KR20130138823A - 활성 성분으로서 산화 우라늄을 함유하는 촉매의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하기의 단계들을 포함하는 산화 우라늄 촉매체를 제조하기 위한 제조 방법에 관한 것이다: a) 적어도 50 %의 순도를 갖는 UO_{2 +x}-분말(2)(이때 x ≤ 0.7)을 제 1 소결 공정에서 소결시켜 UO_{2 +y}-중간 생성물(14)(이때 y ≤ 0.25)을 수득하는 단계, b) 상기 UO_{2 +y}-중간 생성물(14)을 산소를 이용하여 산화시키고 이에 따라 이러한 공정에서 U₃O_{8 -z}-분말(11)(이때 z ≤ 1)로 변환하는 단계, c) 상기 U₃O_{8 -z}-분말(11)을 압축시켜 추후의 촉매체(1)에 상응하는 형상을 갖는 블랭크(blank)(15)를 형성시키는 단계; 및 d) 상기 블랭크(15)를 제 2 소결 공정에서 산소를 함유하는 소결 분위기(sintering atmosphere) 하에서 적어도 900℃에서 소결시키는 단계.

Description

활성 성분으로서 산화 우라늄을 함유하는 촉매의 제조 방법 {METHOD FOR PRODUCING A CATALYST CONTAINING URANIUM OXIDE AS ACTIVE COMPONENT}

본 발명은 활성 성분으로서 산화 우라늄(uranium oxide)을 함유하는 촉매를 제조하기 위한 제조 방법에 관한 것이다. 산화 우라늄은 다수의 산화 반응을 위한 산화 촉매로서, 예를 들어 DE 10 2007 033 114 A1호에 기술된 바와 같이 휘발성 유기 화합물들의, 일산화탄소에서 이산화탄소로의, 이소부텐(isobutene)에서 아크롤레인(acrolein)으로의, 및 염화수소에서 염소로의 전산화(total oxidation)를 위한 산화 촉매로서 사용될 수 있다. 산화 우라늄 촉매를 포함하는 촉매들은 종종 지지체에 활성 성분을 액체 형태로, 예를 들어 우라닐 이수화물과 같은 전구체의 수성 현탁액으로서, 또는 CVD(chemical vapor deposition) 또는 PVD(physical vapor deposition)에 의한 기체상으로 적용함으로써 제조된다.

본 발명의 목적은 산화 우라늄 촉매의 대안적인 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

이러한 목적은 청구항 1에 따른 방법에 의해 달성된다. 이 경우 본 발명은 산화 우라늄으로부터 높은 개방 기공률(open porosity)을 갖는 소결체를 제조하는 일반적인 개념을 기초로 한다. 먼저 예를 들어 Al₂O₃로 이루어진 적합한 지지체가 형성되고 상기 지지체에 활성 성분이 제공되어야 하는 공지된 제조 방법과는 달리, 본 발명에 따르면, 지지체 및 활성 성분을 그 자체로 조합하는 촉매가 형성된다. 지지체의 제조 및 지지체 상에 활성 성분의 적용을 위한 경비는 불필요하게 된다. 또한, 본원에서 고려되는 종류의 우라늄 물질이 약한 방사성을 가지며, 이에 따라 예를 들어 과잉 전구체 현탁액 또는 쓸모없게 된 현탁액 또는 전구체의 제조시에 수득된 폐기물의 처리를 위한, 생산 비용을 증가시키는 경비 증가가 요구되지 않는다.

제 1 소결 공정에서, UO_{2 +x}-분말(이때 x ≤ 0.7), 바람직하게는 건식 또는 습식 변환 공정에서 UF₆, UO₃, UN, UNH, U₃O₈ 또는 UF₄의 화학적 변환에 의해 수득된 UO_2+x-분말은 소결되어 UO_{2 +y}-중간 생성물(이때 y ≤ 0.25)을 제공한다(단계 a). 이 경우 UO_{2 +x}-분말은 추가 첨가제, 바람직하게 예를 들어 Al₂O₃ 또는 ZrO₂와 같은 금속 산화물 없이 사용되지만, 최대 50 중량%까지 이러한 첨가제를 함유할 수 있다. 이때 중간 생성물은 임의의 구조를 갖는 성형체(moulding)이다. 그러나, UO_{2 +x}-분말을 사전에 압축하지 않고 소결하는 것도 생각할 수 있지만, 이는 공정 공학적인 이유에서 실용적이지 않을 것이다. 바람직하게, 추후의 최종 생성물, 즉 완성된 촉매체와 동일한 형상을 갖는 중간 생성물을 형성시키는 것이 유리하다. 이후에, 중간 생성물-블랭크(blank)의 압축 및 후술되는 촉매체 블랭크의 압축은 동일한 하나의 압축 장치를 이용하여 수행될 수 있다.

후속하는 단계 b)에서, 소결된 중간 생성물은 산소과 함께 처리되어, UO_{2 +y}를 U₃O_{8 -z}(이때 z ≤ 1)로 산화시킨다. 이때, 중간 생성물은 예를 들어 5㎛ 내지 10㎛의 범위, 또는 통상적으로 1㎛ 내지 30㎛의 범위의 평균 입자 크기를 갖는 미세한 U₃O_{8 -z}-분말로 변환되는데, 상기 U₃O_{8 -z}-분말의 소결형 활성도(sintering activity)는 출발-UO₂-분말에 비해 감소되어 있다. 예를 들어 5㎛ 내지 500㎛의 입자 크기를 가질 수 있는 출발-UO₂-분말의 분말 입자는 각각 예를 들어 50㎚ 내지 300㎚의 범위의 결정자 크기(crystallite size)를 갖는 복수의 작은 결정자(crystallite)로 구성되었으며, 이는 상대적으로 높은 소결형 활성도를 의미함으로써 작은 기공률을 갖는 조밀한 소결체의 제조를 촉진한다. 본 발명에 따른 방법에서, 제 1 소결 공정 동안에 결정자는 초기에 용융물로 존재하여 보다 큰 결정자/입자를 형성시키는데, 이에 따라 최대 600배 큰 결정자, 즉 1㎛ 내지 3㎛의 결정자 크기를 갖는 결정자가 제 1 소결 공정 후에, 그리고 마찬가지로 단계 b)에서의 산화 공정 이후에 존재하게 되며, 이는 이와 함께 형성되는 소결체의 높은 기공률 또는 낮은 밀도를 위해 더욱 바람직하다. 그러나, 추가의 중요한 효과는 사방정계(orthorhombic)의 결정 구조를 갖는 U₃O_{8 -z}의 밀도가 입방정계(cubic)의 UO_{2 +y}의 밀도에 비해 더 낮음으로써, 산화 공정의 결과로 원래의 UO_{2 +y}-입자의 부피는 증가하며, 이때 상기 입자들은 다수의 균열을 갖게 되어 더 작은 구성 성분들로 분열된다는 사실에 기인한 것일 수 있다. 그럼으로써, 입자 내에는 다수의 공동이 형성된다. 결과적으로, 제 2 소결 공정에서 상기 공동들이 적어도 일부 유지되고 높은 개방 기공률을 갖는 촉매체가 형성된다.

종속 청구항들에는 전술된 방법의 유리한 구체예들이 명시되어 있다.

이하에서 본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 더 상세하게 설명된다. 도면은 각 경우에 고도로 도식화된 형태로 도시된다:

도 1은 본 발명에 따른 방법에서 출발 분말로서 사용되는 UO_{2 +x}-분말(이때 x ≤ 0.7)을 도시한 것이며,
도 2는 결정자를 갖는 출발 분말의 UO_{2 +x}-입자를 도시한 것이며,
도 3은 UO_{2 +x}-중간 생성물 또는 U₃O_{8 -z}-촉매체의 블랭크의 생성 공정을 도시한 것이며,
도 4는 산소에 의한 UO_{2 +y}-중간 생성물(이때 y ≤ 0.25)의 산화 공정을 도시한 것이며,
도 5는 UO_{2 +y}-입자로부터 산화 공정에 의해 생성된 U₃O_{8 -z}-입자(이때 z ≤ 1)를 도시한 것이다.

본 발명에 따른 촉매체(catalyst body), 예를 들어 본 발명에 따른 실린더 형태의 촉매체(1)를 제조하기 위하여, 출발 분말로서 UO_{2 +x}-분말(2)이 사용되는데, 바람직하게는 육불화우라늄(uranium hexafluoride)(UF₆), 삼산화우라늄(uranium trioxide)(UO₃), 질산우라닐(uranyl nitrate)(UN), 질산우라닐육수화물(uranyl nitrate hexahydrate)(UNH), 팔산화삼우라늄(triuranium octoxide)(U₃O₈) 또는 사불화우라늄(uranium tetrafluoride)(UF₄)으로부터 습식 화학 변환 또는 건식 화학 변환에 의해 수득된 분말이 사용된다. 공지된 방법들은 이 방법들의 중간 생성물에 따라 명명되었는데, 예를 들어 AUC(ammonium uranyl carbonate)-방법 또는 ADU(ammonium diuranate)-방법으로 명명된다. 건식 화학 변환 방법에서, UF₆이 기체상의 수소 및 물과 직접적으로 반응되어 이산화우라늄(uranium dioxide)을 형성한다. 상기 언급된 종류의 UO_{2 +x}-분말은 대개 5㎛ 내지 500㎛의 평균 입자 크기, 한편 종종 10㎛ 내지 150㎛의 범위의 평균 입자 크기를 갖는 분말 입자(3)를 갖는다. 상기 분말 입자 자체는 또한 예를 들어, 50㎚ 내지 300㎚ 범위의 다수의 결정자(4)의 응집체(agglomerate)이다. 따라서, 개별 UO_{2 +x}-입자(3)는 실질적으로 상이하게 배향된 다수의 결정자로 이루어진 미세구조물이다.

우선 제 1 공정 단계(단계 a)에서, UO_{2 +x}-분말은 제 1 소결 공정에서 1차 소결된다. 바람직하게는 열화된(depleted) UO_{2 +x}가 사용되는데, 상기 UO_{2 +x}는 원자력 발전소용 핵연료 펠릿(pellet)의 생산 과정에서 우라늄 농축시 수득되는 것이다. UO_2+x-분말(2)은 압축되어 예를 들어 실린더 형태의 블랭크(5)를 형성하는데, 이때 상기 목적을 위해 상기 UO_{2 +x}-분말은 실린더 형태의 공동부(hollow space)(6)를 갖는 다이(die)(7) 내에 주입되고 화살표(9) 방향으로 상기 다이(7) 내로 도입되는 펀치(8)를 이용하여 통상적으로 5 내지 7g/㎤의 밀도로 압축된다(도 3 참조). 다른 압축 공정, 예를 들어 2축 압축 성형(biaxial pressing), 등압 압축 성형(isostatic pressing) 등, 및 상응하는 다른 압축도를 사용하는 것이 또한 가능하다. UO_{2 +x}의 이론 밀도(theoretical density)는 약 11g/㎤에 달한다. UO_{2 +y}(이때 y ≤ 0.25)를 수득하기 위하여, 블랭크(5)의 소결 공정은 로(furnace)(미도시됨)에서 수행된다. 상기 소결 공정을 보장하기 위해서, 예를 들어 H₂를 함유하는 소결 분위기(sintering atmosphere) 하에 1500℃ 내지 1800℃에서, 또는 CO₂를 함유하는 소결 분위기 하에 1100℃ 내지 1200℃에서 소결이 수행된다. 이러한 경우 소결 공정 이후에 중간 생성물(14)로서 예를 들어 실린더 형태의 UO_{2 +y}-소결체가 성취된다.

후속 공정 단계(단계 b)에서, 중간 생성물(14)은 로(16)에서, 예를 들어 제 1 소결 공정을 위해 사용되는 로에서 소결된 직후에 U₃O_{8 -z}(이때 z ≤ 1)로 산화되며, 이때 상기 중간 생성물은 U₃O_{8 -z}-분말(11)로 분해된다. 따라서, 중간 생성물(14)의 형상은 중요하지 않다. 중간 생성물(14)에 있어 최종 생성물, 즉 촉매체(1)와 동일한 형상이 선택되는 경우에, 각각의 블랭크의 압축은 동일한 하나의 장치(다이(7), 펀치(8))를 이용하여 수행될 수 있다. 제 1 소결 공정의 효과는 후속하는 산화 공정에서 수득된 U₃O_{8 -z}-분말이 보다 낮은 소결형 활성도를 갖는다는 점에 근거하고, 이는 높은 기공률을 갖는 덜 조밀한 소결체의 생산을 촉진한다. 한 가지 추가 효과는 U₃O₈이 8.38g/㎤의 밀도를 가지고, 이에 따라 UO₂에 비해서 보다 낮은 밀도를 갖는다는 사실에 기인한 것으로서, 이는 UO_{2 +y}로 형성된 U₃O_{8 -z}-입자(10)의 팽창을 야기하며, 이때 상기 U₃O_{8 -z}-입자는 부분적으로 조각(12)들로 분해되고 상기 조각들 내에서 예를 들어 균열의 형태로 공동부(13)를 형성한다(도 5 참조). 산화 공정은 통상적으로 300℃ 내지 600℃의 온도에서 예를 들어 3시간의 기간에 걸쳐 수행된다.

추가 공정 단계(단계 c)에서, 전술된 바와 같은 U₃O_{8 -z}-분말(11)이 통상적으로 5g/㎤ 내지 6g/㎤의 밀도 및 추후의 촉매체(1)의 형상에 상응하는 형상을 갖는 블랭크(15)를 제공하기 위해, 예를 들어 단축 압축 성형(uniaxial pressing)된다. 예를 들어, 2축 압축 성형, 등압 압축 성형 등과 같은 다른 압축 공정, 및 다른 압축도를 사용하는 것이 또한 가능하다. 촉매체(1)는 예를 들어 7㎜의 직경 및 10㎜의 높이를 갖는 실린더이다. 압축 이전에 U₃O_{8 -z}-분말에는 압축 보조제(pressing aid), 예를 들어 0.2 중량%의 폴리에틸렌 왁스(polyethylene wax)가 첨가될 수 있다. 중간 생성물(14)의 제조시에도 압축 보조제가 사용될 수 있다.

전술된 방식으로 수득된 블랭크(15)는 제 2 소결 공정(단계 d)에서 소결되고, 이때 상기 소결 공정은 U₃O₈-조성 범위가 변동 없이 유지되는 소결 분위기에서 수행된다. 상기 제 2 소결 공정을 보장하는 소결 분위기는 산소를 함유하거나 공기로 이루어지며, 이때 상기 제 2 소결 공정 동안에 1000℃ 내지 1300℃의 온도가 유지된다. 마지막에는 높은 개방 기공률 및 이에 상응하게 촉매 반응이 일어날 수 있는 큰 내부 표면적을 갖는 촉매체(1)가 수득된다.

전술된 방식으로 제조된 U₃O_{8 -z}-촉매체(1)는 공기 중에서 최대 약 1000℃ 내지 1200℃까지 안정적이다. 환원 조건에서 사용하기 위하여, 촉매체는 U₃O_{8 -z}를 UO₂로 변환하기 위해 H₂-함유 분위기, 예를 들어 H₂, H₂-N_{2 ,} H₂-Ar 등의 분위기 하에, 300℃ 내지 1000℃, 바람직하게는 400℃ 내지 600℃의 온도에서 환원 처리될 수 있다. UO₂가 공기 중에서 단지 약 120℃까지만 안정적이지만, 환원 조건 하에서 이는 다공성 바디(porous body)로서 약 1000℃까지 안정적이다.

실시예:

전술된 방식으로 제조된 실린더 형태의 UO₂-중간 생성물(14)을 450℃에서 3시간 동안 산화시켰다. 이때 형성된 U₃O₈-분말을 0.2 중량%의 압축 보조제(PE-왁스)와 혼합하고 압축시켜 5g/㎤ 내지 5.5g/㎤의 밀도 및 1g의 중량을 갖는 실린더 형태의 블랭크(15)를 제공하였다. 그런 다음 블랭크(15)를 소결 분위기로서 공기를 이용한 로에서 1시간 동안 1280℃(배치 A)에서 또는 1100℃(배치 B)에서 소결시켰다.

이 경우 하기의 특성들을 갖는 촉매체(1)가 수득될 수 있었다:

상기 개방 기공률은 전체 기공률에 대한 비율로서 제시되어 있으며, 이때 상기 전체 기공률(부피%)은 다음과 같다: 전체 기공률 = (1 - 밀도 / 이론 밀도) × 100. UO₂의 이론 밀도는 10.96g/㎤이고, U₃O₈의 이론 밀도는 8.38g/㎤이다.

Claims (11)

1. a) 50% 이상의 순도를 갖는 UO_{2 +x}-분말(2)(이때 x ≤ 0.7)을 제 1 소결 공정에서 소결시켜 UO_{2 +y} 중간 생성물(14)(이때 y ≤ 0.25)을 수득하는 단계,
   b) UO_{2 +y}-중간 생성물(14)을 산소를 이용하여 산화시키고 이에 따라 이러한 공정에서 U₃O_{8 -z}-분말(11)(이때 z ≤ 1)로 변환하는 단계,
   c) U₃O_{8 -z}-분말(11)을 압축시켜 추후의 촉매체(catalyst body)(1)에 상응하는 형상을 갖는 블랭크(blank)(15)를 형성시키는 단계, 및
   d) 블랭크(15)를 제 2 소결 공정에서 산소를 함유하는 소결 분위기(sintering atmosphere) 하에서 900℃ 이상에서 소결시키는 단계를 포함하는, 산화 우라늄 촉매체의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 단계 a)에서 UF₆, UO₃, UNH, U₃O₈ 또는 UF₄의 변환에 의해 획득된 UO_{2 +x}-분말(2)이 사용되는 것을 특징으로 하는, 산화 우라늄 촉매체의 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 단계 a)에서 분말 입자가 5㎛ 내지 500㎛의 평균 입자 크기를 갖는 UO_{2 +x}-분말(2)이 사용되는 것을 특징으로 하는, 산화 우라늄 촉매체의 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 10㎛ 내지 150㎛의 평균 입자 크기를 갖는 UO_{2 +x}-분말(2)의 사용을 특징으로 하는, 산화 우라늄 촉매체의 제조 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 분말 입자(3)가 30㎚ 내지 300㎚의 평균 크기를 갖는 결정자(crystallite)(4)로 구성된 UO_{2 +x}-분말(2)의 사용을 특징으로 하는, 산화 우라늄 촉매체의 제조 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 b)에 따른 UO_{2 +y} 중간 생성물(14)의 산화 공정은 300℃ 이상의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 산화 우라늄 촉매체의 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 400℃ 내지 500℃에서의 산화 공정을 특징으로 하는, 산화 우라늄 촉매체의 제조 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매체(1)의 블랭크(15)는 900℃ 내지 1300℃에서 소결되는 것을 특징으로 하는, 산화 우라늄 촉매체의 제조 방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 d) 이후에 U₃O_{8 -z}를 UO₂로 변환하기 위해 상기 촉매체(1)가 환원되는 것을 특징으로 하는, 산화 우라늄 촉매체의 제조 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 환원 공정이 300℃ 내지 1000℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 산화 우라늄 촉매체의 제조 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 환원 공정이 400℃ 내지 600℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 산화 우라늄 촉매체의 제조 방법.

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