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금속담지 ZSM-5 촉매를 사용한 에탄올로부터 방향족 화합물 제조에 관한 제올라이트의 금속성분 및 실리카/알루미나 비의 영향
Effect of Metal Addition and Silica/Alumina Ratio of Zeolite on the Ethanol-to-Aromatics by Using Metal Supported ZSM-5 Catalyst 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.51 no.4, 2013년, pp.418 - 425  

김한규 (한국화학연구원 그린화학연구단) ,  양윤철 (한국화학연구원 그린화학연구단) ,  정광은 (한국화학연구원 그린화학연구단) ,  김태완 (한국화학연구원 그린화학연구단) ,  정순용 (한국화학연구원 그린화학연구단) ,  김철웅 (한국화학연구원 그린화학연구단) ,  정성화 (경북대학교 화학과) ,  이관영 (고려대학교 화학공학과)

초록
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고정층 반응기를 사용하여 상압에서 에탄올로부터 방향족화합물 제조에 관한 ZSM-5 제올라이트의 금속성분 및 실리카/알루미나 비의 영향을 고찰하였으며, 반응온도, 중량공간속도(WHSV), 반응물인 에탄올에 물 및 메탄올 첨가 영향도 검토하였다. 촉매로는 Si/$Al_2$ 비율이 23~280 범위의 상용 ZSM-5에 Zn, La, Cu, Ga 성분을 함침시켜 촉매 활성 및 안전성 테스트에 사용하였다. 촉매의 특성분석을 위해 암모니아 승온탈착 실험($NH_3$-TPD)과 질소 흡-탈착실험을 수행하였다. 실험결과, 방향족화합물의 선택도에 관한 ZSM-5에 함침한 금속성분과 ZSM-5의 Si/$Al_2$비에 크게 영향을 받았는데, 함침금속은 Zn-La > Zn > La > Cu > Ga 순으로 감소하였으며, ZSM-5의 적절한 산점을 가진 Si/$Al_2$=50, 80에서 가장 우수하였다. 최적 반응온도($437^{\circ}C$)와 공간속도($0.8h^{-1}$)에서 방향족화합물의 선택도는 초기 72%에서 30시간 이후 56%로 서서히 감소하는 경향을 나타내었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The catalytic conversion of ethanol to aromatic compounds ETA was studied over ZSM-5 heterogeneous catalysts. The effect of reaction temperature, weight hourly space velocity (WHSV), and addition of water and methanol, which are the potential impurities of bio-ethanol, on the catalytic performance w...

주제어

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문제 정의

  • 본 연구에서는 에탄올부터 방향족화합물을 선택적으로 제조하기 위해 ZSM-5의 Si/Al2 비의 영향, Cu, Ni, Ga, La, Zn 등의 금속성분 도입 영향을 고찰하였다. 또한 최적화된 촉매를 사용하여 반응온도, WHSV, 반응물인 에탄올에 물과 메탄올의 첨가영향을 검토하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
ZSM-5 제올라이트라는 신촉매의 개발을 통해 이루어진 기술은 무엇인가? 이러한 방향족화합물의 제조는 반응물로 주로 메탄올을 사용한 연구가 다양하게 연구가 이루어지고 있다[1-10]. 석탄이나 천연가스에서 제조된 이러한 메탄올을 한 단계 반응에 의해 가솔린으로 전환(methanol-to-gasoline, MTG)하는 기술이 모빌(Mobil) 사에 의해 최초로 개발된 이후, 저급 올레핀, 디젤유, 방향족화합물 등을 선택 적으로 제조하는 기술들이 다양하게 수행되고 있다[11-14]. 이러한 획기적인 기술은 ZSM-5 제올라이트라는 신촉매의 개발을 통해 이루어졌는데, 특히, 방향족화합물의 제조에 적합한 촉매로는 주로 산촉매 및 금속성분을 포함한 촉매가 사용하고 있다.
방향족화합물은 무엇인가? 오늘날 전 세계적으로 지구의 온난화로 인한 환경 문제와 화석연료의 고갈에 따른 고유가 시대에 직면해 있으며, 이에 따라 유럽, 북미 및 일본 등 세계 각국은 석유대체 원료를 사용한 기초 화학원료 및 화학소재의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 방향족화합물은 각종 유기화합물 및 고분자물질을 제조하는 기초 원료이며, 상업적으로 원유의 리포밍 및 크래킹 공정에 의해 얻어지고 있으며, BTX로 알려진 벤젠, 톨루엔, 자일렌은 대표적 방향족화합물이다. 그러나 이러한 원유는 기 발견된 유전을 기준으로 볼 때 현재의 소비 속도로 사용된다면 수십년 내에 고갈될 것으로 예측되고 있으며, 더욱이 대형 유전의 발견 숫자나 평균 규모도 현저하게 줄어들고 있어 원유 가격은 계속적으로 급등하는 고유가 시대에 직면해 있다.
바이오에탄올을 원료로 사용한 방향족화합물의 장점은 무엇인가? 이러한 메탄올 이외에 최근 들어 바이오에탄올을 원료로 사용한 방향족화합물 제조에 관심이 고조되고 있는데, 이는 석유대체자원으로부터 쉽게 얻을 수 있는 원료인 에탄올을 사용한다는 장점에 기인한다. 이러한 에탄올은 바이오유래 원료 중에서 가장 먼저 상업화가 이루어진 제품으로 브라질 등에서 이미 수송용으로 사용되고 있다.
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참고문헌 (22)

  1. V. F. Tret'yakova, Yu. I. Makarfi, K. V. Tret'yakov, N. A. Frantsuzova, and R. M. Talyshinskii, "The Catalytic Conversion of Bioethanol to Hydrocarbon Fuel: A Review and Study," Catalysis in Industry, 2, 402-420(2010). 

  2. N. I. Youming, S. U. N. Aiming, W. U. Xiaoling, H. U. Jianglin, L. I. Tao, and L. I. Guangxing, "Aromatization of Methanol over La/Zn/HZSM-5 Catalysts," Chin. J. Chem. Eng., 19(3), 439-445 (2011). 

  3. Y. I. Makarfi, M. S. Yakimova, A. S. Lermontov, V. I. Erofeev, L. M. Koval, and V. F. Tretiyakov, "Conversion of Bioethanol over Zeolites," Chem. Eng. J., 154, 396-400(2009). 

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  7. M. Conte, J. A. Lopez-Sanchez, Q. He, D. J. Morgan, Y. Ryabenkov, J. K. Bartley, A. F. Carley, S. H. Taylor, C. J. Kiely, K. Khalid, and G. J. Hutchings, "Modified Zeolite ZSM-5 for the Methanol to Aromatics Reaction," Catalysis Science & Technology, 2, 105-112(2012). 

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  21. C. Ding, X. Wang, X. Guo, and S. Zhang, "Characterization and Catalytic Alkylation of Hydrothermally Dealuminated Nanoscale ZSM-5 Zeolite Catalyst," Catal. Commun., 9, 487-493(2007). 

  22. C. L. Williams, C.-C. Chang, P. Do, N. Nikbin, S. Caratzoulas, D. G. Vlachos, R. F. Lobo, W. Fan, and P. J. Dauenhauer, "Cycloaddition of Biomass-Derived Furans for Catalytic Production of Renewable p-Xylene," American Chemical Society, 2, 935-939 (2012). 

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