• 한국가스학회지
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• 제18권4호
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• pp.63-67
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• 2014

Fischer-Tropsch 합성은 주로 긴 carbon 사슬을 가지고 있는 높은 점도의 왁스를 product로 생산한다. 촉매 고정층 반응기를 이용하여 Fischer-Tropsch 합성을 수행할 경우, 왁스는 촉매입자의 표면에서 생산되어 촉매입자 표면에 흡착되어 있다. 이런 왁스의 hold-up 현상이 반응기 전체의 압력강하는 증가시키고 내부 흐름을 막는 문제를 일으킨다. 따라서 반응기 내부에 왁스가 hold-up되는 현상에 대한 모델링을 통해 왁스 hold-up 현상을 최소화 할 수 있는 반응기 및 촉매 입자의 크기를 결정하는 설계 과정이 필요하다. 본 연구에서는 왁스가 hold-up된 촉매 입자와 기체 흐름 사이의 대류 물질 전달 실험 모델을 이용하여 반응기 구조 및 운전 조건을 고려할 수 있는 반응기 내부 왁스 hold-up 모델을 개발하였다. 개발된 모델은 실험 데이터를 제공한 Knochen의 연구 결과와 비교하여 모델의 우수성을 검증하였다. 이 모델을 이용하여 반응기의 길이와 단면이 반응기 내부 왁스 hold-up 현상에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 분석해 보았다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제50권3호
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• pp.417-420
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• 2012

본 연구는 Pd/$SiO_2$ 촉매를 이용하여 2,4-dinitrotoluene(2,4-DNT)을 2,4-toluene diisocyanate(2,4-TDI)로 환원시키는 반응에 관한 연구이다. 반응 조건은 $200^{\circ}C$에서, 일산화탄소를 주입하여 100 bar에서 실험을 진행하였으며, 피리딘이 TDI의 수율에 미치는 영향에 대해 연구 하였다. 반응 실험 결과 피리딘을 넣지 않은 경우 TDI는 생성되지 않았고, 피리딘을 첨가하면 TDI가 생성되었다. 직접 카보닐화를 이용한 균질계상에서의 TDI 합성 연구 결과에 의하면 팔라듐과 피리딘의 착이온이 형성되어 촉매작용을 하는 것으로 알려져 있다. 피리딘을 첨가하였을 경우 TDI가 합성되는 것이 팔라듐 용출에 의한 것인지 확인하기 위해 ICP-AES 분석을 시행하였다. 20 vol% 피리딘을 첨가한 반응에서 반응 후 촉매의 팔라듐 함량이 반응 전에 비해 52% 감소하였다. 이러한 결과는 피리딘을 첨가한 반응실험에서 용출된 팔라듐이 피리딘과 착이온을 형성하는 과정을 거쳐 TDI가 생성되는 것으로 설명될 수 있다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제50권2호
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• pp.217-222
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• 2012

이산화탄소를 이용하여 디메틸카보네이트(DMC)를 제조하는 반응은 지구온난화 현상의 주요 원인으로 지적되는 이산화탄소의 효율적 전환 방법의 하나로 주목 받고 있다. DMC는 유독한 포스겐과 디메틸슬페이트를 대체하는 반응 매개체, 가솔린 연료 첨가제, 폴리카보네이트 수지의 전구체 등으로 다양하게 활용되고 있다. 본 연구에서는 에틸렌카보네이트(EC)와 메탄올의 에스테르 교환반응에 의한 DMC의 제조 반응에 대하여 이온성 액체와 금속 촉매의 특성을 조사하였다. 촉매 스크리닝 실험 결과 [Choline][OH]와 [BMIm][OH]가 금속염인 MgO, ZnO, CaO보다 더 좋은 촉매 활성을 나타내었다. [Choline][OH] 촉매에 대해서 반응변수인 반응온도, MeOH/EC 몰비, 이산화탄소 압력이 반응에 미치는 영향을 고찰하였다. 반응온도가 높고 MeOH/EC 몰비가 클수록 EC의 전화율이 증가하였다. 그러나 이산화탄소 압력의 영향에서는 1.34 MPa에서 최고의 DMC 수율을 나타내었고 그 이상의 압력에서는 DMC 수율이 오히려 감소하였다. $ZnCl_2$를 조촉매로 사용한 경우 각각 촉매의 활성보다 더 높은 활성을 나타내어 시너지 효과가 관찰되었으며, 이것은 혼합촉매의 산-염기적 특성에 기인하는 것으로 판단된다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제55권2호
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• pp.270-274
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• 2017

본 연구에서는 양자 역학 계산 이론 중 하나인 Density Functional Theory (DFT)를 사용하여 $Pd/Pd_3Fe$ 촉매 표면에서 개미산(HCOOH) 분해 반응으로부터 수소를 생산하는 반응 메커니즘을 분석하였다. 기존 연구에 따르면, 단일 원자 촉매 중에서 개미산 분해 반응에 가장 높은 수소 생산성을 기록하는 원자는 Pd 촉매이지만, 부 반응으로 생산되는 CO가 Pd에 독성을 띄우기 때문에 Pd 촉매의 성능을 저하시킨다. 이러한 단점을 극복하고자, Pd를 기반으로 Pd와 Fe를 3:1로 합금하여 $Pd_3Fe$가 코어(core) 형태로 존재하고 Pd가 표면에 위치한 core-shell $Pd/Pd_3Fe$ 촉매를 설계하여 개미산 분해 반응에 의한 수소 생산 속도를 계산하였다. 순수 Pd촉매 보다 $Pd/Pd_3Fe$ 촉매의 수소 생산 반응의 활성 에너지가 감소하였다. 그 이유는 Pd와 Fe가 합금화 되면서 $Pd_3Fe$의 격자 상수가 $2.76{\AA}$로 줄어 들어 HCOO의 흡착에너지를 0.03 eV 감소시켰고, Fe에서 표면 Pd로 전자가 이동하면서 표면 전자 구조가 변화하여 HCOO의 흡착에너지를 0.29 eV 낮추었기 때문이다. 본 연구에서 제안하는 결과를 바탕으로 추후 개미산으로부터 수소 생산이 더 용이한 새로운 촉매 설계 메커니즘을 제안하고자 한다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제55권2호
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• pp.258-263
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• 2017

본 연구에서는 글루코스 산화효소(glucose oxidase, GOx), 고분자인 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine, PEI), 카본나노튜브(carbon nanotube, CNT)와 벤조퀴논(benzoquinone, BQ)을 이용하여 글루코스 바이오연료전지를 위한 바이오 촉매를 합성하였다. 이를 위해, 지지체인 PEI/CNT 복합체에 BQ를 정전기적 인력을 통해 물리적으로 포집한 뒤, GOx를 담지시켜 합성하였다. 이는 기존에 전자 매개체로서 전해질에 풀어서 사용했던 BQ를 전해질이 아닌 촉매 내에 포집하여 촉매를 구성하였다는 개선점이 크며, 그 결과, BQ가 포집되지 않은 촉매 대비, 1.9배 상승한 $34.16{\mu}A/cm^2$의 최대전류밀도를 얻음을 통해 촉매활성이 개선되었음을 증명하였고, 바이오연료전지의 산화극 촉매로 이용 시, BQ가 포집되지 않은 촉매를 이용한 바이오연료전지에 비해 1.2배 상승한 $0.91mW/cm^2$의 최대출력밀도를 얻었다. 이를 통해 바이오연료전지의 산화극을 위한 촉매로서 GOx와 함께 담지된 매개체 BQ를 포함한 촉매 제조 가능성을 확인하였다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제56권5호
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• pp.725-731
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• 2018

바이오매스의 탄화 반응에서 촉매의 영향을 살펴보기 위하여 열중량분석기에서 탄화 반응 실험을 하였다. 사용된 바이오매스는 대나무와 소나무이었고, 사용 촉매는 K, Zn 금속화합물이었다. 질소 분위기에서 상온에서 $850^{\circ}C$까지 승온속도 $1{\sim}10^{\circ}C/min$에서 탄화 실험이 행하여졌다. 또한 석탄과의 혼소를 위한 바이오매스 반탄화 공정에서의 촉매의 영향 실험이 가열속도 $5^{\circ}C/min$, 반탄화 온도 220, 250, $280^{\circ}C$에서 30분간 등온 조건을 유지하면서 행하여졌다. 반탄화 시료에 대한 비등온 연소반응 특성 실험이 $200{\sim}850^{\circ}C$ 구간에서 행하여졌다. 바이오매스가 탄화 되기 시작하는 탄화 개시 온도($T_i$)와 최대탄화속도가 나타나는 온도($T_{max}$)는 촉매량이 증가할수록 낮아졌다. $400^{\circ}C$까지 열분해 되지 않고 남은 잔여 촤 성분은 촉매량이 증가할수록 증가되는 경향성을 보였다. 따라서 촉매 첨가 시 탄화에너지를 감소시키고 생성 촤의 발열량을 개선할 수 있다. 반탄화 조건에서 K촉매가 담지 된 경우 무촉매 바이오매스의 최적조건인 $250^{\circ}C$ 보다 낮은 $220^{\circ}C$까지 반탄화 조건을 완화시킬 수 있었다. K촉매 함유 반탄화 바이오매스의 연소반응에서 활성화에너지는 25.1~27.0 kJ/mol 범위로 무촉매 바이오매스 46.5~58.7 kJ/mol보다 낮게 나타났다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제46권4호
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• pp.806-812
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• 2008

귀금속촉매 존재하에서 암모니아 전환반응은 배가스내의 암모니아를 처리하는데 중요한 기술이다. 과잉용액 함침법을 이용하여 $Pt-Rh/Al_2O_3$, $Pt-Rh/TiO_2$, $Pt-Rh/ZrO_2$, $Pt-Pd/Al_2O_3$, $Pd-Rh/Al_2O_3$, $Pd-Rh/TiO_2$, $Pd-Rh/ZrO_2$, $Pt-Pd-Rh/Al_2O_3$, $Pd/Ga-Al_2O_3$, $Rh/Ga-Al_2O_3$, 그리고 $Ru/Ga-Al_2O_3$의 촉매를 제조하였다. 제조된 촉매는 1/4"의 반응기에 $10,000{\sim}50,000hr^{-1}$의 공간속도 조건하에서 촉매활성능 실험을 수행하였다. 암모니아의 초기농도는 2,000 ppm (나머지는 공기)으로 유지하였다. $T_{50}$는 암모니아 전환율이 50%일 때를 나타내는 온도를, $T_{90}$은 90%의 전환율일 때의 온도를 나타낸다. 알루미나를 담지체로 사용했을때의 $T_{50}$와 $T_{90}$은 다른 담체를 사용했을때의 $T_{50}$와 $T_{90}$보다 훨씬 낮았다. Pd-Rh촉매의 경우 $Al_2O_3$를 담체로 사용하였을 때 $ZrO_2$나 $TiO_2$보다 저온 활성이 우수하게 나타났다. 황산화물의 피독실험 결과 본 연구에서는 최종적으로 $Pt-Rh/Al_2O_3$ 촉매가 다른 촉매에 비하여 우수함을 보였다. 실험결과 Pt-Rh가 암모니아 전환공정에서 유용한 촉매라는 사실을 알 수 있다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제46권5호
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• pp.1002-1007
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• 2008

이 논문의 목적은 PEMFC 작동을 위한 플라즈마 개질 시스템의 최적 조건을 연구한 것이다. 플라즈마 개질 반응기는 니켈 촉매 반응기와 동시에 사용하여 수소 생성을 증대하였다. 또한 수성가스 전환 반응기 및 선택적 산화 반응기는 연료전지의 촉매 피독에 영향을 주는 일산화탄소의 농도를 10 ppm 이하로 줄이기 위하여 제작되었다. 플라즈마 개질기에서 최대 수소생산 조건은 S/C 비 3.2, 메탄 2.0 L/min, 촉매반응기 온도는 $700{\pm}5^{\circ}C$ 그리고 입력전력 900 W이다. 이때의 합성가스의 농도는 $H_2$ 70.2%, CO 7.5%, $CO_2$ 16.2%, $CH_4$ 1.8% 이다. 수소 수율, 수소 선택도 그리고 메탄 전환율는 각각 56.8%, 38.1%, 92.2%이다. 에너지 효율과 에너지 요구량은 37.0%, 183.6 kJ/mol 이다. 추가적으로 $CO_2/CH_4$ 비 실험을 진행하였다. 또한 수성가스 전환 반응기는 플라즈마 개질 반응기의 최적조건으로 실험을 진행하였으며, 출구 농도는 $H_2$ 68.0%, CO 337 ppm, $CO_2$ 24.0%, $CH_4$ 2.2%, $C_2H_4$ 0.4%, $C_2H_6$ 4.1% 이다. 이때의 선택적 산화 반응기의 실험결과는 $H_2$ 51.9%, CO 0%, $CO_2$ 17.3%를 나타냈다.

• 청정기술
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• 제18권1호
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• pp.95-101
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• 2012

수소생산을 위한 메탄의 부분산화용 촉매로 알루미나에 담지된 코발트와 니켈 촉매를 함침법으로 제조하였다. 이들 코발트와 니켈 촉매에 조촉매 성분 Mg, Ce, La와 Sr을 첨가하여 초촉매 효과를 조사하였다. 메탄의 부분산화반응을 위한 촉매의 활성은 상압, $CH_4/O_2$ = 2.0에서 450~$650^{\circ}C$의 온도영역으로 조사하였다. 촉매의 특성은 BET, XRD와 SEM/EDX를 이용하여 조사하였다. 0.2 wt%의 조촉매 성분의 첨가로 촉매성능의 상승효과를 얻을 수 있었다. $500^{\circ}C$ 이상의 온도에서는 $Co/Al_2O_3$에 Mg을 첨가한 촉매가 가장 우수한 메탄 전환율과 수소 선택성을 나타내었다. 낮은 온도 영역에서는 $Ni/Al_2O_3$에 Ce와 Sr을 첨가한 촉매가 Co계 촉매보다 우수한 반응특성을 나타내었다. $Co/Al_2O_3$와 $Ni/Al_2O_3$에 조촉매를 첨가한 경우 촉매의 표면적이 증가하는 것으로 나타났다.

• 청정기술
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• 제20권1호
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• pp.57-63
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• 2014

본 연구에서는 합성천연가스(synthetic natural gas, SNG)를 생산하기 위한 공정 개발을 위해 $H_2/CO$ 비가 낮은 합성가스를 이용하여 스팀과 함께 메탄화 반응을 수행하였다. 본 실험과 같은 조건에서는 수성가스 전환반응과 메탄화 반응이 동시에 일어나며, 스팀양이 적을 경우 촉매의 비활성화가 발생할 수 있다. 때문에, 스팀 양에 대한 반응특성을 수행하였으며, 더불어 고농도의 $CO_2$가 함유된 합성가스에 대한 메탄화 반응특성도 함께 고찰하였다. 그 결과, 스팀의 공급으로 인하여 촉매 층내의 온도를 낮출 수 있었으며, 메탄화 반응과 수성가스전환반응이 동시에 일어났음을 확인할 수 있었다. 고농도의 $CO_2$가 함유된 합성가스의 메탄화 반응에서는 조금 낮은 메탄 수율을 보였지만, 장기운전(1,000 h) 결과로부터 본 연구에서 수행한 합성가스의 조건을 SNG 공정에 적용이 가능할 것으로 확인되었다.