촉매연소법을 이용한 VOCs 제거

송근영, 김현종, 설용건, 한문희*,최종언**, 김우섭**, 김두성**,

연세대학교 공과대학 화학공학과,

대림엔지니어링 기술연구소*, 한국에너지기술연구소**

Removal of VOCs using Catalytic conbustion

K.Y.Song, H.J.Kim, Y.G.Shul, M.H.Han*, J.E.Choi**, W.S.Kim**, D.S.Kim**

Dept. of Chem. Engin. Yonsei University, Seoul, Korea,

KIER, P.O.Box 5, Taedeok Science Town,Taejon, Korea*

Daelim Engineering Co. Ltd, Seoul , Korea**,

서론

산업발달과정에서 발생하는 대기오염은 많은 물질적, 정신적 피해를 일으키고 있으며, 그중에서도 석유화학공장, 자동차등에서 발생되는 휘발성유기화합물 (Volatile Organic Compounds, 이하  VOCs라 칭함)에 의한 피해는 최근 그 유독성과 악취등으로 인한 심각성이 널리 인식되어 엄격히 법률로서 제한되고 더욱더 규제가 강화되고 있는 실정이다. VOCs을 제거하는 방법으로 본 연구에서는 촉매연소법을 이용하였고 촉매로는 1% Pt/Nb2O5/ SiO2, 1% Pd/Nb2O5/SiO2과 1% Pt/ Y-zeolite+Bentonite을 사용하였고 높은 Conversion을 나타내기위한 최적조건과 이때의 촉매의 변화를 각각의 특성화을 통하여 살펴보았다.

실험

1.촉매제조

Double support계로서 사용된 1% Pt/Nb2O5/SiO2과 1% Pt/Y-zeolite +Bentonite 담체를 제조하기 위하여 Nb2O5는 전구체로서 Nb2O5[eqn: CDOT]nH2O를 Heating시킨후 SiO2 (Silica Gell, Fuji silysia)에 Incipent Wetness Impregnation Method로 담지를 시킨후 Room temperature에서 12h, 110℃에서 12h 건조후 최종적으로 공기분위기에서 500℃,  5h동안 소성하였다. Y-zeoite+Bentonite의 경우 한국에너지기술연구소에서 Honeycomb type의 촉매를 각각 20, 30, 40, 60% Bentonite로 제조하여 사용하였고 Platinum 및 Palladium담지는 Chloroplatinic Acid hydrate(Aldrich Chemicals Co.) 및 Palladium Chloride를 초순수에 녹여 수용액을 각각의 담체에 Incipient Wetness Impregnation Method 로서 담지시킨후 공기분위기 실온에서 12h, 110℃에서 12h 건조후 500℃에서 5h 소성하였다.제조방법을 그림으로 나타내면 다음과 같다.

Figure 1. Incipient wettness impregnation method

2. 실험장치 및 분석

반응기는 Fixed bed type의 Continuous flow microreactor를 수직으로 세워서 사용하였고 반응로는 Thermocouple이 연결된 PID Controller에 의하여 온도가 Controll되고 반응기 Sample의 상하에는 Sample을 고정시키기 위하여 Quartz wool을 사용하였고, 반응후 Sample은 FID가 장착된 G.C에 의하여 분석되고, 분석된 값으로 전환율을 계산하였다. 촉매의 특성화를 위하여 XRD, BET, Raman spectroscopy를 통하여  특성화를 실시하였다.

결과 및 토의

1% Pt/Zeolite + Bentonite (20,30,40,60%), 1% Pt/ 5,10,30,80% Nb2O5/ SiO2, 1% Pt/Nb2O5, 1% Pd/10% Nb2O5/SiO2(500℃, 5h/ 700℃, 3h/ 800℃, 3h), 1% Pt/Nb2O5 (500℃, 5h/ 700℃, 3h/ 800℃, 3h)에 대하여 실시한 반응은 각각의 조건에 대하여 다음과 같은 결과를 나타내었다. Support를 Zeolite + Bentonite (20, 30, 40, 60%) 사용 할 경우 촉매활성은 다음과 같다. [1% Pt/Zeolite+Bentonite(20%)>1% Pt/Zeolite+Bentonite(30%)>1% Pt/Zeolite+Bentonite(40%)>1% Pt/Zeolite+ Bentonite(60%)(Fig2.).] 이상의 결과로부터 1% Pt/Zeolite+ Bentonite(20%)에서 가장 높은 활성을 나타내고 Bentonite의 함량이 높아짐에 따라 Conversion이 낮아지는 것을 확인할 수 가 있었다. 또한 1% Pt/Nb2O5, 1% Pt/10%Nb2O5/SiO2, 1% Pt/5% Nb2O5/SiO2, 1% Pt/30% Nb2O5/SiO2, 1% Pt/80% Nb2O5/SiO2의 경우 촉매활성은 다음과 같은 순서로 나타난다. [1% Pt/80% Nb2O5/SiO2 > 1% Pt/Nb2O5 > 1% Pt/10%  Nb2O5/SiO2 > 1% Pt/5%Nb2O5/SiO2 > 1% Pt/30% Nb2O5/SiO2 (Fig3.)] 특히, 1% Pt/Nb2O5/SiO2의 경우 각각의 소성온도별 (즉 500℃/5h, 700℃/3h, 800℃/3h)로 활성을 조사해본 결과 소성온도가 500℃이상 700℃, 800℃일 경우 촉매활성이 현저히 떨어짐을 확인할 수가 있었다. XRD을 측정하여 담체와 촉매활성물질의 관계를 소성온도별로 조사해보면 담체의 표면적 저하에 의해 촉매활성 물질의 Crystal size가 커지게 되어 촉매 단위당 촉매활성점수가 저하됨에 따른 것으로 추정된다. 1% Pd/Nb2O5/SiO2에 대해서도 같은 조건하에서 실험을 수행하였고 촉매로서는 1% Pd/Nb2O5, 1% Pd/10% Nb2O5/SiO2에대하여 500℃/5h, 700℃/3h, 800℃/3h에서 소성을 하여 실험을 행하였다. 실험결과 Pt을 담지시켰을 경우와 소성온도에 따른 결과가 다르게 나타났고 90% 이상의 전환율을 순서대로 나타내면 다음과 같다. 1% Pd/10% Nb2O5/SiO2(800℃, 3h)>1% Pd/10% Nb2O5/SiO2 (700℃, 3h)>1% Pd/10% Nb2O5/SiO2(500℃, 5h)>1% Pd/Nb2O5 (700℃, 3h)>1% Pd/ Nb2O5 (800℃, 3h)>1% Pd/Nb2O5 (500℃, 3h) (Fig 4). 이상의 결과로부터 촉매활성물질로서 Pt을 사용할 경우 Pd을 사용할 경우보다 높은 활성을 나타냄을 알수가 있었고 1% Pt/Nb2O5/SiO2 경우 500℃, 5h에서 소성을 할 경우 가장 높은 활성을 나타내었다.

Reference

1. Burnns & McDonnell Engin. Co. Inc., Chem. Engin, Pro., July 1992.      28-35

2. Panagiotis Papaefthimiou, theophilos Ioanides., Xenophob E.verykios*,     Applied catalysis B: Environmental 15 (1998) 75-92

3. Jin-Mirn Jehng and Israel E. Wachs, Catalysis Today, 16 (1993)          417-426   ,

4. Hideshi Hattori, Masayoshi Itoh and Kozo Tanabe, Journal of             Catalysis 38, 172-178 (1975)