KR20240003777A - Catalytic Materials for Direct Methane Conversion, Methods for Production of Carbon-Containing Compounds, and Continuous Reaction Apparatus - Google Patents

Catalytic Materials for Direct Methane Conversion, Methods for Production of Carbon-Containing Compounds, and Continuous Reaction Apparatus Download PDF

Info

Publication number
KR20240003777A
KR20240003777A KR1020220081093A KR20220081093A KR20240003777A KR 20240003777 A KR20240003777 A KR 20240003777A KR 1020220081093 A KR1020220081093 A KR 1020220081093A KR 20220081093 A KR20220081093 A KR 20220081093A KR 20240003777 A KR20240003777 A KR 20240003777A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
methane
carbonate
reaction
carbon dioxide
direct conversion
Prior art date
Application number
KR1020220081093A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
나경수
권승돈
유영재
양효근
Original Assignee
전남대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 전남대학교산학협력단 filed Critical 전남대학교산학협력단
Priority to KR1020220081093A priority Critical patent/KR20240003777A/en
Publication of KR20240003777A publication Critical patent/KR20240003777A/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • B01J23/42Platinum
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • B01J23/44Palladium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • B01J23/46Ruthenium, rhodium, osmium or iridium
    • B01J23/462Ruthenium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • B01J23/46Ruthenium, rhodium, osmium or iridium
    • B01J23/464Rhodium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • B01J23/46Ruthenium, rhodium, osmium or iridium
    • B01J23/466Osmium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • B01J23/46Ruthenium, rhodium, osmium or iridium
    • B01J23/468Iridium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J27/00Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
    • B01J27/20Carbon compounds
    • B01J27/232Carbonates
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02Impregnation, coating or precipitation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/42Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives
    • C07C51/47Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives by solid-liquid treatment; by chemisorption
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/42Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives
    • C07C51/487Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives by treatment giving rise to chemical modification
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C53/00Saturated compounds having only one carboxyl group bound to an acyclic carbon atom or hydrogen
    • C07C53/08Acetic acid

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

본 발명은 메탄과 이산화탄소를 직접 반응시켜 유용한 탄소화합물을 제조할 수 있는 메탄직접전환반응 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 공기 중의 이산화탄소가 메탄과 직접 반응하는 것은 매우 높은 에너지가 투입된 환경에서 가능한 것과는 달리 저온의 저에너지 투입조건에서 메탄과 직접 반응하여 다양한 탄소화합물을 생산할 수 있는 메탄직접전환반응용 촉매형반응물질, 이를 이용한 메탄직접전환반응을 통한 탄소화합물생산방법 및 메탄직접전환반응용 연속반응장치를 제공하는 기술에 관한 것이다. The present invention relates to a methane direct conversion reaction technology that can produce useful carbon compounds by directly reacting methane and carbon dioxide. More specifically, the direct reaction of carbon dioxide in the air with methane is different from what is possible in an environment where very high energy is input. Unlike other catalyst-type reactants for methane direct conversion reaction that can produce various carbon compounds by directly reacting with methane under low-temperature, low-energy input conditions, method of producing carbon compounds through methane direct conversion reaction using the same, and continuous reaction device for methane direct conversion reaction It is about technology that provides.

Description

메탄직접전환반응용 촉매형반응물질, 이를 이용한 메탄직접전환반응을 통한 탄소화합물생산방법 및 메탄직접전환반응용 연속반응장치{Catalytic Materials for Direct Methane Conversion, Methods for Production of Carbon-Containing Compounds, and Continuous Reaction Apparatus} Catalytic reaction materials for direct methane conversion reaction, method for producing carbon compounds through direct methane conversion reaction using the same, and continuous reaction device for direct methane conversion reaction {Catalytic Materials for Direct Methane Conversion, Methods for Production of Carbon-Containing Compounds, and Continuous Reaction Apparatus}

본 발명은 메탄과 이산화탄소를 직접 반응시켜 유용한 탄소화합물을 제조할 수 있는 메탄직접전환반응 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 공기 중의 이산화탄소가 메탄과 직접 반응하는 것은 매우 높은 에너지가 투입된 환경에서 가능한 것과는 달리 저온의 저에너지 투입조건에서 메탄과 직접 반응하여 다양한 탄소화합물을 생산할 수 있는 메탄직접전환반응용 촉매형반응물질, 이를 이용한 메탄직접전환반응을 통한 탄소화합물생산방법 및 메탄직접전환반응용 연속반응장치를 제공하는 기술에 관한 것이다. The present invention relates to a methane direct conversion reaction technology that can produce useful carbon compounds by directly reacting methane and carbon dioxide. More specifically, the direct reaction of carbon dioxide in the air with methane is different from what is possible in an environment where very high energy is input. Unlike other catalyst-type reactants for methane direct conversion reaction that can produce various carbon compounds by directly reacting with methane under low-temperature, low-energy input conditions, method of producing carbon compounds through methane direct conversion reaction using the same, and continuous reaction device for methane direct conversion reaction It is about technology that provides.

전 세계적으로 값싼 화석에너지를 에너지원으로 사용하되 이 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집한 후 메탄과 같이 분해시켜 일산화탄소와 수소의 혼합물로 구성되는 합성가스로 전환시키고 이 합성가스를 에너지원으로 재사용하거나 또는 이 합성가스를 원료로 하여 메탄올, DME (Dimethyl ether) 등 화학제품을 제조하여 재활용하는 기술이 개발되고 있다.Around the world, cheap fossil energy is used as an energy source, but the carbon dioxide generated in this process is captured and decomposed into methane to convert it into synthesis gas consisting of a mixture of carbon monoxide and hydrogen, and this synthesis gas is reused as an energy source. Technology is being developed to manufacture and recycle chemical products such as methanol and DME (Dimethyl ether) using this synthetic gas as a raw material.

예를 들어, 종래 아세트산은 주로 아세트알데하이드의 산화반응 공정을 통해 합성되었지만 현재는 일산화탄소를 활용한 메탄올의 카보닐레이션 반응 공정을 통해 합성된다. 메탄올의 카보닐레이션 반응은 Rh 촉매 기반 Monsanto 공정과 Ir 촉매 기반 Cativa 공정이 상용화되어 있는데, 상용화 된 두 공정은 30-60 bar, 150-200 ℃ 조건에서 거의 동일한 과정을 통해 아세트산을 합성하지만 Monsanto 공정에 비해 Cativa 공정이 물을 덜 사용하고 부생성물이 적다는 경제적 및 환경적 장점이 있어 먼저 상용화되었던 Monsanto 공정이 Cativa 공정으로 대체되고 있다. 다만, 두 공정 모두 고온, 고압의 환경에서 가동될 뿐만 아니라, 값비싼 귀금속 계열의 균질계 촉매를 활용한다는 측면에서 에너지 및 비용 측면에서 효율이 높지 않은 문제점이 있다. For example, conventionally, acetic acid was mainly synthesized through the oxidation reaction process of acetaldehyde, but currently, it is synthesized through the carbonylation reaction process of methanol using carbon monoxide. For the carbonylation reaction of methanol, the Rh catalyst-based Monsanto process and the Ir catalyst-based Cativa process are commercialized. The two commercialized processes synthesize acetic acid through almost the same process under conditions of 30-60 bar and 150-200 ℃, but the Monsanto process Compared to the Cativa process, it has economic and environmental advantages in that it uses less water and produces fewer by-products, so the Monsanto process, which was commercialized first, is being replaced by the Cativa process. However, both processes have the problem of not being highly efficient in terms of energy and cost, not only because they operate in a high temperature and pressure environment, but also because they utilize expensive noble metal-based homogeneous catalysts.

또한, 메탄올은 현재 CO2와 H2를 반응시켜 메탄올을 합성하는 과정이 상용화되어 있는데, 70 bar, 250 ℃ 조건에서 CO2:H2=1:3의 몰 비율로 하여 Cu/ZnO/Al2O3 촉매를 이용해 메탄올을 고수율로 합성하는 기술이 개발되어 있다. 그러나, 고가의 수소기체를 활용한다는 측면에서 경제성이 떨어지며, 기체상 반응을 통해 액체상 생성물을 생성시킨다는 측면에서 매우 높은 고압 및 고온의 반응 조건이 요구되는 단점이 있다. In addition, the process of synthesizing methanol by reacting CO 2 and H 2 is currently commercialized. Cu/ZnO/Al 2 is produced at a molar ratio of CO 2 :H 2 = 1:3 under conditions of 70 bar and 250 ℃. A technology to synthesize methanol in high yield using O 3 catalyst has been developed. However, it has the disadvantage of being less economical in terms of utilizing expensive hydrogen gas and requiring very high pressure and high temperature reaction conditions in terms of generating a liquid product through a gas phase reaction.

일산화탄소는 석탄이나 코크스를 이산화탄소 또는 산소 또는 수증기와 반응시킨 후 이를 정제하는 공정을 통해 합성된다. 이산화탄소를 이용한 일산화탄소 합성은 800 ℃ 이상의 고온 조건이 요구되어, 산소나 수증기를 이용한 공정이 주로 활용되고 있다. 이와 같이, 이산화탄소를 소모하여 일산화탄소를 생산시킨다는 측면에서 이산화탄소 저감효과를 기대할 수 있으나, 반응성이 거의 없는 이산화탄소를 반응시킨다는 측면에서 매우 높은 고온의 환경을 조성하고 이를 위해 고에너지가 투입되는 등의 에너지 효율이 매우 낮은 공정이다. Carbon monoxide is synthesized through a process of reacting coal or coke with carbon dioxide, oxygen, or water vapor and then purifying it. Carbon monoxide synthesis using carbon dioxide requires high temperature conditions of over 800°C, so processes using oxygen or water vapor are mainly used. In this way, a carbon dioxide reduction effect can be expected in that carbon dioxide is consumed to produce carbon monoxide, but in terms of reacting carbon dioxide, which has little reactivity, a very high temperature environment is created and high energy is input for this, resulting in energy efficiency. This is a very low process.

아세트알데히드는 과거 에탄올 또는 아세틸렌을 반응물로 하여 합성되었지만 현재는 Wacker 또는 Hoechst-Wacker 공정이라 불리는 에틸렌의 산화 반응을 통해 합성하는데, Wacker 공정은 130 ℃, 4 bar 조건에서 균일계 팔라듐/구리 촉매를 활용하여 아세트알데히드를 합성하는 것이다. 따라서, 부가가치가 높은 에틸렌을 이용하여 아세트알데히드를 제조한다는 측면에서 보면 경제성이 낮은 공정을 통해 부가가치가 낮은 생성물을 제조하게 되므로 효율이 낮은 공정일 수밖에 없다.Acetaldehyde was previously synthesized using ethanol or acetylene as a reactant, but is now synthesized through an oxidation reaction of ethylene called the Wacker or Hoechst-Wacker process. The Wacker process utilizes a homogeneous palladium/copper catalyst under conditions of 130°C and 4 bar. This synthesizes acetaldehyde. Therefore, from the perspective of producing acetaldehyde using ethylene with high added value, it is inevitably an inefficient process because a product with low added value is manufactured through a process with low economic efficiency.

국내등록특허번호 제10-1730799호Domestic registered patent number 10-1730799

본 발명자들은 상술된 문제점을 해결하기 위해 연구 노력한 결과, 저에너지 투입을 통해 메탄과 이산화탄소를 직접반응시켜 다양한 탄소화합물을 제조할 수 있는 기술을 개발함으로써, 본 발명을 완성하였다. As a result of research efforts to solve the above-mentioned problems, the present inventors completed the present invention by developing a technology that can produce various carbon compounds by directly reacting methane and carbon dioxide through low energy input.

따라서, 본 발명의 목적은 저온의 저에너지 투입 환경에서 이산화탄소와 메탄이 직접 반응하는 메탄직접전환반응을 통해 아세트산, 메탄올, 일산화탄소, 아세트알데히드 등 이산화탄소와 메탄에 비해 부가가치가 높은 탄소화합물들을 선택적으로 제조할 수 있는 메탄직접전환반응용 촉매형반응물질, 이를 이용한 메탄직접전환반응을 통한 탄소화합물생산방법 및 메탄직접전환반응용 연속반응장치를 제공하는 것이다.Therefore, the purpose of the present invention is to selectively produce carbon compounds with higher added value compared to carbon dioxide and methane, such as acetic acid, methanol, carbon monoxide, and acetaldehyde, through a direct methane conversion reaction in which carbon dioxide and methane react directly in a low-temperature, low-energy input environment. The aim is to provide a catalytic reaction material for methane direct conversion reaction, a method for producing carbon compounds through methane direct conversion reaction using the same, and a continuous reaction device for methane direct conversion reaction.

본 발명의 다른 목적은 일반적으로 이산화탄소를 반영구적으로 감축하기 위해 다양한 금속산화물(metal oxide)로 이산화탄소가 포집되어 생성된 금속탄산염(metal carbonate)이 지중 또는 해저에 매립되는데, 금속산화물(metal oxide)에 이산화탄소가 포집되어 생성된 금속탄산염(metal carbonate)을 지중 또는 해저에 매립할 필요 없이, 이를 원료 물질로 활용하여 고부가가치의 탄소화합물을 생산할 수 있는 메탄직접전환반응용 촉매형반응물질, 이를 이용한 메탄직접전환반응을 통한 탄소화합물생산방법 및 메탄직접전환반응용 연속반응장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to collect carbon dioxide with various metal oxides in order to semi-permanently reduce carbon dioxide, and the resulting metal carbonate is buried in the ground or seafloor. Catalytic reactant for methane direct conversion reaction that can produce high value-added carbon compounds by using metal carbonate produced by capturing carbon dioxide as a raw material without the need to bury it in the ground or seabed, and methane using this The aim is to provide a method for producing carbon compounds through direct conversion reaction and a continuous reaction device for methane direct conversion reaction.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 금속탄산염; 및 상기 금속탄산염에 담지된 금속나노입자;를 포함하는 메탄직접전환반응용 촉매형반응물질을 제공한다.In order to achieve the object of the present invention described above, the present invention provides a metal carbonate; It provides a catalytic reaction material for methane direct conversion reaction comprising; and metal nanoparticles supported on the metal carbonate.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속탄산염은 탄산아연, 탄산칼슘, 탄산세륨, 탄산마그네슘, 탄산스트론튬, 탄산바륨, 탄산구리 및 탄산코발트로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상이다. In a preferred embodiment, the metal carbonate is at least one selected from the group consisting of zinc carbonate, calcium carbonate, cerium carbonate, magnesium carbonate, strontium carbonate, barium carbonate, copper carbonate, and cobalt carbonate.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속나노입자는 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt)으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상이다. In a preferred embodiment, the metal nanoparticle is one or more selected from the group consisting of ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), and platinum (Pt). .

바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속나노입자는 상기 금속탄산염에 대해 0.1 내지 5중량% 포함된다. In a preferred embodiment, the metal nanoparticles are contained in an amount of 0.1 to 5% by weight based on the metal carbonate.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속나노입자의 직경은 1 내지 10nm이다. In a preferred embodiment, the diameter of the metal nanoparticles is 1 to 10 nm.

바람직한 실시예에 있어서, 25℃ - 600℃의 온도 및 5bar 내지 50bar의 압력에서 메탄기체와 반응성을 갖는 이산화탄소가 배출된다. In a preferred embodiment, carbon dioxide, which is reactive with methane gas, is discharged at a temperature of 25°C - 600°C and a pressure of 5 bar to 50 bar.

또한, 본 발명은 반응기에 탄산코발트, 탄산아연, 탄산세륨 중 어느 하나의 금속탄산염을 충전시키는 충전단계; 상기 금속탄산염이 충전된 반응기에 메탄기체를 공급하는 단계; 상기 반응기를 25℃ - 300℃의 온도 및 5bar 내지 50bar의 압력으로 설정하여 메탄직접전환반응을 수행하는 단계; 및 상기 메탄직접전환반응의 수행을 통해 생성된 아세트산을 수득하는 단계;를 포함하는 메탄직접전환반응을 통한 아세트산생산방법을 제공한다. In addition, the present invention includes a charging step of charging any one metal carbonate of cobalt carbonate, zinc carbonate, and cerium carbonate into the reactor; Supplying methane gas to the reactor filled with the metal carbonate; Performing a direct methane conversion reaction by setting the reactor to a temperature of 25°C - 300°C and a pressure of 5 bar to 50 bar; and obtaining acetic acid produced through performing the methane direct conversion reaction.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 반응기에 충전된 금속탄산염이 탄산코발트이면, 상기 반응기의 온도가 50℃ 내지 150℃로 조절된다. In a preferred embodiment, when the metal carbonate charged in the reactor is cobalt carbonate, the temperature of the reactor is adjusted to 50°C to 150°C.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 반응기에 충전된 금속탄산염이 탄산아연이면, 상기 반응기의 온도가 100℃ 내지 200℃로 조절된다. In a preferred embodiment, when the metal carbonate charged in the reactor is zinc carbonate, the temperature of the reactor is adjusted to 100°C to 200°C.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 반응기에 충전된 금속탄산염이 탄산세륨이면, 상기 반응기의 온도가 50℃ 내지 250℃로 조절된다. In a preferred embodiment, when the metal carbonate charged in the reactor is cerium carbonate, the temperature of the reactor is adjusted to 50°C to 250°C.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 메탄기체조성물은 이산화탄소를 포함하지 않는다. In a preferred embodiment, the methane gas composition does not contain carbon dioxide.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 메탄직접전환반응을 통해 산화코발트, 산화아연, 산화세륨 중 어느 하나의 금속산화염이 생성되면, 상기 금속산화염을 이산화탄소와 반응시켜 상기 금속산화염에 이산화탄소가 포집되는 단계; 및 상기 이산화탄소가 포집되는 단계에서 생성된 탄산코발트, 탄산아연, 탄산세륨 중 어느 하나를 상기 충전단계에서 재사용하는 단계;를 더 포함한다. In a preferred embodiment, when a metal oxide salt of cobalt oxide, zinc oxide, or cerium oxide is produced through the methane direct conversion reaction, the metal oxide salt is reacted with carbon dioxide to collect carbon dioxide in the metal oxide salt; and reusing any one of cobalt carbonate, zinc carbonate, and cerium carbonate generated in the carbon dioxide collecting step in the charging step.

또한, 본 발명은 반응기에 상술된 어느 하나의 반응물질을 충전시키는 단계; 상기 반응물질이 충전된 반응기에 메탄기체조성물을 공급하는 단계; 상기 반응기를 25℃ - 600℃의 온도 및 5bar 내지 50bar의 압력으로 설정하여 메탄직접전환반응을 수행하는 단계; 및 상기 메탄직접전환반응으로 얻어진 탄소화합물을 수득하는 단계;를 포함하는 메탄직접전환반응을 통한 탄소화합물생산방법을 제공한다. In addition, the present invention includes the steps of charging any one of the above-described reactants into a reactor; Supplying a methane gas composition to a reactor filled with the reactant; Performing a direct methane conversion reaction by setting the reactor to a temperature of 25°C - 600°C and a pressure of 5 bar to 50 bar; and obtaining a carbon compound obtained by the methane direct conversion reaction.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 탄소화합물은 아세트산, 아세트알데히드, 메탄올, 일산화탄소로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함한다. In a preferred embodiment, the carbon compound includes one or more selected from the group consisting of acetic acid, acetaldehyde, methanol, and carbon monoxide.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 반응기에 충전된 반응물질이 탄산칼슘에 백금나노입자가 담지된 것이면, 상기 반응기의 온도는 300℃ 내지 600℃로 조절되는 것이다. In a preferred embodiment, if the reactant charged in the reactor is one in which platinum nanoparticles are supported on calcium carbonate, the temperature of the reactor is adjusted to 300°C to 600°C.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 메탄기체조성물은 이산화탄소를 포함하지 않는다. In a preferred embodiment, the methane gas composition does not contain carbon dioxide.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 메탄직접전환반응을 통해 상기 반응물질로부터 이산화탄소가 배출되어 금속나노입자가 담지된 금속산화염이 생성되면, 상기 금속나노입자가 담지된 금속산화염을 이산화탄소와 반응시켜 상기 금속산화염에 이산화탄소가 포집되는 단계; 및 상기 이산화탄소가 포집되는 단계에서 생성된 반응물질을 상기 충전단계에서 재사용하는 단계;를 더 포함한다. In a preferred embodiment, when carbon dioxide is discharged from the reactant through the methane direct conversion reaction to produce a metal oxide salt carrying metal nanoparticles, the metal oxide salt carrying the metal nanoparticles is reacted with carbon dioxide to produce the metal oxide salt. A step in which carbon dioxide is captured; and reusing the reactant produced in the carbon dioxide capturing step in the charging step.

또한, 본 발명은 금속탄산염 또는 상술된 어느 하나의 반응물질이 충전된 반응공간부; 상기 반응공간부로 메탄기체를 제공하는 반응기체공급부; 상기 반응공간부에서 생성된 탄소화합물이 배출되어 저장되는 생성물저장부; 및 상기 탄소화합물이 배출된 반응공간부로 이산화탄소를 제공하는 이산화탄소공급부;를 포함하는 메탄 직접전환공정용 반응장치을 제공한다. In addition, the present invention provides a reaction space filled with metal carbonate or any of the above-described reactants; a reaction gas supply unit providing methane gas to the reaction space; a product storage unit where carbon compounds generated in the reaction space are discharged and stored; And a carbon dioxide supply unit that provides carbon dioxide to the reaction space where the carbon compound is discharged. It provides a reaction device for a methane direct conversion process including a.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 생성물저장부와 연결되어 상기 탄소화합물을 추출 분리하는 분리부;를 더 포함한다. In a preferred embodiment, it further includes a separation unit connected to the product storage unit to extract and separate the carbon compound.

상술된 본 발명에 의하면 저온의 저에너지 투입 환경에서 이산화탄소와 메탄이 직접 반응하는 메탄직접전환반응을 통해 아세트산, 메탄올, 일산화탄소, 아세트알데히드 등 이산화탄소와 메탄에 비해 부가가치가 높은 탄소화합물들을 선택적으로 제조할 수 있다.According to the present invention described above, carbon compounds with higher added value than carbon dioxide and methane, such as acetic acid, methanol, carbon monoxide, and acetaldehyde, can be selectively produced through a direct methane conversion reaction in which carbon dioxide and methane react directly in a low-temperature, low-energy input environment. there is.

또한, 본 발명에 의하면 이산화탄소를 반영구적으로 감축하기 위해 다양한 금속산화물(metal oxide)로 이산화탄소가 포집되어 생성된 금속탄산염(metal carbonate)이 지중 또는 해저에 매립되는데, 금속산화물(metal oxide)에 이산화탄소가 포집되어 생성된 금속탄산염(metal carbonate)을 지중 또는 해저에 매립할 필요 없이, 이를 원료 물질로 활용하여 고부가가치의 탄소화합물을 생산할 수 있다.In addition, according to the present invention, in order to semi-permanently reduce carbon dioxide, carbon dioxide is captured with various metal oxides and the resulting metal carbonate is buried in the ground or seafloor. Carbon dioxide is contained in the metal oxide. The collected and produced metal carbonate can be used as a raw material to produce high value-added carbon compounds without the need to bury it in the ground or seabed.

따라서, 본 발명은 메탄과 반응시킨 금속탄산염으로부터 얻어진 금속산화물을 공기 중의 이산화탄소를 포집 및 제거하는데 재활용할 수 있으며, 이렇게 얻어진 금속탄산염을 다시 메탄직접전환반응용 촉매형반응물질로 활용하여 고부가가치의 탄소화합물을 제조할 수 있는 연속공정을 구현할 수 있다는 측면에서 경제성 및 환경친화성이 매우 높은 공정 기술이라는 장점이 있다. Therefore, in the present invention, the metal oxide obtained from metal carbonate reacted with methane can be recycled to capture and remove carbon dioxide in the air, and the metal carbonate thus obtained can be used again as a catalytic reaction material for methane direct conversion reaction to provide high added value. It has the advantage of being a highly economical and environmentally friendly process technology in that it can implement a continuous process to produce carbon compounds.

본 발명의 이러한 기술적 효과들은 이상에서 언급한 범위만으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 실시를 위한 구체적 내용의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 효과 역시 당연히 포함된다.These technical effects of the present invention are not limited to the scope mentioned above, and even if not explicitly mentioned, the effects of the invention that can be recognized by a person of ordinary skill in the art from the description of the specific contents for implementing the invention described later. Of course it is included.

도 1은 탄산아연(ZnCO3)을 활용하여 메탄과 직접 반응시켜 아세트산을 생산하는 전체 공정에 대한 도식도이다.
도 2는 백금 담지 탄산칼슘을 활용하여 메탄과 직접 반응시켜 아세트산을 생산하는 전체 공정에 대한 도식도이다.
도 3은 반응촉매물질을 활용하여 메탄과 직접 반응시키는 기상 회분식 반응장치의 모식도이다.
도 4는 탄산아연 및 탄산칼슘을 대상으로 열중량분석법을 통해 금속탄산염 골격으로부터 이산화탄소가 떨어져 나오는 과정을 온도에 따라 모니터링한 결과를 도시한 것이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 탄산아연 및 백금 담지 탄산칼슘의 메탄직접전환반응 전후의 구조 변화를 관찰한 X-선 회절패턴 결과이다.
도 6는 백금 담지 탄산칼슘의 투과 전자현미경 사진이다.
도 7은 탄산아연을 반응촉매물질로 하여 메탄과 직접 반응시켜 얻어낸 생성물의 기체크로마토그래피 크로마토그램(왼쪽 : 전체영역, 오른쪽 : 확대영역)을 나타낸 것이다.
도 8은 탄산아연을 반응촉매물질로 하여 메탄과 직접 반응시킨 후 회분식 반응기 내에 포함되어 있던 기체의 기체크로마토그래피 크로마토그램을 나타낸 것이다.
도 9는 백금 담지 탄산칼슘(Pt/CaCO3)를 반응촉매물질로 하여 메탄과 직접 반응시켜 얻어낸 생성물의 기체크로마토그래피 크로마토그램(왼쪽 : 전체영역, 오른쪽 : 확대영역)을 나타낸 것이다.
도 10은 백금 담지 탄산칼슘(Pt/CaCO3)을 반응촉매물질로 하여 메탄과 직접 반응후 회분식 반응기 내에 포함되어 있던 기체의 기체크로마토그래피 크로마토그램을 나타낸 것이다.
도 11은 백금 담지 탄산칼슘(Pt/CaCO3)을 반응촉매물질로 하여 메탄과 직접 반응 전후 반응촉매물질의 X-선 광전자 분광법 결과를 도시한 것이다.
도 12는 메탄직접전환반응에서 반응촉매물질의 종류에 따른 메탄의 전환율, 생성물의 선택성 및 생산성을 나타낸 그래프이다.
도 13은 반응촉매물질을 활용하여 메탄과 직접 반응시키는 고정층 연속 반응장치의 모식도이다.
도 14는 탄산코발트의 열중량분석법을 통해 탄산코발트 골격으로부터 이산화탄소가 떨어져 나오는 과정을 온도에 따라 모니터링한 결과를 나타낸 것이다.
도 15는 탄산코발트의 메탄직접전환반응 전후의 구조 변화를 관찰한 X-선 회절패턴 결과를 나타낸 것이다.
도 16은 탄산코발트를 반응촉매물질로 하여 메탄과 직접 반응시켜 얻어낸 생성물의 기체크로마토그래피 크로마토그램(왼쪽 : 전체영역, 오른쪽 : 확대영역)을 나타낸 것이다.
도 17은 탄산코발트를 반응촉매물질로 하여 메탄과 직접 반응시킨 후 고정층 연속반응장치에서 배출되는 기체의 기체크로마토그래피 크로마토그램을 나타낸 것이다.
도 18은 도 13의 고정층 연속 반응장치에서 탄산코발트를 반응촉매물질로 하여 메탄과 직접 반응 전후 반응촉매물질의 X-선 광전자 분광법 결과를 도시한 것이다.
도 19는 도 13에 도시된 고정층 연속 반응장치를 Pulse-mode 형태의 반응으로 응용하여 산화코발트를 활용한 이산화탄소의 흡착, 메탄과 직접 반응 및 아세트산을 생산하는 전체 공정에 대한 도식도이다.
도 20은 도 13에 도시된 고정층 연속 반응장치를 Pulse-mode 형태의 반응으로 응용하여 산화코발트를 활용한 이산화탄소의 흡착, 메탄과 직접 반응 및 아세트산을 생산하는 전체 공정을 운영하기 위한 실험적 조건을 나타낸 그래프이다.
도 21은 산화코발트를 활용하여 도 20에 표현된 과정 중 CO2 Activation 을 진행하면서 시간에 따른 IR 흡수 스펙트럼을 나타낸 것이다.
Figure 1 is a schematic diagram of the entire process of producing acetic acid by directly reacting with methane using zinc carbonate (ZnCO 3 ).
Figure 2 is a schematic diagram of the entire process of producing acetic acid by directly reacting with methane using platinum-supported calcium carbonate.
Figure 3 is a schematic diagram of a gas phase batch reaction device that directly reacts with methane using a reaction catalyst material.
Figure 4 shows the results of monitoring the process of carbon dioxide being released from the metal carbonate skeleton according to temperature through thermogravimetric analysis for zinc carbonate and calcium carbonate.
Figures 5a and 5b are X-ray diffraction pattern results observing the structural changes of zinc carbonate and platinum-supported calcium carbonate before and after the methane direct conversion reaction, respectively.
Figure 6 is a transmission electron microscope photograph of platinum-supported calcium carbonate.
Figure 7 shows a gas chromatography chromatogram (left: full area, right: enlarged area) of a product obtained by directly reacting zinc carbonate with methane as a reaction catalyst.
Figure 8 shows a gas chromatography chromatogram of the gas contained in the batch reactor after direct reaction with methane using zinc carbonate as a reaction catalyst material.
Figure 9 shows a gas chromatography chromatogram (left: entire area, right: enlarged area) of a product obtained by directly reacting methane with platinum-supported calcium carbonate (Pt/CaCO 3 ) as a reaction catalyst.
Figure 10 shows a gas chromatography chromatogram of the gas contained in the batch reactor after direct reaction with methane using platinum-supported calcium carbonate (Pt/CaCO 3 ) as a reaction catalyst material.
Figure 11 shows the results of X-ray photoelectron spectroscopy of the reaction catalyst material before and after direct reaction with methane using platinum-supported calcium carbonate (Pt/CaCO 3 ) as the reaction catalyst material.
Figure 12 is a graph showing methane conversion rate, product selectivity, and productivity according to the type of reaction catalyst material in the methane direct conversion reaction.
Figure 13 is a schematic diagram of a fixed bed continuous reaction device that directly reacts with methane using a reaction catalyst material.
Figure 14 shows the results of monitoring the process of carbon dioxide being released from the cobalt carbonate skeleton according to temperature through thermogravimetric analysis of cobalt carbonate.
Figure 15 shows the results of an X-ray diffraction pattern observing the structural change before and after the direct conversion reaction of cobalt carbonate to methane.
Figure 16 shows a gas chromatography chromatogram (left: entire area, right: enlarged area) of a product obtained by directly reacting methane with cobalt carbonate as a reaction catalyst material.
Figure 17 shows a gas chromatography chromatogram of the gas discharged from the fixed bed continuous reaction device after direct reaction with methane using cobalt carbonate as a reaction catalyst material.
Figure 18 shows the results of X-ray photoelectron spectroscopy of the reaction catalyst material before and after direct reaction with methane using cobalt carbonate as the reaction catalyst material in the fixed bed continuous reaction device of Figure 13.
Figure 19 is a schematic diagram of the entire process of adsorption of carbon dioxide using cobalt oxide, direct reaction with methane, and production of acetic acid by applying the fixed bed continuous reaction device shown in Figure 13 as a pulse-mode reaction.
Figure 20 shows experimental conditions for operating the entire process of adsorption of carbon dioxide using cobalt oxide, direct reaction with methane, and production of acetic acid by applying the fixed bed continuous reaction device shown in Figure 13 as a pulse-mode reaction. It's a graph.
Figure 21 shows the IR absorption spectrum over time during CO 2 Activation during the process shown in Figure 20 using cobalt oxide.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다. The terms used in the present invention are general terms that are currently widely used as much as possible. However, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning described or used in the detailed description of the invention rather than the simple name of the term is considered. Therefore, its meaning must be understood.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless clearly defined in the present invention, should not be interpreted in an idealized or excessively formal sense. No.

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 발명의 설명에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terms used in the present invention are merely used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the description of the invention, but are intended to indicate the presence of one or more other It should be understood that this does not exclude in advance the presence or addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component without departing from the scope of the present invention.

본 발명에서 사용되는 용어 "메탄직접전환반응용 촉매형 반응물질"은 메탄직접전환반응의 원료물질을 제공하면서도 동시에 촉매로 사용되며, 반응 종료 후 이산화탄소를 흡착시켜 초기 물질의 구조 재생 및 재활용이 가능한 물질을 의미한다. The term "catalytic reactant for methane direct conversion reaction" used in the present invention provides raw materials for methane direct conversion reaction and is used as a catalyst at the same time, and is capable of regenerating and recycling the structure of the initial material by adsorbing carbon dioxide after the reaction is completed. means substance.

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다. 특히, 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등이 사용되는 경우 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되는 것으로 해석될 수 있다.When interpreting a component, it is interpreted to include the margin of error even if there is no separate explicit description. In particular, when terms of degree such as "about", "substantially", etc. are used, they may be interpreted as being used at or close to that value when manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are presented. .

시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함한다.In the case of a description of a temporal relationship, for example, if a temporal relationship is described as ‘~after’, ‘after~’, ‘~next’, ‘before’, etc., ‘immediately’ or ‘directly’ This also includes non-consecutive cases unless used.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical configuration of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings and preferred embodiments.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Like reference numerals used to describe the invention throughout the specification represent like elements.

본 발명의 기술적 특징은 금속산화물(metal oxide)에 이산화탄소가 포집되어 생성된 금속탄산염(metal carbonate)을 지중 또는 해저에 매립할 필요 없이, 이를 원료 물질로 활용하여 저온의 저에너지 투입 환경에서 금속탄산염에서 탈착되는 이산화탄소와 메탄이 직접 반응하는 메탄직접전환반응을 통해 아세트산, 메탄올, 일산화탄소, 아세트알데히드 등 이산화탄소와 메탄에 비해 부가가치가 높은 탄소화합물들을 선택적으로 제조할 수 있는 메탄직접전환반응용 촉매형반응물질, 이를 이용한 메탄직접전환반응을 통한 탄소화합물생산방법 및 메탄직접전환반응용 연속반응장치를 제공하는 것에 있다. The technical feature of the present invention is to use metal carbonate, which is produced by capturing carbon dioxide in metal oxide, as a raw material without the need to bury it in the ground or seabed, and to produce metal carbonate from metal carbonate in a low-temperature, low-energy input environment. A catalytic reaction material for methane direct conversion reaction that can selectively produce carbon compounds with higher added value compared to carbon dioxide and methane, such as acetic acid, methanol, carbon monoxide, and acetaldehyde, through the methane direct conversion reaction in which desorbed carbon dioxide and methane directly react. The aim is to provide a method for producing carbon compounds through methane direct conversion reaction and a continuous reaction device for methane direct conversion reaction using this method.

금속산화물들은 손쉽게 구할 수 있는 물질이며, 각각의 금속산화물들은 금속 원소에 따라서 특정 온도에서 이산화탄소를 가역적으로 흡착 및 탈착할 수 있다. 이산화탄소를 흡착할 경우 금속산화물들은 금속 탄산염(Metal Carbonate)으로 변환되며, 이 원리를 이용하여 이산화탄소가 배출되는 많은 산업 공정 속에서 금속산화물은 이산화탄소를 흡착하여 제거할 수 있는 물질로 활용되고 있다. 그러나, 이산화탄소를 흡착시킨 금속탄산염들은 대개는 땅속이나 해저에 매립하여 폐기하기 때문에, 영구적으로 이산화탄소를 제거하였다고 판단하기는 어려운 것이 현실이다. Metal oxides are readily available materials, and each metal oxide can reversibly adsorb and desorb carbon dioxide at a specific temperature depending on the metal element. When carbon dioxide is adsorbed, metal oxides are converted into metal carbonate, and using this principle, metal oxides are used as materials that can adsorb and remove carbon dioxide in many industrial processes that emit carbon dioxide. However, since metal carbonates that adsorb carbon dioxide are usually disposed of by burying in the ground or the seabed, it is difficult to determine that carbon dioxide has been permanently removed.

따라서, 본 발명의 메탄직접전환반응용 촉매형반응물질은 금속탄산염; 및 상기 금속탄산염에 담지된 금속나노입자;를 포함한다. Therefore, the catalytic reactant for methane direct conversion reaction of the present invention includes metal carbonate; and metal nanoparticles supported on the metal carbonate.

금속탄산염은 저에너지 투입 환경에서 효과적으로 메탄직접전환반응용 촉매형반응물질로 사용되는데 적합하기만 하면 제한되지 않지만, 일 구현예로서 탄산아연(ZnCO3), 탄산칼슘(CaCO3), 탄산세륨(Ce2(CO3)2), 탄산마그네슘, 탄산스트론튬, 탄산바륨, 탄산구리 및 탄산코발트(CoCO3)로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.Metal carbonate is not limited as long as it is suitable for being effectively used as a catalytic reactant for methane direct conversion reaction in a low energy input environment, but examples include zinc carbonate (ZnCO 3 ), calcium carbonate (CaCO 3 ), and cerium carbonate (Ce). 2 (CO 3 ) 2 ), magnesium carbonate, strontium carbonate, barium carbonate, copper carbonate, and cobalt carbonate (CoCO 3 ).

금속나노입자는 금속탄산염으로부터 이산화탄소가 저에너지 투입 환경에서도 쉽게 탈착되도록 활성화시키는 기능을 수행하는 구성요소로서, 고활성을 갖고 촉매로 사용되는 금속원소이기만 하면 제한되지 않지만 일 구현예로서 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt)으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.Metal nanoparticles are components that perform the function of activating carbon dioxide to be easily desorbed from metal carbonate even in a low-energy input environment. Metal nanoparticles are not limited as long as they are metal elements that have high activity and are used as catalysts, but one embodiment includes ruthenium (Ru), It may be one or more selected from the group consisting of rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), and platinum (Pt).

즉, 전이금속 계열 물질의 금속산화물 또는 금속탄산염은 메탄 분자의 활성점으로 전이금속을 포함하기 때문에 자체적으로 메탄을 활성화할 수 있으며 메탄과 이산화탄소의 동시 활성 및 직접 반응을 통해 다양한 화합물을 생산할 수 있지만 알칼리토금속 계열의 금속산화물 또는 금속탄산염은 메탄 활성을 위한 촉매 활성점이 존재하지 않기 때문에 자체적으로 메탄을 활성화하지 못해 이산화탄소와 직접적으로 반응을 일으키는 것이 불가능하다. 그러나 후술하는 바와 같이 백금족 원소의 나노입자와 같이 메탄 분자에 대해 높은 활성을 보여주는 귀금속 촉매를 표면에 담지하면 메탄을 활성화할 수 있고 이를 통해 다양한 화합물을 생산할 수 있음을 확인하였기 때문이다.In other words, metal oxides or metal carbonates of transition metal materials contain transition metals as active sites for methane molecules, so they can activate methane on their own and produce various compounds through simultaneous activation and direct reaction of methane and carbon dioxide. Since alkaline earth metal-based metal oxides or metal carbonates do not have catalytic sites for methane activation, they cannot activate methane on their own, making it impossible to react directly with carbon dioxide. However, as will be described later, it has been confirmed that methane can be activated by carrying on the surface a precious metal catalyst that shows high activity against methane molecules, such as nanoparticles of platinum group elements, and through this, various compounds can be produced.

금속나노입자는 금속탄산염에 대해 0.1 내지 5중량% 포함되는데, 0.1중량% 미만으로 포함되면 금속탄산염에 포함된 이산화탄소가 탈착되는 활성화반응에 기여할 수 없고, 5중량%를 초과하면 경제성이 없을 뿐만 아니라 이산화탄소 탈착반응을 오히려 저해할 수도 있기 때문이다. 금속나노입자의 직경은 1 내지 10nm일 수 있는데, 직경이 10nm를 초과하면 촉매 활성이 나타나지 않는 문제가 있을 수 있다. Metal nanoparticles are contained in an amount of 0.1 to 5% by weight relative to the metal carbonate. If the amount is less than 0.1% by weight, they cannot contribute to the activation reaction in which carbon dioxide contained in the metal carbonate is desorbed, and if it exceeds 5% by weight, it is not only uneconomical. This is because it may actually inhibit the carbon dioxide desorption reaction. The diameter of metal nanoparticles may be 1 to 10 nm, but if the diameter exceeds 10 nm, there may be a problem of catalytic activity not appearing.

일 구현예로서 금속나노입자의 이산화탄소 탈착반응에 대한 활성화 효과를 살펴보면, 이산화탄소의 가역적 흡/탈착 온도가 매우 높은 금속탄산염 중 하나인 탄산칼슘(CaCO3)의 경우, 산업적으로 시멘트 제조 공정에 주로 활용되는데, 시멘트의 구성성분으로 사용하기 위해서는 산화칼슘으로 변환되어야 하며, 이를 위해 800 ℃ 수준의 고온의 열처리를 하게 되고 이 과정에서 대량의 이산화탄소가 배출되는 것으로 알려져 있다. 하지만, 본 발명에 따라 탄산칼슘에 백금나노입자가 담지된 메탄직접전환반응용 촉매형 반응물질이 되면 300 - 500 ℃의 저온에서 메탄과 직접 반응시켜 다양한 화합물을 생산할 수 있기 때문이다. 그 결과 본 발명에 따르면, 금속탄산염 중 탄산칼슘은 메탄과 반응할 경우 시멘트 공정에 비해 상대적으로 낮은 온도 조건에서 반응이 진행되며, 이산화탄소를 소모하여 고부가가치의 화합물을 생성하고 이 과정에서 탄산칼슘이 산화칼슘으로 변환될 수 있다는 측면에서 의미를 지닌다.As an example, looking at the activation effect of metal nanoparticles on the carbon dioxide desorption reaction, calcium carbonate (CaCO 3 ), one of the metal carbonates with a very high reversible adsorption/desorption temperature of carbon dioxide, is mainly used industrially in the cement manufacturing process. In order to be used as a component of cement, it must be converted into calcium oxide, and for this purpose, it is heat treated at a high temperature of about 800 ℃, and it is known that a large amount of carbon dioxide is emitted during this process. However, according to the present invention, when platinum nanoparticles supported on calcium carbonate become a catalyst-type reactant for methane direct conversion reaction, various compounds can be produced by directly reacting with methane at a low temperature of 300 - 500 ° C. As a result, according to the present invention, when calcium carbonate among metal carbonates reacts with methane, the reaction proceeds under relatively low temperature conditions compared to the cement process, and carbon dioxide is consumed to produce a high value-added compound, and calcium carbonate is produced in this process. It is meaningful in that it can be converted into calcium oxide.

이와 같이 본 발명의 메탄직접전환반응용 촉매형반응물질은 금속탄산염의 종류 및 담지되는 금속나노입자의 종류에 따라 이산화탄소가 탈착되어 메탄과 직접반응하는 온도 및 압력이 상이할 수는 있지만 대체로 25℃ - 600℃의 온도 및 5bar 내지 50bar의 압력에서 메탄기체와 반응성을 갖는 이산화탄소가 배출될 수 있다.As such, the catalytic reaction material for direct methane conversion reaction of the present invention may have different temperatures and pressures at which carbon dioxide is desorbed and directly reacts with methane depending on the type of metal carbonate and the type of supported metal nanoparticles, but is generally maintained at 25°C. - Carbon dioxide, which is reactive with methane gas, can be discharged at a temperature of 600°C and a pressure of 5 bar to 50 bar.

다음으로, 본 발명의 메탄직접전환반응을 통한 아세트산생산방법은 반응기에 탄산코발트, 탄산아연, 탄산세륨 중 어느 하나의 금속탄산염을 충전시키는 충전단계; 상기 금속탄산염이 충전된 반응기에 메탄기체조성물을 공급하는 단계; 상기 반응기를 25℃ - 300℃의 온도 및 5bar 내지 50bar의 압력으로 설정하여 메탄직접전환반응을 수행하는 단계; 및 상기 메탄직접전환반응의 수행을 통해 생성된 아세트산을 수득하는 단계;를 포함한다. 이 때, 메탄기체조성물은 이산화탄소를 포함하지 않는데, 일 구현예로서 메탄과 질소를 포함하는 불활성기체가 포함된 것일 수 있다. 메탄기체조성물에서 메탄의 함유량은 적어도 60부피% 이상일 수 있다. Next, the method for producing acetic acid through the direct methane conversion reaction of the present invention includes a charging step of charging any one metal carbonate of cobalt carbonate, zinc carbonate, and cerium carbonate into the reactor; Supplying a methane gas composition to the reactor filled with the metal carbonate; Performing a direct methane conversion reaction by setting the reactor to a temperature of 25°C - 300°C and a pressure of 5 bar to 50 bar; and obtaining acetic acid produced through performing the methane direct conversion reaction. At this time, the methane gas composition does not contain carbon dioxide, but in one embodiment, it may contain an inert gas containing methane and nitrogen. The content of methane in the methane gas composition may be at least 60% by volume.

또한, 충전단계에서 반응기에 충전되는 탄산코발트, 탄산아연 및 탄산세륨은 다수의 실험을 통해 금속나노입자가 담지 되지 않더라도 300℃ 이하의 저온영역에서 가역적 이산화탄소의 흡착/탈착 현상을 갖는 것을 확인하였을 뿐만 아니라 메탄직접전환반응을 통해 아세트산만 생산하는 것이 확인되었다. In addition, it was confirmed through numerous experiments that cobalt carbonate, zinc carbonate, and cerium carbonate charged into the reactor in the charging stage have a reversible carbon dioxide adsorption/desorption phenomenon in the low temperature range of 300°C or lower even if metal nanoparticles are not contained. In addition, it was confirmed that only acetic acid was produced through a direct methane conversion reaction.

특히, 반응기에 충전되는 금속탄산염의 종류에 따라 메탄직접전환반응을 발생시키기 위한 반응기의 온도가 상이한데, 일 구현예로서 금속탄산염이 탄산코발트이면, 반응기의 온도가 50℃ 내지 150℃로 조절되면 메탄과 금속탄산염에서 탈착된 이산화탄소가 반응하여 아세트산만을 생성할 수 있다. 다른 구현예로서 금속탄산염이 탄산아연이면, 반응기의 온도가 100℃ 내지 200℃로 조절되면 메탄과 금속탄산염에서 탈착된 이산화탄소가 반응하여 아세트산만을 생성할 수 있다. 또 다른 구현예로서 금속탄산염이 탄산세륨이면, 반응기의 온도가 50℃ 내지 250℃로 조절되면 메탄과 금속탄산염에서 탈착된 이산화탄소가 반응하여 아세트산만을 생성할 수 있다. 다만, 탄산코발트, 탄산아연 및 탄산세륨에 금속나노입자가 담지되어 본 발명의 메탄직접전환반응용 촉매형반응물질로 준비되면 후술하는 바와 같이 아세트산을 포함하여 다양한 종류의 유용한 탄소화화합물이 메탄직접전환반응을 통해 생성되었다. In particular, the temperature of the reactor for generating a direct methane conversion reaction is different depending on the type of metal carbonate charged in the reactor. In one embodiment, if the metal carbonate is cobalt carbonate, the temperature of the reactor is adjusted to 50°C to 150°C. Methane and carbon dioxide desorbed from metal carbonate react to produce only acetic acid. As another embodiment, if the metal carbonate is zinc carbonate, when the temperature of the reactor is adjusted to 100°C to 200°C, methane and carbon dioxide desorbed from the metal carbonate may react to produce only acetic acid. As another embodiment, if the metal carbonate is cerium carbonate, when the temperature of the reactor is adjusted to 50°C to 250°C, methane and carbon dioxide desorbed from the metal carbonate may react to produce only acetic acid. However, when metal nanoparticles are supported on cobalt carbonate, zinc carbonate, and cerium carbonate and prepared as a catalytic reaction material for the methane direct conversion reaction of the present invention, various types of useful carbon compounds, including acetic acid, are converted into methane directly, as will be described later. It was created through a conversion reaction.

한편, 메탄직접전환반응을 수행하는 단계에서 메탄직접전환반응이 수행되면 금속탄산염으로부터 이산화탄소의 탈착반응이 일어나 탄산코발트, 탄산아연 및 탄산세륨이 메탄직접전환반응을 통해 산화코발트, 산화아연, 산화세륨 중 어느 하나의 금속산화물이 생성될 수 있다. 이 경우, 본 발명의 아세트산 생산방법은 생성된 금속산화물을 매립하여 폐기하지 않고 이산화탄소와 반응시켜 금속산화물에 이산화탄소가 포집되는 단계; 및 이산화탄소가 포집되는 단계에서 생성된 탄산코발트, 탄산아연, 탄산세륨 중 어느 하나를 상기 충전단계에서 재사용하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 아세트산생산방법은 금속탄산염으로부터 탈착된 이산화탄소를 메탄과 직접 반응시켜 이산화탄소를 소모하면서 메탄 및 이산화탄소보다 부가가치가 높은 아세트산을 생산하고, 이 과정에서 얻어진 금속산화물에 이산화탄소를 흡착시켜 금속탄산염을 생성하여 다시 메탄과 반응시키는 순환공정을 구현할 수 있다.Meanwhile, when the methane direct conversion reaction is performed in the step of performing the methane direct conversion reaction, a desorption reaction of carbon dioxide occurs from the metal carbonate, and cobalt carbonate, zinc carbonate, and cerium carbonate are converted into cobalt oxide, zinc oxide, and cerium oxide through the methane direct conversion reaction. Any one of the metal oxides may be generated. In this case, the acetic acid production method of the present invention includes the steps of reacting the produced metal oxide with carbon dioxide instead of landfilling and disposing of it, so that carbon dioxide is captured in the metal oxide; and reusing any one of cobalt carbonate, zinc carbonate, and cerium carbonate generated in the carbon dioxide collecting step in the charging step. As such, the acetic acid production method of the present invention directly reacts carbon dioxide desorbed from metal carbonate with methane to produce acetic acid with higher added value than methane and carbon dioxide while consuming carbon dioxide, and adsorbs carbon dioxide to the metal oxide obtained in this process to produce metal carbonate. It is possible to implement a circulation process that produces and reacts with methane again.

보다 구체적으로, 본 발명의 메탄직접전환반응을 통한 아세트산생산방법은 도 3 또는 도 13에 도시된 장치를 이용하여 주입된 메탄기체조성물이 금속탄산염으로부터 탈착된 이산화탄소와 반응하여 아세트산이 생성될 수 있는데, 도 1에 도시된 바와 같은 메탄직접전환반응이 발생할 수 있다.More specifically, in the method of producing acetic acid through direct methane conversion reaction of the present invention, acetic acid can be produced by reacting the methane gas composition injected using the device shown in Figure 3 or Figure 13 with carbon dioxide desorbed from metal carbonate. , a direct methane conversion reaction as shown in Figure 1 may occur.

다음으로, 본 발명의 메탄직접전환반응을 통한 탄소화합물생산방법은 반응기에 상술된 구성을 갖는 어느 하나의 반응물질을 충전시키는 단계; 상기 반응물질이 충전된 반응기에 메탄기체조성물을 공급하는 단계; 상기 반응기를 25℃ - 600℃의 온도 및 5bar 내지 50bar의 압력으로 설정하여 메탄직접전환반응을 수행하는 단계; 및 상기 메탄직접전환반응으로 얻어진 탄소화합물을 수득하는 단계;를 포함한다. 이 때, 메탄기체조성물은 이산화탄소를 포함하지 않는데, 일 구현예로서 메탄과 질소를 포함하는 불활성기체가 포함된 것일 수 있다. 메탄기체조성물에서 메탄의 함유량은 적어도 60부피% 이상일 수 있다.Next, the method for producing carbon compounds through the direct methane conversion reaction of the present invention includes the steps of charging any one reactant having the above-described structure into the reactor; Supplying a methane gas composition to a reactor filled with the reactant; Performing a direct methane conversion reaction by setting the reactor to a temperature of 25°C - 600°C and a pressure of 5 bar to 50 bar; and obtaining a carbon compound obtained through the methane direct conversion reaction. At this time, the methane gas composition does not contain carbon dioxide, but in one embodiment, it may contain an inert gas containing methane and nitrogen. The content of methane in the methane gas composition may be at least 60% by volume.

또한, 메탄직접전환반응으로 얻어진 탄소화합물은 아세트산, 아세트알데히드, 메탄올, 일산화탄소로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는데, 생성되는 탄소화합물의 종류 및 함량은 메탄직접전환반응용 촉매형반응물질에 포함된 금속탄산염 및 금속나노입자의 종류 및 함량에 따라 달라질 수 있다.In addition, the carbon compound obtained from the methane direct conversion reaction includes one or more selected from the group consisting of acetic acid, acetaldehyde, methanol, and carbon monoxide. The type and content of the carbon compound produced are determined by the catalytic reaction material for the methane direct conversion reaction. It may vary depending on the type and content of metal carbonate and metal nanoparticles included.

한편, 반응기에 충전되는 메탄직접전환반응용 촉매형반응물질에 포함되는 금속탄산염의 종류에 따라 메탄직접전환반응을 발생시키기 위한 반응기의 온도가 상이한데, 일 구현예로서 반응기에 충전된 반응물질이 탄산칼슘에 백금나노입자가 담지된 것이면, 상기 반응기의 온도는 300℃ 내지 600℃로 조절될 수 있다. Meanwhile, the temperature of the reactor for generating the methane direct conversion reaction is different depending on the type of metal carbonate contained in the catalyst-type reaction material for the methane direct conversion reaction charged in the reactor. In one embodiment, the reaction material charged in the reactor is If platinum nanoparticles are supported on calcium carbonate, the temperature of the reactor can be adjusted to 300°C to 600°C.

또한, 메탄직접전환반응을 통해 반응물질로부터 이산화탄소가 배출되어 금속나노입자가 담지된 금속산화물이 생성되면, 금속나노입자가 담지된 금속산화물을 이산화탄소와 반응시켜 금속산화물에 이산화탄소가 포집되는 단계; 및 이산화탄소가 포집되는 단계에서 생성된 반응물질을 상기 충전단계에서 재사용하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 탄소화합물생산방법은 반응물질로부터 탈착된 이산화탄소를 메탄과 직접 반응시켜 이산화탄소를 소모하면서 메탄 및 이산화탄소보다 부가가치가 높은 다양한 탄소화합물을 생산하고, 이 과정에서 얻어진 이산화탄소가 탈착된 반응물질 즉 금속나노입자가 담지된 금속산화물에 이산화탄소를 흡착시켜 반응물질을 생성한 후 다시 메탄과 반응시키는 순환공정을 구현할 수 있다.In addition, when carbon dioxide is released from the reactant through the methane direct conversion reaction and a metal oxide carrying metal nanoparticles is produced, the metal oxide carrying the metal nanoparticles is reacted with carbon dioxide to collect carbon dioxide in the metal oxide; And it may further include a step of reusing the reactant produced in the carbon dioxide capturing step in the charging step. As such, the carbon compound production method of the present invention directly reacts carbon dioxide desorbed from the reactant with methane to produce various carbon compounds with higher added value than methane and carbon dioxide while consuming carbon dioxide, and the carbon dioxide obtained in this process is converted into the desorbed reactant. In other words, a circulation process can be implemented in which carbon dioxide is adsorbed on the metal oxide carrying metal nanoparticles to generate a reactant and then reacted with methane again.

보다 구체적으로, 본 발명의 메탄직접전환반응을 통한 탄소화합물생산방법은 도 3 또는 도 13에 도시된 장치를 이용하여 주입된 메탄기체조성물이 반응물질로부터 탈착된 이산화탄소와 반응하여 다양한 탄소화합물이 생성될 수 있는데, 도 2에 도시된 바와 같은 메탄직접전환반응이 발생할 수 있다. More specifically, in the method of producing carbon compounds through direct methane conversion reaction of the present invention, the methane gas composition injected using the device shown in FIG. 3 or FIG. 13 reacts with carbon dioxide desorbed from the reactant to produce various carbon compounds. In this case, a direct methane conversion reaction as shown in FIG. 2 may occur.

다음으로, 본 발명의 메탄직접전환반응용 반응장치는 금속탄산염 또는 상술된 어느 하나의 반응물질이 충전된 반응공간부; 상기 반응공간부로 메탄기체를 제공하는 반응기체공급부; 상기 반응공간부에서 생성된 탄소화합물과 미반응메탄가스가 배출되어 저장되는 생성물저장부; 및 상기 생성된 탄소화합물이 배출된 반응공간부로 이산화탄소를 제공하는 이산화탄소공급부;를 포함한다. 필요한 경우 생성물저장부와 연결되어 상기 탄소화합물을 추출 분리하는 분리부;를 더 포함할 수 있다.Next, the reaction apparatus for direct methane conversion reaction of the present invention includes a reaction space filled with metal carbonate or any of the above-mentioned reactants; a reaction gas supply unit providing methane gas to the reaction space; a product storage unit where carbon compounds and unreacted methane gas generated in the reaction space are discharged and stored; and a carbon dioxide supply unit that provides carbon dioxide to the reaction space where the generated carbon compound is discharged. If necessary, it may further include a separation unit connected to the product storage unit to extract and separate the carbon compound.

여기서, 반응공간부는 금속탄산염 또는 반응물질이 메탄기체와 반응하여 생성되는 탄소화합물이 기체 상태로 얻어지도록 반응온도가 조절될 수 있는 구성이기만 하면 특별히 그 형태나 종류가 제한되는 것은 아니며, 출발물질로서 금속탄산염 또는 반응물질과 반응기체인 메탄기체조성물, 또는 이산화탄소를 주입하고 닫힌계를 형성할 수 있는 회분식 반응기 또는 출발물질을 연속적으로 도입하거나 생성물을 다른 곳으로 이송할 수 있는 유동층 반응기 또는 상승기와 같은 순환유동층 반응기일 수 있다. 또한, 고정층 반응기 등의 다른 형태의 반응기의 사용도 제한되지는 않는다. Here, the form or type of the reaction space is not particularly limited as long as the reaction temperature can be adjusted so that the carbon compound produced by reacting the metal carbonate or the reactant with methane gas is obtained in a gaseous state, and is used as a starting material. A batch reactor that can inject metal carbonate or a reactant and a methane gas composition as a reactant gas, or carbon dioxide and form a closed system, or a circulating fluidized bed such as a fluidized bed reactor or riser that can continuously introduce starting materials or transfer the product to another place. It may be a reactor. Additionally, the use of other types of reactors such as fixed bed reactors is not limited.

생성물저장부는 반응공간부에서 생성된 기체상 탄소화합물과 미반응 메탄기체가 이송되어 보관될 수 있도록 구현될 수 있을 것이다. 일 구현예로서 기상의 탄소화합물과 미반응 메탄기체조성물을 응축시켜 액체화함으로써 액상의 탄소화합물과 메탄기체조성물 및 일산화탄소로 분리할 수 있는 콘덴서와 기상의 메탄기체 및 일산화탄소를 저장하는 기상저장부로 구현할 수 있다.The product storage unit may be implemented so that the gaseous carbon compounds and unreacted methane gas generated in the reaction space can be transferred and stored. As an embodiment, it can be implemented as a condenser that can separate the liquid carbon compound, methane gas composition, and carbon monoxide by condensing and liquefying the gaseous carbon compound and the unreacted methane gas composition, and a gaseous storage unit that stores the gaseous methane gas and carbon monoxide. there is.

분리부는 생성물저장부에 저장된 액상 및/또는 기상의 탄소화합물을 각각의 탄소화합물로 분리할 수 있기만 하면 공지된 모든 기술이 사용될 수 있지만, 액상의 탄소화합물에 대해서는 증류방식이 수행될 수 있는 증류탑을 포함하는 구성으로 구현할 수 있다. 직접메탄전환공정을 통해 생성된 탄소화합물 중 아세트산, 메탄올 및 아세트알데히드 등 액상 생성물은 쉽게 기화시킬 수 있으므로, 성분별 끓는점 차이에 따라 분리하는 증류 방식이 수행되면 각각의 화합물을 용이하게 분리할 수 있기 때문이다. 특히, 아세트산, 메탄올 및 아세트알데히드의 끓는점은 각각 118 ℃, 65 ℃ 및 20 ℃ 로 구분되어 성분 분리가 용이하고, 0 내지 20 ℃ 의 저온 영역에서 액상으로 존재할 수 있으므로 기상인 미반응 메탄과는 분리될 수 있다는 장점이 있다.In the separation unit, any known technology can be used as long as it can separate the liquid and/or gaseous carbon compounds stored in the product storage unit into individual carbon compounds, but a distillation tower capable of performing a distillation method for the liquid carbon compounds is used. It can be implemented with a configuration that includes: Among the carbon compounds produced through the direct methane conversion process, liquid products such as acetic acid, methanol, and acetaldehyde can be easily vaporized, so each compound can be easily separated if a distillation method is performed to separate each component according to the difference in boiling point. Because. In particular, the boiling points of acetic acid, methanol, and acetaldehyde are 118 ℃, 65 ℃, and 20 ℃, respectively, making it easy to separate components. Since they can exist in a liquid phase in the low temperature range of 0 to 20 ℃, they can be separated from unreacted methane in the gas phase. There is an advantage to being able to do it.

또한, 반응공간부 외부 및/또는 내부에는 반응기체공급부와 이산화탄소공급부로부터 공급되는 기체가 반응공간부로 유입될 수 있는 유입관 및 생성물저장부로 생성된 탄소화합물이 배출되는 유출관은 물론, 메탄직접전환반응에 필요한 온도와 압력 조건을 제공할 수 있는 구성 즉 온도조절용 장치(히터 및/또는 냉각장치)와 가압장치가 구비될 수 있을 것이다. In addition, outside and/or inside the reaction space, there is an inlet pipe through which gas supplied from the reaction gas supply section and the carbon dioxide supply section can flow into the reaction space, and an outlet pipe through which the carbon compound generated in the product storage section is discharged, as well as direct methane conversion. A configuration that can provide the temperature and pressure conditions necessary for the reaction, that is, a temperature control device (heater and/or cooling device) and a pressurizing device, may be provided.

실시예 1Example 1

CaCO3 10g을 증류수 500 mL에 넣어 상온에서 2 시간 동안 교반한 뒤 Platinum (IV) chloride hydrate 0.1745 g을 넣고 2 시간 동안 교반하고 회전증발기를 이용해 백금 담지 탄산칼슘을 회수한다. 회수한 백금 담지 탄산칼슘을 100℃ 오븐에서 6 시간 동안 건조하여 1wt% 백금 담지 탄산칼슘을 준비하였다. Add 10 g of CaCO 3 to 500 mL of distilled water and stir at room temperature for 2 hours, then add 0.1745 g of Platinum (IV) chloride hydrate, stir for 2 hours, and recover the platinum-supported calcium carbonate using a rotary evaporator. The recovered platinum-supported calcium carbonate was dried in an oven at 100°C for 6 hours to prepare 1 wt% platinum-supported calcium carbonate.

실시예 2 Example 2

실시예 1에서 Platinum (IV) chloride hydrate 0.1745 g 대신 Palladium (II) nitrate dihydrate 0.2529 g을 사용한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 하여 1wt%팔라듐 담지 탄산칼슘을 준비하였다. 1 wt% palladium-supported calcium carbonate was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.2529 g of Palladium (II) nitrate dihydrate was used instead of 0.1745 g of Platinum (IV) chloride hydrate.

실시예 3Example 3

도 3에 도시된 장치에서 하기와 같은 단계를 수행하여 도 1과 같은 메탄직접전환반응을 통해 아세트산을 생산하였다. The following steps were performed in the device shown in FIG. 3 to produce acetic acid through the methane direct conversion reaction as shown in FIG. 1.

1. 충전단계1. Charging stage

회분식 반응기에 탄산아연 2g을 충전시켰다. A batch reactor was charged with 2g of zinc carbonate.

2. 메탄기체조성물을 공급하는 단계2. Step of supplying methane gas composition

탄산아연이 충전된 회분식 반응기에 메탄 및 질소 혼합기체(CH4 77%)를 8 bar의 압력이 될 때까지 공급하였다.A mixed gas of methane and nitrogen (CH 4 77%) was supplied to a batch reactor filled with zinc carbonate until the pressure reached 8 bar.

3.메탄직접전환반응을 수행하는 단계3. Step of performing direct methane conversion reaction

200 ℃ 및 8 bar의 압력 조건에서 120분 동안 탄산아연으로부터 이산화탄소를 탈착시켜 메탄기체와 반응시키는 메탄직접전환반응을 실시하였다. A direct methane conversion reaction was performed in which carbon dioxide was desorbed from zinc carbonate and reacted with methane gas for 120 minutes at 200°C and 8 bar pressure.

4. 아세트산을 수득하는 단계4. Obtaining acetic acid

반응기 내부의 온도를 10℃로 낮추어 반응기 내부에 존재하는 아세트산, 산화아연 및 미반응 메탄기체 중 액상인 아세트산만을 생성물저장부로 배출시켜 아세트산을 수득하였다. The temperature inside the reactor was lowered to 10°C, and only liquid acetic acid among the acetic acid, zinc oxide, and unreacted methane gas present inside the reactor was discharged to the product storage unit to obtain acetic acid.

5. 산화아연에 이산화탄소를 포집시키는 단계 5. Step of capturing carbon dioxide in zinc oxide

반응기 내부에 남아 있는 미반응 메탄기체를 제거한 후 이산화탄소를 반응기 내부로 주입시켜 50 ℃, 20 bar 조건에서 처리함으로써 산화아연에 이산화탄소를 포집시켜 이산화탄소가 산화아연 표면에 monodentate 및 bidentate 형태로 결합된 탄산아연을 형성함으로써 상기 충전단계를 수행하였다. After removing the unreacted methane gas remaining inside the reactor, carbon dioxide is injected into the reactor and treated under conditions of 50 ℃ and 20 bar to capture carbon dioxide in zinc oxide, and carbon dioxide is bound to zinc carbonate in monodentate and bidentate form on the surface of zinc oxide. The charging step was performed by forming.

실시예 4Example 4

도 13에 도시된 장치에서 하기와 같은 단계를 수행하여 도 2와 같은 메탄직접전환반응을 통해 일산화탄소, 아세트산, 아세트알데히드 및 메탄올을 생산하였다. The following steps were performed in the device shown in FIG. 13 to produce carbon monoxide, acetic acid, acetaldehyde, and methanol through the methane direct conversion reaction as shown in FIG. 2.

1. 충전단계1. Charging stage

고정층연속 반응기의 고정층칼럼에 실시예1에서 제조된 1wt% 백금 담지 탄산칼슘 0.5g을 충전시켰다. The fixed bed column of the fixed bed continuous reactor was charged with 0.5 g of 1 wt% platinum-supported calcium carbonate prepared in Example 1.

2. 메탄기체조성물을 공급하는 단계2. Step of supplying methane gas composition

1wt% 백금 담지 탄산칼슘이 충전된 고정층 칼럼에 메탄 및 질소 혼합기체(CH4 77%)를 8 bar의 압력이 될 때까지 공급하였다.A mixed gas of methane and nitrogen (CH 4 77%) was supplied to a fixed bed column filled with 1 wt% platinum-supported calcium carbonate until the pressure reached 8 bar.

3.메탄직접전환반응을 수행하는 단계3. Step of performing direct methane conversion reaction

350 ℃ 및 8 bar의 압력 조건에서 120분 동안 1wt% 백금 담지 탄산칼슘으로부터 이산화탄소를 탈착시켜 메탄기체와 반응시키는 메탄직접전환반응을 실시하였다. A direct methane conversion reaction was performed in which carbon dioxide was desorbed from 1 wt% platinum-supported calcium carbonate and reacted with methane gas for 120 minutes at 350°C and 8 bar pressure.

4. 탄소화합물을 수득하는 단계4. Obtaining carbon compounds

고정층칼럼을 지나면서 생성된 탄소화합물 즉 아세트산, 아세트알데히드, 메탄올 및 일산화탄소와 미반응 메탄기체조성물을 제1생성물저장부로 이송시킨 후 온도를 10℃로 낮추면 아세트산, 아세트알데히드 및 메탄올이 액상으로 얻어졌으며, 기상인 일산화탄소 및 미반응메탄조성물을 제2생성물저장부로 배출시켜 액상의 탄소화합물을 수득하였다.The carbon compounds, that is, acetic acid, acetaldehyde, methanol, and carbon monoxide, and the unreacted methane gas composition generated while passing through the fixed bed column were transferred to the first product storage unit and the temperature was lowered to 10°C, and acetic acid, acetaldehyde, and methanol were obtained in liquid form. , gaseous carbon monoxide and unreacted methane composition were discharged to the second product storage unit to obtain a liquid carbon compound.

5. 탄소생성물을 분리하는 단계5. Step of separating carbon products

제1생성물저장부에서 얻어진 액상의 아세트산, 아세트알데히드 및 메탄올을 분리부로 이송한 후 증류시켜 각각의 끊는 점에서 아세트산, 아세트알데히드 및 메탄올을 분리하였다. 제2생성물저장부에 저장된 일산화탄소와 메탄기체조성물은 기체 분리막을 활용하여 각각의 기체의 투과도 차이를 이용한 방식으로 분리하여 일산화탄소를 수득하였다. The liquid acetic acid, acetaldehyde, and methanol obtained in the first product storage section were transferred to the separation section and then distilled to separate acetic acid, acetaldehyde, and methanol at each boiling point. The carbon monoxide and methane gas compositions stored in the second product storage unit were separated using a gas separation membrane using the difference in permeability of each gas to obtain carbon monoxide.

6. 1wt% 백금 담지 산화칼슘에 이산화탄소를 포집시키는 단계 6. Step of capturing carbon dioxide in 1wt% platinum-supported calcium oxide

이산화탄소를 반응기 내부로 주입시켜 500℃, 20 bar 조건에서 처리함으로써 1wt% 백금 담지 산화칼슘에 이산화탄소를 포집시켜 이산화탄소가 1wt% 백금 담지 산화칼슘 표면에 monodentate 및 bidentate 형태로 결합된 1wt% 백금 담지 탄산칼슘을 형성함으로써 상기 충전단계를 수행하였다Carbon dioxide is injected into the reactor and treated under conditions of 500°C and 20 bar to capture carbon dioxide in 1wt% platinum-supported calcium oxide. Carbon dioxide is bonded to the surface of 1wt% platinum-supported calcium oxide in monodentate and bidentate form. The charging step was performed by forming

실험예 1 Experimental Example 1

도 3에 도시된 회분식 반응기에서 탄산아연 및 탄산칼슘을 각각 넣은 후 질소 조건하에 5℃/min 의 속도로 25~800℃ 로 가열하는 과정에서 금속탄산염이 금속산화물과 이산화탄소로 분해되면서 나타나는 질량 변화를 열중량분석법을 통해 관찰하고 그 결과를 도 4에 나타내었다. In the batch reactor shown in FIG. 3, zinc carbonate and calcium carbonate are each added and then heated to 25-800°C at a rate of 5°C/min under nitrogen conditions. The mass change that occurs as the metal carbonate decomposes into metal oxide and carbon dioxide is measured. Observation was made through thermogravimetric analysis, and the results are shown in Figure 4.

도 4에 도시된 바와 같이, 탄산아연의 경우 질량이 100 % 에서 약 70 % 수준으로 감소하는 것이 관찰되며 특히, 200 ℃ 부근에서 크게 감소하는 것이 확인된다. 이 과정에서의 열 흡수에 의한 피크를 Heat Flow 그래프에서 확인할 수 있다. 탄산칼슘의 경우, 약 700 ℃ 부근에서 100 % 에서 60 % 수준으로 질량이 감소하는 것을 확인할 수 있다. As shown in Figure 4, in the case of zinc carbonate, it is observed that the mass decreases from 100% to about 70%, and in particular, it is confirmed that the mass decreases significantly around 200°C. The peak due to heat absorption during this process can be confirmed in the Heat Flow graph. In the case of calcium carbonate, it can be seen that the mass decreases from 100% to 60% around 700°C.

실험예 2Experimental Example 2

도 3에 도시된 회분식 반응기에 반응물질로 탄산아연 2 g을 넣고 메탄 및 질소 혼합기체(CH4 77%)를 8 bar의 압력이 될 때까지 공급한 다음, 상기 탄산아연과 200 ℃ 에서 120 분 동안 메탄 직접 전환 반응을 실시한 다음 메탄 직접 전환반응 전후 반응물질의 구조변화를 XRD 결정구조 분석을 통해 X-선 회절패턴으로 관찰하고 그 결과를 도 5a에 나타내었다. 2 g of zinc carbonate was added as a reactant to the batch reactor shown in FIG. 3, and a mixed gas of methane and nitrogen (CH 4 77%) was supplied until the pressure reached 8 bar, and then reacted with the zinc carbonate at 200° C. for 120 minutes. After performing the methane direct conversion reaction, the structural changes of the reactants before and after the methane direct conversion reaction were observed through X-ray diffraction patterns through XRD crystal structure analysis, and the results are shown in Figure 5a.

도 5a에 도시된 바와 같이, 반응물질이 탄산아연인 경우, 메탄 직접 전환반응 전에는 탄산아연의 구조이지만 메탄 직접 전환반응 과정에서 이산화탄소의 탈착 및 산화아연으로의 변환으로 인해 반응 후에는 산화아연의 구조로 변화된 것을 확인할 수 있다.As shown in Figure 5a, when the reactant is zinc carbonate, it has the structure of zinc carbonate before the methane direct conversion reaction, but due to the desorption of carbon dioxide and conversion to zinc oxide during the methane direct conversion reaction, it has the structure of zinc oxide after the reaction. You can see that it has changed.

실험예 3Experimental Example 3

반응물질로 실시예1에서 얻어진 1wt% 백금 담지 탄산칼슘 0.5 g을 고정층 반응기에서 수소 및 질소 50 cc/min 조건하에서 300 ℃까지 4 시간 승온, 300 ℃ 4 시간 유지 조건으로 환원한다. 상기 환원된 1wt% 백금 담지 탄산칼슘이 충전된 회분식 반응기에 메탄 및 질소 혼합기체(CH4 77%)를 8 bar 의 압력이 될 때까지 공급한 다음, 상기 1wt%백금 담지 탄산칼슘과 350 ℃ 에서 120 분 동안 메탄 직접 전환 반응을 실시하였다. 그 후 메탄 직접 전환반응 전후 반응물질의 구조변화를 XRD 결정구조 분석을 통해 X-선 회절패턴으로 관찰하고 그 결과를 도 5b에 나타내었다. As a reactant, 0.5 g of 1 wt% platinum-supported calcium carbonate obtained in Example 1 was reduced in a fixed bed reactor under the conditions of 50 cc/min of hydrogen and nitrogen by raising the temperature to 300°C for 4 hours and maintaining the temperature at 300°C for 4 hours. Methane and nitrogen mixed gas (CH 4 77%) was supplied to the batch reactor filled with the reduced 1 wt% platinum-supported calcium carbonate until the pressure reached 8 bar, and then reacted with the 1 wt% platinum-supported calcium carbonate at 350°C. The methane direct conversion reaction was carried out for 120 minutes. Afterwards, the structural change of the reactant before and after the methane direct conversion reaction was observed using an X-ray diffraction pattern through XRD crystal structure analysis, and the results are shown in Figure 5b.

도 5b에 도시된 바와 같이, 반응물질이 1wt% 백금 담지 탄산칼슘인 경우에도 메탄 직접 전환반응 전에는 1wt% 백금 담지 탄산칼슘 구조이지만 메탄 직접 전환반응 과정에서 이산화탄소의 탈착 및 산화칼슘으로의 변환으로 인해 반응 후에는 1wt% 백금 담지 산화칼슘 구조로 변화된 것을 확인할 수 있다. As shown in Figure 5b, even when the reactant is 1 wt% platinum-supported calcium carbonate, it has a 1 wt% platinum-supported calcium carbonate structure before the methane direct conversion reaction, but due to the desorption of carbon dioxide and conversion to calcium oxide during the methane direct conversion reaction. After the reaction, it can be confirmed that the structure has changed to a 1wt% platinum-supported calcium oxide structure.

이러한 결과는 도 4에 도시된 바와 같이 탄산칼슘은 600℃ 내지 700℃ 이상의 온도가 되어야 이산화탄소의 분리반응이 일어나지만, 본 발명과 같이 백금을 담지하여 얻어진 백금 담지 탄산칼슘을 반응물질로 사용하면 350℃에서도 그 표면으로부터 이산화탄소가 분리되면서 메탄기체와 반응하는 메탄직접전환반응이 가능함을 보여준다. As shown in FIG. 4, the separation reaction of carbon dioxide occurs only when the temperature of calcium carbonate is above 600°C to 700°C. However, when platinum-supported calcium carbonate obtained by supporting platinum as in the present invention is used as a reactant, the reaction temperature is 350°C. It shows that a direct methane conversion reaction in which carbon dioxide is separated from the surface and reacts with methane gas is possible even at ℃.

실험예 4Experimental Example 4

실시예1에서 얻어진 1wt% 백금 담지 탄산칼슘을 투과 전자현미경으로 관찰하고, 그 결과사진을 도 6에 나타내었다.The 1 wt% platinum-supported calcium carbonate obtained in Example 1 was observed with a transmission electron microscope, and the resulting photograph is shown in FIG. 6.

도 6에 도시된 바와 같이, 탄산칼슘 입자 표면에 약 5 nm 크기의 백금 나노입자가 고루 분산됨을 확인할 수 있다.As shown in Figure 6, it can be seen that platinum nanoparticles of about 5 nm in size are evenly dispersed on the surface of the calcium carbonate particles.

실험예 5Experimental Example 5

실험예 2에서 메탄직접전환반응이 끝난 후 반응기로부터 반응촉매물질을 회수하여 에탄올을 용매로 하여 반응촉매물질 표면에 흡착되어 있는 생성물을 추출하였다. 2 g의 반응촉매물질 기준 3 mL 의 에탄올을 사용하여 1 시간동안 교반한 다음 원심분리를 통해 반응촉매물질과 추출액을 분리하였다. 분리된 추출액에는 내부표준물질로 부탄올을 첨가하고 가스크로마토그래피의 불꽃 이온화 검출기를 통해 분석한 결과를 도 7에 나타내었다.In Experimental Example 2, after the methane direct conversion reaction was completed, the reaction catalyst material was recovered from the reactor and the product adsorbed on the surface of the reaction catalyst material was extracted using ethanol as a solvent. Based on 2 g of reaction catalyst material, 3 mL of ethanol was used and stirred for 1 hour, and then the reaction catalyst material and extract were separated through centrifugation. Butanol was added as an internal standard to the separated extract, and the results of analysis using a gas chromatography flame ionization detector are shown in Figure 7.

도 7에 도시된 바와 같이, 탄산아연을 반응촉매물질로 하여 메탄과 직접 반응시켜 얻어낸 생성물이 아세트산임을 확인할 수 있다(왼쪽 : 전체영역, 오른쪽 : 확대영역). 즉, 추출 용매로 사용한 에탄올과 내부 표준물질인 부탄올, 생성물인 아세트산이 기체크로마토그래피를 통해 분리되어 나타나는 것을 알 수 있다.As shown in Figure 7, it can be confirmed that the product obtained by directly reacting zinc carbonate with methane as a reaction catalyst is acetic acid (left: entire area, right: enlarged area). In other words, it can be seen that ethanol used as an extraction solvent, butanol as an internal standard, and acetic acid as a product are separated through gas chromatography.

이러한 결과로부터, 탄산아연(ZnCO3)을 반응촉매물질로 활용하여 메탄직접전환반응이 수행되면 생성물이 아세트산만 수득되는 것을 확인할 수 있다. From these results, it can be confirmed that when a direct methane conversion reaction is performed using zinc carbonate (ZnCO 3 ) as a reaction catalyst material, only acetic acid is obtained as a product.

실험예 6Experimental Example 6

실험예 2에서 메탄직접전환반응이 끝난 후 반응기 내에 포함되어 있던 기체를 기체크로마토그래피의 열전도성 검출기를 통해 검출하고, 그 결과 얻어진 크로마토그램을 도 8에 나타내었다.In Experimental Example 2, after the methane direct conversion reaction was completed, the gas contained in the reactor was detected through a thermal conductivity detector of gas chromatography, and the resulting chromatogram is shown in FIG. 8.

도 8에 도시된 바와 같이, 내부 표준 가스인 질소와 반응물인 메탄, 탄산아연에서 분리된 이산화탄소가 검출되는 것을 확인할 수 있다. As shown in Figure 8, it can be confirmed that carbon dioxide separated from nitrogen, which is an internal standard gas, and methane, which is a reactant, and zinc carbonate are detected.

실험예 7Experimental Example 7

실험예 3에서 메탄직접전환반응이 끝난 후 반응기로부터 반응촉매물질을 회수하여 에탄올을 용매로 하여 반응촉매물질 표면에 흡착되어 있는 생성물을 추출하였다. 2 g의 반응촉매물질 기준 3 mL 의 에탄올을 사용하여 1 시간동안 교반한 다음 원심분리를 통해 반응촉매물질과 추출액을 분리하였다. 분리된 추출액에는 내부표준물질로 부탄올을 첨가하고 가스크로마토그래피의 불꽃 이온화 검출기를 통해 분석한 결과를 도 9에 나타내었다.In Experimental Example 3, after the methane direct conversion reaction was completed, the reaction catalyst material was recovered from the reactor and the product adsorbed on the surface of the reaction catalyst material was extracted using ethanol as a solvent. Based on 2 g of reaction catalyst material, 3 mL of ethanol was used and stirred for 1 hour, and then the reaction catalyst material and extract were separated through centrifugation. Butanol was added as an internal standard to the separated extract, and the results of analysis using a gas chromatography flame ionization detector are shown in Figure 9.

도 9에 도시된 바와 같이, 1w%금 담지 탄산칼슘(Pt/CaCO3)을 반응촉매물질로 하여 메탄과 직접 반응시켜 얻어낸 생성물이 메탄올, 아세트알데히드, 아세트산 등 임을 확인할 수 있다(왼쪽 : 전체영역, 오른쪽 : 확대영역). 즉, 추출 용매로 사용한 에탄올과 내부 표준물질인 부탄올, 생성물인 메탄올, 아세트알데히드, 아세트산이 기체크로마토그래피를 통해 분리되어 나타나는 것을 알 수 있다.As shown in Figure 9, it can be confirmed that the products obtained by directly reacting with methane using 1w% gold-supported calcium carbonate (Pt/CaCO 3 ) as a reaction catalyst are methanol, acetaldehyde, and acetic acid (left: entire area) , right: enlarged area). In other words, it can be seen that ethanol used as an extraction solvent, butanol as an internal standard, and methanol, acetaldehyde, and acetic acid as products are separated through gas chromatography.

실험예 8Experimental Example 8

실험예 3에서 메탄직접전환반응이 끝난 후 반응기 내에 포함되어 있던 기체를 기체크로마토그래피의 열전도성 검출기를 통해 검출하고, 그 결과 얻어진 크로마토그램을 도 10에 나타내었다.In Experimental Example 3, after the methane direct conversion reaction was completed, the gas contained in the reactor was detected through a thermal conductivity detector of gas chromatography, and the resulting chromatogram is shown in FIG. 10.

도 10에 도시된 바와 같이, 내부 표준 가스인 질소, 생성물인 일산화탄소, 반응물인 메탄, 탄산칼슘에서 분리된 이산화탄소가 검출되는 것을 확인할 수 있다. As shown in Figure 10, it can be confirmed that nitrogen, which is an internal standard gas, carbon monoxide, which is a product, methane, which is a reactant, and carbon dioxide separated from calcium carbonate are detected.

실험예 9Experimental Example 9

실험예 3에서 메탄직접전환반응 전후 반응촉매물질을 X-선 광전자 분광법을 이용하여 분석하고, 얻어진 결과를 도 11에 나타내었다.In Experimental Example 3, the reaction catalyst materials before and after the methane direct conversion reaction were analyzed using X-ray photoelectron spectroscopy, and the obtained results are shown in FIG. 11.

도 11에 도시된 바와 같이, 메탄직접전환반응 전 반응촉매물질(1Pt/CaCO3 Fresh)과 반응 후 반응촉매물질(1Pt/CaCO3 CH4 rxn.)에 대해 C, O, Ca, Pt 영역에 대해 분석을 진행한 결과 탄소 영역 중 C 1s 의 peak 증가를 관찰할 수 있는데, 이는 메탄이 반응촉매물질 표면에서 활성화되면서 나타난 변화이다. As shown in Figure 11, the reaction catalyst material before the methane direct conversion reaction (1Pt/CaCO 3 Fresh) and the reaction catalyst material after the reaction (1Pt/CaCO 3 CH 4 rxn.) are in the C, O, Ca, and Pt regions. As a result of the analysis, an increase in the C 1s peak in the carbon region was observed, which was a change that occurred as methane was activated on the surface of the reaction catalyst material.

실험예 10Experimental Example 10

반응촉매물질이 탄산코발트, 탄산아연, 탄산세륨 및 탄산칼슘이면, 실험예2의 방법으로, 반응촉매물질이 1w% 백금 담지 탄산칼슘 및 1w% 팔라듐 담지 탄산칼슘이면 실험예3의 방법으로 각각 메탄직접전환반응을 수행하여 얻어진 생성물을 대상으로 메탄의 전환율, 생성물의 선택성 및 생산성을 분석한 후 그 결과를 도 12 및 표 1에 나타내었다.If the reaction catalyst materials are cobalt carbonate, zinc carbonate, cerium carbonate, and calcium carbonate, use the method of Experimental Example 2, and if the reaction catalyst materials are 1w% platinum-supported calcium carbonate and 1w% palladium-supported calcium carbonate, methane will be produced by the method of Experimental Example 3, respectively. The product obtained by performing the direct conversion reaction was analyzed for methane conversion rate, product selectivity, and productivity, and the results are shown in Figure 12 and Table 1.

도 12 및 표 1로부터, 반응촉매물질이 탄산코발트, 탄산아연 및 탄산세륨이면 메탄직접전환반응을 통해 생성물로 아세트산만을 얻을 수 있고, 반응촉매물질이 1w% 백금 담지 탄산칼슘 및 1w% 팔라듐 담지 탄산칼슘과 같이 금속탄산염에 귀금속이 담지되면 메탄직접전환반응을 통해 생성물로 아세트산, 아세트알데히드, 메탄올, 일산화탄소를 포함하는 탄소화합물을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. From Figure 12 and Table 1, if the reaction catalyst materials are cobalt carbonate, zinc carbonate, and cerium carbonate, only acetic acid can be obtained as a product through methane direct conversion reaction, and the reaction catalyst materials are 1w% platinum-supported calcium carbonate and 1w% palladium-supported carbonate. It can be seen that when a noble metal, such as calcium, is supported on a metal carbonate, carbon compounds including acetic acid, acetaldehyde, methanol, and carbon monoxide can be obtained as products through a methane direct conversion reaction.

또한, 메탄직접전환반응시 메탄의 전환율은 금속탄산염보다 금속탄산염에 귀금속이 담지된 귀금속 담지 금속탄산염이 보다 우수한 것을 알 수 있다. In addition, it can be seen that the conversion rate of methane during the methane direct conversion reaction is better for the noble metal-supported metal carbonate than for the metal carbonate.

실험예 11Experimental Example 11

도 13에 도시된 고정층 연속반응장치에 탄산코발트를 넣은 후 질소 조건하에 5℃/min 의 속도로 25~800℃ 로 가열하는 과정에서 금속탄산염이 금속산화물과 이산화탄소로 분해되면서 나타나는 질량 변화를 열중량분석법을 통해 관찰하고 그 결과를 도 14에 나타내었다. After adding cobalt carbonate to the fixed bed continuous reaction device shown in FIG. 13 and heating it to 25-800°C at a rate of 5°C/min under nitrogen conditions, the mass change that occurs as the metal carbonate decomposes into metal oxide and carbon dioxide is measured as thermogravimetric weight. Observation was made through the analysis method, and the results are shown in Figure 14.

도 14에 도시된 바와 같이, 탄산코발트의 경우 질량이 100 % 에서 약 60 % 수준으로 감소하는 것이 관찰되며 특히, 220 ℃ 전후로 2개의 감소구간이 확인된다. 220 ℃ 전 영역은 표면에 흡착되어 있던 물이 떨어지면서 나타나는 변화이며, 220 ℃ 이후의 감소는 이산화탄소가 떨어지면서 나타나는 변화이다. As shown in Figure 14, in the case of cobalt carbonate, it is observed that the mass decreases from 100% to about 60%, and in particular, two reduction sections are confirmed around 220°C. The entire range of 220 ℃ is a change that occurs as water adsorbed on the surface falls, and the decrease after 220 ℃ is a change that occurs as carbon dioxide falls.

실험예 12Experimental Example 12

도 13에 도시된 고정층 연속반응장치에 반응촉매물질로 탄산코발트 2 g을 넣고 150 ℃, 질소 25 cc/min 조건에서 수분을 제거한 다음 메탄 및 질소 혼합기체(CH4 77%)를 100 ℃, 30 bar 조건에서 25 cc/min 로 흘려주며 4시간 동안 반응을 진행한 다음 메탄 직접 전환반응 전후 반응물질의 구조변화를 XRD 결정구조 분석을 통해 X-선 회절패턴으로 관찰하고 그 결과를 도 15에 나타내었다. 2 g of cobalt carbonate was added as a reaction catalyst to the fixed bed continuous reaction device shown in FIG. 13, moisture was removed at 150°C and nitrogen was 25 cc/min, and methane and nitrogen mixed gas (CH 4 77%) was added at 100°C and 30%. The reaction was carried out for 4 hours while flowing at 25 cc/min under bar conditions, and then the structural changes of the reactants before and after the methane direct conversion reaction were observed using X-ray diffraction patterns through XRD crystal structure analysis, and the results are shown in Figure 15. It was.

도 15에 도시된 바와 같이, 메탄직접전환반응 전에는 탄산코발트 구조가 나타나지만 반응 과정에서 이산화탄소의 탈착 및 산화코발트로의 변환으로 인해 반응 후에는 산화코발트의 구조인 것을 확인할 수 있다. As shown in Figure 15, a cobalt carbonate structure appears before the methane direct conversion reaction, but it can be confirmed that the structure is a cobalt oxide structure after the reaction due to the desorption of carbon dioxide and conversion to cobalt oxide during the reaction process.

실험예 13Experimental Example 13

도 13에 도시된 고정층 연속반응장치에 반응촉매물질로 탄산코발트 2 g을 넣고 150 ℃, 질소 25 cc/min 조건에서 수분을 제거한 다음 메탄 및 질소 혼합기체(CH4 77%)를 100 ℃, 30 bar 조건에서 25 cc/min 로 흘려주며 4시간 동안 반응을 진행한 다음 반응촉매물질을 회수하여 에탄올을 용매로 하여 반응촉매물질 표면에 흡착되어 있는 생성물을 추출하였다. 2 g의 반응촉매물질 기준 3 mL 의 에탄올을 사용하여 1 시간동안 교반한 다음 원심분리를 통해 반응촉매물질과 추출액을 분리하였다. 분리된 추출액에는 내부표준물질로 부탄올을 첨가하고 가스크로마토그래피의 불꽃 이온화 검출기를 통해 분석한 결과를 도 16에 나타내었다.2 g of cobalt carbonate was added as a reaction catalyst to the fixed bed continuous reaction device shown in FIG. 13, moisture was removed at 150°C and nitrogen was 25 cc/min, and methane and nitrogen mixed gas (CH 4 77%) was added at 100°C and 30%. The reaction was carried out for 4 hours while flowing at 25 cc/min under bar conditions, and then the reaction catalyst material was recovered and the product adsorbed on the surface of the reaction catalyst material was extracted using ethanol as a solvent. Based on 2 g of reaction catalyst material, 3 mL of ethanol was used and stirred for 1 hour, and then the reaction catalyst material and extract were separated through centrifugation. Butanol was added as an internal standard to the separated extract, and the results of analysis using a gas chromatography flame ionization detector are shown in Figure 16.

도 16에 도시된 바와 같이, 탄산코발트를 반응촉매물질로 하여 메탄과 직접 반응시켜 얻어낸 생성물이 아세트산임을 확인할 수 있다(왼쪽 : 전체영역, 오른쪽 : 확대영역). 즉, 추출 용매로 사용한 에탄올과 내부 표준물질인 부탄올, 생성물인 아세트산이 기체크로마토그래피를 통해 분리되어 나타나는 것을 알 수 있다.As shown in Figure 16, it can be confirmed that the product obtained by directly reacting methane with cobalt carbonate as a reaction catalyst material is acetic acid (left: entire area, right: enlarged area). In other words, it can be seen that ethanol used as an extraction solvent, butanol as an internal standard, and acetic acid as a product are separated through gas chromatography.

이러한 결과로부터, 탄산코발트(CoCO3)을 반응촉매물질로 활용하여 메탄직접전환반응이 수행되면 생성물이 아세트산만 수득되는 것을 확인할 수 있다. From these results, it can be confirmed that when a direct methane conversion reaction is performed using cobalt carbonate (CoCO 3 ) as a reaction catalyst material, only acetic acid is obtained as a product.

실험예 14Experimental Example 14

실험예 13에서 메탄직접전환반응반응 과정 중 고정층 연속반응장치에서 배출되는 기체를 실시간으로 기체크로마토그래피의 열전도성 검출기를 통해 검출하고, 그 결과 얻어진 크로마토그램을 도 17에 나타내었다.In Experimental Example 13, the gas discharged from the fixed bed continuous reaction device during the methane direct conversion reaction was detected in real time through a thermal conductivity detector of gas chromatography, and the resulting chromatogram is shown in FIG. 17.

도 17에 도시된 바와 같이, 내부 표준 가스인 질소와 반응물인 메탄, 탄산코발트에서 분리된 이산화탄소가 검출되는 것을 확인할 수 있다. As shown in Figure 17, it can be confirmed that carbon dioxide separated from nitrogen, which is an internal standard gas, and methane, which is a reactant, and cobalt carbonate are detected.

실험예 15Experimental Example 15

실험예 13에서 메탄직접전환반응 전후 반응촉매물질을 X-선 광전자 분광법을 이용하여 분석하고, 얻어진 결과를 도 18에 나타내었다. 비교군으로 반응온도와 동일한 조건에서 메탄 가스 없이 열처리만 수행한 결과와 추출 후의 결과가 포함되어 있다. C, O, Co 영역에 대해 분석을 진행하였다.In Experimental Example 13, the reaction catalyst materials before and after the methane direct conversion reaction were analyzed using X-ray photoelectron spectroscopy, and the obtained results are shown in FIG. 18. As a comparison group, the results of heat treatment without methane gas under the same conditions as the reaction temperature and the results after extraction are included. Analysis was conducted on the C, O, and Co regions.

도 18에 도시된 바와 같이, 열처리에 따른 이산화탄소 탈착에 의해 C 영역에서 peak 세기의 감소가 확인되지만 메탄직접전환반응 후 반응촉매물질의 경우, 탄소 영역 중 C 1s 의 peak 증가를 관찰할 수 있고, 이는 메탄이 촉매 표면에서 활성화되면서 나타난 변화이다. 추출 후 반응물질촉매의 경우, 생성물이 반응촉매물질로부터 분리되면서 C 1s 의 peak 감소가 나타난다. As shown in Figure 18, a decrease in peak intensity in the C region is confirmed due to carbon dioxide desorption due to heat treatment, but in the case of the reaction catalyst material after the methane direct conversion reaction, an increase in the peak of C 1s in the carbon region can be observed, This is a change that appears as methane is activated on the catalyst surface. In the case of a reactant catalyst after extraction, the peak of C 1s decreases as the product is separated from the reaction catalyst material.

실험예 16Experimental Example 16

도 13에 도시된 고정층 연속 반응장치에서 반응 기체를 순차적으로 돌아가면서 주입하는 펄스 모드 형태로 반응을 진행하였다. 산화코발트 2 g을 넣고 N2 분위기, 150 ℃ 조건에서 표면의 수분을 제거한다. 그 이후 100 ℃, 20 bar 조건에서 CO2 가스를 25 cc/min 으로 흘려준다. 그 이후 150 ℃, 20 bar 조건에서 CH4 가스를 25 cc/min 으로 흘려준다. 에탄올과 같은 알코올 계열의 유기용매 또는 물을 기화시킨 채 흘려 촉매 표면에 흡착된 아세트산을 추출한다. 실험예 16의 도식도, 실험 조건 및 과정을 도 19 및 도 20 및 도 21에 나타내었다. The reaction was carried out in a pulse mode in which reaction gases were sequentially and alternately injected in the fixed bed continuous reaction apparatus shown in Figure 13. Add 2 g of cobalt oxide and remove surface moisture in an N 2 atmosphere at 150°C. After that, CO 2 gas flows at 25 cc/min under conditions of 100°C and 20 bar. After that, CH 4 gas flows at 25 cc/min under conditions of 150°C and 20 bar. Acetic acid adsorbed on the catalyst surface is extracted by flowing vaporized water or an alcohol-based organic solvent such as ethanol. The schematic diagram, experimental conditions, and process of Experimental Example 16 are shown in Figures 19, 20, and 21.

도 19는 및 도 20은 도 13에 도시된 고정층 연속 반응장치를 Pulse-mode 형태의 반응으로 응용하여 산화코발트를 활용한 이산화탄소의 흡착, 메탄과 직접 반응 및 아세트산을 생산하는 전체 공정 및 상기 전체공저을 운영하기 위한 실험조건을 나타낸 것이다.Figures 19 and 20 show the entire process of adsorption of carbon dioxide using cobalt oxide, direct reaction with methane, and production of acetic acid by applying the fixed bed continuous reaction device shown in Figure 13 as a pulse-mode reaction, and the overall process of producing acetic acid. It shows the experimental conditions for operation.

산화코발트를 활용하여 도 20에 표현된 과정 중 CO2 Activation 을 진행하면서 시간에 따른 IR 흡수 스펙트럼을 나타낸 도 21을 참조하면, CO2 Activation (흡착) 전 상태인 Fresh 와 1~30 min 에 해당하는 그래프를 확인할 수 있고, 30 min 그래프에서 이산화탄소 흡착에 따른 약 1300~1700 cm-1 영역에서의 peak 증가를 확인할 수 있다.Referring to Figure 21, which shows the IR absorption spectrum over time during CO 2 Activation during the process shown in Figure 20 using cobalt oxide, Fresh, which is the state before CO 2 Activation (adsorption), and corresponding to 1 to 30 min. You can check the graph, and in the 30 min graph, you can see the peak increase in the region of about 1300~1700 cm -1 due to carbon dioxide adsorption.

실험예 17Experimental Example 17

반응촉매물질로 탄산코발트 및 1w% 백금 담지 탄산칼슘 활용하여 각각 실험예 16의 방법으로 메탄직접전환반응을 수행하여 얻어진 생성물을 대상으로 메탄의 전환율, 생성물의 선택성 및 생산성을 분석한 후 그 결과를 표 2에 나타내었다.The methane conversion rate, selectivity, and productivity of the products obtained by performing a direct methane conversion reaction using the method of Experimental Example 16 using cobalt carbonate and 1w% platinum-supported calcium carbonate as reaction catalyst materials were analyzed, and the results were reported. It is shown in Table 2.

반응촉매물질이 탄산코발트인 경우 표 1의 결과와 비교하여 표 2를 살펴보면 고정층 연속반응장치를 사용하는 경우에도 선택성은 차이가 없었다. 하지만, 메탄전환율이 3% 우수해지고, 생산성은 0.005에서 0.09로 약 20배까지 좋아지는 것이 확인되었다. When the reaction catalyst material was cobalt carbonate, comparing the results in Table 1 to Table 2, there was no difference in selectivity even when a fixed bed continuous reaction device was used. However, it was confirmed that the methane conversion rate improved by 3% and productivity improved by about 20 times from 0.005 to 0.09.

한편, 반응촉매물질이 1w% 백금 담지 탄산칼슘인 경우에는 고정층 연속반응장치를 사용하면 생성물로서 아세트알데하이드가 97.0% 선택성을 보였을 뿐만 아니라, 생산성도 14.95mmol로 35배 이상 향상되었음을 알 수 있다. On the other hand, when the reaction catalyst material was 1w% platinum-supported calcium carbonate, when a fixed bed continuous reaction device was used, not only did the product show 97.0% selectivity for acetaldehyde, but the productivity was also improved by more than 35 times to 14.95 mmol.

따라서, 메탄직접전환반응의 반응기 종류 및 반응조건은 물론 반응촉매물질의 종류를 달리하면, 생성을 원하는 탄소화합물을 보다 높은 선택성과 생산량으로 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. Therefore, it can be seen that by varying the type of reaction catalyst material as well as the type of reactor and reaction conditions for the methane direct conversion reaction, the desired carbon compound can be obtained with higher selectivity and production volume.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been illustrated and described by way of preferred embodiments as described above, it is not limited to the above-described embodiments and is intended to be used by those skilled in the art without departing from the spirit of the invention. Various changes and modifications will be possible.

Claims (19)

금속탄산염; 및
상기 금속탄산염에 담지된 금속나노입자;를 포함하는 메탄직접전환반응용 촉매형반응물질.
metal carbonate; and
A catalytic reaction material for methane direct conversion reaction comprising metal nanoparticles supported on the metal carbonate.
제 1 항에 있어서,
상기 금속탄산염은 탄산아연, 탄산칼슘, 탄산세륨, 탄산마그네슘, 탄산스트론튬, 탄산바륨, 탄산구리 및 탄산코발트로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 메탄직접전환반응용 촉매형반응물질.
According to claim 1,
A catalytic reactant for methane direct conversion reaction, wherein the metal carbonate is at least one selected from the group consisting of zinc carbonate, calcium carbonate, cerium carbonate, magnesium carbonate, strontium carbonate, barium carbonate, copper carbonate and cobalt carbonate.
제 1 항에 있어서,
상기 금속나노입자는 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt)으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 메탄직접전환반응용 촉매형반응물질.
According to claim 1,
The metal nanoparticles are methane direct conversion, characterized in that at least one selected from the group consisting of ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), and platinum (Pt). Catalytic reactant for reaction.
제 1 항에 있어서,
상기 금속나노입자는 상기 금속탄산염에 대해 0.1 내지 5중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 메탄직접전환반응용 촉매형반응물질.
According to claim 1,
A catalytic reaction material for methane direct conversion reaction, characterized in that the metal nanoparticles are contained in an amount of 0.1 to 5% by weight based on the metal carbonate.
제 4 항에 있어서,
상기 금속나노입자의 직경은 1 내지 10nm인 것을 특징으로 하는 메탄직접전환반응용 촉매형반응물질.
According to claim 4,
A catalytic reaction material for methane direct conversion reaction, characterized in that the diameter of the metal nanoparticles is 1 to 10 nm.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
25℃ - 600℃의 온도 및 5bar 내지 50bar의 압력에서 메탄기체와 반응성을 갖는 이산화탄소가 배출되는 것을 특징으로 하는 메탄직접전환반응용 촉매형반응물질.
The method according to any one of claims 1 to 5,
A catalytic reaction material for methane direct conversion reaction, characterized in that carbon dioxide reactive with methane gas is emitted at a temperature of 25 ℃ - 600 ℃ and a pressure of 5 bar to 50 bar.
반응기에 탄산코발트, 탄산아연, 탄산세륨 중 어느 하나의 금속탄산염을 충전시키는 충전단계;
상기 금속탄산염이 충전된 반응기에 메탄기체를 공급하는 단계;
상기 반응기를 25℃ - 300℃의 온도 및 5bar 내지 50bar의 압력으로 설정하여 메탄직접전환반응을 수행하는 단계; 및
상기 메탄직접전환반응의 수행을 통해 생성된 아세트산을 수득하는 단계;를 포함하는 메탄직접전환반응을 통한 아세트산생산방법.
A charging step of charging any one metal carbonate of cobalt carbonate, zinc carbonate, and cerium carbonate into the reactor;
Supplying methane gas to the reactor filled with the metal carbonate;
Performing a direct methane conversion reaction by setting the reactor to a temperature of 25°C - 300°C and a pressure of 5 bar to 50 bar; and
A method for producing acetic acid through a methane direct conversion reaction, comprising: obtaining acetic acid produced through performing the methane direct conversion reaction.
제 7 항에 있어서,
상기 반응기에 충전된 금속탄산염이 탄산코발트이면, 상기 반응기의 온도가 50℃ 내지 150℃로 조절되는 것을 특징으로 하는 메탄직접전환반응을 통한 아세트산생산방법.
According to claim 7,
If the metal carbonate charged in the reactor is cobalt carbonate, the temperature of the reactor is adjusted to 50°C to 150°C.
제 7 항에 있어서,
상기 반응기에 충전된 금속탄산염이 탄산아연이면, 상기 반응기의 온도가 100℃ 내지 200℃로 조절되는 것을 특징으로 하는 메탄직접전환반응을 통한 아세트산생산방법.
According to claim 7,
If the metal carbonate charged in the reactor is zinc carbonate, the temperature of the reactor is adjusted to 100°C to 200°C. A method of producing acetic acid through methane direct conversion reaction.
제 7 항에 있어서,
상기 반응기에 충전된 금속탄산염이 탄산세륨이면, 상기 반응기의 온도가 50℃ 내지 250℃로 조절되는 것을 특징으로 하는 메탄직접전환반응을 통한 아세트산생산방법.
According to claim 7,
If the metal carbonate charged in the reactor is cerium carbonate, the temperature of the reactor is adjusted to 50°C to 250°C.
제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메탄기체조성물은 이산화탄소를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 메탄직접전환반응을 통한 아세트산생산방법.
The method according to any one of claims 7 to 10,
A method of producing acetic acid through a direct methane conversion reaction, characterized in that the methane gas composition does not contain carbon dioxide.
제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메탄직접전환반응을 통해 산화코발트, 산화아연, 산화세륨 중 어느 하나의 금속산화염이 생성되면, 상기 금속산화염을 이산화탄소와 반응시켜 상기 금속산화염에 이산화탄소가 포집되는 단계; 및 상기 이산화탄소가 포집되는 단계에서 생성된 탄산코발트, 탄산아연, 탄산세륨 중 어느 하나를 상기 충전단계에서 재사용하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄직접전환반응을 통한 아세트산생산방법.
The method according to any one of claims 7 to 10,
When a metal oxide salt of any one of cobalt oxide, zinc oxide, and cerium oxide is produced through the methane direct conversion reaction, reacting the metal oxide salt with carbon dioxide to collect carbon dioxide in the metal oxide salt; and reusing any one of cobalt carbonate, zinc carbonate, and cerium carbonate generated in the carbon dioxide capture step in the charging step.
반응기에 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 반응물질을 충전시키는 단계;
상기 반응물질이 충전된 반응기에 메탄기체조성물을 공급하는 단계;
상기 반응기를 25℃ - 600℃의 온도 및 5bar 내지 50bar의 압력으로 설정하여 메탄직접전환반응을 수행하는 단계; 및
상기 메탄직접전환반응으로 얻어진 탄소화합물을 수득하는 단계;를 포함하는 메탄직접전환반응을 통한 탄소화합물생산방법.
Charging the reactant of any one of claims 1 to 5 into a reactor;
Supplying a methane gas composition to a reactor filled with the reactant;
Performing a direct methane conversion reaction by setting the reactor to a temperature of 25°C - 600°C and a pressure of 5 bar to 50 bar; and
A method for producing a carbon compound through a methane direct conversion reaction, comprising: obtaining a carbon compound obtained by the methane direct conversion reaction.
제 13 항에 있어서,
상기 탄소화합물은 아세트산, 아세트알데히드, 메탄올, 일산화탄소로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄직접전환반응을 통한 탄소화합물생산방법.
According to claim 13,
A method of producing a carbon compound through a methane direct conversion reaction, wherein the carbon compound includes one or more selected from the group consisting of acetic acid, acetaldehyde, methanol, and carbon monoxide.
제 13 항에 있어서,
상기 반응기에 충전된 반응물질이 탄산칼슘에 백금나노입자가 담지된 것이면, 상기 반응기의 온도는 300℃ 내지 600℃로 조절되는 것을 특징으로 하는 메탄직접전환반응을 통한 탄소화합물생산방법.
According to claim 13,
If the reactant charged in the reactor is one in which platinum nanoparticles are supported on calcium carbonate, the temperature of the reactor is adjusted to 300°C to 600°C.
제 13 항에 있어서,
상기 메탄기체조성물은 이산화탄소를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 메탄직접전환반응을 통한 탄소화합물생산방법.
According to claim 13,
A method of producing a carbon compound through a methane direct conversion reaction, characterized in that the methane gas composition does not contain carbon dioxide.
제 13 항에 있어서,
상기 메탄직접전환반응을 통해 상기 반응물질로부터 이산화탄소가 배출되어 금속나노입자가 담지된 금속산화염이 생성되면, 상기 금속나노입자가 담지된 금속산화염을 이산화탄소와 반응시켜 상기 금속산화염에 이산화탄소가 포집되는 단계; 및 상기 이산화탄소가 포집되는 단계에서 생성된 반응물질을 상기 충전단계에서 재사용하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄직접전환반응을 통한 탄소화합물생산방법.
According to claim 13,
When carbon dioxide is released from the reactant through the methane direct conversion reaction and a metal oxide salt carrying metal nanoparticles is produced, the metal oxide salt carrying the metal nanoparticles is reacted with carbon dioxide to collect carbon dioxide in the metal oxide salt. ; and reusing the reactant produced in the carbon dioxide capturing step in the charging step.
금속탄산염 또는 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 반응물질이 충전된 반응공간부;
상기 반응공간부로 메탄기체를 제공하는 반응기체공급부;
상기 반응공간부에서 생성된 탄소화합물이 배출되어 저장되는 생성물저장부; 및
상기 탄소화합물이 배출된 반응공간부로 이산화탄소를 제공하는 이산화탄소공급부;를 포함하는 메탄 직접전환공정용 반응장치.
A reaction space filled with metal carbonate or the reactant of any one of claims 1 to 5;
a reaction gas supply unit providing methane gas to the reaction space;
a product storage unit where carbon compounds generated in the reaction space are discharged and stored; and
A reaction device for a methane direct conversion process comprising a carbon dioxide supply unit that provides carbon dioxide to the reaction space where the carbon compound is discharged.
제 18 항에 있어서,
상기 생성물저장부와 연결되어 상기 탄소화합물을 추출 분리하는 분리부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄 직접전환공정용 반응장치.
According to claim 18,
A reaction device for a methane direct conversion process further comprising a separation unit connected to the product storage unit to extract and separate the carbon compound.
KR1020220081093A 2022-07-01 2022-07-01 Catalytic Materials for Direct Methane Conversion, Methods for Production of Carbon-Containing Compounds, and Continuous Reaction Apparatus KR20240003777A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220081093A KR20240003777A (en) 2022-07-01 2022-07-01 Catalytic Materials for Direct Methane Conversion, Methods for Production of Carbon-Containing Compounds, and Continuous Reaction Apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220081093A KR20240003777A (en) 2022-07-01 2022-07-01 Catalytic Materials for Direct Methane Conversion, Methods for Production of Carbon-Containing Compounds, and Continuous Reaction Apparatus

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240003777A true KR20240003777A (en) 2024-01-10

Family

ID=89511818

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220081093A KR20240003777A (en) 2022-07-01 2022-07-01 Catalytic Materials for Direct Methane Conversion, Methods for Production of Carbon-Containing Compounds, and Continuous Reaction Apparatus

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20240003777A (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101730799B1 (en) 2014-11-24 2017-04-28 한국과학기술연구원 Catalyst for preparing synthesis gas by co2 reforming of ch4 and preparation method of synthesis gas using the samw

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101730799B1 (en) 2014-11-24 2017-04-28 한국과학기술연구원 Catalyst for preparing synthesis gas by co2 reforming of ch4 and preparation method of synthesis gas using the samw

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Park et al. CO 2 hydrogenation to formic acid over heterogenized ruthenium catalysts using a fixed bed reactor with separation units
Jiang et al. Synthesis of dimethyl carbonate from methanol and carbon dioxide in the presence of polyoxometalates under mild conditions
EP2318344B1 (en) Ethanol production from acetic acid utilizing a cobalt catalyst
Han et al. Hollow structured Cu@ ZrO2 derived from Zr-MOF for selective hydrogenation of CO2 to methanol
JP5205568B2 (en) Method and apparatus for producing dimethyl ether
Gil et al. H2 production by sorption enhanced steam reforming of biomass-derived bio-oil in a fluidized bed reactor: An assessment of the effect of operation variables using response surface methodology
Jiang et al. Catalytic performance of Pd–Ni bimetallic catalyst for glycerol hydrogenolysis
Boccuzzi et al. FTIR study of methanol decomposition on gold catalyst for fuel cells
CN1202985C (en) Preparing hydrogen and CO
JP4979818B2 (en) Ethanol production method
Kuwahara et al. A quasi-stable molybdenum sub-oxide with abundant oxygen vacancies that promotes CO 2 hydrogenation to methanol
JP2012001441A (en) Method for producing ethanol and system for producing ethanol
KR102294427B1 (en) Manufacturing apparatus and manufacturing process of formic acid using synthesis gas
WO2023035030A1 (en) Process for producing an organic acid, and catalyst for same
CN108786922B (en) Preparation method of nickel and palladium modified nano silicon dioxide for coupling reaction
Zurrer et al. Harnessing the structural attributes of NiMg-CUK-1 MOF for the dual-function capture and transformation of carbon dioxide into methane
Heracleous et al. Bio-oil upgrading via vapor-phase ketonization over nanostructured FeO x and MnO x: Catalytic performance and mechanistic insight
SONG et al. Solvent effect on the activity of Ru-Co3O4 catalyst for liquid-phase hydrogenation of CO2 into methane
KR20240003777A (en) Catalytic Materials for Direct Methane Conversion, Methods for Production of Carbon-Containing Compounds, and Continuous Reaction Apparatus
Hoyos et al. Coupling of CO2 capture and methanation processes using catalysts based on silica recovered from rice husks
JP2612736B2 (en) Method for producing synthesis gas or hydrogen by catalytic conversion of liquid-phase methanol
WO2018015363A2 (en) A catalyst composition for direct synthesis of vinyl chloride from ethylene
CN115353446A (en) Method for preparing 4-formaldehyde biphenyl by high-selectivity oxidation of 4-methyl biphenyl by using alkali metal modified carbon nitride photocatalyst
JP2764114B2 (en) Method for producing methanol
Albrecht et al. Higher hydrocarbon production through oxidative coupling of methane combined with hydrogenation of carbon oxides