고체산 촉매를 이용한 메탄올 탈수화 반응

Abstract

디메틸에테르( Dimethyl ether)는 청정 대체에너지원으로써 다양한 장점을 가지고 있는 에너지자원으로써 관심이 높아지고 있다. DME는 LPG와 매우 유사한 성질을 특징으로 가지고 있어 LPG, 연료전지, 발전연료 그리고 디젤의 대체연료로 고려되고 있으며 좋은 대체에너지로 기대된다. 생산 공정은 합성가스에서 생산하는 1단계 공정과 메탄올을 통하여 생산하는 2단계공정이 있으며 본 연구에서는 메탄올 탈수화 반응을 통한 DME합성을 연구하였으며 높은 활성 및 선택도를 가지면서 촉매표면의 카본 침적이 적은 것을 촉매를 선정하여 반응 메커니즘을 분석하고자 하였다. 일반적으로 메탄올 탈수화 반응을 일으키는 고체산 촉매를 사용하였으며 그 종류로 제조회사가 다른 γ-Al2O3, Mesoporous Al2O3, H-Mordenite, H-Y, H-Beta, H-Ferrieriter, silica-Alumina, Na-ZSM-5, H-ZSM-5, ZSM-5와 H-Ferrierite를 알칼리 및 알칼리 토금속으로 치환시킨 촉매를 사용하였으며 고체산 촉매의 산점을 알기 위해 암모니아를 이용한 승온탈착실험과 피리딘 흡착에 의한 적외선 분광실험을 수행하였다. Al2O3의 제조회사에 따라 반응활성이 차이가 나타났다. 또한 계면활성제의 종류에 따라 제조한 Mesoporous Al2O3의 경우 CH3(CH2)14COOH, CH3(CH2)10COOH 를 계면활성제로 사용하였을 때 좋은 활성을 보였다. 종류가 다른 zeolite 및 silica-alumina, γ-Al2O3를 비교한 결과 H-Ferrierite 및 H-ZSM-5(23)이 좋은 것으로 나타났다. 또한 H-ZSM-5의 SiO2/Al2O3 비율이 높을수록 반응활성은 감소하였으며 알칼리 및 알칼리 토금속의 이온을 치환하였을 경우 반응활성이 감소하였다. 모든 촉매를 낮은 온도에서 반응활성과 적당한 산점과의 관계를 비교한 결과 확실한 연관관계를 나타내었다. 또한 높은 온도에서 촉매 표면의 카본 침적 뿐 아니라 DME 선택도와 강한 산점과의 관계도 확실히 나타났으며 Zeolite 촉매의 경우 Brønsted 산점은 촉매의 활성과 밀접한 관계를 가지며 Brønsted 산점의 양과 촉매의 활성과의 관계에서 확실한 연관관계를 확인할 수 있었다.