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문제 정의
- 본 연구에서는 온도 변화에 따른 반응활성을 조사하여 적정 온도를 선택한 다음 지지체에 대한 촉매 활성 비교를 목적으로 Y-AI2Q3와 SiO2 그리고 규칙적인 세공구조를 가지고 표면적이 큰 HY-zeolite에 니켈을 담지 시켜 반응 활성을 비교하였고, HY-zeolite를 주요지지체로 하여 니켈의 담지량을 달리하여 촉매를 제조한 후이에 따른 촉매의 활성을 비교하였다. 그리고 니켈 촉매의 가장 큰 문제점인 비활성화에 대한 저항성을 가진 금속으로 알려진 알칼리토금속인 Mg, Ca 과 알칼리 금속인 K, 전이금속인 Mn 등을 조촉매로 첨가하여 반응 특성과 비활성화를 조사하였고, 가장 성능이 좋은 조촉매를 선별하여 wt% 별로 촉매를 제조하여 촉매의 활성을 비교한 다음 최적조촉매 첨가량을 확인하였다.
- 실험에 사용된 촉매의 XRD 분석을 통하여 각 촉매의 금속과 담체의 상호작용 및 반응 전후의 촉매의 결정구조에 대해서 알아보았다. Fig 6과 Fig.
가설 설정
- 1.이산화탄소 개질 반응은 반응 '온도가 증가함에. 따라 전환율이 증가하였으며, 700℃ 이상에서 80% 이상의 전환율을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 5℃ 범위에서 반응온도를 조절하였다. Furnace를 두 개 설치하여 한쪽 반응을 시키는 동안 동시에 다른 한쪽은 환원을 시킬 수 있도록 하였다. 촉매 1.
- 그리고 니켈 촉매의 가장 큰 문제점인 비활성화에 대한 저항성을 가진 금속으로 알려진 알칼리토금속인 Mg, Ca 과 알칼리 금속인 K, 전이금속인 Mn 등을 조촉매로 첨가하여 반응 특성과 비활성화를 조사하였고, 가장 성능이 좋은 조촉매를 선별하여 wt% 별로 촉매를 제조하여 촉매의 활성을 비교한 다음 최적조촉매 첨가량을 확인하였다. 제조된 촉매의 특성을 BET 비표면적, 주사전자 현미경, X선 회절 분석, 이온결합 플라즈마, 열분석 장치 등을 사용하여 분석하였다.
- 니켈 금속의 최적 담지량을 알아보기 위해 담지량을 다르게 하여 니켈 촉매를 제조하여 반응 실험을 하였다. 먼저 무게비로 5, 10, 15, 20wt%가 되도록 니켈을 담지한 촉매를 제조하여 반응 실험을 하였는데, 10wt%의 니켈을 담지시킨 촉매의 반응 활성이 5wt% 의 니켈 담지 촉매의 반응 활성에 비해 2배 이상 크게 증가하였고, 15wt%에서 가장 높은 전환율을 나타내었으며, 20wt%에서는 15wt%보다 낮은 전환율을 나타내었다.
- 담체와 촉매의 반응 전후의 표면 상태 및 탄소퇴적의 정도와 형상을 관찰하기 위하여 주사전자현미경을 이용하여 분석을 수행하였다.
- 반응 가스인 메탄은 도시가스(LNG: Natural Gas, 95% 메탄)를 사용하여 공급하였다. 반응기로 공급되는 반응물들의 비가 N2/LNG/CO2=2/1/1o] 되도록 하였고, 전체 유량은 200 ml/min으로 하여 MFC(Mass Flow Controller, GMATE 2000, LOKAS automation Co.)를 이용하여 정량 주입하였다. 반응은 대기압하에서 반응온도를 700℃로 하였고, 반응에 사용한 가스는 99.
- 반응물과 생성물의 분석은 반응기에 on-line으로 연결된 Gas Chromatography (HP 6890 series, HEWLETT PACKARD)로 하였으며, SILICA GEL packed column(60/80 mesh, Alltech)을 사용하여 carrier gas로 H2 8%/He혼합가스를 30 ml/min 속도로 흘러보내면서 Thermal Conductivity Detector (TCD)를 검출기로 사용하였다.
- 온도에 따른 전환율과 수율을 알아보기 위해서 HY-zeolite에 무게비로 10 wt%의 니켈을 담지 시킨 촉매를 사용하여 반응 실험을 행한 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 300~ 700℃에 걸쳐 반응 실험을 수행한 결과 400℃ 이하에서는 반응물 인 도시가스와 이산화탄소 이외의 다른 peak는 검출되지 않았다.
- 따른 메탄과.이 산화탄소 전환율을 측정하였고, 니켈 담지량에 따른 반응 실험을 수행한 후 최적담지량을 조사하여 제올라이트 이외에 Y-AI2O3, SiC>2 등에도 니켈을 담지시켜 반응 활성을 조사하였으며, 조촉매(Mg, Mn, K, Ca)를 첨가하였을 때 나타나는 메탄과 이산화탄소의 전환율 및 비활성화를 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 알칼리토금속 조촉매의 첨가는 촉매의 이산화탄소 화학흡착량의 증가를 가져온다고 알려져 있으며 이것은 촉매 안정성 향상과도 밀접한 관련이 있다고 여겨졌다. 전환율에서 좋은 특성을 보인 13wt%Ni/HY-zeolite촉매를 기준으로 보다 나은 메탄과 이산화탄소 전환율의 향상과 탄소침적 억제 및 소결의 감소를 목적으로 13wt%Ni/HY-zeolite 촉매에 탄소 침적에 저항성이 있는 금속으로 알려진 Mg, Ca등의 알칼리토금속과 알칼리 금속인 K, 전이 금속인 Mn을 무게비로 5wt%를 첨가하여 활성을 조사한 결과를 Fig. 5에 나타내었다. .
- 그리고 니켈 촉매의 가장 큰 문제점인 비활성화에 대한 저항성을 가진 금속으로 알려진 알칼리토금속인 Mg, Ca 과 알칼리 금속인 K, 전이금속인 Mn 등을 조촉매로 첨가하여 반응 특성과 비활성화를 조사하였고, 가장 성능이 좋은 조촉매를 선별하여 wt% 별로 촉매를 제조하여 촉매의 활성을 비교한 다음 최적조촉매 첨가량을 확인하였다. 제조된 촉매의 특성을 BET 비표면적, 주사전자 현미경, X선 회절 분석, 이온결합 플라즈마, 열분석 장치 등을 사용하여 분석하였다.
- 제조된 촉매의 특성을 알아보기 위해 반응 전 후의 촉매를 분석하였다. 지지체와 제조된 금속산화물 촉매의 결정구조를 확인하기 위하여 X-선 회절분석 (X-Ray Diffractometer, D/ Max2000-Ultimaplus, target: CuKa, 35kV, 15mA)을 수행하였고, 반응 전의 형상과 표면에 형성된 탄소의 형상을 관찰하기 위하여 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy, JSM-6335F) 을 사용하였고, 반응 후 촉매에 침적된 코크량과 코크 형성온도를 알아보기 위해 열분석장치(Thermogravimetric analyzer, TA4100)를 사용하였다.
- 지지체에 따른 반응 활성의 변화를 보기 위하여 y-Al2O3, SiO2와 산성담체로서 강한 산점을 지닌 HY-zeolite 를 지지체로 하여 니켈의 양을 각각 13wt%씩 담지시킨 촉매를 사용하여 얻은 메탄의 전환율을 Fig. 4에 나타내었다. HY-zeolite, Y-AhCh/ Si6에 담지된 니켈 촉매에서 메탄의 초기 전환율은 각각 95%, 91%, 81%로서 HY-zeolite의 초기 활성이 가장 높게 나타났다.
- 촉매를 분석하였다. 지지체와 제조된 금속산화물 촉매의 결정구조를 확인하기 위하여 X-선 회절분석 (X-Ray Diffractometer, D/ Max2000-Ultimaplus, target: CuKa, 35kV, 15mA)을 수행하였고, 반응 전의 형상과 표면에 형성된 탄소의 형상을 관찰하기 위하여 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy, JSM-6335F) 을 사용하였고, 반응 후 촉매에 침적된 코크량과 코크 형성온도를 알아보기 위해 열분석장치(Thermogravimetric analyzer, TA4100)를 사용하였다.
- 반응기는 10 mm(OD), 8 mm(ID), 300 mm(length) 인 stainless steel tube를 사용하여 제작한 고정층 연속식 반응기이고, 촉매는 반응기의 중심부에 석영솜으로 지지하였다. 촉매층 가열을 위해 온도조절이 가능한 furnace를 반응기 중간에 오도록 배치하였으며, 촉매층의 중앙에 K type 열전대를 설치하여 PID 온도조절기로 +0.5℃ 범위에서 반응온도를 조절하였다. Furnace를 두 개 설치하여 한쪽 반응을 시키는 동안 동시에 다른 한쪽은 환원을 시킬 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 00 g을 반응기에 넣고 500℃ 에서 H2/N2의 비율이 1/2인 혼합가스로 5시간 이상 환원시킨 후에 반응 실험을 하였다. 반응 가스인 메탄은 도시가스(LNG: Natural Gas, 95% 메탄)를 사용하여 공급하였다. 반응기로 공급되는 반응물들의 비가 N2/LNG/CO2=2/1/1o] 되도록 하였고, 전체 유량은 200 ml/min으로 하여 MFC(Mass Flow Controller, GMATE 2000, LOKAS automation Co.
- )를 이용하여 정량 주입하였다. 반응은 대기압하에서 반응온도를 700℃로 하였고, 반응에 사용한 가스는 99.9-99.99%의 고순도 제품을 사용하였다.
이론/모형
- 수열 합성법으로 제조한 NaY-zeolite 를 1N NH4C1 수용액에 넣고 12시간 동안 3번 반복하여 reflux하면서 이온 교환한 다음 80 ℃ 의 oven에서 12시간 동안 건조시켜 NHqY-zeolite를 제조한 후 이를 300 ℃ 에서 3시간 소성시켜 HY-zeolite를 제조하였고, 금속 담지 촉매들은 증발 건조법에 의해 제조하였다. 대표적인 니켈 담지 촉매의 경우 전구체인 Ni nitrate (Ni(NO3) 6H2O) 수용액상에서 SiQz 와 Y-AIQs, HY-zeolite 담체와 균일하게 혼합한 후 진공증발기에서 수분을 증발시킨 후 80℃에서 12시간 동안 건조하여 수분을 완전히 제거하였고, 알루미나도가니에 넣고 공기 분위기 하에서 300P에서 3시간 동안 소성하여 촉매를 제조하였다.
성능/효과
- 2. HY-zeolite에 니켈 담지량을 달리하여 반응실험을 수행한 결과, 니켈 담지량이 증가함에 따라 메탄 및 이산화탄소 전환율이 증가하였고, 13wt%에서메탄 및 이산화탄소의 전환율이 각각 93%, 89%로 가장 높았으며, 13wt% 이상에서는 오히려 전환율이 떨어졌다.
- 3.지 지체에 따른 활성비교를 목적으로 주요 담체인 HY-zeolite 이외에도 Y-AI2O3, SiCh에 13wt%의 니켈을 담지시킨 후 반응 활성을 알아본 결과, 초기반응 활성은 HY-zeolite에 담지시킨 니켈 촉매가 메탄의 전환율이 95%로 가장 높았고, 24시간 반응 후에도 메탄의 전환율이 80% 이상을 유지하였다. .
- 2에 나타내었다. 300~ 700℃에 걸쳐 반응 실험을 수행한 결과 400℃ 이하에서는 반응물 인 도시가스와 이산화탄소 이외의 다른 peak는 검출되지 않았다. 온도가 증가함에 따라 메탄과 이산화탄소의 전환율이 증가하였고, 700℃ 이상이 되었을 때 80% 이상의 전환율을 나타내었다.
- 5. X-선 회절 분석으로 반응 전후 촉매의 상태를 관찰한 결과 HY-zeolite에 담지된 NiO형태의 금속산화물이 Ni형태의 금속으로 환원되었음을 확인할 수 있었고, 조촉매 첨가 후에도 같은 상태로 환원됨을 확인하였다.
- 6.촉매에 침적된 탄소의 주된 형태는 주사전자현미경을 통하여 비활성화가 느린 속도로 진행되는 섬유 모양으로 확인할 수 있었다.
- 4에 나타내었다. HY-zeolite, Y-AhCh/ Si6에 담지된 니켈 촉매에서 메탄의 초기 전환율은 각각 95%, 91%, 81%로서 HY-zeolite의 초기 활성이 가장 높게 나타났다. 이와 같은 결과는 제올라이트에담지된 니켈 촉매를 사용한 Chang[12] 등의 보고에서도 나타나듯이제올라이트는 큰 표면적과 잘 발달된세공구조 및 이산화탄소에 대한 높은 흡착능력을 보여주기 때문으로 생각된다.
- SiC)2에 담지된 니켈 촉매의 경우 2theta 값이 38°, 43°, 63°부근에서 NiO 산화물 형태의 peak를 확인할 수 있었고, 반응 후에도 같은 위치에서 peak가 관찰된 것으로 보아 환원 과정을 거쳤음에도 불구하고 환원이 이루어지지 않았음을 알 수 있었다. Hn-zeolite에 담지된 니켈 촉매는 반응 전에는 2theta 값이 6.2°부근에서 강한 담체의 특성peak가 관찰되는데 반응 후에 없어 진 것으로 보 아 담체의 구조적인 붕괴가 일어났음을 알 수 있었고, 44.5°와 53°에서 니켈 peak를 확인함으로써 NiO의 형태가 환원 과정에서 메탄에 의한 이산화탄소 개질 반웅에 활성이 높은 Ni로 환원되어 니켈 촉매에 활성이 부여되었음을 알 수 있었다.
- HY-zeolite에 담지된 니켈 촉매의 성능 향상을 위해 Mg, Mn, K, Ca 등의 조촉매를 첨가하였을 때. Mg 첨가 시 조촉매를 첨가하지 않은 니켈 촉매와 비교하였을 때 24시간 반응 후에도 메탄의 전환율이 90% 이상으로 촉매의 활성이 10% 이상 향상됨을 보였고, Mg 조촉매의 최적 첨가량은 5wt%임을 확인할 수 있었다.
- Mg, Mn, K을 첨가한 촉매는 아무것도 첨가하지 않은 13wt%/HY-zeoKte촉매와 초기 전환율은 비슷하지만 시간이 지남에 따라 13 wt %/HY-zeolite에비해 전환율 감소가 작았다. 특히 Mg과 K을 첨가한 경우에는 Fig.
- 후의 XRD pattern을 나타낸 것이다. SiC)2에 담지된 니켈 촉매의 경우 2theta 값이 38°, 43°, 63°부근에서 NiO 산화물 형태의 peak를 확인할 수 있었고, 반응 후에도 같은 위치에서 peak가 관찰된 것으로 보아 환원 과정을 거쳤음에도 불구하고 환원이 이루어지지 않았음을 알 수 있었다. Hn-zeolite에 담지된 니켈 촉매는 반응 전에는 2theta 값이 6.
- 귀금속 담지 촉매는 니켈 담지 촉매보다 활성이 높고 코크 생성에 덜 민감하다고 보고 되어있으나, 귀금속 촉매의 높은 가격과 제한된 이용의 면에서 고려할 때 반응 활성이 높고 코크 생성에 대한 저항성이 있는 니켈 담지 촉매의 개발이 실용상의 면에서 좀 더 중요한 가치를 지니게 된다[7]. 개질 반응을 위한 촉매의 지지체로는 니켈 촉매에 대해서 Sio2 TiO2 또는 Si02-Al203, MnO-AhOa, CaO-Al2O3 등과 같은 혼합산화물 형태의 지지체들이 좋은 결과를 보여주었다. Gadalla와 Bower[8]는 AIQs를 지지체로 사용한 상업적인 니켈 촉매에서의 지지체의 효과에 대해 연구하였다.
- 먼저 무게비로 5, 10, 15, 20wt%가 되도록 니켈을 담지한 촉매를 제조하여 반응 실험을 하였는데, 10wt%의 니켈을 담지시킨 촉매의 반응 활성이 5wt% 의 니켈 담지 촉매의 반응 활성에 비해 2배 이상 크게 증가하였고, 15wt%에서 가장 높은 전환율을 나타내었으며, 20wt%에서는 15wt%보다 낮은 전환율을 나타내었다. 그 다음 최적담지량을 알아보기 위해 니켈 담지량을 10, 11, 12, 13, 14, 15wt%가 되도록 촉매를 제조하여 대기압 하에서 반응 온도 700 ℃에서 반응 활성을 실험한 결과를 Fig. 3에 나타내었는데 담지량이 증가할수록 전환율이 증가하여, 13wt%에서 메탄 및 이산화탄소의 전환율이 각각 93%, 89%로 가장 높았다. 니켈 담지량이 13wt% 이상이 되면 오히려 전환율이 떨어지는 것을 볼 수 있는데, 이것은 13wt% 이상이 담지된 촉매에서는 담지 된 니켈 입자가 담체와 실제로 결합하지 못하고 자유롭게 움직이면서 서로 뭉쳐서 더 이상 활성의 증가를 가져오지 못하고, 서로 뭉쳐진입자들이 담체 내부의 세공을 막게 되는 현상이 나타나는 것으로 생각할 수 있다.
- 하였다. 먼저 무게비로 5, 10, 15, 20wt%가 되도록 니켈을 담지한 촉매를 제조하여 반응 실험을 하였는데, 10wt%의 니켈을 담지시킨 촉매의 반응 활성이 5wt% 의 니켈 담지 촉매의 반응 활성에 비해 2배 이상 크게 증가하였고, 15wt%에서 가장 높은 전환율을 나타내었으며, 20wt%에서는 15wt%보다 낮은 전환율을 나타내었다. 그 다음 최적담지량을 알아보기 위해 니켈 담지량을 10, 11, 12, 13, 14, 15wt%가 되도록 촉매를 제조하여 대기압 하에서 반응 온도 700 ℃에서 반응 활성을 실험한 결과를 Fig.
- 300~ 700℃에 걸쳐 반응 실험을 수행한 결과 400℃ 이하에서는 반응물 인 도시가스와 이산화탄소 이외의 다른 peak는 검출되지 않았다. 온도가 증가함에 따라 메탄과 이산화탄소의 전환율이 증가하였고, 700℃ 이상이 되었을 때 80% 이상의 전환율을 나타내었다.
- Gadalla와 Sommer[ll]는 Ni/MgO 촉매로 125시간 동안 개질 반응을 수행하였고, 단시간 내에 많은 양의 탄소가 침적되는 것을 발견하였다. 이러한 연구 결과들은 지지체 자체로는 촉매적 활성이 없지만 전체적인 촉매 성능에 강하게 영향을 끼친다는 것을 보여 준다.
- 전환율 감소가 작았다. 특히 Mg과 K을 첨가한 경우에는 Fig. 5와 같이 24시간 반응 후에도 메탄의 전환율이 90% 이상으로 같은 시간을 반응시킨 니켈만 첨가한 촉매보다 반응 활성이 10 % 이상 향상됨을 보였다. Ca을 첨가한 경우 활성이 니켈만 첨가한 경우보다 적은 것을 알 수 있었는데 이는 조촉매 물질이 표면 탄소의 산화에 약간의 도움을 주지만, 니켈금속과 결합력이 약함으로 소결을 억제하지 못하기 때문이며, Xu[15] 등의 결과와 일치하게 나타났다.
- 초기에 가장 높은 전환율을 보여준 HY-zeolite는 반응이 진행됨에 따라 V-AI2Q3에 비해 반응 활성이 더 빠르게 떨어져 24시간 후의 메탄의 전환율이 각각 81%를 나타내었다. 한편, SiOz를 지지체로 사용한 촉매는 초기 메탄의 전환율이 82%에서 4시간 후 72%로 HY-zeolite나 AI2Q3를 지지체로 사용한 촉매에 비해 급격한 감소를보였는데, 이것은 반응 온도인 600 -700℃ 부근에서 활성 물질이 니켈 실리케이트 형태로 날아가 활성 물질의 감소로 인한 현상으로 열 분석을 통해 확인할 수 있었다.
- 활성 증가에 효과가 있는 우수한 조촉매로 Mg을선정하여 최적의 첨가량을 알아보기 위해 Mg의 첨가량을 세분화하여 10시간 동안 반응 실험을 한 결과 5wt%의 Mg을 첨가한 촉매가 가장 높은 전환율을 나타낸 것이 확인되었다.
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