한국화학연구원 석유대체촉매기술연구그룹은 향후 예상되는 석유자원 고갈 및 새로운 환경문제 해결을 위한 환경규제에 대응을 위한 다양한 비재래 화석 원 료, 미활용 오일 및 바이오 매스와 같은 석유대체원료 로부터 친환경적 혁신촉매 및 신공정 개발을 통해 수 소, 연료, 및 다양한 석유화학의 플랫폼 기초 유분 및 중간원료를 만드는 원천기술 개발 및 실용화를 목표 로 연구를 진행하고 있다. 현재 그룹구성원으로는 정 순용 그룹장 아래 박사급 연구원 6명, 석사급 연구원 5명 및 연구생 3명, 총 15명의 연구진으로 구성되어 있다. 모든 연구구성원들은 석유화학산업, 에너지산업, 바이오화학산업 등의 다양한 석유대체산업에 적용할 수 있는 고효율의 혁신 촉매를 설계 및 개발하고 이를 적용한 신반응 공정연구 및 공정개발까지 열정적으로 연구를 수행하고 있다. 이중 중점적으로 연구개발하 는 분야는 석유대체자원 유래 알코올 전환 기술과 초 중질유분 전환기술이며, 이에 대한 간략한 설명은 다 음과 같다.
1) 메탄올로부터 올레핀 제조(MTO) 순환유동층 촉 매공정 기술
MTO(Methanol to Olefins)이란, 비재래 석유원료 물질인 석탄, 바이오매스 및 천연가스로부터 얻어진
메탄올을 석유화학의 기초 원료인 에틸렌, 프로필렌, 부텐과 같은 경질올레핀을 촉매적으로 제조하는 공정 을 의미한다. 기존의 경질올레핀은 석유로부터 얻어 지는 납사를 납사 크래커를 통하여 얻어지지만, MTO 공정은 다양한 석유화학대체원료를 원료물질로 활용 함으로써 고유가 시대에 유리하다는 장점이 있으며, 촉매 및 공정변수의 조절을 통하여 선택적으로 원하 는 경질올레핀 수율을 높일 수 있다는 장점이 있다.
이뿐만 아니라 기존 납사 크래커에 비하여 에너지 소 모가 작기 때문에 에너지 저감뿐만 아니라 온실가스 저감효과가 커다란 에너지 절약 친환경적인 공정이라 고 할 수가 있다. 이러한 MTO 촉매 공정 기술에서는 우리가 원하는 경질올레핀을 선택적으로 제조할 수 있는 장수명, 고성능 및 고안정성을 지니는 촉매개발 이 우선적으로 중요하다. 본 연구 그룹에서는 경질올 레핀에 대한 수율뿐만 아니라 각각의 경질올레핀에 대하여 선택성이 높은 고활성 및 고선택성을 가지는 촉매를 개발하고 있다. 이뿐만 아니라 이렇게 개발된 촉매를 순환유동층 촉매공정 기술에 적용하기 위하여 높은 기계적 강도를 가지는 구형 성형 촉매를 제조하 는 기술도 개발하고 있다. 경질 올래핀 제조 MTO 공 정에서는 일반적으로 SAPO-34 및 ZSM-5와 같은 고체산 촉매인 제올라이트를 촉매로 사용하고 있으며,
KRICT /
김태완*, 정순용
한국화학연구원(KRICT) 그린화학촉매연구센터/석유대체촉매기술연구그룹, {twkim*, syjeong}@krict.re.kr
코크형성으로 인한 촉매의 비활성화가 빠르게 일어나 기 때문에 장수명을 가지는 촉매 개발뿐만 아니라 촉 매를 연속적으로 재생할 수 있는 순환유동층 반응기 설계와 공정 개발도 중요하다. 본 연구그룹에서는 10kg/day 경질올레핀 생산 규모의 순환유동층 pilot plant를 구축 및 운전하여 연구를 수행하고 있다.
2) 에탄올로부터 부타디엔 제조 촉매 공정 기술 부타디엔은 자동차 타이어와 같이 합성 고무의 주 된 원료로 아주 중요한 석유화학기초 원료 물질이다.
그러나, 고유가 및 동남아 고무나무의 작황에 따른 부 타디엔 가격의 불안정 때문에 2006년 이후 석유 및 납 사 대체로 석유대체원료로부터 부타디엔을 제조하는 연구가 다시 활발하게 진행되어오고 있다. 본 연구그 룹에서는 석유대체원료의 하나인 에탄올로부터 부타 디엔 전환 촉매공정 연구를 2008년부터 계속 연구를
하고 있으며, 탄탈륨 함유 고활성 다공성 실리카계 촉 매를 개발하였다. 이뿐만 아니라 다양한 공정 변수에 관한 연구를 수행하고 있으며, Bench 규모의 부타디 엔 합성 반응기를 가지고 공정 연구 수행을 하였다.
현재 새로운 구형 실리카계 촉매를 사용하는 순환유 동층 공정 적용 연구를 수행 하고 있다.
3) 에탄올로부터 방향족 화합물 제조 촉매공정 기술 석유대체자원으로부터 기존 석유화학 기초 폴리머 를 대체 생산하기 위하여 폴리머의 기초 원료가 되는 방향족 화합물를 석유대체자원 유래 신규알코올계 탄 소자원로부터 제조하는 연구가 활발하게 되고 있다.
이러한 신규알코올계 탄소자원이 기존 석유화학 기초 폴리머를 대체 생산할 수 있으면, 향후 무한한 성장 잠재력을 가지고 있다고 예상이 된다. 본 연구그룹에 서는 특히, 방향족 화합물 중 다양한 플라스틱제품에
ETB Bench 규모 반응기 및 반응 결과.
메탄올로부터 올레핀 제조 순환유동층 반응기(좌)와 구형 성형 촉매(우).
적용이 되는 PET의 원료인 파라자일렌을 선택적으 로 제조하는 기술을 개발하고 있다. 이를 위하여 다양 한 조성, 구조 및 형태를 가지고 있는 제올라이트 촉 매를 합성 및 개발하는 연구를 수행하고 있으며, 이러 한 촉매의 고안정성 및 파라자일렌의 선택도를 높이 기 위하여 최적 담지 금속 조합 및 담지 방법 개선 등
에 대한 연구도 하고 있다. 그리고, 이렇게 개발된 촉 매를 촉매 반응을 통하여 스크리닝과 반응 공정 변수 에 대한 영향 등에 대한 연구도 수행하고 있다.
4) 바이오매스 유래 폴리올의 수상개질반응을 통한 수소제조 촉매공정 기술
바이오매스로부터 방향족 화합물 개발.
수상개질반응의 개념도.
3-D 메조다공성 탄소 물질과 폴리올 모식도 (ChemSusChem 2012).
바이오매스 유래 폴리올의 수상개질반응은 저온에 서 수상에서 높은 수율로 수소를 생산하는 기술로 기 존 스팀 리포밍을 통한 수소제조보다 훨씬 간단하고 에너지가 적게 사용되는 친환경적인 수소제조 촉매공 정이다. 바이오매스 유래 폴리올의 수상개질을 통한 경제적인 수소제조가 개발이 이루어진다면, 기존의 수소 제조 공정에 비해 경제성을 획기적으로 개선할 수 있는 차세대 수소 생산 공정으로 수소제조의 패러 다임이 바뀔 수 있다. 본 연구그룹은 구조가 규칙적이 고 균일한 크기의 메조기공(mesopores)을 갖는 탄소 를 합성하여 수상개질 반응의 촉매 담지체로 사용하 는 연구를 수행하고 있으며 이를 통해 그 결과 기존에 사용되어온 알루미나 및 활성탄을 사용하는 경우에 비해 함산소탄소화합물의 전환율과 수소생성속도가 획기적으로 향상되었다. 이러한 메조다공성 탄소계 촉매담지체를 좀 더 개선한 형태로 당 연구팀에서는 균일한 기공을 갖는 3차원의 입체구조를 가진 메조 다공성 탄소 물질을 사용하는 연구를 진행하고 있으 며, 더욱 경제적인 메조다공성 탄소계 촉매 개발 및 촉매의 장기 안정성에 관한 연구도 진행하고 있다. 상 기 수상개질을 통한 수소제조뿐만 아니라 다양한 바 이오매스 유래 폴리올을 사용한 경제적이고, 새로운
상압 및 저온 스팀리포밍 촉매 기술 개발도 동시에 연 구를 하고 있다.
5) 난분해성 황화합물의 선택산화탈황 촉매공정 기술 수송연료의 수요는 증가하고 있으나, 가용 원유의 감소로 인한 원유의 중질화 및 지구 온난화/대기오 염에 따른 연료 규제 강화에 따라서 난분해성 황화합 물이 많은 중질유의 심도 탈황 수요가 증가하고 있 다. 그러나, 기존의 심도 수첨 탈황 공정 기술로는 난 분해성 황화합물의 탈황이 여럽고 많은 비용이 드는 어려움이 있기 때문에 이러한 심도 수첨 탈황 공정 기술을 대체/보완할 수 있는 새로운 개념의 심도 탈 황 기술 개발이 필수적이다. 선택산화탈황(oxidative desulfurization, ODS) 기술은 이러한 난분해성 황화 합물을 기존의 수첨탈황이 아닌 저온, 상압의 액상 산 화반응으로 극성이 높고 분리가 용이한 산화황화합물 로 선택적으로 전환하는 기술이다. 이를 달성하기 위 해 상용화 적용이 가능한 공간속도 내에서 우수한 황 화합물의 산화황화합물로의 전환율과 수명을 갖는 새 로운 촉매의 개발이 필수적이며, 촉매의 재생과정을 최적화하는 연구 또한 요구되고 있다. 본 연구실에서 는 5년간의 연구를 통하여 킬레이팅 방법을 통한 Ti
킬레이팅을 통한 선택산화탈황 신촉매개발(ChemCatChem 2012) 및 Mini-pilot.
함유 메조다공성 신촉매와 촉매 비활성화 방지 소수 성 촉매 표면개질 및 메조다공성 나노입자 성형체 개 발을 통해 세계 최고수준의 미활용 고유황 중질유분 의 선택산화탈황 촉매를 확보하였으며, 반응 및 촉매 재생/분리공정과 연계하여 0.1 bbl/d 규모의 공정 패 키지를 구현하였다.
6) 초중질유분 및 미활용 저급유분 부분수소화/선택 적 개환 촉매공정 기술
전세계적인 디젤 수송유에 대한 방향족화합물 및 황 함량에 대한 환경적인 규제 및 연료의 품질향상을 위한 세탄가를 높이기 위하여 초중질유분 및 미활용 저급유분의 업그래이딩 고정이 주목받고 있다. 상업 적인 업그래이딩 공정으로써 방향족 포화(aromatic saturation) 또는 수첨분해(hydrocracking)가 사용되 지만 이것의 각각 하나의 공정의 사용은 한계점이 있
다. 따라서, 방향족 포화와 선택적 개환을 사용하는 것 이 낮은 방향족 화합물을 가지는 고품질 디젤 수송유 을 생산하는 가능성이 높은 촉매공정이 될 수 있다.
이뿐만 아니라 다환방향족의 부분수소화와 선택적 개 환반응을 통하여 가치가 높은 석유화학기초 유분인 BTX를 생산할 수도 있다. 본 연구 그룹에서는 이러 한 다환방향족 유분의 부분수소화/선택적 개환반응을 위한 이원기능형(metal/acid) 신촉매공정기술 개발 연구도 수행하고 있다.
7) 기타 석유대체 촉매공정 기술
상기 알코올 전환 촉매공정 기술의 중요한 원료로 사용되는 에탄올의 제조를 위하여 바이오매스 유래 합성가스를 열화학적 촉매공정을 통하여 혼합 알코올 제조하는 새로운 촉매개발 연구를 하고 있다.
