Catalyst Engineering : 1-3. Industrial catalyst, 산업계에서 쓰이는 촉매 예시

Industrial Catalyst

1. Sulfide Oxdiation

• $SO_2 \to SO_3$
• Pt Gauze
• S는 전기음성도가 높아서 poisoning 확률 높다.
• 요즘은 $V_2O_5 + K_2SO_4$로 대체

2. $NH_3$ Oxidation

• $NH_3 \to NO_3$
• Pt Gauze + $O_2$
• $NO_3$는 $H_2O$로 질산 형태로 배출
• 하지만 Gauze를 이용하기 때문에 metal atom dispersion이 굉장히 낮다.

3. $NH_3$ Synthesis

• Haber Bosch
• $Fe + Al_2O_3, CaO, K_2O, MgO$ : Oxide 계열이 promotor

4. Methanol Synthesis

• $CO + H_2 \to CH_3OH$
• $Al_2O_3, Cu + ZnO$
• 이 합성방법에서 conversion을 높이려다보면 $CO_2$ 로 완전 산화가 일어남.
  • 1. 반응성이 큰 active stie ($Fe^{4+}$) 가 존재하게 만든다.
  • 2. $CH_4$ 에 대해서는 active, $CH_3OH$ 에 대해서는 deactive 한 촉매를 제작
    • hydrophobic vs hydrophilic : 메탄은 소수성, 메탄올은 친수성이기에 촉매 표면에 ligand가 소수성이면 메탄올이 생성되자마자 desorption 될 것이다.
    • porous 한 구조를 가지도록 : 메탄 분자보다 메탄올이 더 길기 때문에 pore를 가진 촉매라면 메탄올이 생성되고 물리적으로 촉매에 더이상 접촉하지 못한다.

5. Hydrocarbon Synthesis

• Fischer-Tropsch : 석탄으로 석유를 만들 수 있다.
• $CO + H_2 \to C_nH_{2n+2}$ (Hydrocarbon)
• $Fe$ in $Co$
• Hydrocarbon이 chain rule에 의해 선택적으로 만들기가 힘들다.

6. Partial Oxdiation

1. $CH_3OH \to HCHO + H_2$ : $Ag$ or $Fe(MoO_4)_3$
2. $Napthalene \to Phtalic Anhydride$ : $V_2O_5 / Al_2O_3$
3. $Benzene \to Maleic Anhydride$ : $V_2O_5 / MoO_3$
4. $Butene \to Maleic Anhydride$ : $V_2O_5 / P_2O_5(Ti, Mo, Sb)$
   1. Maleic Anhydride : polymer로 많이 쓰임
5. $C_2H_4 \to C_2H_4O$, Etylene Oxide : $Ag, \alpha-Al_2O_3$ with $Cl, Cs$
6. Lower Alkane Activation : 안정한 물질을 olefin으로 만듬
7. GTL : Gas To Liquid
8. FPSO : Floating Production Storage Offloading

7. Petroleum Processing

• Catalytic Cracking :
  • Zeolite, $Na^+, K^+, NH_4^+$ 을 이용하면, 산을 띄는 고체촉매,
  • $SiO_2-Al_2O_3$ 와 사용하기도 한다.
• Reforming
  • Reforming 순서
    • $H_2$ 에 좋은 흡탈착 활성을 보여주는 귀금속 촉매 + 산촉매
    • $Pt + Al_2O_3$
    • 탈수소 처리 → isomerization → 수첨처리
  • paraffin의 cyclization
  • Aromatic compound의 탈수소화
  • $Mo/Al_2O_3$ 로 대체가능
  • Octane 가 높이기 위해 MTBE를 넣는다.

8. Hydrotreatment (수소첨가반응)

• HDS : HydroDeSulfide
• HDN : HydroDeNitrogenation
• HDM : Metal
• HDA : Aromatic
• HDO : HydroDeOxidation, Biomass에 주로 사용