담지된 촉매에 트리메틸아민 분해 연구

신 경 이, 소 현 수, 양 오 봉

전북대학교 화학공학부

A Study on trimethylamine decomposition on the supported catalysts

Kyung-Yi Shin, Hyeon-Soo So, O-Bong Yang

School of Chemical Engineering and Technology, Chonbuk National University

서론

최근 문화수준의 향상으로 쾌적한 생활환경을 선호하는 추세이고 이에 따른 악취에 대한 관심이 증대되고 있다. 약 200만종에 달하는 지구상의 화합물 중에서 특유한 냄새를 내는 악취물질은 약 10,000여종에 달하는데 악취는 쾌적한 생활환경을 저해할 수 있는 요인으로 다양한 각도에서 제거하려는 연구가 이루어지고 있다.

악취물질을 제거하는 방법 중에 흡착 제거하는 방법은 활성탄, 제올라이트 등을 주로 이용하며 장치는 간단하나 이것은 고농도의 취기에는 흡착능의 한계를 보이므로 흡착제를 정기적으로 교환 또는 재생해야 한다는 단점이 있다[1]. 화학적인 방법으로는 비교적 저온에서 산화시키는 촉매 산화법이 있는데 촉매독에 의한 기능저하가 있을 수 있으나 NOx가 생성되지 않는다는 장점을 가지고 무취, 무해물질로 전환시키는 방법으로 사용된다[2]. 종래에는 Pt, Pd 또는 전이금속산화물이 473∼1073K에서 이용되어 생선 썩는 냄새를 가지고 실내공기를 오염시키는 트리메틸아민을 제거하고자 하는데 이용하여 높은 활성도를 가지고 있으나 가정에서 주로 발생하는 냉장고에 사용할 수 있도록 보다 더 저온에서 활성이 가능한 촉매 개발이 요구되어 지고 있다 [3-5].

실내에서는 약간의 열과 촉매를 이용하여 악취 물질을 연소하는 방법이 연구되며, 냉장고 등의 사용 온도인 5℃ 정도의 낮은 영역에서도 촉매를 통하여 일부 물질을 산화 분해하는 방법이 쓰이고 있으므로 본 실험의 목적은 냉장고에서 주로 발생하는 생선 썩는 냄새를 유발하는 트리메틸아민을 금속 산화물계와 제올라이트계를 이용하여 5℃정도의 낮은 온도에서 흡착능이 뛰어난 촉매를 개발하고자 하며, 실내 및 음식점 등에서 사용 가능하도록 100∼250℃에서 산화 분해 반응이 뛰어난 촉매를 개발하고자 한다.

실험

(1)촉매 제조

담체는 금속산화물 계열과 제올라이트계를 사용하여 모든 촉매는 공함침법으로 제조하였으며, 활성금속의 전구체는 금속질산염을 사용하였다. 제조된 촉매는 air를 이용하여 400℃에서 3시간 정도 소성한 후 반응실험에 사용하였으며 400(3)으로 표시한다. □-Al2O3 , SiO2(이상 Stream), P25(Degussa), ZSM-5(Na form, Si/Al=11,ALSI-PENTA: ZSM-5(11))의 제품을 사용하였다.

(2)반응실험

일정온도(5℃)에서 실험을 위한 담체를 U-tube reactor에 넣은 후, 트리메틸아민을 200ppm을 연속적으로 흘려주어 어느 정도의 흡착을 하는지를 mass spectrometer를 통하여 on-line으로 데이터를 얻었다. 담체들의 흡착 제거율을 측정한 후 담체에 활성 금속을 담지한 촉매들에 대해서도 흡착 제거율을 측정하여 담체의 제거율과 비교하였다.

실내, 주방 및 음식점에서의 트리메틸아민의 경우, 저온에서는 산화 분해되지 않으나 비교적 고온에서는 촉매에 의한 산화분해 반응이 일어나기 때문에 100∼250℃ 사이에서 촉매에 의한 활성도를 측정하였다. 승온온도는 상온에서 5℃/min으로 올려주었으며, 25℃간격으로 온도를 40분간 유지시켜 제거율을 측정하였다.

Table 1. Experimental conditions

Gas composition	Air(balance), (CH3)3N :200ppm
Total flow rate	150ml/min
Gas Hourly Space Velocity(GHSV)	40,000h-1
Amount of Catalyst	0.15g
Reaction Temperature	5℃ , 100∼250℃
Analyzer	Mass spectrometer (balzers QMS 200)

결과 및 토론

일정온도에서 Fig.1.는 금속산화물 계열의 담체의 흡착 제거율은 A/C> SiO2> □-Al2O3 >P25순으로 나타났으나 활성탄과 비교해 보면 가장 좋은 SiO2의 경우도 3분의 1정도의 흡착능 밖에는 보이지 않았다. 이 금속 산화물계의 담체에 활성 금속을 담지 시켰을 경우 흡착 제거율의 변화를 보면 활성 금속이 담체의 세공을 막아 표면적의 감소로 인한 흡착능이 감소하는 것으로 볼 수 있으나 크게 감소하지 않는다. 저온에서 활성 금속은 트리메틸아민의 흡착에 도움을 주지 않는 것으로 나타났다.

Table.2는 실내나 주방 및 음식점에서 발생하는 트리메틸아민의 산화분해 반응에 대한 결과로 Ag의 금속에 대한 담체로 ZSM-5(11)> P25>□-Al2O3>SiO2 순서로 트리메틸아민의 제거율이 좋았으며 Cu 금속에 대하여서는 P25>SiO2>□-Al2O3>ZSM-5(11)로 좋은 결과를 나타냈다. Mn의 담지량이 5wt%일 경우의 P25≥□-Al2O3>SiO2 > ZSM-5(11) 순으로 제거율이 좋게 나타났다. 결론적으로 보면  트리메틸아민의 제거율은 Cu > Mn > Ag 순으로 좋은 결과를 보였다.

가장 좋은 결과를 나타낸 활성금속인 Cu에 대하여 보면 담체로 P25를 사용하였을 경우와  SiO2를 사용했을 경우를 비교해 보면 고온에서는 담체의 영향을 크게 받지 않지만 저온에서는 P25가 더 좋은 것으로 나타났다.

활성금속인 Cu함량의 변화에 따른 결과를 관찰하여 보면 Cu의 함량에 따라 큰 변화가 없지만 175℃ 이상의 고온으로 이동할수록 함량이 증가에 따라 미세한 활성이 증가하는 것을 볼 수 있었다. Fig. 2로부터  최적의 Cu의 최적 함량 1∼2wt%정도로 나타났다.

결론적으로 보면 트리메틸아민을 저온에서 분해하기 위한 최적 조건은 Cu 1∼2wt%를 P25에 담지한 촉매가 가장 좋은 결과를 보였다.

참고문헌

1.中村,□尿處理施設□吸着脫臭技術□□□實例,惡臭公害對策□□□□講演集,      惡臭公害硏究所,1977

2.명현국, 공기청정기술, 6(2),1993.

3.R.Yamanaka, Shokubai, Catalyst, 16,42 (1974).

4.M.Haruta, S.Tsubota, T.Kobayashi, H.Kageyama, M.J. Genet and B. Delmon,    J.Catal., 144, 175(1993) .

5.A.Ueda and M.Haruta, Sigen Kankyo Taisaku, J.Resource and Environment,     28(11),1035 (1992).

Table 2. Trimethylamine removeal effiency on various supported catalysts (%)

Temp. (℃)	Ag (1)				Cu(5)				Mn(5)
	SiO2	Al2O3	P25	ZSM-5 (11)	SiO2	Al2O3	P25	ZSM-5 (11)	SiO2	Al2O3	P25	ZSM-5 (11)
100	6.5	1	0	61	0	0	5.5	35.5	11	11	6	67
125	0	0	0	20	0	0	5.5	11	1	13.5	11	3.5
150	0	0	0	13.5	0	0	19.5	11	3.5	15.5	20	0
175	0	0	3.5	11	46.5	0	47	11	8.5	37	39	0
200	8.5	0	13.5	20	86.5	26.5	78.5	18	24.5	60	59	0
225	35.5	1	20	43.5	91.5	74	92.5	21.5	49	84	76	0
250	58	16	40.5	74	93.5	89.5	95.2	45	76	89	89	30

Fig.1. Trimethylamine adsorption on various metal oxides:

■ P25, ▼Al2O3, ▽Ag-Cu-Mn/Al2O3,  ▲SiO2, △Ag-Cu-Mn/SiO2, ●A/C.

Fig.2.The effect of Cu loading on the removal of (CH3)3N on the titania          supported catalysts: ▲Cu(1),●Cu(3),■Cu(5),▼Cu(7).