석탄 액화 촉매에 대한 연구

소개글

석탄 액화 촉매에 대한 연구에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1.서언

2. 석탄액화반응

3. 석탄액화 촉매
3-1 기존액화 촉매
3-1-1 고체 담지촉매의 비활성화 요인
3-1-2. 담체의 기공크기 효과
3-2. 분산촉매(dispersed catalysts)

4. 결어

본문내용

SnO2/SO4의 촉매에 있어서도 관찰된다고 보고하였다.
Cugini등은 새로운 철촉매로서 수화산화철을 ferric nitrate용액과 NH4OH를 침전시킴으로써 제조하였으며 이때 활성조건이 매우 중요하며, 구체적으로 250-300℃하에서 약 20분간 유지시킨후 최종온도인 435℃하에서 1시간동안 유지시키게 되면 활성이 가장 좋게 된다고 하였으며, 실제로 마이크론 이하 단위의 철산화물 입자가 적절한 조건에 의해서 쉽게 형성되는 것으로 Nano등에 의해서 이미 보고된 바 있다. 2,500ppm Fe를 역청탄을 대상으로 액화반응시켰을 때 1,500ppm Mo와 거의 비슷한 활성ㅇ르 보여준다고 보고하였다.
한편 SnCl2는 약 루이스산으로서 ZnCl2에 비하여 크래킹능력이 상대적으로 약한 촉매로 알려져 있다. 주석 혹은 주석할로겐 화합물은 용융온도가 320℃ 이하로서 석탄액화반응온도 이하에서 용융되어서 상당히 높은 증기압을 나타낸다. 따라서 액상 혹은 기체상으로서 석탄입자 내부로 침투하기 쉽다는 장점을 갖는다. 그런데 SnCl2는 실제 액화조건하에서 활성촉매상이 아니며, 그 이유는 반응조건하에서 Sn 및 SnS로 전환되기 때문이다. 그리고 이들의 활성도는 SnCl2와 거의 비슷한 것으로 알려져 있다. 이 촉매의 특징은 ZnCl2와 달리 유황성분과 동시에 존재할 경우에도 비활성화되지 않는다는 것이다. Mizumoto등은 역청탄액화반응에 SnO2를 첨가시켜서 반응실험한 결과 액화수율이 매우 향상되었으며, 금속의 활성상은 Sn 자체가 됨을 액하잔사를 통하여 알아내었으며, 이와 같은 연구결과는 Cook와 Cashion 및 Cook등에 의해서도 확인되었다. 이때 Sn의 역할은 자유기의 전파반응속도를 ｊ춤으로써 액화 반응을 효과적으로 조절하는 것으로 Cassidy등에 의해서 제안되었다. 그러나 수소공여용매인 tetralin의 농도가 높을 경우에는 촉매의 활성도가 거의 미미한 것으로 나타나는데, 이는 Sn 자체는 수소화 활성이 미약하다는 것은 반증하는 것으로 볼 수 있다. 또한 SnO2에 황산염을 첨가제로 사용할 경우의 활성은 Fe(CO)5와 거의 비슷함이 Pradhan에 의해서 확인되었다.
Lett등은 ammonium heptamolybdate를 전구체로 이용한 활성 및 표면적이 높은 MoS2의 생성반응에 대하여 조사하였으며, 이것은 oxysulfide 염 형태의 반응 중간체를 거쳐서 생성되며, 이러한 전환은 가열속도, NH3/Mo-비, H2-분압 그리고 석탄존재의 유무에 영향을 받게 된다고 하였다. 특히 석탄을 첨가하게 되면 MoS2층이 쌓이는 거을 방치함으로써 MoS2의 분산이 용이하게 됨을 XRD를 통하여 확인하였다.
또한 Mo전구체로서 ammonium tetrathiomolybdate는 촉매활성을 위하여 외부에서 H2S를 공급하지 않아도 된다는 부수적인 장점을 갖는데, 이 전구체는 MoS3 중간체를 거쳐서 MoS2로 전환되며, 실제로 MoS3를 수소분위기 하에서 450℃로 급격히 가열시키면 표면적이 85-158m2/g이 되는 MoS2가 생성된다고 Lett드에 의하여 보고되었다. 그런데 Mo는 그가의 금속이므로 한번쓰고 버리기에는 셩제성이 맞지 않는다는 문제점을 지닌다.
Kim과 Curtis는 유용성인 Mo-naphthenate, Ni-na-phthenate 그리고 V-napthenate 전구체를 기존상용촉매인 Ni-Mo/Al2O3 촉매인 Shell 324(150 mesh)와비교액화 실험하였으며, 실험결과, Mo-species=Ni-species>Ni-Mo/Al2O3>thermal with sulfur>V-species의 활성도 순위가 된다고 하였다. 이들은 또한 Mo-octonnate의 비교 활성 실험 수행하였는데, 수소화 및 탈황 기능 측면에서는 두가지 촉매가 공히 비슷한 활성ㅇ르 보여주었지만 수소화 방향족 생성 측면에 있어서의 선택도는 전자가 상대적으로 높다고 하였는데 이것은 액화반응 저건 하에서 용매에 수소공여 기능을 부가해 줄 수 있는 중요한 요인으로서 높은 액화반응 활성을 부여해 주게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 석탄액화반응효율 촉진을 위해서 분산촉매가 기존의 상용 담지촉매에 비하여 상대적으로 높은 활성을 나타냄을 보여 주며, 이는 향후 연구개발방향으로서 분산계 촉매가 충분히 가능성있는 것으로 평가된다. 그렇지만 아직 해결되어야 할 과제로는 분산계 촉매가 고활성을 갖기 위해서는 유용성 혹은 수용성 상태의 전구체가 전처리(활성화) 과정에 의해 고분산 및 높은 촉매표면적을 갖도록 유도한과 동시에 고활성 구조를 갖도록 각각의 전구체에 따라 올바른 활성화 조건 (활성화 온도, 가열속도, H2S 혹은 S농도)을 알아내는 연구가 필요하다.
4. 결어
석탄액화(coal dissolution)반응 촉진을 위하여 현재까지 사용되었고 연구되어 온 촉매는 크게 담지촉매와 분산촉매를 들 수가 있다. 그런데 담지촉매는 구조특성성 석탄과 같니 방향족 중질 고분자 혼랍 물질을 경질화시킬 경우, 코우크 및 금속 성분의 고착에 의한 비활성화 현상을 피할 수가 없으므로 실제 곤정의 적용에는 문제점이 있다. 따라서 최근에 와서 한번 쓰고 버릴 수 있는 분산촉매에 관한 관심이 집중되고 있으며, 실제 액하반응 적용시 매우 높은 활성을 나타내는 것으로 보고되고 있다. 이 분야에 관련돤 연구는 아직 성숙되지 않은 단계로서 보다 심층 연구가 요구된다고 볼 수 있다. 구체적으로 현재까지 실험 연구되어 온 분야는 촉매 전구체의 종류는 다르지만 주로 단일 성분의 촉매전구체를 사용한 활성도 향상 연구에 제한되고 있다. 그런데 실제 석탄액화반응 측면에서 보면 촉매의 수소화 및 분해기능의 두가지가 요구되며, 이는 기존이 담지촉매와 마찬가지로 주 활성성분과 보조성분이 석탄 자체에 고분산 상태로 분포되었을 경우 반응효율이 향상될 가능성이 큼을 시사하므로 이롸 관련된 연구가 필요하다. 특히, 분산촉매의 경우 전구체의 전처리(활성화)에 의한 고분산, 높은 표면적 그리고 전구체로부터 변형된 활성성분을 고활성 구조로 유도하기 위한 기초요인 (활성화 온도, 가열속도, H2S 혹은 S 농도 등)에 관한 연구가 매우 중요하다.

키워드

석탄,   액화,   촉매,   연구