KR20120070696A - Tungsten based catalysts for carbon dioxide reforming of methane and preparing method of syngas using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 메탄의 이산화탄소 개질용 텅스텐계 촉매 및 이를 이용한 합성가스의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 백금족 원소 및 텅스텐과 함께, 지르코늄과 란타늄 중 1종 이상을 실리카, 알루미나 또는 이들을 혼합한 담체에 담지시킨 촉매에 관한 것이며, 또한 상기 촉매를 메탄의 이산화탄소 개질반응에 이용하여 일산화탄소와 수소를 포함하는 합성가스를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 텅스텐계 촉매는 장시간 반응에서도 탄소 침적현상 억제력이 우수하여 안정성 및 활성이 우수하고, 합성가스 제조공정에 적용시 일산화탄소의 함량이 높은 합성가스를 제조할 수 있으므로, 지구 온난화에 큰 영향을 미치고 있는 이산화탄소를 자원화할 수 있다.The present invention relates to a tungsten-based catalyst for carbon dioxide reforming of methane and a method for producing a synthesis gas using the same, and more particularly, one or more of zirconium and lanthanum together with a platinum group element and tungsten, a carrier comprising silica, alumina or a mixture thereof. The present invention relates to a catalyst supported on the present invention, and to a method for producing a synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen by using the catalyst for carbon dioxide reforming of methane. The tungsten-based catalyst of the present invention is excellent in stability and activity due to excellent carbon deposition phenomenon even in a long time reaction, and when applied to the synthesis gas manufacturing process can produce a synthesis gas with a high carbon monoxide content, it has a great effect on global warming It can make use of the carbon dioxide that is mad.
Description
본 발명은 메탄의 이산화탄소 개질반응용 텅스텐계 촉매 및 이러한 텅스텐계 촉매를 이용하여 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 텅스텐계 촉매는 안정성 및 활성이 우수하여, 합성가스 제조공정에 적용시 일산화탄소의 함량이 높은 합성가스를 제조할 수 있으므로, 지구 온난화에 큰 영향을 미치고 있는 이산화탄소를 자원화할 수 있다.
The present invention relates to a tungsten-based catalyst for carbon dioxide reforming of methane and a method for producing a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide using such a tungsten-based catalyst. Tungsten-based catalyst of the present invention is excellent in stability and activity, can be produced in a synthesis gas having a high content of carbon monoxide when applied to the synthesis gas manufacturing process, it is possible to resource the carbon dioxide which has a great impact on global warming.
그동안 이산화탄소는 비교적 무해한 물질로 인식되었으나, 최근에는 지구 온난화를 일으키는 주요 물질로 알려져 기후변화 협약에 의해 배출 규제 물질로 분류되고 있다. 따라서, 이산화탄소의 생성량을 줄이거나 배출된 이산화탄소를 고정하여 물리, 화학적으로 처리하는 방법에 세계적인 관심이 집중되고 있다. 이산화탄소의 화학적 처리방법 중의 하나로, 아래의 반응식 1과 같이 메탄과 이산화탄소의 혼합가스를 촉매를 이용한 건식 개질 반응으로 일산화탄소와 수소의 혼합물인 합성가스를 제조하여 여러 가지 화합물을 생산하는데 활용하는 방법이 있다. 이는 쓰레기 매립지에서 발생되는 혼합가스와 화석연료를 사용하여 발생되는 공장의 메탄과 이산화탄소와 같은 엄청난 양의 온실가스를 감안할 때 이러한 혼합가스를 동시에 처리하는 기술은 현실적으로 매우 유용한 기술이다.Carbon dioxide has been recognized as a relatively harmless substance, but recently, it is classified as a major substance causing global warming and is classified as an emission control substance under the Climate Change Convention. Therefore, global attention is focused on the method of reducing the amount of carbon dioxide produced or fixing the emitted carbon dioxide physically and chemically. As one of the chemical treatment methods of carbon dioxide, there is a method for producing various compounds by producing a synthesis gas of a mixture of carbon monoxide and hydrogen by a dry reforming reaction using a mixed gas of methane and carbon dioxide as shown in Scheme 1 below. . This is a very useful technique for treating such mixed gases simultaneously, given the enormous amounts of greenhouse gases such as methane and carbon dioxide in the plant, which are generated from mixed landfills and fossil fuels from landfills.
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
한편, 상기의 합성가스(syngas)란 수소와 일산화탄소를 주된 구성물질로 하는 혼합가스로, 석탄의 가스화에 의한 방법, 천연가스 등을 원료로 하는 탄화수소류의 수증기 개질법 또는 산소에 의한 부분산화 개질법 등에 의해 제조되어 왔다. 석탄의 가스화 방법에는, 고가의 석탄 가스화 가열기와 대규모 플랜트가 필요하며, 탄화수소류의 수증기 개질법과 탄화수소류의 부분산화 개질에서는, 개질반응용 기체로 이산화탄소, 산소, 수증기, 또는 이들의 혼합기체와 함께 고온(700?1200℃)의 흡열반응에 적용 가능한 내열성이 높은 개질 촉매가 요구된다. 현재는 개질반응의 촉매로 널리 알려진 니켈계 촉매가 높은 활성을 가지고 상업용으로 사용되고 있지만, 급격한 코크의 생성으로 촉매의 내구성에 큰 문제점을 가지고 있다. 최근에는 이산화탄소를 이용한 메탄의 개질반응을 통해 합성가스를 제조하는 방법도 개시되어 있는데, 이러한 기술을 상업적 규모로 적용할 수 있다면 배출되는 이산화탄소를 자원화 할 수 있을 것으로 기대된다.Syngas is a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide as main constituents, and is a method of coal gasification, steam reforming of hydrocarbons using natural gas, or partial oxidation reforming using oxygen. Has been manufactured. The coal gasification method requires an expensive coal gasification heater and a large-scale plant. In the steam reforming of hydrocarbons and the partial oxidation reforming of hydrocarbons, as a reforming gas, carbon dioxide, oxygen, steam, or a mixture thereof is used. There is a need for a reforming catalyst having high heat resistance that can be applied to an endothermic reaction at a high temperature (700 to 1200 ° C). Currently, nickel-based catalysts, which are widely known as catalysts for reforming reactions, have high activity and are used commercially, but have a large problem in the durability of catalysts due to the rapid generation of coke. Recently, a method for producing syngas through reforming of methane using carbon dioxide has been disclosed. If such a technique can be applied on a commercial scale, it is expected to be able to resource the carbon dioxide emitted.
합성가스의 제조방법에 있어서 이산화탄소를 이용한 메탄의 개질반응은 다른 개질 방법보다 일산화탄소 함량이 매우 높은 합성가스(H2:CO=1:1)를 제조할 수 있기 때문에, 생성된 합성가스는 피셔 트롭쉬 합성 등의 원료로 이용되어 옥소알코올(oxoalcohol), 디메틸에테르, 폴리카보네이트, 아세트산 등 고부가가치의 화학제품을 생산할 수 있다. 또한, 생성된 합성가스는 순도가 높아 수소의 공업적 제법의 하나로 기존의 공정기술 및 많은 연구에 응용이 가능하다. 그러나 이러한 개질반응에 사용되는 니켈계를 비롯한 상용화된 촉매들은 고온에서 반응이 진행되어 경제적으로 불리할 뿐만 아니라, 개질 반응 중 탄소 침적에 의한 소결(sintering) 효과로 촉매의 비활성화가 심각하여 내구성이 현저히 떨어지는 단점이 있다.In the method of producing syngas, the reforming reaction of methane using carbon dioxide can produce syngas (H 2 : CO = 1: 1) having a much higher carbon monoxide content than other reforming methods. It can be used as a raw material for Ropsch synthesis to produce high value added chemicals such as oxoalcohol, dimethyl ether, polycarbonate and acetic acid. In addition, the generated syngas is high in purity, one of the industrial manufacturing method of hydrogen can be applied to the existing process technology and many studies. However, commercially available catalysts such as nickel-based catalysts used in the reforming reaction are economically disadvantageous as the reaction proceeds at high temperature, and the catalyst is severely deactivated due to the sintering effect by carbon deposition during the reforming reaction, resulting in significant durability. There is a downside to falling.
현재까지 발표된 문헌에 따르면 귀금속 촉매의 경우에는 촉매의 비활성화 현상이 현저히 느린 것으로 알려져 있다[A. T. Ashcroft, A. K. Cheetham, M. L. H. Green, and P. D. F. Vernon, Nature, 225, 352 (1991)]. 그러나, 경제적인 측면에서 볼 때 대량의 촉매가 필요한 상용공정에서 귀금속 촉매를 사용하는 것은 곤란하므로 기존의 니켈계 촉매를 조촉매나 첨가제 등을 이용하여 변형함으로써 촉매의 내구성을 향상시키기 위한 연구가 많이 이루어지고 있다. Hou 등은 Ni/α-Al2O3 촉매 위의 이산화탄소 개질 반응에서 적은 양의 Ca의 첨가는 Ni의 확산을 도와주고, Ni-Al2O3 간의 상호작용을 강화하여 Ni의 소결(sintering)을 지연시킬 수 있어 촉매 활성과 안정성을 증가시킨다고 보고하였다[Journal of Molecular Catalysis A: Chemical Volume 249, Issues 1-2, 18 April 2006, Pages 53-59]. Arena 등은 Ni/MgO 촉매에 Na, Li, K 와 같은 알칼리 조촉매가 촉매의 환원성, 형태학(morphology), 활성 표면적 및 전기적 성질에 미치는 영향을 연구하였다[Catalysis Communications Volume 2, Issue 2, May 2001, Pages 49-56]. 또한, Choi 등은 Ni/Al2O3 에서 Co, Cu, Zr, Mn, Mo, Ti, Ag, Sn을 첨가한 연구 결과를 보고하였는데, 기존 촉매 활성과 대비하여 Co, Cu, Zr이 첨가된 촉매만이 어느 정도 개선된 활성을 나타냈다고 한다. 한편, Mn 첨가의 경우, 촉매 활성을 약간 낮추는 반면 탄소침적은 상당히 억제할 수 있다고 하며, 낮은 온도에서 소성된 촉매보다 높은 온도에서 소성된 것이 더 높은 활성을 보인다고 보고되었다[Journal of Alloys and Compounds Volume 469, Issues 1-2, 5 February 2009, Pages 298-303].The literature published to date indicates that catalyst deactivation is significantly slower for noble metal catalysts (AT Ashcroft, AK Cheetham, MLH Green, and PDF Vernon, Nature, 225, 352 (1991)). However, from an economical point of view, it is difficult to use a noble metal catalyst in a commercial process that requires a large amount of catalyst. Therefore, many studies have been conducted to improve the durability of catalysts by modifying existing nickel-based catalysts using cocatalysts or additives. It is done. Hou et al. Found that the addition of a small amount of Ca in the carbon dioxide reforming reaction on a Ni / α-Al 2 O 3 catalyst aids the diffusion of Ni and enhances the interaction between Ni-Al 2 O 3, thereby sintering Ni. Has been reported to increase catalyst activity and stability [Journal of Molecular Catalysis A: Chemical Volume 249, Issues 1-2, 18 April 2006, Pages 53-59]. Arena et al. Investigated the effects of alkali promoters such as Na, Li, and K on Ni / MgO catalysts on the reducibility, morphology, active surface area, and electrical properties of the catalysts. [Catalysis Communications
기존의 이산화탄소를 이용한 메탄의 개질반응용 촉매를 살펴보면, [Chem. Lett.,1953 (1992)]에서는 Ni-MgO 촉매를, 대한민국 등록특허 제 10-0395095 호에서는 니켈-망간-알루미나계 촉매를 제시하고 있다. 또한 [J. Chem. Soc., Chem. Commun., 71 (1995)]와 [Inter. J. Hydro. Ene. 28 (2003), 1045] 에서는 산화란타늄(La2O3) 담체에 니켈 금속을 담지시킨 촉매를 개시하고 있으며, 대한민국 등록특허 제 10-0482646 호에서는 세륨 지르코늄 산화물로 구성된 담체표면에 니켈 금속을 담지시킨 촉매를, 대한민국 등록특허 제 10-0912725 호에서는 텅스텐 카바이드(WC) 담체에 니켈 금속이 담지된 촉매를 제시하였다. 대한민국 등록특허 제 10-0336968 호에서는 알칼리 토금속과 ⅢB족 금속으로 수식된 지르코니아 담체 상에 니켈 금속과 함께 알칼리 금속, 알칼리 토금속 등이 조촉매로서 담지된 니켈계 개질촉매를 제시하였다. 또한, 대한민국 등록특허 제 10-0110984 호에서는 제올라이트, 실리카, 실리케이트, 실리카-알루미나 등의 실리콘 함유 담체에 알칼리 금속 및 알칼리 토금속 조촉매와 함께 니켈이 담지된 촉매를, 대한민국 등록특허 제 10-0264160 호에서는 알루미나 에어로젤 담체에 지지된 니켈 촉매를 제시하였다. 대한민국 등록특허 제 10-0732729 호에서는 메탄의 삼중(이산화탄소, 산소 및 수증기의 혼합가스) 개질 촉매로 지르코니아 담체에 이트륨을 필수로 하고 란탄계 원소 및 알칼리 토금속 원소 중에서 선택된 금속이 포함된 혼합금속으로 도핑한 니켈계 촉매를 개시하고 있다.Looking at the catalyst for the reforming reaction of methane using the existing carbon dioxide, [Chem. Lett., 1953 (1992)] shows a Ni-MgO catalyst, and Korean Patent No. 10-0395095 discloses a nickel-manganese-alumina catalyst. In addition, [J. Chem. Soc., Chem. Commun., 71 (1995)] and Inter. J. Hydro. Ene. 28 (2003), 1045 discloses a catalyst in which nickel metal is supported on a lanthanum oxide (La 2 O 3 ) carrier, and in Korean Patent No. 10-0482646, a nickel metal is supported on a carrier surface composed of cerium zirconium oxide. Korean Patent No. 10-0912725 discloses a catalyst in which nickel metal is supported on a tungsten carbide (WC) carrier. Korean Patent No. 10-0336968 proposes a nickel-based reforming catalyst in which alkali metals, alkaline earth metals, and the like are supported as a promoter on zirconia carriers modified with alkaline earth metals and group IIIB metals. In addition, Korean Patent No. 10-0110984 discloses a catalyst in which nickel is supported on a silicon-containing carrier such as zeolite, silica, silicate, and silica-alumina together with an alkali metal and an alkaline earth metal promoter, and Korean Patent No. 10-0264160 Shows a nickel catalyst supported on an alumina airgel carrier. In Korean Patent No. 10-0732729, methane is a triple (mixed gas of carbon dioxide, oxygen and water vapor) reforming catalysts, and yttrium is essential to a zirconia carrier and is doped with a mixed metal containing a metal selected from lanthanide and alkaline earth metal elements. One nickel-based catalyst is disclosed.
이와 같이 이산화탄소를 이용한 메탄의 개질반응에서도 수증기 개질반응과 마찬가지로 가격이 저렴하면서도 탄소침적에 강한 저항성을 갖는 고성능의 니켈 담지 촉매를 개발하고자 하는 시도가 계속되어 왔지만 니켈의 짧은 촉매 수명으로 인해 한계에 직면하고 있다. 이에 따라 니켈계 촉매 보다 탄소 침적에 대한 저항성이 크고 활성이 좋은 귀금속계 촉매에 관한 연구도 활발히 이루어지고 있다.As described above, in the reforming reaction of methane using carbon dioxide, as with steam reforming, attempts have been made to develop a high performance nickel-supported catalyst having a low cost and strong resistance to carbon deposition, but faced limitations due to the short catalyst life of nickel. Doing. Accordingly, researches on noble metal catalysts having greater resistance to carbon deposition and better activity than nickel catalysts have been actively conducted.
미국 등록특허 제 5068057 호에서는 Pt/Al2O3 및 Pd/Al2O3 촉매가 공지되었고, 국제특허공개 WO 92/11,199 호에서는 이리듐을 비롯한 로듐, 루테늄 등의 귀금속 담지 알루미나 촉매가 높은 활성과 긴 수명을 나타낸다고 제시된 바 있다. 국제특허공개 WO 2004/103555 호, WO 2008/099847 호에서는 구리를 필수 원소로 포함하며 니켈, 코발트 및 백금족 원소로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 가진 금속 산화물로서 스피넬 구조를 갖는 촉매를 제시하였다. 하지만 이산화탄소에 의한 개질이 언급되어 있으나, 실시예는 메탄올 및 디메틸에테르 수증기 개질반응에 국한 되어 있다. 국제공개특허 WO 2002/081368 호에는 Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo, Al, Ga, Mg, Sc, Ni 또는 Cu를 함유한 철 또는 철산화물을 수증기 개질 촉매로 제시하였으나, 철산화물을 환원시킬 때 발생할 수 있는 환원속도, H2/CO 선택율과 탄소 침적의 억제에 대한 고찰이 미비하다. 대한민국 등록특허 제 10-0938779 호에는 Cu-Fe 또는 Sn-Fe를 함유하는 복합금속산화물을 사용한 촉매를 제시하였으나 비활성화에 대한 고찰이 미비하다. 또한, 일본특허공개 평 11-276893 호에서는 활성금속으로 귀금속(Rh, Pd, Ru) 및 전이금속(Ni)을 사용하는 하이드로탈사이트를 전구체로 한 금속산화물 촉매 상에서 이산화탄소에 의한 메탄의 개질반응을 공지한 바 있다. 그러나 800℃에서의 메탄의 전환율은 90% 이상이었지만, 고가의 귀금속을 사용하였음에도, 그 이하의 온도 영역에서는 전환율이 급격히 감소하여 600℃에서는 로듐이 5 중량% 포함된 촉매(메탄 전환율 약 50%)를 제외하고는 메탄의 전환율이 30%를 넘지 못하는 것으로 보고되었다. 미국 등록특허 제 5744419 호에는 산소 개질반응을 포함한 수증기 개질 및 이산화탄소 개질과의 혼합 개질공정과 관련하여 귀금속의 존재유무에 따라 니켈 또는 코발트를 알칼리 토금속으로 미리 코팅시킨 실리카, 알루미나, 지르코니아 등의 담체 위에 담지 시킨 촉매를, 미국 등록특허 제 4026823 호에는 탄화수소의 수증기 개질 촉매로서 니켈에 코발트를 첨가한 지르코니아에 담지된 니켈 촉매가 공지되어 있다.In US Patent No. 5068057, Pt / Al 2 O 3 and Pd / Al 2 O 3 catalysts are known, and in WO 92 / 11,199, precious metal-supported alumina catalysts such as iridium, rhodium, ruthenium, etc. It has been shown to exhibit long life. WO 2004/103555 and WO 2008/099847 disclose a catalyst having a spinel structure as a metal oxide containing copper as an essential element and having at least one element selected from nickel, cobalt and platinum group elements. However, although reforming with carbon dioxide is mentioned, the examples are limited to methanol and dimethylether steam reforming. WO 2002/081368 discloses iron or iron oxides containing Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo, Al, Ga, Mg, Sc, Ni, or Cu as steam reforming catalysts, There are few considerations on the reduction rate, H 2 / CO selectivity and inhibition of carbon deposition that can occur when reducing. Korean Patent No. 10-0938779 discloses a catalyst using a complex metal oxide containing Cu-Fe or Sn-Fe, but the deactivation is insufficient. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-276893 discloses the reforming reaction of methane by carbon dioxide on a metal oxide catalyst using a hydrotalcite precursor using noble metals (Rh, Pd, Ru) and transition metals (Ni) as active metals. It is known. However, although the conversion rate of methane was more than 90% at 800 ° C., even though expensive precious metals were used, the conversion rate drastically decreased in the temperature range below that, and the catalyst containing 5% by weight of rhodium at 600 ° C. (methane conversion rate of about 50%) Except for the methane conversion rate of less than 30% has been reported. U. S. Patent No. 5744419 discloses on a carrier such as silica, alumina, zirconia, which is pre-coated with nickel or cobalt with alkaline earth metals in accordance with the presence of precious metals in connection with steam reforming including oxygen reforming and carbon dioxide reforming. The supported catalyst is known from U. S. Patent No. 4026823, a nickel catalyst supported on zirconia in which cobalt is added to nickel as a steam reforming catalyst for hydrocarbons.
그러나, 상기와 같은 귀금속계 촉매는 제조단가가 높기 때문에 상업적으로 응용하기에는 어려운 문제점을 갖고 있다.
However, the noble metal catalyst as described above has a problem in that it is difficult to apply commercially because of high manufacturing cost.
이에 본 발명자들은 지구 온난화에 큰 영향을 미치고 있는 이산화탄소의 자원화 방안에 대해 연구를 거듭한 결과, 담체의 표면에 텅스텐을 포함하는 활성금속을 별도로 함침시킨 텅스텐계 촉매를 개발하였고, 이를 메탄의 이산화탄소 개질반응의 촉매로 적용할 경우 니켈계 촉매보다 장시간 반응에 따른 내구성, 저온에서의 촉매 안정성과 활성이 우수할 뿐만 아니라, 일산화탄소의 함량이 높은 합성가스를 제조할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the inventors of the present invention have repeatedly studied the resources of carbon dioxide which have a great influence on global warming. As a result, the present inventors have developed a tungsten-based catalyst in which an active metal containing tungsten is impregnated on the surface of the carrier, and the carbon dioxide reforming of methane is performed. When applied as a catalyst of the reaction, it was found that not only the durability of the reaction for a longer time than the nickel-based catalyst, the stability and activity of the catalyst at low temperature, but also the synthesis gas having a high content of carbon monoxide can be prepared to complete the present invention. It became.
따라서, 본 발명은 내구성, 안정성 및 활성이 우수한 메탄의 이산화탄소 개질용 촉매, 그리고 이러한 촉매를 이용하여 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 제조하는 방법의 제공에 그 목적이 있다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a catalyst for carbon dioxide reforming of methane having excellent durability, stability, and activity, and a method for producing a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide using the catalyst.
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 메탄의 이산화탄소 개질용 텅스텐계 촉매를 그 특징으로 한다.The present invention is characterized by a tungsten-based catalyst for carbon dioxide reforming of methane represented by the following formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
X-W-Y/ZX-W-Y / Z
상기 화학식 1에서, X는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄 중에서 선택한 1종 이상이며, Y는 지르코늄 및 란타늄 중에서 선택한 1종 이상이고, Z는 담체로서 실리카 및 알루미나 중에서 선택한 1종 이상이며, 담체 100 중량부에 대하여 X는 0.1 ~ 10 중량부이고, 텅스텐은 3 ~ 25 중량부이며, Y는 1 ~ 30 중량부이다.In Formula 1, X is at least one selected from platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, Y is at least one selected from zirconium and lanthanum, Z is at least one selected from silica and alumina as a carrier, and X is 0.1 to 10 parts by weight, tungsten is 3 to 25 parts by weight, and Y is 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight.
또한, 본 발명은In addition,
실리카 및 알루미나 중에서 선택한 1종 이상의 담체에, 상기 화학식 1의 조성비에 맞게 X 성분, 텅스텐 및 Y 성분을 담지시킨 혼합물을 제조하는 단계;Preparing a mixture in which at least one carrier selected from silica and alumina is loaded with X component, tungsten and Y component in accordance with the composition ratio of Chemical Formula 1;
상기 혼합물을 50 ~ 110℃의 온도에서 건조시켜 건조물을 제조하는 단계; 및Drying the mixture at a temperature of 50-110 ° C. to produce a dry matter; And
상기 건조물을 200 ? 900℃의 온도에서 소성시키는 단계;200 to the dry matter? Firing at a temperature of 900 ° C .;
를 포함하는 상기 화학식 1로 표시되는 텅스텐계 촉매의 제조방법을 그 특징으로 한다.Characterized in that the method for producing a tungsten-based catalyst represented by the formula (1) comprising a.
또한, 본 발명은 상기 텅스텐계 촉매하에서 메탄과 이산화탄소의 부피비가 1 : 0.5 ~ 2.0 인 혼합기체를 반응시켜 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 제조하는 방법을 그 특징으로 한다.
In addition, the present invention is characterized by a method for producing a synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen by reacting a mixed gas having a volume ratio of 1: 0.5 to 2.0 of methane and carbon dioxide under the tungsten-based catalyst.
본 발명에 따른 메탄의 이산화탄소 개질용 텅스텐계 촉매는 텅스텐을 포함한 활성성분의 함량을 특정비로 함유함으로써 기존의 니켈계 촉매보다 탄소 침적현상의 억제력이 우수하여 장시간 높은 반응활성을 유지할 수 있으며, 저온에서의 촉매 활성, 안정성이 우수하다. 또한, 이러한 촉매를 적용한 메탄의 이산화탄소 개질반응은, 옥소알코올, 디메틸에테르, 폴리카보네이트, 아세트산 등의 고부가가치 제품의 원료가 되는, 일산화탄소 비율이 높은 합성가스를 생성시키므로, 온실가스인 이산화탄소를 자원화할 수 있다.
The tungsten-based catalyst for carbon dioxide reforming of methane according to the present invention has a specific ratio of the active ingredient including tungsten at a specific ratio, which is superior to the conventional nickel-based catalyst to suppress the carbon deposition phenomenon to maintain a high reaction activity for a long time, at a low temperature Excellent catalytic activity and stability. In addition, the carbon dioxide reforming reaction of methane to which such a catalyst is applied generates a synthesis gas having a high carbon monoxide ratio, which is a raw material for high value-added products such as oxo alcohol, dimethyl ether, polycarbonate, and acetic acid. Can be.
도 1은 실시예 7에서 제조한 촉매의 XRD 분석을 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 5에서 제조한 촉매를 이용한 메탄의 이산화탄소 개질반응의 반응시간 경과에 따른 메탄 및 이산화탄소의 전환율을 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 7에서 제조한 촉매를 이용한 메탄의 이산화탄소 개질반응의 반응시간 경과에 따른 메탄 및 이산화탄소의 전환율을 나타낸 것이다.
도 4는 비교예 3에서 제조한 촉매를 이용한 메탄의 이산화탄소 개질반응의 반응시간 경과에 따른 메탄 및 이산화탄소의 전환율을 나타낸 것이다.1 is a graph showing an XRD analysis of the catalyst prepared in Example 7.
Figure 2 shows the conversion rate of methane and carbon dioxide over the reaction time of the carbon dioxide reforming reaction of methane using the catalyst prepared in Example 5.
Figure 3 shows the conversion of methane and carbon dioxide over the reaction time of the carbon dioxide reforming reaction of methane using the catalyst prepared in Example 7.
Figure 4 shows the conversion of methane and carbon dioxide over the reaction time of the carbon dioxide reforming reaction of methane using the catalyst prepared in Comparative Example 3.
이하에서는 본 발명을 더욱 자세하게 설명하겠다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명은 텅스텐을 주촉매로 하는 하기 화학식 1로 표시되는 메탄의 이산화탄소 개질용 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for carbon dioxide reforming of methane represented by the following formula (1) using tungsten as the main catalyst.
[화학식 1][Formula 1]
X-W-Y/ZX-W-Y / Z
상기 화학식 1에서, X는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄 중에서 선택한 1종 이상이며, Y는 지르코늄 및 란타늄 중에서 선택한 1종 이상이고, Z는 담체로서 실리카 및 알루미나 중에서 선택한 1종 이상이며, 담체 100 중량부에 대하여 X는 0.1 ~ 10 중량부이고, 텅스텐은 3 ~ 25 중량부이며, Y는 1 ~ 30 중량부이다.In Formula 1, X is at least one selected from platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, Y is at least one selected from zirconium and lanthanum, Z is at least one selected from silica and alumina as a carrier, and X is 0.1 to 10 parts by weight, tungsten is 3 to 25 parts by weight, and Y is 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight.
종래에 메탄과 이산화탄소의 개질반응에 사용되는 촉매의 구성 시 활성성분으로 코발트, 니켈, 지르코늄 등의 기타 전이금속 등이 사용되고, 담체성분으로 알루미나 및 실리카 등이 사용된다는 것은 일반적으로 알려져 있다. 그러나 촉매는 동일한 성분을 사용한다 하더라도 각 성분의 혼합비 즉 상대적인 비율에 따라 활성은 전혀 다르게 나타나는 것으로 알려져 있다. 이에 본 발명자들은 활성성분 중 텅스텐을 주촉매로 하고 종래에 제시된 전이금속을 선택적으로 조촉매로 사용하며, 이의 함량을 최적의 비로 조절하여 담체에 활성 금속이 분산된 3상의 텅스텐계 촉매를 개발하였다.It is generally known that other transition metals such as cobalt, nickel, zirconium, and the like are used as active ingredients in the catalyst used in the reforming reaction of methane and carbon dioxide, and alumina and silica are used as carrier components. However, even if the catalyst is used the same components, the activity is known to appear completely different depending on the mixing ratio of each component, that is, the relative ratio. Accordingly, the present inventors have developed a three-phase tungsten catalyst in which the active metal is dispersed in a carrier by using tungsten as the main catalyst and selectively using a transition metal previously proposed as a cocatalyst, and controlling its content at an optimum ratio. .
상기 X는 백금족 원소인 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 및 루테늄(Ru) 중에서 선택한 1종 이상이며, Z인 실리카(SiO2) 및 알루미나(Al2O3) 중에서 선택한 1종 이상의 담체 100 중량부에 대하여 0.1 ? 10 중량부로, 바람직하게는 0.2 ? 5 중량부로 사용하는 것이 좋다. 상기 X의 함유량이 0.1 중량부 미만이면 X 성분의 활성상승 효과가 나타나지 않을 수 있고, 10 중량부를 초과하여도 증량에 따른 효과상의 실익이 미미하며 오히려 경제성이 떨어지는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위를 선택하는 것이 바람직하다.X is at least one selected from platinum group elements platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), and ruthenium (Ru), and Z is silica (SiO 2 ) and alumina (Al 2). 0.1 to 100 parts by weight of one or more carriers selected from O 3 ). 10 parts by weight, preferably 0.2? It is recommended to use 5 parts by weight. When the content of X is less than 0.1 part by weight, the effect of increasing the activity of the X component may not appear, and even if it exceeds 10 parts by weight, the benefits of the increase according to the increase may be insignificant, and the economy may be inferior. It is desirable to.
상기 텅스텐(W)은 주촉매로 사용되며, 담체 100 중량부에 대하여 3 ? 25 중량부, 바람직하게는 10 ? 20 중량부로 사용하는 것이 좋다. 텅스텐의 함유량이 3 중량부 미만이면 메탄 및 이산화탄소의 전환율이 낮아질 수 있으며, 25 중량부를 초과하는 경우에는 급격한 탄소침적 현상이 발생하여 촉매의 비활성화가 일어나 촉매의 수명을 감축시키는 문제가 있을 수 있다.The tungsten (W) is used as the main catalyst and 3 to 3 parts by weight of the carrier. 25 parts by weight, preferably 10? It is recommended to use 20 parts by weight. If the content of tungsten is less than 3 parts by weight, the conversion of methane and carbon dioxide may be lowered, and if it exceeds 25 parts by weight, rapid carbon deposition may occur, resulting in deactivation of the catalyst, thereby reducing the life of the catalyst.
상기 Y는 지르코늄(Zr) 및 란타늄(La) 중에서 선택한 1종 이상이며, 담체 100 중량부에 대하여 1 ? 30 중량부, 바람직하게는 5 ? 20 중량부 범위로 사용하는 것이 좋은데, Y의 함유량이 1 중량비 미만이면 활성상승 효과가 나타나지 않을 수 있으며, 30 중량부를 초과하여 과량으로 혼합되어 있을 때는 촉매의 활성이 오히려 떨어질 수 있다.
The Y is at least one selected from zirconium (Zr) and lanthanum (La), 1 to 1 part by weight based on 100 parts by weight of the carrier. 30 parts by weight, preferably 5? It is preferable to use it in the range of 20 parts by weight, but if the content of Y is less than 1 part by weight, the effect of increasing the activity may not appear.
또한, 본 발명은 실리카 및 알루미나 중에서 선택한 1종 이상의 담체에 상기 X 성분, 텅스텐 및 Y 성분을 담지시키고, 건조 및 소성과정을 거쳐 상기 화학식 1로 표시되는 텅스텐계 촉매를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method for preparing the tungsten-based catalyst represented by Chemical Formula 1 by supporting the X component, tungsten and Y component on at least one carrier selected from silica and alumina, and drying and calcining.
상기 담체에 X 성분, 텅스텐 및 Y 성분을 담지시킨 혼합물을 제조하는 단계에서, 담지방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면 가열 함침법, 상온 함침법, 진공 함침법, 상압 함침법, 증발 건조법, 포어 필링법, 초기 습식(incipient wetness)법 등의 각종 함침법과 침지법, 분무법, 또는 이온 교환법 등의 방법을 채용할 수 있다. X 성분, 텅스텐 및 Y 성분은 전구체 화합물을 이용함으로써 담체에 담지시킬 수 있다. 구체적으로 백금 전구체로는 PtCl4, H2PtCl6, Pt(NH3)4Cl2, (NH4)2PtCl2, H2PtBr6, NH4[Pt(C2H4)Cl3], Pt(NH3)4(OH)2 및 Pt(NH3)2(NO2)2 중에서 선택한 1종 이상을, 팔라듐 전구체로는 (NH4)2PdCl6, (NH4)2PdCl4, Pd(NH3)4Cl2, PdCl2 및 Pd(NO3)2 중에서 선택한 1종 이상을, 로듐 전구체로는 Na3RhCl6, (NH4)2RhCl6, Rh(NH3)5Cl3 및 RhCl3 중에서 선택한 1종 이상을, 이리듐 전구체로는 (NH4)2IrCl6, IrCl3, H2IrCl6, 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 루테늄 전구체로는 RuCl3ㆍnH2O, Ru(NO)ㆍ(NO3)3, Ru(NO3)3, Ru2(OH)2Cl4ㆍ7NH3ㆍ3H2O 및 K2(RuCl5(H2O)) 중에서 선택한 1종 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하기로는 취급상의 관점에서 Ru(NO)ㆍ(NO3)3 또는 Ru(NO3)3 를 사용하는 것이 좋다.In the step of preparing a mixture in which the X component, tungsten and Y component are supported on the carrier, the supporting method is not particularly limited. For example, various kinds of impregnation methods such as heating impregnation method, room temperature impregnation method, vacuum impregnation method, atmospheric impregnation method, evaporation drying method, pore filling method, incipient wetness method, and immersion method, spraying method, or ion exchange method, etc. It can be adopted. The X component, tungsten and Y component can be supported on the carrier by using the precursor compound. Specifically, as the platinum precursor, PtCl 4 , H 2 PtCl 6 , Pt (NH 3 ) 4 Cl 2 , (NH 4 ) 2 PtCl 2 , H 2 PtBr 6 , NH 4 [Pt (C 2 H 4 ) Cl 3 ], At least one selected from Pt (NH 3 ) 4 (OH) 2 and Pt (NH 3 ) 2 (NO 2 ) 2 includes (NH 4 ) 2 PdCl 6 , (NH 4 ) 2 PdCl 4 , Pd as a palladium precursor. At least one selected from (NH 3 ) 4 Cl 2 , PdCl 2, and Pd (NO 3 ) 2 may be selected from the group consisting of Na 3 RhCl 6 , (NH 4 ) 2 RhCl 6 , Rh (NH 3 ) 5 Cl 3 and At least one selected from RhCl 3 may be (NH 4 ) 2 IrCl 6 , IrCl 3 , H 2 IrCl 6 , or a mixture thereof as the iridium precursor. Also, ruthenium precursors include RuCl 3 nH 2 O, Ru (NO). (NO 3 ) 3 , Ru (NO 3 ) 3 , Ru 2 (OH) 2 Cl 4 7NH 3 3H 2 O and K 2 (RuCl 5 (H 2 O)) may be used one or more selected, preferably from the viewpoint of handling, Ru (NO) · (NO 3 ) 3 or Ru (NO 3 ) 3 It is preferable to use.
주촉매인 텅스텐은 WO3, WCl4 , WCl6 및 WOCl4 중에서 1종 이상을 전구체로 사용할 수 있으며, 바람직하기로는 WO3를 사용하는 것이 좋다. 또한, 지르코늄 전구체로는 ZrCl4, ZrCl2, ZrO(NO3)2ㆍH2O, ZrO2, Zr(OH)4, ZrClOH, Zr(NO3)4ㆍ5H2O, ZrOCl2ㆍ8H2O 및 Zr(SO4)2 중에서 선택한 1종 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하기로는 취급상의 관점에서 Zr(NO3)4ㆍ5H2O 또는 ZrOCl2ㆍ8H2O를 사용하는 것이 좋다. 그리고, 란타늄 전구체로는 LaCl3 , LaCl3ㆍ7H2O, La(OH)3, La(NO3)3, La(NO3)3ㆍ6H2O, La2O3, La2(SO4)3ㆍ8H2O 및 LaCl3ㆍ6H2O 중에서 선택한 1종 이상을 사용할 수 있는데, 질산염을 사용하는 것이 바람직하다.The main catalyst, tungsten is WO 3 , WCl 4 , WCl 6 And at least one of WOCl 4 may be used as a precursor, preferably WO 3 . In addition, as a zirconium precursor, ZrCl 4 , ZrCl 2 , ZrO (NO 3 ) 2 ㆍ H 2 O, ZrO 2 , Zr (OH) 4 , ZrClOH, Zr (NO 3 ) 4 ㆍ 5H 2 O, ZrOCl 2 ㆍ 8H 2 O and Zr (SO 4 ) 2 and more than, and, preferably, it is better to use a Zr (NO 3) 4 and 5H 2 O or ZrOCl 2 8H 2 O and from the viewpoint of handling. In addition, as a lanthanum precursor, LaCl 3 , LaCl 3 .7H 2 O, La (OH) 3, La (NO 3 ) 3, La (NO 3 ) 3 ㆍ 6H 2 O, La 2 O 3, La 2 (SO 4 ) may be used at least one member selected from among 3 · 8H 2 O and LaCl 3 • 6H 2 O, it is preferred to use a nitrate.
상기 전구체 화합물을 이용하여 담체에 X 성분, 텅스텐 및 Y 성분을 담지시킴에 있어, 각 성분별 전구체 화합물 전체를 물에 용해시켜 담지시키는 것 보다는 각 성분을 개별적으로 담지시키는 것이 더욱 바람직하다. 이는, 성분별로 담지시킴으로써 담체 표면에 활성성분을 더욱 고르게 분산시킬 수 있으며, 이에 따른 상호 시너지 효과에 의해 촉매 비활성화의 주원인인 탄소 침적을 효과적으로 방지할 수 있기 때문이다.In supporting the X component, the tungsten and the Y component on the carrier using the precursor compound, it is more preferable to individually support each component rather than dissolving the entire precursor compound for each component in water. This is because the active component can be more evenly dispersed on the surface of the carrier by supporting the components, and the mutual synergistic effect can effectively prevent carbon deposition, which is the main cause of catalyst deactivation.
상기 혼합물의 건조단계는 50 ? 110℃에서 5 ? 24 시간동안 수행하는 것이 좋은데, 건조온도가 50℃ 미만이면 수용액의 증발속도 저하로 제조시간이 늘어나게 되어 불리하며, 110℃를 초과하는 경우에는 너무 빠른 수용액의 증발로 촉매 비활성화의 원인인 촉매의 기공(pore) 크기 증가의 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.The drying step of the mixture is 50? 5 at 110 ℃? It is recommended to carry out for 24 hours. If the drying temperature is less than 50 ° C, the production time increases due to the lowering of the evaporation rate of the aqueous solution. It is desirable to maintain this range as there may be a problem of increased pore size.
또한, 건조물의 소성은 200 ? 900℃에서 5 ? 24 시간동안 수행하는 것이 바람직하다. 소성온도가 200℃ 미만이면 촉매 물성이 변하지 않고 단지 건조된 상태가 유지되어 촉매로서의 화학적인 결합이 이루어지기 어려우며, 900℃를 초과하는 경우에는 촉매의 산화 정도가 크고, 촉매의 상분해가 일어나기 시작하므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.In addition, the firing of the dried product is 200? 5 at 900 ℃? Preference is given to performing for 24 hours. If the calcination temperature is less than 200 ° C, the physical properties of the catalyst do not change and only the dried state is maintained, so that it is difficult to form a chemical bond as a catalyst.If the firing temperature is higher than 900 ° C, the degree of oxidation of the catalyst is large and the phase decomposition of the catalyst starts to occur. Therefore, it is preferable to maintain the above range.
일반적으로 메탄과 이산화탄소의 개질반응 촉매는 반응하기 전에 적절한 전처리 과정, 즉 환원 반응을 통하여 촉매로서의 기능을 수행하게 된다. 하지만 본 발명의 촉매는 주촉매인 텅스텐과 조촉매인 X 성분, Y 성분이 담체 표면에 균일하게 분포되어, 이에 따른 상호 시너지 효과로 인해 비활성화의 주원인인 탄소 침적을 방지하는 역할을 함으로써 환원 과정 없이도 촉매의 활성을 안정적으로 지속시켜 준다.
In general, the reforming catalyst of methane and carbon dioxide performs a function as a catalyst through an appropriate pretreatment process, that is, a reduction reaction, before the reaction. However, the catalyst of the present invention is uniformly distributed on the surface of the carrier tungsten and cocatalyst X component, Y component, thereby preventing carbon deposition, which is the main cause of deactivation due to the mutual synergy effect, without the reduction process It stably sustains the activity of the catalyst.
또한, 본 발명은 메탄과 이산화탄소의 부피비가 1 : 0.5 ~ 2.0 인 혼합기체를 상기 텅스텐계 촉매하에서 개질반응시켜 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method for producing a synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen by reforming a mixed gas having a volume ratio of methane and carbon dioxide 1: 0.5 to 2.0 under the tungsten catalyst.
상기 개질반응의 반응기로는 본 분야에서 일반적으로 사용되는 것이면 특별히 한정하지는 않으나, 구체적으로 기상의 고정층 반응기, 유동층 반응기 또는 액상의 슬러리 형태의 반응기 등을 사용하는 것이 좋다. 반응물인 메탄과 이산화탄소의 부피비는 1 : 0.5 ? 2.0 가 바람직한데, 부피비가 상기 범위를 벗어나면 한쪽 반응물의 전환율만 높아지는 비효율적인 반응이 되므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다. 상기 혼합기체는 반응물인 메탄과 이산화탄소 외에도 비활성 가스인 질소, 헬륨, 아르곤 등을 포함할 수도 있다.The reactor for the reforming reaction is not particularly limited as long as it is generally used in the art, and specifically, a fixed bed reactor, a fluidized bed reactor, or a reactor in the form of a liquid slurry may be used. The volume ratio of reactant methane and carbon dioxide is 1: 0.5? Although 2.0 is preferred, it is preferable to maintain the above range because the volume ratio is out of the above range, which results in an inefficient reaction in which only one reactant has a high conversion rate. The mixed gas may include inert gases nitrogen, helium, argon, etc. in addition to the reactants methane and carbon dioxide.
반응조건은 반응온도 650 ? 850 ℃, 반응압력 0.01 ? 1 MPa, 그리고 혼합기체의 공간속도 500 ? 100,000 ml/gcatㆍhr 범위를, 좋기로는 5,000 ? 50,000 ml/gcatㆍhr 범위를 유지하는 것이 바람직하다. 기존의 니켈계 개질 촉매를 사용하는 경우보다 반응온도를 낮추는 이유는 고온 반응으로 인한 촉매의 탄화 및 촉매의 성질 변화를 막아 촉매의 활성을 안정하게 유지토록 하기 위함이다. 반응온도가 650℃ 미만이면 반응속도가 충분치 못하여 전환이 일어나기 어려우며, 850℃를 초과하면 촉매의 탄화가 시작되어 비활성화가 촉진되는 문제가 있을 수 있다. 또한, 반응압력이 증가하면 촉매의 활성이 안정적으로 유지되나 크게 적용되는 변수는 아니며, 상기 반응압력 범위를 벗어나면 반응기 설치비용이 증가하는 등 경제성 면에서 바람직하지 못하다. 또한, 혼합기체의 공간속도가 너무 낮으면 생산성이 너무 낮아지는 문제가 있을 수 있으며, 반대로 너무 높으면 반응물과 촉매의 접촉시간이 짧아지기 때문에 촉매의 비활성화가 촉진되는 문제가 있을 수 있다.
The reaction conditions are reaction temperature 650? 850 ° C., reaction pressure 0.01? 1 MPa and the space velocity of the mixed gas 500? 100,000 ml / g cat ㆍ hr range, preferably 5,000? It is desirable to maintain a range of 50,000 ml / g cat · hr. The reason why the reaction temperature is lower than that of the conventional nickel-based reforming catalyst is to prevent the carbonization of the catalyst and the change of the properties of the catalyst due to the high temperature reaction so as to maintain the catalyst activity stably. If the reaction temperature is less than 650 ° C., the reaction rate may not be sufficient and conversion may hardly occur. If the reaction temperature is higher than 850 ° C., carbonization of the catalyst may be started to promote deactivation. In addition, when the reaction pressure is increased, the activity of the catalyst is maintained stably, but it is not a largely applied variable. If it is out of the reaction pressure range, it is not preferable in terms of economics such as an increase in reactor installation cost. In addition, if the space velocity of the mixed gas is too low, there may be a problem that the productivity is too low, on the contrary, if too high, the contact time between the reactants and the catalyst is shortened there may be a problem that promotes the deactivation of the catalyst.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 텅스텐계 촉매는 담체의 표면에 활성금속이 고루 분산되어 있으며, 또한 환원과정이 필요 없이도 메탄과 이산화탄소의 개질반응에 효과적으로 적용될 수 있다. 또한, 종래의 메탄과 이산화탄소의 개질반응용 촉매와 비교할 때 높은 전환율로 일산화탄소의 비율이 높은 합성가스를 제조할 수 있으므로, 이산화탄소를 부가가치 높은 화학제품의 원료로 전환시키는 이산화탄소의 자원화가 가능하다.
As described above, the tungsten-based catalyst of the present invention is evenly dispersed in the active metal on the surface of the carrier, and can be effectively applied to the reforming reaction of methane and carbon dioxide without the need for a reduction process. In addition, since the synthesis gas having a high ratio of carbon monoxide can be produced at a high conversion rate compared with the conventional catalyst for reforming methane and carbon dioxide, it is possible to resource the carbon dioxide for converting carbon dioxide into a raw material of high value added chemicals.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by the following Examples.
[[ 실시예Example ]]
실시예 1Example 1
지르코늄 전구체인 ZrOCl2ㆍ8H2O를 물에 녹인 다음, 담체인 SiO2와 함께 혼합하고 60℃에서 감압 증류하여 물을 증발시킨 후 60℃에서 5시간 건조시켰다. 다음으로, 상기와 같은 방법으로 텅스텐 전구체인 WO3와 루테늄 전구체인 Ru(NO)ㆍ(NO3)3을 순서대로 담지시키고, 5시간 동안 건조시킨 후에, 400℃에서 6시간 소성시켜 Ru-W-Zr/SiO2 촉매를 제조하였다. 구체적인 조성비는 하기 표 1과 같다.
Zirconium precursor of ZrOCl 2 and the 8H 2 O were dissolved in water and then mixed with a carrier of SiO 2, dry was distilled under reduced pressure at 60 ℃ evaporate water at 60
실시예 2 ~ 14Examples 2-14
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 하기 표 1의 성분 및 조성비로 Ru-W-Y/Z 촉매를 제조하였다. Y성분으로 란타늄을 선택한 경우 전구체로 La(NO3)3ㆍ6H2O을 사용하였고, Z성분으로는 Al2O3 또는 SiO2를 사용하였다.
In the same manner as in Example 1, to prepare a Ru-WY / Z catalyst in the component and composition ratio of Table 1. When lanthanum was selected as the Y component, La (NO 3 ) 3 ㆍ 6H 2 O was used as the precursor, and Al 2 O 3 was used as the Z component. or SiO 2 was used.
실시예 15 ~ 18Examples 15-18
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 하기 표 1의 성분 및 조성비로 X-W-Y/Z 촉매를 제조하였다. X 성분으로 각각 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 및 이리듐(Ir)을 선택하였으며, 전구체로는 H2PtCl6, (NH4)2PdCl6, (NH4)2RhCl6 및 H2IrCl6 을 각각 사용하였다.
The same procedure as in Example 1 was carried out, but the XWY / Z catalyst was prepared using the components and composition ratios of Table 1 below. Platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh) and iridium (Ir) were selected as X components, and H 2 PtCl 6 , (NH 4 ) 2 PdCl 6 , (NH 4 ) 2 RhCl 6 as precursors. And H 2 IrCl 6 were used, respectively.
비교예 1 ~ 2Comparative Examples 1 and 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 하기 표 1의 성분 및 조성비와 같이 W/SiO2 및 Ru/SiO2 촉매를 제조하였다.
The same procedure as in Example 1, except that W / SiO 2 and Ru / SiO 2 as shown in Table 1 Catalyst.
비교예 3Comparative Example 3
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 하기 표 1의 성분 및 조성비로 Ru-Ni-Zr/SiO2 촉매를 제조하였다. 니켈 전구체로는 Ni(NO3)2ㆍ6H2O를 사용하였다.
In the same manner as in Example 1, to prepare a Ru-Ni-Zr / SiO 2 catalyst in the component and composition ratio of Table 1 below. Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O was used as the nickel precursor.
촉매활성 평가Catalytic activity evaluation
상기 실시예 1 ? 18 및 비교예 1 ~ 3에 의하여 제조된 촉매의 성능을 비교하기 위하여 다음과 같은 방법으로 메탄과 이산화탄소의 개질반응을 40 ? 50 시간 동안 수행하였고, 반응시간 동안의 메탄 및 이산화탄소의 평균 전환율 등을 하기 표 1에 나타내었다. 먼저, 제조된 촉매는 60 ~ 80 메쉬의 크기로 0.2 g을 반응기에 충전하였다. 반응기는 외부 가열 시스템을 갖춘 고정층 관형 반응기로, 길이가 500 mm, 내경이 9.25 mm 인 스테인리스 스틸로 제작된 것을 사용하였다. 메탄과 이산화탄소의 부피비가 1:1이고 질소가 20 부피%로 포함된 혼합가스를 20,000 mL/gcatㆍhr의 유속으로 반응기에 공급하였다. 상압 분위기에서 680 ~ 850℃의 반응온도로 개질반응을 수행하였다. 반응 후 배출되는 가스는 온라인 가스크로마토그래피 시스템의 열전도도검출기로 분석하였다.Example 1 above? In order to compare the performance of the catalyst prepared according to 18 and Comparative Examples 1 to 3, the reforming reaction of methane and carbon dioxide was carried out in the following manner. It was carried out for 50 hours, the average conversion rate of methane and carbon dioxide during the reaction time is shown in Table 1 below. First, the prepared catalyst was charged 0.2 g into the reactor in the size of 60 ~ 80 mesh. The reactor was a fixed bed tubular reactor with an external heating system, made of stainless steel 500 mm long and 9.25 mm internal. A mixed gas containing a volume ratio of methane and carbon dioxide of 1: 1 and 20% by volume of nitrogen was supplied to the reactor at a flow rate of 20,000 mL / g cat · hr. The reforming reaction was carried out at a reaction temperature of 680 ~ 850 ℃ in atmospheric pressure. The gas released after the reaction was analyzed by the thermal conductivity detector of the on-line gas chromatography system.
온도
(℃)reaction
Temperature
(℃)
평균
전환율
(%)CH 4
Average
Conversion rate
(%)
평균
전환율
(%)CO 2
Average
Conversion rate
(%)
부피
비율CO / H 2
volume
ratio
(100중량부)Carrier Z
(100 parts by weight)
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서 제조한 실시예 1 ? 8의 촉매를 사용할 경우 CO2 및 CH4의 전환율이 각각 39 ~ 64 %, 24 ~ 63 %를 보이고 있으며, 일산화탄소가 수소 대비 1.0 부피비 이상으로 생성되었음을 알 수 있다. 또한 지르코늄을 란타늄으로 대체한 실시예 9 ~ 11의 촉매도 실시예 5 ? 8과 유사한 전환율을 보이고 있으며, 실시예 12 ~ 14에서와 같이 반응온도가 고온(850℃)일 경우에는 높은 전환율을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 실시예 15 ~ 18에서와 같이 X성분으로 백금, 팔라듐, 로듐 및 이리듐을 사용한 경우 일정 조성비 하에서 루테늄을 사용한 경우보다 CO2 및 CH4의 전환율이 다소 감소된 결과를 얻었으나 이는 백금족 원소들이 본 발명의 텅스텐계 촉매에서 조촉매로 작용하고 있음을 나타내는 결과이다.As shown in Table 1 above, Example 1? CO 2 when using catalyst of 8 And the conversion of CH 4 is 39 ~ 64%, 24 ~ 63%, respectively, it can be seen that the carbon monoxide was produced in more than 1.0 volume ratio relative to hydrogen. In addition, the catalysts of Examples 9 to 11 in which zirconium was replaced with lanthanum were also used in Example 5? It shows a similar conversion rate to 8, it can be seen that a high conversion rate can be obtained when the reaction temperature is a high temperature (850 ℃) as in Examples 12-14. In the case of using platinum, palladium, rhodium and iridium as X components as in Examples 15 to 18, the conversion rate of CO 2 and CH 4 was slightly reduced compared to the case of using ruthenium under a certain composition ratio. The results show that the tungsten-based catalyst acts as a promoter.
주촉매인 텅스텐만을 사용한 비교예 1의 W/SiO2 촉매와 조촉매인 루테늄만을 사용한 비교예 2의 Ru/SiO2 촉매의 경우, CO2 및 CH4의 전환율이 각각 24 ~ 25 %, 12 ~ 13 %를 보이고 있어 각각의 촉매는 어느 정도 전환율을 보이고 있으나 이들을 조합시킨 실시예 1 ~ 14의 전환율에는 크게 못미치는 결과를 보였다. 이는 본 발명의 3상 텅스텐계 촉매는 특정 성분을 적정 조성비로 함유함으로써 활성금속 상호간 결합으로 인해 시너지 효과를 나타내기 때문이다. 텅스텐을 니켈로 대체한 비교예 3의 Ru-Ni-Zr/SiO2 촉매에서는 반응 개시 후 20시간까지는 CO2 및 CH4의 평균 전환율이 각각 66%와 45%로 비교적 높은 결과를 보였으나, 도 4에서 보이듯이 개질 반응 20시간 이후 급격한 탄소침적 현상이 발생하여 전환율이 급격히 감소되었다.For the W / SiO 2 catalyst of Comparative Example 1 using only tungsten as the main catalyst and the Ru / SiO 2 catalyst of Comparative Example 2 using only ruthenium as the promoter, CO 2 And the conversion of CH 4 is shown to 24 to 25%, 12 to 13%, respectively, each catalyst shows a degree of conversion, but the results were significantly lower than the conversion of Examples 1 to 14 combining them. This is because the three-phase tungsten-based catalyst of the present invention exhibits a synergistic effect due to the bonding between the active metals by containing a specific component in an appropriate composition ratio. In the Ru-Ni-Zr / SiO 2 catalyst of Comparative Example 3 in which tungsten was replaced with nickel, the average conversion rates of CO 2 and CH 4 were relatively high at 66% and 45%, respectively, up to 20 hours after the start of the reaction. As shown in Fig. 4, a sharp carbon deposition occurred after 20 hours of the reforming reaction, and the conversion rate was drastically reduced.
도 2 ~ 3은 각각 실시예 5 및 실시예 7의 촉매를 사용한, 반응시간 경과에 따른 메탄과 이산화탄소의 전환율을 나타낸 것이다. 니켈 촉매를 사용한 도 4의 결과와 달리, 반응초기부터 40여 시간 경과 후까지 메탄과 이산화탄소의 전환율은 급격한 감소세 없이 유지되고 있으므로 촉매 표면에의 탄소침적을 억제하여 장시간 안정적인 활성이 유지되는 것을 확인할 수 있다. 이렇듯, 700℃ 부근의 저온에서도 60% 를 상회하는 높은 이산화탄소 전환율을 보이며, 장시간 활성이 안정적으로 유지되는 것은 각 성분들의 특성보다는 상호 시너지 효과에 의한 것으로 판단된다.2 to 3 show the conversion of methane and carbon dioxide over time using the catalysts of Example 5 and Example 7, respectively. Unlike the results of FIG. 4 using a nickel catalyst, since the conversion rate of methane and carbon dioxide was maintained without a sharp decrease from the beginning of the reaction after about 40 hours, it was confirmed that stable activity was maintained for a long time by suppressing carbon deposition on the surface of the catalyst. have. As such, even at low temperatures around 700 ° C., a high carbon dioxide conversion rate of more than 60% is observed, and it is judged that the long-term activity remains stable due to mutual synergies rather than characteristics of each component.
결국, 본 발명에 따른 텅스텐계 촉매를 메탄의 이산화탄소 개질반응에 적용할 경우 이산화탄소로부터 일산화탄소 비율이 높은 합성가스의 제조가 가능하므로, 이산화탄소를 부가가치 높은 화학제품의 원료로 전환하는 자원화가 가능함을 확인할 수 있었다.After all, when the tungsten-based catalyst according to the present invention is applied to the carbon dioxide reforming reaction of methane, it is possible to produce a synthesis gas having a high carbon monoxide ratio from carbon dioxide, so that it can be confirmed that it is possible to convert the carbon dioxide into a raw material of high value-added chemical products. there was.
Claims (5)
[화학식 1]
X-W-Y/Z
상기 화학식 1에서, X는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄 중에서 선택한 1종 이상이며, Y는 지르코늄 및 란타늄 중에서 선택한 1종 이상이고, Z는 담체로서 실리카 및 알루미나 중에서 선택한 1종 이상이며, 담체 100 중량부에 대하여 X는 0.1 ~ 10 중량부이고, 텅스텐은 3 ~ 25 중량부이며, Y는 1 ~ 30 중량부이다.
Tungsten-based catalyst for carbon dioxide reforming of methane represented by Formula 1 below:
[Formula 1]
XWY / Z
In Formula 1, X is at least one selected from platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, Y is at least one selected from zirconium and lanthanum, Z is at least one selected from silica and alumina as a carrier, and X is 0.1 to 10 parts by weight, tungsten is 3 to 25 parts by weight, and Y is 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight.
상기 혼합물을 50 ~ 110℃의 온도에서 건조시켜 건조물을 제조하는 단계; 및
상기 건조물을 200 ? 900℃의 온도에서 소성시키는 단계;
를 포함하는 하기 화학식 1로 표시되는 텅스텐계 촉매의 제조방법:
[화학식 1]
X-W-Y/Z
상기 화학식 1에서, X는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄 중에서 선택한 1종 이상이며, Y는 지르코늄 및 란타늄 중에서 선택한 1종 이상이고, Z는 담체로서 실리카 및 알루미나 중에서 선택한 1종 이상이며, 담체 100 중량부에 대하여 X는 0.1 ~ 10 중량부이고, 텅스텐은 3 ~ 25 중량부이며, Y는 1 ~ 30 중량부이다.
Preparing a mixture in which at least one carrier selected from silica and alumina is supported with an X component, tungsten and a Y component in accordance with the composition ratio of Chemical Formula 1 below;
Drying the mixture at a temperature of 50-110 ° C. to produce a dry matter; And
200 to the dry matter? Firing at a temperature of 900 ° C .;
Method for producing a tungsten-based catalyst represented by the formula (1) comprising:
[Formula 1]
XWY / Z
In Formula 1, X is at least one selected from platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, Y is at least one selected from zirconium and lanthanum, Z is at least one selected from silica and alumina as a carrier, and X is 0.1 to 10 parts by weight, tungsten is 3 to 25 parts by weight, and Y is 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight.
A method of preparing a synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen by reacting a mixed gas having a volume ratio of 1: 0.5 to 2.0 under a tungsten catalyst of claim 1.
According to claim 3, wherein the reaction is a synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen, characterized in that carried out at a reaction temperature of 650 ~ 850 ℃, reaction pressure 0.01 ~ 1 MPa and space velocity 500 ~ 100,000 mL / g cat ㆍ hr How to make.
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