Pd-Cu/USY 제올라이트상에서 톨루엔 연소반응 연구
이혜영·김태환·황영규·장종산·황진수†·이창국*·백 신*·나도영*
한국화학연구원그린화학촉매연구센터
305-600 대전시유성구장동 100
*KT&G중앙연구원담배과학연구소
305-345 대전시유성구신성동 302 (2006년 7월 4일접수, 2006년 7월 18일채택)
The Study of Toluene Combustion over Palladium-copper/USY Zeolite Catalyst
Hye Young Lee, Taihuan Jin, Young Kyu Hwang, Jong-San Chang, Jin-Soo Hwang†, Chang-Gook Lee*, Shin Baek* and Do-Young Ra*
Catalyist Center for Green Chemistry, Korea Research Institute of Chemical Technology, 100, Jang-dong, Yusung-gu, Daejeon 305-600, Korea
*Tobacco Research Group, KT&G Central Research Institute, 302, Shinseong-dong, Yusung-gu, Daejeon 305-805, Korea (Received 4 July 2006; accepted 18 July 2006)
요 약
USY 제올라이트에이원계의 Pd-Cu 복합촉매를담지하여 FT-IR 분석기로밀폐계에서촉매의표면반응특성을조사 하였다. 700 ppm의톨루엔연소반응은고정반응기를이용하여 80~220oC에서수행하였으며톨루엔을 GC로분석하였 다. 촉매활성은 Pd-Cu/USY > Pd/USY > PdO-CuO/USY > PdO/USY > PdO/Al2O3의순서임을알수있었다. 저온연 소반응에서수분이촉매의활성에미치는영향을관찰하였고공기의공급변화를통하여촉매표면에있는결정격자의 산소가반응에참여여부를조사하였다. 환원된촉매들은톨루엔의연소활성에너지로인해산화된촉매에비해활성 이높았다.
Abstract −The catalytic combustion of toluene over Pd-Cu/USY zeolite has been examined by using FT-IR spectros- copy in a closed system under dry and humid conditions. The catalytic combustion of toluene (700 ppmv) in the tem- perature range of 80−220oC has been investigated by using a fixed bed reactor. The Pd-Cu/USY catalyst showed the highest catalytic performance with respects to the PdO-CuO/USY and Pd/USY. Comparing to PdO/Al2O3 catalysts, the slight improvement in conversion was observed over PdO/USY catalysts under humid condition since USY zeolite is hydrophobic substrate and water give an additional oxygen source to zeolite surface like oxygen. The reduced catalysts showed more enhanced catalytic activity due to the reduced activation energy of combustion of toluene than oxidized catalysts such as PdO/USY and PdO-CuO/USY.
Key words: Toluene, Palladium, Copper, Catalytic Combustion, USY Zeolite, FT-IR
1. 서 론
담배연기중에는 4,800 여종의화합물이존재하는것으로알려져
있으며이중일부특정물질은전세계적으로점차규제가강화되고 있는추세이다[1]. 휘발성유기화합물(volatile organic compounds, VOC)도중요한제거대상물질로 분류되고있다. 톨루엔은담배
1개비에 5~90µg이함유되어있으며아직은담배의규제대상물질
은아니지만유해성의 VOC 물질에대한촉매및촉매담체의상대
적인활성을비교하여연구하기위한기준물질로서많이사용되고 있다[2-4].
촉매연소법은저농도, 낮은유량의 VOC 가스를처리하기에적
합한방법으로널리알려져있으며저온에서운전이가능하므로에
너지효율이높은 VOC 제어기술로관심을끌고있다[5-7]. VOC
연소촉매는활성이우수한 Pt, Pd 등의귀금속계촉매와 Mn2O3, NiO, Cr2O3, V2O5 등의전이금속계촉매를넓은면적에균일하게 분산시키기위하여알루미나, 실리카, 티타니아등의고표면적의지
지체위에담지하여사용하고있다[2-8]. 특히귀금속계촉매는낮
은반응온도에서높은촉매활성을나타낼뿐만아니라 VOC 가스 에포함된황및염소계화합물등촉매피독물질에대한내구성이 높기때문에상업용으로많이사용되고있다[9, 10]. 그러나이러한 귀금속계촉매는촉매제조비용이고가이기때문에최근에는저가 이면서촉매활성이우수한전이금속계촉매의개발에대한관심이
†To whom correspondence should be addressed.
E-mail: [email protected]
높아지고있다. 한편, 전이금속촉매계중에서는 MnO2, CuO, Cr2O3, Fe2O3, Co3O4등의복합금속산화물계촉매로이루어진비귀금속계 촉매가공지되어있지만, 이러한촉매들은제조가격면에서는비교 적경제성이있으나귀금속계촉매에비하여저온촉매활성이낮기 때문에운전에너지소모가증가하고, 수증기공존하에서는역시효 능이격감하고높은온도에서완전산화가이루어지는단점이있다
[11, 12]. Carnö 등[13]은귀금속계와비귀금속계촉매를혼합하여 귀금속의사용량을줄이면서도촉매의저온활성과안정성에서시너 지효과를보이는것을보고하였다. 최근에 Álvarez-Galván 등[14]도 귀금속계의 Pd와비귀금속계의 Mn 촉매로구성된이성분계의촉 매를알루미나지지체위에담지하여귀금속의사용량을줄이면서 도 formaldehyde/methanol에대한촉매의연소온도를 50~80oC의 범위에서유지하는결과를보고하였다.
알루미나지지체는고농도수증기의공존하에서수증기가없을 때보다더욱높은반응온도가필요한단점을갖고있다[15]. Becker
와 Forster[16]는 Y 제올라이트를지지체로하고 Pd와 Cu을각각 이온교환하여제조한촉매들을이용하여벤젠및톨루엔의연소를 연구하였는데 260oC에서수분을첨가하면전환율이낮아지는것을 관찰하였다.
본연구에서는과량수분의존재하에서도촉매의저온연소활성 을유지하고자하는목적으로소수성의 USY(ultra stable Y-type) 제 올라이트를 VOC 제거촉매의담체로사용하였으며알루미나지지 체를사용하는경우와비교하여연구를수행하였다. 촉매는귀금속 계의 1％ Pd와함께비귀금속계의 0.4％의 Cu 촉매를공침시켜제 조하였으며 1％ Pd에함침된 0.4％ Cu에기인된시너지효과를 FT-IR
분석과 VOC 연소실험을수행하여관찰하였다.
2. 실 험
2-1. 촉매의 제조
USY 제올라이트에담지된 1％Pd-0.4％Cu 촉매는 USY 제올라이 트(Zeolyst CBV 760, SiO2/Al2O3=60) 담체에 PdCl2(Aldrich, 99.99％), CuCl2(Aldrich, 99.99％)와 Cu(NO3)3·6H2O(Aldrich,99.99％) 전구 체를공침(coprecipitation)시켜제조하였다. 먼저증류수에이들전 구물질을 1％Pd-0.4％Cu 용해시켜 USY 제올라이트에담지시켰으 며, CuCl2가 0.08％ Cu와 (NO3)3·6H2O가 0.32％ Cu를형성하도 록조성을조절하였다. 지지체에담지된촉매는진공회전증발기에 서표면의수분을제거한후 120oC 건조기에서 12시간건조하고,
공기분위기에서 550oC의온도로 6시간소성하였다. 본논문에서는
이촉매를편의상 PdO-CuO/USY로표기하였다. 비교실험을위한
USY 제올라이트에담지된 1％Pd 촉매와γ-Al2O3(Aldrich, 155 m2/g)
담체에담지된 1％Pd 촉매는상기의촉매제조방법에서 Cu 전구체 를제외하고는같은방법으로제조하였으며편의상각각 PdO/USY
와 PdO/Al2O3로표기하였다. 상기의촉매들을 300oC의온도로 5％ 수소분위기에서 2시간환원한것은편의상 Pd-Cu/USY, Pd/USY와
Pd/Al2O3로표기하였다.
2-2. 촉매의 표면반응특성연구
밀폐계에서촉매상에서의톨루엔분해과정을 FT-IR로관찰함으 로써촉매의표면특성및수분존재하의지지체의특성에근거한 촉매의활성을잘설명할수있었다. Optical path length가 10 cm,
cell volume이 25.4 cm3으로제조된 FT-IR cell에 10 mg의촉매를
두께 0.2 mm, 지름 13 mm 크기의펠렛으로만들어투입하였으며
cell의온도측정은 CA thermocoupole 을사용하였다. FT-IR은 4 cm−1의 분해능에 MCT(mercury-cadmium-telluride) 검출기를갖춘 Nicolet
제품을사용하였다. 반응 cell은프로그램이가능한 Omega Series
Version 5.4를이용하여조절하였다. 이산화탄소를제거하기위하여
hopcalitae trap(80％ MnO2+20％CuO) 통과시킨후물을제거하기 위하여분자체트랩(3Å, Davison grade 54)을통과시켰다. 이때유 량은 MFC(Tylan Model FC-280)를이용하여조절하였다. 만들어진 펠렛을 cell에고정한후 300oC까지 1oC/min씩승온한후 300oC
에서 3시간유지하여수분을 1.0 × 10−3 torr 정도까지제거하였다. FT-IR cell을상온으로 cooling 한후톨루엔 5.0 torr를흡착하였다.
수분효과를보는실험에서는상온에서수분을먼저흡착한다음톨 루엔을흡착하였다. 30분동안 5.0 torr를유지하였다가 1.0×10−2 torr
가될때까지탈착하였다. 진공펌프를닫고수분제거된 air를 340 torr
되게천천히주입하였다. 이상태에서 FT-IR cell의온도를상온과
220oC에서톨루엔의촉매활성을관찰하였다.
2-3. 촉매의저온연소반응실험
본연구에서사용한실험장치는상압고정층반응기로서직경
1 cm의석영관에촉매 0.5 g을실리카로지지하여반응기를구성하
였다. 촉매를반응기에넣고 air(100 cc/min)를흘리면서약 5oC/min
의속도로 300oC까지올려 1시간동안산화시키고, 이어서 5％ H2
(100 cc/min)를흘리면서약 2.3oC/min의속도로 300oC까지올리 고 2시간동안환원시켰다. 톨루엔연소반응실험을수행하기전촉 매의초기흡착에의한톨루엔전환율에미치는영향을막기위하 여 air(500 cc/min)를 MFC(BROOKS 5850 SERIES)로 상온에서
80oC까지 6oC/min 간격으로올리고 3시간동안톨루엔을포화시 킨후톨루엔연소반응을조사하였다. 이때톨루엔공급라인의온 도는 130oC로유지하였다. 연소반응시반응기의온도는 80~250oC
범위에서 1oC/min 간격으로올리면서측정하였다. 톨루엔은 Micro syringe(Hamilton 100-Series Gastight, 25 ml)를사용하여 0.1 ml/h (700 ppmv)의속도로주입시켰다. H2O도 Micro syringe를사용하여
0.1 ml/h(4000 ppmv)의속도로주입시켰다. 반응가스및반응후가
스분석은 FID 검출기와공칼럼을사용하여기체크로마토그래프
(Donam(주) DS-6200)로수행하였다.
3. 결 과
3-1.촉매의표면반응특성연구
PdO/Al2O3 촉매상에서톨루엔의흡착에수분이미치는영향을관
찰한결과는 Fig. 1A와같다. 10mg의 PdO/Al2O3촉매를두께 0.2 mm,
지름 13 mm 크기의펠렛으로만들어 FT-IR cell에넣고상온에서
5 torr의톨루엔을 10분간흡착한후 1.0 × 10−2 torr까지진공으로 처리한결과는 Fig. 1A(a)에서보는바와같이 3,069, 3,032 cm−1에 서벤젠고리의 C-H에기인한특징적인피크를보여주고있으며 2,937
와 2,844 cm−1에서각각메틸기의 asymmetric stretching와 symmetric stretching에기인한특징적인피크를보여주고있다. 촉매펠렛이장 착된 FT-IR cell에상온에서수분 5 torr 를먼저주입한후 5 torr의 톨루엔을 10분간흡착한후 1.0 × 10−2 torr까지진공으로처리한결 과는 Fig. 1A(c)에서보는바와같이 5 torr의톨루엔만흡착한결과
와같은피크위치를보여주고있으나피크의세기가상대적으로크 게줄어드는것을관찰할수있었다. 이는지지체인 Al2O3의표면에 수분이우선적으로흡착되면톨루엔의흡착을방해하기때문인것으 로사려된다. 흡착된톨루엔은 340 torr의공기를주입하고 220oC로 승온하면 Fig. 1A(b)와 Fig. 1A(d)에서보는바와같이톨루엔에기 인된피크는거의사라지는것을관찰할수있었다.
PdO/USY 촉매상에서톨루엔의흡착에수분이미치는영향을관
찰한결과는 Fig. 1B와같다. 상기의 PdO/Al2O3촉매와동일한방
법과조건으로톨루엔을흡착하고진공으로처리한결과는 Fig. 1B(a)
에서보는바와같이 PdO/Al2O3촉매상의흡착결과에비하여벤
젠고리의 C-H와메틸기에기인한특징적인피크가크고선명하게 나타나고있다. PdO/USY 촉매상에수분 5 torr를먼저주입한후 5 torr
의톨루엔을흡착하고진공으로처리한결과는 Fig. 1B(c)에서보는
바와같이 5 torr의톨루엔만흡착한결과와동일한피크위치와동
일한피크세기를관찰할수있었다. 이는지지체인 USY가소수성 을갖고있으므로과량의수분이존재하여도톨루엔의흡착을거의
방해를받지않기때문인것으로사려된다. 흡착된톨루엔은 340 torr
의공기를주입하고 220oC로승온하면 Fig. 1B(b)와 Fig. 1B(d)에 서보는바와같이톨루엔에기인된피크가일부남아있는것을관
찰할수있었다. 이는 USY 세공내에존재하는미반응의톨루엔이
그대로남아있는것으로사려된다.
PdO/Al2O3촉매상에서흡착된톨루엔의연소반응에수분이미치
는영향을관찰한결과는 Fig. 2A와같다. 10 mg의 PdO/Al2O3 촉 매를펠렛상으로 FT-IR cell에넣고상온에서 5 torr의톨루엔을 10
분간흡착하고 1.0 × 10−2 torr까지진공으로처리한후에 340 torr의
공기를주입하면 Fig. 2A(b)에서보는바와같이대기에존재하는
CO2에기인한 IR 피크가 2,359과 2,331cm−1에서약하게관찰된다. 이 어서 FT-IR cell의온도를 220oC로올려서 6분간반응하면 Fig. 2A(a)
에서보는바와같이톨루엔의산화에의해생성된 CO2에기인한
IR 피크가크게증가하는것을관찰할수있었다. 그러나수분이존
재하면 FT-IR cell의 온도를 220oC로 올려서 6분간반응하여도
Fig. 2A(c)에서보는바와같이톨루엔의산화에의해생성된 CO2에 기인한 IR 피크의세기가수분이존재하지않을때에비하여반으
로감소하는것을관찰할수있었으며이는실험 Fig. 1A의결과와도
잘일치하는것을알수있었다. 이상의실험결과는 Marecot 등[15]
이알루미나지지체에담지된귀금속이프로판의산화반응시물에 의해영향을받는연구결과와잘일치하였으며한걸음더나아가 서본연구에서는물이존재할때에왜반응성이떨어지는지그이 유를 IR 실험으로잘설명할수있었다.
Fig. 1. FT-IR spectra during toluene oxidation over (A) PdO/Al2O3
and (B) PdO/USY zeolite according to reaction conditions: (a) dry condition at 220oC, (b) dry condition at 20oC, (c) humid condition at 220oC, (d) humid condition at 20oC.
Fig. 2. FT-IR spectra during toluene oxidation in the range of CO2
band over (A) PdO/Al2O3 and (B) PdO/USY zeolite according to reaction conditions: (a) dry condition at 220oC, (b) dry con- dition at 20oC, (c) humid condition at 220oC, (d) humid con- dition at 20oC.
PdO/USY 촉매상에서흡착된톨루엔의연소반응에수분이미치 는영향을관찰한결과는 Fig. 2B와같다. 상기의 PdO/Al2O3촉매 와동일한방법과조건으로실험한결과는 Fig. 2B(a)와 Fig. 2B(c)
에서비교하여보는바와같이 PdO/USY 촉매는연소반응시수분에
의해전혀영항을받지않는것을관찰할수있었다. 이는 Fig. 1B
에서도관찰한바와같이지지체인 USY가소수성을갖고있으므로 과량의수분이존재하여도톨루엔의흡착및촉매반응시에거의방 해를받지않기때문인것으로사려된다. Fig. 2B(a)에서 PdO/USY
촉매상에서톨루엔의연소반응에의해생성된 CO2의양은 Fig. 2A(a)
의 PdO/Al2O3촉매에비하여적게형성되는데이는 USY 세공내에 존재하는톨루엔이반응에참여하지않았기때문인것으로사려된다.
PdO/USY 촉매상과 Pd/USY 촉매상에서흡착된톨루엔의연소반
응을관찰한결과는 Fig. 3과같다. 환원상태인 Pd/USY 촉매상에서 톨루엔의연소반응성이월등히좋은것으로관찰되고있으며이실 험결과는 Becker와 Forster[16]의연구결과와잘일치하고있다. Fig. 3(b)에서보는바와같이 PdO/USY 촉매상에서반응시에공기 를넣지않고반응하면 CO2가생성되지않는것으로부터 220oC의 저온에서는결정격자에존재하는산소가반응에거의참여하지않 는것을알수있었다.
PdO-CuO/USY 촉매상과 Pd-Cu/USY 촉매상에서흡착된톨루엔의 연소반응을관찰한결과는 Fig. 4와같다. 여기서도 Fig. 3에서와같
이환원상태인 Pd-Cu/USY 촉매상에서톨루엔의연소반응성이월
등히좋은것으로관찰되고있다. 그러나 PdO-CuO/USY 촉매상에
서흡착된톨루엔의연소반응을관찰한결과는 Fig. 4(a)와같으며 이는 Fig. 3(a)의 PdO/USY 촉매상의반응과비교하여상대적으로 반응성이낮은것으로관찰되었다. 이러한결과로부터산화상태에 서는담지한 Cu가 Pd의활성점들을일부가리지만이를환원시키 면금속의 Pd가표면으로노출되면서 Fig. 4(c)에서보는바와같이
Pd-Cu/USY 촉매의반응활성이크게증가하는것을알수있었다.
3-2. 촉매의반응활성측정
본연구에서사용한각각의촉매에대하여톨루엔을 750 ppm의
농도로하여 1 slm의속도로흘리면서연소반응결과를 GC로분석
하여 50％와 100％의톨루엔전환율을나타내는온도를 T50및 T100
으로각각표시하여 Table 1에수록하였다. 각각의촉매활성은 Pd- Cu/USY > Pd/USY > PdO-CuO/USY > PdO/USY > PdO/Al2O3의
순서임을알수있었다. PdO/Al2O3촉매상에서톨루엔의연소반응
에서수분이미치는영향을관찰한결과는 Fig. 5A와같이 220oC
이상의고온영역에서는수분의영향을받지않으나, 120~220oC의 저온영역에서수분이첨가된조건에서는톨루엔전환율이약간감 소함을알수있었다. 이러한실험결과는 Marecot 등[15]의연구 결과와잘일치하고있으며전술한 IR 실험과도결과가잘일치하 고있다. 한편, PdO/USY 촉매상에서는 Fig. 5B에서보는바와같 이톨루엔의연소반응에수분이전혀영향을미치지않은것을알 수있었다. 오히려수분첨가시에도 USY 제올라이트의 T50은 135oC
로상당히저온영역에서산화반응이진행됨을알수있었다.
PdO/USY 촉매를환원처리하여톨루엔의연소반응을측정한결
과는 Fig. 6A와같으며 135-200 oC 사이에서환원상태의 Pd/USY
촉매의활성(Fig. 6Ab)이더우수한것을알수있었으며이러한실
험결과는 Becker와 Forster[16]의연구결과와잘일치하고있으며
전술한 IR 실험과도결과가잘일치하고있다. PdO-CuO/USY 촉
매를환원처리하여연속적인톨루엔의연소반응을시킨결과는
Fig. 6B와같으며 100-200oC 사이에서환원상태의 Pd-Cu/USY 촉 매의활성(Fig. 6Bb)이더우수한것을알수있었다. 이러한실험 결과는톨루엔연소반응에서 Pd 촉매에 Cu을첨가하면특별히환 원상태에서 Cu가 Pd의촉매활성을증진시키는역할을통하여톨루 엔분해를촉진하는역할을하였다.
4. 결 론
Pd-Cu/USY 촉매의톨루엔연소반응을 Pd/USY, Pd/Al2O3 촉매와 비교하여 FT-IR과 GC로연구하였으며촉매활성은 Pd-Cu/USY >
Fig. 3. FT-IR spectra during toluene oxidation in the range of CO2
band over (a) PdO/USYzeolite at 220oC, (b) PdO/USYzeolite without air at 20oC, (c) Pd/USYzeolite at 220oC and (d) Pd/
USYzeolite at 20oC.
Fig. 4. Effects of pretreatment on toluene oxidation over IR spectra of CO2 concentration: (a) PdO-CuO/USYzeolite and (c) Pd-Cu/
USYzeolite at 220oC, (b) PdO-CuO/USYzeolite and (d) Pd- Cu/USYzeolite at 20oC.
Table 1. Catalytic oxidation of toluene over Pd-Cu supported on catalysts
Catalyst T50 (oC) T100 (oC)
PdO/Al2O3 (oxidized) 190 220
Pd/Al2O3 (H2O) 170 220
PdO/USY (oxidized) 160 200
Pd/USY (H2O) 135 200
PdO-CuO/USY (oxidized) 140 190
Pd-Cu/USY (reduced) 130 150
Pd/USY > PdO-CuO/USY > PdO/USY > PdO/Al2O3의순서임을알 수있었다.
(1) 폐쇄계로구성된 FT-IR cell을이용하여촉매의표면반응특성 연구를수행하여톨루엔의연소실험을잘설명할수있었다.
(2) 톨루엔연소반응에수분을첨가하면 Pd/Al2O3촉매는 120~220oC
의저온영역에서반응성이저하되나소수성 USY 제올라이트를지
지체로사용한 Pd/USY 촉매는저온영역에서촉매의활성이오히
려증가하는것을알수있었다.
(3) Pd/USY 촉매에대하여산소를공급하지않고톨루엔연소반
응을실시한결과로부터촉매표면에있는결정격자의산소가반응 에참여하는것이아니라공급된산소에의해서만반응이일어남을 알수있었다.
(4) Pd 촉매에 Cu을첨가하면산화상태에서는 Cu가 Pd의활성점 들을일부가리지만이를환원시키면금속의 Pd가표면으로노출되 면서반응성이좋아지는것을알수있었다.
(5) 톨루엔의연소반응에서는 Pd 촉매에 Cu을첨가하면환원상태 에서촉매활성을증진시키는역할을통하여톨루엔분해를촉진하 는역할을하였다.
감 사
본연구는 (주)KT&G에서의뢰한수탁연구과제에의해수행된
것입니다. 연구비를지원해준 (주)KT&G 중앙연구소에감사를드 립니다.
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combustion reaction over (A) PdO/USY and (B) PdO-CuO/USY before reduction (a) and (c), (b) and (d) after reduction, respectively. (Toluene: 700ppm, GHSV: 500hr-1, dry air balance, catalyst: 0.5 g).
Fig. 5. Effects of humidity on toluene conversion over (A) PdO/Al2O3
and (B) PdO/USY without water (a) and (c), with water (b) and (d), respectively (Toluene: 700 ppm, GHSV: 500 hr−1, dry air balance, catalyst: 0.5 g).
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