KR20180068590A - Method for Disposing HFCs by Decomposition - Google Patents

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KR20180068590A
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김영민
김승도
황병아
한태욱
이보람
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한림대학교 산학협력단
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Abstract

Provided is a method for decomposing and treating hydrofluorocarbons (HFCs), which catalytically pyrolyzes HFCs using a decomposition catalyst including Al_2O_3 with specific surface area of 200-300 m^2/g, average pore size of 3-10 nm, and pore volume of 0.8-1.5 cm^3/g.

Description

HFCs 분해 처리 방법{Method for Disposing HFCs by Decomposition}Method for Disposing HFCs by Decomposition

본 발명은 Non-CO2 온실가스인 HFCs를 분해하여 처리하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for decomposing and treating HFCs which are non-CO 2 greenhouse gases.

염화불화탄소(Chlorofluorocarbons, 이하 CFCs)와 수소염화불화탄소(Hydro-Chlorofluorocarbons, 이하 HCFCs)는 인체에 무해하고 안정한 물질이기 때문에 냉매, 분사제, 발포제 등 여러 분야에서 다양하게 사용되지만, 오존층 파괴의 주범으로 국제협약인 몬트리올 의정서(우리나라 92년 5월에 가입)에 의해 생산과 사용이 규제되었다. Chlorofluorocarbons (CFCs) and Hydro-Chlorofluorocarbons (HCFCs) are harmless and stable substances in the human body. They are widely used in various fields such as refrigerants, injecting agents and foaming agents. , The production and use of which was regulated by the Montreal Protocol, which was signed in May 1992.

상기 CFCs 및 HCFCs의 대체물질로서 수소화불화탄소(Hydrofluorocarbons, HFCs)와 과불화탄소(Perfluorinated compounds, PFCs)가 개발되었다. 그러나 이러한 물질들은 지구온난화지수(Global Warming Potential, GWP)가 각각 CO2의 1,430, 7,390 배로 높아 기후변화에 대한 영향력은 더욱 큰 것으로 알려져 있다. 이에 우리나라 정부는 냉매용 온실가스를 규제하기 위하여『전기··전자제품 및 자동차의 자원순환에 관한 법률』제25조에 ““폐 가스류 처리업자는 기후생태계변화를 유발하는 물질이 포함된 가스를 재활용하거나 안전하게 처리하여야 함””을 명시하였다. Hydrofluorocarbons (HFCs) and perfluorinated compounds (PFCs) have been developed as substitutes for the CFCs and HCFCs. However, these substances are known to have a greater impact on climate change because the Global Warming Potential (GWP) is as high as 1,430 and 7,390 times that of CO 2 , respectively. In order to regulate the greenhouse gases for the refrigerant, the Korean government has adopted the "Law on the Circulation of Resources of Electricity, Electronics, and Automobiles", Article 25 of the Law, "" The waste gas processor is the gas that contains the substances that cause changes in the climate ecosystem. Recycled, or disposed of safely ".

현재, 국내 HFCs 소비량은 매년 꾸준히 증가하고 있는 추세이다. HFCs 중 전기··전자제품 및 자동차에 사용되는 냉매는 1 kg 이하의 소량으로 존재하며, HFC-134a (1,1,1,2-Tetrafluoroethane, CH2FCF3, 이하 HFC-134a)가 가장 많이 사용되고 있다. HFCs는 제품의 사용 후 소량··점 오염원으로 형태로 배출된다. 현재 폐HFCs가 가장 많이 배출되는 폐가전제품 및 폐차의 경우 HFCs를 회수··저장··운반 과정을 거쳐 최종 처리하고 있는 실정이기 때문에 처리를 위한 운송비용이 높다. At present, consumption of domestic HFCs is steadily increasing every year. Among the HFCs, the refrigerants used in electric appliances and automobiles are present in a small amount of less than 1 kg, and HFC-134a (1,1,1,2-Tetrafluoroethane, CH2FCF3, hereinafter referred to as HFC-134a) is used most frequently. HFCs are emitted in the form of a small amount of point sources after use of the product. In the case of waste household appliances and scrap cars, where waste HFCs are the most discharged, HFCs are finally disposed of through recovery, storage, and transportation processes, so transportation costs for treatment are high.

또한 물리화학적으로 안정된 HFCs의 분해를 위해서는 높은 에너지(온도)가 필요하며, 동시에 처리과정에서 발생되는 HF로 인한 장치의 부식 등의 문제로 HFCs 처리공정 운영에 어려움을 겪고 있다. In addition, high energy (temperature) is required for the decomposition of HFCs that are physically and chemically stable, and at the same time, there is a problem in operating the HFCs treatment process due to the corrosion of the device due to HF generated in the process.

따라서 현장적용성과 처리효율이 높은 HFCs 처리 공정 기술개발이 시급한 상황이다.Therefore, it is urgent to develop HFCs processing technology with high application efficiency and high processing efficiency.

대한민국 공개특허 제10-2002-0000152호Korean Patent Publication No. 10-2002-0000152

본 발명은, 종래기술의 상기와 같은 단점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 처리효율과 현장적용성이 우수한 Non-CO2 온실가스인 HFCs의 분해 처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. Disclosure of Invention Technical Problem [8] The present invention has been made to overcome the above-mentioned disadvantages of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a decomposition treatment method of HFCs which is a non-CO 2 greenhouse gas excellent in treatment efficiency and field application.

본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위하여, The present invention, in order to achieve the above object,

비표면적이 200~300 m2/g 이고, 평균포어크기가 3~10 nm이고, 포어부피가 0.8~1.5 cm3/g인 Al2O3를 포함하는 분해촉매를 사용하여 HFCs를 촉매열분해시키는 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법을 제공한다.Catalytic cracking of HFCs is carried out using a cracking catalyst comprising Al 2 O 3 having a specific surface area of 200 to 300 m 2 / g, an average pore size of 3 to 10 nm and a pore volume of 0.8 to 1.5 cm 3 / g Wherein the HFC decomposition treatment method comprises the steps of:

또한, 본 발명은In addition,

비표면적이 200~300 m2/g 이고, 평균포어크기가 3~10 nm이고, 포어부피가 0.8~1.5 cm3/g인 Al2O3를 포함하는 분해촉매를 사용하며, 불활성 가스 분위기에서 수증기를 공급하면서 HFCs를 촉매열분해시키는 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법을 제공한다.Using a decomposition catalyst comprising Al 2 O 3 having a specific surface area of 200 to 300 m 2 / g, an average pore size of 3 to 10 nm and a pore volume of 0.8 to 1.5 cm 3 / g, And catalytic cracking the HFCs while supplying water vapor.

또한, 본 발명은In addition,

비표면적이 200~300 m2/g 이고, 평균포어크기가 3~10 nm이고, 포어부피가 0.8~1.5 cm3/g인 Al2O3를 포함하는 분해촉매를 사용하며, 불활성 가스 분위기에서 수증기를 공급하면서 550~650℃에서 HFCs를 촉매열분해시키는 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법을 제공한다.Using a decomposition catalyst comprising Al 2 O 3 having a specific surface area of 200 to 300 m 2 / g, an average pore size of 3 to 10 nm and a pore volume of 0.8 to 1.5 cm 3 / g, And catalytic cracking the HFCs at 550 to 650 ° C. while supplying water vapor.

본 발명에 따른 HFCs 분해 처리 방법은 우수한 분해촉매와 상기 분해촉매에 따르는 효과적인 반응 조건을 채용함으로써 우수한 HFCs의 분해효율을 제공한다. The method for decomposing HFCs according to the present invention provides excellent decomposition efficiency of HFCs by employing effective decomposition catalysts and effective reaction conditions for the decomposition catalysts.

또한, 본 발명에 따른 HFCs 분해 처리 방법은 현장적용이 가능한 소형 분해 처리 장치에 적용하는 것이 가능하므로 Non-CO2 온실가스인 HFCs를 효과적으로 처리하는 것을 가능하게 한다. In addition, since the method for decomposing HFCs according to the present invention can be applied to a small-scale decomposition apparatus that can be applied in the field, it is possible to effectively treat HFCs that are non-CO 2 greenhouse gases.

도 1 및 도 2는 본 발명의 HFCs 분해 처리 방법에 사용되는 HFCs 열촉매분해장치의 일예를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 3은 300~600℃에서 HFC-134a의 열분해 또는 촉매열분해 반응에 따른 HFC-134a의 분해율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 각 온도에서 HFC-134a 분해 반응을 수행한 후 얻어진 촉매들의 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 HFC-134a가 분해되면서 가스부산물로 배출되는 CO2, 트리플루오로에틸렌(C2HF3)의 각 촉매별, 반응 온도별 피크 면적을 나타낸 그래프이다.
도 6은 g-Al2O3-B 촉매를 이용하여 반응 온도에 따른 HFC-134a 연속촉매열분해 반응 효율을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 반응 온도에 따른 HFC-134a 연촉촉매열분해 반응에서 반응 시간이 경과함에 따라 형성되는 트리플루오로에틸렌 및 CO2의 변화 양상을 나타낸 그래프이다.
도 8은 HFC-134a를 g-Al2O3-B 촉매와 24시간 반응시킨 후 촉매의 XRD 분석결과르 나타낸 그래프이다.
도 9는 HFC-134a 주입 농도에 따른 분해율을 나타내 그래프이다.
도 10은 주입가스의 조성에 따른 반응기의 부식상태를 나타내는 사진이다.
도 11은 수증기 공급에 의한 가수분해 반응 시간에 따른 HFC-134a의 분해율을 나타낸 그래프이다.
도 12는 수증기 공급에 의한 24시간 가수분해반응 후 회수한 촉매의 XRD 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 g- Al2O3상에서 촉매 단위 질량당 공간속도(WHSV)에 의한 HFC-134a 분해율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 수증기 공급에 의한 촉매열분해 및 가수분해 반응 전··후의 비표면 및 구조변화를 촬영한 SEM이미지이다.
FIG. 1 and FIG. 2 are diagrams schematically showing an example of a HFCs thermal catalytic cracking apparatus used in the HFCs decomposition treatment method of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing decomposition rates of HFC-134a according to pyrolysis or catalytic pyrolysis of HFC-134a at 300 to 600 ° C.
FIG. 4 is a graph showing XRD measurement results of catalysts obtained after HFC-134a decomposition at various temperatures. FIG.
FIG. 5 is a graph showing the peak areas of CO 2 and trifluoroethylene (C 2 HF 3 ) for each catalyst and reaction temperature, which are released into gas byproducts by decomposition of HFC-134a.
FIG. 6 is a graph showing the reaction efficiency of pyrolysis of HFC-134a continuous catalyst according to reaction temperature measured using a g-Al 2 O 3 -B catalyst.
FIG. 7 is a graph showing changes in the trifluoroethylene and CO 2 formed as the reaction time elapses in the pyrolysis reaction of HFC-134a nitrate according to the reaction temperature. FIG.
8 is a graph showing the results of XRD analysis of the catalyst after reacting HFC-134a with g-Al 2 O 3 -B catalyst for 24 hours.
9 is a graph showing the decomposition rate according to the HFC-134a injection concentration.
10 is a photograph showing the corrosion state of the reactor according to the composition of the injection gas.
11 is a graph showing the decomposition rate of HFC-134a according to hydrolysis reaction time by steam supply.
12 is a graph showing the XRD analysis results of the catalyst recovered after 24 hours hydrolysis reaction by steam supply.
13 is a graph showing the change of HFC-134a decomposition rate by the space velocity per unit mass of catalyst (WHSV) on g-Al 2 O 3 .
FIG. 14 is a SEM image of the specific surface and structural changes before and after catalytic pyrolysis and hydrolysis reaction by steam supply.

본 발명은 비표면적이 200~300 m2/g 이고, 평균포어크기가 3~10 nm이고, 포어부피가 0.8~1.5 cm3/g인 Al2O3를 포함하는 분해촉매를 사용하여 HFCs를 촉매열분해시키는 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to the use of a cracking catalyst comprising Al 2 O 3 having a specific surface area of 200 to 300 m 2 / g, an average pore size of 3 to 10 nm and a pore volume of 0.8 to 1.5 cm 3 / g, Catalytic cracking of the HFCs.

상기 분해촉매는 비표면적과 기공부피가 크고 평균포어크기가 작을수록 우수한 분해효과를 제공한다. 그러므로 상기에 기재한 범위 내에서 우수한 HFCs의 분해효과를 제공한다. 상기 Al2O3는 γ-Al2O3일 수 있다. The decomposition catalyst has a larger specific surface area and a larger pore volume and a smaller average pore size, thereby providing a superior decomposition effect. Therefore, it provides a decomposition effect of excellent HFCs within the range described above. The Al 2 O 3 may be? -Al 2 O 3 .

상기 HFCs는 알칸(CnH2n+2)의 수소 일부가 불소로 치환된 할로알칸(Haloalkanes) 화합물을 의미하며, 구체적으로 HFCs가 HFC-23, HFC-32, HFC-125, HFC-134a, HFC-152a, HFC-143a, HFC-227ea, HFC-236fa, HFC-245ca, 또는 상기 성분들을 1종 이상 포함하는 혼합냉매일 수 있다. The HFCs are alkanes (CnH 2 n +2) means a haloalkane (Haloalkanes) compound substituted with a part of the hydrogen fluoride, specifically, HFCs is HFC-23, HFC-32, HFC-125, and HFC-134a, HFC -152a, HFC-143a, HFC-227ea, HFC-236fa, HFC-245ca, or a mixed refrigerant containing one or more of the above components.

HFCs는 다음과 같은 물리, 화학적인 특성을 갖는다HFCs have the following physical and chemical properties

성 분ingredient 화학식The 분자량Molecular Weight
(g/mol)(g / mol)
융점Melting point
()()
비점Boiling point
()()
증기압Vapor pressure
(Bar at 20)(Bar at 20)
자연nature
소멸시간Decay time
(Years)(Years)
온난화지수Warming Index
(100년 기준)(Based on 100 years)
HFC-23HFC-23 CHF3 CHF 3 7070 -155-155 -82.2-82.2 41.641.6 270270 11,70011,700 HFC-32HFC-32 CH2F2 CH 2 F 2 5252 -136-136 -52-52 13.813.8 5.65.6 650650 HFC-125HFC-125 C2HF5 C 2 HF 5 120120 -103-103 -48.5-48.5 12.112.1 32.632.6 2,8002,800 HFC-134aHFC-134a CH2FCF3 CH 2 FCF 3 102102 -101-101 -26-26 5.75.7 14.614.6 1,3001,300 HFC-152aHFC-152a C2H4F2 C 2 H 4 F 2 6767 -117-117 -25-25 5.15.1 1.51.5 140140 HFC-143aHFC-143a C2H3F3 C 2 H 3 F 3 8484 -111-111 -47.6-47.6 11.111.1 48.348.3 3,8003,800 HFC-227eaHFC-227ea C3HF7 C 3 HF 7 170170 -131-131 -16.4-16.4 44 36.536.5 2,9002,900 HFC-236faHFC-236fa C3H2F6 C 3 H 2 F 6 151151 -94.2-94.2 -1.1-1.1 2.5(25)2.5 (25) 209209 6,3006,300 HFC-245caHFC-245ca C3H3F5 C 3 H 3 F 5 134134 -73.4-73.4 2525 6.66.6 560560

또한, HFCs 혼합냉매의 예로는 하기 표 4에 기재된 것을 들 수 있다. Examples of the HFCs mixed refrigerant include those listed in Table 4 below.

Figure pat00001
Figure pat00001

본 발명에서 HFCs의 촉매열분해는 300~650℃에서 수행하는 것이 바람직하며, 550~650℃에서 수행하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 550~650℃에서 분해를 실시하는 경우 HFCs의 100 % 분해지속시간이 현저하게 길어지게 하는 효과를 얻을 수 있다. In the present invention, catalytic pyrolysis of HFCs is preferably carried out at 300 to 650 ° C, more preferably at 550 to 650 ° C. When the decomposition is carried out at the temperature of 550 to 650 ° C., the effect that the 100% decomposition duration of HFCs is remarkably lengthened can be obtained.

본 발명에서 HFCs의 촉매열분해는 촉매 단위 질량당 공간속도(WHSV)가 500~700 mL/gcat·h 되도록 촉매를 컬럼에 충진하여 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 촉매를 많이 사용할수록 HFCs의 분해효율이 상승하기 때문이다. In the present invention, the catalytic cracking of HFCs is preferably carried out by filling the column with a catalyst so that the space velocity (WHSV) per mass of the catalyst unit is 500 to 700 mL / g cat · h. This is because the more the use of the catalyst, the higher the decomposition efficiency of HFCs.

본 발명은 또한, 비표면적이 200~300 m2/g 이고, 평균포어크기가 3~10 nm이고, 포어부피가 0.8~1.5 cm3/g인 Al2O3를 포함하는 분해촉매를 사용하며, 불활성 가스 분위기에서 수증기를 공급하면서 HFCs를 촉매열분해시키는 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법을 제공한다.The present invention also uses a decomposition catalyst comprising Al 2 O 3 having a specific surface area of 200 to 300 m 2 / g, an average pore size of 3 to 10 nm and a pore volume of 0.8 to 1.5 cm 3 / g And catalytic cracking the HFCs while supplying water vapor in an inert gas atmosphere.

상기 분해촉매는 비표면적과 기공부피가 크고 평균포어크기가 작을수록 우수한 분해효과를 제공한다. 그러므로 상기에 기재한 범위 내에서 우수한 HFCs의 분해효과를 제공한다. 상기 Al2O3는 γ-Al2O3일 수 있다. The decomposition catalyst has a larger specific surface area and a larger pore volume and a smaller average pore size, thereby providing a superior decomposition effect. Therefore, it provides a decomposition effect of excellent HFCs within the range described above. The Al 2 O 3 may be? -Al 2 O 3 .

상기 HFCs는 알칸(CnH2n+2)의 수소 일부가 불소로 치환된 할로알칸(Haloalkanes) 화합물을 의미하며, 구체적으로 HFCs가 HFC-23, HFC-32, HFC-125, HFC-134a, HFC-152a, HFC-143a, HFC-227ea, HFC-236fa, HFC-245ca, 또는 상기 성분들을 1종 이상 포함하는 혼합냉매일 수 있다. The HFCs are alkanes (CnH 2 n +2) means a haloalkane (Haloalkanes) compound substituted with a part of the hydrogen fluoride, specifically, HFCs is HFC-23, HFC-32, HFC-125, and HFC-134a, HFC -152a, HFC-143a, HFC-227ea, HFC-236fa, HFC-245ca, or a mixed refrigerant containing one or more of the above components.

상기 HFCs의 물리적 화학적 특성과 HFCs 혼합냉매의 예로는 상기 표 1 및 표 2의 내용을 참고할 수 있다.The physical and chemical properties of the HFCs and examples of the HFCs mixed refrigerant can be found in Table 1 and Table 2.

본 발명에서 HFCs의 촉매열분해는 산소를 공급하지 않은 상태에서 수행하는 것이 바람직하다. 산소를 공급할 경우, 산소 첨가 시 반응가스의 유량이 일정하게 유지되지 않으며, 반응 후 sampling bag에 20분간 포집된 가스의 양 또한 촉매열분해 조건과 비교하여 현저히 감소하는 양상을 나타내며 특히, 반응기 내부의 부식으로 인해 상당히 많은 양의 고체 부산물이 형성되는 문제가 발생하므로 바람직하지 않다.In the present invention, the catalytic pyrolysis of HFCs is preferably performed in a state in which oxygen is not supplied. When the oxygen is supplied, the flow rate of the reaction gas is not kept constant during the addition of oxygen, and the amount of gas collected in the sampling bag for 20 minutes after the reaction is significantly decreased as compared with the catalytic pyrolysis condition. In particular, A problem arises in that a considerable amount of solid by-product is formed, which is not preferable.

상기 HFCs와 수증기는 2:3 ~ 2:4의 부피비로 공급하는 것이 HFCs의 분해효율 면에서 바람직하다. It is preferable that the HFCs and the water vapor are supplied at a volume ratio of 2: 3 to 2: 4 in view of decomposition efficiency of HFCs.

본 발명에서 HFCs의 촉매열분해는 300~650℃에서 수행하는 것이 바람직하며, 550~650℃에서 수행하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 550~650℃에서 분해를 실시하는 경우 HFCs의 100 % 분해지속시간이 현저하게 길어지게 하는 효과를 얻을 수 있다. In the present invention, catalytic pyrolysis of HFCs is preferably carried out at 300 to 650 ° C, more preferably at 550 to 650 ° C. When the decomposition is carried out at the temperature of 550 to 650 ° C., the effect that the 100% decomposition duration of HFCs is remarkably lengthened can be obtained.

본 발명은 또한, 비표면적이 200~300 m2/g 이고, 평균포어크기가 3~10 nm이고, 포어부피가 0.8~1.5 cm3/g인 Al2O3를 포함하는 분해촉매를 사용하며, 불활성 가스 분위기에서 수증기를 공급하면서 550~650℃에서 HFCs를 촉매열분해시키는 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법을 제공한다.The present invention also uses a decomposition catalyst comprising Al 2 O 3 having a specific surface area of 200 to 300 m 2 / g, an average pore size of 3 to 10 nm and a pore volume of 0.8 to 1.5 cm 3 / g And catalytically cracking the HFCs at 550 to 650 ° C while supplying water vapor in an inert gas atmosphere.

상기에서 분해촉매, 수증기 관련 내용은 위에서 기술된 내용과 동일하다.The contents of the decomposition catalyst and steam in the above are the same as those described above.

상기에서 HFCs의 촉매열분해는 촉매 단위 질량당 공간속도(WHSV)가 500~700 mL/gcat·h 되도록 촉매를 컬럼에 충진하여 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 촉매를 많이 사용할수록 HFCs의 분해효율이 상승하기 때문이다. In this case, it is preferable that the catalyst is pyrolyzed in the catalyst so that the space velocity (WHSV) per unit mass of the catalyst is 500 to 700 mL / g cat · h. This is because the more the use of the catalyst, the higher the decomposition efficiency of HFCs.

본 발명의 HFCs 분해 처리 방법은 처리 방법이 단순하여 그 방법을 구현할 수 있는 처리 장치도 소형화하기에 적합하다. 또한, 분해 처리 효율이 우수하여 소형화된 장치에서도 우수한 분해 효율을 제공할 수 있다.The method for decomposing HFCs according to the present invention is suitable for downsizing a processing apparatus which can implement the method because the processing method is simple. In addition, it is possible to provide excellent decomposition efficiency even in an apparatus that is excellent in decomposition efficiency and is miniaturized.

그러므로, 본 발명의 HFCs 분해 처리 방법은 현장적용이 가능한 소형 촉매열분해 장치를 제공하는 것을 가능하게 하며, 그로 인하여 Non-CO2 온실가스인 HFCs를 효과적으로 감축하는데 기여할 수 있다. Therefore, the method of decomposing HFCs of the present invention makes it possible to provide a small-scale catalytic cracking apparatus that can be applied in the field, thereby contributing to the effective reduction of HFCs which are non-CO 2 greenhouse gases.

본 발명의 HFCs 분해 처리 방법은 구체적으로 도 1에 도시된 것과 같은 분해장치에 의해 수행될 수 있다. The method for decomposing HFCs of the present invention can be specifically carried out by a decomposition apparatus as shown in Fig.

즉, 본 발명에 사용되는 HFCs 분해 처리 장치(100)는 반응가스 공급부(10), 반응부(20), 및 분해가스 배출부(30)를 포함하며,That is, the apparatus 100 for decomposing HFCs used in the present invention includes a reaction gas supply unit 10, a reaction unit 20, and a decomposition gas discharge unit 30,

상기 반응가스 공급부(10)는 HFCs 공급부(11); 불활성 가스 공급부(12); 및 반응가스 공급부(10)와 반응부(20)를 연결하며 반응부에 반응가스를 주입하는 반응가스 주입관(13)을 포함하여 구성되며,The reaction gas supply unit 10 includes an HFCs supply unit 11; An inert gas supply unit (12); And a reaction gas injection tube 13 connecting the reaction gas supply unit 10 and the reaction unit 20 and injecting the reaction gas into the reaction unit,

상기 반응부(20)는 촉매충진컬럼(21) 및 상기 촉매충진컬럼을 둘러싸는 히터(22)를 포함하여 구성되며, The reaction part 20 comprises a catalyst filling column 21 and a heater 22 surrounding the catalyst filling column,

상기 분해가스 배출부(30)는 분해가스 배출관(31)을 포함하여 구성되며,The decomposition gas discharge unit 30 includes a decomposition gas discharge pipe 31,

상기 촉매충진컬럼(21)의 일단부에는 상기 반응가스 주입관(13)이 연결되며 타단부에는 상기 분해가스 배출관(31)이 연결되며,The reaction gas injection tube 13 is connected to one end of the catalyst filling column 21 and the decomposition gas discharge pipe 31 is connected to the other end,

상기 촉매충진컬럼(21)에는 비표면적이 200~300 m2/g 이고, 포어 사이즈가 3~10 nm이고, 포어부피가 0.8~1.5 cm3/g인 Al2O3를 포함하는 분해촉매가 충진될 수 있다.The catalyst loading column 21 is provided with a decomposition catalyst containing Al 2 O 3 having a specific surface area of 200 to 300 m 2 / g, a pore size of 3 to 10 nm and a pore volume of 0.8 to 1.5 cm 3 / g Can be filled.

상기 반응가스 공급부(10)에는 각각의 반응가스의 유량을 조절하는 유량조절장치(15)가 더 설치될 수 있다.The reaction gas supply unit 10 may further include a flow rate regulator 15 for regulating the flow rate of each reaction gas.

상기 분해가스 배출부(30)는 분해가스 배출관(31)에 연결된 분해가스 포집부(32) 및 분해가스 중화부(33)를 더 포함할 수 있다.The decomposition gas discharge unit 30 may further include an decomposed gas collection unit 32 and a decomposed gas neutralization unit 33 connected to the decomposed gas discharge pipe 31.

상기 분해가스 포집부(32)는 분해된 가스를 포집하여 분석할 수 있도록, 예를 들어, 가스포집백(Gas sampling bag)을 이용하여 포집하고, 가스크로마토그래피/질량분석기 (GC/MS, 7890A/5975C inert, Agilent Technologies) 등을 이용하여 분해 가스를 분석하도록 설치된다. The decomposed gas collector 32 is collected by using, for example, a gas sampling bag so as to collect and analyze the decomposed gas, and is collected by a gas chromatography / mass spectrometer (GC / MS, 7890A / 5975C inert, Agilent Technologies) to analyze the cracked gas.

상기 중화부(33)는 배출가스를 산성 중화트랩을 이용하여 산성물질(HF)을 중화시킨 후 Fume Hood를 통해 배출하는 기능을 수행한다. 중화트랩은 예를 들어 NaOH 용액으로 구성될 수 있다.The neutralization unit 33 neutralizes the acidic substance (HF) using an acidic neutralization trap and discharges the exhaust gas through the fume hood. The neutralization trap may comprise, for example, a NaOH solution.

상기 반응부(20)에서 히터(22)는 특별히 한정되지 않으며, 이 분야에 공지된 것이 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기로 방식의 원형 히터가 사용될 수 있다.The heater 22 in the reaction part 20 is not particularly limited and any known in the art may be used without limitation. For example, an electric furnace type circular heater can be used.

상기 촉매충진컬럼(21)은 금속 관형 컬럼의 양단에 글래스 울(24, glass wool)을 채우고, 상기 글래스 울 사이에 분해촉매(23)를 충진한 형태로 구성될 수 있다.The catalyst filling column 21 may be configured such that glass wool 24 is filled at both ends of a metal tubular column and the decomposition catalyst 23 is filled between the glass wool columns.

상기 촉매충진컬럼으로 사용되는 금속 관형 컬럼으로는, 예를 들어, 직경 1/2 인치, 길이 75 cm의 SUS관이 사용될 수 있으며, 내부식성과 고온적용 가능성을 고려하여 SUS-316L가 사용될 수도 있다.As the metal tubular column used as the catalyst filling column, for example, a SUS tube having a diameter of 1/2 inch and a length of 75 cm may be used, and SUS-316L may be used in consideration of corrosion resistance and high temperature application possibility .

상기 촉매충진컬럼(21)은 하단부에 반응가스 주입관(13)이 연결되며, 상단부에 분해가스 배출관(31)이 연결되는 형태로 구성될 수 있다. The catalyst charging column 21 may have a structure in which a reaction gas injection tube 13 is connected to the lower end portion and an exhaust gas discharge pipe 31 is connected to the upper end portion.

상기 반응가스 공급부(10)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 수증기 공급부(14)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 촉매충진컬럼에 HFCs와 함께 질소가스 및 수증기를 공급하면서 HFCs를 분해할 수 있다. The reaction gas supply unit 10 may further include a water vapor supply unit 14 as shown in FIG. In this case, HFCs can be decomposed while feeding nitrogen gas and steam together with HFCs to the catalyst-charged column.

상기 수증기 공급부(14)는 예를 들어, 실린지펌프(Syringe Pump, kdScientific Co.)를 사용하여 수증기를 반응기에 공급할 수 있다.The water vapor supply unit 14 can supply water vapor to the reactor using, for example, a syringe pump (kd Scientific Co.).

본 발명에 사용되는 HFCs 분해 처리 장치는 상기에 예시한 장치에 한정되지 않으며, 이 분야에 공지된 HFCs 분해 처리 장치가 제한 없이 사용될 수 있다. 그러므로 상기에서 예시된 HFCs 분해 처리 장치의 구조에서 기술되지 않은 구성요소들에 대해서는 이 분야의 공지의 구성요소들이 제한 없이 채용될 수 있다.  The apparatus for decomposing HFCs used in the present invention is not limited to the apparatus exemplified above, and the apparatus for decomposing HFCs known in the art can be used without limitation. Therefore, components not known in the structure of the HFCs decompositionally treating apparatus exemplified above can be employed without limitation in known components of the field.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples, but the present invention is not limited to the following examples.

실시예Example 1: 촉매의 물리적 특성 평가 1: Evaluation of physical properties of catalyst

Na2CO3, CaO, CaCO3, g-Al2O3-A, 및 g-Al2O3-B를 촉매로 선정하여 HFC-134a(Pure Mann 사 제조) 분해율을 비교하였다. 선정된 촉매의 비표면적, 기공크기 및 기공부피를 측정하기 위해서 BET 측정기(3Flex, Micromeritics Instrument Co.)를 이용하였으며 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다. 실제 반응 실험에서 일관성과 안정성 확보를 위해 사용된 모든 촉매들은 체거름을 통해 입자크기가 1.7 mm 이하인 촉매만을 분리선별하여 사용하였으며, 실험 전 750℃에서 3시간 동안 소성하고 105℃에서 4시간 동안 건조 과정을 거친 후에 데시케이터에 보관하였다.Na 2 CO 3 , CaO, CaCO 3 , g-Al 2 O 3 -A, and g-Al 2 O 3 -B were selected as catalysts to compare the decomposition rates of HFC-134a (Pure Mann). A BET measuring device (3Flex, Micromeritics Instrument Co.) was used to measure the specific surface area, pore size and pore volume of the selected catalyst, and the results are shown in Table 3 below. All of the catalysts used for ensuring consistency and stability in the actual reaction experiments were separated and sorted using catalysts having a particle size of 1.7 mm or less through sieving. The catalysts were calcined at 750 ° C. for 3 hours and dried at 105 ° C. for 4 hours And then stored in a desiccator.

촉매catalyst SpecificSpecific surface  표면 areaarea (m(m 22 /g)/ g) PorePore size(nm) size (nm) PorePore volume(cm volume (cm 33 /g)/ g) NaNa 22 COCO 33 N.DN.D. .. N.DN.D. .. N.DN.D. .. CaOCaO 5.45.4 2020 0.0350.035 CaCOCaCO 33 2.62.6 3737 0.0210.021 g-g- AlAl 22 OO 33 -A-A 154.5154.5 1313 0.5540.554 g-g- AlAl 22 OO 33 -B-B 255.0255.0 55 1.141.14 N.DN.D. . : . : NotNote DetectableDetectable

또한 HFC-134a 분해 반응 전후 촉매의 결정상태 확인을 위해 X-선 회절 분석기(X-ray diffraction, XRD, Ultima IV)를 이용하였다. 이때, X-선 회절 분석기의 운영에 필요한 전류와 전압은 40 mA, 40 kV로 설정하였으며 XRD 측정속도는 4 degreeo/min으로 5~80o(2-Theta)범위에서 측정하였다. 반응 전후의 비표면적 및 표면상태의 변화를 관찰하기 위해 반응 후 회수된 촉매에 대해서는 추가적인 BET 및 전자주사현미경(Scanning electron microscope, SEM) 분석을 실시하였다.X-ray diffraction (XRD, Ultima IV) was used to confirm the crystallization state of the catalyst before and after the HFC-134a decomposition reaction. At this time, the current and voltage required for operating the X-ray diffractometer were set at 40 mA and 40 kV, and the XRD measurement rate was measured in the range of 5 to 80 ° (2-Theta) at 4 degree o / min. In order to observe the changes in specific surface area and surface state before and after the reaction, additional BET and scanning electron microscope (SEM) analyzes were performed on the catalyst recovered after the reaction.

실시예Example 2: HFC-134a 분해 반응 시스템 구성 2: Structure of HFC-134a decomposition reaction system

HFC-134a 분해를 위해 자체 제작한 관형흐름반응기(Plug flow reactor)를 사용하였으며 시스템의 개략도는 도 2에 도시되었다. 반응시스템은 크게 반응가스 공급부(10), 반응부(20), 및 분해가스 배출부(30)를 포함하며, 상기 반응가스 공급부(10)는 HFCs 공급부(11); 불활성 가스 공급부(12); 수증기 공급부(14) 및 반응가스 공급부(10)와 반응부(20)를 연결하며 반응부에 반응가스를 주입하는 반응가스 주입관(13)을 포함하여 구성되며, 상기 반응부(20)는 촉매충진컬럼(21) 및 상기 촉매충진컬럼을 둘러싸는 히터(22)를 포함하여 구성되며, 상기 분해가스 배출부(30)는 분해가스 배출관(31)을 포함하여 구성되며, 상기 촉매충진컬럼(21)의 일단부에는 상기 반응가스 주입관(13)이 연결되며 타단부에는 상기 분해가스 배출관(31)이 연결되도록 구성하고, 상기 반응가스 공급부(10)에는 각각의 반응가스의 유량을 조절하는 유량조절장치(15)가 구비되고, 상기 분해가스 배출부(30)는 분해가스 배출관(31)에 연결된 분해가스 포집부(32) 및 분해가스 중화부(33)가 더 설치되도록 구성하였다. A self-made tubular flow reactor was used for HFC-134a decomposition and a schematic diagram of the system is shown in FIG. The reaction system includes a reaction gas supply unit 10, a reaction unit 20, and a decomposition gas discharge unit 30, and the reaction gas supply unit 10 includes an HFCs supply unit 11; An inert gas supply unit (12); And a reaction gas inlet pipe 13 connecting the water vapor supply unit 14 and the reaction gas supply unit 10 to the reaction unit 20 and injecting the reaction gas into the reaction unit, And a heater 22 surrounding the charging column 21. The decomposed gas discharging unit 30 includes a decomposition gas discharge pipe 31 and the catalyst charging column 21 The reaction gas inlet tube 13 is connected to one end of the reaction gas supply pipe 10 and the decomposition gas discharge pipe 31 is connected to the other end of the reaction gas supply pipe 10, The decomposition gas discharge unit 30 is provided with the decomposition gas collection unit 32 connected to the decomposition gas discharge pipe 31 and the decomposition gas neutralization unit 33.

상기 분해가스 중화부는 중화트랩(NaOH solution, 0.2N, 200 ㎖)으로 구성하였다. 반응가스의 공급압력은 모두 가스용기에 연결된 압력조절장치(Regulator)를 통해 345 kPa로 고정하였으며, 반응기로 유입되는 공급유량은 유량조절장치(Mass, fow controller, MFC)를 통해 반응조건에 맞게 반응기로 공급되었다. 수증기는 실린지펌프(Syringe Pump, kdScientific Co.)를 사용하여 반응기에 공급하였고 모든 반응에 있어 반응기로의 전체 가스 공급유량은 50 mL/min으로 고정하였다.The decomposition gas neutralization part was composed of a neutralization trap (NaOH solution, 0.2N, 200 ml). The supply pressure of the reaction gas was fixed to 345 kPa through a regulator connected to the gas container. The flow rate of the supplied reaction gas to the reactor was controlled by a mass control device (mass controller, fow controller, MFC) . The water vapor was supplied to the reactor using a syringe pump (kdScientific Co.) and the total gas supply flow rate to the reactor was fixed at 50 mL / min for all reactions.

반응기는 촉매를 충전할 수 있도록 직경 1/2 인치, 길이 75 cm의 SUS관을 사용하였으며, 내부식성과 고온적용 가능성을 고려하여 SUS-316L 재질을 이용하였다. 반응기에 가해지는 열은 외부를 감싸는 전기로 방식의 원형 히터를 사용하였으며, 반응기 온도 측정을 위해 K-type 온도계를 사용하였다. 또한 반응가스와 촉매와의 원활한 접촉을 위해 반응기는 수직으로 배치하고 반응가스가 아래에서 위로 흐르게 하였다. The SUS-316L material was used for the reactor, in order to fill the catalyst, a SUS tube having a diameter of 1/2 inch and a length of 75 cm was used and the corrosion resistance and high temperature application possibility were considered. The heat applied to the reactor was an electric furnace type circular heater which surrounds the outside, and a K-type thermometer was used to measure the reactor temperature. Also, for smooth contact between the reaction gas and the catalyst, the reactor was arranged vertically and the reaction gas flowed from bottom to top.

또한 반응기 내부의 촉매가 반응 도중 외부로 이탈되는 것을 방지하기 위해 촉매 위/아래에 유리섬유(Glass wool)를 사용하여 촉매 위치를 고정하였다. 반응 후 배출가스(HFC-134a 또는 생성가스)는 20분 동안 가스포집백(Gas sampling bag)을 이용하여 포집하고, 가스크로마토그래피/질량분석기 (GC/MS, 7890A/5975C inert, Agilent Technologies)를 이용하여 분석하였다. 포집시간을 제외한 나머지 공정운영에서 발생되는 배출가스는 산성 중화트랩을 이용하여 산성물질(HF)를 중화시킨 후 Fume Hood를 통해 배출하였다. In order to prevent the catalyst inside the reactor from escaping to the outside during the reaction, the position of the catalyst was fixed by using a glass wool on / under the catalyst. After the reaction, the exhaust gas (HFC-134a or product gas) was collected using a gas sampling bag for 20 minutes and analyzed by a gas chromatography / mass spectrometer (GC / MS, 7890A / 5975C inert, Agilent Technologies) Respectively. Except for the collection time, the exhaust gas generated from the process operation was neutralized with acid neutralization trap (HF) and discharged through the fume hood.

본 실험에 사용된 GC/MS 장치와 분석 조건은 하기 표 4에 각각 나타내었다. GC/MS 분석 결과 얻어진 크로마토그램상의 각 MS 피크는 NIST 8th library (National Institute of Standards and Technology, USA)상의 질량 스펙트럼과 비교하여 정성 분석을 진행하였고, 각 MS 피크를 적분하여 얻어진 면적을 비교함으로써 각 반응조건에 따른 가스 부산물의 생성량 및 HFC-134a 분해율을 산정하였다.The GC / MS apparatus and analysis conditions used in this experiment are shown in Table 4 below. The MS peaks on the chromatogram obtained by the GC / MS analysis were compared with the mass spectra of NIST 8th library (National Institute of Standards and Technology, USA) and qualitative analysis was carried out. By comparing the areas obtained by integrating the MS peaks, The amount of gas by-products and the decomposition ratio of HFC-134a were calculated according to the reaction conditions.

GCGC ( ( AgilentAgilent 7890A) 7890A) InletInlet 250 250 ColumnColumn GS-GASPRO (60 m x 0.32 mm i.d.)GS-GASPRO (60 m x 0.32 mm i.d.) Total flowTotal flow Helium 2 mL/minHelium 2 mL / min OvenOven 50 20 /min 260 (5 min)50 20 / min 260 (5 min) Injection amountInjection amount 100100 MS transfer lineMS transfer line 280 280 MSMS ( ( AgilentAgilent 5975C  5975C inertinert )) Ion sourceIon source 230 230 QuadrupoleQuadrupole 150 150 Ionization currentIonization current 70 eV70 eV Scan rangeScan range 10~800 amu10 to 800 amu Scan speedScan speed 3.64 scans/sec3.64 scans / sec

실시예Example 3: 반응을 통한 촉매 성능 평가 3: Evaluation of catalyst performance through reaction

우수한 촉매를 찾기 위해 대상 촉매 10g ± 0.02 g를 반응기 내부에 장착시키고, 반응 전 시스템 내에 남아 있는 산소 및 불순물을 제거하기 위해 N2 (40 mL/min)로 10분간 purging한 후 반응기의 온도를 설정온도까지 예열하였다. 설정온도(300, 400, 500, 600℃)까지 반응기의 온도가 올라가고 안정화가 되면 HFC-134a 가스 주입 밸브를 열어 일정한 부피유량(10 mL/min)으로 반응기에 공급하였다. 반응이 시작하는 동시에 최종 가스 배출부에 가스포집백을 장착하여 20분간 생성가스를 포집하고 GC/MS 분석을 수행하였다. 이를 통해 각 반응조건에 따른 가스부산물의 생성량 및 HFC-134a의 분해율을 산정하였다.In order to find an excellent catalyst, 10 g ± 0.02 g of the target catalyst was loaded in the reactor, and the reactor was purged with N 2 (40 mL / min) for 10 minutes to remove oxygen and impurities remaining in the system before the reaction, Lt; / RTI > When the temperature of the reactor rose to the set temperature (300, 400, 500, 600 ° C) and stabilized, the HFC-134a gas injection valve was opened and fed to the reactor at a constant volume flow rate (10 mL / min). At the same time as the reaction was started, a gas collection bag was attached to the final gas discharge portion to collect the generated gas for 20 minutes and perform GC / MS analysis. The amount of gas byproduct and the decomposition rate of HFC-134a were calculated according to each reaction condition.

도 3은 300~600℃에서 HFC-134a의 열분해 또는 촉매열분해 반응에 따른 HFC-134a의 분해율을 나타낸 것이다. HFC-134a 분해율은 하기 수학식 1에 의해서 산정되었다. FIG. 3 shows decomposition rates of HFC-134a according to pyrolysis or catalytic cracking reaction of HFC-134a at 300 to 600 ° C. The decomposition ratio of HFC-134a was calculated by the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

AreaIN = 반응 전 HFC-134a MS 피크면적AreaIN = peak area of HFC-134a MS before reaction

AreaOUT = 반응 후 HFC-134a MS 피크면적Area OUT = HFC-134a MS peak area after reaction

도 3로부터 무촉매의 열분해 결과를 보면 본 발명에서 적용된 300~600℃의 온도범위에서는 HFC-134a가 분해되지 않고 거의 전량 배출되는 것을 확인할 수 있다. 이는 HFC-134a의 높은 열안정도에 기인한 것으로 설명될 수 있다. From the results of the non-catalytic pyrolysis from FIG. 3, it can be seen that HFC-134a is almost completely discharged without being decomposed in the temperature range of 300 to 600 ° C. applied in the present invention. This can be explained by the high thermal stability of HFC-134a.

5가지 촉매(Na2CO3, CaO, CaCO3, g-Al2O3-A, g-Al2O3-B) 상에서 HFC-134a를 분해할 경우에는 반응 온도 및 적용 촉매에 따라 분해 효율이 상이함을 알 수 있다. 촉매의 기공이 없어 비표면적이 측정되지 않는 Na2CO3의 경우에도 HFC-134a는 분해되었고 그 분해 효율은 온도 증가에 따라 증가되기 시작하였지만 600℃에서도 HFC-134a의 분해율은 40.4% 정도에 그쳤다. When HFC-134a is decomposed on five catalysts (Na 2 CO 3 , CaO, CaCO 3 , g-Al 2 O 3 -A and g-Al 2 O 3 -B) It can be seen that there are differences. In the case of Na 2 CO 3 , which had no pores of the catalyst and no specific surface area, HFC-134a was decomposed and its decomposition efficiency began to increase with increasing temperature. However, at 600 ° C, the decomposition rate of HFC-134a was only about 40.4% .

반면, Na2CO3를 제외한 다른 촉매들은 더 높은 분해 효율을 나타내었고 비표면적이 큰 g-Al2O3 촉매들(BET: 154.5~255.0 m2/g)이 상대적으로 비표면적이 작은 CaO (BET: 5.4 m2/g)나 CaCO3 (BET: 2.6 m2/g)보다 높은 HFC-134a 분해 효율을 나타내었다. 특히, 비표면적이 가장 큰 g-Al2O3-B 촉매의 경우 400℃에서도 110%의 HFC-134a가 분해되는 성능을 나타내었다. On the other hand, other catalysts except Na 2 CO 3 exhibited higher decomposition efficiency and g-Al 2 O 3 catalysts (BET: 154.5 ~ 255.0 m 2 / g) having a large specific surface area were CaO : 5.4 m 2 / g) and CaCO 3 (BET: 2.6 m 2 / g). In particular, in the case of g-Al 2 O 3 -B catalyst having the largest specific surface area, 110% of HFC-134a was decomposed even at 400 ° C.

본 발명의 300℃ 촉매 열분해 결과를 보면 대상 촉매의 비표면적과 기공부피가 크고 기공크기가 작을수록 HFC-134a 분해 효율이 높음을 알 수 있다(표 3). 그러나 400, 500℃에서 비표면적이 높은 CaO가 CaCO3 보다 HFC-134a 분해 효율이 낮음을 확인할 수 있다. 이는 해당 반응온도에서 CaO의 상 구조가 변화되어 촉매의 활성이 저하된 것으로 여겨진다. The results of the catalytic pyrolysis at 300 ° C of the present invention show that the specific surface area and the pore volume of the catalyst are large and the pore size is small, the efficiency of decomposition of HFC-134a is high (Table 3). However, at 400 and 500 ° C, CaO with a high specific surface area shows lower HFC-134a decomposition efficiency than CaCO 3 . It is considered that the phase structure of CaO is changed at the reaction temperature and the activity of the catalyst is decreased.

도 4는 각 온도에서 HFC-134a 분해 반응을 수행한 후 얻어진 촉매들의 XRD 측정 결과를 나타낸 것이다. CaO의 XRD 양상을 보면 CaO로부터 CaF2로의 상변화가 400℃에서도 확연하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그러나 CaCO3의 경우에는 상변화가 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다. CaO 촉매의 상변화는 HFC-134a의 dehydrofluorination에 의해 형성된 HF와 대상촉매와의 반응에 기인한 것으로 판단된다. 반면 높은 반응온도(500, 600℃)에서 HFC-134a의 분해반응을 진행한 후 얻어진 CaO의 XRD 결과를 보면 400℃와 달리 CaF2와 함께 CaO의 구조가 함께 존재하는 것을 확인할 수 있다. 높은 온도에서 HFC-134a의 분해 효율이 더 높으나 CaF2의 형성이 400℃ 반응 후 얻은 촉매보다 적은 것은 CaO 촉매상에서 HFC-134a의 분해 반응 기작이 온도에 따라 서로 다름을 의미한다고 할 수 있다.FIG. 4 shows XRD measurement results of catalysts obtained after HFC-134a decomposition at various temperatures. The XRD pattern of CaO shows that the phase change from CaO to CaF2 is apparent at 400 ° C. However, in the case of CaCO 3 , no phase change is observed. It is believed that the phase change of the CaO catalyst is due to the reaction between the HF formed by the dehydrofluorination of HFC-134a and the catalyst. On the other hand, the XRD results of CaO obtained after the decomposition reaction of HFC-134a at high reaction temperatures (500, 600 ° C) show that CaO is present together with CaF 2 unlike 400 ° C. Although the decomposition efficiency of HFC-134a is higher at high temperature, the formation of CaF2 is less than that of the catalyst obtained after 400 ° C reaction, which means that the decomposition reaction mechanism of HFC-134a on CaO catalyst is different according to the temperature.

비록 CaO에서 CaF2로의 촉매 구조 변화는 400℃에서 주로 관찰되고 그 이상의 온도에서는 점차 나타나지 않았지만 CaO의 전반적인 XRD Peak 감도는 온도 증가에 따라 감소하는 것으로 보아 HFC-134a의 분해 반응이 진행되고 고온에서의 그 효율이 증가하면서 점차적인 CaO 촉매의 구조 변화가 나타나는 것을 의미한다고 할 수 있다.Although the change in catalytic structure from CaO to CaF2 is mainly observed at 400 ° C, the overall XRD peak sensitivity of CaO decreases with increasing temperature, indicating that decomposition reaction of HFC-134a proceeds, This means that the structural change of the CaO catalyst gradually appears as the efficiency increases.

g-Al2O3 (도 4)의 경우 반응 온도가 증가함에 따라 반응 효율이 증가하면서 XRD pattern도 점차적으로 Al2O3에서 AlF3로 변화하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 변화 양상은 g-Al2O3-A는 500℃부터, g-Al2O3-B경우 400℃부터 AlF3으로 상변화가 이루어짐을 확인하였다. 또한 AlF3로의 상변화가 관찰된 온도는 HFC-134a의 100% 분해 온도구간과 일치됨을 알 수 있다(도 3). 이러한 AlF3로의 상변화는 HFC-134a와 촉매(g-Al2O3)사이의 기체-고체 직접반응에 기인한 것으로 판단된다. In the case of g-Al 2 O 3 (FIG. 4), as the reaction temperature increases, the reaction efficiency increases and the XRD pattern gradually changes from Al 2 O 3 to AlF 3 . This change was confirmed to be a phase change from 500 ° C for g-Al 2 O 3 -A to 400 ° C for AlF 3 in case of g-Al 2 O 3 -B. The temperature at which the phase change to AlF 3 was observed agrees with the 100% decomposition temperature range of HFC-134a (FIG. 3). This phase change to AlF 3 is believed to be due to the gas-solid direct reaction between HFC-134a and the catalyst (g-Al 2 O 3 ).

본 실험에서 적용된 g-Al2O3 촉매 두 종의 HFC-134a 분해성능과 XRD 양상을 보면 더 넓은 비표면적을 가지고 있는 g-Al2O3B가 g-Al2O3-A보다 더 좋은 HFC-134a 분해 성능을 보이고 g-Al2O3의 구조가 AlF3의 형태 변화는 비표면적이 더 높은 g-Al2O3-B가 덜 진행되는 것으로 보아 g-Al2O3 촉매 성능과 비표면적과의 관계는 기체-고체 반응에서 불소 원자를 받아드릴 수 있는 g-Al2O3의 비표면적에 좌우되는 것을 확증하는 것이라고 할 수 있다.The degradation performance and the XRD pattern of the two g-Al 2 O 3 catalysts applied in this experiment show that g-Al 2 O 3 B has a wider specific surface area than g-Al 2 O 3 -A HFC-134a decomposition performance showing g-Al 2 O 3 structure a conformational change of the AlF 3 is a specific surface area of the higher g-Al 2 O 3 -B are viewed as being less progress-Al 2 O 3 catalyst performance g and The relationship between the specific surface area and the specific surface area depends on the specific surface area of g-Al 2 O 3 that can accept fluorine atoms in the gas-solid reaction.

본 발명에서 HFC-134a가 분해되면서 가스부산물로 CO2, trifluoroethylene (C2HF3)가 검출되었으며, 각 촉매별, 반응 온도별 화합물의 피크 면적은 도 5에 나타내었다. In the present invention, CO 2 and trifluoroethylene (C 2 HF 3) were detected as a byproduct of the decomposition of HFC-134a, and the peak area of the compound for each catalyst and the reaction temperature was shown in FIG.

CaO와 CaCO3의 경우 400℃에서 가장 많은 양의 trifluoroethylene이 형성됨을 확인하였다. In the case of CaO and CaCO 3 , the highest amount of trifluoroethylene was formed at 400 ° C.

반면 g-Al2O3-B의 경우 300℃에서 g-Al2O3-A의 경우 400℃에서 trifluoroethylene의 생성량이 가장 높았으나, 그 양이 상대적으로 적고 500℃이상의 반응온도에서는 검출되지 않았다. 촉매별 CO2 배출량(도 5)은 반응온도와 비례하여 증가하였다. 본 실험에서는 반응 가스 중에 산소를 보조가스로 주입하지 않았기 때문에 본 결과에서 얻어진 CO2는 g-Al2O3가 AlF3로 전환되는 과정에서 형성되는 것으로 판단될 수 있다.On the other hand, in the case of g-Al 2 O 3 -B, the amount of trifluoroethylene was highest at 400 ° C in g-Al 2 O 3 -A at 300 ° C, but the amount of trifluoroethylene was relatively small and was not detected at 500 ° C or more . The amount of CO 2 emission per catalyst (FIG. 5) increased in proportion to the reaction temperature. In this experiment, since oxygen was not injected into the reaction gas as an auxiliary gas, it can be concluded that CO 2 obtained from the result is formed in the process of converting g-Al 2 O 3 into AlF 3 .

실시예Example 4: HFC-134a 연속 분해 반응에 따르는 분해 성능 평가 4: Evaluation of decomposition performance by continuous decomposition reaction of HFC-134a

상기에서 선정된 g-Al2O3-B 촉매를 사용하여 24시간 연속 분해 반응을 수행하였으며, 이를 통해 HFC-134a 분해 반응 최적 조건을 도출하였다. 이를 위해 반응 온도, 반응물(HFC-134a) 농도, 공간속도(촉매량) 변화, 산소 및 수증기 추가 주입에 따른 HFC-134a의 분해반응 및 효과를 비교분석하였다. 이때 적용된 실험 조건은 아래 표 5와 같으며, 각 단계에서 얻어진 최적 조건을 다음 단계에 적용하는 방식으로 최적 조건을 도출하였다. 각 조건에 따른 연속 반응 동안에 발생하는 배출가스는 2시간 간격으로 20분간 가스포집백을 이용하여 포집하고 GC/MS분석을 통해 HFC-134a 분해 성능 평가를 진행하였다.The g-Al2O3-B catalyst was used for the decomposition reaction continuously for 24 hours, and the optimal conditions for decomposition of HFC-134a were derived. For this, the decomposition reaction and the effect of HFC-134a on the reaction temperature, the reactant (HFC-134a) concentration, the space velocity (catalytic amount) change and the addition of oxygen and water vapor were compared and analyzed. Table 5 shows the experimental conditions applied and the optimum condition was derived by applying the optimum conditions obtained in each step to the next step. The exhaust gas generated during the continuous reaction under each condition was collected using a gas collection bag for 20 minutes at intervals of 2 hours and the decomposition performance of HFC-134a was analyzed by GC / MS analysis.

단계step 단계별 평가요소Step-by-step evaluation factors 평가 조건Evaluation condition 1One 온도에 따른 촉매효율 평가Evaluation of catalytic efficiency by temperature - 400, 500, 600 에 따른 HFC-134a 분해 성능 평가 - Performance evaluation of HFC-134a according to 400, 500, 600 22 반응물 농도에 따른 성능 평가Performance evaluation according to reactant concentration - HFC-134a 농도: 5, 10, 20%
(유량: 2.5, 5, 10 mL/min)
- HFC-134a concentration: 5, 10, 20%
(Flow rate: 2.5, 5, 10 mL / min)
33 산소 추가 주입에 따른 성능 평가Performance evaluation by additional oxygen injection - HFC-134a의 유량은 10 mL/min으로 고정
- HFC-134a:질소:산소 부피비 = 20:50:30
- Flow rate of HFC-134a fixed at 10 mL / min
- HFC-134a: nitrogen: oxygen volume ratio = 20: 50: 30
44 수증기 추가 주입에 따른
성능 평가
Due to additional water vapor injection
Performance evaluation
- HFC-134a의 유량은 10 mL/min으로 고정
- 실린지 펌프를 이용하여 0.2 ㎖/h 주입
- HFC-134a:질소:수증기 부피비 = 20:50:30
- Flow rate of HFC-134a fixed at 10 mL / min
- 0.2 ml / h injection using a syringe pump
- HFC-134a: nitrogen: water vapor volume ratio = 20:50:30
55 공간속도(촉매량) 변화에 따른
성능 평가
Depending on the change of space velocity (catalyst amount)
Performance evaluation
- HFC-134a의 유량은 10 mL/min으로 고정
- 촉매량 변화 5, 10, 15 g
- Flow rate of HFC-134a fixed at 10 mL / min
- Change in catalytic quantity 5, 10, 15 g

실시예Example 5: HFC-134a 분해를 위한 최적 조건 도출 5: Derivation of optimum conditions for HFC-134a decomposition

5-1: 반응 온도별 HFC-134a 5-1: HFC-134a by reaction temperature 연속촉매열분해Continuous catalytic cracking 반응 효율 비교  Comparison of reaction efficiency

도 6은 앞선 실험을 통해 선정된 g-Al2O3-B 촉매를 이용하여 반응 온도에 따른 HFC-134a 연속촉매열분해 반응 효율을 측정하여 나타낸 것이다. 촉매열분해 결과 모든 반응온도에서 초기 분해율은 100%로 나타났으나, 반응 시간이 경과함에 따라 HFC-134a의 분해율이 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다. FIG. 6 shows the results of measuring the pyrolysis efficiency of HFC-134a continuous catalyst according to the reaction temperature using the g-Al 2 O 3 -B catalyst selected through the previous experiment. As a result of catalytic cracking, the initial decomposition rate was 100% at all reaction temperatures, but the decomposition rate of HFC-134a gradually decreased with the reaction time.

특히 반응온도가 낮을수록 빠른 시간 안에 HFC-134a의 분해율 감소가 나타나고, 반응 온도가 높을수록 HFC-134a의 분해율이 오랜 시간동안 유지됨을 알 수 있었다. 반응 초반 HFC-134a의 분해율이 급격하게 감소하는 400℃와 점차적으로 감소하는 500℃의 양상과는 달리 600℃ 촉매열분해의 경우에는 6시간까지는 HFC-134a의 분해율이 100%로 유지되다가 그 이후 감소하는 양상을 보였다. Particularly, the lower the reaction temperature, the faster the degradation rate of HFC-134a is, and the higher the reaction temperature, the longer the decomposition rate of HFC-134a is maintained. The decomposition rate of HFC-134a was maintained at 100% until 6 hours in the case of 600 ° C catalytic cracking, unlike the case of 400 ° C at which the decomposition rate of HFC-134a rapidly decreased and gradually decreased at 500 ° C. .

이러한 반응시간에 따른 분해율 감소는 반응물인 HFC-134a와 촉매와의 기체-고체 반응에 의해 g-Al2O3가 AlF3로 전환되어 촉매의 비활성화가 진행되었기 때문이다. The reduction of the decomposition rate according to the reaction time is due to the conversion of g-Al 2 O 3 into AlF 3 by the gas-solid reaction between the reactant HFC-134a and the catalyst and the deactivation of the catalyst.

비록 모든 온도의 실험에서 HFC-134a의 분해율이 계속적으로 감소하기는 하지만 일정 시간 이후에 그 감소폭은 점점 작아지고 24시간 이후에도 일정 분해율 (600℃는 약 30%, 400℃는 약 5%)이 유지되는 양상을 보였다. 이는 반응이 점점 진행되어 촉매의 비활성화가 어느 정도 진행된다고 하더라도 일정량 이상의 HFC-134a를 분해할 수 있다는 것으로 해석될 수 있다. Although the decomposition rate of HFC-134a is continuously decreased at all temperatures, the decrease rate of HFC-134a gradually decreases after a certain period of time, and a constant decomposition rate (about 30% at 600 ° C and about 5% at 400 ° C) Respectively. This can be interpreted as the fact that the reaction progresses gradually and the degree of deactivation of the catalyst progresses to a certain extent, which can decompose a certain amount of HFC-134a.

도 7은 반응 온도에 따른 HFC-134a 연촉촉매열분해 반응에서 반응 시간이 경과함에 따라 형성되는 trifluoroethylene 및 CO2의 변화 양상을 나타낸 것이다. Trifluoroethylene의 경우 반응 시간이 경과됨에 따라 서서히 증가하였으며, 6시간을 기준으로 생성량이 감소하는 것을 확인하였다. 반응 온도가 가장 낮은 400℃의 경우 500, 600℃와 달리 반응 초반부부터 trifluoroethylene이 검출되었으며, 모든 반응 시간에서 가장 많은 양의 trifluoroethylene이 형성되었다. 400℃에서 전체 반응 시간에 걸쳐 검출되지 않았던 CO2는 500℃와 600℃의 경우 반응 시작부터 검출하였고, 반응이 진행됨에 따라 점차 그 생성량이 줄어 500℃의 경우 8시간 후, 600℃의 경우 10시간 후부터 CO2가 검출되지 않는 양상을 나타내었다. 이는 HFC-134a의 촉매 열분해 반응기작이 반응 온도 및 반응 시간에 따라 점차 변화한다는 것으로 해석될 수 있다. FIG. 7 shows changes in the trifluoroethylene and CO 2 formed as the reaction time elapses in the thermal decomposition reaction of HFC-134a nitrate according to the reaction temperature. In the case of Trifluoroethylene, it gradually increased with the lapse of reaction time, and it was confirmed that the production amount decreased with 6 hours. Trifluoroethylene was detected at 400 ℃, which is the lowest reaction temperature, at 500 and 600 ℃, and the highest amount of trifluoroethylene was formed at all reaction times. CO 2 , which was not detected over the entire reaction time at 400 ° C, was detected at the beginning of the reaction at 500 ° C and 600 ° C. As the reaction progressed, the amount of CO 2 gradually decreased. And no CO 2 was detected from the time point of time. It can be interpreted that the catalytic pyrolysis reaction mechanism of HFC-134a gradually changes with reaction temperature and reaction time.

본 발명의 실험결과를 통해 HFC-134a 촉매열분해는 반응온도 조건 및 반응시간에 따라 서로 다른 2가지 경로를 지니리라 판단된다. 첫 번째반응 경로는 HFC-134a와 g-Al2O3의 기체-고체 직접반응에 의한 HFC-134a가 분해되는 것으로 하기 반응식 1로 표현될 수 있으며, 두 번째 경로는 HFC-134a의 dehydrofluorination에 의해 형성된 HF와 g- Al2O3의 반응으로 하기 반응식 2와 같이 표현될 수 있다. According to the experimental results of the present invention, the catalytic pyrolysis of HFC-134a catalyst is considered to have two different routes depending on the reaction temperature condition and the reaction time. The first reaction path is decomposition of HFC-134a by the gas-solid direct reaction of HFC-134a and g-Al 2 O 3 , which can be expressed by the following equation 1, and the second path is represented by dehydrofluorination of HFC-134a The reaction between the formed HF and g-Al 2 O 3 can be expressed as shown in the following reaction formula 2.

각 식을 보면 기체-고체 직접반응의 경우 CO2와 AlF3를 형성하는 반면, dehydrofluorination 반응의 경우 trifluoroethylene과 AlF3가 형성되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 각 분해온도에 따른 생성물 변화양상은 서로 다른 분해경로에 기인한 것으로 생각된다.It is shown that the gas-solid direct reaction forms CO 2 and AlF 3 , while the dehydrofluorination reaction forms trifluoroethylene and AlF 3 . Therefore, it is considered that the product change pattern according to each decomposition temperature is due to different decomposition pathways.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure pat00003
Figure pat00003

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Figure pat00004
Figure pat00004

400℃ 촉매열분해의 경우 전체 반응 시간동안 CO2 배출이 없었으며 trifluoroethylene 생성량이 많은 반응물 특성을 보면, 400℃에서 HFC-134a의 촉매열분해 반응은 주로 반응식 2와 같은 경로를 통해 HFC-134a 분해 반응이 진행된다는 것을 의미한다. 또한 반응이 진행됨에 따라 HFC-134a의 분해 효율이 감소하는 것은 촉매의 구조변화 및 표면의 coke 형성에 의한 것으로 촉매의 비활성화가 점점 진행됨에 따라 HFC-134a와 g-Al2O3사이의 반응율이 낮아지게 되고 이는 생성물 중 trifluoroethylene 생성량 감소의 결과로도 나타나게 되는 것이다. 반면, 반응 온도가 증가함에 따라 HFC-134a로부터 HF가 연속적으로 분해되는 촉매-반응가스의 직접반응(반응식 1)에 의한 dehydrofluorination 반응이 주반응 경로로 작용되는 것으로 해석될 수 있고 연속 반응에서 반응 초기 CO2 배출량이 높고 trifluoroethylene의 생성률이 반응 온도가 증가할수록 더 작은 것은 이를 반증하는 것이라 할 수 있다. In the case of 400 ° C catalytic pyrolysis, there was no CO 2 emission during the entire reaction time. The catalytic pyrolysis reaction of HFC-134a at 400 ° C was mainly due to the decomposition reaction of HFC-134a It means that it will proceed. As the reaction progresses, the decomposition efficiency of HFC-134a decreases due to the change of the structure of the catalyst and the formation of coke on the surface. As the deactivation of the catalyst progresses gradually, the reaction rate between HFC-134a and g-Al 2 O 3 Which is also a result of a decrease in the production of trifluoroethylene in the product. On the other hand, as the reaction temperature increases, it can be interpreted that the dehydrofluorination reaction by the direct reaction of the catalyst-reactive gas in which HF is continuously decomposed from HFC-134a (Scheme 1) acts as the main reaction path, The higher the CO 2 emissions and the lower the production rate of trifluoroethylene, the higher the reaction temperature.

도 8은 24시간 반응 후 촉매의 XRD 분석결과로, 모든 온도에서 HFC-134a와의 반응으로 AlF3로 모두 전환되었으며, 반응온도가 증가함에 따라 AlF3의 intensity가 증가함을 확인하였다. 이는 HFC-134a의 분해가 진행됨에 따라 Al2O3에서 AlF3상으로 변화되는 것이 주요한 촉매 성능 감소의 요인이라는 것을 의미하는 것이다.FIG. 8 shows the results of XRD analysis of the catalyst after 24 hours of reaction. As a result, it was confirmed that AlF 3 was converted to AlF 3 by reaction with HFC-134a at all temperatures and the intensity of AlF 3 was increased with increasing reaction temperature. This means that as the decomposition of HFC-134a proceeds, the change from Al 2 O 3 to AlF 3 is a major factor in the reduction of catalyst performance.

각 반응시간에 따른 trifluoroethylene 생성은 점차 감소(400, 500℃)하지만 전 구간에 걸쳐서 형성되고 최종 반응 시간에서 일정한 수준을 유지하는 것은 촉매의 구조가 Al2O3에서 AlF3상으로 변화되어도 어느 정도 이상의 HFC-134a의 분해가 진행되는 것을 의미하며 이는 Al2O3보다는 약하지만 AlF3도 HFC-134a의 분해효과를 가지는 것으로도 해석될 수 있다. The formation of trifluoroethylene at each reaction time gradually decreases (400, 500 ° C), but it is formed throughout the entire reaction period and maintains a constant level at the final reaction time. The fact that the structure of the catalyst changes from Al 2 O 3 to AlF 3 phase This means that the decomposition of HFC-134a is proceeding, which is weaker than Al 2 O 3, but it can be interpreted that AlF 3 has decomposition effect of HFC-134a.

5-2: HFC-134a 농도에 따른 분해 성능 평가5-2: Evaluation of decomposition performance according to HFC-134a concentration

HFC-134a 연속 촉매열분해 반응에서 그 반응물인 HFC-134a의 주입농도 변화에 따른 분해 반응특성을 확인하였다. 이를 위해 전 실험에서 가장 높은 성능을 보인 반응온도(600℃)에서 실험을 진행하였으며 HFC-134a 5~20%(v/v)로, 바탕가스인 N2는 95-80%(v/v)로 설정하여 HFC-134a의 농도를 제외한 나머지 조건은 동일하게 설정하였다. 공간속도(WHSV)는 전체유량 50 mL/min 흐름에서 10 g의 촉매를 충진하여 300 mL/gcat·h로 24시간동안 운전하였다.The decomposition reaction characteristics of HFC-134a in the continuous catalytic cracking reaction were investigated according to the concentration of HFC-134a. For this, the experiment was carried out at the highest reaction temperature (600 ℃) in the previous experiment. HFC-134a 5 ~ 20% (v / v) and N2 base gas 95-80% (v / v) And the other conditions except for the concentration of HFC-134a were set to be the same. The space velocity (WHSV) was operated at 300 mL / g cat · h for 24 hours with 10 g of catalyst loaded at a total flow rate of 50 mL / min.

HFC-134a 주입 농도에 따른 분해율은 도 9에 나타낸 바와 같다. HFC-134a 투입 농도가 증가할수록 100% 분해 지속시간은 감소되는 양상을 보였다. 농도 별로 100 % 분해지속시간을 비교해보면, HFC-134a의 주입 농도가 5%의 경우 16시간, 10%의 경우 8시간, 20% 6시간으로 나타났으며 이는 투입 농도가 증가됨에 따라 HFC-134a 분해효율이 빠른 시간 안에 감소됨을 의미한다. The decomposition rate according to the HFC-134a injection concentration is as shown in FIG. As the concentration of HFC-134a was increased, the duration of 100% decomposition was decreased. When the concentration of HFC-134a was changed from 5% to 16 hours, 10% to 8 hours and 20% to 6 hours, respectively, when the concentration of 100% Which means that the decomposition efficiency is reduced in a short time.

그러나 각 농도별로 HFC-134a로 100%되는 시점까지의 처리용량을 비교해보면 HFC-134a의 농도가 5, 10%의 경우 40 mL로 동일하였으며, 20%의 경우 60 mL로 나타났다. 이는 본 실험에서 적용된 주입농도범위(5~20%)에서는 HFC-134a의 분해 효율에 있어 주입 농도가 큰 작용이 하지 않는 것을 의미한다. 따라서 이후 공정 조건에서는 시간당 처리용량이 가장 큰 HFC-134a 20%를 주입 농도로 적용하였다.However, the concentration of HFC-134a was equal to 40 mL for 5, 10%, and 60 mL for 20% of HFC-134a. This means that the concentration of HFC-134a in the injection concentration range (5 ~ 20%) applied does not have a large effect on the injection efficiency. Therefore, 20% of the HFC-134a, which has the largest treatment capacity per hour, was used as the injection concentration in the subsequent process conditions.

5-3: 산소 추가 주입에 따른 분해 성능 평가5-3: Evaluation of degradation performance by additional oxygen injection

산소 추가 주입에 따른 HFC-134a의 분해성능을 평가하기 위해, 유입가스 50 mL/min 중 가스별 조성은 HFC-134a 20%(v/v), O2 50%(v/v), 바탕가스인 N2는 30%(v/v)로 고정하였다. 반응온도와 공간속도는 각각 600℃, 300 mL/gcat·h로 24시간 동안 실험을 수행하였다. In order to evaluate the decomposition performance of HFC-134a in accordance with the oxygen added to the injection, the inlet gas 50 mL / min of gas by a composition of 20% HFC-134a (v / v), O 2 50% (v / v), based on gas N 2 was fixed at 30% (v / v). The reaction temperature and space velocity were 600 ° C and 300 mL / g cat · h, respectively, for 24 hours.

반응 결과, 산소 첨가 시 반응가스의 유량이 일정하게 유지되지 않았으며, 반응 후 sampling bag에 20분간 포집된 가스의 양 또한 촉매열분해 조건과 비교하여 현저히 감소하는 양상을 나타내었으며 특히, 반응기 내부의 부식으로 인해 상당히 많은 양의 고체 부산물이 형성되어 계속적인 실험을 진행하기에는 무리가 있었다. As a result, the flow rate of the reaction gas during the addition of oxygen was not kept constant, and the amount of gas collected in the sampling bag for 20 minutes after the reaction was significantly decreased as compared with the catalytic pyrolysis condition. In particular, , A considerable amount of solid by-products were formed, making it difficult to carry out continuous experiments.

도 10은 주입가스의 조성에 따른 반응기의 부식상태를 보여주고 있다. 물론 질소만 HFC-134a와 혼합하여 주입하는 경우에도 반응이 내부의 부식으로 추정되는 색깔 변화 등이 발견되기는 하였으나 반응기 내부 표면이 부식되어 반응기 두께가 감소되는 현상은 수개월에 걸친 실험에서도 확인할 수는 없었다. 그러나 산소를 혼합 주입한 경우에는 도 10의 하단부처럼 반응기 내부 부면이 반응물과의 상호 작용으로 부식되면서 부풀어 오르는 현상을 확인할 수 있었으며 반응 후 반응기의 두께가 장치 운영의 안정성을 보장할 수 없을 정도로 많이 감소됨을 확인할 수 있었다. FIG. 10 shows the corrosion state of the reactor according to the composition of the injection gas. Of course, even when nitrogen is injected in combination with HFC-134a, the color change, which is presumed to be caused by internal corrosion, is found. However, the phenomenon that the inner surface of the reactor is corroded and the thickness of the reactor is reduced can not be confirmed in the experiment over several months . However, in the case of mixed oxygen injection, it was confirmed that the inside surface of the reactor was corroded due to the interaction with the reactant as in the bottom part of FIG. 10, and the thickness of the reactor after the reaction was reduced to such an extent that the stability of the apparatus operation could not be guaranteed .

이에 본 발명에서는 반응기 내부로의 산소주입으로 인한 HFC-134a 분해율 향상에 대한 부분은 실험의 안정성 및 추후 상업화 공정으로의 도입 가능성 등을 고려하여 추가적으로는 진행하지는 못하였다.Therefore, in the present invention, the improvement of the decomposition ratio of HFC-134a due to the injection of oxygen into the reactor has not been progressed in consideration of the stability of the experiment and possibility of introduction into the commercialization process.

5-4: 수증기 추가 주입에 따른 성능 평가5-4: Performance evaluation by additional water vapor injection

HFC-134a 촉매열분해 특성과 수증기 추가 주입(이하, 가수분해)에 따른 분해 특성을 비교하기 위해, 촉매열분해와 동일한 온도에서 반응물을 HFC-134a : H2O = 20 : 30의 부피비(%(v/v))로 공급하였다. In order to compare the decomposition characteristics of HFC-134a catalytic pyrolysis with the addition of water vapor (hydrolysis), the reactants were mixed at a volume ratio of HFC-134a: H 2 O = 20: 30 / v)).

도 11은 가수분해 반응 시간에 따른 HFC-134a의 분해율을 나타낸 것으로, 반응시간 경과에 따라 분해율 감소가 관찰되는 촉매열분해와 달리 500℃와 600℃가수분해의 경우에도 HFC-134a가 안정적이고 높은 효율로 분해되었다. 이는 투입된 H2O가 촉매 표면에 잔류하는 불소를 제거하여 나타난 현상으로, 촉매의 비활성도를 낮추기 위해 H2O를 주입하는 것이 바람직함을 보여주었다.Fig. 11 shows the decomposition rate of HFC-134a according to the hydrolysis reaction time. Unlike the catalytic cracking, which shows a decrease in decomposition rate over the reaction time, HFC-134a is stable and highly efficient . This shows that the injected H 2 O is a phenomenon that is caused by removing fluorine remaining on the surface of the catalyst, and it is preferable to inject H 2 O to lower the degree of inactivity of the catalyst.

가수분해의 경우 trifluoroethylene, CO2와 더불어 propane이 추가로 생성됨을 확인하였다. 이는 분해가스 간 recombination reaction에 의해 나타난 것으로 보인다. In the case of hydrolysis, propane was produced in addition to trifluoroethylene and CO 2 . This appears to be due to the recombination reaction between decomposition gases.

도 12는 24시간 가수분해반응 후 회수한 촉매의 XRD 분석결과로, 촉매열분해 결과와 동일하게 모든 g-Al2O3의 상 구조가 AlF3로 변화됨을 알 수 있으며, 반응온도가 증가함에 따라 AlF3의 intensity가 증가함을 확인하였다. 또한 촉매열분해의 AlF3 intensity(도 8)보다 가수분해 후 얻은 촉매가 모든 온도에서 높은 intensity를 가졌다. 이는 g-Al2O3상에서 HFC-134a의 가수분해가 촉매열분해와 비교하여 높은 분해율과 HFC-134a의 fluorine 고정율을 나타내기 때문이다.12 is as in XRD analysis of the recovered catalyst after the reaction 24 hours hydrolysis, in the same manner as catalyst pyrolysis result, all g-Al 2 the structure of the O 3 will be seen to byeonhwadoem as AlF 3, the reaction temperature increased The intensity of AlF 3 was increased. Also, the catalyst obtained after hydrolysis had a higher intensity at all temperatures than the AlF 3 intensity (FIG. 8) of catalytic pyrolysis. This is because hydrolysis of HFC-134a on g-Al 2 O 3 shows higher decomposition rate and fluorine fixation rate of HFC-134a compared with catalytic cracking.

5-5: 공간속도 변화에 따른 가수분해 성능 평가5-5: Hydrolysis performance evaluation according to spatial velocity change

도 13은 g- Al2O3상에서 촉매 단위 질량당 공간속도(WHSV)에 의한 HFC-134a 분해율 변화를 나타낸 것이다. 본 발명에서 WHSV의 변화를 위해 반응기 내부의 촉매량을 5, 10, 15 g로 달리하였으며, 600℃에서 WHSV에 따른 HFC-134a의 가수분해 효율을 비교하였다. 이때, 반응기 내부 주입가스는 전 실험의 조건과 동일하게 HFC-134a 20%(v/v), H2O 30%(v/v), N2 50%(v/v) 구성하였으며 총 유량은 50 mL/min으로 설정하였다. 반응 조건에서 촉매량의 변화에 따라 산정된 공간속도는 200~600 mL/gcat·h 이였으며 실제 반응은 이전과 동일하게 24시간 동안 연속적으로 수행하였다. 도 13은 공간속도 변화에 따른 HFC-134a의 분해율를 나타낸 것으로, 공간속도가 작을수록 HFC-134a의 분해효율이 향상됨을 보여준다. 이는 촉매 충진량이 높아짐에 따라 100% 분해율 지속시간이 비례적으로 증가함을 의미하는 것이다. 이는 향후 HFC-134a 분해를 위한 장비의 scale up에 있어 반응기 크기 증가에 비례하여 촉매의 충진량을 늘릴 경우 HFC-134a 분해율은 거의 비슷한 수준을 유지될 것이며 촉매량 증가에 따라 더 높은 반응 효율이 달성될 수도 있음을 시사하는 것이라 할 수 있다.13 shows the change in HFC-134a decomposition rate by the space velocity per unit mass of catalyst (WHSV) on g-Al 2 O 3 . In order to change the WHSV in the present invention, the amount of catalyst in the reactor was varied to 5, 10 and 15 g, and the hydrolysis efficiency of HFC-134a according to WHSV at 600 ° C. was compared. In this case, the injected gas in the reactor consisted of 20% (v / v) of HFC-134a, 30% (v / v) of H2O and 50% (v / v) of N2, min. The space velocity was estimated to be 200 ~ 600 mL / g cat · h according to the change of catalyst amount under the reaction conditions. Actual reaction was continuously performed for 24 hours as before. FIG. 13 shows the decomposition rate of HFC-134a according to the change of space velocity. It is shown that the decomposition efficiency of HFC-134a is improved as the space velocity is smaller. This means that the 100% degradation rate duration proportionally increases as the amount of the catalyst charged increases. This means that, in the future scale-up of the equipment for HFC-134a decomposition, if the amount of the catalyst is increased in proportion to the increase of the reactor size, the decomposition ratio of HFC-134a will be maintained at about the same level, This is a suggestion that there is.

5-6: HFC 촉매 5-6: HFC catalyst 열분해에 있어서For pyrolysis 물 사용이 촉매 및 HFC-134a 분해 반응에 미치는 영향 Effect of water use on catalyst and decomposition reaction of HFC-134a

촉매열분해 및 가수분해 반응 전··후의 비표면 및 구조변화를 관찰하기 위해 SEM 및 BET를 측정을 수행하였다. SEM 이미지(도 14)에서도 XRD 분석결과(도 8 및 도 12)와 같이, 물 사용에 따라 다소 다른 양상이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 물을 사용하여 반응 효율이 높아진 경우 AlF3로의 촉매 구조 변화가 더욱 더 많이 진행됨을 의미하는 것이다. SEM 이미지를 보면, 촉매열분해, 가수분해 반응 모두 반응온도가 증가함에 따라 g-Al2O3의 구조가 줄어들고 육면체 구조인 AlF3가 보다 명확하게 관찰되었고 XRD 분석 결과도 물을 사용하지 않은 경우와 사용한 경우 모두 AlF3의 패턴이 명확하게 나타나는 것을 알 수 있다. <표 14>에 나타낸 각 반응온도별 촉매의 비표면적의 변화를 보면 물을 함께 주입하여 반응한 경우가 더 작은 비표면적을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이는 물을 사용한 경우에 AlF3로의 전환이 더 많고 전환된 AlF3는 g-Al2O3보다 크고 밀도가 높은 육면체 구조를 지녀 비표면적이 낮아진다고 판단된다.SEM and BET measurements were performed to observe the changes in specific surface and structure before and after catalytic pyrolysis and hydrolysis. SEM images (FIG. 14) also show some different patterns depending on the use of water as shown in the XRD analysis results (FIGS. 8 and 12). This means that when the reaction efficiency is increased by using water, the change of the catalyst structure to AlF 3 proceeds more and more. In the SEM image, the structure of g-Al 2 O 3 decreased and the hexagonal structure AlF 3 was more clearly observed as the reaction temperature increased in both catalytic pyrolysis and hydrolysis. XRD analysis also showed no water When used, it can be seen that the pattern of AlF 3 clearly appears. As shown in Table 14, when the specific surface area of the catalyst was changed by each reaction temperature, it can be confirmed that the reaction was carried out by injecting water to have a smaller specific surface area. It is considered that the conversion of AlF 3 to AlF 3 is higher when water is used, and that the converted AlF 3 has a hexagonal structure with a larger specific surface area than that of g-Al 2 O 3 .

불소계 온실가스에서 물을 함께 주입하여 불소의 제거율을 높인 사전 연구 결과들을 보면, 대부분 탈불소반응에 의해 형성된 AlF3가 추가적으로 가해지는 물에 의해 다시 Al2O3의 형태로 전환되어 전체 반응 효율을 증가시키는 것이라고 기술되어 있다. 그러나 본 발명에서의 결과를 보면 물을 사용한 경우에도 AlF3의 형성량이 더 많은 것으로 판단됨으로 Al2O3의 AlF3의 전환은 가역반응의 형태로 빠른 시간안에 전개되기 때문에 반응 전체에 걸쳐서는 AlF3의 형성량이 증가하지만 연속반응에서 물의 주입에 따라 Al2O3의 형성도 함께 진행되어 전체 HFC-134a 분해 반응의 지속성을 향상시키는 것으로 해석될 수 있을 것으로 판단된다.Preliminary studies showing that fluorine-based greenhouse gases are injected together with water to increase the fluorine removal rate show that most of the AlF 3 formed by the dehydrofluorination reaction is converted into Al 2 O 3 by the additionally added water, . &Lt; / RTI &gt; However, looking at the results of the present invention determined that more even when using water amounts formation of AlF 3 doemeuro conversion of Al 2 O 3 on AlF 3 will have throughout the reaction because the development in a short time in the form of a reversible reaction AlF 3 , but the formation of Al 2 O 3 is also accompanied by the injection of water in the continuous reaction, which can be interpreted as an improvement in the persistence of the entire HFC-134a decomposition reaction.

10: 반응가스 공급부 11: HFCs 공급부
12: 불활성 가스 공급부 13: 반응가스 주입관
14: 수증기 공급부 15: 유량조절장치
20: 반응부 21: 촉매충진컬럼
22: 히터 23: 분해촉매
24: 글래스 울 30: 분해가스 배출부
31: 분해가스 배출관 32: 분해가스 포집부
33: 분해가스 중화부 100: HFCs 분해 처리 장치
10: Reaction gas supply unit 11: HFCs supply unit
12: Inert gas supply part 13: Reaction gas injection tube
14: Water vapor supply unit 15: Flow rate regulator
20: Reactor 21: Catalyst filling column
22: heater 23: decomposition catalyst
24: glass wool 30: decomposition gas discharge part
31: decomposition gas discharge pipe 32: decomposed gas collection part
33: decomposition gas neutralization part 100: HFCs decomposition processing device

Claims (16)

비표면적이 200~300 m2/g 이고, 평균포어크기가 3~10 nm이고, 포어부피가 0.8~1.5 cm3/g인 Al2O3를 포함하는 분해촉매를 사용하여 HFCs를 촉매열분해시키는 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법.Catalytic cracking of HFCs is carried out using a cracking catalyst comprising Al 2 O 3 having a specific surface area of 200 to 300 m 2 / g, an average pore size of 3 to 10 nm and a pore volume of 0.8 to 1.5 cm 3 / g &Lt; / RTI &gt; 청구항 1에 있어서,
상기 Al2O3가 γ-Al2O3인 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the Al 2 O 3 is γ-Al 2 O 3 .
청구항 1에 있어서,
상기 HFCs가 알칸(CnH2n+2)의 수소 일부가 불소로 치환된 할로알칸(Haloalkanes) 화합물인 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법.
The method according to claim 1,
The HFCs are alkanes (CnH 2 n +2) HFCs decomposition treatment method, it characterized in that a haloalkane (Haloalkanes) compound substituted with a part of the hydrogen fluoride.
청구항 3에 있어서,
상기 HFCs가 HFC-23, HFC-32, HFC-125, HFC-134a, HFC-152a, HFC-143a, HFC-227ea, HFC-236fa, HFC-245ca, 또는 상기 성분들을 1종 이상 포함하는 혼합냉매인 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법.
The method of claim 3,
Wherein the HFCs are selected from the group consisting of HFC-23, HFC-32, HFC-125, HFC-134a, HFC-152a, HFC-143a, HFC- 227ea, HFC- And decomposing the HFCs.
청구항 1에 있어서,
HFCs를 촉매열분해를 300~650℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the catalytic pyrolysis of HFCs is carried out at 300 to 650 占 폚.
청구항 1에 있어서,
HFCs를 촉매열분해를 550~650℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the catalytic pyrolysis of HFCs is carried out at 550 to 650 占 폚.
청구항 1에 있어서,
촉매 단위 질량당 공간속도(WHSV)가 500~700 mL/gcat·h 되도록 촉매를 컬럼에 충진하여 사용하는 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법.
The method according to claim 1,
The 500 ~ 700 mL / g cat · h to HFCs decomposition processing method characterized by using the catalyst in a column filled with a space velocity (WHSV) per unit mass of catalyst.
비표면적이 200~300 m2/g 이고, 평균포어크기가 3~10 nm이고, 포어부피가 0.8~1.5 cm3/g인 Al2O3를 포함하는 분해촉매를 사용하며, 불활성 가스 분위기에서 수증기를 공급하면서 HFCs를 촉매열분해시키는 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법.Using a decomposition catalyst comprising Al 2 O 3 having a specific surface area of 200 to 300 m 2 / g, an average pore size of 3 to 10 nm and a pore volume of 0.8 to 1.5 cm 3 / g, Characterized in that the HFCs are catalytically cracked by supplying water vapor. 청구항 8에 있어서,
상기 HFCs를 촉매열분해에 있어서 산소를 공급하지 않는 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법.
The method of claim 8,
Wherein the HFCs are not supplied with oxygen in catalytic pyrolysis.
청구항 8에 있어서,
상기 Al2O3가 γ-Al2O3인 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법.
The method of claim 8,
Wherein the Al 2 O 3 is γ-Al 2 O 3 .
청구항 8에 있어서,
상기 HFCs가 알칸(CnH2n+2)의 수소 일부가 불소로 치환된 할로알칸(Haloalkanes) 화합물인 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법.
The method of claim 8,
The HFCs are alkanes (CnH 2 n +2) HFCs decomposition treatment method, it characterized in that a haloalkane (Haloalkanes) compound substituted with a part of the hydrogen fluoride.
청구항 11에 있어서,
상기 HFCs가 HFC-23, HFC-32, HFC-125, HFC-134a, HFC-152a, HFC-143a, HFC-227ea, HFC-236fa, HFC-245ca, 또는 상기 성분들을 1종 이상 포함하는 혼합냉매인 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법.
The method of claim 11,
Wherein the HFCs are selected from the group consisting of HFC-23, HFC-32, HFC-125, HFC-134a, HFC-152a, HFC-143a, HFC- 227ea, HFC- And decomposing the HFCs.
청구항 8에 있어서,
상기 HFCs와 수증기는 2:3 ~ 2:4의 부피비로 공급하는 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법.
The method of claim 8,
Wherein the HFCs and steam are supplied at a volume ratio of 2: 3 to 2: 4.
청구항 8에 있어서,
촉매 단위 질량당 공간속도(WHSV)가 500~700 mL/gcat·h 되도록 촉매를 컬럼에 충진하여 사용하는 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법.
The method of claim 8,
The 500 ~ 700 mL / g cat · h to HFCs decomposition processing method characterized by using the catalyst in a column filled with a space velocity (WHSV) per unit mass of catalyst.
비표면적이 200~300 m2/g 이고, 평균포어크기가 3~10 nm이고, 포어부피가 0.8~1.5 cm3/g인 Al2O3를 포함하는 분해촉매를 사용하며, 불활성 가스 분위기에서 수증기를 공급하면서 550~650℃에서 HFCs를 촉매열분해시키는 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법.Using a decomposition catalyst comprising Al 2 O 3 having a specific surface area of 200 to 300 m 2 / g, an average pore size of 3 to 10 nm and a pore volume of 0.8 to 1.5 cm 3 / g, And catalytic cracking the HFCs at 550 to 650 ° C while supplying water vapor. 청구항 15에 있어서,
촉매 단위 질량당 공간속도(WHSV)가 500~700 mL/gcat·h 되도록 촉매를 컬럼에 충진하여 사용하는 것을 특징으로 하는 HFCs 분해 처리 방법.
16. The method of claim 15,
The 500 ~ 700 mL / g cat · h to HFCs decomposition processing method characterized by using the catalyst in a column filled with a space velocity (WHSV) per unit mass of catalyst.
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