응에 의한 수소의 제조방법.The method of claim 7, wherein the reforming reaction is a reaction pressure of 1 ~ 30 atm, reaction temperature 700 ~ 900 ℃ and a space velocity of 10,000 ~ 90,000 h of reaction - of the hydrogen by the steam reforming of diesel, characterized in that for performing at first Gt;
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