KR20160072283A - The Preparation of manganese oxide catalyst having a high resistance to sulfur dioxide for removal nitrogen oxide - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a manganese-based oxide catalyst having high resistance to SO_2 for removing nitrogen oxide (NO_x), and a preparation method thereof. The manganese-based oxide catalyst has excellent activity for removing nitrogen oxide (NO_x) at low temperatures of 150 to 250°C, and has remarkable resistance to SO_2. The preparation method of the manganese-based oxide catalyst comprises the steps of: forming a gel by heating a mixture solution of manganese salt, copper salt, cobalt salt, base, and water; aging the resultant product at high temperature under high pressure; and quenching the product by injecting a large quantity of distilled water at room temperature while returning the pressure to normal atmosphere.

Description

이산화황에 높은 저항성을 갖는 질소산화물(NOx) 제거용 망간기반 산화물 촉매 및 그 제조방법{The Preparation of manganese oxide catalyst having a high resistance to sulfur dioxide for removal nitrogen oxide}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a manganese-based oxide catalyst for removing nitrogen oxides (NOx) having high resistance to sulfur dioxide and a preparation method thereof,

본 발명은 SO2에 높은 저항성을 갖는 질소산화물(NOx) 제거용 망간기반 산화물 촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a manganese-based oxide catalyst for removing nitrogen oxides (NO x ) having a high resistance to SO 2 and a method for producing the same.

본 발명은 복합금속산화물 촉매를 이용하여 질소산화물을 제거하는 기술 분야로서, 특히 망간을 기반으로 한 저온촉매로 SO2에 대한 높은 저항성을 갖는 촉매제조 기술이다.
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a technology for removing nitrogen oxides using a composite metal oxide catalyst, and more particularly, to a catalyst having a high resistance to SO 2 with a low temperature catalyst based on manganese.

지구온난화는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 수소불화탄소(HFC), CFCs 등 온실가스(greenhouse gas)의 농도증가로 인한 지구기온이 상승하는 현상을 말한다. 교토의정서에 의한 온실가스의 감축대상은 CO2, CH4, N2O, PFC, HFC, SF6 등의 가스이며, 의정서 의무이행 당사국은 온실가스 저감을 위한 정책 및 조치를 취해야 하며 그 분야는 에너지 효율향상, 흡수원 및 저장원 보호, 신재생에너지 개발 및 연구 등이 포함되어 있다. 특히, 아산화질소(N2O)는 CO2와 비교할 때, 화석연료인 에너지(석유, 석탄 등)가 연소할 때 발생하는 CO2를 지구온난화지수(global warming potential, GWP)를 1로 보았을 때 약 310 정도가 되는 것으로 보고되고 있다.
Global warming is a phenomenon in which global temperature rises due to the increasing concentration of carbon dioxide (CO 2), methane (CH 4), nitrous oxide (N 2 O), hydrogen fluorocarbons (HFC), CFCs, such as a greenhouse gas (greenhouse gas) It says. The GHG reduction targets under the Kyoto Protocol are gases such as CO 2 , CH 4 , N 2 O, PFC, HFC and SF 6, and the Parties that are obliged to implement the Protocol are required to take policies and measures to reduce greenhouse gases. Energy efficiency improvement, sink and reservoir protection, and renewable energy development and research. In particular, nitrous oxide (N 2 O), when viewing the global warming (global warming potential, GWP) of CO 2 that occurs when the combustion energy (oil, coal, etc.), fossil fuel as compared with the CO 2 to 1, It is reported to be about 310.

질소산화물은 NO(nitric oxide), NO2(nitrogen dioxide) 및 N2O(nitrous oxide)이며 대기오염분야에서는 이 세 가지 질소산화물을 가장 중요한 대기오염물질로 분류한다. 이중 NO나 NO2는 독성이 있고 대기 중에서 광화학반응을 일으키지만 N2O는 독성이 없고 광화학반응과 무관하기 때문에 N2O가 대기 중에 상당한 양이 존재하지만 대기오염물질로 간주하지 않았으나 최근에는 N2O가 대류권에서 온실가스로 작용하고, 성층권에서는 오존층파괴 물질로 작용한다는 사실이 밝혀짐에 따라 환경오염물질로 분류되어 질소산화물에 포함시키는 경향이 있다. 따라서 질소산화물이라고 할 때에는 NO와 NO2 그리고 N2O 뜻하며 통상 NOx라고 표기한다.
NOx classifies these three nitrogen oxides in a NO (nitric oxide), NO 2 (nitrogen dioxide) , and N 2 O (nitrous oxide) air quality field in the most important air pollutants. Dual NO or NO 2 is only to cause the photochemical reaction in toxicity and atmospheric N 2 O is non-toxic because regardless of the photochemical reaction N 2 O is a substantial amount in the atmosphere, but although not considered to be atmospheric pollutants Recently, N 2 O has been found to act as a greenhouse gas in the troposphere and as an ozone depleting substance in the stratosphere, it is classified as an environmental pollutant and tends to be included in nitrogen oxides. Therefore, when said nitrogen oxides NO and NO 2 and N 2 O stands is denoted generally NO x.

질소산화물(NOx)의 발생은 자연적으로 토양중의 세균에 의해 주로 생성될 수 있는데 그 농도는 낮다. 대부분은 각종 연소장치(보일러, 히터, 소각로, 엔진 등)의 연소에 의해서 발생되는 질소산화물중의 95% 이상은 NO이며 그 중 연소과정에서 생성되는 질소산화물은 생성기작에 의해 thermal NOx, prompt NOx 및 fuel NOx로 구분되며, 각각의 저감에 대한 연구가 환경문제의 부각과 더불어 한층 가속화 되고 있다. 이러한 고정오염원의 질소산화물제어는 크게 연료의 전처리에 의한 연소 전 탈질법, 연소방법의 개량 및 연소장치의 개조에 의한 연소 중 탈질법, 배가스의 처리에 의한 연소 후 탈질법으로 나눌 수 있다.
Nitrogen oxides (NO x ) are naturally produced by bacteria in the soil, and their concentrations are low. In most cases, more than 95% of the nitrogen oxides generated by the combustion of various combustion devices (boilers, heaters, incinerators, engines, etc.) are NO, and the nitrogen oxides generated in the combustion process are generated by thermal NO x , prompt NO x and fuel NO x , and the research on each reduction is accelerating with the incidence of environmental problems. Nitrogen oxide control of these stationary pollutants can be roughly classified into pre-combustion denitration by pre-combustion, improvement of combustion method, denitration during combustion by modification of combustion apparatus, and post-combustion denitration by treatment of flue-gas.

탈질기술은 암모니아나 일산화탄소, 탄화수소 및 황화수소 등의 환원성가스를 사용하여 질소산화물(NOx)을 촉매존재 하에 선택적으로 제거하는 선택적촉매환원법(selective catalytic reduction, SCR)과 촉매 없이 800~1,200℃ 온도범위에서 암모니아나 요소수용액을 주입하여 제거하는 선택적무촉매환원법(selective non-catalytic reduction, SNCR)이 이용되고 있으며, 질소산화물(NOx)을 연소 후 제어하는 방법 중 가장 신뢰도가 높은 방법은 선택적촉매환원법(이하 SCR)이다. SCR은 배가스 중에 환원제(NH3 계열, HC 계열, CO)를 주입하여 미리 공기 또는 스팀으로 혼합시킨 후 이 혼합가스를 250~450℃에서 운전되는 반응기 상부로부터 촉매층을 통과시킴으로서 질소산화물(NOx)을 질소와 물로 분해하는 방법이다. 이 중, 가장 많이 사용되는 환원제는 NH3로서 질소산화물(NOx)과의 높은 반응성 때문에 가장 많이 사용되고 있으나, 최근에는 automotive catalytic converter용 질소산화물(NOx)제거를 위해 CO를 환원제로 사용하고 있고, methane, propane, propylene과 같은 HC(hydrocarbon)을 환원제로 사용하기 위한 연구도 진행 중에 있다.
The denitrification technique is a selective catalytic reduction (SCR) in which nitrogen oxide (NO x ) is selectively removed in the presence of a catalyst using a reducing gas such as ammonia, carbon monoxide, hydrocarbons and hydrogen sulfide, Selective NO-catalytic reduction (SNCR), which removes ammonia or urea aqueous solution, is the most reliable method for controlling NO x after combustion. The most reliable method is selective catalytic reduction (SCR). SCR is a reducing agent (NH 3 series, HC series, CO) to the nitrogen oxide sikimeuroseo injection through a catalyst bed to the gas mixture was mixed with the pre-air or steam from the reactor upper operating at 250 ~ 450 ℃ in the exhaust gas (NO x) Is decomposed into nitrogen and water. Of these, the most commonly used reducing agent is NH 3, which is most frequently used because of its high reactivity with nitrogen oxides (NO x ). However, recently, CO is used as a reducing agent to remove nitrogen oxides (NO x ) for automotive catalytic converters Hydrogen, such as methane, propane, and propylene, is also being studied for use as a reducing agent.

촉매를 사용하여 질소산화물(NOx)을 환원하는 대표적인 배연탈질 기술이 SCR이며 환원제로는 암모니아나 urea(요소)를 사용하며 반응결과 질소산화물(NOx)은 질소와 수증기로 환원된다. 이 기술은 다른 기술에 비하여 저감효율이 70~90%로 탈질기술 중 가장 높아 상업용 설비로서 널리 사용되고 있다. 장치는 크게 암모니아 주입부와 촉매 반응기 그리고 배가스용 duct 등으로 구성되며 촉매 반응기는 보통 세라믹 honeycomb type의 촉매층으로 이루어진다. 촉매의 종류는 금속산화물계, zeolite계, 알칼리토금속계, 희토류계 촉매 등이 있으며 TiO2, WO3, V2O5, MoO3 등이 주로 사용된다. 하지만 SCR은 초기 투자비용이 높고 넓은 설치공간을 필요로 하는 단점이 있다. 촉매 반응온도는 대부분 300~400℃이며 이 이상의 온도에서는 촉매가 손상되고 효율도 떨어지기 때문에 배가스 온도의 유지가 중요하다. 또한 배가스 중의 SOx는 촉매독으로 작용하여 촉매의 수명을 단축시키고, 앞에서 언급하였듯이 미반응된 암모니아와 반응하여 ammonium sulfate와 ammonium bisulfate를 형성하여 미세입자로 배출되기도 하므로 배가스 중의 SOx 농도를 낮게 유지하여야 하는 단점이 있다.
A representative NO x removal technique using NO x is catalyzed by SCR, and ammonia or urea is used as a reducing agent. As a result, nitrogen oxides (NO x ) are reduced to nitrogen and water vapor. This technology is 70 ~ 90% reduction efficiency compared to other technologies, and is the highest among the denitrification technologies and is widely used as a commercial facility. The unit consists mainly of ammonia injection unit, catalytic reactor and duct for exhaust gas, and the catalytic reactor usually consists of a ceramic honeycomb type catalyst layer. The catalysts include metal oxides, zeolites, alkaline earth metals, and rare earth catalysts. TiO 2 , WO 3 , V 2 O 5 , and MoO 3 are mainly used. However, SCR has a disadvantage that it requires a high initial investment cost and a large installation space. Most of the catalytic reaction temperature is 300 to 400 ° C, and the temperature of the exhaust gas is important because the catalyst is damaged and the efficiency is lowered. In addition, SO x in the exhaust gas acts as a catalyst poison to shorten the lifetime of the catalyst and reacts with unreacted ammonia to form ammonium sulfate and ammonium bisulfate, as described above, and is discharged as fine particles, so that the SO x concentration in the exhaust gas is kept low .

배가스 중의 질소산화물(NOx)을 제거하기 위해서 고정발생원에서는 암모니아를 환원제로 하는 선택접촉환원법이 주로 이용되고 있으나 암모니아에 의한 선택접촉환원법은 설비에 상당한 비용이 소요되기 때문에 대부분의 개발도상국가에서 배연탈질설비 수요는 현재까지는 크지 않는 실정이다. 이러한 기술들 외에 질소산화물 제거를 위한 전자빔이나 저온플라즈마를 이용해, 발생한 질소산화물(NOx)을 분해제거하는 기술이나 광촉매를 이용해 대기 중에 방출된 질소산화물(NOx)을 제거하는 기술개발 등도 진행되고 있다.
In order to remove nitrogen oxides (NO x ) from flue-gases, selective catalytic reduction using ammonia as a reducing agent is mainly used in stationary sources. However, since selective catalytic reduction by ammonia requires a considerable cost for equipment, Demand for facilities is not large at present. In addition to these technologies, Techniques for decomposing and removing generated nitrogen oxides (NO x ) using an electron beam or a low-temperature plasma for removal, and development of a technique for removing nitrogen oxides (NO x ) released into the air using a photocatalyst are also under development.

SCR에 사용되는 상용화 촉매는 V2O5/TiO2가 주로 이용되고 있으며 촉매의 활성 증진과 황산화물의 피독을 방지하기 위하여 Mo, W 금속산화물 등이 첨가된 형태를 띠고 있다. 이러한 촉매는 우수한 탈질 특성을 보이나 최적 조업온도가 350℃ 전후의 고온인 문제점을 가지고 있다. 이러한 온도에서는 배가스내에 분진과 많은 오염물들을 포함하고 있어 촉매의 비활성화 내지는 피독현상을 일으킬 가능성이 많아지며, 탈황장치와 분진제거 장치 후단부에 설치할 경우는 촉매 활성을 위해 추가적인 동력이 필요하다. 또한 현재 가동 중인 고정원에 SCR 장치를 설치할 경우 350℃ 전후의 온도 범위에 해당하는 설치공간의 부족도 저온탈질 촉매 개발의 필요성을 나타낸다.
V 2 O 5 / TiO 2 is mainly used as a commercial catalyst used in SCR, and Mo, W metal oxide and the like are added in order to prevent catalytic activity and poisoning of sulfur oxide. Such a catalyst exhibits excellent denitrification characteristics, but has a problem that the optimum operating temperature is about 350 캜 at a high temperature. At this temperature, dust and many contaminants are contained in the exhaust gas, so that there is a high possibility of deactivation or poisoning of the catalyst. Further, when installed at the end of the desulfurization device and the dust removing device, additional power is required for activating the catalyst. In addition, when the SCR device is installed in the stationary source currently in operation, the lack of the installation space corresponding to the temperature range of around 350 ° C also indicates the necessity of development of the low temperature denitration catalyst.

기존의 촉매 제조는 주로 산화망간의 원료로서 과망간산칼륨의 수용액을 준비하고 그 수용액에 활성탄, 활성알루미나, 활성실리카, 제올라이트, 규조토, 일반필터 등의 담체를 함침하여 산화망간계 촉매체를 제조한다(출원번호 10-2003-0030145, 10-2003-0037425). 그러나 상기 제조방법은 제조된 촉매의 표면적이 담체를 쓰지 않은 경우와 비교 시 단위 무게 당 표면적이 적고, 촉매 활성 작용기(active sites)가 단위 무게 당 적게 생성되어 질소산화물(NOx)의 제거 성능이 높지 않다. 또한, 담체를 이용하지 않는 제조에서도 반응조건(상압 촉매 합성반응 후 산화)에 의하여 촉매의 활성 작용기 생성이 한정되어 있다.
In the conventional catalyst preparation, an aqueous solution of potassium permanganate is prepared mainly as a raw material of manganese oxide, and a carrier such as activated carbon, activated alumina, activated silica, zeolite, diatomaceous earth and general filter is impregnated into the aqueous solution to prepare a manganese oxide catalyst Application No. 10-2003-0030145, 10-2003-0037425). However, in the above-mentioned production method, the surface area of the prepared catalyst is smaller than that in the case where the carrier is not used, and the active sites are generated less per unit weight and the removal performance of nitrogen oxides (NO x ) Not high. In addition, the production of the active groups of the catalyst is limited by the reaction conditions (oxidation after the atmospheric pressure catalyst synthesis reaction) even in the production without using the carrier.

즉, 기존의 산화망간계 촉매의 제조방법은 고온 공정을 채택하고 있어 장치의 규모가 크고 고가이며 복잡한 제조과정으로 인해 제조비용이 높고, 제조된 산화망간계 촉매의 단위 무게나 부피 당 촉매 작용기 및 표면적이 낮아 질소산화물(NOx)의 제거효율이 낮으며, 특히 고유가 시대를 맞아 고온 산화에 필요한 온도 유지를 위한 연료비로 인하여 시설 운전비용이 높은 점 등의 문제점이 있다.
That is, the conventional method for producing a manganese oxide catalyst has a high manufacturing cost because of the large scale and high cost of the apparatus because of the high-temperature process, and the production cost of the manganese oxide catalyst, The removal efficiency of nitrogen oxides (NO x ) is low due to the low surface area, and there is a problem in that the facility operation cost is high due to the fuel cost for maintaining the temperature necessary for the high temperature oxidation due to the oil price era.

황산화물과 함께 산업화에 따라 각종 연소공정 및 열분해 공정 등에서 배출되는 대표적인 대기오염 물질인 질소산화물(NOx)은 환경에 미치는 위해성으로 인하여 일정한 농도 이하로 제거되어 배출되어야 한다.
Along with sulfur oxides, nitrogen oxide (NO x ), which is a representative air pollutant discharged from various combustion processes and pyrolysis processes according to industrialization, should be removed to a certain concentration or lower due to environmental risks.

이러한 질소산화물(NOx)을 제거하는 방법으로 일반적으로 선택적 촉매 환원법(SCR: Selective Catalyst Reduction)이 이용되고 있으며, 사용되는 대표적인 촉매로는 금속산화물계 촉매를 들 수 있다(G. Ramis, J. Catal., 157, 523(1995) 및 G. Centi, Appli. Catal. A, 132, 179(1995)). 또한 V2O5/TiO2 촉매(L. Pinoy, Catalyst Today, 17, 151(1993) 및 G. Deo, J. Catal., 146, 334(1994))가 특히 우수한 것으로 발표되고 있다. 이 방법은 금속산화물(NOx)의 촉매를 이용하여 300 내지 350℃ 정도의 고온에서 암모니아 등의 환원제를 투입하면서 반응시켜서 분해시키는 방법으로, 비교적 효율이 우수하나, 반응 온도가 상기와 같이 최소 300℃ 이상의 고온인 단점이 있다.
As a method for removing such nitrogen oxides (NO x ), selective catalytic reduction (SCR) is generally used, and typical catalysts used are metal oxide based catalysts (G. Ramis, J. et al. Catal., 157, 523 (1995) and G. Centi, Appli. Catal. A, 132, 179 (1995)). It has also been reported that V 2 O 5 / TiO 2 catalysts (L. Pinoy, Catalyst Today, 17, 151 (1993) and G. Deo, J. Catal., 146, 334 (1994)) are particularly good. This method is a method of decomposing by reacting with a reducing agent such as ammonia at a high temperature of about 300 to 350 ° C using a catalyst of a metal oxide (NO x ), and is relatively efficient. However, when the reaction temperature is at least 300 Deg.] C or higher.

이러한 단점을 해결하기 위한 방법으로 I. Mochida, 일본화학회지, No. 6, 885(1991) 및 I. Mochida, 일본 화학회지 No.6, p.694(1993) 등에 활성탄이나 활성 탄소 섬유를 이용하여 100℃ 정도의 낮은 온도에서도 질소산화물(NOx)을 분해할 수 있는 방법을 제시하고 있다. 그러나 이 방법은 반응 온도는 낮출 수 있으나, 반응 효율이 낮은 단점이 있다.
As a method to solve these drawbacks, I. Mochida, Journal of the Chemical Society of Japan, No. 6, 885 (1991) and I. Mochida, Journal of the Japanese Chemical Society, No. 6, p.694 (1993), it is possible to decompose nitrogen oxides (NO x ) at temperatures as low as 100 ° C. And how to do it. However, this method can lower the reaction temperature, but has a disadvantage in that the reaction efficiency is low.

그리고 한국특허 출원 제2000-0080303호에는 용융된 핏치에 V2O5/TiO2의 분말을 분산시키고 이것을 방사하여 V2O5/TiO2이 균일하게 분산되어 함유된 핏치 섬유를 제조한 후, 안정화, 탄화 및 활성화하여 질소산화물(NOx)의 분해 능력이 우수한 활성 탄소 섬유 촉매를 제조하는 방법을 제시하고 있다. 이 방법은 I. Mochida 등의 일반 활성탄 또는 일반 활성 탄소 섬유를 이용하는 방법에 비하여 질소산화물(NOx)의 분해 능력이 우수한 촉매를 제조하는 방법을 제시하고 있으나 300℃ 이상의 고온에서 직접 반응시키는 선택적 촉매 환원법과는 반응 전환율면에서 많이 떨어지는 단점을 가지고 있다.
And after the Korea Patent Application No. 2000-0080303 discloses dispersing a powder of V 2 O 5 / TiO 2 on the molten pitch was prepared by spinning the pitch fiber containing V 2 O 5 / TiO 2 is uniformly dispersed, Stabilizes, carbonizes and activates carbon nanofibers to produce an activated carbon fiber catalyst having excellent decomposition ability of nitrogen oxides (NO x ). This method proposes a method of producing a catalyst having excellent decomposition ability of nitrogen oxides (NO x ) compared with a method using general activated carbon or general activated carbon fiber such as I. Mochida. However, And the reduction method has a disadvantage that it is much lower in terms of conversion conversion rate.

또한 한국특허 등록 10-0655133호 및 10-0840721호에서도 질소산화물(NOx) 제거용 금속산화물 촉매 및 그 제조방법을 제시하고 있다.
Korean Patent Registration Nos. 10-0655133 and 10-0840721 also disclose a metal oxide catalyst for removing nitrogen oxides (NO x ) and a manufacturing method thereof.

상기의 한국특허 등록 10-0655133호 및 10-0840721호처럼 비록 질소산화물(NOx) 제거용 금속산화물 촉매 및 그 제조방법을 제시하고 있으나 망간을 기반으로 한 망간산화물 촉매는 SO2에 대한 저항성이 높지 못한 단점을 가지고 있다.
Although a metal oxide catalyst for removal of nitrogen oxides (NO x ) and a method for producing the same are shown in Korean Patent Registration Nos. 10-0655133 and 10-0840721, manganese oxide catalysts are resistant to SO 2 It has a drawback that it is not high.

본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 종래 질소산화물(NOx) 제거 촉매에 비하여 비표면적이 클 뿐만 아니라 표면에 보다 많은 촉매 활성기(active site)을 가짐으로써 소량으로도 SO2에 높은 저항성을 갖는 질소산화물(NOx) 제거 효율이 높은 망간기반 촉매의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a catalyst having a large specific surface area as compared with a conventional NO x removal catalyst, Based catalyst having high NO x removal efficiency with high resistance to SO 2 .

본 발명의 다른 목적은 유해한 질소산화물(NOx)을 제거하는 촉매의 활성 온도가 낮아 종래의 질소산화물(NOx)을 제거하는 촉매에 비하여 운전비용을 현저히 절감할 수 있는 망간기반 산화물 촉매의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
Another object of the invention is the production of harmful nitrogen oxides (NO x) a catalyst with an active temperature can be lowered significantly reduce operating costs as compared to a catalyst for removing a conventional nitrogen oxide (NO x) manganese-based oxide catalyst to remove the And the like.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 제조 과정이 단순하며 제조비용이 저렴하여 대량 생산이 용이한 망간기반 산화물 촉매의 제조방법을 제공하는 데 있다.
Still another object of the present invention is to provide a method for producing a manganese-based oxide catalyst which is simple in production process and low in production cost, thereby facilitating mass production.

또한 본 발명은 상기의 망간기반 산화물 촉매의 제조방법으로부터 제조된 촉매를 SO2에 높은 저항성을 갖는 질소산화물(NOx)을 제거하는 데 있다.
The present invention also relates to a catalyst prepared by the above-described method for preparing a manganese-based oxide catalyst, which is capable of removing nitrogen oxide (NO x ) having high resistance to SO 2 .

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 SO2에 높은 저항성을 갖는 질소산화물(NOx) 제거용 망간기반 산화물 촉매 및 그 제조방법을 제공하려는 목적으로 한다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to provide a manganese-based oxide catalyst for removing nitrogen oxides (NO x ) having high resistance to SO 2 and a method of manufacturing the same.

본 발명자들은 제조 공정이 단순하고 제조비용이 저렴하면서도 고활성의 질소산화물(NOx) 제거 성능을 갖는 망간기반 산화물촉매를 제조하고자 연구를 거듭한 결과, 망간기반 산화물 촉매 제조 시 망간염, 구리염, 코발트염, 염기 및 물의 혼합액을 가열하여 겔을 형성하는 과정에서부터 고온 고압에서 숙성하는 과정을 거치고, 상기 숙성 과정 후 압력을 상압으로 해제하면서 실온의 증류수를 다량 투입하여 급냉하는 과정을 거쳐서 제조한 결과, 제조된 촉매의 표면활성점 및 비표면적이 증가하여 종래 질소산화물(NOx) 촉매에 비해 저온에서 질소산화물(NOx) 제거성능이 현저히 향상되는 것을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 본 발명에서 제조되는 촉매의 비표면적 값은 BET 측정법으로 200m2/g 이상 좋게는 230m2/g 이상의 값을 가지며 상한은 한정하기는 어려우나 실질적으로 가능한 범위로 1,000m2/g이하 이다. 이에 대하여 종래의 상압 반응으로부터 제조된 촉매의 경우에는 BET 측정에 의한 비표면적값이 130 내지 180m2/g의 범위를 가지며 저온에서의 촉매 활성이 매우 낮다.
The present inventors have conducted extensive studies to produce a manganese-based oxide catalyst having a simple production process and a low production cost but high activity of removing nitrogen oxides (NO x ). As a result, it has been found that manganese- , A cobalt salt, a base and water is heated to form a gel, aging is carried out at a high temperature and a high pressure, and after the aging process, the pressure is released to normal pressure while a large amount of distilled water at room temperature is added to quench As a result, it was found that the surface active sites and specific surface area of the prepared catalyst were increased, and the NO x removal performance at the low temperature was remarkably improved compared to the conventional NO x catalyst. Thus, the present invention has been accomplished. The specific surface area value of the catalyst produced in the present invention by the BET measurement method better than 200m 2 / g having at least 230m 2 / g value and the upper limit is the substantially eoryeowoona 1,000m 2 / g or less in the range of limitation. On the other hand, in the case of the catalyst prepared from the conventional atmospheric reaction, the specific surface area by BET measurement is in the range of 130 to 180 m 2 / g and the catalytic activity at low temperature is very low.

본 발명은 망간염, 구리염, 코발트염, 염기 및 증류수의 혼합액을 가열하여 겔이 형성된 혼합액을 제조하는 단계, 겔이 형성되는 혼합액을 반응기에 투입한 후 공기로 가압한 상태에서 숙성하는 단계, 반응기 압력을 상압으로 낮추면서 증류수를 투입하여 겔이 형성된 혼합액을 냉각하는 단계, 및 겔을 수득한 후 세척 및 소성하는 단계를 포함하는 망간기반 산화물 촉매의 제조방법을 제공한다. 상기 숙성은 반응기에 공기를 주입하여 상압보다 높은 압력으로 가압한 상태에서 수행되며, 보다 구체적으로는 2 내지 100기압 정도를 유지하는 것이 바람직하다.
The present invention relates to a method for producing a gel, comprising the steps of: preparing a mixed solution in which a gel is formed by heating a mixture of manganese salt, copper salt, cobalt salt, base, and distilled water; aging the mixture in a state where the mixed solution, Based oxide catalyst comprising the steps of cooling distilled water while lowering the pressure of the reactor to normal pressure to cool the mixed solution in which the gel is formed, and obtaining the gel, followed by washing and calcination. The aging is carried out in a state where air is injected into the reactor and the reactor is pressurized to a pressure higher than the atmospheric pressure. More specifically, the reactor is preferably maintained at about 2 to 100 atmospheres.

본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 망간기반 산화물 촉매는 단위 입자가 작으며 격자 밀도가 높고, 상압에서 합성된 촉매 결정격자에 비하여 표면 산화상태가 다른 돌출 작용기가 많아 종래의 촉매에 비하여 촉매 산화 온도가 현저히 낮아지며 촉매의 비표면적이 증가하여 질소산화물(NOx)을 제거하는 촉매 활성이 현저히 향상되고 동시에 SO2에 대한 높은 저항성을 갖는 효과가 있다.
The manganese-based oxide catalyst produced by the method of the present invention has a small unit particle size, a high lattice density, and a large number of protruding functional groups whose surface oxidation states are different from those of the catalytic crystal lattice synthesized at normal pressure, And the specific surface area of the catalyst is increased, so that the catalytic activity for removing nitrogen oxides (NO x ) is remarkably improved, and at the same time, the catalyst has a high resistance to SO 2 .

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가진다. 또한, 종래와 동일한 기술적 구성 및 작용에 대한 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
Here, unless otherwise defined in the technical terms and the scientific terms used, those having ordinary skill in the art to which the present invention belongs have the same meaning as commonly understood by those skilled in the art. Repeated descriptions of the same technical constitution and operation as those of the conventional art will be omitted.

본 발명은 하기의 제조단계를 포함하는 망간기반 산화물 촉매의 제조방법을 제공한다.
The present invention provides a process for preparing a manganese-based oxide catalyst comprising the following preparation steps.

a) 망간염, 구리염, 코발트염, 염기 및 증류수의 혼합액을 가열하여 겔이 형성된 혼합액을 제조하는 단계;
a) heating a mixture of manganese salt, copper salt, cobalt salt, base and distilled water to prepare a mixed solution in which a gel is formed;

b) 겔이 형성되는 혼합액을 반응기에 투입한 후 공기로 가압한 상태에서 숙성하는 단계;
b) aging the mixed liquid in which the gel is formed, into a reactor and pressurizing with air;

c) b)단계 후 반응기 압력을 상압으로 낮추면서 증류수를 투입하여 겔이 형성된 혼합액을 냉각하는 단계; 및
c) cooling the mixed solution in which the gel is formed by adding distilled water while lowering the pressure of the reactor to normal pressure after step b); And

d) 겔을 수득한 후 세척 및 소성하는 단계.
d) washing and calcining after obtaining the gel.

상기 a)단계는 망간염, 구리염, 코발트염, 염기 및 증류수의 혼합액을 가열하여 겔이 형성된 혼합액을 제조하는 단계이다. 상기 겔이 형성된 혼합액은 고체 입자가 분산된 슬러리(slurry) 상태로 된다.
The step a) is a step of preparing a mixed solution in which a gel is formed by heating a mixture of manganese salt, copper salt, cobalt salt, base and distilled water. The mixture solution in which the gel is formed is in a slurry state in which solid particles are dispersed.

상기 망간염 구리염 및 코발트염은 망간/구리/코발트 몰비가 0.2 내지 3.2가 되도록 사용한다. 구리의 함량이 망간의 함량에 대해 몰비가 0.2 보다 작으면 질소산화물 제거효율이 미미하고, 구리함량이 망간 함량에 대해 3.2 보다 크면 오히려 망간 결정성 결여로 촉매 활성이 저하되기 때문에 상기 범위로 몰비를 조절하는 것이 바람직하다.
The manganese chloride and cobalt salts are used such that the molar ratio of manganese / copper / cobalt is from 0.2 to 3.2. When the molar ratio of copper to the content of manganese is less than 0.2, the removal efficiency of nitrogen oxides is insufficient. When the content of copper is larger than 3.2, the catalytic activity is lowered due to the lack of manganese crystal. .

상기 망간염은 염화망간(MnCl2), 질산망간(Mn(NO3)2), 황산망간(MnSO4), 과염소산망간(Mn(ClO4)2), 이들의 수화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 염화망간 또는 이의 수화물을 포함한다.
The manganese salt is a group consisting of manganese chloride (MnCl 2 ), manganese nitrate (Mn (NO 3 ) 2 ), manganese sulfate (MnSO 4 ), manganese perchlorate (Mn (ClO 4 ) 2 ), hydrates thereof, , And preferably includes manganese chloride or a hydrate thereof.

상기 구리염은 염화구리(CuCl2), 질산구리(Cu(NO3)2), 황산구리(CuSO4), 과염소산구리(Cu(ClO4)2), 이들의 수화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 염화구리 또는 이의 수화물을 포함한다.
Wherein the copper salt is selected from the group consisting of copper chloride (CuCl 2 ), copper nitrate (Cu (NO 3 ) 2 ), copper sulfate (CuSO 4 ), copper perchlorate (Cu (ClO 4 ) 2 ), hydrates thereof, And preferably copper chloride or a hydrate thereof.

상기 코발트염은 염화코발트(CoCl2), 질산코발트(Co(NO3)2), 황산코발트(CoSO4), 이들의 수화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택하여 사용할 수 있으며, 되는 바람직하게는 염화코발트 또는 이의 수화물을 포함한다.
The cobalt salt may be selected from the group consisting of cobalt chloride (CoCl 2 ), cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 ), cobalt sulfate (CoSO 4 ), hydrates thereof and mixtures thereof, Cobalt chloride or a hydrate thereof.

상기 망간염 구리염, 및 코발트염의 농도는 그 합을 기준으로 혼합액 내에서 0.1 내지 5 mol/L, 보다 구체적으로는 0.2 내지 3 mol/L인 것이 바람직하다. 이는 상기 농도가 0.1 mol/L 미만으로 낮을 경우에는 겔 형성이 잘 이루어지지 않을 수 있고, 상기 농도가 5 mol/L를 초과하여 너무 높은 경우에는 제조되는 망간기반 산화물 촉매의 입자 크기가 커지고, 산화물이 결정성이 떨어지며 산화상태가 다른 산화물이 형성될 수 있다.
The concentration of the manganese chloride copper salt and the cobalt salt is preferably 0.1 to 5 mol / L, more specifically 0.2 to 3 mol / L in the mixed solution based on the sum. If the concentration is as low as less than 0.1 mol / L, gel formation may not be performed well. If the concentration is more than 5 mol / L, the particle size of the produced manganese-based oxide catalyst becomes large, An oxide having different crystallinity and different oxidation state may be formed.

상기 염기는 탄산나트륨이나 수산화나트륨 또는 이의 혼합물을 사용할 수 있으며, 염기는 혼합액에서 망간염, 구리염 및 코발트염의 합에 대한 염기의 몰비로 1~10배 범위에서 촉매 적용 용도에 따라 조절하여 첨가한다. 상기 염기의 몰비가 1 미만인 경우 함성된 촉매가 공기 중 산소를 잡아주는 역할이 약해지는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 염기의 몰비가 10을 초과하는 경우에는 산화반응이 느리고 촉매성능이 떨어지는 결과가 보여 상기 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
The base may be sodium carbonate, sodium hydroxide or a mixture thereof. The base may be added in a range of 1 to 10 times the molar ratio of the base to the sum of the manganese salt, the copper salt and the cobalt salt in the mixed solution. When the molar ratio of the base is less than 1, there is a problem that the coked catalyst has a weak role of trapping oxygen in the air, and when the molar ratio of the base is more than 10, the oxidation reaction is slow and the catalyst performance is poor It is preferable to adjust it to the above range.

본 발명에 따른 망간기반 산화물 촉매의 제조방법은 단순한 질소산화물의 산화를 위한 촉매를 제조하기 위한 것으로 촉매의 성능을 보다 향상시키기 위하여 은, 크롬, 아연, 란타늄 및 네오뮴으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 성분을 더 포함할 수 있다. 이러한 금속 성분을 더 포함하기 위하여 상기 a)단계의 혼합액은 은질산염, 크롬질산염, 아연질산염, 란타늄질산염, 네오뮴질산염 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속첨가제를 더 함유할 수 있으며, 그 함량은 망간, 구리 및 코발트의 합에 대하여 몰비로 0.01~10% 범위가 되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 금속 첨가제 함량이 몰비로 0.01% 미만인 경우에는 촉매 성능 향상 효과가 미미하고, 상기 함량이 몰비로 10%를 초과하여 높은 경우에는 망간기반 산화물 촉매의 활성점이 감소할 수 있어서 촉매 성능이 저하될 수도 있기 때문이다.
The method for preparing a manganese-based oxide catalyst according to the present invention is for producing a catalyst for simple oxidation of nitrogen oxides. In order to improve the performance of the catalyst, at least one metal selected from silver, chromium, zinc, lanthanum and neodymium Component. ≪ / RTI > In order to further include such a metal component, the mixed solution in step a) may further contain a metal additive selected from the group consisting of silver nitrate, chromium nitrate, zinc nitrate, lanthanum nitrate, neodymium nitrate, and mixtures thereof, The content is preferably in the range of 0.01 to 10% in terms of molar ratio with respect to the sum of manganese, copper and cobalt. When the content of the metal additive is less than 0.01% by mole, the effect of improving the catalytic performance is insignificant. When the content is more than 10% by mole, the active sites of the manganese-based oxide catalyst may decrease, It is because.

상기 a)단계의 가열은 60 내지 100℃ 범위로 이루어지는 것이 바람직한데, 이는 상기 가열 온도가 60℃ 미만인 경우에는 겔 형성이 잘 이루어지지 않고 상기 가열온도가 100℃를 초과하는 경우 물의 증발로 인해 반응계의 안정성이 저하되거나 반응 속도가 지나치게 증가하여 균일한 크기의 촉매 입자 형성이 어려울 수 있기 때문이다.
The heating in step a) is preferably carried out in the range of 60 to 100 ° C because if the heating temperature is lower than 60 ° C, the gel is not formed well and if the heating temperature exceeds 100 ° C, The stability of the catalyst may be lowered or the reaction rate may be excessively increased, which may make it difficult to form catalyst particles of uniform size.

상기 a)단계 가열 시 교반을 하여 균일한 반응이 이루어지도록 할 수 있으며 a)단계 가열 시간은 20분 내지 2시간의 범위 내에서 이루어지는 것이 적절하다.
In the step a), stirring may be carried out to achieve a uniform reaction. It is appropriate that the heating time of step a) is within the range of 20 minutes to 2 hours.

본 발명에 따른 제조방법은 촉매의 활성 증가를 위하여 적절한 담체를 포함할 수 있다. 담체로는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 크로미아 또는 이들의 혼합물을 예로 들 수 있으며, 상기 a)단계의 혼합액에 담체를 가하여 혼합함으로써 담체를 포함하는 촉매를 제조할 수 있다.
The preparation process according to the present invention may comprise a suitable carrier for increasing the activity of the catalyst. Examples of the carrier include alumina, silica, zirconia, titania, ceria, chromia, and mixtures thereof. A carrier containing the carrier may be prepared by adding a carrier to the mixed solution of the step a).

상기 b)단계는 겔이 형성된 혼합액을 반응기에 투입한 후 공기로 가압한 상태에서 숙성하는 단계이다. 상기 숙성은 도 1에 도시된 바와 같은 반응 장치를 이용할 수 있다. 반응 용기에 겔이 형성된 혼합액을 투입한 후, 반응기 뚜껑을 체결하여 반응기를 밀폐시키고 공기 주입구를 통하여 공기를 주입한다. 압력 측정기로 측정된 압력이 2 기압 이상, 보다 좋게는 3 기압 이상에서 진행하는 것이 좋은데, 이는 숙성 압력이 2기압 미만인 경우에는 가압에 따른 효과가 미미할 수 있기 때문이다. 또한 반응 압력의 상한을 한정할 필요는 없지만 압력이 지나치게 높은 경우 제조과정이 용이하지 않을 수 있으며, 오히려 비표면적이 감소할 수 있으므로 100기압 이하로 조절하는 것이 좋다. 보다 좋게는 2 내지 50기압, 보다 더 좋게는 3 내지 10기압 범위로 조절하는 것이 바람직하다. 반응 시간은 상기 압력을 유지한 상태로 1 시간 내지 10시간 정도 범위에서 겔을 숙성시킨다. 상기 숙성 과정은 반응기의 온도를 60 내지 100℃로 유지하여 고온 고압 과정에서 이루어지는 것이 보다 바람직하다. 숙성 온도가 60℃ 미만인 경우에는 효과의 증가가 미미하고 100℃를 초과하는 경우 물의 증발로 인해 반응계의 안정성이 저하되거나 반응 속도가 지나치게 증가하여 결정성 격자의 촉매 생성이 어려우며 표면적이 적게 나온다.
In the step b), the mixed solution in which the gel is formed is put into a reactor and then aged under pressure with air. The aging may be performed using a reaction device as shown in FIG. After the mixed solution having the gel formed in the reaction vessel is introduced, the reactor lid is tightened to seal the reactor and air is injected through the air inlet. It is preferable that the pressure measured by the pressure gauge is at least 2 atmospheres, more preferably at least 3 atmospheres, because the effect of pressurization may be negligible when the aging pressure is less than 2 atm. Further, although it is not necessary to limit the upper limit of the reaction pressure, if the pressure is too high, the production process may not be easy, and the specific surface area may be rather reduced. More preferably from 2 to 50 atm, and even more preferably from 3 to 10 atm. The reaction time ages the gel in the range of 1 hour to 10 hours while maintaining the above pressure. It is more preferable that the aging process is performed at a high temperature and a high pressure by maintaining the temperature of the reactor at 60 to 100 ° C. When the aging temperature is less than 60 ° C, the increase of the effect is insignificant. When the aging temperature is more than 100 ° C, the stability of the reaction system is lowered due to evaporation of water or the reaction rate is excessively increased, so that the catalytic generation of the crystalline lattice is difficult and the surface area is small.

본 발명에 따른 숙성 단계는 높은 압력 하에서 이루어져 상압에서 이루어지는 경우에 대비하여 볼 때 결정 격자거리가 감소하여 결정 밀도가 높아지고 표면 산화 상태가 다른 돌출 작용기가 상대적으로 많이 형성되어 제조되는 망간기반 산화물 촉매의 활성기(active site)가 증가하는 효과를 가지게 되는 것으로 추정된다.
The manganese-based oxide catalyst according to the present invention is produced by forming a relatively large number of protruding functional groups having a high crystal density and a different surface oxidation state, It is presumed that the active site is increased.

상기 c)단계는 b)단계 후 반응기 압력을 상압으로 낮추면서 증류수를 투입하여 겔이 형성된 혼합액을 냉각하는 단계이다. 이 제조단계는 반응기 압력을 해제하면서 실온의 증류수를 과량 투입하여 겔이 형성된 혼합액을 빨리 냉각함으로써 망간기반 산화물의 비표면적을 증가시킴과 동시에 생성된 작용기를 유지시킬 수 있게 된다. 투입하는 증류수의 양은 혼합액의 온도를 실온 내지 40℃ 범위로 급속히 냉각시킬 수 있는 양을 사용하며, 혼합액 부피에 대하여 부피비로 5 내지 10배의 증류수를 사용하는 것이 적절하다.
In the step c), after the step b), distilled water is added while the pressure of the reactor is lowered to atmospheric pressure to cool the mixed solution in which the gel is formed. In this manufacturing step, the reactor is depressurized and distilled water at room temperature is added thereto in an excess amount to rapidly cool the mixed solution in which the gel is formed, thereby increasing the specific surface area of the manganese-based oxide and maintaining the generated functional groups. The amount of distilled water to be added is such that the temperature of the mixed solution can be rapidly cooled from room temperature to 40 DEG C, and it is appropriate to use distilled water at a volume ratio of 5 to 10 times the volume of the mixed solution.

상기 d)단계는 숙성 단계 후 겔을 여과하여 수득한 후 증류수로 세척하고 소성하여 망간기반 산화물 촉매를 제조하는 단계이다. 상기 세척은 불순물의 함량이 100ppm 미만이 되도록 수회에 걸쳐서 진행하며, 상기 소성은 300 내지 600℃ 온도 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 소성 온도가 300℃ 미만인 경우에는 촉매의 산화가 완결되지 않으며, 상기 소성 온도가 600℃를 초과하여 너무 높은 경우에는 산화물의 표면적이 낮아지는 경향이 나타나 바람직하지 않을 수 있다. 본 발명에 따른 촉매는 사용되는 용도에 따라 상기 소성 전에 과립형 및 펠릿형 등으로 성형할 수 있다.
In the step d), the gel is filtered after the aging step, washed with distilled water, and fired to prepare a manganese-based oxide catalyst. It is preferable that the washing is carried out several times so that the content of impurities is less than 100 ppm, and the firing is carried out at a temperature range of 300 to 600 ° C. If the calcination temperature is less than 300 ° C, the oxidation of the catalyst is not completed. If the calcination temperature is more than 600 ° C, the surface area of the oxide may be undesirably low. The catalyst according to the present invention may be formed into a granular form or a pellet form before the calcination, depending on the application to be used.

본 발명은 상기의 제조방법으로 제조된 망간기반 산화물 촉매를 포함하는 SO2에 높은 저항성을 갖는 질소산화물(NOx) 제거용 촉매를 제공한다.
The present invention provides a catalyst for removing nitrogen oxide (NO x ) having a high resistance to SO 2 , which comprises a manganese-based oxide catalyst produced by the above-described production method.

이 때 망간기반 산화물 촉매는 코팅 또는 충진이 용이하도록 적절한 바인더와 혼합하여 사용될 수 있다. 구체적인 예에서, 바인더는 실리케이트-기제, 알루미나-기제 또는 암모늄 지르코늄 탄산염-기제와 같은 무기물질이다.
At this time, the manganese-based oxide catalyst can be used by mixing with a suitable binder to facilitate coating or filling. In a specific example, the binder is an inorganic material such as a silicate-based, alumina-based or ammonium zirconium carbonate-based material.

상술한 바와 같이, 본 발명은 150 내지 250℃의 저온구간에서 질소산화물의 제거 활성이 우수하고 SO2에 대한 저항성이 뛰어난 망간기반 산화물 촉매를 제공 가능하기에 매우 경제적이다.
As described above, the present invention is economical because it is possible to provide a manganese-based oxide catalyst having excellent nitrogen oxide removal activity and excellent resistance to SO 2 at a low temperature of 150 to 250 ° C.

도 1은 본 발명의 촉매합성법에 사용되는 장치 구조이며,
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 촉매의 표면을 SEM(scanning electron microscope, 전자현미경)으로 촬영한 사진이고,
도 3은 본 발명의 질소산화물(NOx) 제거율 측정을 위한 반응시스템이며, 도 4는 본 발명의 실시예 1~4에서 제조된 촉매를 사용하여 일정한 공간속도 (20,000hr-1)에서 온도를 변화시키면서 질소산화물(NOx) 제거 효율을 나타낸 그래프이며,
도 5는 본 발명의 실시예 1~4에서 제조된 촉매를 사용하여 일정한 공간속도 (15,000hr-1)에서 SO2를 50ppm 투입하면서 질소산화물(NOx)에 대한 제거 효율을 나타낸 그래프이며,
도 6은 본 발명의 실시예 1~4에서 제조된 촉매를 사용하여 일정한 공간속도 (5,000hr-1)에서 SO2를 50ppm 투입하면서 질소산화물(NOx)에 대한 제거 효율을 나타낸 그래프이며,
도 7은 본 발명의 실시예 1~4에서 제조된 촉매를 사용하여 일정한 공간속도 (5,000hr-1)에서 SO2를 50ppm 투입하면서 시간을 변화시키면서 질소산화물(NOx)에 대한 제거 효율을 나타낸 그래프이다.
1 is a device structure used in the catalyst synthesis method of the present invention,
2 is a photograph of a surface of a catalyst prepared in Example 1 of the present invention by SEM (scanning electron microscope)
FIG. 3 is a reaction system for measuring the nitrogen oxide (NO x ) removal rate of the present invention, and FIG. 4 is a graph showing the relationship between the temperature at a constant space velocity (20,000 hr -1 ) using the catalyst prepared in Examples 1 to 4 of the present invention (NO x ) removal efficiency while changing the nitrogen oxide (NO x )
5 is a graph showing the removal efficiency of nitrogen oxides (NO x ) while introducing 50 ppm of SO 2 at a constant space velocity (15,000 hr -1 ) using the catalysts prepared in Examples 1 to 4 of the present invention,
6 is a graph showing the removal efficiency of nitrogen oxides (NOx) while introducing 50 ppm of SO 2 at a constant space velocity (5,000 hr -1 ) using the catalyst prepared in Examples 1 to 4 of the present invention,
7 is a graph showing the removal efficiencies of nitrogen oxides (NO x ) while changing the time while supplying 50 ppm of SO 2 at a constant space velocity (5,000 hr -1 ) using the catalysts prepared in Examples 1 to 4 of the present invention Graph.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이는 본 발명의 예시에 불과한 것으로서 하기 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, it should be understood that the present invention is not limited thereto.

망간 염화 수화물 (MnCl22O) 396g과 탄산나트륨 (Na2CO3) 252g을 2 리터 증류수에 녹인 후 구리 염화 수화물(CuCl22O) 136g과 코발트 염화 수화물(CoCl22O) 190g을 1 리터 증류수에 녹인다. 이 두 용액을 90℃ 로 유지하면서 30분 동안 교반한다. 혼합액을 도 1에 도시한 바와 같이 스테인리스 스틸 반응기에 투입한 후 공기를 주입하여 5기압을 유지하여 4 시간 숙성시킨다. 압력을 제거하면서 실온의 증류수 10 리터를 넣어서 빨리 온도를 떨어뜨린 후 불 필요한 탄소 등의 불순물이 100ppm 이하로 될 때까지 반응물을 많은 량의 증류수로 충분히 씻어낸다. 직경 1.5mm의 펠릿으로 성형한 후 이어서 400℃ 에서 5 시간 동안 가열하여 산화시킴으로 촉매제조 공정을 마무리한다. BET 방법에 따라 비표면적을 측정한 결과 220 m/g으로 나왔으며, 제조된 촉매의 전자 현미경 사진은 도 2에 도시하였다.
After dissolving 396 g of manganese chloride hydrate (MnCl 22 O) and 252 g of sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) in 2 liters of distilled water, 136 g of copper chloride chloride (CuCl 22 O) and 190 g of cobalt chloride hydrate (CoCl 2 O) were dissolved in 1 liter of distilled water . The two solutions are stirred for 30 minutes while maintaining at 90 ° C. The mixture solution was poured into a stainless steel reactor as shown in FIG. 1, and air was injected thereinto to maintain the air pressure at 5 atm for aging for 4 hours. Add 10 liters of distilled water at room temperature while removing the pressure, and immediately drop the temperature. Rinse the reactant thoroughly with a large amount of distilled water until impurities such as carbon become 100 ppm or less. Molded into pellets having a diameter of 1.5 mm and then oxidized by heating at 400 DEG C for 5 hours to complete the catalyst production process. The specific surface area was measured according to the BET method and found to be 220 m 2 / g. An electron micrograph of the catalyst was shown in FIG.

도 2는 실시예 1에 따른 망간기반 복합산화물 촉매의 표면 및 입자형태(morphology)를 전자현미경(SEM, scanning electron microscope)으로 촬영한 것이다. 구형과 침상 모양의 형태가 다른 망간기반 산화물이 많은 공간 간극을 형성하며 고루 분포되어있다. 이는 산화물이 합성되는 조건이 다른 것에 기인한 것으로 보이며, 비슷한 염기성의 합성 조건이라도 본 특허의 고온 고압 및 압력 강하 조건에서 망간기반 산화물 합성이 상압 조건에서의 합성된 촉매와는 입자의 크기와 형상에서 다르다는 것을 알 수 있다.
FIG. 2 is a photograph of the morphology and surface morphology of the manganese-based complex oxide catalyst according to Example 1 by scanning electron microscope (SEM). The manganese-based oxides, which are spherical and irregular in shape, form many spaces and are evenly distributed. It is believed that this is due to the different conditions under which the oxides are synthesized. Even under similar basic synthesis conditions, the synthesis of manganese-based oxides under high temperature, high pressure and pressure drop conditions of this patent is different from the size and shape of the particles synthesized at atmospheric pressure It can be seen that it is different.

또한, 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 망간기반 산화물 촉매는 5nm이하 크기의 구형 입자가 모여서 만들어져 있으며, 확대사진을 보면 50~200nm의 길이가 다양한 침상 모양도 5nm 이하 입자가 2겹 이상으로 길이방향으로 자란 것임을 알 수 있고, 침상과 구형의 산화물 사이에 10~200nm의 많은 공간을 형성하고 있음을 알 수 있다. 즉, 본 실시예에 의하여 제조된 촉매는 5nm 이하의 나노입자를 기본 골격으로 하는 높은 표면적의 망간기반 산화물임을 알 수 있다.
Referring to FIG. 2, the manganese-based oxide catalyst according to an embodiment of the present invention is formed by collecting spherical particles having a size of 5 nm or less. In an enlarged view, the particles having a length of 50 to 200 nm, It can be seen that it is grown in the longitudinal direction more than the fold, and it can be seen that a large space of 10 to 200 nm is formed between the needle bed and the spherical oxide. That is, it can be seen that the catalyst prepared according to this embodiment is a high surface area manganese-based oxide having a basic skeleton of nanoparticles of 5 nm or less.

탄산나트륨 (Na2CO3) 430g을 사용하고 숙성 압력을 4기압으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 망간기반 산화물 촉매를 제조하였다. BET 비표면적: 228m2/g.
A manganese-based oxide catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that 430 g of sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) was used and the aging pressure was 4 atm. BET specific surface area: 228 m 2 / g.

구리 염화 수화물(CuCl22O) 204g을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 망간기반 산화물 촉매를 제조하였다. BET 비표면적: 237m2/g.
A manganese-based oxide catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that 204 g of copper chloride hydrate (CuCl 22 O) was used. BET specific surface area: 237 m 2 / g.

코발트 염화 수화물(CoCl22O) 170g을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 망간기반 산화물 촉매를 제조하였다. BET 비표면적: 215m2/g.
A manganese-based oxide catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that 170 g of cobalt chloride hydrate (CoCl 22 O) was used. BET specific surface area: 215 m 2 / g.

합성된 망간기반 산화물촉매는 온도, 수분의 유무, 산소의 함량, 황화합물의 함량에 따른 NOx 제거율을 측정하기 위하여 Eco Physics 사의 CLD-60 분석기를 사용하여 도 3과 같은 시스템을 구성하였다. 도 3에서 보여 주듯이 실험창치는 크게 가스주입부분, 반응기 부분, 그리고 반응가스 분석부분으로 구성하였다. 반응기에 공급되는 가스는 NO, N2, O2, NH3 의 각 실린더로부터 MFC (Mass Flow Controller, SM-TEK Co.)를 사용하여 유량을 조절하였다. 또한, 수분의 공급은 N2가 bubbler를 통하여 수분을 함유하여 반응기에 주입되도록 하였으며, 이때 공급되는 양을 일정하게 하기 위하여 bubbler 외부에 전기로를 이용하여 bubbler 내부 온도를 60℃로 일정하게 유지시켰다. 가스공급관은 전체에 걸쳐 스테인리스 관으로 하였으며 NO와 NH3가 반응하여 생기는 NH4NO3, NH4NO2와 같은 염의 생성을 방지하고 반응가스 중의 수분이 응축되지 않기 위하여 heating band를 감아 180℃로 일정하게 유지하였다. 반응기는 연속 흐름형 고정층 반응장치로서 내경 20mm, 높이 30mm인 스테인리스(SUS 316) 반응기로 제작하였으며, 촉매 층을 고정하기 위해 quartz wool을 사용하였다. 반응기의 온도는 반응기 외부에 장착된 k-type의 열전대를 이용하여 PID 온도제어기로 조절하였으며 가스 유입부분의 온도를 측정하기 위하여 촉매층 상부에도 k-type의 열전대를 설치하여 촉매층 온도를 측정하였다. 모든 gas는 분석기로 유입되기 전에 chiller 내의 수분 trap을 사용하여 gas 내 수분을 제거시킨 후 유입하여 분석을 실시하였다. 이때, 반응기의 온도는 60~300℃까지 변화시켰으며, 공급된 NO의 농도는 300~500ppm, NH3의 농도는 300~500ppm으로 조절하였다. 또한, 산소농도는 3~5%로 유지하였으며 공간속도는 10,000~40,000hr-1가 가능하도록 하였다.
The synthesized manganese-based oxide catalyst was constituted as shown in FIG. 3 by using a CLD-60 analyzer of Eco Physics Co. to measure the NO x removal rate according to the temperature, the presence of water, the oxygen content, and the sulfur compound content. As shown in FIG. 3, the experimental window was composed of a gas injection part, a reactor part, and a reaction gas analysis part. The flow rate of the gas supplied to the reactor was controlled using MFC (Mass Flow Controller, SM-TEK Co.) from each cylinder of NO, N 2 , O 2 and NH 3 . Further, were the supply of moisture is N 2 is to be injected into the reactor by the water-containing through a bubbler, this time was kept constant the bubbler inner temperature to 60 ℃ using an electric furnace in the bubbler external to a constant amount of feed. The gas supply pipe is made of a stainless steel pipe as a whole, and the formation of salts such as NH 4 NO 3 and NH 4 NO 2 which are caused by the reaction of NO and NH 3 is prevented and the heating band is wound around the reaction gas at 180 ° C. . The reactor consisted of a stainless steel (SUS 316) reactor with an inner diameter of 20 mm and a height of 30 mm and a quartz wool to fix the catalyst layer. The temperature of the reactor was controlled by a PID temperature controller using a k-type thermocouple mounted outside the reactor. A k-type thermocouple was also installed at the top of the catalyst bed to measure the temperature of the gas inlet. All the gases were analyzed by introducing water after removing moisture from the gas using a water trap in the chiller before entering the analyzer. At this time, the temperature of the reactor was changed from 60 to 300 ° C., the concentration of NO supplied was controlled to 300 to 500 ppm, and the concentration of NH 3 was controlled to 300 to 500 ppm. The oxygen concentration was maintained at 3 to 5% and the space velocity was made to be in the range of 10,000 to 40,000 hr -1 .

도 4는 본 발명의 실시예 1~4에서 제조된 촉매를 사용하여 NO: 400ppm, NO/NH3: 1 molar ration, O2 농도: 3%, 공간속도: 20,000hr-1 에서 온도를 변화시키면서 질소산화물(NOx) 제거 효율을 나타낸 그래프이며, 170~250℃ 사이에서 질소산화물(NOx)의 제거능이 뛰어났다.
4 is a graph showing changes in the temperature of the catalyst prepared in Examples 1 to 4 of the present invention at 400 ppm of NO, NO / NH 3 : 1 molar ratio, O 2 concentration of 3% and space velocity of 20,000 hr -1 a graph showing the nitrogen oxide (NO x) removal efficiency, was excellent the removal of the nitrogen oxide (NO x) between 170 ~ 250 ℃.

도 5는 본 발명의 실시예 1~4에서 제조된 촉매를 사용하여 NO: 400ppm, NO/NH3: 1 molar ration, O2 농도: 3%, 공간속도: 15,000hr-1에서 SO2를 50ppm 투입하면서 질소산화물(NOx)에 대한 제거 효율을 나타낸 그래프이며, 비록 SO2를 50ppm 투입하더라도 여전히 망간기반 촉매가 SO2에 대한 저항성을 보여주고 있다.
Figure 5 is an embodiment 1 ~ NO, using the catalyst prepared in 4 of the present invention: 400ppm, NO / NH 3: 1 molar ration, O 2 concentration: 3%, and a space velocity: the SO 2 in 15,000hr -1 50ppm The NO x removal efficiency of the catalyst is shown in FIG. 3. Even though SO 2 is fed at 50 ppm, the manganese-based catalyst still shows resistance to SO 2 .

도 6은 본 발명의 실시예 1~4에서 제조된 촉매를 사용하여 NO: 400ppm, NO/NH3: 1 molar ration, O2 농도: 3%, 공간속도를 5,000hr-1으로 떨어뜨린 후 SO2를 50ppm 투입하면서 질소산화물(NOx)에 대한 제거 효율을 나타낸 그래프이며, 공간속도가 15,000hr-1 일 때 보다는 질소산화물(NOx)의 제거능력이 약간 감소하는 경향을 보여주고 있다.
FIG. 6 is a graph showing the results of measurement of NO, 400 ppm, NO / NH 3 : 1 molar ratio, O 2 concentration: 3% and space velocity of 5,000 hr -1 using the catalyst prepared in Examples 1 to 4 of the present invention, 2, while the 50ppm in a graph showing the removal efficiency of the nitrogen oxide (NO x), the space velocity shows a slight tendency to decrease the removal capability of nitrogen oxides (NO x), rather than when the 15,000hr -1.

도 7은 본 발명의 실시예 1~4에서 제조된 촉매를 사용하여 NO: 400ppm, NO/NH3: 1 molar ration, O2 농도: 3%, 공간속도: 5,000hr-1에서 SO2를 50ppm 투입하면서 시간에 대한 질소산화물(NOx)에 대한 제거 효율을 나타낸 그래프이며, 본 망간기반 산화물 촉매는 SO2 존재 하에서도 시간이 지속됨에도 SO2에 뛰어난 저항성을 보여 주었다.
Figure 7 is the embodiment of the invention NO 1, using the catalyst prepared in ~ 4: 400ppm, NO / NH 3: 1 molar ration, O 2 concentration: 3%, and a space velocity: the SO 2 in 5,000hr -1 50ppm while a graph illustrating removal efficiency of the nitrogen oxide (NO x) for the input time, the manganese-based oxide catalyst showed excellent resistance to SO 2 in the time under the lasting SO 2 present.

숙성하는 단계를 상온, 상압에서 4시간 동안 진행하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 망간기반 산화물 촉매를 제조하였다. BET법으로 비표면적을 측정한 결과 비표면적 값은 180m2/g로 나타났으며, 입자의 평균 입경이 50nm로 크고 구형의 균일한 형상을 나타내었다.
A manganese-based oxide catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that the aging step was conducted at room temperature and atmospheric pressure for 4 hours. The specific surface area was found to be 180 m 2 / g as measured by the BET method. The average particle diameter of the particles was as large as 50 nm and the shape of spherical uniformity was shown.

10 : 스테인리스 반응용기 11 : 뚜껑 12 : 압력측정기 13 : 공기 주입구 14 : 잠금장치 15 : 바이톤 실링10: Stainless steel reaction vessel 11: Lid 12: Pressure gauge 13: Air inlet 14: Locking device 15: Viton sealing

Claims (11)

a) 망간염, 구리염, 코발트염, 염기 및 증류수의 혼합액을 가열하여 겔이 형성된 혼합액을 제조하는 단계;
b) 겔이 형성된 혼합액을 반응기에 투입한 후 공기로 가압한 상태에서 숙성하는 단계;
c) b)단계 후 반응기 압력을 상압으로 낮추면서 증류수를 투입하여 겔이 형성된 혼합액을 냉각하는 단계; 및
d) 겔을 수득한 후 세척 및 소성하는 단계;를 포함하는 망간기반 산화물 촉매의 제조방법.
a) heating a mixture of manganese salt, copper salt, cobalt salt, base and distilled water to prepare a mixed solution in which a gel is formed;
b) adding a mixed solution having a gel formed therein to the reactor, and aging the mixture in a state of being pressurized with air;
c) cooling the mixed solution in which the gel is formed by adding distilled water while lowering the pressure of the reactor to normal pressure after step b); And
d) obtaining a gel, followed by washing and calcining.
제 1 항에 있어서,
상기 b)단계의 숙성은 반응기의 압력을 2 내지 100기압으로 유지한 상태로 수행되는 망간기반 산화물 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the aging of step (b) is performed while maintaining the pressure of the reactor at 2 to 100 atm.
제 1 항에 있어서,
상기 망간염, 구리염 및 코발트염은 망간/구리/코발트 몰비가 0.2 내지 3.2가 되도록 사용하는 망간기반 산화물 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the manganese salt, the copper salt and the cobalt salt are used so that the manganese / copper / cobalt molar ratio is 0.2 to 3.2.
제 2 항에 있어서,
상기 a)단계에서 염기는 혼합액에서 망간염, 구리염 및 코발트염의 합에 대한 염기의 몰비로 1~10배 범위에서 첨가하는 망간기반 산화물 촉매의 제조방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the base is added in a range of 1 to 10 times the molar ratio of the base to the sum of manganese salt, copper salt and cobalt salt in the mixed solution.
제 1 항에 있어서,
상기 망간염은 염화망간(MnCl2), 질산망간(Mn(NO3)2), 황산망간(MnSO4), 과염소산망간(Mn(ClO4)2), 이들의 수화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 망간기반 산화물 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
The manganese salt is a group consisting of manganese chloride (MnCl 2 ), manganese nitrate (Mn (NO 3 ) 2 ), manganese sulfate (MnSO 4 ), manganese perchlorate (Mn (ClO 4 ) 2 ), hydrates thereof, Based oxide catalyst. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
제 1 항에 있어서,
상기 구리염은 염화구리(CuCl2), 질산구리(Cu(NO3)2), 황산구리(CuSO4), 과염소산구리(Cu(ClO4)2), 이들의 수화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 망간기반 산화물 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the copper salt is selected from the group consisting of copper chloride (CuCl 2 ), copper nitrate (Cu (NO 3 ) 2 ), copper sulfate (CuSO 4 ), copper perchlorate (Cu (ClO 4 ) 2 ), hydrates thereof, Based oxide catalyst.
제 1 항에 있어서,
상기 코발트염은 염화코발트(CoCl2), 질산코발트(Co(NO3)2), 황산코발트(CoSO4), 이들의 수화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 망간기반 산화물 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the cobalt salt is selected from the group consisting of cobalt chloride (CoCl 2 ), cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 ), cobalt sulfate (CoSO 4 ), hydrates thereof and mixtures thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 염기는 탄산나트륨, 수산화나트륨 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 망간기반 산화물 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the base is selected from sodium carbonate, sodium hydroxide or mixtures thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 a)단계의 혼합액은 은질산염, 크롬질산염, 아연질산염, 란타늄질산염, 네오뮴질산염 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속첨가제를 구리염, 망간염 및 코발트염의 합에 대하여 0.01 내지 10 몰% 범위가 되도록 더 함유하는 망간기반 산화물 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
The mixed solution of the step a) may include 0.01 to 10 moles of a metal additive selected from the group consisting of silver nitrate, chromium nitrate, zinc nitrate, lanthanum nitrate, neodymium nitrate, and mixtures thereof in a total amount of copper salt, manganese salt and cobalt salt % ≪ / RTI > based on the total weight of the catalyst.
제 1 항에 있어서,
상기 a)단계의 혼합액은 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 크로미아 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 담체를 더 함유하는 망간기반 산화물 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
Based oxide catalyst further comprising a carrier selected from the group consisting of alumina, silica, zirconia, titania, ceria, chromia and mixtures thereof.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 BET 표면적 200 내지 1000m2/g의 망간기반 산화물 촉매를 함유하는 SO2에 높은 저항성을 갖는 질소산화물(NOx) 제거용 촉매

A catalyst for removal of nitrogen oxides (NO x ) having a high resistance to SO 2 containing a manganese-based oxide catalyst having a BET surface area of 200 to 1000 m 2 / g, produced by the process of any one of claims 1 to 10

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CN112316953A (en) * 2020-11-16 2021-02-05 陆叶梓 Manganese-based low-temperature denitration catalyst and preparation method thereof
WO2023284304A1 (en) * 2021-07-13 2023-01-19 清华大学 Manganese-based composite oxide catalyst, preparation method therefor, and use thereof
CN116637614A (en) * 2023-05-10 2023-08-25 安徽工业大学 Cerium-manganese-based denitration catalyst with high alkali resistance, and preparation method and application thereof

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