KR100837377B1 - Preparation methods for liquid hydrocarbons from syngas by using the zirconia-aluminum oxide-based fischer-tropsch catalysts - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 따라 실시예 1에서 제조된 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매 및 비교예 1에서 제조된 20 중량% Co/80 중량% Al2O3 촉매를 이용하여 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch)을 수행한 후, 반응시간에 따른 일산화탄소의 전환율을 나타낸 것이다.1 is 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst prepared in Example 1 according to the present invention and 20 wt% Co / 80 wt% Al prepared in Comparative Example 1 After Fischer-Tropsch is performed using a 2 O 3 catalyst, the conversion rate of carbon monoxide according to reaction time is shown.
도 2는 본 발명에 따라 실시예 1의 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매, 실시예 3의 20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매, 비교예 1의 20 중량% Co/Al2O3 촉매 및 비교예 2의 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% Zr/Al2O3 촉매의 기공 분포도를 나타낸 것이다.FIG. 2 shows 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst of Example 1, 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 of Example 3 according to the invention The pore distribution of the O 3 catalyst, 20 wt% Co / Al 2 O 3 catalyst of Comparative Example 1 and 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 5 wt% Zr / Al 2 O 3 catalyst of Comparative Example 2 is shown.
도 3은 본 발명에 따라 실시예 1의 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매의 전자 현미경 사진을 나타낸 것으로, (a)는 20,000 배율, (b)는 100,000 배율인 것이다.Figure 3 shows an electron micrograph of the 0.5% by weight Ru / 20% by weight Co / 5% by weight ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst of Example 1 according to the present invention, (a) is 20,000 magnification, (b) Is 100,000 magnification.
본 발명은 공침법에 의해 제조된 지르코니아와 알루미나의 혼합담체에, 활성성분으로 코발트가 담지되어, 상대적으로 기공크기가 다른 이중 세공구조를 가지고, 특정의 기공 부피비를 유지하는 촉매와, 상기 촉매 존재 하에서 합성가스(CO/H2/CO2)를 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch)반응하여 고수율의 액체탄화수소를 제조하는 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명에서는 지르코니아와 알루미나의 혼합담체를 '지르코니아-알루미나 담체'로 약칭하고, 지르코니아와 알루미나의 혼합담체에 활성성분으로 코발트가 담지된 촉매를 '코발트/지르코니아-알루미나 촉매'로 약칭한다.The present invention is a mixed carrier of zirconia and alumina prepared by the coprecipitation method, the cobalt is supported as an active ingredient, has a dual pore structure with a relatively different pore size, and maintains a specific pore volume ratio, the catalyst present Fischer-Tropsch reaction of syngas (CO / H 2 / CO 2 ) under the present invention relates to a method for producing a high yield of liquid hydrocarbon.
Hereinafter, in the present invention, the mixed carrier of zirconia and alumina is abbreviated as 'zirconia-alumina carrier', and the catalyst in which cobalt is supported as the active ingredient in the mixed carrier of zirconia and alumina is abbreviated as 'cobalt / zirconia-alumina catalyst'.
최근의 국제 유가 상승에 따라서 천연가스, 석탄 또는 바이오매스의 가스화에 의하여 생성되는 합성가스(syngas)로부터 합성석유를 제조하기 위한 기술의 중요성이 점차로 부각되고 있는 상황하에서 가스의 액체화(GTL, Gas-to-Liquid)기술에 의한 액체 탄화수소의 제조기술은 최종 제품이 액상을 형성하는 관계로 기존의 가스전 개발방식이 갖는 다음과 같은 여러 가지 문제점들을 해결할 수 있다. With the recent rise in international oil prices, the liquefaction of gas (GTL, Gas-) under the situation that the importance of the technology for producing synthetic oil from the syngas produced by the gasification of natural gas, coal or biomass is becoming increasingly important. The technology of producing liquid hydrocarbon by to-Liquid) technology can solve various problems of the existing gas field development method because the final product forms a liquid phase.
(1) 취급이 용이한 액체를 다룸으로써 가스운반에 따른 원거리 수송문제를 해결할 수 있고, (2) 별도의 운반, 입출하 및 저장 등의 시설을 구축할 필요 없이도 기존 시설을 이용할 수 있고, (3) 제품을 직접 생산함으로써 즉시 판매가 가능하고 고가에 청정연료를 판매할 수 있는 장점이 있으며, (4) 수요지로부터 멀리 떨 어져 있는 중소규모의 가스자원인 스트랜디드/리모트 가스(stranded/remote gas)의 활용이 가능하여 매장량이 약 1조 입방피트만 확보되어도 LNG 방식과 같이 별도의 운반설비 구축 없이도 경제성 있게 활용이 가능한 것으로 보고 되고 있다. (1) The handling of liquids that can be handled easily solves the problem of long distance transportation due to gas transportation, and (2) the existing facilities can be used without the need for a separate transportation, loading and storage facility. 3) By directly producing the product, it has the advantage of being able to sell it immediately and selling clean fuel at a high price. (4) Stranded / remote gas, a small and medium-sized gas resource, far from demand. It is reported that even if only 1 trillion cubic feet of reserve is secured, it can be used economically without the establishment of a separate transportation facility like the LNG system.
GTL 공정은 1920년대에 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch, 이하, F-T이라 함)합성 공정이 처음으로 개발된 후에 지속적으로 기술 개발이 이루어져 오고 있으며, F-T 합성기술에 기반한 GTL 기술은 가스전의 환경개선에 기여가 가능함과 동시에 유전에서 발생하는 가스(flared gas)를 처리하여 합성 청정연료의 생산이 가능하다. 또한, 유황성분을 거의 포함하지 않는 청정한 액체연료인 GTL 제품들이 원유를 정제하여 만들어지는 기존의 석유제품에 비하여 높은 시장가치를 얻을 수도 있다. 일례로, 미국과 유럽, 일본 등에서는 자동차용 연료인 경유의 황 함유량 규제치를 기존의 500 ppm에서 2004년부터 이미 50 ppm으로 강화하고 미래에는 10 ppm 이하로 규제를 강화시킬 전망이다. The GTL process has been continuously developed since the Fischer-Tropsch (FT) synthesis process was first developed in the 1920s, and the GTL technology based on the FT synthesis technology improves the environment of gas fields. At the same time, it is possible to produce synthetic clean fuel by treating flared gas generated in oil fields. In addition, GTL products, which are clean liquid fuels containing little sulfur, may obtain higher market value than conventional petroleum products produced by refining crude oil. For example, in the US, Europe, and Japan, the sulfur content of diesel fuel for automobiles will be increased to 50 ppm from 500 ppm in 2004 and below 10 ppm in the future.
F-T 합성유는 최근 교토의정서 발효에 따라 거세게 압박되는 선진 각국의 환경규제 강화에 효과적으로 대응할 수 있는 연료로서, Sasol의 LCA 결과에 의하면 GTL 합성연료는 유황성분 및 방향족 성분이 거의 없어서 매연 및 질소산화물 배출량이 적고 기존제품과 비교하여 대기 산성화도를 40% 이상 감소시킬 수 있는 것으로 보고되어 있다. 또한, 입자상 물질(PM, particulate matter) 배출량을 40%이상 저감할 수 있으며, F-T 합성유에 의한 경유 승용차의 보급 확대와 열효율 증가에 의하여 온실가스 배출량은 12% 이상 저감 가능한 것으로 보고되고 있다. FT synthetic oil is a fuel that can effectively cope with the strengthening of environmental regulations in advanced countries that are under increasing pressure due to the recent Kyoto Protocol entry into force. According to Sasol's LCA results, GTL synthetic fuel has almost no sulfur and aromatics, so it emits soot and nitrogen oxides. This is reported to be less than 40% compared to existing products. In addition, it has been reported that emissions of particulate matter (PM) can be reduced by more than 40%, and greenhouse gas emissions can be reduced by more than 12% by expanding the spread of diesel fuel cars by F-T synthetic oil and increasing thermal efficiency.
GTL 기술의 핵심 공정인 F-T 합성법은 1923년 독일의 화학자 Fischer와 Tropsch가 석탄가스화에 의한 합성가스로부터 합성연료를 제조하는 기술을 개발한 데서 처음으로 유래되었다. GTL 공정은 (1) 천연가스의 개질(reforming) 반응, (2) 합성가스의 F-T 합성반응 및 (3) 생성물의 개질 반응과 같이 3 단계의 주요 공정으로 구성되어 있으며, 이중에서 철 및 코발트를 촉매로 사용하여 200 ∼ 350 ℃의 반응 온도와 10 ∼ 30 기압의 압력에서 수행되는 F-T 반응은 다음과 같이 4개의 주요 반응으로 설명될 수 있다. The F-T synthesis method, a key process for GTL technology, was first derived in 1923 by German chemists Fischer and Tropsch developing a technology for producing synthetic fuel from syngas from coal gasification. The GTL process consists of three main processes: (1) reforming reaction of natural gas, (2) FT synthesis reaction of synthesis gas, and (3) reforming reaction of product. The FT reaction carried out using a catalyst at a reaction temperature of 200 to 350 ° C. and a pressure of 10 to 30 atm can be described as four main reactions as follows.
(a) 사슬성장 F-T 합성(Chain growth in F-T synthesis)(a) Chain growth in F-T synthesis
CO + 2H2 → -CH2- + H2O △H(227 ℃) = -165 kJ/molCO + 2H 2 → -CH 2- + H 2 O ΔH (227 ° C) = -165 kJ / mol
(b) 메탄화(Methanation)(b) Methanation
CO + 3H2 → CH4 + H2O △H(227 ℃) = -215 kJ/molCO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O ΔH (227 ° C) = -215 kJ / mol
(c) 수성가스 전환반응(Water gas shift reaction)(c) Water gas shift reaction
CO + H2O ↔ CO2 + H2 △H(227 ℃) = -40 kJ/molCO + H 2 O ↔ CO 2 + H 2 ΔH (227 ° C) = -40 kJ / mol
(d) 부다 반응(Boudouard reaction)(d) Boudouard reaction
2CO ↔ C + CO2 △H(227 ℃) = -134 kJ/mol2CO ↔ C + CO 2 △ H (227 ° C) = -134 kJ / mol
주요 생성물인 직쇄형 탄화수소(straight-chain hydrocarbons)의 생성 메카니즘(mechanism)은 주로 Schulz-Flory의 고분자 동역학 도식(polymerization kinetic scheme)으로 설명되고 있으며, F-T 공정에서는 60% 이상이 경유보다 고비점 생성물이 1차로 합성되므로 수소화분해(hydrocracking)의 후속 공정을 거쳐서 경유를 추가로 생산하고, 탈랍(dewaxing) 공정을 거쳐서 왁스 성분은 고품질의 윤 활기유로 전환될 수 있다. The production mechanism of straight-chain hydrocarbons, the main product, is mainly described by Schulz-Flory's polymerization kinetic scheme, where more than 60% of the FT process has a higher boiling point than diesel. Since it is synthesized primarily, it is further produced through the subsequent process of hydrocracking, and the wax component can be converted into a high quality lubricant base oil through the dewaxing process.
일반적으로 정유플랜트에 적용되는 상압잔사유나 감압잔사유를 처리하는 개질공정은 지금까지 촉매 및 공정기술의 개선으로 신뢰성이 확보된 기술이지만 F-T 합성유는 정유플랜트의 개질공정에서 처리되는 원료와는 성상 및 물성이 매우 상이하므로 적절한 탄화수소 개질공정의 개발이 추가로 요구되고 있다. F-T 반응의 1차 생산품을 처리하는 공정의 예로서는 수소화분해(hydrocracking), 탈납(dewaxing), 이성질화반응(isomerization), 알릴화반응(alylation) 등을 들 수 있으며, F-T 반응의 주요 생성물로는 나프타/가솔린(naphtha/gasoline), 중간유분(middle distillate)[고센탄가(high centane number), 황 및 불포화고리화합물이 없는(S-and aromatic-free) 액체탄화수소, α-올레핀(α-olefins), 함산소화물(oxygenates)와 왁스(wax) 등의 제품이 포함된다.In general, the reforming process for processing atmospheric residue or reduced-pressure residue oil applied to oil refining plant is a technology that has been reliably secured by the improvement of catalyst and process technology. Due to the very different physical properties, further development of suitable hydrocarbon reforming processes is required. Examples of processes for treating the primary product of the FT reaction include hydrocracking, dewaxing, isomerization, allylation, and the like. The main products of the FT reaction are naphtha. Naphtha / gasoline, middle distillate (high centane number, sulfur- and aromatic-free liquid hydrocarbons, α-olefins, Products include oxygenates and waxes.
F-T 반응을 위해서는 철 및 코발트계열 등의 촉매가 주로 사용되는데, 초기에는 철계 촉매가 주로 사용되었으나 최근에는 액체연료나 왁스의 생산을 늘리고 전환율을 향상시키기 위해서 코발트 촉매가 주류를 이루는 추세이다. 철계 촉매의 특징으로는 F-T 반응용 촉매 중에서도 가장 저가이며 고온에서 메탄 생성이 낮고 탄화수소 중 올레핀의 선택성이 높음과 동시에 제품은 연료로의 용도 이외에 경질 올레핀이나 알파올레핀으로서 화학 산업의 원료로 사용될 수 있는 특징이 있다. 이외에도 탄화수소이외의 알코올, 알데히드, 케톤 등의 부산물이 많이 생성되며, Sasol의 왁스 생산을 위하여 주로 사용되고 있는 저온 F-T 반응용 철계 촉 매는 Cu와 K의 성분이 조촉매로 함유되어 있으며 SiO2를 바인더로 사용하여 침전법으로 제조되고 있다. 또한, Sasol의 고온 F-T 촉매는 마그네타이트와 K, 알루미나, MgO 등을 용융시켜 제조하고 있다. Catalysts such as iron and cobalt series are mainly used for the FT reaction. Initially, iron catalysts were mainly used, but recently, cobalt catalysts have become the mainstream to increase the production of liquid fuels or waxes and to improve conversion. The characteristics of the iron catalyst are the lowest among the catalysts for the FT reaction, low methane production at high temperatures, high selectivity of olefins in hydrocarbons, and the product can be used as a raw material for the chemical industry as light olefins or alpha olefins as well as fuels. There is a characteristic. In addition, by-products such as alcohols, aldehydes, ketones, etc. other than hydrocarbons are produced, and iron catalysts for low-temperature FT reactions, which are mainly used for producing waxes of Sasol, contain Cu and K as cocatalysts, and SiO 2 as a binder. It is prepared by the precipitation method. In addition, Sasol's high temperature FT catalyst is manufactured by melting magnetite, K, alumina, MgO and the like.
코발트계 촉매의 특징은 Fe 촉매에 비해 고가인 단점이 있으나, 높은 활성과 긴 수명 그리고 CO2 생성량이 낮으면서 액체 파라핀계 탄화수소의 생성 수율이 높은 장점을 지니고 있다. 그러나, 고온에서는 CH4을 다량 생산하는 문제가 있어 저온 촉매로만 사용이 가능하며, 고가의 코발트를 사용하기 때문에 알루미나, 실리카, 티타니아 등의 고표면적의 안정적인 지지체 위에 잘 분산시켜 제조하고 있으며 소량의 Pt, Ru, Re 등의 귀금속 조촉매가 추가로 첨가된 형태로 사용되고 있는 실정이다. Cobalt-based catalysts have the disadvantages of being expensive compared to Fe catalysts, but have the advantages of high activity, long life, and low CO 2 generation, and high yield of liquid paraffinic hydrocarbons. However, there is a problem of producing a large amount of CH 4 at high temperatures, so it can be used only as a low-temperature catalyst. Since expensive cobalt is used, it is well dispersed and prepared on a high surface area stable support such as alumina, silica, and titania. It is a situation that is used in the form of addition of precious metal promoters, such as Ru, Re.
현재까지 개발된 F-T합성 반응기는 4가지 종류로 순환 유동층 반응기(circulating fluidized bed reactor), 유동층 반응기(fluidized bed reactor), 다관식 고정층 반응기(tubular fixed bed reactor) 및 슬러리상 반응기(slurry-phase reactor)등이 있으며, 반응기 형태에 따라 반응특성이 다르므로 합성가스의 조성과 최종반응물의 종류에 따라 적절하게 선택하여야 한다. F-T 공정 변수는 최종생산품에 따라 결정되는데 유동층 반응기 상에서는 주로 가솔린 및 올레핀을 생산하는 고온 F-T 공정이 적용되며, 다관식 고정층 반응기(MTFBR) 또는 슬러리 반응기상에서는 왁스 및 윤활기유를 생산하는 저온 F-T 공정이 상업적으로 가동되고 있다. F-T 합성반응에서는 주로 선형 파라핀 계열이 형성되지만 부반응에서 이 중결합 형태인 CnH2n의 알파-올레핀이나 알코올도 부산물로 만들어진다. Four types of FT synthesis reactors developed to date are the circulating fluidized bed reactor, the fluidized bed reactor, the tubular fixed bed reactor, and the slurry-phase reactor. Etc., and the reaction characteristics vary depending on the type of reactor, so it should be appropriately selected according to the composition of the synthesis gas and the type of the final reactant. The FT process parameters depend on the final product, where a high temperature FT process is produced mainly for gasoline and olefins in a fluidized bed reactor, while a low temperature FT process for wax and lube base oil is commercialized in a multi-tube fixed bed reactor (MTFBR) or slurry reactor. It is operating. In the FT synthesis reaction is mainly linear paraffin series form, but the alpha of the combination of the type C n H 2n in side reactions - made of olefin or alcohol is also a by-product.
한편, 일반적으로 고가의 활성성분을 분산시키기 위하여 사용되는 방법으로서 고표면적의 담체로서 알루미나, 실리카, 티타니아 등에 코발트 성분 및 기타 활성 증진 물질을 첨가하여 촉매를 제조하게 되는데, F-T 반응에서도 코발트 성분의 분산성을 증진하기 위하여 상기의 담체를 한가지 성분 또는 혼합된 형태로 제조된 촉매가 상업적으로 활용되고 있지만, 상기의 담체에 함유되는 코발트의 입자 크기가 유사한 경우에는 담체의 종류에 따른 F-T 반응 활성의 변화는 적은 것으로 보고되어 있다[Applied Catalysis A 161 (1997) 59]. 이와는 반대로, F-T 반응의 활성은 코발트 성분의 분산성 및 입자 크기에 따라서 크게 영향을 받는 것으로 보고되어 있다[Journal of American Chemical Society, 128 (2006) 3956]. 따라서, 상기의 담체 표면을 다른 금속 성분으로 전처리 하여 각 담체의 표면 성질을 변화시킴으로써 FTS 활성 증진 및 안정성을 증진시키기 위한 시도가 많이 연구되고 있는 실정이다. On the other hand, as a method generally used to disperse expensive active ingredients, a cobalt component and other activity enhancing materials are added to alumina, silica, titania, etc. as a carrier having a high surface area to prepare a catalyst. Catalysts prepared in one component or mixed form of the above carriers are commercially used to promote acidity. However, when the cobalt particles in the above carriers have similar particle sizes, the FT reaction activity changes depending on the type of carrier. Are reported to be low [Applied Catalysis A 161 (1997) 59]. In contrast, the activity of the F-T reaction is reported to be greatly affected by the dispersibility and particle size of the cobalt component [Journal of American Chemical Society, 128 (2006) 3956]. Therefore, many attempts have been made to enhance the FTS activity and enhance stability by pretreating the surface of the carrier with other metal components to change the surface properties of each carrier.
일례로, 코발트가 담지된 알루미나 담체를 사용하는 경우에는 반응 중에 생성되는 물에 의하여 감마 알루미나 표면 성질이 보헤마이트 등으로 변화될 수 있고 이로 인한 코발트 성분의 산화 속도 증가에 의하여 촉매의 비활성화 및 담체의 열적 안정성이 감소될 가능성이 존재하는데, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 실리콘 전구체를 이용하여 알루미나 표면을 전처리 하여 촉매의 안정성을 증진시키는 방법이 보고 되어 있다[PCT 공개 특허 WO2007/009680 A1]. For example, in the case of using a cobalt-supported alumina carrier, gamma alumina surface properties may be changed to boehmite due to water generated during the reaction, thereby deactivating the catalyst and increasing the rate of oxidation of the cobalt component. There is a possibility that the thermal stability is reduced. In order to solve this problem, a method of enhancing the stability of the catalyst by pretreating the surface of alumina using a silicon precursor has been reported [PCT Publication WO2007 / 009680 A1].
F-T 촉매 활성 증진을 위한 또 다른 방법으로는 실리카-알루미나 성분의 이중 다공성 구조의 촉매를 제조하여 F-T 반응 중에 생성되는 고비점 화합물의 물질전달 속도를 증진함으로써 촉매 안정성을 증진하는 방법이 보고 되고 있다[미국 공개 특허 US2005/0107479 A1; Applied Catalysis A 292 (2005) 252]. 그러나 상기의 방들은 폴리머 기질을 사용하여 이중 다공성 구조의 담체를 형성하거나 또는 미리 다른 기공 크기를 지니는 알루미나-실리카 담체를 제조하여 단순하게 혼합하는 방법으로 이중 다공성 구조의 담체를 제조하고 이를 이용하여 코발트 등의 활성 성분을 담지하는 복잡한 합성 공정을 따르고 있다. As another method for enhancing the FT catalyst activity, a method of improving catalyst stability by preparing a catalyst having a double porous structure of silica-alumina component and enhancing the mass transfer rate of the high boiling point compound generated during the FT reaction has been reported. US published patent US2005 / 0107479 A1; Applied Catalysis A 292 (2005) 252]. However, the above chambers are prepared using a polymer matrix to form a carrier having a biporous structure, or by simply preparing alumina-silica carrier having a different pore size in advance, and simply mixing the same to prepare a carrier having a biporous structure and using the cobalt. It follows the complex synthesis process which carries active ingredients, such as these.
또한, 실리카를 담체로 사용하는 경우에는 알루미나 담체와 비교하여 코발트와 담체와의 강한 상호작용으로 인하여 코발트 메탈로의 환원성 감소 및 이로 인한 활성 저하 현상이 관찰되는데 이를 극복하기 위한 방법으로서 지르코늄 등의 금속을 이용하여 실리카 표면을 전처리하여 주는 방법이 효과가 있다고 보고 되고 있다[유럽 등록 특허 EP0167215 A2; Journal of Catalysis 185 (1999) 120]. In addition, when silica is used as a carrier, reduction of cobalt metal and reduction of activity due to strong interaction between cobalt and the carrier are observed due to a strong interaction between the cobalt and the carrier. It has been reported that the method of pretreatment of silica surface using the method is effective [European Patent EP0167215 A2; Journal of Catalysis 185 (1999) 120].
상기의 방법에 의하여 제조된 F-T 촉매들은 다양한 비표면적을 보여주고 있으나, F-T 반응의 활성은 주로 코발트 성분의 입자크기 변화, 담체의 기공 크기 분포 및 코발트 성분의 환원성과 밀접한 관계가 있는 것으로 알려져 있으며 이러한 성능을 증진하기 위한 방법으로서 복잡한 합성 공정을 거쳐서 제조된 담체 상에서 잘 알려진 방법으로 코발트 성분을 함유시켜서 F-T 촉매를 제조하는 방법이 보고 되어 있다.The FT catalysts prepared by the above method show various specific surface areas, but the activity of the FT reaction is known to be closely related to the change in the particle size of the cobalt component, the pore size distribution of the carrier and the reduction of the cobalt component. As a method for enhancing the performance, a method for preparing an FT catalyst by containing a cobalt component in a well-known method on a carrier prepared through a complex synthesis process has been reported.
이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제를 경제적이며 효율적으로 해결하기 위한 방법으로, 촉매의 우수한 활성으로 열전달 및 물질전달성이 향상되어 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch)반응에 적합한 촉매를 개발하고자 연구 노력하였다.Accordingly, the present inventors have studied to develop a catalyst suitable for the Fischer-Tropsch reaction by improving heat transfer and mass transfer due to the excellent activity of the catalyst as a method for solving the above problems economically and efficiently. I tried.
그 결과, ZrO2와 Al2O3가 일정비로 함유되고 공침법으로 제조된 지르코니아-알루미나 담체에, 코발트가 공침법으로 담지되어 상기 지르코니아-알루미나 담체의 분산에 의해 형성된 작은 세공(PS1)과 공침법으로 담체에 코발트가 고르게 분산되어 형성된 큰 세공(PS2)이 동시에 존재하는 이중 세공구조(bimodal)가 형성된 촉매 제조가 가능하였다. 상기 촉매는 큰 세공과 작은 세공의 분포가 특정의 비를 유지하여, 종래의 단일 기공의 촉매에 비해 열전달 및 물질 전달이 월등히 우수할 뿐만 아니라 담체 성분인 지르코니아에 의한 알루미나 표면이 개질됨에 따라 활성 성분의 분산성 증가, 전자 상태 변화 및 환원성 등의 화학적 성질이 수반되어 이러한 촉매하에서 F-T 반응을 수행하면, 일산화탄소 및 수소의 일회 전환 반응 수율 (one-pass yield) 및 촉매의 장기 성능 안정성이 향상된다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.As a result, the small pores (PS 1 ) formed by the dispersion of the zirconia-alumina carrier and cobalt supported on the zirconia-alumina carrier containing ZrO 2 and Al 2 O 3 in a constant ratio and co-precipitated, The coprecipitation method made it possible to prepare a catalyst having a bimodal structure in which large pores (PS 2 ) formed by uniformly dispersing cobalt in a carrier were present. The catalyst has a specific ratio of large pore and small pore to maintain a specific ratio, the heat transfer and mass transfer is superior to the conventional single pore catalyst as well as the active component as the surface of the alumina is modified by the carrier component zirconia FT reaction under these catalysts is accompanied by an increase in the dispersibility, electron state change, and reducibility of the catalysts, resulting in improved one-pass yield of carbon monoxide and hydrogen and improved long-term performance stability of the catalyst. The present invention has been completed.
따라서, 본 발명은 ZrO2와 Al2O3로 구성되고 특정의 비표면적을 지니는 지르코니아-알루미나 담체에, 활성성분으로 코발트가 공침법으로 담지되어 함유되어 작은 세공과 큰 세공이 동시에 존재하는 코발트/지르코니아-알루미나 촉매, 및 이를 이용한 합성가스로부터 액체탄화수소 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention comprises cobalt / cobalt / cobalt / cobalt / cobalt which contains ZrO 2 and Al 2 O 3 and has a specific specific surface area. It is an object of the present invention to provide a method for producing liquid hydrocarbon from a zirconia-alumina catalyst and syngas using the same.
본 발명은 담체에 코발트가 활성성분으로 담지된 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응용 촉매에 있어서, 상기 촉매는 Al2O와 ZrO2가 함유된 지르코니아-알루미나 담체에, 활성성분으로 코발트가 담지된 코발트/지르코니아-알루미나 촉매로, 상대적으로 기공크기가 작은 세공(PS1)과 큰 세공(PS2)이 동시에 존재하는 이중 세공구조(bimodal)가 형성되어 있고, 상기 작은 세공(PS1)과 큰 세공(PS2)의 기공 크기의 범위가 아래와 같으며, 상기 ZrO2은 Al2O에 대하여 1 ∼ 30 중량%가 함유되고, 코발트는 총 담체에 대하여 5 ∼ 40 중량% 함유된 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응용 촉매에 그 특징이 있다.The present invention relates to a catalyst for Fischer-Tropsch reaction in which cobalt is supported as an active ingredient on a carrier, wherein the catalyst is a zirconia-alumina carrier containing Al 2 O and ZrO 2 , and cobalt is used as an active ingredient. As a supported cobalt / zirconia-alumina catalyst, a bimodal structure having a relatively small pore size (PS 1 ) and a large pore (PS 2 ) is formed at the same time, and the small pore (PS 1 ) is formed. The pore sizes of and large pores (PS 2 ) are as follows, wherein ZrO 2 is contained in an amount of 1 to 30% by weight based on Al 2 O, and cobalt is contained in an amount of 5 to 40% by weight based on the total carrier. It is characterized by the catalyst for the Fischer-Tropsch reaction.
2 ≤ PS1 ≤ 10 ㎚2 ≤ PS 1 ≤ 10 nm
10 < PS2 ≤ 200 ㎚10 <PS 2 ≤ 200 nm
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
통상적으로 합성가스를 이용하여 액체 탄화수소를 제조하는 F-T 반응에 있어서 고가의 활성성분을 분산시키기 위하여 고표면적의 담체로서 알루미나, 실리카 및 티타니아 등에 코발트 성분 및 기타 활성 증진 물질을 첨가하여 촉매를 제조하게 되는데, 상기의 담체를 단독으로 사용하는 경우에는 코발트 성분의 분산성 및 환원성이 감소 및 반응 중에 생성되는 고비점 화합물의 기공 막힘 현상이 발생하여 촉매의 비활성화가 빠르게 진행되는 단점이 존재한다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 상기의 담체를 제 2성분으로 전처리하여 각 담체의 성질을 변화시킴으로써 Fischer-Tropsch Synthesis(FTS) 활성 증진 및 안정성을 증진시키기 위한 시도가 많이 되고 있다. In general, in the FT reaction for preparing a liquid hydrocarbon using synthesis gas, a cobalt component and other activity enhancing materials are added to alumina, silica, titania, etc. as a high surface area carrier to disperse expensive active ingredients. In the case of using the above carrier alone, there is a disadvantage in that the dispersibility and reducibility of the cobalt component are reduced and the pore blocking phenomenon of the high boiling point compound generated during the reaction occurs, thereby deactivating the catalyst rapidly. In order to overcome this problem, many attempts have been made to enhance Fischer-Tropsch Synthesis (FTS) activity and improve stability by pretreating the carrier with the second component and changing the properties of each carrier.
알루미나 담체의 경우에는 반응 중에 생성되는 물에 의하여 감마 알루미나 표면 성질이 보헤마이트 등으로 변화될 수 있는 단점이 있어서 알루미나의 열적 안정성을 증가시키기 위한 방법으로 제2의 다른 성분으로 전처리를 수행하는 방법이 다양하게 소개되어 있다. 또한, 실리카를 담체로 사용하는 경우에는 알루미나 담체와 비교하여 코발트와 담체와의 강한 상호작용으로 인하여 코발트 메탈로의 환원성 감소 및 이로 이한 활성 저하 현상이 관찰되는데 이를 극복하기 위한 방법으로서 지르코늄 등의 금속을 이용하여 실리카 표면을 전처리하여 주는 방법 등이 기존 기술로 소개되어 있다. 특히, 효과적인 방법으로서 이중 다공성 구조의 담체를 사용하여 반응 중에 생성되는 고비점 화합물의 물질전달 속도 및 열전달 속도를 증가시켜서 촉매의 장기 성능 안정성을 확보하기 위한 시도가 많이 이루어져 왔다.In the case of the alumina carrier, the surface properties of gamma alumina may be changed to boehmite by water generated during the reaction. Thus, a method of increasing the thermal stability of the alumina as a method of performing pretreatment with another second component is There are various introductions. In addition, when silica is used as a carrier, reduction of cobalt metal and reduction of activity due to strong interaction between cobalt and the carrier are observed due to a strong interaction between the cobalt and the carrier. The method of pretreatment of the silica surface by using is introduced by the existing technology. In particular, as an effective method, many attempts have been made to secure long-term performance stability of catalysts by increasing the mass transfer rate and heat transfer rate of high-boiling compounds produced during the reaction by using a carrier having a double porous structure.
종래에는 지르코니아와 알루미나 성분을 사용하여 이중 세공구조를 갖는 문헌이 공지되어 있는 바[대한민국 특허등록 제10-388310호] 이러한 담체는 0.05 ∼ 1 ㎛와 1 ∼ 10 ㎛ 범위의 세공 분포를 지니며, 담체를 각 성분의 분말체를 혼련하는 방법으로 제조하고, 여기에 활성 성분을 담지하는 방법으로 넓은 영역의 기공 분포를 갖는 촉매를 제조하는 데 특징이 있는 발명이다.Conventionally, a document having a double pore structure using zirconia and alumina components is known. [Korean Patent Registration No. 10-388310] Such a carrier has a pore distribution in the range of 0.05-1 μm and 1-10 μm. The invention is characterized in that a carrier is prepared by kneading powder of each component, and a catalyst having a wide distribution of pores by a method of supporting the active ingredient therein is produced.
즉, 상기 발명은 이중의 세공분포를 갖는 지르코니아-알루미나 담체에 활성성분을 담지시켜 제조된 촉매이나, 본 발명은 10 nm 이하의 작은 세공을 갖는 단일 세공의 지르코니아-알루미나 담체에 코발트를 담지시켜 큰 세공을 형성하는 이중 세공 구조의 촉매에 관한 발명인 바, 공지된 발명은 이중세공의 담체, 본 발명은 이중세공의 촉매에 그 대상이 전혀 다름을 알 수 있다. 또한, 상기와 같은 차이로 인하여 이들 촉매는 기공크기, 비표면적 등이 전혀 다르게 나타나고 이로 인한 촉매의 사용용도가 전혀 다른 바, 공지된 발명은 탄화수소류의 전환반응용이고 본 발명은 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응용으로 차이가 있다.That is, the present invention is a catalyst prepared by supporting an active ingredient on a zirconia-alumina carrier having a double pore distribution, but the present invention is a large pore by supporting cobalt on a single pore zirconia-alumina carrier having a small pore of 10 nm or less Since the invention relates to a catalyst having a double pore structure for forming pores, it is understood that the known invention is a carrier of the double pore, and the present invention is completely different from the catalyst of the double pore. In addition, due to the above differences, these catalysts have completely different pore sizes, specific surface areas, and the like, and thus the use of the catalysts is completely different. Therefore, the known inventions are used for converting hydrocarbons and the present invention is Fischer-Tropsch. There is a difference for the (Fischer-Tropsch) reaction.
촉매 분야에서 동일한 촉매를 사용하더라도 그 분야 및 활성성분이 상이하면 그 효과 및 촉매의 활성이 전혀 다르게 나타난 다는 것은 자명한 사실이다. 본 발명과 공지문헌은 그 담제의 성분이 유사할 뿐 담체의 구조, 담체 세공의 크기, 담체 제조방법, 활성성분, 촉매의 용도 등이 전혀 다르게 구성되는 바, 이들 촉매는 전혀 다르다.Even if the same catalyst is used in the field of catalysts, it is obvious that the effects and the activity of the catalysts are completely different when the field and the active ingredients are different. The present invention and the known literature have similar components, but the structure of the carrier, the size of the carrier pores, the preparation method of the carrier, the active ingredient, the use of the catalyst, etc. are completely different, and these catalysts are completely different.
결론적으로, 본 발명은 담체에 특징이 있는 것이 아니라 상기 미세한 단일기공을 갖는 담체에 활성성분으로 코발트가 담지되어 이중 세공구조를 형성하는 코발트/지르코니아-알루미나 촉매를 이용하여 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 수행하는 것으로, 상기 분야에 이러한 촉매가 적용된 바가 없다.In conclusion, the present invention is not characterized in the carrier, but using a cobalt / zirconia-alumina catalyst in which cobalt is supported as an active ingredient on the carrier having the fine single pore to form a double pore structure. By performing the Tropsch reaction, no such catalyst has been applied in the art.
본 발명은 일반적인 F-T 촉매 제조 방법과는 상이한 방법을 도입하여 이중 다공성 세공 구조의 코발트가 함유된 지르코니아-알루미나 촉매를 제조하는 방법을 제시한다. The present invention proposes a method for preparing a zirconia-alumina catalyst containing cobalt having a double porous pore structure by introducing a method different from a general method for preparing a F-T catalyst.
즉, 본 발명은 알루미나와 지르코니아의 담체제조 및 상기 담체에 활성성분인 코발트의 담지 시 공침법을 사용하여 이중 세공 구조의 촉매를 형성하게 된다. 상기 공침은 당 분야에서 일반적으로 알려져 있는 방법이긴 하나, 본 발명은 담체의 미세 세공을 형성하기 위하여 적절한 침전제 및 침전 조건하에서 지르코니아와 알루미늄 전구체를 공침하여 1차로 10 nm 이하의 영역으로만 균일하게 형성되는 단일 미세 세공의 지르코니아-알루미나 담체를 제조하였으며, 이를 이용하여 코발트 성분을 2차로 공침하여 이중 세공 구조의 촉매를 제조하여 반응에 사용하는 것을 특징으로 수행되는 바, 미세 세공의 담체 및 이중 세공 구조의 F-T 촉매를 합성하는 방법을 기존의 방법으로는 용이하게 변경이 가능하지 못하다.That is, the present invention uses a coprecipitation method for preparing a carrier of alumina and zirconia and carrying cobalt as an active ingredient on the carrier to form a catalyst having a double pore structure. Although the co-precipitation is a method generally known in the art, the present invention co-precipitates zirconia and aluminum precursor under the appropriate precipitant and precipitation conditions to form micropores of the carrier and uniformly form only the area of 10 nm or less first. A single microporous zirconia-alumina carrier was prepared, and the cobalt component was secondaryly coprecipitated to prepare a catalyst having a double pore structure and used for the reaction. The method of synthesizing the FT catalyst is not easily changeable by the existing method.
또한, 기존에 알려진 공침법으로 촉매를 제조하는 경우에는 넓은 영역에 걸친 기공 분포도를 지니는 담체가 형성되고 이를 사용하여 코발트 성분을 담지하는 경우에는 촉매의 활성이 우수하지 못한 단점이 존재하게 된다. 이러한 현상은 담체의 기공 분포도가 너무 큰 영역에서는 오히려 코발트 성분의 분산성이 감소하여 촉매의 활성이 감소하며, 10 nm 이하의 기공 분포도를 지니는 담체를 사용하는 경우에 F-T 촉매 활성이 우수하다는 보고[Journal of Molecular Catalysis A 247 (2006) 206]가 있는데, 본 발명에서는 10 nm 이하의 균일한 세공 구조를 지니는 지르코니아-알루미나 담체를 1차로 합성하여 코발트 성분을 공침함으로써 코발트 성분의 분산성을 향상함과 동시에 반응 중에 생성되는 고비점 화합물에 의한 기공 막힘 현상이 코발트 활성 성분이 주를 이루는 큰 세공에서 동시에 억제할 수 있는 이중 세공 구조의 촉매를 제조할 수 있었다. 따라서, 본 발명에서는 공침법에 의 하여 10 nm 이하의 균일한 단일 세공 분포를 지니는 지르코니아-알루미나 담체를 제조하고, 상기 단일 기공의 담체에 활성성분인 코발트를 공침법으로 균일하게 담지시켜 촉매의 활성을 향상함과 동시에 코발트 성분으로 구성되는 담체에 비하여 상대적으로 큰 기공을 동시에 형성할 수 있어서 이중의 기공 구조를 지니는 코발트/지르코니아-알루미나 촉매 상에서 F-T 촉매의 활성을 향상할 수 있는 방법을 제시하였다.In addition, when the catalyst is prepared by a known coprecipitation method, a carrier having a pore distribution over a wide area is formed, and when using the cobalt component to support the catalyst, there is a disadvantage in that the activity of the catalyst is not excellent. These phenomena reported that the dispersibility of the cobalt component was decreased in the region where the pore distribution of the carrier was too large, thereby decreasing the activity of the catalyst, and that the FT catalyst activity was excellent when the carrier having a pore distribution of 10 nm or less was used [ Journal of Molecular Catalysis A 247 (2006) 206]. In the present invention, a zirconia-alumina carrier having a uniform pore structure of 10 nm or less is first synthesized to co-precipitate the cobalt component to improve the dispersibility of the cobalt component. At the same time, it was possible to prepare a catalyst having a double pore structure in which pore clogging due to the high boiling point compound generated during the reaction can be simultaneously suppressed in the large pores mainly composed of the cobalt active component. Accordingly, in the present invention, a zirconia-alumina carrier having a uniform single pore distribution of 10 nm or less is prepared by the coprecipitation method, and cobalt, which is an active ingredient, is uniformly supported on the carrier of the single pore by the coprecipitation method to activate the catalyst. In the present invention, a method of improving the activity of the FT catalyst on a cobalt / zirconia-alumina catalyst having a double pore structure by simultaneously forming a relatively large pore compared to a carrier composed of a cobalt component is proposed.
일반적으로 알루미나 성분을 사용한 담체는 넓은 영역의 기공 분포도를 지니는 특징이 있으며, 졸-겔 방법 및 침전법 등의 방법이 주로 사용되는 바, 이 경우에는 단일 기공 형태가 넓은 영역에 분포하게 되어, 여기에 코발트를 담지시키는 경우에는 입자의 분포가 균일하지 못하면서 입자 크기가 증가하는 문제가 있다. 이러한 촉매를 사용하여 F-T 반응을 수행하는 경우 반응 중에 생성되는 고비점 화합물에 의하여 작은 세공의 기공 막힘 현상이 심하여 촉매의 활성이 급격하게 감소하는 문제점이 발생할 수 있다. 그러나, 본 발명은 공침법에 의해 상대적으로 작은 기공과 큰 기공이 동시에 존재하는 이중 세공 구조를 갖는 코발트/지르코니아-알루미나 촉매하에서, F-T 반응을 수행하여 목적으로 하는 액체탄화수소의 높은 수율을 확보할 수 있다.In general, the carrier using the alumina component is characterized by having a wide range of pore distribution, and methods such as sol-gel method and precipitation method are mainly used. In this case, a single pore form is distributed in a wide area. In the case of supporting the cobalt, there is a problem in that the particle size is increased while the distribution of particles is not uniform. When the F-T reaction is performed using such a catalyst, pore blocking of small pores may be severe due to the high boiling point compound generated during the reaction, which may cause a sudden decrease in the activity of the catalyst. However, the present invention can secure a high yield of the target liquid hydrocarbon by performing an FT reaction under a cobalt / zirconia-alumina catalyst having a double pore structure in which both small pores and large pores are present by coprecipitation. have.
상기의 F-T 반응용 촉매의 담체로서 사용된 지르코니아-알루미나는 공침법에 의하여 제조되었으며 기공 크기가 10 nm 이하인 세공의 비표면적이 150 ∼ 400 ㎡/g의 영역을 지니게 되며, 지르코니아-알루미나 담체에서 지르코늄 금속은 알루미나에 대하여 1 ∼ 30 중량% 범위로 사용한다. 상기 사용량이 1 중량% 미만이면 활성 성분인 코발트의 분산성 및 환원성 증진에 영향이 적어서 활성이 감소하는 문제가 있으며, 30 중량%를 초과하는 경우에는 지르코니아-알루미나 담체의 비표면적이 감소하여 코발트의 분산성이 감소하는 문제가 발생할 수 있으므로 상기의 영역을 유지할 필요성이 있다. The zirconia-alumina used as the carrier for the FT reaction catalyst is prepared by coprecipitation and has a specific surface area of 150 to 400 m 2 / g of pores having a pore size of 10 nm or less, and zirconium in a zirconia-alumina carrier The metal is used in the range of 1 to 30% by weight based on the alumina. If the amount is less than 1% by weight, there is a problem in that activity is reduced due to less effect on the dispersibility and reduction of the active ingredient cobalt, and when it exceeds 30% by weight, the specific surface area of the zirconia-alumina carrier is reduced to There may be a problem that the dispersibility decreases, so there is a need to maintain the above area.
본 발명의 촉매는 다음과 같은 2가지 방법으로 촉매를 제조할 수 있다.The catalyst of the present invention can be prepared by the following two methods.
첫째는 지르코늄 전구체와 알루미나 전구체가 함유된 혼합 수용액과, 염기성 침전제를 가하여 pH 7 ∼ 8하에서 공침시킨 후, 숙성 및 300 ∼ 900 ℃에서 소성하여 지르코니아-알루미나 담체를 제조하는 1 단계와, 상기 제조된 지르코니아-알루미나 담체와 코발트 전구체가 함유된 수용액과, 염기성 침전제를 가하여 pH 7 ∼ 8하에서 공침시킨 후, 숙성 및 200 ∼ 700 ℃에서 소성하여 작은 세공(PS1)과 큰 세공(PS2)의 기공 크기의 범위가 상기와 같은 이중 다공성 구조를 지니는 코발트/지르코니아-알루미나 촉매를 제조하는 2 단계로 구성된 방법이다.Firstly, a mixed aqueous solution containing a zirconium precursor and an alumina precursor and a basic precipitant were added to coprecipitate at pH 7 to 8, then aged and calcined at 300 to 900 ° C. to prepare a zirconia-alumina carrier, Aqueous solution containing a zirconia-alumina carrier and a cobalt precursor and a basic precipitant were added to coprecipitate at pH 7-8, and then aged and calcined at 200-700 ° C. to form pores of small pores (PS 1 ) and large pores (PS 2 ). The range of sizes is a two-step process for preparing a cobalt / zirconia-alumina catalyst having such a double porous structure.
두 번째는 지르코늄 전구체와 알루미나 전구체가 함유된 혼합 수용액과, 염기성 침전제를 가하여 pH 7 ∼ 8하에서 공침시킨 후, 숙성하여 슬러리상의 지르코니아-알루미나 담체를 제조하는 1 단계, 코발트 전구체가 함유된 수용액과, 염기성 침전제를 가하여 pH 7 ∼ 8하에서 공침시킨 후, 숙성하여 코발트 슬러리를 제조하는 2 단계, 및 상기 제조된 슬러리상의 지르코니아-알루미나 담체와 코발트 슬러리를 혼합 한 후, 건조 및 200 ∼ 700 ℃에서 소성하여 작은 세공(PS1)과 큰 세공(PS2)의 기공 크기의 범위가 상기와 같은 이중 다공성 구조의 코발트/지르코니아- 알루미나 촉매를 제조하는 3 단계로 구성된 방법이다.The second step is a mixed aqueous solution containing a zirconium precursor and an alumina precursor, coprecipitated at pH 7-8 by adding a basic precipitant, and then aged to prepare a slurry-like zirconia-alumina carrier, an aqueous solution containing a cobalt precursor, After coprecipitation at pH 7-8 by adding a basic precipitant, aging to prepare a cobalt slurry, and after mixing the slurry-like zirconia-alumina carrier and cobalt slurry, dried and calcined at 200 ~ 700 ℃ The pore size range of the small pores (PS 1 ) and the large pores (PS 2 ) is a method consisting of three steps to prepare a cobalt / zirconia-alumina catalyst having such a double porous structure.
상기 지르코니아-알루미나 담체는 공침법으로 제조하는 바, 공침법은 당 분야에서 일반적으로 수행되는 방법으로 침전제를 사용하여 수행한다. 이때, 반응 원료로 사용되는 각 금속의 전구체는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것을 특별히 한정하지는 않으나, 구체적으로 알루미나 전구체는 알루미늄나이트레이트(Al(NO3)3·9H2O) 및 알루미늄이소프록폭사이드(Al[OCH(CH3)2]3), 지르코늄 전구체는 지르코늄나이트레이트(Zr(NO3)2·2H2O) 및 지르코늄클로로옥사이드(ZrCl2O·8H2O) 등이 사용될 수 있다. 공침 시 pH 7 ∼ 8을 유지하기 위하여 침전제로는 염기성 침전제를 사용하는 바, 구체적으로 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산칼륨(K2CO3), 탄산암모니움((NH4)2CO3) 및 암모니아수 등을 사용할 수 있다.The zirconia-alumina carrier is prepared by the coprecipitation method, the coprecipitation method is carried out using a precipitant in a method generally performed in the art. At this time, the precursor of each metal used as the reaction raw material is not particularly limited to those commonly used in the art, specifically, the alumina precursor is aluminum nitrate (Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O) and aluminum isoprop width As the side (Al [OCH (CH 3 ) 2 ] 3 ), the zirconium precursor, zirconium nitrate (Zr (NO 3 ) 2 .2H 2 O), zirconium chlorooxide (ZrCl 2 O. 8H 2 O), etc. may be used. . In order to maintain pH 7-8 during coprecipitation, a basic precipitant is used as a precipitating agent. Specifically, sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), potassium carbonate (K 2 CO 3 ), and ammonium carbonate ((NH 4 ) 2 CO 3 ) And aqueous ammonia can be used.
상기의 알루미나 및 지르코늄 금속 전구체는 pH 7 ∼ 8의 수용액 하에서 상기에서 선택된 침전제를 사용하여 공침시킨 후, 40 ∼ 90 ℃의 영역에서 숙성하여 침전물을 여과 및 세척하여 사용하며, 상기의 지르코니아-알루미나 담체의 조성은 지르코늄 산화물 1 ∼ 30 중량% 및 Al2O3 70 ∼ 99 중량%를 함유하도록 제조하게 된다. 상기 제조된 담체의 숙성온도가 40 ℃ 미만이면 F-T 반응에 적절한 미세 단일 기공 구조의 지르코니아-알루미나 담체의 형성이 어려우며, 90 ℃를 초과하는 경우에는 담체의 입자 크기가 증가하여 비표면적이 감소하는 문제가 발생한다. 이러한 숙성은 0.1 ∼ 15시간, 바람직하게는 0.5 ∼ 10 시간동안 수행되는 바, 이 는 제시된 숙성시간 영역에서 활성이 우수한 촉매 담체의 구조 형성이 유리하다. 상기 숙성 시간이 0.1 시간 미만이면 지르코니아-알루미나 담체 구조가 잘 발달되지 않아서 반응 면에서 불리하며, 15 시간을 초과하는 경우에는 입자 크기가 증가하여 활성점이 감소하고 합성 시간이 증가하여 경제적이지 않으므로 적절하지 못하다. The alumina and zirconium metal precursors are co-precipitated using the precipitant selected above under an aqueous solution of pH 7 to 8, then aged in a range of 40 to 90 ° C. to filter and wash the precipitate, and the zirconia-alumina carrier. The composition of is prepared to contain 1 to 30% by weight of zirconium oxide and 70 to 99% by weight of Al 2 O 3 . When the aging temperature of the prepared carrier is less than 40 ℃, it is difficult to form a zirconia-alumina carrier having a fine single pore structure suitable for the FT reaction, and when the temperature exceeds 90 ℃, the particle size of the carrier increases to decrease the specific surface area Occurs. This maturation is carried out for 0.1 to 15 hours, preferably 0.5 to 10 hours, which is advantageous in the formation of the structure of the catalyst carrier having excellent activity in the region of the given maturation time. If the aging time is less than 0.1 hours, the zirconia-alumina carrier structure is not well developed, which is disadvantageous in terms of reaction, and if it exceeds 15 hours, the particle size increases, the active point decreases, and the synthesis time increases, which is not economical. Can not do it.
상기의 방법으로 제조된 침전물은 세척 과정을 거친 후에 100 ℃ 이상의 오븐에서 하루 정도 건조시킨 후에 상기 제조된 침전물에 코발트 성분을 담지 시킨 후에 소성하여 F-T 반응에 사용하거나, 또는 지르코니아-알루미나 담체를 소성한 후 코발트 성분을 담지 시킬 수 있다. The precipitate prepared by the above method is dried in an oven at 100 ° C. or more after a washing process, and then calcined after supporting the cobalt component in the prepared precipitate, which is used for FT reaction, or calcined zirconia-alumina carrier. After the cobalt component can be supported.
구체적으로 상기 제조된 지르코니아-알루미나 담체를 이용하여 활성 성분인 코발트를 함유시키는 구체적인 방법은 다음과 같이 두 방법으로 대별할 수 있다. Specifically, the specific method of containing the active ingredient cobalt using the prepared zirconia-alumina carrier can be roughly divided into two methods as follows.
먼저 상기의 방법으로 제조된 분말상의 지르코니아-알루미나 담체를 이용하여 슬러리 용액을 제조하고, 코발트 전구체를 pH 7 ∼ 8의 수용액 하에서 공침제를 이용하여 공침시킨 후 40 ∼ 90 ℃의 영역에서 숙성하여 침전물을 여과 및 세척하여 사용하며, 상기의 코발트 성분의 함량은 지르코니아-알루미나 담체 대비 5 ∼ 40 중량% 함유하도록 F-T 촉매를 제조하게 된다. 상기 코발트 함량이 5 중량% 미만이면 F-T 반응에 필요한 활성 성분 감소에 의한 전환율 및 고비점 화합물의 생셩량이 감소하는 문제가 발생할 수 있으며, 40 중량%를 초과하는 경우에는 값 비싼 코발트 성분의 사용에 촉매 제조비용의 증가 뿐만 아니라 코발트 성분의 분산성이 감소하여 코발트 사용량 대비 활성 증가가 미미한 문제가 발생하므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.First, a slurry solution is prepared using a powdery zirconia-alumina carrier prepared by the above method, and the cobalt precursor is coprecipitated with a coprecipitation agent under an aqueous solution of pH 7-8, and then aged in a range of 40-90 ° C. to precipitate. It is used to filter and wash, the content of the cobalt component is to prepare the FT catalyst to contain 5 to 40% by weight relative to the zirconia-alumina carrier. If the cobalt content is less than 5% by weight, there may be a problem in that the conversion rate and the yield of high-boiling compounds due to the reduction of the active ingredient required for the FT reaction may be reduced. It is preferable to maintain the above range because the dispersibility of the cobalt component decreases as well as the increase in manufacturing cost, which causes a slight increase in activity relative to the amount of cobalt used.
상기 공침 시 pH 7 ∼ 8을 유지하기 위하여 염기성 침전제를 사용하는 바, 상기 염기성 침전제는 상기에서 언급한 것과 동일하다. 상기 숙성은 40 ∼ 90 ℃, 바람직하기로는 50 ∼ 80 ℃에서 수행하는 바, 상기 제조된 촉매의 숙성온도가 40 ℃ 미만이면 균일한 입자 형태의 코발트 생성이 어려워 F-T 반응에 적절한 코발트 성분의 담지가 어려우며, 90 ℃를 초과하는 경우에는 응집 현상에 의한 코발트의 입자 크기가 증가하여 비표면적이 감소하며 반응 활성이 떨어지는 문제가 발생한다. 이때, 숙성시간은 0.1 ∼ 15 시간, 바람직하게는 0.5 ∼ 10 시간으로 유지하는 것이 적절한데, 이는 제시된 숙성시간 영역에서 활성이 우수한 코발트가 함유된 지르코니아-알루미나 촉매의 형성이 유리하다. 상기 숙성 시간이 0.1 시간 미만으로 짧으면 코발트의 분산성이 감소하여 F-T 반응 면에서 불리하며, 15 시간을 초과하는 경우에는 코발트의 입자 사이즈가 증가하여 활성점이 감소하고 합성 시간이 증가하여 경제적이지 않으므로 적절하지 못하다. In order to maintain pH 7 to 8 during the coprecipitation, a basic precipitant is used, and the basic precipitant is the same as mentioned above. The aging is carried out at 40 ~ 90 ℃, preferably 50 ~ 80 ℃, if the aging temperature of the prepared catalyst is less than 40 ℃ it is difficult to produce cobalt in the form of uniform particles, so that the support of the cobalt component suitable for FT reaction It is difficult, if it exceeds 90 ℃ cobalt particle size increases due to the aggregation phenomenon, the specific surface area is reduced and the reaction activity is deteriorated. At this time, the aging time is appropriately maintained at 0.1 to 15 hours, preferably 0.5 to 10 hours, which is advantageous in the formation of a zirconia-alumina catalyst containing cobalt having excellent activity in the range of aging time presented. If the aging time is less than 0.1 hours, the dispersibility of cobalt decreases, which is disadvantageous in terms of FT reaction, and if it exceeds 15 hours, the cobalt particle size increases, the active point decreases, and the synthesis time increases, which is not economical. I can't.
상기의 방법으로 제조된 침전물은 세척 과정을 거친 후에 100 ℃ 이상, 구체적으로 100 ∼ 150 ℃의 오븐에서 하루 정도 건조시킨 후에 상기 제조된 침전물을 F-T 반응용 촉매 합성에 바로 사용하거나 2차로 귀금속 촉매 성분을 담지한 후에 소성하여 사용할 수 있다. The precipitate prepared by the above method is dried after washing for one day in an oven at 100 ° C. or higher, specifically, 100 to 150 ° C., and then the precipitate is directly used for the synthesis of the catalyst for the FT reaction or is a secondary metal catalyst component. It may be calcined and used after supporting.
또한, 코발트가 함유된 지르코니아-알루미나 촉매를 200 ∼ 700 ℃ 범위, 바람직하기로는 300 ∼ 600 ℃ 범위에서 소성하는 바, 상기 소성온도가 200 ℃ 미만이면 코발트와 담체와의 적절한 상호작용이 형성되지 못하여 반응 중에 입자가 커 지는 현상이 발생할 수 있으며, 700 ℃를 초과하는 경우에는 코발트 성분의 입자가 증가하여 분산성이 감소함으로 촉매의 활성이 감소하는 문제가 발생할 수 있으므로 상기의 소성 영역을 유지할 필요성이 있다.In addition, the zirconia-alumina catalyst containing cobalt is calcined in the range of 200 to 700 ° C, preferably 300 to 600 ° C. When the firing temperature is less than 200 ° C, no proper interaction between cobalt and the carrier is formed. Particles may become large during the reaction, and if the temperature exceeds 700 ° C., the cobalt component may increase and the dispersibility may decrease, thereby decreasing the activity of the catalyst. have.
본 발명은 상기 분말상의 지르코니아-알루미나 담체를 이용하여 F-T 촉매를 제조하는 다른 방법으로는, 코발트 전구체를 pH 7 ∼ 8의 수용액 하에서 공침시킨 후 40 ∼ 90 ℃의 영역에서 숙성하여 침전물을 300 ∼ 900 ℃ 범위, 바람직하기로는 400 ∼ 800 ℃ 범위에서 소성하여 지르코니아-알루미나 담체를 제조한다. In another aspect, the present invention provides a method for producing an FT catalyst using the powdery zirconia-alumina carrier. The cobalt precursor is co-precipitated in an aqueous solution of pH 7-8, and then aged in an area of 40-90 ° C. to precipitate the precipitate. A zirconia-alumina carrier is prepared by firing in the range of < RTI ID = 0.0 >
상기 소성온도가 300 ℃ 미만이면 감마-알루미나 형성에 적절하지 못하여 F-T 반응 중에 생성된 물에 의한 담체의 상전이가 발생하여 활성이 감소하는 문제가 발생할 수 있으며, 900 ℃를 초과하는 경우에는 지르코니아-알루미나 담체의 비표면적이 감소하여 하기의 코발트 분산성에 문제가 발생할 수 있으므로 상기의 소성 영역을 유지할 필요성이 있다.If the firing temperature is less than 300 ℃ is not suitable for the formation of gamma-alumina, the phase transition of the carrier caused by the water generated during the FT reaction may occur, there is a problem that the activity may decrease, if the temperature exceeds 900 ℃ zirconia-alumina Since the specific surface area of the carrier can be reduced to cause problems in the following cobalt dispersibility, there is a need to maintain the plasticized area.
이후에 코발트 성분을 담지시킨 후 코발트/지르코니아-알루미나 촉매를 제조한다. 상기 공침시 염기성 침전제를 사용하고, 촉매의 숙성시간, 세척 및 건조 과정은 상기에서 언급된 바와 동일하다.Thereafter, the cobalt component is supported, and then a cobalt / zirconia-alumina catalyst is prepared. In the coprecipitation, a basic precipitant is used, and the aging time, washing and drying processes of the catalyst are the same as mentioned above.
상기의 방법으로 제조된 코발트 성분은 먼저 세척 및 건조 과정을 거친 후에 물 또는 알코올 용액상에서 미리 제조되어 상기에서 소성하여 제조된 지르코니아-알루미나 담체와의 교반 및 혼합하여 최종 코발트가 담지된 지르코니아-알루미나 촉매를 제조하게 된다. 상기의 방법으로 제조된 침전물은 세척 과정을 거친 후에 100 ℃ 이상의 오븐에서 하루 정도 건조시킨 후에 상기 제조된 침전물을 F-T 반 응용 촉매 합성에 바로 사용하거나 2차로 귀금속 촉매 성분을 담지한 후에 상기와 같은 방법으로 소성하여 사용할 수 있다. The cobalt component prepared by the above method is first washed and dried, and then prepared in water or an alcohol solution and then calcined and mixed with the zirconia-alumina carrier prepared by calcining the zirconia-alumina catalyst having the final cobalt. It will be prepared. The precipitate prepared by the above method is dried after being washed for one day in an oven at 100 ° C. or higher after the washing process, and then the prepared precipitate is directly used for FT anti-applied catalyst synthesis or after supporting the precious metal catalyst component in a second manner. It can be baked and used.
이상의 방법으로 제조된 코발트가 함유된 지르코니아-알루미나 촉매는 이중 다공성 구조를 이루게 되는데, 최종 비표면적이 100 ∼ 300 ㎡/g이며 이중 다공성 촉매의 세공 크기가 작은 세공은 2 ∼ 10 nm이며 큰 세공은 10 ∼ 200 nm의 분포를 지니는 F-T 반응용 새로운 촉매를 합성한다. 또한, 상기 담체는 2 ∼ 10 ㎚ 범위의 작은 기공의 부피(PV1)와, 10 ∼ 200 ㎚ 범위의 큰 기공의 부피(PV2)의 비(PV1/PV2)가 0.5 ∼ 2.0 범위를 유지하게 되는 바, 상기 기공의 부피(PV2)의 비가 0.5 미만인 경우에는 코발트 입자에서 기인하는 큰 세공의 발달에 의한 코발트 성분의 비표면적이 감소하여 활성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있으며 2.0 을 초과하는 경우에는 지르코니아-알루미나 담체의 미세 세공이 발달하여 코발트 성분의 분산성이 감소하여 활성이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.The cobalt-containing zirconia-alumina catalyst prepared by the above method has a double porous structure. The final specific surface area is 100 to 300 m 2 / g, and the small pore size of the double porous catalyst is 2 to 10 nm and the large pore is A new catalyst for the FT reaction with a distribution of 10-200 nm is synthesized. In addition, the carrier has a ratio (PV 1 / PV 2 ) of a small pore volume (PV 1 ) in the range of 2 to 10 nm and a large pore volume (PV 2 ) in the range of 10 to 200 nm. If the ratio of the pore volume (PV 2 ) is less than 0.5, the specific surface area of the cobalt component may be reduced due to the development of large pores resulting from the cobalt particles, which may cause a problem in that the activity is lowered. In this case, the fine pores of the zirconia-alumina carrier may develop to decrease the dispersibility of the cobalt component, thereby reducing the activity.
추가로 상기 코발트 활성 성분의 환원성 증가 및 물에 대한 산화력을 억제하기 위하여 사용되는 귀금속 성분을 사용할 수 있는 바, 구체적으로 루테늄, 레니움 및 플래티늄 전구체 등이 나이트레이트염, 아세테이트염 및 클로라이드염 형태로 사용할 수 있다. 이러한 귀금속 성분은 지르코늄 전구체에 대하여 0.05 ∼ 1 중량% 사용하는 바, 사용량이 0.05 중량% 미만이면 그 효과가 미미하며, 1 중량%를 초과하는 경우에는 촉매의 제조비용 증가와 함께 메탄으로의 선택성이 증가하는 부정적인 문제점이 발생하게 되어 효과적이지 못하게 된다. In addition, it is possible to use a precious metal component used to increase the reducibility of the cobalt active ingredient and to inhibit the oxidative power against water, specifically, ruthenium, rhenium and platinum precursors may be used in the form of nitrate salts, acetate salts and chloride salts. Can be used. When the noble metal component is used in an amount of 0.05 to 1% by weight based on the zirconium precursor, when the amount is less than 0.05% by weight, the effect is insignificant. Increasing negative problems arise and become ineffective.
본 발명의 담체는 기존에 이미 공지되어 있는 알루미나, 티타니아 또는 실리카 담체를 다양한 금속 성분으로 전처리하여 사용하는 경우와 비교하여, 반응 중에 생성되는 고비점 화합물의 물질전달을 용이하게 함과 동시에 코발트 및 기타 활성 성분의 분산성 향상 및 환원성을 기존 기술과 비교하여 더욱 증진시킴으로서 FT 반응성 향상에 의한 메탄 생성량 감소 및 액체 탄화수소로의 선택성을 증가시키는 효과를 얻을 수 있다.The carrier of the present invention facilitates mass transfer of the high-boiling compounds produced during the reaction, as well as cobalt and other substances, as compared to the case where the alumina, titania or silica carriers which are already known are pretreated with various metal components. By further improving the dispersibility and reducing properties of the active ingredient compared to the existing technology, it is possible to obtain the effect of reducing the methane production amount and increasing the selectivity to the liquid hydrocarbon by improving the FT reactivity.
또한, 본 발명은 상기에서 제조된 촉매하에서, 합성가스를 피셔 트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응하여 액체 탄화수소를 제조하는 방법에 또 다른 특징이 있다. 상기 F-T 반응은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것을 특별히 한정하지는 않으나, 본 발명은 상기 촉매를 고정층, 유동층 및 슬러리 반응기, 200 ∼ 700 ℃의 온도 범위, 수소 분위기에서 환원한 후에 반응에 활용한다. 상기 환원된 F-T 반응용 촉매는 당 분야에서 일반적으로 F-T 반응 조건에서 수행되는 바, 구체적으로 반응 온도는 300 ∼ 500 ℃, 반응 압력은 30 ∼ 60 kg/㎠와 공간속도는 1000 ∼ 10000 h-1에서 수행하는 것이 좋으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In addition, the present invention is another feature of the method for producing a liquid hydrocarbon by Fischer-Tropsch reaction of the synthesis gas under the catalyst prepared above. The FT reaction is not particularly limited to those commonly used in the art, but the present invention utilizes the catalyst after the catalyst is reduced in a fixed bed, a fluidized bed and a slurry reactor, a temperature range of 200 to 700 ° C., and a hydrogen atmosphere. The reduced FT catalyst is generally performed in the art under the conditions of FT reaction. Specifically, the reaction temperature is 300 to 500 ° C., the reaction pressure is 30 to 60 kg / cm 2, and the space velocity is 1000 to 10000 h −1. It is preferable to perform at, but is not limited thereto.
상기의 방법으로 제조된 촉매의 F-T 반응 전환율은 10 ∼ 50 몰%이고, C5이상인 탄화수소, 구체적으로 나프타, 디젤, 중간 유분, 중유 및 왁스 등의 선택도가 83 몰% 이상의 범위를 나타낸다.The FT reaction conversion rate of the catalyst prepared by the above method is 10 to 50 mol%, and shows a range of 83 mol% or more of C 5 or more hydrocarbons, specifically, naphtha, diesel, middle oil, heavy oil and wax.
이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하는바, 본 발명 이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited by the following examples.
실시예 1Example 1
지르코늄 전구체로 지르코늄나이트레이트(ZrO(NO3)2·2H2O; Kanto Chem.) 10.8 g과 알루미나 전구체로 알루미늄나이트레이트(Al(NO3)3·9H2O; Samchun Chem.) 55.2 g을 600 mL의 3차 증류수에 녹인 용액과, 침전제로 탄산칼륨(K2CO3) 71.4 g 을 600 mL의 3차 증류수에 녹인 용액을, 200 mL의 3차 증류수가 70 ℃의 온도에서 교반되고 있는 2000 mL 플라스크에 동시에 각각의 용액을 5 mL/min의 속도로 떨어뜨리면서 용액의 pH를 7 ∼ 8로 유지하였다. 상기 슬러리 용액은 70 ℃의 온도에서 3시간 정도 교반 및 숙성하고, 1800 mL의 3차 증류수로 세척하여 침전제를 제거하고 필터링하였다. 이후에 100 ℃에서 12시간 건조하고, 500 ℃의 공기 분위기에서 5시간 동안 소성 처리하여 분말상의 5 중량% 지르코니아-알루미나 담체를 제조하였다. 이때, 상기에서 제조된 담체는 10 nm 이하의 미세 세공으로만 이루어져 있었으며 비표면적이 299 ㎡/g이었고 세공 부피는 0.47 cm3/g이었다.10.8 g of zirconium nitrate (ZrO (NO 3 ) 2 .2H 2 O; Kanto Chem.) As a zirconium precursor and 55.2 g of aluminum nitrate (Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O; Samchun Chem.) As an alumina precursor The solution dissolved in 600 mL of tertiary distilled water and the solution of 71.4 g of potassium carbonate (K 2 CO 3 ) as a precipitant in 600 mL of tertiary distilled water are stirred at a temperature of 70 ° C. The pH of the solution was maintained at 7-8 while simultaneously dropping each solution at a rate of 5 mL / min into a 2000 mL flask. The slurry solution was stirred and aged at a temperature of 70 ° C. for about 3 hours, washed with 1800 mL of tertiary distilled water to remove the precipitant, and filtered. Thereafter, the resultant was dried at 100 ° C. for 12 hours and calcined for 5 hours in an air atmosphere at 500 ° C. to prepare a powdery 5% by weight zirconia-alumina carrier. In this case, the prepared carrier was composed only of fine pores of less than 10 nm, the specific surface area was 299 m 2 / g and the pore volume was 0.47 cm 3 / g.
코발트 전구체로 코발트아세테이트(Co(CH3COO)2·4H2O) 8.5 g 을 300 mL의 3차 증류수에 녹인 코발트 전구체 수용액과, 침전제로 탄산칼륨(K2CO3) 10.8 g을 300 mL에 녹인 탄산칼륨 전구체 수용액을 제조하였다. 200 mL의 3차 증류수에 상기에서 제조된 분말상의 5 중량% 지르코니아-알루미나 담체 슬러리 상을 제조하였다. 다음으로 70 ℃의 온도 및 교반되고 있는 2000 mL 플라스크에, 상기 코발트 전구체 수용액, 탄산칼륨 전구체 수용액 및 5 중량% 지르코니아-알루미나 담체 슬러리 상을 동시에 각각의 용액을 5 mL/min의 속도로 떨어뜨리면서 용액의 pH를 7 ∼ 8로 유지하였다. 상기 슬러리 용액은 70 ℃의 온도에서 1시간 정도 교반 및 숙성하고, 1800 mL의 3차 증류수로 세척하여 침전제를 제거 및 필터링하였다. 이후에 100 ℃에서 12시간 이상 건조하고, 500 ℃의 공기 분위기에서 5시간 동안 소성 처리하여 20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매를 제조하였다.Cobalt precursor solution (8.5 g of cobalt acetate (Co (CH 3 COO) 2 4H 2 O) was dissolved in 300 mL of tertiary distilled water, and 10.8 g of potassium carbonate (K 2 CO 3 ) as a precipitant were added to 300 mL. A dissolved potassium carbonate precursor aqueous solution was prepared. A powdered 5 wt% zirconia-alumina carrier slurry phase was prepared in 200 mL of tertiary distilled water. Next, the solution of cobalt precursor solution, potassium carbonate precursor solution and 5 wt% zirconia-alumina carrier slurry phases were simultaneously dropped at a rate of 5 mL / min into a 2000 mL flask at a temperature of 70 ° C. and stirred. The pH of was maintained at 7-8. The slurry solution was stirred and aged at a temperature of 70 ° C. for about 1 hour, and washed with 1800 mL of tertiary distilled water to remove and filter the precipitant. Thereafter, the mixture was dried at 100 ° C. for at least 12 hours, and calcined at 500 ° C. for 5 hours to prepare a 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst.
이후에 루테늄나이트로실나이트레이트(Ru(NO)(NO3)3)를 상기 20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매에 대하여 0.5 중량%로 담지한 후에 증류농축(rotary evaporator)하여 용액 제거 및 건조한 후, 400 ℃에서 산소분위기하에서 5시간 소성하여 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매는 이중 세공 구조를 지니고 있으며, 비표면적이 245 m2/g이었고 기공부피는 0.80 cm3/g 이었으며 특히 큰 세공에 대한 작은 세공의 기공 부피의 비(PV1/PV2)는 0.84이었다. Thereafter, ruthenium nitrosylnitrate (Ru (NO) (NO 3 ) 3 ) was loaded with 0.5 wt% based on the 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst, followed by distillation. After evaporator, the solution was removed and dried, and calcined under oxygen atmosphere at 400 ° C. for 5 hours to prepare a 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst. The prepared catalyst has a double pore structure, a specific surface area of 245 m 2 / g and a pore volume of 0.80 cm 3 / g, in particular the ratio of the pore volume (PV 1 / PV 2 ) of small pores to large pores 0.84.
다음으로 상기 제조된 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매 0.3 g을 1/2인치 스테인레스스틸 고정층 반응기에 장입하고 반응을 시작하기 전에 400 ℃의 수소(5 부피% H2/He)분위기 하에서 12시간 환원 처리하였다. 이후에 반응온도 220 ℃, 반응압력 20 kg/㎠, 공간속도 2000 L/kgcat/hr의 조건에서 반응물인 일산화탄소 : 수소 : 이산화탄소 : 아르곤(내부 표준물질)의 몰비를 28.4 : 57.3 : 9.3 : 5의 비율로 고정하여 반응기로의 주입하여 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 수행하였다. 상기 반응으로 얻어진 생성물의 함량을 정리하여 다음 표 1에 나타내었는 바, 이의 결과는 촉매의 활성이 안정화되어 유지되는 영역인 반응시간 60 시간 이후에 10시간의 평균치를 사용하였다.Next, 0.3 g of the prepared 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst was charged to a 1/2 inch stainless steel fixed bed reactor, and hydrogen was charged at 400 ° C. before starting the reaction. 5 vol% H 2 / He) was subjected to reduction for 12 hours. The molar ratio of reactants carbon monoxide: hydrogen: carbon dioxide: argon (internal standard) at the reaction temperature of 220 ℃,
실시예 2Example 2
지르코늄 전구체로 지르코늄나이트레이트(ZrO(NO3)2·2H2O; Kanto Chem.) 10.8 g과 알루미나 전구체로 알루미늄나이트레이트(Al(NO3)3·9H2O; Samchun Chem.) 55.2 g을 600 mL의 3차 증류수에 녹인 용액과, 침전제로 탄산칼륨(K2CO3) 71.4 g 을 600 mL의 3차 증류수에 녹인 용액을, 200 mL의 3차 증류수가 70 ℃의 온도에서 교반되고 있는 2000 mL 플라스크에 동시에 각각의 용액을 5 mL/min의 속도로 떨어뜨리면서 용액의 pH를 7 ∼ 8로 유지하였다. 상기 슬러리 용액은 70 ℃의 온도에서 3시간 정도 교반 및 숙성하고, 1800 mL의 3차 증류수로 세척하여 침전제를 제거하고 필터하여 케이크 형태의 5 중량% 지르코니아-알루미나 침전물을 제조하였다.10.8 g of zirconium nitrate (ZrO (NO 3 ) 2 .2H 2 O; Kanto Chem.) As a zirconium precursor and 55.2 g of aluminum nitrate (Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O; Samchun Chem.) As an alumina precursor The solution dissolved in 600 mL of tertiary distilled water and the solution of 71.4 g of potassium carbonate (K 2 CO 3 ) as a precipitant in 600 mL of tertiary distilled water are stirred at a temperature of 70 ° C. The pH of the solution was maintained at 7-8 while simultaneously dropping each solution at a rate of 5 mL / min into a 2000 mL flask. The slurry solution was stirred and aged at a temperature of 70 ° C. for 3 hours, washed with 1800 mL of tertiary distilled water to remove the precipitant, and filtered to prepare a 5 wt% zirconia-alumina precipitate in the form of a cake.
코발트 전구체로 코발트아세테이트(Co(CH3COO)2·4H2O) 8.5 g 을 300 mL의 3차 증류수에 녹인 용액과 침전제로서 탄산칼륨(K2CO3) 10.8 g을 300 mL에 녹인 탄산 칼륨 전구체 수용액을 제조하였다. 200 mL의 3차 증류수 상에서 70 ℃의 온도로 유지되고 있는 2000 mL 플라스크에 동시에 각각의 용액을 5 mL/min의 속도로 떨어뜨리면서 용액의 pH를 7 ∼ 8로 유지였으며, 상기 슬러리 용액은 70 ℃의 온도에서 1시간 정도 교반 및 숙성한 후에 1800 mL의의 3차 증류수로 세척하여 침전제를 제거하고 필터링 한 후에 케이크 상태의 코발트 침점물을 각각 얻었다. A solution of 8.5 g of cobalt acetate (Co (CH 3 COO) 2 4H 2 O) as a cobalt precursor in 300 mL of tertiary distilled water and 10.8 g of potassium carbonate (K 2 CO 3 ) as a precipitant in 300 mL A precursor aqueous solution was prepared. The pH of the solution was maintained at 7 to 8 while simultaneously dropping each solution at a rate of 5 mL / min into a 2000 mL flask maintained at a temperature of 70 ° C. in 200 mL of tertiary distilled water, the slurry solution being 70 ° C. After stirring and ripening at a temperature of about 1 hour, the mixture was washed with 1800 mL of tertiary distilled water to remove the precipitant and filtered to obtain a cobalt precipitate in the form of a cake.
상기에서 각각 제조된 개별적으로 제조된 케이크 형태의 지르코니아-알루미나 침전물과 코발트 침전물을 200 mL의 3차 증류수에서 상온에서 1시간 이상 교반하면서 코발트가 함유된 지르코니아-알루미나 슬러리를 얻었다. 제조된 슬러리는 필터링 후에 100 ℃로 유지되는 오븐에서 12시간 이상 건조한 후에 500 ℃의 공기 분위기에서 5시간 동안 소성 처리하여 20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매를 제조하였다. The zirconia-alumina slurry containing the cobalt was obtained by stirring the zirconia-alumina precipitate and the cobalt precipitate in the form of a cake prepared separately, respectively, at room temperature for 1 hour or more in 200 mL of tertiary distilled water. The prepared slurry was dried in an oven maintained at 100 ° C. for 12 hours or more, and then calcined in an air atmosphere at 500 ° C. for 5 hours to prepare a 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst.
이후에 루테늄나이트로실나이트레이트(Ru(NO)(NO3)3)을 상기 20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매에 대하여 0.5 중량%로 담지한 후에 증류농축(rotary evaporator)하여 용액 제거 및 건조한 후, 400 ℃에서 산소분위기하에서 5시간 소성하여 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매는 이중 세공 구조를 지니고 있으며, 비표면적이 220 m2/g이었고 기공부피는 0.62 cm3/g 이었으며 특히 큰 세공에 대한 작은 세공의 기공 부피의 비(PV1/PV2)는 1.27이었다. Thereafter, ruthenium nitrosylnitrate (Ru (NO) (NO 3 ) 3 ) was loaded with 0.5 wt% based on the 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst, followed by rotary concentration. After evaporator, the solution was removed and dried, and calcined under oxygen atmosphere at 400 ° C. for 5 hours to prepare a 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst. The prepared catalyst has a double pore structure, the specific surface area is 220 m 2 / g and the pore volume is 0.62 cm 3 / g, in particular the ratio of the pore volume (PV 1 / PV 2 ) of small pores to large pores It was 1.27.
다음으로 상기 제조된 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매 0.3 g을 1/2인치 스테인레스스틸 고정층 반응기에 장입하고 반응을 시작하기 전에 400 ℃의 수소(5 부피% H2/He)분위기 하에서 12시간 환원 처리하였다. 이후에 반응온도 220 ℃, 반응압력 20 kg/㎠, 공간속도 2000 L/kgcat/hr의 조건에서 반응물인 일산화탄소 : 수소 : 이산화탄소 : 아르곤(내부 표준물질)의 몰비를 28.4 : 57.3 : 9.3 : 5의 비율로 고정하여 반응기로의 주입하여 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 수행하였다. 상기 반응으로 얻어진 생성물의 함량을 정리하여 다음 표 1에 나타내었는 바, 이의 결과는 촉매의 활성이 안정화되어 유지되는 영역인 반응시간 60 시간 이후에 10시간의 평균치를 사용하였다.Next, 0.3 g of the prepared 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst was charged to a 1/2 inch stainless steel fixed bed reactor, and hydrogen was charged at 400 ° C. before starting the reaction. 5 vol% H 2 / He) was subjected to reduction for 12 hours. The molar ratio of reactants carbon monoxide: hydrogen: carbon dioxide: argon (internal standard) at the reaction temperature of 220 ℃,
실시예 3Example 3
상기 실시예 2와 동일하게 실시하되, 루테늄을 배제하고 수행하여 20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매는 이중 세공 구조를 지니고 있으며, 비표면적이 238 m2/g이었고 기공 부피는 0.53 cm3/g 이었으며 특히 큰 세공에 대한 작은 세공의 기공 부피의 비(PV1/PV2)는 1.43이었다. In the same manner as in Example 2, except that ruthenium was performed to prepare a 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst. The prepared catalyst has a double pore structure, the specific surface area is 238 m 2 / g and the pore volume is 0.53 cm 3 / g, in particular the ratio of the pore volume of the small pores to large pores (PV 1 / PV 2 ) 1.43.
다음으로 상기 제조된 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매 0.3 g을 1/2인치 스테인레스스틸 고정층 반응기에 장입하고 반응을 시작하기 전에 400 ℃의 수소(5 부피% H2/He)분위기 하에서 12시간 환원 처리하였다. 이후에 반응온도 220 ℃, 반응압력 20 kg/㎠, 공간속도 2000 L/kgcat/hr의 조건에서 반응물인 일산화탄소 : 수소 : 이산화탄소 : 아르곤(내부 표준물질)의 몰비를 28.4 : 57.3 : 9.3 : 5의 비율로 고정하여 반응기로의 주입하여 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 수행하였다. 상기 반응으로 얻어진 생성물의 함량을 정리하여 다음 표 1에 나타내었는 바, 이의 결과는 촉매의 활성이 안정화되어 유지되는 영역인 반응시간 60 시간 이후에 10시간의 평균치를 사용하였다.Next, 0.3 g of the prepared 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst was charged to a 1/2 inch stainless steel fixed bed reactor, and hydrogen was charged at 400 ° C. before starting the reaction. 5 vol% H 2 / He) was subjected to reduction for 12 hours. The molar ratio of reactants carbon monoxide: hydrogen: carbon dioxide: argon (internal standard) at the reaction temperature of 220 ℃,
실시예 4Example 4
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 다음으로 상기 제조된 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매를 외부에서 수소로 400 ℃에서 12시간 환원처리 한 후에 밀봉하여 슬러리 반응기에 도입하였다. 슬러리 반응기에 사용된 용매는 스쿠알렌(squalane) 300 mL를 사용하였으며 촉매 5 g을 주입한 후에 2차로 반응기 내에서 220 ℃에서 12시간이상 환원 처리하여 주었다. 반응 조건은 반응온도 220℃ 반응압력 20 kg/㎠, 공간속도 2000 L/kgcat/hr및 교반 속도는 2000 rpm의 조건에서 반응물인 일산화탄소 : 수소 : 이산화탄소 : 아르곤 (내부 표준물질)의 몰 비를 28.4 : 57.3 : 9.3 : 5의 비율로 고정하여 반응기로의 주입하여 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 수행하였다. 상기 반응으로 얻어진 생성물의 함량을 정리하여 다음 표 1에 나타내었는 바, 이의 결과는 촉매의 활성이 안정화되어 유지되는 영역인 반응시간 60 시간 이후에 10시간의 평균치를 사용하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out, followed by reduction of the prepared 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst with hydrogen from the outside at 400 ° C. for 12 hours. Sealed and introduced into slurry reactor. The solvent used in the slurry reactor was 300 mL of squalene (squalane), and 5 g of the catalyst was injected and then reduced in a reactor at 220 ° C. for 12 hours or more. The reaction conditions are the reaction temperature 220
실시예 5Example 5
상기 실시예 4와 동일하게 수행하되, 반응조건 중 온도를 240 ℃ 고정하여 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 수행하였다. 상기 반응으로 얻어진 생성물의 함량을 정리하여 다음 표 1에 나타내었는 바, 이의 결과는 촉매의 활성이 안정화되어 유지되는 영역인 반응시간 60 시간 이후에 10시간의 평균치를 사용하였다.In the same manner as in Example 4, the Fischer-Tropsch reaction was performed by fixing the temperature of the reaction conditions to 240 ℃. The content of the product obtained by the reaction is shown in Table 1 below, the result of which was the average value of 10 hours after the
실시예 6Example 6
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 코발트 전구체로 코발트나이트레이트(Co(NO3)2·6H2O)을 사용하여 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매를 제조하였다. In the same manner as in Example 1, using cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O) as a cobalt precursor 0.5% by weight Ru / 20% by weight Co / 5% by weight ZrO 2 -Al 2 O Three catalysts were prepared.
다음으로 상기 제조된 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매 0.3 g을 1/2인치 스테인레스스틸 고정층 반응기에 장입하고 반응을 시작하기 전에 400 ℃의 수소(5 부피% H2/He)분위기 하에서 12시간 환원 처리하였다. 이후에 반응온도 220 ℃, 반응압력 20 kg/㎠, 공간속도 2000 L/kgcat/hr의 조건에서 반응물인 일산화탄소 : 수소 : 이산화탄소 : 아르곤(내부 표준물질)의 몰비를 28.4 : 57.3 : 9.3 : 5의 비율로 고정하여 반응기로의 주입하여 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 수행하였다. 상기 반응으로 얻어진 생성물의 함량을 정리하여 다음 표 1에 나타내었는 바, 이의 결과는 촉매의 활성이 안정화되어 유지되는 영역인 반응시간 60 시간 이후에 10시간의 평균치를 사용하였다.Next, 0.3 g of the prepared 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst was charged to a 1/2 inch stainless steel fixed bed reactor, and hydrogen was charged at 400 ° C. before starting the reaction. 5 vol% H 2 / He) was subjected to reduction for 12 hours. The molar ratio of reactants carbon monoxide: hydrogen: carbon dioxide: argon (internal standard) at the reaction temperature of 220 ℃,
실시예 7Example 7
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 코발트 성분을 담체에 공침하는 과정의 70 ℃의 온도에서 유지되는 슬러리 상에서 5시간 정도 교반 및 숙성하여 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매는 이중 세공 구조를 지니고 있으며, 비표면적이 256 m2/g이었고 기공부피는 0.85 cm3/g 이었으며 특히 큰 세공에 대한 작은 세공의 기공 부피의 비(PV1/PV2)는 0.95이었다. In the same manner as in Example 1, but stirred and aged for about 5 hours on a slurry maintained at a temperature of 70 ℃ of co-precipitating the cobalt component in the carrier 0.5% by weight Ru / 20% by weight Co / 5% by weight ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst was prepared. The prepared catalyst has a double pore structure, the specific surface area is 256 m 2 / g and the pore volume is 0.85 cm 3 / g, in particular the ratio of the pore volume (PV 1 / PV 2 ) of small pores to large pores 0.95.
다음으로 상기 제조된 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매 0.3 g을 1/2인치 스테인레스스틸 고정층 반응기에 장입하고 반응을 시작하기 전에 400 ℃의 수소(5 부피% H2/He)분위기 하에서 12시간 환원 처리하였다. 이후에 반응온도 220 ℃, 반응압력 20 kg/㎠, 공간속도 2000 L/kgcat/hr의 조건에서 반응물인 일산화탄소 : 수소 : 이산화탄소 : 아르곤(내부 표준물질)의 몰비를 28.4 : 57.3 : 9.3 : 5의 비율로 고정하여 반응기로의 주입하여 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 수행하였다. 상기 반응으로 얻어진 생성물의 함량을 정리하여 다음 표 1에 나타내었는 바, 이의 결과는 촉매의 활성이 안정화되어 유지되는 영역 인 반응시간 60 시간 이후에 10시간의 평균치를 사용하였다.Next, 0.3 g of the prepared 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst was charged to a 1/2 inch stainless steel fixed bed reactor, and hydrogen was charged at 400 ° C. before starting the reaction. 5 vol% H 2 / He) was subjected to reduction for 12 hours. The molar ratio of reactants carbon monoxide: hydrogen: carbon dioxide: argon (internal standard) at the reaction temperature of 220 ℃,
실시예 8Example 8
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 코발트 성분을 담체에 공침하는 과정의 70 ℃의 온도에서 유지되는 슬러리 상에서 10시간 정도 교반 및 숙성하여 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량%ZrO2-Al2O3 촉매를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, but stirred and aged for about 10 hours on a slurry maintained at a temperature of 70 ℃ in the process of co-precipitating the cobalt component in the carrier 0.5% by weight Ru / 20% by weight Co / 5% by weight ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst was prepared.
다음으로 상기 제조된 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량%ZrO2-Al2O3 촉매 0.3 g을 1/2인치 스테인레스스틸 고정층 반응기에 장입하고 반응을 시작하기 전에 400 ℃의 수소(5 부피% H2/He)분위기 하에서 12시간 환원 처리하였다. 이후에 반응온도 220 ℃, 반응압력 20 kg/㎠, 공간속도 2000 L/kgcat/hr의 조건에서 반응물인 일산화탄소 : 수소 : 이산화탄소 : 아르곤(내부 표준물질)의 몰비를 28.4 : 57.3 : 9.3 : 5의 비율로 고정하여 반응기로의 주입하여 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 수행하였다. 상기 반응으로 얻어진 생성물의 함량을 정리하여 다음 표 1에 나타내었는 바, 이의 결과는 촉매의 활성이 안정화되어 유지되는 영역인 반응시간 60 시간 이후에 10시간의 평균치를 사용하였다.Next, 0.3 g of the 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst prepared above was charged to a 1/2 inch stainless steel fixed bed reactor, and hydrogen was charged at 400 ° C. before starting the reaction. 5 vol% H 2 / He) was subjected to reduction for 12 hours. The molar ratio of reactants carbon monoxide: hydrogen: carbon dioxide: argon (internal standard) at the reaction temperature of 220 ℃,
실시예 9Example 9
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 지르코늄 전구체로 지르코늄나이트레이트(ZrO(NO3)2·2H2O; Kanto Chem.) 5.4 g을 사용하여 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/2.5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매를 제조하였다. In the same manner as in Example 1, 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 2.5 wt% using zirconium nitrate (ZrO (NO 3 ) 2 .2H 2 O; Kanto Chem.) 5.4 g as a zirconium precursor. A ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst was prepared.
다음으로 상기 제조된 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/2.5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매 0.3 g을 1/2인치 스테인레스스틸 고정층 반응기에 장입하고 반응을 시작하기 전에 400 ℃의 수소(5 부피% H2/He)분위기 하에서 12시간 환원 처리하였다. 이후에 반응온도 220 ℃, 반응압력 20 kg/㎠, 공간속도 2000 L/kgcat/hr의 조건에서 반응물인 일산화탄소 : 수소 : 이산화탄소 : 아르곤(내부 표준물질)의 몰비를 28.4 : 57.3 : 9.3 : 5의 비율로 고정하여 반응기로의 주입하여 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 수행하였다. 상기 반응으로 얻어진 생성물의 함량을 정리하여 다음 표 1에 나타내었는 바, 이의 결과는 촉매의 활성이 안정화되어 유지되는 영역인 반응시간 60 시간 이후에 10시간의 평균치를 사용하였다.Next, 0.3 g of the 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 2.5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst prepared above was charged to a 1/2 inch stainless steel fixed bed reactor, and hydrogen was charged at 400 ° C. before starting the reaction. 5 vol% H 2 / He) was subjected to reduction for 12 hours. The molar ratio of reactants carbon monoxide: hydrogen: carbon dioxide: argon (internal standard) at the reaction temperature of 220 ℃,
실시예 10Example 10
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 지르코늄 전구체로 지르코늄나이트레이트(ZrO(NO3)2·2H2O; Kanto Chem.) 21.6 g을 사용하여 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/10 중량% ZrO2-Al2O3 촉매를 제조하였다. In the same manner as in Example 1, using zirconium nitrate (ZrO (NO 3 ) 2 · 2H 2 O; Kanto Chem.) 21.6 g as a zirconium precursor 0.5% by weight Ru / 20% by weight Co / 10% by weight A ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst was prepared.
다음으로 상기 제조된 00.5 중량% Ru/20 중량% Co/10 중량% ZrO2-Al2O3 촉매 0.3 g을 1/2인치 스테인레스스틸 고정층 반응기에 장입하고 반응을 시작하기 전에 400 ℃의 수소(5 부피% H2/He)분위기 하에서 12시간 환원 처리하였다. 이후에 반응온도 220 ℃, 반응압력 20 kg/㎠, 공간속도 2000 L/kgcat/hr의 조건에서 반응물인 일산화탄소 : 수소 : 이산화탄소 : 아르곤(내부 표준물질)의 몰비를 28.4 : 57.3 : 9.3 : 5의 비율로 고정하여 반응기로의 주입하여 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 수행하였다. 상기 반응으로 얻어진 생성물의 함량을 정리하여 다음 표 1에 나타내었는 바, 이의 결과는 촉매의 활성이 안정화되어 유지되는 영역인 반응시간 60 시간 이후에 10시간의 평균치를 사용하였다.Next, 0.3 g of the 00.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 10 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst prepared above was charged to a 1/2 inch stainless steel fixed bed reactor, and hydrogen was charged at 400 ° C. before starting the reaction. 5 vol% H 2 / He) was subjected to reduction for 12 hours. The molar ratio of reactants carbon monoxide: hydrogen: carbon dioxide: argon (internal standard) at the reaction temperature of 220 ℃,
비교예 1Comparative Example 1
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 담체로 고표면적의 알루미나(비표면적은 455 ㎡/g)를 사용하고, 코발트 전구체로는 코발트나이트레이트(Co(NO3)2·6H2O)를 사용하여 상온에서 5시간 이상 교반하고 70 ℃에서 증류농축(rotary evaporator)한 후에 100 ℃ 오븐에서 12시간 건조 및 400 ℃에서 5시간 공기 분위기하에서 소성하여 알루미나 담체에 대하여 코발트를 20 중량% 담지한 20 중량% Co/Al2O3 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매는 단일 세공 구조를 지니고 있으며, 비표면적이 227 m2/g이었고 기공부피는 0.68 cm3/g 이었다. In the same manner as in Example 1, a high surface area alumina (specific surface area is 455 m 2 / g) is used as a carrier, cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O) is used as a cobalt precursor After stirring at room temperature for 5 hours or more, rotary evaporator at 70 ° C., dried at 100 ° C. for 12 hours, and calcined at 400 ° C. for 5 hours in an air atmosphere, 20 weights of 20% by weight of cobalt was carried on an alumina carrier. A% Co / Al 2 O 3 catalyst was prepared. The prepared catalyst had a single pore structure and had a specific surface area of 227 m 2 / g and a pore volume of 0.68 cm 3 / g.
다음으로 상기 제조된 20 중량% Co/Al2O3 촉매 0.3 g을 1/2인치 스테인레스스틸 고정층 반응기에 장입하고 반응을 시작하기 전에 400 ℃의 수소(5 부피% H2/He)분위기 하에서 12시간 환원 처리하였다. 이후에 반응온도 220 ℃, 반응압력 20 kg/㎠, 공간속도 2000 L/kgcat/hr의 조건에서 반응물인 일산화탄소 : 수소 : 이산화탄소 : 아르곤(내부 표준물질)의 몰비를 28.4 : 57.3 : 9.3 : 5의 비율로 고정하여 반응기로의 주입하여 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 수행하였다. 상기 반응으로 얻어진 생성물의 함량을 정리하여 다음 표 1에 나타내었는 바, 이의 결과는 촉매의 활성이 안정화되어 유지되는 영역인 반응시간 60 시간 이후에 10시간의 평균치를 사용하였다.Next, 0.3 g of the prepared 20 wt% Co / Al 2 O 3 catalyst was charged to a 1/2 inch stainless steel fixed bed reactor, and then placed under hydrogen (5 vol% H 2 / He) atmosphere at 400 ° C. before starting the reaction. Time reduction treatment. The molar ratio of reactants carbon monoxide: hydrogen: carbon dioxide: argon (internal standard) at the reaction temperature of 220 ℃,
비교예 2Comparative Example 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 지르코늄은 지르코늄옥시클로라이드(ZrCl2O·8H2O), 코발트나이트레이트(Co(NO3)2·6H2O) 및 루테늄나이트로실나이트레이트(Ru(NO)(NO3)3)를 사용하고, 함침법을 사용하여 각 성분을 알루미나 담체에 대하여 Ru 0.5 중량%, Co 20 중량%, Zr 5 중량%를 담지하여 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% Zr/Al2O3 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매는 단일 세공 구조를 지니고 있으며, 비표면적이 187 m2/g이었고 기공부피는 0.23 cm3/g 이었다. In the same manner as in Example 1, zirconium is zirconium oxychloride (ZrCl 2 O · 8H 2 O), cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O) and ruthenium nitrosyl nitrate (Ru ( NO) (NO 3 ) 3 ), and impregnation method, each component was 0.5 weight% Ru / 20 weight% Co, carrying 0.5 weight% Ru, 20 weight% Co, and 5 weight% Zr with respect to the alumina carrier. A / 5 wt% Zr / Al 2 O 3 catalyst was prepared. The prepared catalyst had a single pore structure and had a specific surface area of 187 m 2 / g and a pore volume of 0.23 cm 3 / g.
다음으로 상기 제조된 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% Zr/Al2O3 촉매 0.3 g을 1/2인치 스테인레스스틸 고정층 반응기에 장입하고 반응을 시작하기 전에 400 ℃의 수소(5 부피% H2/He)분위기 하에서 12시간 환원 처리하였다. 이후에 반응온도 220 ℃, 반응압력 20 kg/㎠, 공간속도 2000 L/kgcat/hr의 조건에서 반응물인 일산화탄소 : 수소 : 이산화탄소 : 아르곤(내부 표준물질)의 몰비를 28.4 : 57.3 : 9.3 : 5의 비율로 고정하여 반응기로의 주입하여 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 수행하였다. 상기 반응으로 얻어진 생성물의 함량을 정리하여 다음 표 1에 나타내었는 바, 이의 결과는 촉매의 활성이 안정화되어 유지되는 영역인 반응시간 60 시간 이후에 10시간의 평균치를 사용하였다.Next, 0.3 g of the 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 5 wt% Zr / Al 2 O 3 catalyst prepared above was charged to a 1/2 inch stainless steel fixed bed reactor, and hydrogen was treated at 400 ° C. (5 ° C.) before starting the reaction. Volumetric reduction was carried out under a volume% H 2 / He) atmosphere for 12 hours. The molar ratio of reactants carbon monoxide: hydrogen: carbon dioxide: argon (internal standard) at the reaction temperature of 220 ℃,
비교예 3Comparative Example 3
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 지르코늄나이트레이트(Zr(NO3)2·2H2O), 코발트아세테이트(Co(CH3COO)2·4H2O) 및 루테늄나이트로실나이트레이트(Ru(NO)(NO3)3)를 사용하고, 함침법을 사용하여 각 성분을 알루미나 담체에 대하여 Ru 0.5 중량%, Co 20 중량%, Zr 5 중량%를 담지시켜 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% Zr/Al2O3 촉매를 제조하였다. In the same manner as in Example 1, zirconium nitrate (Zr (NO 3 ) 2 · 2H 2 O), cobalt acetate (Co (CH 3 COO) 2 · 4H 2 O) and ruthenium nitrosyl nitrate (Ru (NO) (NO 3 ) 3 ), and impregnation method was used to carry 0.5 wt% Ru, 20 wt% Co and 5 wt% Zr to the alumina carrier to carry 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 5 wt.% Zr / Al 2 O 3 catalyst was prepared.
다음으로 상기 제조된 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% Zr/Al2O3 촉매 0.3 g을 1/2인치 스테인레스스틸 고정층 반응기에 장입하고 반응을 시작하기 전에 400 ℃의 수소(5 부피% H2/He)분위기 하에서 12시간 환원 처리하였다. 이후에 반응온도 220 ℃, 반응압력 20 kg/㎠, 공간속도 2000 L/kgcat/hr의 조건에서 반응물인 일산화탄소 : 수소 : 이산화탄소 : 아르곤(내부 표준물질)의 몰비를 28.4 : 57.3 : 9.3 : 5의 비율로 고정하여 반응기로의 주입하여 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반 응을 수행하였다. 상기 반응으로 얻어진 생성물의 함량을 정리하여 다음 표 1에 나타내었는 바, 이의 결과는 촉매의 활성이 안정화되어 유지되는 영역인 반응시간 60 시간 이후에 10시간의 평균치를 사용하였다.Next, 0.3 g of the 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 5 wt% Zr / Al 2 O 3 catalyst prepared above was charged to a 1/2 inch stainless steel fixed bed reactor, and hydrogen was treated at 400 ° C. (5 ° C.) before starting the reaction. Volumetric reduction was carried out under a volume% H 2 / He) atmosphere for 12 hours. The molar ratio of reactants carbon monoxide: hydrogen: carbon dioxide: argon (internal standard) at the reaction temperature of 220 ℃,
상기 표 1에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 코발트/지르코니아-알루미나 촉매는 큰 기공과 작은 기공이 동시에 존재하는 이중의 세공구조를 가진다는 것을 확인할 수 있었다.As shown in Table 1, it was confirmed that the cobalt / zirconia-alumina catalyst prepared according to the present invention has a double pore structure in which both large pores and small pores exist simultaneously.
이는 종래의 1종의 성분으로 함침법을 이용하여 단일 세공 구조를 갖는 비교예 1 및 2의 촉매와 비교하여 큰 세공에서의 물질전달 및 열전달 능력이 증가함과 동시에 균일한 기공 크기의 지르코니아-알루미나 담체를 사용함으로써 코발트의 분산성이 더욱 균일해져서 반응 중에 생성되는 고비점 화합물에 의한 기공 막힘 현상이 감소함과 동시에 메탄으로의 선택도가 감소하여 효율적인 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응이 가능함을 확인할 수 있었다. This is a zirconia-alumina of uniform pore size while increasing the capacity of mass transfer and heat transfer in large pores compared to the catalysts of Comparative Examples 1 and 2 having a single pore structure by using the impregnation method with one conventional component. The use of a carrier makes the dispersibility of cobalt more uniform, reducing the pore blockage caused by the high-boiling compounds produced during the reaction and reducing the selectivity to methane, thereby enabling an efficient Fischer-Tropsch reaction. Could confirm.
특히, 실시예 1의 담체 슬러리 상에서 코발트 성분을 공침법으로 함유시키는 방법이 실시예 2의 단순한 공침법을 이용하여 독립적으로 제조된 촉매를 슬러리 상에서 혼합하여 제조한 촉매에 비하여 비표면적 및 액체 탄화수소의 선택성이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. In particular, the method of incorporating the cobalt component by the coprecipitation method on the carrier slurry of Example 1 is characterized by the specific surface area and the liquid hydrocarbon of the catalyst prepared by mixing the catalyst prepared independently using the simple coprecipitation method of Example 2 on the slurry. It was confirmed that the selectivity increased.
또한, 코발트의 분산성 및 환원성을 증가시키기 위하여 추가로 사용하는 지르코니아가 담지된 실시예 1이 지르코니아 금속 성분이 제외된 실시예 3과 비교하여 활성이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 이중 다공성 구조의 촉매 성능은 실시예 4 및 5의 슬러리 반응기에서 더욱 우수한 활성을 보여주었으며 이는 주로 물질전달 및 열전달이 더욱 용이할 수 있는 반응기 형태에서 본 발명에서 제시된 촉매의 사용이 더욱 유리함을 확인할 수 있었다. In addition, it was confirmed that Example 1, which is further loaded with zirconia, to increase the dispersibility and reducibility of cobalt is superior to Example 3, in which the zirconia metal component is excluded. The catalytic performance of this bi-porous structure showed better activity in the slurry reactors of Examples 4 and 5, which confirms that the use of the catalysts presented in the present invention is more advantageous, primarily in the form of reactors that can facilitate mass transfer and heat transfer. Could.
코발트 전구체의 종류에 따른 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 검토한 결과에 의하면 코발트나이트레이트를 사용한 실시예 6의 경우에는 코발트아세테이트를 사용한 다른 경우와 비교하여 일산화탄소의 전환율은 증가하지만 액체탄화수소의 선택성이 다소 감소하는 효과를 보여주었다. According to the results of the Fischer-Tropsch reaction according to the type of cobalt precursor, the carbon monoxide conversion was increased in the case of Example 6 using cobalt nitrate, compared with the other case using cobalt acetate. The selectivity of was slightly reduced.
또한, 코발트 성분을 지르코니아-알루미나 담체에 함유시키는 단계에서 숙성 시간의 영향을 확인한 실험에서는 숙성 시간이 1시간인 실시예 1보다는 5시간인 실시예 7의 경우에 전환율 및 액체탄화수소로의 선택성이 증가하다가 숙성 시간이 10시간을 수행한 실시예 8의 경우에는 전환율 및 액체탄화수소의 선택성이 감소하는 현상이 관찰되었으나 단일 세공 구조의 비교예 1, 2 및 3과 비교하여 액체탄화수소의 선택도는 우수함을 확인할 수 있었다. In addition, in the experiment confirming the effect of the aging time in the step of containing the cobalt component in the zirconia-alumina carrier, the conversion rate and the selectivity to the liquid hydrocarbon increased in the case of Example 7 which is 5 hours than Example 1, which is 1 hour of aging time. In Example 8, where the aging time was 10 hours, the conversion rate and the selectivity of the liquid hydrocarbon were decreased, but the selectivity of the liquid hydrocarbon was superior to that of Comparative Examples 1, 2, and 3 of the single pore structure. I could confirm it.
한편, 도 1은 본 발명에 따라 실시예 1에서 제조된 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매 및 비교예 1에서 제조된 20 중량% Co/80 중량% Al2O3 촉매를 이용하여 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch)을 수행한 후, 반응시간에 따른 일산화탄소의 전환율을 나타낸 것으로 실시예 1이 초기의 전환율이 우수함과 동시에 표1에서 알 수 있는 바와 같이 유사한 전환율에서는 액체탄화수소로의 선택성이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. Meanwhile, FIG. 1 is 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst prepared in Example 1 and 20 wt% Co / 80 wt prepared in Comparative Example 1 according to the present invention. Fischer-Tropsch was carried out using a% Al 2 O 3 catalyst, and the conversion rate of carbon monoxide according to the reaction time was shown. Example 1 shows excellent initial conversion rate and is shown in Table 1 As described above, it was confirmed that the selectivity to liquid hydrocarbons was excellent at similar conversion rates.
도 2는 본 발명에 따라 실시예 1의 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매, 실시예 3의 20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매 및 비교예 1의 20 중량% Co/80 중량% Al2O3 촉매 및 비교예 2의 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% Zr/ 75 중량% Al2O3 촉매의 기공 분포도를 나타낸 것으로, 실시예로 제조된 촉매의 경우에는 이중 세공 구조를 이루고 있어서 열 및 물질전달이 우수한 특성에 의한 액체탄화수소로의 선택성이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. FIG. 2 shows 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst of Example 1, 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 of Example 3 according to the invention O 3 catalyst, and Comparative example 1 20 wt% Co / 80 wt% Al 2 O 3 catalyst, and Comparative example 2, 0.5 wt% Ru / 20wt% Co / 5 wt% Zr / 75 wt% Al 2 O 3 catalyst of the By showing the pore distribution, it was confirmed that the catalyst prepared in the example had a double pore structure and was excellent in selectivity to liquid hydrocarbons due to excellent heat and mass transfer properties.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 실시예 1의 0.5 중량% Ru/20 중량% Co/5 중량% ZrO2-Al2O3 촉매의 전자 현미경 사진을 나타낸 것으로서 판상 구조의 지르코니아-알루미나 담체에 코발트 성분이 나노크기의 입자 형태로 고르게 분산되어 있는 형상을 나타냄을 확인할 수 있었다.3 shows an electron micrograph of 0.5 wt% Ru / 20 wt% Co / 5 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst of Example 1 prepared according to the present invention, and shows a cobalt in a zirconia-alumina carrier having a plate structure. It can be seen that the component shows a shape in which the particles are evenly dispersed in the form of nano-sized particles.
결론적으로, 본 발명에서 제시된 이중 다공성 구조를 지니는 코발트가 함유된 지르코니아-알루미나 촉매는 고비점 화합물의 물질전달 속도를 증진시킴으로써 촉매의 안정성을 향상할 수 있음과 동시에 본 발명에서 제시된 촉매는 용이한 방법으로 큰 기공을 형성할 수 있음과 동시에 메탄으로의 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응성을 억제하여 촉매의 성능을 크게 개선할 수 있었다. In conclusion, the cobalt-containing zirconia-alumina catalyst having a bi-porous structure presented in the present invention can improve the stability of the catalyst by improving the mass transfer rate of the high-boiling compound and at the same time, the catalyst proposed in the present invention is an easy method. It was possible to form large pores and to suppress the Fischer-Tropsch reactivity with methane, thereby significantly improving the performance of the catalyst.
또한, 본 발명의 촉매는 고정층, 유동층 반응기 및 슬러리 반응기 상에서 합성가스로부터 액체탄화수소를 제조하기 위한 반응에 모두 활용될 수 있으며, 특히 물질전달 효과가 큰 슬러리 반응기에 사용할 경우에 더욱 큰 효과를 나타낸다는 것을 확인할 수 있었다.In addition, the catalyst of the present invention can be utilized in all reactions for producing liquid hydrocarbons from syngas on fixed bed, fluidized bed reactors and slurry reactors, especially when used in slurry reactors with high material transfer effects. I could confirm that.
최근의 급변하는 유가 상승 문제에 대처하기 위한 대안책으로서 각광 받고 있는 GTL 기술의 개발에 있어서 FT 합성 반응용 촉매의 개선은 GTL 기술의 경쟁력 향상과 직결되고 있는 시점에서, 본 발명에 따라 제조된 코발트/지르코니아-알루미나 촉매를 적용하면 GTL 공정의 열효율 및 카본 활용 효율을 향상할 수 있으며 F-T 반응 공정을 체계적으로 설계할 수도 있게 되므로, F-T 반응용 촉매를 사용하는 경우에는 메탄으로의 선택도 감소 및 C5 이상의 액체탄화수소로의 선택도가 증가하여 로 탄소 효율이 크게 향상된 경쟁력 있는 GTL 공정의 설계의 개발에 유리할 것으로 기대된다.In the development of GTL technology, which is in the spotlight as an alternative to cope with the recent rapidly changing oil price problem, the improvement of the catalyst for FT synthesis reaction is directly connected to the improvement of the competitiveness of the GTL technology. Application of zirconia-alumina catalyst can improve the thermal efficiency and carbon utilization efficiency of the GTL process, and also allow the systematic design of the FT reaction process. Therefore, the use of FT reaction catalyst reduces the selectivity to methane and C 5. The increased selectivity to liquid hydrocarbons is expected to be advantageous for the development of competitive GTL process designs with significantly improved furnace carbon efficiency.
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