구리계 촉매를 이용한 VOC(벤젠)의 산화특성

소개글

구리계 촉매를 이용한 VOC(벤젠)의 산화특성에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

자현미경 분석(SEM)
전이금속 함침량 차이에 따른 촉매표면의 변화에 대하여 알아보기 위해서 Cu/γ-Al2O3 촉매를 대상으로 전자주사현미경 사진을 Fig. 6에 나타냈다. 순수한 γ-Al2O3에 Cu의 함침량이 높아질수록 촉매표면에서 넓게 분산된 더 많은 양의 Cu를 관찰할 수 있으나, 15wt%에 이르러서는 상당수의 Cu가 촉매표면에서 bulk상태로 구성되어 있는 것이 관찰되었고, 그 이상으로 함침량이 증가된 경우 Cu의 bulk화가 가속된 상태임을 알 수 있었다. 이와 같은 현상은 최등12)의 분석 자료에서도 함침법으로 제조된 촉매에서는 입자들의 뭉침 현상이 나타남을 보고한 바 있다.
(5wt% Cu/γ-Al2O3) (10wt% Cu/γ-Al2O3)
(15wt% Cu/γ-Al2O3) (20wt%Cu/γ-Al2O3)
Fig. 6 SEM analysis of various copper base catalysts (magnification: ×2,000)
4.3 X-ray diffraction 분석(XRD)
구리촉매의 XRD pattern은 Fig. 7에 나타냈다. Friedman 등13)은 CuO가 XRD상에 피크로 존재하는 데는 일반적으로 지지체의 표면적과 관련이 있는데, 보통 100m2/g의 표면적을 가진 알루미나에 담지량이 5wt%에서부터 CuO의 대형입자화 (Bulk)된 결정이 형성되며 담지량이 증가할수록 Peak intensity도 일정하게 증가한다고 보고하였고, 윤11)은 지지체의 비표면적이 감소할수록 CuO의 peak는 커지는 것으로 보고하였다. 본 실험에 쓰인 촉매의 지지체로 사용된 γ-Al2O3는 60m2/g의 비표면적을 갖고 있으며, 5wt%의 담지량에서도 35.6。와 38.6。에서 CuO의 결정상이 뚜렷하게 관찰되었다. 또한, CuO의 Peak intensity는 Cu의 담지량이 높아질수록 커졌으며, 고온에서 주로 관찰되는 α-Al2O3와 CuAl2O4등의 특성피크는 관찰되지 않았다. 반응 전후의 XRD 패턴 분석을 통해 촉매가 벤젠산화반응에 참여하여도 CuO와 γ-Al2O3의 상변이 및 결정성에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
(A) pure γ-Al2O3 (B) 5wt% Cu/γ-Al2O3 (C) 10wt% Cu/γ-Al2O3
(D) 15wt% Cu/γ-Al2O3 (E) after reaction of 15wt% Cu/γ-Al2O3
(F) 20wt% Cu/γ-Al2O3
4.4 Blank test
제작된 촉매의 성능을 실험하기에 앞서 석영(quartz)으로 제작된 Reactor가 반응에 참여하여 발생될 오차를 확인하기 위하여 blank test를 수행하였다. 실험조건은 촉매를 충진시켰을 때와 동일하게 하였으며, 벤젠의 농도는 2,000ppm, 반응온도는 200～600℃의 범위로 하여 반응성을 확인하였다. Blank test 결과는 Fig. 7에 나타내었는데 400℃까지는 전혀 전환율이 나타나지 않았으나, 500℃에서 4%, 600℃에서 9%의 전환율이 나타났다. 벤젠의 착화온도는 700℃인 것을 고려해 볼 때, 500℃이상의 온도에서는 Quartz Reactor 자체로도 산화반응을 일으킬 수 있으며, Quartz의 주성분인 SiO2가 촉매의 성격을 띠는 것으로 볼 수 있다. 하지만 본 실험에서는 반응온도 범위를 500℃까지로 정하였기 때문에 Quartz Reactor 자체의 전환율은 크게 영향을 미치지 않을 것으로 판단하였다.
4.5 촉매종류에 따른 영향
Fig. 8은 지지체를 달리하여 제조한 촉매들의 벤젠산화특성을 비교분석한 나타낸 것이다. γ-Al2O3, γ-Al2O3+TiO2, Zeolite 3종류에 있어서 전형적인 S자형의 그래프로 나타냈으며, 실험결과 동일한 조건에 Cu/γ-Al2O3보다 TiO2를 첨가한 촉매가 가장 높은 전환율을 보였다. 이것은 40나노메타 크기의 TiO2입자를 지지체로 사용할 경우 구리금속이 좀 더 고르게 분산되기 때문으로 추정된다.
Lee등14)과 Duprat15)는 산화반응에 있어서 촉매의 활성도를 전환율과 반응온도로 나타낸 light-off curve 로 설명하였는데 light-off curve는 일반적으로 50%와 90%의 전환율을 나타내고 있는 온도인 T50,, T90의 두 가지 변수항으로 그 특성을 설명할 수 있다. T50은 각종
기체상의 반응물질에 따른 촉매의 반응에 대한 활성도를 비교하여 촉매의 등급을 평가할 수 있는 지표를 제시한다. 반면에 T90은 촉매의 크기나 형상 및 기체반응물의 기체상으로부터 촉매표면까지의 물질 전달속도에 의해 주로 영향을 받는 인자이다. 따라서 높은 온도에서는 촉매반응이 물질전달 저항에 의해 지배됨으로써 온도의 증가에 비해 산화효율이 크게 증가되지 않게 되므로 light-off curve는 온도의 증가에 대해 S자형의 곡선을 나타내게 된다.16) VOCs(benzene)의 산화반응에 대하여 각각의 촉매군에 T50, T90값을 Fig. 9 로 나타내었다. 그림에서 나타난 바와 같이 15wt% Cu/γ-Al2O3+TiO2 > 15wt% Cu/γ-Al2O3 > 15wt% Cu/Zeolite순으로 활성도가 나타남을 알 수 있다.
4.6 전이금속의 함침량에 따른 영향
Fig. 10은 촉매의 Cu함침량에 대한 벤젠의 전환율을 나타낸 것이다. 조건으로 SV 10,000hr-1 벤젠농도는 1,000ppm으로 하였다. Cu의 함침량이 15wt% 정도에서 가장 높은 활성을 나타내었으며 20wt%까지 함침량을 상승시켰을 때는 활성이 유사하거나 오히려 약간 떨어지는 경향을 보였다. 이는 전이금속 성분이 촉매의 활성점으로 작용하는 것을 나타내며, 어느 정도까지는 전이금속이 지지체 표면상에 단분산 상태로 도입될 수 있어 표면에 미세한 입자상태로 분산되어 있어 활성점의 수도 증가하는 것으로 생각된다. 반면에 그 이상의 함침량에서는 전이금속 자신들끼리의 결합이 많아지고 결국 작은 크기의 산화물 덩어리로 발전하여 활성점의 숫자도 줄어들 뿐만 아니라. 전이금속입자가 커지면서 촉매내의 미세기공을 막거나 또는 크기를 감소시켜 촉매의 표면적과 기공부피가 감소하는데 이 같은 기공구조의 변화는

키워드

VOCs,   촉매,   TiO2,   Zeolite,   촉매산화,   전이금속,   Cu