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다양한 합성 방법으로 제조된 BiFe0.65MoP0.1 산화물 촉매 상에서 n-부텐의 산화탈수소화 반응
Oxidative Dehydrogenation of n-Butenes over BiFe0.65MoP0.1 Oxide Catalysts Prepared with Various Synthesis Method 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.53 no.3, 2015년, pp.391 - 396  

박정현 (충북대학교 화학공학과) ,  신채호 (충북대학교 화학공학과)

초록
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n-부텐의 산화탈수소화에서 제조방법이 촉매의 반응활성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 $BiFe_{0.65}MoP_{0.1}$ 산화물 촉매를 모델 촉매로 선정하여 공침법, 시트르산법, 수열합성법, 주형법 등의 방법으로 촉매를 제조하였다. 제조한 촉매의 물리 화학적 특성을 알아보고 반응 활성과 연관시키기 위하여 X-선 회절분석(XRD), 질소 흡착 탈착분석($N_2$ sorption), 암모니아/1-부텐-승온탈착분석($NH_3/1$-butene-TPD) 등의 특성분석을 수행하였다. 공침법으로 제조한 촉매의 활성이 가장 높게 관찰되었으며, 14시간 동안의 산화탈수소화 반응 기준으로 n-부텐의 전환율은 79.5%, 1,3-부타디엔의 선택도는 85.1%, 1,3-부타디엔 수율은 67.7%의 수치를 보였다. 암모니아 승온탈착 실험으로부터 촉매의 반응 활성은 촉매의 산특성과 밀접하게 관련이 있으며, 공침법으로 제조한 산화물 촉매가 다른 합성방법으로 제조한 촉매와 비교하여 가장 큰 산량을 갖는 것으로 관찰되었다. 또한, 1-부텐의 승온탈착 분석결과, 촉매의 활성은 흡착된 1-부텐과 촉매의 표면반응에 기인한 중간체의 흡 탈착 특성, 즉 약하게 흡착된 중간체(< $200^{\circ}C$)의 상대적인 양과 강하게 흡착된 중간체의 탈착 온도(> $200^{\circ}C$)와 밀접하게 관련이 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

To investigate the effect of the catalyst synthesis method on the oxidative dehydrogenation (ODH) of nbutenes, $BiFe_{0.65}MoP_{0.1}$ oxide catalysts were prepared with various synthesis methods such as co-precipitation, citric acid method, hydrothermal method, and surfactant templated me...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 1-부텐의 흡착·탈착에 따른 촉매 표면의 거동을 알아보기 위해 NH3-TPD에서 사용하였던 동일한 QMS를 사용하여 1-C4H8-TPD를 수행하였다.
  • n-부텐의 전환율은 반응된 n-부텐의 몰수를 공급된 n-부텐의 몰수로 나누어 계산하였다. BD의 선택도와 수율은 탄소수를 기준으로 질량분율로 계산하였고, BD의 수율은 n-부텐의 전환율과 BD의 선택도의 곱으로 계산하였다.
  • 촉매의 산소이동성과 부텐의 흡·탈착 거동은 MvK 메카니즘을 따르는 부텐의 ODH에서 촉매의 활성을 결정짓는 중요 인자라고 알려져 있다[8,13,18]. BiFe0.65MoP0.1-x 산화물 촉매의 격자산소와 부텐의 반응을 통해 생성되는 BD의 탈착 특성을 알아보기 위하여 1-부텐-TPD를 수행하였고 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. Veniaminov[19]는 Fe-Sb 촉매상에서 1-부텐 및 BD의 승온탈착 실험에서 흡착된 종은 약하게 또는 강하게 결합된 중간체로 구분될 수 있다고 보고하였다.
  • BiFe0.65MoP0.1-x 산화물 촉매의 산성특성 알아보기 위해 NH3-TPD를 수행하였고, 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 모든 촉매는 50~350 ℃의 온도 범위에서 넓은 암모니아 탈착 피크가 관찰된다.
  • BiFe0.65MoP0.1-x 산화물 촉매의 산성특성을 알아보기 위해 질량분석기(Quadruple Mass Spectrometer, Pfeiffer, QMS 200)를 사용하여 NH3-TPD를 수행하였다. 헬륨분위기 하에서 0.
  • 여기서, trans/cis-2-부텐은 C4 잔사유에 포함되어 있기 때문에 ODH의 반응물로 간주하여 계산하였다. n-부텐의 전환율은 반응된 n-부텐의 몰수를 공급된 n-부텐의 몰수로 나누어 계산하였다. BD의 선택도와 수율은 탄소수를 기준으로 질량분율로 계산하였고, BD의 수율은 n-부텐의 전환율과 BD의 선택도의 곱으로 계산하였다.
  • 공침법, 시트르산법, 수열합성법, 주형법 등 다양한 합성방법으로 BiFe0.65MoP0.1 산화물 촉매를 제조하고 n-부텐의 산화탈수소화 반응을 수행하였다. XRD 분석 결과, 제조된 모든 촉매는 Bi3Mo2Fe1O12와 Fe2(MoO4)3 상이 주된 상으로 관찰되었고, ICP-AAS 분석을 통해 BiFe0.
  • 공침법의 A 용액 제조 시, 시트르산(C6H8O7·H2O, 99%, Samchun)을 몰리브덴 기준으로 하여 0.5의 몰 비만큼 계산된 양을 첨가하여, A 용액을 제조하였고, 각 물질들의 혼합 및 수분제거 방법은 공침법과 동일하게 처리하였다.
  • 공침법의 A 용액제조시, 올레인산 (CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH, 99%, Samchun)을 몰리브덴 기준으로 하여 0.5의 몰 비만큼 계산된 양을 첨가하여 A 용액을 제조하였고, 각 물질들의 혼합 및 수분제거 방법은 공침법과 동일하게 처리하였다.
  • 반응가스는 FID(Al2O3/KCL 컬럼, 50 m×0.32 mm)와 TCD(Porapak 컬럼, 2 m×1/8") 검출기가 장착되어 있는 가스크로마토그래프(Varian, CP3800)로 분석하였다.
  • 본 연구에서 사용한 BiFe0.65MoP0.1-x 산화물 촉매의 물리적 특성을 알아보기 위해 X-선 회절분석, 질소 흡·탈착분석을 수행하였다.
  • 상온에서 1-부텐 가스를 20 cm3·min-1로 흘려주면서 1시간 동안 부텐을 흡착시킨 후 50 cm3·min-1의 헬륨을 흘려주면서 1시간 동안 물리흡착된 부텐을 제거한 후, 상온에서 800 ℃까지 10 ℃·min-1으로 승온하여 탈착물의 변화를 관찰하였다.
  • 상온에서 600 ℃까지 10 ℃· min-1으로 승온하여 탈착되는 암모니아를 QMS로 관찰하였다.
  • 이 때 사용한 전압과 전류는 30 mA, 50 kV이고, 0.12°·min-1의 주사 속도, 2θ=10~60°의 범위에서 측정하였다.
  • 이때 m/z=18 (·H2O), 44 (·CO2), 54 (·C4H6) 그리고 56 (·C4H8)의 질량분석기 신호를 검출하였다.
  • 1 산화물 촉매가 n-부텐의 ODH에서 가장 우수한 활성을 나타내었다[12]. 이에 본 연구에서는 n-부텐의 ODH에서 높은 활성과 안정성을 나타낸 BiFe0.65MoP0.1 산화물 촉매를 모델 촉매로 선정하여 공침법, 시트르산법, 수열합성법, 그리고 주형법 등 다양한 방법으로 제조하고, n-부텐의 ODH을 수행하여 촉매 제조방법이 반응활성에 미치는 영향을 조사하였다. 제조한 촉매의 물리화학적 특성을 알아보고, 촉매제조 방법이 반응성에 미치는 영향을 조사하기 위해 X-선회절분석(X-ray Diffraction, XRD), 질소흡·탈착분석(N2 sorption), 1-부텐/암모니아-승온탈착분석(1-Butene/NH3-Temperature Programmed Desorption, 1-Butene/NH3-TPD) 등의 특성분석을 수행하였다.
  • 제조한 촉매는 합성방법에 따라 촉매조성은 BiFe0.65MoP0.1으로 고정하고 사용된 촉매는 BiFeMoP-CP, BiFeMoP-CA, BiFeMoP-HT, BiFeMoP-ST로 명명하였고 n-부텐의 ODH에 적용하여 반응 활성을 비교하였다.
  • 1에 나타냈다. 제조한 촉매의 각 상들은 JCPDS를 사용하여 상들을 구분하였다. BiFe0.
  • 제조한 촉매의 결정성을 살펴보기 위해 Siemens D-5005 기기를 사용하여 XRD 분석을 수행하였다. 이 때 사용한 전압과 전류는 30 mA, 50 kV이고, 0.
  • 제조한 촉매의 물리화학적 특성을 알아보고, 촉매제조 방법이 반응성에 미치는 영향을 조사하기 위해 X-선회절분석(X-ray Diffraction, XRD), 질소흡·탈착분석(N2 sorption), 1-부텐/암모니아-승온탈착분석(1-Butene/NH3-Temperature Programmed Desorption, 1-Butene/NH3-TPD) 등의 특성분석을 수행하였다.
  • 금속 및 비금속으로 구성된 촉매의 구성성분을 몰 비로 계산하여 Table 1에 나타내었다. 촉매의 금속 및 비금속(Fe, Mo, 그리고 P)을 Bi기준으로 계산하였다. ICP-AAS 분석을 통하여 구한 모든 촉매 구성성분의 몰 비는 합성 시첨가한 명목상 양과 잘 일치하였으며, XRD와 ICP-AAS 분석을 통해 BiFe0.

대상 데이터

  • 본 연구에서 사용된 BiFe0.65MoP0.1 산화물 촉매의 제조는 질산비스무스오수화물(Bi(NO3)3·5H2O, 98%, Samchun), 질산철구수화물(Fe(NO3)3·9H2O, 98.5%, Samchun), 몰리브덴산 암모늄 사수화물((NH4)6Mo7O24·4H2O, 99%, Samchun), 인산(H3PO4, 85% Samchun)과 암모니아용액(NH4OH, 28-30 vol.%, Samchun)을 전구물질로 사용하였으며, 공침법, 시트르산법, 수열합성법 그리고 주형법으로 촉매를 제조하였고, 촉매제조방법은 다음과 같다.

이론/모형

  • 12°·min-1의 주사 속도, 2θ=10~60°의 범위에서 측정하였다. 제조한 촉매의 비표면적 및 총 기공부피는 -196 ℃의 액체질소 온도 하에서 Micromeritics사의 ASAP 2020을 사용하여 질소흡착법으로 측정하였다. 촉매의 비표면적은 BET(Brunauer-EmmettTeller) 식을 이용하여 P/Po=0.
  • 제조한 촉매의 비표면적 및 총 기공부피는 -196 ℃의 액체질소 온도 하에서 Micromeritics사의 ASAP 2020을 사용하여 질소흡착법으로 측정하였다. 촉매의 비표면적은 BET(Brunauer-EmmettTeller) 식을 이용하여 P/Po=0.05~0.2 범위 내에서 측정한 값으로 구하였고, 총 기공부피는 P/Po=0.995에서의 흡착량으로 계산하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
BD의 95% 이상이 무엇으로 생산되는가? 1,3-부타디엔(1,3-butadiene, BD)은 SBR (Styrene Butadiene Rubber), BR (Butadiene Rubber)와 ABS (Acrylonitrile-Butadiene-Styrene) 등의 화학제품을 생산하기 위한 중요한 기초유분이다[1]. BD의 95% 이상이 나프타 분해공정의 에틸렌 생산과정의 부산물로 생산되며, 근래의 자동차와 고무 산업의 급격한 발전으로 인하여 이 공정으로는 부타디엔의 수요를 충족시키는데 한계가 있다. 그러므로 BD를 효율적으로 생산하기 위한 새로운 공정의 필요성이 대두되었으며, 그 중, n-부탄 또는 n-부텐의 산화탈수소화(Oxidative Dehydrogenation, ODH) 공정이 새로운 각광을 받고 있다.
1,3-부타디엔이란? 1,3-부타디엔(1,3-butadiene, BD)은 SBR (Styrene Butadiene Rubber), BR (Butadiene Rubber)와 ABS (Acrylonitrile-Butadiene-Styrene) 등의 화학제품을 생산하기 위한 중요한 기초유분이다[1]. BD의 95% 이상이 나프타 분해공정의 에틸렌 생산과정의 부산물로 생산되며, 근래의 자동차와 고무 산업의 급격한 발전으로 인하여 이 공정으로는 부타디엔의 수요를 충족시키는데 한계가 있다.
n-부텐의 산화탈수소화 공정이 가진 장점은? 그러므로 BD를 효율적으로 생산하기 위한 새로운 공정의 필요성이 대두되었으며, 그 중, n-부탄 또는 n-부텐의 산화탈수소화(Oxidative Dehydrogenation, ODH) 공정이 새로운 각광을 받고 있다. ODH 공정은 직접 탈수소화 공정과 비교할 때, 열역학적으로 안정하며에너지 및 비용 절감을 할 수 있는 장점을 가지고 있다[2].
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참고문헌 (20)

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