Pd-Cu/USY 제올라이트상에서 톨루엔 연소반응 연구
이혜영·김태환·황영규·장종산·황진수†·이창국*·백 신*·나도영*
한국화학연구원그린화학촉매연구센터
305-600
대전시유성구장동100
*KT&G
중앙연구원담배과학연구소305-345
대전시유성구신성동302 (2006
년7
월4
일접수, 2006
년7
월18
일채택)
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
제올라이트에이원계의Pd-Cu
복합촉매를담지하여FT-IR
분석기로밀폐계에서촉매의표면반응특성을조사 하였다. 700 ppm
의톨루엔연소반응은고정반응기를이용하여80~220
oC
에서수행하였으며톨루엔을GC
로분석하였 다.
촉매활성은Pd-Cu/USY > Pd/USY > PdO-CuO/USY > PdO/USY > PdO/Al
2O
3의순서임을알수있었다.
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
−220
oC 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/Al
2O
3catalysts, 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
여종의화합물이존재하는것으로알려져있으며이중일부특정물질은전세계적으로점차규제가강화되고 있는추세이다
[1].
휘발성유기화합물(volatile organic compounds, VOC)
도중요한제거대상물질로 분류되고있다.
톨루엔은담배1
개비에5~90
µg
이함유되어있으며아직은담배의규제대상물질은아니지만유해성의
VOC
물질에대한촉매및촉매담체의상대적인활성을비교하여연구하기위한기준물질로서많이사용되고 있다
[2-4].
촉매연소법은저농도
,
낮은유량의VOC
가스를처리하기에적합한방법으로널리알려져있으며저온에서운전이가능하므로에
너지효율이높은
VOC
제어기술로관심을끌고있다[5-7]. VOC
연소촉매는활성이우수한
Pt, Pd
등의귀금속계촉매와Mn
2O
3, NiO, Cr
2O
3, V
2O
5 등의전이금속계촉매를넓은면적에균일하게 분산시키기위하여알루미나,
실리카,
티타니아등의고표면적의지지체위에담지하여사용하고있다
[2-8].
특히귀금속계촉매는낮은반응온도에서높은촉매활성을나타낼뿐만아니라
VOC
가스 에포함된황및염소계화합물등촉매피독물질에대한내구성이 높기때문에상업용으로많이사용되고있다[9, 10].
그러나이러한 귀금속계촉매는촉매제조비용이고가이기때문에최근에는저가 이면서촉매활성이우수한전이금속계촉매의개발에대한관심이†
To whom correspondence should be addressed.
E-mail: [email protected]
높아지고있다
.
한편,
전이금속촉매계중에서는MnO
2, CuO, Cr
2O
3, Fe
2O
3, Co
3O
4등의복합금속산화물계촉매로이루어진비귀금속계 촉매가공지되어있지만,
이러한촉매들은제조가격면에서는비교 적경제성이있으나귀금속계촉매에비하여저온촉매활성이낮기 때문에운전에너지소모가증가하고,
수증기공존하에서는역시효 능이격감하고높은온도에서완전산화가이루어지는단점이있다[11, 12]. Carnö
등[13]
은귀금속계와비귀금속계촉매를혼합하여 귀금속의사용량을줄이면서도촉매의저온활성과안정성에서시너 지효과를보이는것을보고하였다.
최근에Álvarez-Galván
등[14]
도 귀금속계의Pd
와비귀금속계의Mn
촉매로구성된이성분계의촉 매를알루미나지지체위에담지하여귀금속의사용량을줄이면서 도formaldehyde/methanol
에대한촉매의연소온도를50~80
oC
의 범위에서유지하는결과를보고하였다.
알루미나지지체는고농도수증기의공존하에서수증기가없을 때보다더욱높은반응온도가필요한단점을갖고있다
[15]. Becker
와
Forster[16]
는Y
제올라이트를지지체로하고Pd
와Cu
을각각 이온교환하여제조한촉매들을이용하여벤젠및톨루엔의연소를 연구하였는데260
oC
에서수분을첨가하면전환율이낮아지는것을 관찰하였다.
본연구에서는과량수분의존재하에서도촉매의저온연소활성 을유지하고자하는목적으로소수성의
USY(ultra stable Y-type)
제 올라이트를VOC
제거촉매의담체로사용하였으며알루미나지지 체를사용하는경우와비교하여연구를수행하였다.
촉매는귀금속 계의1
%Pd
와함께비귀금속계의0.4
%의Cu
촉매를공침시켜제 조하였으며1
%Pd
에함침된0.4
%Cu
에기인된시너지효과를FT-IR
분석과
VOC
연소실험을수행하여관찰하였다.
2. 실 험
2-1. 촉매의 제조
USY
제올라이트에담지된1
%Pd-0.4
%Cu
촉매는USY
제올라이 트(Zeolyst CBV 760, SiO
2/Al
2O
3=60)
담체에PdCl
2(Aldrich, 99.99
%), CuCl
2(Aldrich, 99.99
%)
와Cu(NO
3)
3·6H
2O(Aldrich,99.99
%)
전구 체를공침(coprecipitation)
시켜제조하였다.
먼저증류수에이들전 구물질을1
%Pd-0.4
%Cu
용해시켜USY
제올라이트에담지시켰으 며, CuCl
2가0.08
%Cu
와(NO
3)
3·6H
2O
가0.32
%Cu
를형성하도 록조성을조절하였다.
지지체에담지된촉매는진공회전증발기에 서표면의수분을제거한후120
oC
건조기에서12
시간건조하고,
공기분위기에서
550
oC
의온도로6
시간소성하였다.
본논문에서는이촉매를편의상
PdO-CuO/USY
로표기하였다.
비교실험을위한USY
제올라이트에담지된1
%Pd
촉매와γ-Al
2O
3(Aldrich, 155 m
2/g)
담체에담지된
1
%Pd
촉매는상기의촉매제조방법에서Cu
전구체 를제외하고는같은방법으로제조하였으며편의상각각PdO/USY
와
PdO/Al
2O
3로표기하였다.
상기의촉매들을300
oC
의온도로5
% 수소분위기에서2
시간환원한것은편의상Pd-Cu/USY, Pd/USY
와Pd/Al
2O
3로표기하였다.
2-2. 촉매의 표면반응특성연구
밀폐계에서촉매상에서의톨루엔분해과정을
FT-IR
로관찰함으 로써촉매의표면특성및수분존재하의지지체의특성에근거한 촉매의활성을잘설명할수있었다. Optical path length
가10 cm,
cell volume
이25.4 cm
3으로제조된FT-IR cell
에10 mg
의촉매를두께
0.2 mm,
지름13 mm
크기의펠렛으로만들어투입하였으며cell
의온도측정은CA thermocoupole
을사용하였다. FT-IR
은4 cm
−1의 분해능에MCT(mercury-cadmium-telluride)
검출기를갖춘Nicolet
제품을사용하였다
.
반응cell
은프로그램이가능한Omega Series
Version 5.4
를이용하여조절하였다.
이산화탄소를제거하기위하여hopcalitae trap(80
%MnO
2+20
%CuO)
통과시킨후물을제거하기 위하여분자체트랩(3Å, Davison grade 54)
을통과시켰다.
이때유 량은MFC(Tylan Model FC-280)
를이용하여조절하였다.
만들어진 펠렛을cell
에고정한후300
oC
까지1
oC/min
씩승온한후300
oC
에서
3
시간유지하여수분을1.0 × 10
−3torr
정도까지제거하였다. FT-IR cell
을상온으로cooling
한후톨루엔5.0 torr
를흡착하였다.
수분효과를보는실험에서는상온에서수분을먼저흡착한다음톨 루엔을흡착하였다
. 30
분동안5.0 torr
를유지하였다가1.0×10
−2torr
가될때까지탈착하였다
.
진공펌프를닫고수분제거된air
를340 torr
되게천천히주입하였다
.
이상태에서FT-IR cell
의온도를상온과220
oC
에서톨루엔의촉매활성을관찰하였다.
2-3. 촉매의저온연소반응실험
본연구에서사용한실험장치는상압고정층반응기로서직경
1 cm
의석영관에촉매0.5 g
을실리카로지지하여반응기를구성하였다
.
촉매를반응기에넣고air(100 cc/min)
를흘리면서약5
oC/min
의속도로
300
oC
까지올려1
시간동안산화시키고,
이어서5
%H
2(100 cc/min)
를흘리면서약2.3
oC/min
의속도로300
oC
까지올리 고2
시간동안환원시켰다.
톨루엔연소반응실험을수행하기전촉 매의초기흡착에의한톨루엔전환율에미치는영향을막기위하 여air(500 cc/min)
를MFC(BROOKS 5850 SERIES)
로 상온에서80
oC
까지6
oC/min
간격으로올리고3
시간동안톨루엔을포화시 킨후톨루엔연소반응을조사하였다.
이때톨루엔공급라인의온 도는130
oC
로유지하였다.
연소반응시반응기의온도는80~250
oC
범위에서
1
oC/min
간격으로올리면서측정하였다.
톨루엔은Micro syringe(Hamilton 100-Series Gastight, 25 ml)
를사용하여0.1 ml/h (700 ppmv)
의속도로주입시켰다. H
2O
도Micro syringe
를사용하여0.1 ml/h(4000 ppmv)
의속도로주입시켰다.
반응가스및반응후가스분석은
FID
검출기와공칼럼을사용하여기체크로마토그래프(Donam(
주) DS-6200)
로수행하였다.
3. 결 과
3-1.촉매의표면반응특성연구
PdO/Al
2O
3 촉매상에서톨루엔의흡착에수분이미치는영향을관찰한결과는
Fig. 1A
와같다. 10mg
의PdO/Al
2O
3촉매를두께0.2 mm,
지름
13 mm
크기의펠렛으로만들어FT-IR cell
에넣고상온에서5 torr
의톨루엔을10
분간흡착한후1.0 × 10
−2torr
까지진공으로 처리한결과는Fig. 1A(a)
에서보는바와같이3,069, 3,032 cm
−1에 서벤젠고리의C-H
에기인한특징적인피크를보여주고있으며2,937
와
2,844 cm
−1에서각각메틸기의asymmetric stretching
와symmetric
stretching
에기인한특징적인피크를보여주고있다.
촉매펠렛이장 착된FT-IR cell
에상온에서수분5 torr
를먼저주입한후5 torr
의 톨루엔을10
분간흡착한후1.0 × 10
−2torr
까지진공으로처리한결 과는Fig. 1A(c)
에서보는바와같이5 torr
의톨루엔만흡착한결과와같은피크위치를보여주고있으나피크의세기가상대적으로크 게줄어드는것을관찰할수있었다
.
이는지지체인Al
2O
3의표면에 수분이우선적으로흡착되면톨루엔의흡착을방해하기때문인것으 로사려된다.
흡착된톨루엔은340 torr
의공기를주입하고220
oC
로 승온하면Fig. 1A(b)
와Fig. 1A(d)
에서보는바와같이톨루엔에기 인된피크는거의사라지는것을관찰할수있었다.
PdO/USY
촉매상에서톨루엔의흡착에수분이미치는영향을관찰한결과는
Fig. 1B
와같다.
상기의PdO/Al
2O
3촉매와동일한방법과조건으로톨루엔을흡착하고진공으로처리한결과는
Fig. 1B(a)
에서보는바와같이
PdO/Al
2O
3촉매상의흡착결과에비하여벤젠고리의
C-H
와메틸기에기인한특징적인피크가크고선명하게 나타나고있다. PdO/USY
촉매상에수분5 torr
를먼저주입한후5 torr
의톨루엔을흡착하고진공으로처리한결과는
Fig. 1B(c)
에서보는바와같이
5 torr
의톨루엔만흡착한결과와동일한피크위치와동일한피크세기를관찰할수있었다
.
이는지지체인USY
가소수성 을갖고있으므로과량의수분이존재하여도톨루엔의흡착을거의방해를받지않기때문인것으로사려된다
.
흡착된톨루엔은340 torr
의공기를주입하고
220
oC
로승온하면Fig. 1B(b)
와Fig. 1B(d)
에 서보는바와같이톨루엔에기인된피크가일부남아있는것을관찰할수있었다
.
이는USY
세공내에존재하는미반응의톨루엔이그대로남아있는것으로사려된다
.
PdO/Al
2O
3촉매상에서흡착된톨루엔의연소반응에수분이미치는영향을관찰한결과는
Fig. 2A
와같다. 10 mg
의PdO/Al
2O
3 촉 매를펠렛상으로FT-IR cell
에넣고상온에서5 torr
의톨루엔을10
분간흡착하고
1.0 × 10
−2torr
까지진공으로처리한후에340 torr
의공기를주입하면
Fig. 2A(b)
에서보는바와같이대기에존재하는CO
2에기인한IR
피크가2,359
과2,331cm
−1에서약하게관찰된다.
이 어서FT-IR cell
의온도를220
oC
로올려서6
분간반응하면Fig. 2A(a)
에서보는바와같이톨루엔의산화에의해생성된
CO
2에기인한IR
피크가크게증가하는것을관찰할수있었다.
그러나수분이존재하면
FT-IR cell
의 온도를220
oC
로 올려서6
분간반응하여도Fig. 2A(c)
에서보는바와같이톨루엔의산화에의해생성된CO
2에 기인한IR
피크의세기가수분이존재하지않을때에비하여반으로감소하는것을관찰할수있었으며이는실험
Fig. 1A
의결과와도잘일치하는것을알수있었다
.
이상의실험결과는Marecot
등[15]
이알루미나지지체에담지된귀금속이프로판의산화반응시물에 의해영향을받는연구결과와잘일치하였으며한걸음더나아가 서본연구에서는물이존재할때에왜반응성이떨어지는지그이 유를
IR
실험으로잘설명할수있었다.
Fig. 1. FT-IR spectra during toluene oxidation over (A) PdO/Al
2O
3and (B) PdO/USY zeolite according to reaction conditions: (a) dry condition at 220
oC, (b) dry condition at 20
oC, (c) humid condition at 220
oC, (d) humid condition at 20
oC.
Fig. 2. FT-IR spectra during toluene oxidation in the range of CO
2band over (A) PdO/Al
2O
3and (B) PdO/USY zeolite according
to reaction conditions: (a) dry condition at 220
oC, (b) dry con-
dition at 20
oC, (c) humid condition at 220
oC, (d) humid con-
dition at 20
oC.
PdO/USY
촉매상에서흡착된톨루엔의연소반응에수분이미치 는영향을관찰한결과는Fig. 2B
와같다.
상기의PdO/Al
2O
3촉매 와동일한방법과조건으로실험한결과는Fig. 2B(a)
와Fig. 2B(c)
에서비교하여보는바와같이
PdO/USY
촉매는연소반응시수분에의해전혀영항을받지않는것을관찰할수있었다
.
이는Fig. 1B
에서도관찰한바와같이지지체인
USY
가소수성을갖고있으므로 과량의수분이존재하여도톨루엔의흡착및촉매반응시에거의방 해를받지않기때문인것으로사려된다. Fig. 2B(a)
에서PdO/USY
촉매상에서톨루엔의연소반응에의해생성된
CO
2의양은Fig. 2A(a)
의
PdO/Al
2O
3촉매에비하여적게형성되는데이는USY
세공내에 존재하는톨루엔이반응에참여하지않았기때문인것으로사려된다.
PdO/USY
촉매상과Pd/USY
촉매상에서흡착된톨루엔의연소반응을관찰한결과는
Fig. 3
과같다.
환원상태인Pd/USY
촉매상에서 톨루엔의연소반응성이월등히좋은것으로관찰되고있으며이실 험결과는Becker
와Forster[16]
의연구결과와잘일치하고있다. Fig. 3(b)
에서보는바와같이PdO/USY
촉매상에서반응시에공기 를넣지않고반응하면CO
2가생성되지않는것으로부터220
oC
의 저온에서는결정격자에존재하는산소가반응에거의참여하지않 는것을알수있었다.
PdO-CuO/USY
촉매상과Pd-Cu/USY
촉매상에서흡착된톨루엔의 연소반응을관찰한결과는Fig. 4
와같다.
여기서도Fig. 3
에서와같이환원상태인
Pd-Cu/USY
촉매상에서톨루엔의연소반응성이월등히좋은것으로관찰되고있다
.
그러나PdO-CuO/USY
촉매상에서흡착된톨루엔의연소반응을관찰한결과는
Fig. 4(a)
와같으며 이는Fig. 3(a)
의PdO/USY
촉매상의반응과비교하여상대적으로 반응성이낮은것으로관찰되었다.
이러한결과로부터산화상태에 서는담지한Cu
가Pd
의활성점들을일부가리지만이를환원시키 면금속의Pd
가표면으로노출되면서Fig. 4(c)
에서보는바와같이Pd-Cu/USY
촉매의반응활성이크게증가하는것을알수있었다.
3-2. 촉매의반응활성측정
본연구에서사용한각각의촉매에대하여톨루엔을
750 ppm
의농도로하여
1 slm
의속도로흘리면서연소반응결과를GC
로분석하여
50
%와100
%의톨루엔전환율을나타내는온도를T
50및T
100으로각각표시하여
Table 1
에수록하였다.
각각의촉매활성은Pd- Cu/USY > Pd/USY > PdO-CuO/USY > PdO/USY > PdO/Al
2O
3의순서임을알수있었다
. PdO/Al
2O
3촉매상에서톨루엔의연소반응에서수분이미치는영향을관찰한결과는
Fig. 5A
와같이220
oC
이상의고온영역에서는수분의영향을받지않으나
, 120~220
oC
의 저온영역에서수분이첨가된조건에서는톨루엔전환율이약간감 소함을알수있었다.
이러한실험결과는Marecot
등[15]
의연구 결과와잘일치하고있으며전술한IR
실험과도결과가잘일치하 고있다.
한편, PdO/USY
촉매상에서는Fig. 5B
에서보는바와같 이톨루엔의연소반응에수분이전혀영향을미치지않은것을알 수있었다.
오히려수분첨가시에도USY
제올라이트의T
50은135
oC
로상당히저온영역에서산화반응이진행됨을알수있었다
.
PdO/USY
촉매를환원처리하여톨루엔의연소반응을측정한결과는
Fig. 6A
와같으며135-200
oC
사이에서환원상태의Pd/USY
촉매의활성
(Fig. 6Ab)
이더우수한것을알수있었으며이러한실험결과는
Becker
와Forster[16]
의연구결과와잘일치하고있으며전술한
IR
실험과도결과가잘일치하고있다. PdO-CuO/USY
촉매를환원처리하여연속적인톨루엔의연소반응을시킨결과는
Fig. 6B
와같으며100-200
oC
사이에서환원상태의Pd-Cu/USY
촉 매의활성(Fig. 6Bb)
이더우수한것을알수있었다.
이러한실험 결과는톨루엔연소반응에서Pd
촉매에Cu
을첨가하면특별히환 원상태에서Cu
가Pd
의촉매활성을증진시키는역할을통하여톨루 엔분해를촉진하는역할을하였다.
4. 결 론
Pd-Cu/USY
촉매의톨루엔연소반응을Pd/USY, Pd/Al
2O
3 촉매와 비교하여FT-IR
과GC
로연구하였으며촉매활성은Pd-Cu/USY >
Fig. 3. FT-IR spectra during toluene oxidation in the range of CO
2band over (a) PdO/USY zeolite at 220
oC, (b) PdO/USY zeolite without air at 20
oC, (c) Pd/USY zeolite at 220
oC and (d) Pd/
USY zeolite at 20
oC.
Fig. 4. Effects of pretreatment on toluene oxidation over IR spectra of CO
2concentration: (a) PdO-CuO/USY zeolite and (c) Pd-Cu/
USY zeolite at 220
oC, (b) PdO-CuO/USY zeolite and (d) Pd- Cu/USY zeolite at 20
oC.
Table 1. Catalytic oxidation of toluene over Pd-Cu supported on catalysts
Catalyst T
50(
oC) T
100(
oC)
PdO/Al
2O
3(oxidized) 190 220
Pd/Al
2O
3(H
2O) 170 220
PdO/USY (oxidized) 160 200
Pd/USY (H
2O) 135 200
PdO-CuO/USY (oxidized) 140 190
Pd-Cu/USY (reduced) 130 150
Pd/USY > PdO-CuO/USY > PdO/USY > PdO/Al
2O
3의순서임을알 수있었다.
(1)
폐쇄계로구성된FT-IR cell
을이용하여촉매의표면반응특성 연구를수행하여톨루엔의연소실험을잘설명할수있었다.
(2)
톨루엔연소반응에수분을첨가하면Pd/Al
2O
3촉매는120~220
oC
의저온영역에서반응성이저하되나소수성
USY
제올라이트를지지체로사용한
Pd/USY
촉매는저온영역에서촉매의활성이오히려증가하는것을알수있었다
.
(3) Pd/USY
촉매에대하여산소를공급하지않고톨루엔연소반응을실시한결과로부터촉매표면에있는결정격자의산소가반응 에참여하는것이아니라공급된산소에의해서만반응이일어남을 알수있었다
.
(4) Pd
촉매에Cu
을첨가하면산화상태에서는Cu
가Pd
의활성점 들을일부가리지만이를환원시키면금속의Pd
가표면으로노출되 면서반응성이좋아지는것을알수있었다.
(5)
톨루엔의연소반응에서는Pd
촉매에Cu
을첨가하면환원상태 에서촉매활성을증진시키는역할을통하여톨루엔분해를촉진하 는역할을하였다.
감 사
본연구는
(
주)KT&G
에서의뢰한수탁연구과제에의해수행된것입니다