KR20150131651A - Cobalt Based Catalyst Supported Silica Carrier Modified with Transition Metal and SiC for Fischer-Tropsch Synthesis - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 알루미늄, 철 등의 전이금속과 실리콘카바이드(SiC)에 의해 동시에 개선된 메조다공성 실리카 지지체에 코발트 활성금속이 담지되어 있는 피셔-트롭시 합성용 촉매에 관한 것으로서, 본 발명의 코발트계 촉매는 피셔-트롭쉬 합성 반응에 적용되어서는 일산화탄소의 전환율과 액체탄화수소(C5+)의 선택도 및 수율을 극대화하는 효과가 있다.
The present invention relates to a catalyst for Fischer-Tropsch synthesis in which a cobalt active metal is supported on a mesoporous silica support which is simultaneously improved by transition metals such as aluminum and iron and silicon carbide (SiC) Is used in the Fischer-Tropsch synthesis reaction to maximize the conversion of carbon monoxide and the selectivity and yield of liquid hydrocarbons (C 5 +).
피셔-트롭쉬 합성(Fischer-Tropsch Synthesis; FTS) 반응은 다양한 경로로부터 얻어진 합성가스(CO + H2)를 원료로 사용하여 탄화수소를 합성하는 반응으로, 비교적 오래전부터 연구가 진행되어 왔다. FTS 반응은 통상적으로 '탄화수소 합성반응'으로 부르기도 한다. FTS 반응에 의해 생성된 탄화수소는 황, 질소, 방향족 화합물과 같은 불순물이 포함되어 있지 않는 청정한 연료이고, 또한 직쇄상의 파라핀 함량이 많아 세탄가가 높은 연료 특성을 나타낸다. 이에 FTS 반응은 천연가스, 석유 및 정유 등의 에너지 관련업계와 환경친화적인 면에서 지대한 관심을 받고 있다.The Fischer-Tropsch synthesis (FTS) reaction is a synthesis of hydrocarbons using synthesis gas (CO + H 2 ) obtained from various routes as a raw material, and research has been conducted for a relatively long time. The FTS reaction is also commonly referred to as a " hydrocarbon synthesis reaction ". Hydrocarbons produced by the FTS reaction are clean fuels containing no impurities such as sulfur, nitrogen, and aromatics, and also exhibit fuel characteristics with a high cetane number because of a large amount of linear paraffin. Therefore, the FTS reaction has attracted considerable attention from the energy-related industries such as natural gas, petroleum and oil, in terms of environment-friendlyness.
FTS 반응에 의한 합성가스로부터 액체탄화수소류(C5+)를 제조하는 반응에서는, 주로 코발트 계열의 촉매가 사용되고 있다. 코발트계 촉매는 높은 일산화탄소 전환율, 장수명 및 낮은 CO2 생성률에 의한 탄화수소의 선택성이 우수한 것으로 알려져 있다. 그러나, 코발트계의 촉매는 고온 영역인 300℃ 이상의 영역에서는 메탄(CH4)을 우세하게 생성하기 때문에 촉매층의 온도 조절을 통한 국부적인 고온 영역을 제어할 촉매의 설계가 중요하다. 이러한 코발트 촉매를 설계하는 경우, 지지체로서는 열적, 화학적으로 안정한 포러스(porous)한 세공을 지니는 알루미나, 실리카 또는 티타니아 등을 사용하고 있는데, 이들 지지체는 비표면적이 커서 활성 성분을 지지체 상에 고루 분산시키는 효과가 있는 반면에, 열전달 효율이 저조하다는 단점이 있다.In reactions for producing liquid hydrocarbons (C 5 +) from synthesis gas by FTS reaction, mainly cobalt-based catalysts are used. Cobalt-based catalysts are known to have excellent selectivity for hydrocarbons due to their high carbon monoxide conversion, long life and low CO 2 production rates. However, since the cobalt-based catalyst predominantly generates methane (CH 4 ) in the high temperature region of 300 ° C or higher, it is important to design the catalyst to control the local high temperature region through the temperature control of the catalyst layer. In the case of designing such a cobalt catalyst, alumina, silica, titania or the like having porous pores which are thermally and chemically stable are used as supports. These supports have a large specific surface area so that the active component is dispersed evenly on the support While the heat transfer efficiency is low.
최근에는 열전달 효과가 우수한 실리콘카바이드(SiC)를 지지체로 사용하여 FTS 반응을 수행하는 방법에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 예를 들면, 미국등록특허 제5,710,093호에서는 실리카 졸에 SiC를 혼합하여 지지체로 성형한 후에, 코발트 활성금속을 담지시킨 FTS 반응용 촉매가 개시되어 있다. 또한, 실리콘카바이드(SiC) 지지체 표면을 알루미나로 코팅한 후에, 코발트 활성금속을 담지시킨 FTS 반응용 촉매가 공개되어 있다. [Applied Catalysis A: General 397 (2011), pp.62-72; 한국공개특허 2014-28503호] 그러나 실리콘카바이드(SiC) 지지체는 비표면적이 낮고, 기공의 크기가 큰 단점으로 인하여, FTS 반응용 촉매 지지체로 사용하기엔 한계가 있다.In recent years, studies have been actively conducted on a method of performing FTS reaction using silicon carbide (SiC) having excellent heat transfer effect as a support. For example, U.S. Patent No. 5,710,093 discloses a catalyst for FTS reaction in which SiC is mixed with silica sol to form a support and then a cobalt-activated metal is supported thereon. Further, there is disclosed a catalyst for FTS reaction in which a surface of a silicon carbide (SiC) support is coated with alumina and then a cobalt active metal is supported. [Applied Catalysis A: General 397 (2011), pp. 62-72; Korean Patent Publication No. 2014-28503). However, silicon carbide (SiC) supports have a low specific surface area and a large pore size, and therefore, they are limited to use as a catalyst support for FTS reaction.
이에 본 발명의 발명자들은 FTS 반응용 코발트 촉매의 지지체로서 열적 및 화학적으로 안정하면서 높은 비표면적을 가지고 있어 활성금속의 고른 담지가 가능하고, 열전달 효율이 우수하면서 FTS 반응에 필요한 균일한 크기의 기공을 가지는 지지체를 개발하고자 연구 노력하였다. Accordingly, the inventors of the present invention have found that the support of a cobalt catalyst for FTS reaction is stable thermally and chemically, and has a high specific surface area, thereby enabling stable loading of active metals and excellent uniformity of heat transfer efficiency and uniform pore size required for FTS reaction We have made efforts to develop a support for the scaffold.
그 결과, 실리카 전구체에 알루미늄, 철 등의 전이금속과 실리콘카바이드(SiC)를 동시에 포함시켜 수열반응을 수행하여, 메조포러스(mesoporous) 실리카 내부 구조 중에 상기 전이금속과 실리콘카바이드(SiC)가 고루 분포되어 존재하는 개질된 메조포러스 실리카를 제조하여 피셔-트롭시 합성 반응용 지지체로 사용함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
As a result, a hydrothermal reaction is carried out by simultaneously containing a transition metal such as aluminum or iron and silicon carbide (SiC) in the silica precursor, and the transition metal and silicon carbide (SiC) are uniformly distributed in the mesoporous silica inner structure And the resulting mesoporous silica was used as a support for a Fischer-Tropsch synthesis reaction, thereby completing the present invention.
본 발명은 전이금속과 실리콘 카바이드에 의해 개선된 실리카 지지체에 신규 코발트 촉매를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a novel cobalt catalyst in a silica support improved by transition metals and silicon carbide.
또한, 본 발명은 상기한 신규 코발트계 촉매를 이용하여 합성가스(CO + H2)로부터 액체탄화수소류(C5+)를 고 수율로 제조하는 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
Another object of the present invention is to provide a process for producing liquid hydrocarbons (C 5 +) from a synthesis gas (CO + H 2 ) at a high yield by using the novel cobalt-based catalyst.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 메조다공성 실리카에 전이금속(X)과 실리콘카바이드(SiC)를 포함시켜 개질된 실리카 지지체에, 코발트 활성금속이 담지되어 있는 하기 화학식 1로 표시되는 피셔-트롭시 합성용 코발트 촉매를 그 특징으로 한다.In order to solve the above-described problems, the present invention provides a silica support having a modified cobalt-activated metal supported on a mesoporous silica containing a transition metal (X) and silicon carbide (SiC) And a cobalt catalyst for synthesis.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
Co/SiC-X-실리카Co / SiC-X-silica
(상기 화학식 1에서, X는 알루미늄(Al) 및 철(Fe)로 이루어진 군으로부터 선택된 전이금속이다)
Wherein X is a transition metal selected from the group consisting of aluminum (Al) and iron (Fe)
또한, 본 발명은 ⅰ)계면활성제와 염산이 포함된 수용액에, 실리카 전구체, 전이금속(X)의 전구체 및 SiC를 용해시켜 전구체 용액을 제조하는 과정; ⅱ)상기 전구체 용액을 30 ∼ 60℃에서 수열 반응시키는 과정; ⅲ)상기 반응 용액을 90 ∼ 120℃에서 숙성시킨 후에 여과 세척, 건조 및 소성하여 개질된 실리카 지지체를 제조하는 과정; 및 ⅳ)상기 개질된 실리카 지지체에 코발트를 담지시켜 상기 화학식 1로 표시되는 코발트 촉매를 제조하는 과정; 을 포함하는 피셔-트롭시 합성용 코발트 촉매의 제조방법을 또 다른 특징으로 한다.
The present invention also provides a process for preparing a precursor solution, comprising: i) dissolving a silica precursor, a precursor of a transition metal (X) and SiC in an aqueous solution containing a surfactant and hydrochloric acid to prepare a precursor solution; Ii) subjecting the precursor solution to a hydrothermal reaction at 30 to 60 ° C; Iii) aging the reaction solution at 90 to 120 ° C., followed by filtration washing, drying and calcination to prepare a modified silica support; And iv) supporting cobalt on the modified silica support to prepare a cobalt catalyst represented by Formula 1; Wherein the cobalt catalyst is a catalyst for synthesis of Fischer-Tropsch synthesis.
또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 코발트계 촉매 하에서, 합성가스를 원료로 사용하여 피셔-트롭시 합성 반응시켜 액체탄화수소류(C5+)를 제조하는 방법을 또 다른 특징으로 한다.
The present invention also provides a method for producing liquid hydrocarbons (C 5 +) by a Fischer-Tropsch synthesis reaction using a synthesis gas as a raw material under a cobalt-based catalyst represented by the formula (1).
본 발명의 지지체는 전이금속과 실리콘카바이드(SiC)에 의해 동시에 개선된 메조다공성 실리카 지지체로서, 전이금속에 의한 개질작용으로 촉매의 환원특성을 개선하고, 실리콘카바이드에 의한 개질작용으로 국부열 제거로 인한 촉매의 비활성화 효과를 억제 할 수 있다.The support of the present invention is a mesoporous silica support improved at the same time by a transition metal and silicon carbide (SiC), which improves the reduction characteristics of the catalyst by a modification reaction by a transition metal, It is possible to suppress the deactivation effect of the catalyst.
본 발명의 코발트 촉매는 상기한 개선된 실리카 지지체에 담지된 촉매로서, 피셔-트롭시 합성반응에 적용되어 수소와 일산화탄소의 전환율을 높이고 디젤 범위의 액체탄화수소류(C5+)의 선택도를 높이는 촉매활성을 나타낸다. 따라서 본 발명의 코발트계 촉매는 수송용 연료로 사용되는 친환경 디젤의 생산을 극대화 시키는 효과가 있다.
The cobalt catalyst of the present invention is a catalyst supported on the above-mentioned improved silica support and is applied to the Fischer-Tropsch synthesis reaction to increase the conversion ratio of hydrogen and carbon monoxide and increase the selectivity of liquid hydrocarbons (C 5 +) in the diesel range And exhibits catalytic activity. Therefore, the cobalt-based catalyst of the present invention has the effect of maximizing the production of eco-friendly diesel used as fuel for transportation.
도 1은 실시예 1∼3 및 비교예 1∼3에서 제조된 코발트 촉매의 환원 특성을 비교하기 위한 TPR 분석 결과이다.
도 2는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1의 촉매에 대한 XRD 분석 결과이다.
도 3은 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1의 촉매에 대한 소각 X선 산란 (SAXS; Small Angle Xray Scattering) 분석 결과이다.
FIG. 1 shows the results of TPR analysis for comparing the reduction characteristics of the cobalt catalysts prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3.
Fig. 2 shows XRD analysis results of the catalysts of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. Fig.
FIG. 3 is a result of analysis of small angle X-ray scattering (SAXS) on the catalysts of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. FIG.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 메조다공성 실리카에 전이금속(X)과 실리콘카바이드(SiC)를 포함시켜 개선된 실리카 지지체에, 코발트계 활성금속이 담지되어 있는 피셔-트롭시 합성용 코발트계 촉매에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 피셔-트롭시 합성용 코발트 촉매의 지지체로서 전이금속(X)과 실리콘카바이드(SiC)에 의해 동시에 개질된 실리카를 사용한 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, there is provided a method for producing a silica-based catalyst, which comprises adding a transition metal (X) and silicon carbide (SiC) to mesoporous silica, Based catalyst. That is, the present invention is characterized in that silica modified at the same time by a transition metal (X) and silicon carbide (SiC) is used as a support of a cobalt catalyst for Fischer-Tropsch synthesis.
상기 개선된 실리카 지지체는 'SiC-X-실리카'로 표시될 수 있다. 이때 실리카는 BET 비표면적이 500 ∼ 700 ㎡/g 이고, 기공부피가 0.5 ∼ 1 ㎤/g 이고, 평균기공크기가 5 ∼ 10 nm인 메조다공성(mesoporous) 실리카일 수 있다. 합성을 통해 얻어질 수 있는 메조다공성 실리카는 구체적으로 SBA-1, SBA-15, SBA-16, KIT-6, MCM-48, MCF(mesocellular siliceous foam), MSU 등이 포함될 수 있다. The improved silica support may be referred to as 'SiC-X-silica'. The silica may be a mesoporous silica having a BET specific surface area of 500 to 700
또한, 개선된 실리카 지지체는 실리카를 구성하는 실록시 그룹(SiO)에 대비되는 전이금속(X)과 실리콘카바이드(SiC)의 몰비에 의해 물리 화학적 특성이 달라질 수 있게 되는데, 실록시 그룹(SiO) 1 몰을 기준으로 전이금속(X)은 0.02 ∼ 0.2 몰비 및 실리콘카바이드(SiC)는 0.02 ∼ 0.2 몰비 범위로 포함될 수 있다. 만약 전이금속의 함량이 0.02 몰비 미만이면 전이금속에 의한 실리카 개선효과를 얻을 수 없고, 0.2 몰비를 초과하면 메조다공성 실리카 본연의 구조를 무너뜨릴 수가 있다. 또한, 실리콘카바이드(SiC)의 함량이 0.02 몰비 미만이면 국부열 제거 효과가 잘 나타나지 않으며, 0.2 몰비를 초과하면 과잉 SiC에 의해 전이금속에 의한 실리카 개질를 방해할 수가 있으므로 상기의 몰비 범위로 포함시킬 수 있다.In addition, the improved silica support may have a physico-chemical property different from that of the siloxane group (SiO) constituting the silica due to the molar ratio of the transition metal (X) to silicon carbide (SiC) The transition metal (X) may be included in a range of 0.02 to 0.2 molar ratio and the silicon carbide (SiC) may be included in a range of 0.02 to 0.2 molar ratio based on 1 mol. If the content of the transition metal is less than 0.02 mol, the effect of improving the silica by the transition metal can not be obtained. If the content of the transition metal is more than 0.2 mol, the structure of the mesoporous silica can be broken down. If the content of silicon carbide (SiC) is less than 0.02 mol, the local heat removal effect is not exhibited. If the molar ratio exceeds 0.2 mol, excess SiC may interfere with silica modification by the transition metal. have.
또한, 상기 메조다공성 실리카를 개선시키기 위해 사용된 전이금속(X)과 실리콘카바이드(SiC) 사이의 몰비 조절에 의해서도 지지체의 물리 화학적 특성이 달라질 수 있게 되는데, X/SiC의 몰비는 1 ∼ 2 범위를 이루도록 한다. 만약 X/SiC의 몰비가 1 미만이면 전이금속의 환원효과와 SiC 의 국부열 제거효과가 나타나지 않고, 2 몰비를 초과하면 메조포러스한 SBA-15구조가 생기지 않을뿐더러 전이금속이 환원성을 낮추기 때문에 촉매 활성이 떨어질 수 있다.Also, the physico-chemical properties of the support can be changed by adjusting the molar ratio between the transition metal (X) and the silicon carbide (SiC) used for improving the mesoporous silica. The molar ratio of X / SiC ranges from 1 to 2 . If the molar ratio of X / SiC is less than 1, there is no reduction effect of the transition metal and local heat removal effect of SiC. If the molar ratio of X / SiC is more than 2, the mesoporous SBA-15 structure is not formed, Activity may be lowered.
이상에서 설명한 개선된 실리카 지지체에 코발트계 활성금속을 담지시켜, 본 발명이 목적하는 피셔-트롭시 합성용 코발트계 촉매를 제조한다. 본 발명에서는 지지체에 담지되는 코발트 활성금속의 담지량에 특별한 제한을 두지 않으며, 통상의 담지량 범위로 담지될 수 있다. 코발트 활성금속의 담지량을 구체적으로 예시하면, 지지체 중량을 기준으로 0.1 ∼ 30 중량% 범위로 담지될 수 있다.
Based on the above-described improved silica support, a cobalt-based active metal is supported to prepare a desired cobalt-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis according to the present invention. In the present invention, there is no particular limitation on the loading amount of the cobalt-active metal to be supported on the support, and it may be carried in a range of the usual supported amount. The amount of the cobalt-active metal to be supported may be specifically in the range of 0.1 to 30% by weight based on the weight of the support.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 전이금속(X)과 실리콘카바이드(SiC)에 의해 동시에 개선된 실리카 지지체에 담지된 피셔-트롭시 합성용 코발트계 촉매의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 제조방법에서는 메조포러스 실리카 형성을 위하여 고분자 계면활성제를 주형으로 사용하고, 실리카 전구체의 졸-겔 반응을 수행한다. According to another aspect of the present invention, the present invention relates to a process for preparing a cobalt-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis, supported on a silica support simultaneously modified by transition metal (X) and silicon carbide (SiC). In the production process according to the present invention, a polymer surfactant is used as a template for mesoporous silica formation, and a sol-gel reaction of a silica precursor is performed.
상기한 본 방명에 따른 촉매의 제조방법은 ⅰ)계면활성제와 염산이 포함된 수용액에, 실리카 전구체, 전이금속(X)의 전구체 및 SiC를 용해시켜 전구체 용액을 제조하는 과정; ⅱ)상기 전구체 용액을 30 ∼ 60℃에서 수열 반응시키는 과정; ⅲ)상기 반응 용액을 90 ∼ 120℃에서 숙성시킨 후에 여과 세척, 건조 및 소성하여 개선된 실리카 지지체를 제조하는 과정; 및 ⅳ)상기 개선된 실리카 지지체에 코발트를 담지시켜 상기 화학식 1로 표시되는 코발트 촉매를 제조하는 과정을 포함한다.The process for preparing a catalyst according to the present invention comprises the steps of: i) dissolving a precursor of a silica precursor, a precursor of a transition metal (X) and SiC in an aqueous solution containing a surfactant and hydrochloric acid to prepare a precursor solution; Ii) subjecting the precursor solution to a hydrothermal reaction at 30 to 60 ° C; Iii) aging the reaction solution at 90 to 120 ° C., followed by filtration, washing, drying and calcining to prepare an improved silica support; And iv) supporting the improved silica support with cobalt to prepare a cobalt catalyst represented by the above formula (1).
본 발명에 따른 촉매의 제조방법을 각 과정별로 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.The process for preparing the catalyst according to the present invention will be described in more detail below.
ⅰ)과정은 전구체 용액을 제조하는 과정으로서, 계면활성제와 염산이 포함된 수용액에 실리카 전구체, 전이금속(X)의 전구체 및 SiC를 용해시켜 전구체 용액을 제조한다.Process i) is a process for preparing a precursor solution, in which a precursor solution is prepared by dissolving a silica precursor, a precursor of a transition metal (X) and SiC in an aqueous solution containing a surfactant and hydrochloric acid.
상기 계면활성제는 메조포러스 실리카 제조를 위한 주형으로 사용되며, Pluronic F127, Pluronic P123, Triton-X 등의 고분자 계면활성제가 사용될 수 있다. 실리카 전구체로는 테트라알콕시 오르쏘실리케이트 등이 사용될 수 있는데, 구체적으로 테트라메틸 오르쏘실리케이트(Tetramethyl Orthosilicate), 테트라에틸 오르쏘실리케이트(Tetraethyl Orthosilicate) 등이사용될 수 있다. 그리고 전이금속의 전구체는 알루미늄(Al), 철(Fe) 등의 전이금속이 포함된 알콕사이드, 할라이드, 질산염, 황산염, 아세트산염, 아세토아세트네이트염 등의 화합물이 사용될 수 있다.The surfactant is used as a template for preparing mesoporous silica, and polymer surfactants such as Pluronic F127, Pluronic P123, and Triton-X may be used. As the silica precursor, tetraalkoxyorthosilicate and the like can be used. Specifically, tetramethylorthosilicate, tetraethylorthosilicate and the like can be used. As the precursor of the transition metal, compounds such as alkoxide, halide, nitrate, sulfate, acetate and acetoacetonate salts including transition metals such as aluminum (Al) and iron (Fe) can be used.
상기에 제시된 대로 실리카를 구성하는 실록시 그룹(SiO)에 대비되는 전이금속(X)과 실리콘카바이드(SiC)의 몰비에 의해 그리고 전이금속(X)/실리콘카바이드(SiC)의 몰비에 의해 지지체의 물리 화학적 특성이 달라질 수 있으므로, 본 발명이 제안하는 X/SiO 몰비, SiC/SiO 몰비, X/SiC 몰비는 유지하는 것이 좋다.(X) and silicon carbide (SiC) and the molar ratio of the transition metal (X) / silicon carbide (SiC) to the siloxyl group (SiO) It is preferable to maintain the X / SiO molar ratio, the SiC / SiO molar ratio, and the X / SiC molar ratio proposed by the present invention.
ⅱ)과정은 수열 반응을 통해 졸-겔화 하는 과정으로서, 상기 수열 반응은 30℃ ∼ 60℃에서 수행한다.The process ii) is a process of sol-gelation through a hydrothermal reaction, and the hydrothermal reaction is carried out at 30 ° C to 60 ° C.
ⅲ)과정은 상기 수열 반응한 용액을 숙성, 여과, 세척, 건조 및 소성을 통해 개질된 실리카 지지체를 제조하는 과정이다. 상기 숙성은 80 ∼ 120℃에서 16 ∼ 32시간 동안 진행되며, 숙성 후에는 여과 세척하고 90 ∼ 120℃에서 건조한다. 소성은 1 ∼ 10℃/min의 승온속도로 상온에서 500 ∼ 600℃ 범위로 승온하여 5 ∼ 20시간동안 수행한다.Iii) is a process for preparing a modified silica support by aging, filtering, washing, drying and calcining the hydrothermally treated solution. The aging is carried out at 80 to 120 ° C for 16 to 32 hours, followed by filtration washing and drying at 90 to 120 ° C. The firing is carried out at a temperature raising rate of 1 to 10 ° C / min, at a room temperature, in a temperature range of 500 to 600 ° C and for 5 to 20 hours.
상기 ⅰ), ⅱ) 및 ⅲ)과정은 일종의 메조다공성 실리카의 합성과정으로, 지지체의 개선을 위해 사용된 전이금속(X)과 SiC는 메조다공성 실리카의 결정구조 또는 기공에 고루 분포되어 존재한다. 상기 ⅰ), ⅱ) 및 ⅲ)과정을 통해 제조될 수 있는 메조다공성 실리카는 구체적으로 SBA-1. SBA-15, SBA-16, KIT-6, MCM-48, MCF(mesocellular siliceous foam), MSU 등이 포함될 수 있다.The above processes (i), (ii) and (iii) are a process for synthesizing a mesoporous silica, and the transition metal (X) and SiC used for the improvement of the support are uniformly dispersed in the crystal structure or pores of the mesoporous silica. The mesoporous silica which can be produced by the above steps i), ii) and iii) is specifically SBA-1. SBA-15, SBA-16, KIT-6, MCM-48, mesocellular siliceous foam (MCF), and MSU.
ⅳ)과정은 개질된 실리카 지지체에 코발트 활성금속을 담지시켜 코발트 촉매를 제조하는 과정이다. 코발트 활성금속 담지를 위해 코발트 전구체를 사용하며, 코발트 전구체로는 알콕사이드, 할라이드, 질산염, 황산염, 아세트산염, 아세토아세트네이트염 등의 화합물이 사용될 수 있다. The process iv) is a process for preparing a cobalt catalyst by supporting a cobalt active metal on a modified silica support. A cobalt precursor is used for supporting the cobalt active metal, and as the cobalt precursor, compounds such as alkoxide, halide, nitrate, sulfate, acetate and acetoacetate can be used.
본 발명에서는 코발트 활성금속을 지지체에 담지시키는 방법으로서, 반복건조 함침법(Repeated Drying Impregnation)을 수행한다. 즉, 코발트 전구체를 증류수에 용해시켜 제조된 코발트 용액을 지지체에 함침하고 건조하는 과정을 반복적으로 수행하여 코발트를 지지체에 담지시킨다.In the present invention, as a method of supporting the cobalt-active metal on the support, repetitive drying impregnation is performed. That is, a cobalt solution prepared by dissolving a cobalt precursor in distilled water is impregnated into a support and dried, thereby carrying cobalt on a support.
상기의 제조방법을 수행하여 제조된 코발트 촉매는, BET 비표면적이 500 ∼ 700 ㎡/g 이고, 기공부피가 0.5 ∼ 1 ㎤/g 이고, 평균기공크기가 5 ∼ 10 nm이이다.
The cobalt catalyst prepared by the above process has a BET specific surface area of 500 to 700
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기한 코발트 촉매 하에서, 합성가스를 원료로 사용하여 피셔-트롭시 합성 반응을 수행하여 액체탄화수소류를 제조하는 방법에 관한 것이다.According to another aspect of the present invention, the present invention relates to a method for producing liquid hydrocarbons by performing a Fischer-Tropsch synthesis reaction using a synthesis gas as a raw material under the above-mentioned cobalt catalyst.
본 발명이 수행하는 FTS 반응은 통상의 방법에 의해 수행되며, 본 발명은 FTS 반응 조건에 특별한 제한을 두지 않는다. 일반적인 FTS 반응 조건은 반응원료로 합성가스를 사용하여, 반응온도 200∼300℃, 반응압력 10∼50 bar 및 H2/CO = 2∼2.3의 조건으로 실시한다.The FTS reaction performed by the present invention is carried out by a conventional method, and the present invention does not have any particular limitation on the FTS reaction conditions. Typical FTS reaction conditions are reaction conditions using a synthesis gas at a reaction temperature of 200 to 300 ° C, a reaction pressure of 10 to 50 bar and a H 2 / CO = 2 to 2.3.
본 발명에 따른 코발트 촉매를 이용한 FTS 반응에 의하면, 일산화탄소의 전환율과 액체탄화수소(C5+)의 수율을 극대화하는 효과가 있다.The FTS reaction using the cobalt catalyst according to the present invention has an effect of maximizing the conversion of carbon monoxide and the yield of liquid hydrocarbon (C 5 +).
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 하기의 실시예 및 실험예에 의거하여 더욱 상세히 설명하도록 한다. 다만 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐, 본 발명의 권리 범위가 이들 실시예 및 실험예로 한정되는 것은 아니다.
The present invention as described above will be described in more detail based on the following examples and experimental examples. It is to be understood, however, that the following Examples and Experiments are presented only for the understanding of the contents of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these Examples and Experimental Examples.
[실시예] 촉매의 제조
[Examples] Preparation of Catalyst
실시예 1. Co/SiC-Al-실리카 촉매(Al/SiC 몰비= 1)의 제조Example 1. Preparation of Co / SiC-Al-silica catalyst (Al / SiC mole ratio = 1)
메조포러스(mesoporous) 실리카 지지체 제조방법으로서 Q. Yang의 그룹이 제안한 SBA-15의 제조방법[J Porous Mater 13, 187 (2006)]에 의거하여, SiC-Al-실리카 지지체를 제조하였다.An SiC-Al-silica support was prepared according to the preparation method of SBA-15 ( J Porous Mater 13 , 187 (2006)) proposed by Q. Yang's group as a mesoporous silica support preparation method.
즉, 계면활성제로서 Pluronic P123 (Sigma-Aldrich; [Poly(EO)-b-poly(PO)-b-poly(EO)) 4 g을 증류수 130 mL에 넣고 완전히 용해될 때까지 교반한 후에, 38% HCl 수용액 20 mL를 넣고 1시간 정도 교반하였다. 상기 용액에, 전구체로서 테트라에틸 오르쏘실리케이트(TEOS), 알루미늄 이소프로폭사이드 및 실리콘 카바이드를 첨가하고 50℃에서 8시간 교반하였다. 이때 실리카 전구체의 실란(Si)원소를 기준으로 알루미늄(Al) 및 SiC의 몰비가 1: 0.11: 0.11를 이루도록 전구체의 함량비를 조절하였다. I.e., Pluronic P123 as a surfactant (Sigma-Aldrich; [Poly ( EO) - b -poly (PO) - b -poly (EO)) 4 g of distilled water then placed in a 130 mL stirred until complete dissolution, 38 % HCl aqueous solution was added thereto, followed by stirring for about 1 hour. To this solution, tetraethylorthosilicate (TEOS), aluminum isopropoxide and silicon carbide were added as precursors, and the mixture was stirred at 50 DEG C for 8 hours. At this time, the content ratio of the precursor was adjusted so that the molar ratio of aluminum (Al) and SiC was 1: 0.11: 0.11 based on the silane (Si) element of the silica precursor.
반응이 완료되면 80℃에서 24시간동안 숙성시킨 후에, 생성물을 여과 건조하였다. 1℃/min의 승온속도로 상온에서 550℃까지 승온하고 550℃에서 5시간동안 소성하여 메조다공성 실리카(SBA-15) 내부에 알루미늄(Al)과 SiC가 포함되어 있는 'SiC-Al-SBA-15' 지지체를 제조하였다. After the reaction was completed, the reaction product was aged at 80 DEG C for 24 hours, and then the product was filtered and dried. (SiC-Al-SBA-15) containing aluminum (Al) and SiC inside the mesoporous silica (SBA-15) was obtained by raising the temperature from room temperature to 550 ° C at a heating rate of 1 ° C / min and calcining at 550 ° C for 5 hours. 15 'support.
상기에서 제조된 SiC-Al-SBA-15 지지체를 200℃에서 24시간동안 소성하여 지지체에 포함된 수분을 제거하였다. 그리고, 지지체 중량 대비 코발트계 활성금속의 함량이 20 중량%가 되도록 코발트 나이트레이트(Co(NO3)2??6H2O)를 칭량하여 증류수에 용해시켜 코발트 용액을 제조하되, 증류수는 지지체의 기공부피 대비 2.5 부피배를 사용하였다. 코발트 용액은 3시간 동안 교반하였다. 코발트 용액 중 0.2 mL를 취하여 삼투압현상을 이용한 함침방식으로 수분이 완전히 제거된 상기 지지체에 함침시킨 후에, 60℃ 진공오븐에서 1시간동안 건조하였다. 상기 함침 및 건조는 코발트 용액이 전부 소진될 때까지 반복하여 실시하였으며, 이러한 함침과정을 본 발명에서는 반복건조 함침법(Repeated Drying Impregnation)이라 명명한다. The SiC-Al-SBA-15 support prepared above was fired at 200 ° C for 24 hours to remove moisture contained in the support. Cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 6H 2 O) is weighed so that the content of the cobalt-based active metal is 20 wt% based on the weight of the support, and dissolved in distilled water to prepare a cobalt solution. 2.5 volume times the pore volume was used. The cobalt solution was stirred for 3 hours. 0.2 mL of the cobalt solution was impregnated into the supporter in which moisture was completely removed by an impregnation method using osmotic pressure, and then dried in a 60 ° C. vacuum oven for 1 hour. The impregnation and drying were repeated until all the cobalt solution was exhausted. This impregnation process was referred to as Repeated Drying Impregnation in the present invention.
상기 반복건조 함침과정을 통해서 제조된 코발트 담지 촉매는 80℃ 진공오븐에서 24시간 동안 건조시킨 후, 500℃에서 상압 및 공기 분위기 하에서 12시간 동안 소성하여 목적하는 Co/SiC-Al-SBA-15 촉매를 제조하였다.
The cobalt supported catalyst prepared through the repeated dry impregnation process was dried in a vacuum oven at 80 ° C. for 24 hours and then calcined at 500 ° C. under atmospheric pressure and air atmosphere for 12 hours to obtain the desired Co / SiC-Al-SBA-15 catalyst .
실시예 2. Co/SiC-Al-SBA-15 촉매(Al/SiC 몰비= 2)의 제조Example 2. Preparation of Co / SiC-Al-SBA-15 catalyst (Al / SiC molar ratio = 2)
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 Co/SiC-Al-SBA-15 촉매를 제조하되, 지지체 제조할 때 실리카 전구체의 실란(Si)원소 대비 알루미늄(Al) 및 SiC의 몰비가 1: 0.11: 0.056를 이루도록 전구체의 함량비를 조절하였다.
(Al) and SiC in a ratio of 1: 0.11: 0.056 to the silane (Si) element of the silica precursor in the preparation of a Co / SiC-Al- The content ratio of the precursors was adjusted.
실시예 3. Co/SiC-Fe-SBA-15 촉매(Al/SiC 몰비= 1)의 제조Example 3. Preparation of Co / SiC-Fe-SBA-15 catalyst (Al / SiC molar ratio = 1)
철 전구체로서 질산철을 사용하여, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 Co/SiC-Fe-실리카 촉매를 제조하였다. 다만, 지지체 제조할 때 실리카 전구체의 실란(Si)원소 대비 철(Fe) 및 SiC의 몰비가 1: 0.11: 0.11를 이루도록 전구체의 함량비를 조절하였다.
A Co / SiC-Fe-silica catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that iron nitrate was used as an iron precursor. However, the precursor content ratio was adjusted so that the molar ratio of iron (Fe) and SiC to the silane (Si) element of the silica precursor was 1: 0.11: 0.11.
비교제조예 1. Co/SBA-15 촉매의 제조Comparative Preparation Example 1. Preparation of Co / SBA-15 catalyst
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 Co/SBA-15 촉매를 제조하되, 지지체 제조할 때 전구체로서는 테트라에틸 오르쏘실리케이트(TEOS) 만을 사용하였다.
Co / SBA-15 catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that tetraethylorthosilicate (TEOS) alone was used as a precursor.
비교제조예 2. Co/Al-SBA-15 촉매의 제조Comparative Preparation Example 2. Preparation of Co / Al-SBA-15 catalyst
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 Co/Al-SBA-15 촉매를 제조하되, 지지체 제조할 때 실리카 전구체의 실란(Si)원소 대비 알루미늄(Al)의 몰비가 1: 0.11를 이루도록 전구체의 함량비를 조절하였다.
Co / Al-SBA-15 catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that the ratio of the precursor was adjusted so that the molar ratio of the aluminum (Al) to the silane (Si) element of the silica precursor was 1: Respectively.
비교제조예 3. Co/SiC-실리카 촉매의 제조Comparative Preparation Example 3. Preparation of Co / SiC-silica catalyst
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 Co/SiC-실리카 촉매를 제조하되, 지지체 제조할 때 실리카 전구체의 실란(Si)원소 대비 SiC의 몰비가 1: 0.11 를 이루도록 전구체의 함량비를 조절하였다.
A Co / SiC-silica catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that the ratio of the precursors was controlled so that the molar ratio of SiC to the silane (Si) in the silica precursor was 1: 0.11.
상기 실시예 1∼3 및 비교예 1∼3에서 제조된 각각의 촉매에 대한 Al/SiC의 몰비, SiC/SiO의 몰비, Al/SiO의 몰비, BET 비표면적, 기공부피, 평균기공크기는 하기 표 1에 정리하여 나타내었다.The molar ratio of Al / SiC, the molar ratio of SiC /
(m2g-1)BET surface area
(m 2 g -1 )
(cm3g-1)Pore volume
(cm 3 g -1 )
(실시예 1)Co / SiC-Al-SBA-15
(Example 1)
(실시예 2)Co / SiC-Al-SBA-15
(Example 2)
(실시예 3)Co / SiC-Fe-SBA-15
(Example 3)
(비교예 1)Co / SBA-15
(Comparative Example 1)
(비교예 2)Co / Al-SBA-15
(Comparative Example 2)
(비교예 3)Co / SiC-SBA-15
(Comparative Example 3)
[실험예]
[Experimental Example]
실험예 1. 피셔-트롭시 합성반응Experimental Example 1. Fischer-Tropsch synthesis reaction
상기 실시예 1∼3 및 비교예 1∼3에서 제조된 각각의 코발트계 촉매에 대한 피셔-트롭시 합성반응에서의 효능을 확인하기 위하여 하기와 같은 실험을 실시하였다,The following experiments were carried out to confirm the effect of each of the cobalt-based catalysts prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 in the Fischer-Tropsch synthesis reaction.
3/8인치 스테인레스 재질의 고정층 반응기(Fixed Bed Reactor)에 코발트계 촉매 0.2 g을 충진하고, 450℃의 수소 기체 10 mL/min를 공간속도 1200 mL/g cat/hr 조건으로 주입하여 12 시간 환원 전처리를 실시하였다. 피셔-트롭쉬 합성반응은 상기 반응 중에서 일어나는 촉매의 안정성 테스트를 위하여, 비교적 극한의 조건이라 할 수 있는 반응온도 230℃, 반응압력 20 bar, 공간속도 5000 mL/g cat/hr의 조건에서 H2/CO = 2 몰비 조건하에서 수행하였다. 반응은 100 시간을 운영하였다. 상기 피셔-트롭쉬 합성반응으로 얻어진 생성물은 Carbon-Sphere 컬럼과 HP-5 컬럼을 이용하여 가스 크로마토그래피를 통한 정성/정량 분석하였다. 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.A fixed bed reactor of 3/8 inch stainless steel was filled with 0.2 g of a cobalt-based catalyst and hydrogen gas (10 mL / min) at 450 ° C was injected at a space velocity of 1200 mL / g cat / hr. Pretreatment was carried out. Fischer-Tropsch synthesis reaction to a stability test of the catalyst takes place in the reaction, at a comparatively which is the extreme conditions of reaction temperature 230 ℃, a reaction pressure of 20 bar, the conditions of a space velocity of 5000 mL / g cat /
(실시예 1)Co / SiC-Al-SBA-15
(Example 1)
(실시예 2)Co / SiC-Al-SBA-15
(Example 2)
(실시예 3)Co / SiC-Fe-SBA-15
(Example 3)
(비교예 1)Co / SBA-15
(Comparative Example 1)
(비교예 2)Co / Al-SBA-15
(Comparative Example 2)
(비교예 3)Co / SiC-SBA-15
(Comparative Example 3)
도 1은 실시예 1∼3 및 비교예 1∼3에서 제조된 코발트 촉매의 환원 특성을 비교하기 위한 TPR 분석 결과이다. 도 1에 의하면, 전이금속과 실리콘카바이드에 의해 개질된 실리카 지지체에 담지된 실시예 1∼3의 촉매가, 비교예 1∼3의 촉매에 비교하여 최대 환원온도가 저온으로 이동되어 있으므로 보다 환원성이 우수함을 확인할 수 있다.FIG. 1 shows the results of TPR analysis for comparing the reduction characteristics of the cobalt catalysts prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3. 1 shows that the catalysts of Examples 1 to 3 carried on a silica support modified with a transition metal and silicon carbide are more reducible than the catalysts of Comparative Examples 1 to 3 because the maximum reduction temperature is lowered It can be confirmed that it is excellent.
도 2는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1의 촉매에 대한 XRD 분석 결과이다. 도 2에 의하면 실시예 1 및 2의 촉매는 비교예 1의 촉매에 대비하여 결정성에서 큰 차이가 없음을 확인할 수 있다. 이로써 메조포러스 실리카(SBA-15) 지지체 내부에 전이금속과 실리콘카바이드(SiC)가 SBA-15 결정 구조에 전혀 영향을 미치지 않고 안정적으로 포함되어 있음을 알 수 있다.Fig. 2 shows XRD analysis results of the catalysts of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. Fig. FIG. 2 shows that the catalysts of Examples 1 and 2 have no significant difference in crystallinity as compared with the catalyst of Comparative Example 1. It can be seen that the transition metal and silicon carbide (SiC) are stably contained in the mesoporous silica (SBA-15) support without any influence on the SBA-15 crystal structure.
보다 정확하게 결정구조를 파악하기 위하여, 도 3에는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에 의해 제조된 촉매에 대한 소각 X선 산란 (SAXS; Small Angle Xray Scattering) 분석 결과를 나타내었다. 도 3에 의하면, 실시예 1 및 2의 촉매는 비교예 1의 촉매의 동일한 결정구조를 가지고 있음을 알 수 있고, Al/SiC의 몰비에 따라 메조포러스 기공의 크기가 달라짐을 확인할 수 있었다. 또한 실시예 1 보다 실시예 2에서 SBA-15 구조(100)가 감소함을 알 수 있다. 도 1에 나타나듯이 SiC와 Al의 효과로 인하여 전이금속에 의한 개질작용으로 촉매의 환원특성을 개선하면서 SBA-15특징을 가지는 구조(100)를 유지하기 위해서는 Al/SiC의 최적의 몰비 범위가 1 ∼ 2 임을 확인할 수 있었다. In order to grasp the crystal structure more accurately, FIG. 3 shows the results of SAXS (Small Angle Xray Scattering) analysis of the catalysts prepared in Example 1, Example 2 and Comparative Example 1. FIG. 3 shows that the catalysts of Examples 1 and 2 have the same crystal structure of the catalyst of Comparative Example 1, and that the mesoporous pore size varies depending on the molar ratio of Al / SiC. In addition, it can be seen that the SBA-15 structure (100) is decreased in Example 2 than in Example 1. As shown in FIG. 1, in order to maintain the structure (100) having SBA-15 characteristics, the optimum molar ratio range of Al / SiC is 1 ~ 2.
상기의 실험 결과에 의하면, 본 발명의 코발트 촉매는 전이금속과 실리콘카바이드(SiC)에 의해 개질된 실리카 지지체를 선택 사용함으로써 피셔-트롭시 합성반응에서 일산화탄소의 전환율과 액체탄화수소(C5+)의 선택성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있게 된 것임을 확인할 수 있다.According to the above experimental results, the cobalt catalyst of the present invention can be obtained by selectively using a transition metal and a silica support modified with silicon carbide (SiC) to select the conversion of carbon monoxide and the concentration of liquid hydrocarbon (C 5 +) in the Fischer- The effect of improving the selectivity can be obtained.
Claims (7)
[화학식 1]
Co/SiC-X-실리카
(상기 화학식 1에서, X는 알루미늄(Al) 및 철(Fe)로 이루어진 군으로부터 선택된 전이금속이다)
A cobalt catalyst for Fischer-Tropsch synthesis represented by the following formula (1) wherein a cobalt-based active metal is supported on an improved silica support containing a transition metal (X) and silicon carbide (SiC) in mesoporous silica.
[Chemical Formula 1]
Co / SiC-X-silica
Wherein X is a transition metal selected from the group consisting of aluminum (Al) and iron (Fe)
상기 개선된 실리카 지지체는 실록시 그룹(SiO) 1 몰을 기준으로 전이금속(X) 0.01 ∼ 0.2 몰비 및 실리콘카바이드(SiC) 0.01 ∼ 0.2 몰비가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 피셔-트롭시 합성용 코발트 촉매.
The method according to claim 1,
Characterized in that the improved silica support comprises 0.01 to 0.2 mole ratio of transition metal (X) and 0.01 to 0.2 mole ratio of silicon carbide (SiC) based on 1 mole of siloxy group (SiO) Cobalt catalyst.
상기 개질된 실리카 지지체는 전이금속(X)/실리콘카바이드(SiC)의 몰비가 1 ∼ 2인 것을 특징으로 하는 피셔-트롭시 합성용 코발트 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the modified silica support has a molar ratio of transition metal (X) / silicon carbide (SiC) of 1 to 2.
상기 코발트 촉매는 BET 비표면적이 500 ∼ 700 ㎡/g 이고, 기공부피가 0.5 ∼ 1 ㎤/g 이고, 평균기공크기가 5 ∼ 10 nm인 것을 특징으로 하는 피셔-트롭시 합성용 코발트 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the cobalt catalyst has a BET specific surface area of 500 to 700 m 2 / g, a pore volume of 0.5 to 1 cm 3 / g, and an average pore size of 5 to 10 nm.
상기 개질된 실리카 지지체의 중량을 기준으로 코발트 활성금속이 0.1 ∼ 30 중량% 담지되어 있는 것을 특징으로 하는 피셔-트롭시 합성용 코발트 촉매.
The method according to claim 1,
And 0.1 to 30% by weight of a cobalt active metal is supported on the basis of the weight of the modified silica support.
ⅱ)상기 전구체 용액을 30 ∼ 60℃에서 수열 반응시키는 과정;
ⅲ)상기 반응 용액을 90 ∼ 120℃에서 숙성시킨 후에 여과 세척, 건조 및 소성하여 개질된 실리카 지지체를 제조하는 과정; 및
ⅳ)상기 개질된 실리카 지지체에 코발트를 담지시켜 상기 화학식 1로 표시되는 코발트계 촉매를 제조하는 과정;
을 포함하는 피셔-트롭시 합성용 코발트 촉매의 제조방법.
[화학식 1]
Co/SiC-X-실리카
(상기 화학식 1에서, X는 알루미늄(Al) 및 철(Fe)로 이루어진 군으로부터 선택된 전이금속이다)
I) dissolving a silica precursor, a precursor of a transition metal (X) and SiC in an aqueous solution containing a surfactant and hydrochloric acid to prepare a precursor solution;
Ii) subjecting the precursor solution to a hydrothermal reaction at 30 to 60 ° C;
Iii) aging the reaction solution at 90 to 120 ° C., followed by filtration washing, drying and calcination to prepare a modified silica support; And
(Iv) supporting cobalt on the modified silica support to prepare a cobalt-based catalyst represented by Formula 1;
Wherein the cobalt catalyst is selected from the group consisting of:
[Chemical Formula 1]
Co / SiC-X-silica
Wherein X is a transition metal selected from the group consisting of aluminum (Al) and iron (Fe)
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