Cu-Mordenite 촉매 상에서 메탄과 수증기로부터 메탄올 연속 합성에 대한 연구
A study on continuous synthesis of methanol from methane and steam over Cu-Mordenite
- 주제(키워드) methane , methanol , oxidation , copper mordenite , zeolite
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 박은덕
- 발행년도 2020
- 학위수여년월 2020. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000030322
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
The utilization of methane as a chemical feedstock has recently attracted much attention because of an upsurge in shale gas production. Currently, methane is commercially utilized as a raw material for various chemicals indirectly via syngas (CO + H2), which is typically produced through energy-intensive processes such as steam-reforming. Therefore, the direct conversion of methane into value-added chemicals can be cost-effective if a high yield to the target product is accomplished under mild conditions. In this work, I propose a one-step process that mimics the methane oxygenase existing in nature. Copper ion is used as the active metal and simultaneously puts reactant methane and steam of oxidant. This is one-step process that compensates for the shortcomings of the multistep process used in the previous research. The methanol production rate depended on the Si/Al ratio, Cu/Al ratio, and presence of Brønsted acid sites. Cu-H-mordenite and Cu-Na-mordenite showed comparable methane conversion rates but the former provided higher methanol selectivity. At a given Si/Al ratio, the methane conversion rate gave a volcano plot as a function of Cu/Al ratio and methanol selectivity decreased with increasing Cu/Al ratio. This implied that binuclear copper species are more active than mononuclear copper species and that copper oxide clusters are favorable for total oxidation. The addition of small amount of oxygen in the feed increases the methanol production rate but decreases the methanol selectivity.
more초록/요약
최근 셰일 가스 생산량이 급증하면서 화학 연료로서 메탄 활용이 큰 관심을 끌고 있다. 현재 메탄은 수증기 개질 등 에너지 집약적인 공정을 통해 생산되는 합성가스 (CO+H2)를 거쳐 간접적으로 전환되어 활용되고 있다. 메탄을 직접 전환하여 화학제품을 생산하는 것은 기존 합성가스를 이용하는 것보다 에너지 및 비용 면에서 큰 이점을 가질 수 있다. 본 연구에서는 자연계에 존재하는 메탄 산화 효소를 모방해 구리 이온을 활성 금속으로 사용하고 반응물인 메탄과 산화제인 스팀을 동시에 넣은 한 단계 공정 촉매 시스템을 제안한다. 이는 기존 연구에서 사용하던 다단계(multistep) 공정의 단점을 보완한 한 단계(one-step) 공정으로 연속적으로 메탄을 산화하여 메탄올을 합성할 수 있다. 촉매는 구리 이온이 교환된 Mordenite를 사용하였다. 제올라이트 양이온의 종류와 제올라이트 조성의 특성 (Si/Al 몰비 및 Cu/Al 몰비)을 고려하여 메탄으로부터 메탄올 직접 합성 반응에 적합한 촉매 시스템을 개발했다. Cu-H-MOR와 Cu-Na-MOR은 메탄 전환율은 비슷하지만, 전자는 후자보다 높은 메탄올 선택도를 갖는다. Si/Al 몰비를 고려할 때, Cu/Al 몰비에 따라 메탄올 형성속도는 volcano-plot 형태를 나타내고, Cu/Al 몰비가 증가할수록 메탄올 선택도는 감소한다. 이 결과는 구리의 활성점 중에서 binuclear copper species가 mono nuclear species보다 더 활성이 좋으며 copper oxide cluster는 메탄 완전 산화에 유리하다는 것을 알 수 있다. 또한, feed에 소량의 산소를 첨가하면 메탄올 생성 속도는 증가하지만, 메탄올 선택도는 감소한다. 추가된 산소는 메탄올의 수율을 높이는 데는 도움이 되지만 메탄올의 선택도는 낮춘다는 것을 알 수 있다.
more목차
1. 서론 (Introduction) 1
2. 실험 (Experimental) 11
2.1. Cu-Mordenite 제조 11
2.2. Dealuminated mordenite 제조 13
2.3. 촉매 반응 실험 14
2.4. 분석 방법 17
3. 결과 및 고잘 (Results and discussion) 20
3.1. 다양한 실험 조건의 영향 20
3.2. 최적의 촉매 시스템 개발 30
3.3. 산소를 이용한 연속 공정 48
결 론 (Conclusion) 53
References 55
Abstract 62
