KR100228241B1 - 고온 연소촉매 분말과 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고온 연소 촉매 분말과 그 제조방법에 관한 것이다.
대형보일러, 항공기용 젯트엔진, 발전용 가스터빈등은 온도가 약 1500
Figure kpo00001
에 이르는 화염연소에 의해 열원을 생성하기 때문에 질소산화물이 생성되어 대기중에 방출됨으로서 환경에 새로운 주범으로 떠오르고 있다.
따라서, 최근에는 이러한 질소 산화물을 감소시키거나, 질소 산화물을 생성시키지 않는 여러 가지 연소법의 개발이 연구되고 있다.
그 중에서도 질소산화물을 전혀 생셩하지 않는 촉매연소기술이 크게 각광을 받고 있는데 즉 촉매연소기술은 질소산화물이 생성되는 온도인 1500
Figure kpo00002
보다도 훨씬 낮은 온도인 약 1200
Figure kpo00003
정도에서 열원이 생성되며 화염이 없는 무화염으로 연소되기 때문에 질소산화물이 전혀 생성되지 않는 기술이다.
본 발명의 구성은 BET 표면적이 1400
Figure kpo00004
에서 7.7
Figure kpo00005
/g을 나타내며, 메탄가스에 대한 촉매활성도가 T10%의 경우 520
Figure kpo00006
, T90%의 경우 725
Figure kpo00007
의 특성을 나타내고 알루미나분말을 주성분으로하여 알루미나의 열안정제로서 La, Sr, Ba중의 적어도 한 성분을, 그리고 촉매활성성분으로 Mn, Co등의 한 성분이 첨가된 것을 특징으로하며 사용원료는 모두 금속염을 대상으로 하고 알루미나를 기준으로 해서 La의 경우 5-20
Figure kpo00008
Figure kpo00009
Ba의 경우 2-5
Figure kpo00010
Figure kpo00011
, Sr의 경우 5-20
Figure kpo00012
Figure kpo00013
이며 Mn 및 채의 경우 7-15
Figure kpo00014

Description

고온 연소촉매 분말과 그 제조방법
본 발명은 고온 연소촉매 분말과 그 제조방법에 관한 것이다.
대형보일러, 항공기용 젯트엔진, 발전용 가스터빈등은 온도가 약 1500
Figure kpo00016
에 이르는 화염연소에 의해 열원을 생성하기 때문에 질소산화물이 생성되어 대기중에 방출됨으로서 환경에 새로운 주범으로 떠오르고 있다.
따라서, 최근에는 이러한 질소산화물을 감소시키거나, 질소산화물을 생성시키지 않는 여러 가지 연소법의 개발이 연구되고 있다.
그 중에서도 질소산화물을 전혀 생성하지 않는 촉매연소기술이 크게 각광을 받고 있는데 즉 촉매연소기술은 질소산합물이 생성되는 온도인 1500
Figure kpo00017
보다도 훨씬 낮은 온도인 약 1200
Figure kpo00018
정도에서 열원이 생성되며 화염이 없는 무화염으로 연소되기 때문에 질소화합물이 전혀 생성되지 않는 기술이다.
그러나 이러한 촉매연소기술을 적용하기 위해서는 1200
Figure kpo00019
이상의 온도에서 견딜 수 있는 촉매 재료가 관건이 되며 이러한 내열성 있는 촉매를 개발하기 위하여 연구가 진행 중에 있다.
지금까지는 주로 내열성 담체 즉 코디어라이트 및 뮬라이트 등의 허니컴 담체에 알루미나의 소결 및 상전이를 억제시키기 위하여 Ba, La 등의 열안정화제를 알루미나에 첨가 한 후 알루미나를 롤 워시코팅 한 후 촉매활성 성분인 Pd, Pt 등의 성분을 담지시킨 후 사용하고 있으며, 또한 최근에는 알루미나의 원료로서 A1 알콕사이드를 사용하고, 알루미나의 열안정화제로서 Sr, Ba, La 등의 알콕사이드를, 그리고 촉매활성 성분으로 Mn염을 사용한 졸-겔 공정에 의하여 고온연소촉매 재료를 합성하는 연구가 진행 중에 있다.
그러나 전자의 내열성 담체에 Ba, La등의 첨가된 알루미나 분말을 코팅 한후 Pd 및 Pt 등의 촉매활성성분이 담지된 경우 온도가 1000
Figure kpo00020
이상이 되면 촉매성분인 Pd, Pt 성분 등이 휘발되거나, 내열성담체 성분과의 고상 반응이 일어나 촉매활성이 크게 저하되어 고온에서는 사용할 수 없는 단점이 있다.
또 후자의 금속알콕사이드를 이용하여 졸-겔 공정에 의해 고온 촉매 재료를 합성할 경우 원료인 금속 알콕사이드의 가격이 아주 비쌀 뿐 아니라 졸-겔 공정상의 제어가 까다롭기 때문에 경제성 있는 분말을 대량으로 제조하는데 큰 어려움이 있다는 단점이 있다.
따라서 본 발명에서는 상기의 문제점을 해결하고자 원료인 알루미나의 경우 금속 알콕사이드에 비해 제조원가가 훨씬 저렴한 알루미나 분말을 사용하고 알루미나의 열안정화제 역할을 하는 Ba, La, Sr 등을 금속알콕사이드 대신 금속염으로 대치하고, 여기에 촉매성분인 Mn, Co 역시 금속염으로 대치함으로서 졸-겔 공정과 전혀 다른 함침건조법을 이용하고 또한 함침건조법에 따른 열안정화제 및 촉매활성성분의 함량 등도 함침건조법에 적합한 양을 택함으로써 경제성이 있으며, 1200
Figure kpo00021
이상의 온도에서 표면적이 크게 줄어들지 않고, 1400
Figure kpo00022
이상의 온도에서도 높은 촉매활성을 나타내는 고온 연소촉매재료를 합성하고자 하였다.
따라서, 본 발명에서 얻어진 합성분말을 이용해서 내열성담체 표면에 워시코팅하여 사용하거나, 또는 합성분말을 이용해서 직접 허니컴 형상의 구조체로 제조하는데 원료로서 이용할 수도 있다.
본 발명에서는 주 재료인 알루미나의 경우 알루미나 뿐만이 아니라 베마이트 또는 알루미나 중 어느 것도 상관이 없다.
또한 열안정화제로 첨가되는 Ba, La, Sr 등의 원료는 질산 및 초산염 중의 한 가지를 택할 수 있으며, 그 첨가량은 Ba의 경우 2-5
Figure kpo00023
Figure kpo00024
, La의 경우 5-20
Figure kpo00025
Figure kpo00026
Sr의 경우 5-20
Figure kpo00027
Figure kpo00028
가 좋다.
상기와 같이 Ba, La, Sr의
Figure kpo00029
Figure kpo00030
를 한정한 이유는 상기의 범위를 벗어나면 1200
Figure kpo00031
이상의 고온에서 표면적 특성이 저하되기 때문이다.
또한 촉매활성성분으로서 첨가되는 Mn의 경우 역시 질산, 초산염 등의 한가지를 사용해도 관계가 없으며 그 첨가량은 7-15
Figure kpo00032
Figure kpo00033
가 좋다.
더욱 바람직하게는 10-13
Figure kpo00034
Figure kpo00035
가 좋다.
상기와 같이 Mn 첨가량을 한정한 이유는 Mn의 첨가량이 7
Figure kpo00036
Figure kpo00037
이하가 되면 촉매활성이 저하되며, 15
Figure kpo00038
Figure kpo00039
이상이 되면 Mn량의 과다첨가에 의해 Mn 성분과 알루미나 사이에 고상 반응이 일어나 표면적이 감소하여 역시 촉매활성이 저하되게 되기 때문이다.
본 발명에서 행한 고온 촉매재료의 제조방법은 먼저 알루미나 분말을 물 및 알콜 중 한가지 용매에 분산시킨 후 알루미나의 열안정화제인 Ba, La, Sr 중 적어도 한가지 또는 그 이상을 첨가하며, 또한, 촉매성분인 Mn, Co중 적어도 한 가지를 용매에 동시에 넣어서 약 70
Figure kpo00040
의 온도에서 자력교반을 이용해서 분산시킴과 동시에 가열 건조시킨 다음, 다시 110
Figure kpo00041
로 유지된 건조로에 넣고 하루 동안 충분히 건조시킨 다음 1200
Figure kpo00042
이상의 온도로 소성하여 고온연소 촉매재료를 합성하게 된다.
다음에 본 발명에서 얻은 조성의 성분에 따른 특성을 실시예에 따라 자세히 설명하겠다.
[실시예1]
표면적이 약 160
Figure kpo00043
/g인 알루미나 분말에 용매로서 물을 소정량 가한 후 여기에 Ba를 2
Figure kpo00044
Figure kpo00045
, La를 10
Figure kpo00046
Figure kpo00047
, Mn을 13
Figure kpo00048
Figure kpo00049
첨가한 다음 자력교반을 이용하여 분산시키면서 70
Figure kpo00050
의 온도에서 용매를 증발시켰다.
그 다음 110
Figure kpo00051
로 유지된 건조로에 넣고 하룻저녁 충분히 건조시킨 후 1200
Figure kpo00052
에서 12시간, 그리고 1300
Figure kpo00053
및 1400
Figure kpo00054
의 온도에서 5시간 소성시킨 다음 표면적 및 촉매활성을 측정한 결과는 표 1에 나타냈다.
[실시예2]
모든 공정은 실시예1의 항과 동일하게 하고 알루미나 분말에 용매로서 알콜을 소정량 가한후 La를 15
Figure kpo00055
Figure kpo00056
, Mn을 10
Figure kpo00057
Figure kpo00058
첨가한 조성의 표면적 및 촉매활성을 측정한 결과를 표 1에 나타냈다.
Figure kpo00059
다음은 본 발명의 범위를 벗어난 조성에 대한 특성을 비교하기 위한 비교예이다.
[비교예1]
모든 공정은 본 발명의 실시예와 동일하게 하고 여기에 La를 15
Figure kpo00060
Figure kpo00061
, Mn의 함량을 증가하여 17
Figure kpo00062
Figure kpo00063
첨가하였다.
이 분말을 1200
Figure kpo00064
에서 12시간, 1300
Figure kpo00065
및 1400
Figure kpo00066
의 온도에서 5시간 소성시킨 다음 표면적 및 촉매활성을 측정한 결과를 표 2에 나타냈다.
[비교예2]
모든 공정은 본 발명의 실시예와 동일하게 하고 여기에 La함량을 감소시켜 2
Figure kpo00067
Figure kpo00068
, Mn의 함량을 10
Figure kpo00069
Figure kpo00070
첨가하였다.
이 분말을 1200
Figure kpo00071
에서 12시간, 1300
Figure kpo00072
및 1400
Figure kpo00073
의 온도에서 5시간 소성시킨 다음 표면적 및 촉매활성을 측정한 결과를 표 2에 나타냈다.
Figure kpo00074
상기 본 발명의 실시예에 나타났듯이 본 발명의 고온연소촉매재료는 1200
Figure kpo00075
이상의 온도에서도 표면적이 크게 줄어들지 않고, 또한 높은 촉매활성을 나타냄을 알 수 있으며 본 발명에 첨가되는 열안정화제 성분 및 촉매활성 성분의 함량에 따라서도 표면적 및 촉매활성이 크게 바뀜을 알 수 있다.
따라서 본 발명에서 개발한 고온연소촉매재료는 비교적 온도가 1100
Figure kpo00076
이하로 낮은 부분에서는 이의 분말을 이용하여 내열성 허니컴 담체에 워시코팅하여 촉매연소기에 응용할 수 있으며, 또한 온도가 1200
Figure kpo00077
이상이 요구되는 부분에서는 이의 분말을 이용하여 내열성 허니컴담체로 제조하여 질소산화물이 생성되지 않은 고온 촉매연소기의 촉매재료로서 활용할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (2)

  1. 고온의 연소촉매 분말에 있어서, 알루미나 분말을 주성분으로 하여 알루미나의 열안정제로서 La, Sr, Ba중의 적어도 한 성분 이상을 포함하고, 촉매활성 성분으로 Mn, Co중에서 한 성분 이상을 첨가하되, 여기에 사용되는 원료는 모두 금속 염이며, 선택된 첨가원소의
    Figure kpo00078
    Figure kpo00079
    는 알루미나를 기준으로 해서 5-20
    Figure kpo00080
    Figure kpo00081
    La, 2-5
    Figure kpo00082
    Figure kpo00083
    Ba, 5-20
    Figure kpo00084
    Figure kpo00085
    Sr, 7-15
    Figure kpo00086
    Figure kpo00087
    Mn, 7-15
    Figure kpo00088
    Figure kpo00089
    Co로 조성되고, 비표면적이 1200
    Figure kpo00090
    -1400
    Figure kpo00091
    에서 4.50-14.92
    Figure kpo00092
    /g을 나타내며, 메탄가스에 대한 촉매활성도가 T10%의 경우 520
    Figure kpo00093
    , T90
    Figure kpo00094
    의 경우 725
    Figure kpo00095
    의 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매 분말.
  2. 고온의 연소촉매 분말의 제조방법에 있어서, 알루미나 분말을 물 및 알콜 중 한가지 용매에 분산시킨 후 알루미나의 열안정화제인 Ba, La, Sr 중 적어도 한가지 또는 그 이상을 포함시키고, 또한 촉매성분인 Mn, Co 중 적어도 한 가지를 용매에 동시에 넣어서 약 70
    Figure kpo00096
    의 온도에서 자력교반을 이용해서 분산시킴과 동시에 가열 건조시키고, 다시 110
    Figure kpo00097
    로 유지된 건조로에 넣고 하룻 동안 충분히 건조시킨 다음 1200
    Figure kpo00098
    이상의 온도로 소성하여 고온연소촉매재료를 합성하는 것을 특징으로 하는 고온 연소촉매 분말의 제조방법.
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