KR20200061616A - 코발트 및 망간을 포함하는 금속 촉매의 회수방법 - Google Patents

코발트 및 망간을 포함하는 금속 촉매의 회수방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CMB(cobalt/manganese/bromide) 촉매를 이용한 자일렌(xylene)의 액상 산화반응 후의 모액으로부터 코발트 및 망간을 포함하는 촉매를 회수하는 방법에 관한 것으로, 금속 촉매 이온의 침전제로서 알칼리 금속 인산염 및 알칼리 금속 아황산염 중 1종 이상, 구체적으로는 트리소듐 포스페이트(trisodium phosphate) 및 아황산나트륨(sodium sulfite) 중 1종 이상의 수용액으로 첨가함으로써, 개선된 금속 촉매 회수율과 감소된 이산화탄소 발생률을 제공한다.

Description

코발트 및 망간을 포함하는 금속 촉매의 회수방법 {Method for Recovering Metal Catalysts Comprising Cobalt and Manganese}
본 발명은 CMB(cobalt/manganese/bromide) 촉매를 이용한 자일렌(xylene)의 산화 반응 후의 모액(mother liquor)으로부터 금속 촉매를 회수하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 상기 모액에 포함된 유기물이 제거된 여액에 새로운 침전제를 투입하여 코발트 및 망간을 포함하는 금속 촉매를 높은 회수율로 회수하는 방법에 관한 것이다.
산업적으로 테레프탈산 및 이소프탈산과 같은 방향족 디카복실산의 제조공정에서는 CMB(cobalt/manganese/bromide) 촉매하에 아세트산 용매 중의 자일렌의 액상 산화 반응을 통해 방향족 디카복실산을 생산한다. 예컨대, 테레프탈산(terephthalic acid, TPA)은 p-자일렌의 액상 산화에 의해, 이소프탈산(isophthalic acid, IPA)은 m-자일렌의 액상 산화에 의해 제조될 수 있다. 산화 반응기에서 나온 생성물 스트림은 미정제 방향족 디카복실산 반응 생성물로서, 이는 결정화조 및 진공필터를 거쳐 방향족 디카복실산과 모액으로 분리되고, 모액의 일부(60 내지 90%)는 방향족 디카복실산 제조 공정으로 재순환(recycle)되어 재사용된다. 한편, 모액의 나머지(10 내지 40%)는 재처리공정(촉매회수공정)을 통해 금속 촉매가 회수되고 정제된 후에 자일렌 산화반응 공정으로 재투입된다. 더 상세하게는, 촉매회수공정으로 들어온 모액은 증류를 통해 용매(예컨대, 아세트산)가 분리되고, 용매가 제거된 슬러리는 총 3단계를 거쳐 유기물이 제거되며, 금속 촉매가 회수된다. 첫 번째 단계에서는 용매가 제거된 슬러리에 물(공정수)이 투입되어 유기물과 촉매 성분의 용해도 차이로 고형의 유기물이 고액분리기를 통해 제거된다. 유기물이 제거된 여액에는 금속 촉매가 이온 상태로 포함되어 있다. 두 번째 단계에서는 금속 촉매를 회수하기 위하여, 금속 촉매 이온이 포함된 여액이 침전 반응조에 투입된 후, 금속 촉매 이온과 침전 반응을 하는 침전제가 투입되어 촉매 금속의 금속염 침전물이 생성된다. 생성된 촉매 금속의 금속염 침전물은 고액분리기를 통해 고형물로 회수된다. 마지막 단계는 고형물로 회수된 금속 촉매의 활성을 재생하는 단계로서, 금속 촉매가 아세트산에 용해되어 자일렌 산화반응에 활성을 보이는 산화 상태 2가의 금속 촉매 이온으로 전환되고, 최종적으로 회수 및 정제된 금속 촉매가 자일렌 산화 반응 공정으로 재투입된다.
통상적으로, 종래 방향족 디카복실산의 제조공정에서는 모액 내의 금속 촉매를 회수하기 위하여 수산화나트륨(NaOH), 탄산나트륨(Na2CO3), 중탄산나트륨(NaHCO3)과 같은 침전제를 사용하였다. 예를 들어, 대한민국 특허공보 제10-0575192호는 테레프탈산 제조 시 발생하는 폐촉매를 회수하는 방법으로서, 폐촉매액에 수산화나트륨(NaOH)을 투입하여 pH를 4 내지 6으로 조절한 뒤, 중탄산나트륨(NaHCO3)과 물을 혼합한 슬러리를 투입하고, 폐촉매와 혼합된 중탄산나트륨 슬러리를 가열 및 여과하여 금속 촉매 침전물을 회수하는 방법을 제안하였으나, 과량의 중탄산나트륨을 사용한다는 점과 촉매 성분 활성화 과정에서 이산화탄소가 발생하는 문제가 있어 환경적으로 바람직하지 않다.
미국 공개특허공보 제3,956,175호는 테레프탈산 제조 공정 중 촉매 회수를 위한 방법으로 금속 촉매의 탄산염화를 위한 성분으로 탄산칼륨(K2CO3) 또는 중탄산칼륨(KHCO3)을 사용하는 방법을 제안하였으나, 회수 촉매 활성화 처리 과정에서 이산화탄소가 발생하는 문제가 있다.
또한, 중국 공개특허공보 제101177394호는 미정제 테레프탈산(CTA)의 제조 공정 중 촉매를 회수하기 위한 방법으로 수산화칼륨을 침전제로 사용하였으나, 강염기인 수산화칼륨이 과량 사용되어야 하는 문제가 있다.
추가로, 중국 공개특허공보 제103861650호는 고순도 테레프탈산 제조 공정 중 생성된 반응 모액 내의 코발트 및 망간 촉매의 회수 방법으로서 수산화칼륨 및 탄산칼륨을 침전제로 제시하였으나, 회수 촉매 활성화 처리 과정에서 이산화탄소가 발생하는 문제가 있다. 상기한 방법들은 금속 촉매의 회수율이 만족스러울 정도로 높지 않았으며 회수된 금속 촉매를 활성화하는 과정에서 이산화탄소가 발생하는 문제가 있어 환경적으로 바람직하지 않다.
대한민국 특허공보 제10-0575192호 (2006.04.24) 미국 공개특허공보 제3,956,175호 (1976.05.11) 중국 공개특허공보 제101177394호 (2008.05.14) 중국 공개특허공보 제103861650호 (2014.06.18)
본 발명의 목적은 CMB 촉매를 이용한 이소프탈산, 테레프탈산 등의 제조공정에서 발생하는 모액으로부터 금속 촉매를 회수하는 방법을 제공하는 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명의 목적은 새로운 침전제를 사용하여 금속 촉매의 회수율을 높이는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 알칼리 금속 인산염 및 알칼리 금속 아황산염 중 1종 이상을 금속 촉매 이온의 침전제로서 사용하여 금속 촉매를 회수하는 방법을 제공한다.
구체적으로, 본 발명은 CMB 촉매를 이용한 자일렌의 산화 반응 후의 모액으로부터 코발트 및 망간을 포함하는 금속 촉매의 회수방법으로서,
(1) 상기 모액에 포함된 고형 유기물을 고액분리기를 통해 분리하는 단계;
(2) (1)단계로부터의 여액에 침전제로서 알칼리 금속 인산염 및 알칼리 금속 아황산염 중 1종 이상을 투입하여 혼합액의 pH를 9 내지 11로 조절하는 단계; 및
(3) (2)단계로부터의 슬러리에서 촉매 금속의 금속염 침전물을 수득하는 단계를 포함하는, 금속 촉매의 회수방법을 제공한다.
본 발명의 방법에 따르면, 새로운 침전제로 알칼리 금속 인산염 및 알칼리 금속 아황산염 중 1종 이상을 사용함으로써 높은 회수율로 금속 촉매를 회수할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시양태를 가질 수 있는 바, 특정 실시양태들을 예시하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
통상적으로 금속 촉매의 회수방법은 수산화나트륨, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 중탄산칼륨 등을 침전제로 사용하여 금속 탄산염, 중탄산염 또는 수산화염으로 금속 촉매를 회수하는 방법이 사용되고 있으나, 금속 촉매의 회수율이 낮고, 금속 촉매의 활성화 단계에서 온실가스의 주범인 이산화탄소가 발생하는 문제가 있다.
이에, 본 발명에서는 종래 문제점을 회피하기 위해, 새로운 침전제로서 알칼리 금속 인산염 및 알칼리 금속 아황산염 중 1종 이상과 물이 혼합된 용액을 사용함으로써, 높은 금속 촉매 회수율을 나타내는 금속 촉매의 회수 방법을 제공하게 되었다.
본 발명은, 일 실시양태로,
CMB 촉매를 이용한 자일렌의 산화 반응 후의 모액으로부터 코발트 및 망간을 포함하는 금속 촉매를 회수하는 방법으로서,
(1) 상기 모액에 포함된 고형 유기물을 고액분리기를 통해 분리하는 단계;
(2) (1)단계로부터의 여액에 침전제로서 알칼리 금속 인산염 및 알칼리 금속 아황산염 중 1종 이상을 투입하여 혼합액의 pH를 9 내지 11로 조절하는 단계; 및
(3) (2)단계로부터의 슬러리에서 촉매 금속의 금속염 침전물을 수득하는 단계를 포함하는, 금속 촉매의 회수방법을 제공한다.
본 발명의 방법에서, 상기 자일렌의 산화 반응은 메타 자일렌(m-xylene)을 아세트산과 같은 유기산 용매 중에서 액상 산화시켜 이소프탈산을 제조하는 공정일 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 산화 반응은 분자상 산소 함유 기체 중에서 수행되는 것일 수 있다. 상기 분자상 산소 함유 기체로서, 예를 들어, 불활성 기체로 희석된 산소, 산소 부화 공기 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 CMB 촉매는 코발트 및 망간 화합물인 중금속 화합물과 브롬 화합물로 이루어진 것이다. 상기 코발트 및 망간 화합물의 구체예로는 아세트산코발트, 수산화코발트, 불화코발트, 염화코발트, 브롬화코발트, 요오드화코발트, 탄산코발트, 아세트산망간, 수산화망간, 불화망간, 염화망간, 브롬화망간, 요오드화망간, 탄산망간 등을 들 수 있다. 상기 브롬 화합물은 반응계에서 아세트산에 용해되어 브롬화물 이온을 발생하는 것이면 어떠한 것이라도 사용가능하고, 예를 들면, 브롬화나트륨, 브롬화코발트 등의 무기 브롬 화합물, 브로모아세트산, 테트라브롬에탄 등의 유기 브롬 화합물을 들 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 산화 반응은 150 내지 220℃에서 수행할 수 있다. 본 발명의 다른 실시양태에서, 상기 산화 반응은 180 내지 210℃에서 수행할 수 있다. 상기 반응 온도는 반응 중간체가 산화 반응 슬러리에 다량으로 존재하는 것을 억제하고 용매, 예컨대 아세트산이 대량 손실되는 것을 억제할 수 있는 온도이다. 상기 산화 반응의 압력은 상기 반응 온도에서 반응계가 액상을 유지할 수 있는 압력으로서, 대개 0.8 내지 3.4MPa, 예컨대 1.0 내지 1.5MPa일 수 있다.
본 발명의 방법에서, (1)단계에서 상기 모액을 고액분리기에 투입하기 전에 모액 내의 용매를 제거하고, 용매가 제거된 슬러리에 물을 첨가한 후 고액분리기를 통해 고형 유기물과 금속 촉매 이온 함유 여액으로 분리할 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 고액 분리는, 예를 들어, 대기압하 35 내지 110℃에서 원심분리기, 원심여과기, 진공여과기 등을 사용하여 수행할 수 있다.
본 발명의 방법에서, (1)단계로부터의 고액분리기를 통해 분리된 금속 촉매 이온 함유 여액을 침전 반응조에 투입하고, 상기 여액에 침전제로서 알칼리 금속 인산염 및 알칼리 금속 아황산염 중 1종 이상을 첨가하여 혼합액의 pH를 9 내지 11로 조절할 수 있다. 상기 (2)단계는 30 내지 80℃의 온도, 예를 들어 30 내지 50℃의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 침전제는 상기 금속 촉매 이온 함유 여액 중 금속 촉매 이온과 침전 반응을 하는 것으로, 금속 촉매 이온 회수를 위해 첨가된다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 침전제는 5 내지 15w/w%의 농도를 갖는 수용액으로 투입될 수 있다. 본 발명의 다른 실시양태에서, 상기 침전제는 7 내지 12w/w%의 농도를 갖는 수용액으로 투입될 수 있다. 바람직하게는, 상기 침전제는 트리소듐 포스페이트(trisodium phosphate) 및 아황산나트륨(sodium sulfite) 중 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, (4)단계에서 상기 교반을 30분 내지 3시간, 예컨대 1시간 내지 2시간 동안 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 침전 반응이 완료되면 슬러리를 고액 분리기로 여과하여 촉매 금속의 금속염 침전물을 회수한 후 건조시킨다. 이어서, 회수된 촉매 금속의 금속염 침전물을 아세트산에 용해시켜 금속 촉매 이온으로 전환시킨 후 자일렌 산화 반응 공정으로 재투입할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 통해 발명의 작용, 효과를 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 예시로서 제시된 것으로 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 실시예에 의해 본 발명의 권리범위가 어떠한 의미로든 한정되는 것은 아니다.
Co 및 Mn의 회수율 계산 방법
Co 및 Mn의 회수율(%)은 여액 중에 함유된 각각의 Co 및 Mn 함량(중량%)에 대한 회수된 촉매 금속의 금속염 침전물 중에 포함된 각각의 Co 및 Mn 함량(중량%)의 비율을 계산하여 구했다.
실시예 1
m-자일렌(380mL, JUNSEI, 98.5%)을 용매로서 아세트산(1000mL, 삼전순약, 99.5%)과 혼합한 후 코발트/망간/브롬(mol ratio 1:1:2) 촉매 존재하에 공기 중에서 액상 산화시켰다. 생성된 이소프탈산을 반응 혼합물로부터 분리하고, 반응 모액을 증류시켜 아세트산을 분리한 후, 고액 분리기를 통해 Co 및 Mn 함유 여액을 수득하였다. 수득된 여액 내 Co 함량, Mn 함량 및 유기물 함량은 여액의 중량을 기준으로 각각 0.11중량%, 0.11중량% 및 5.6중량%였다.
상기 여액을 40℃의 침전 반응조에 넣고, 금속 촉매 이온 침전제로서 10w/w% 트리소듐 포스페이트 수용액을 넣어 혼합액의 pH를 10으로 유지한 후 1시간 동안 교반하였다. 이때, 침전 반응조의 온도는 40℃로 유지하였다. 침전 반응이 완료된 슬러리는 고액 분리기로 여과하여 고형물을 수득하였다. 수득한 고형물은 진공 건조시켰다. 수득된 촉매 금속의 금속염 침전물 중에 포함된 Co 함량, Mn 함량 및 유기물 함량을 측정하고, Co 회수율 및 Mn 회수율을 계산하였다. 계산 결과는 아래 표 1에 기재하였다.
실시예 2
Co 및 Mn 함유 여액 중 금속 촉매 이온 침전제로서 10w/w% 아황산나트륨 수용액을 첨가하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 과정을 통해 수득한 촉매 금속의 금속염 침전물 중의 Co 함량, Mn 함량 및 유기물 함량을 측정하고, Co 회수율 및 Mn 회수율을 계산하였다. 계산 결과는 아래 표 1에 기재하였다.
비교예 1
Co 및 Mn 함유 여액 중 금속 촉매 이온 침전제로서 50w/w% 수산화나트륨 수용액을 첨가하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 과정을 통해 수득한 촉매 금속의 금속염 침전물 중의 Co 함량, Mn 함량 및 유기물 함량을 측정하고, Co 회수율 및 Mn 회수율을 계산하였다. 계산 결과는 아래 표 1에 기재하였다.
비교예 2
Co 및 Mn 함유 여액 중 금속 촉매 이온 침전제로서 15w/w% 탄산나트륨 수용액을 첨가하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 과정을 통해 수득한 촉매 금속의 금속염 침전물 중의 Co 함량, Mn 함량 및 유기물 함량을 측정하고, Co 회수율 및 Mn 회수율을 계산하였다. 계산 결과는 아래 표 1에 기재하였다.
실험 번호 여액 수득한 촉매 금속의
금속염 침전물
Co 함량
(중량%)		 Mn 함량
(중량%)		 유기물 함량
(중량%)		 Co 회수율
(%)		 Mn 회수율
(%)		 유기물 함량
(중량%)
실시예 1 0.11 0.11 5.6 93 91 2
실시예 2 0.11 0.11 5.6 92 89 2
비교예 1 0.11 0.11 5.6 90 88 2
비교예 2 0.11 0.11 5.6 80 79 2
상기 표 1로부터, 금속 촉매 이온의 침전제로서 본 발명에 따른 트리소듐 포스페이트 또는 아황산나트륨을 사용하여 금속 촉매를 회수한 실시예 1 및 2의 경우, 종래 사용되었던 수산화물 또는 탄산염을 침전제로 사용한 비교예 1 및 2에 비해 높은 코발트 및 망간 회수율을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (5)

  1. CMB(cobalt/manganese/bromide) 촉매를 이용한 자일렌의 산화 반응 후의 모액(mother liquor)으로부터 코발트 및 망간을 포함하는 금속 촉매를 회수하는 방법으로서,
    (1) 상기 모액에 포함된 고형 유기물을 고액분리기를 통해 분리하는 단계;
    (2) (1)단계로부터의 여액에 침전제로서 알칼리 금속 인산염 및 알칼리 금속 아황산염 중 1종 이상을 투입하여 혼합액의 pH를 9 내지 11로 조절하는 단계; 및
    (3) (2)단계로부터의 슬러리에서 촉매 금속의 금속염 침전물을 수득하는 단계를 포함하는, 금속 촉매의 회수방법.
  2. 제1항에 있어서, (1)단계에서 상기 모액을 고액분리기에 투입하기 전에 모액 내의 용매를 제거하고, 용매가 제거된 슬러리에 물을 첨가한 후 고액분리기를 통해 고형 유기물과 금속 촉매 이온 함유 여액으로 분리하는 것인, 금속 촉매의 회수방법.
  3. 제1항에 있어서, (2)단계는 30 내지 80℃의 온도에서 수행되는, 금속 촉매의 회수방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 침전제가 트리소듐 포스페이트(trisodium phosphate) 및 아황산나트륨(sodium sulfite) 중 1종 이상의 것인, 금속 촉매의 회수방법.
  5. 제1항에 있어서, (3)단계로부터의 촉매 금속의 금속염 침전물을 아세트산에 용해시켜 금속 촉매 이온으로 전환시킨 후 자일렌 산화 반응 공정으로 재투입하는 단계를 추가로 포함하는, 금속 촉매의 회수방법.
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KR1020180147129A KR20200061616A (ko) 2018-11-26 2018-11-26 코발트 및 망간을 포함하는 금속 촉매의 회수방법

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3956175A (en) 1973-04-20 1976-05-11 Matsuyama Petrochemicals Inc. Method for recovering a liquid-phase oxidation catalyst for preparation of terephthalic acid
KR100575192B1 (ko) 2003-11-19 2006-04-28 메탈화학(주) 테레프탈산(tpa) 폐촉매로부터 코발트 망간 회수 방법
US20100177394A1 (en) 2007-05-04 2010-07-15 Saint-Gobain Glass France Array of light-diffusing sub-grating
CN103861650A (zh) 2012-12-17 2014-06-18 兴忠行股份有限公司 自对苯二甲酸反应母液回收钴锰催化剂的方法

Patent Citations (4)

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