Applied Chemistry,

Vol. 15, No. 1, May 2011, 73-76

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니켈/알루미나 촉매상에서 CO의 플라즈마 촉매 메탄화 반응에 미치는

니켈 함량의 영향

좌은진⋅장두일⋅고란영⋅이상백⋅목영선†

제주대학교

Effect of Nickel Loading on Plasma-Catalystic Methanation of CO

over Nickel Supported Alumina

Eunjin Jwa⋅D. I. Jang⋅R. Y. Ko⋅S. B. Lee⋅Y. S. Mok†

Jeju National University

Abstract

알루미나에 0∼12.5%의 니켈이 담지 된 촉매와 플라즈마를 결합하여 일산화탄소의 촉매 메탄화 반

응을 수행하였다. CO와 H2는 1:3의 비율로 반응기에 유입되었으며 H2, CO, CO2, CH4의 농도는 가

스 크로마토그래피로부터 측정되었다. 알루미나(bare alumina)를 사용하였을 때는 CO가 CH4로 전

환되지 않았지만 니켈이 담지 된 촉매는 메탄화 반응에 영향을 주었고, 촉매상의 니켈 조성이 증가함

에 따라 반응 속도가 증가되었다. 저 농도의 니켈이 함량된 촉매를 사용했을 경우 300℃ 이상의 고

온에서 반응을 진행했을 경우에는 촉매 자체의 활성이 높아 거의 최대 효율을 나타냈다. 240℃ 이하

의 저온영역에서는 다소 메탄화 효율이 낮았지만 저온 플라즈마에 의해 CO와 H2가 들뜬 상태로 활

성화되어 촉매적 메탄화 효율은 증가하였다. 고 농도의 니켈이 함량된 촉매를 사용한 반응에서는 촉

매 자체의 활성이 저온영역에서 좋았으나 저온플라즈마에 의해 더욱 메탄화 반응이 향상되었다.

Keywords: Nonthermal plasma, Ni/alumina catalysts, Methanation

1. 서 론

최근 급등하는 유가와 석유 자원의 고갈로 인하여 석탄을 에너지원으로 이용하는 연구가 활발히 진행

되고 있다. 메탄화는 석탄 에너지로 부터 발생되는 합성가스(CO와 H2의 혼합물)를 천연 가스로 전환시

킬 수 있는 기술로 1970년대부터 광범위하게 연구되고 있는 기술이다[1]. 메탄은 다양한 금속 촉매들

(Ru, Fe, Ni, Co 등)로부터 합성되며 그 중에 니켈촉매는 경제성과 취급하기가 쉬운 장점을 지녀 메탄

화 공정에서 가장 널리 쓰이고 있다[2,5].

문헌자료에 의하면 저온 플라즈마 중 유전체 배리어 방전(DBD)은 탄화수소의 개질, 산화, 휘발성유

기화합물(VOCs)의 저감에 있어 촉매 활성을 향상시킬 수 있다고 보고되고 있다[3].

본 연구의 목적은 저온 플라즈마를 이용한 촉매적 메탄화 속도를 향상시키는 데에 있으며 알루미나에

0, 2.5, 5, 7.5, 12.5 wt% 니켈이 담지 된 촉매를 이용하여 200~300℃의 온도 범위에서 메탄화 반응

이 조사되었다.

2. 실험 방법

Fig. 1은 메탄합성 실험장치의 모식도이다. 유입 가스는 유량 조절계(KS Instruments, Inc.)에 의해

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조절되어지고 전압은 고전압 프로브(Tektronix, P6015)와 디지털오실로스코프(Tektronix, TDS

3032)로 측정된다.

Fig. 1. Schematic diagram of the experimental apparatus for methane synthesis.

촉매는 Ni(NO3)2을 전구물질로 사용하여 함침법으로 제조하였으며 수소분위기 하에 550℃에서 6시

간동안 소성한 뒤 사용하였다. Fig. 2 촉매가 충진 된 반응기의 그림으로 석영관에 알루미늄 호일(내경:

15 mm, 외경: 18 mm, 반응 길이: 110 mm)을 감싼 뒤에 11 kV의 전압을 인가하였다.

Fig. 2. Schematic diagram of plasma-catalytic reactor.

3. 실험 결과 및 고찰

Fig. 3의 (a)는 200℃~300℃의 온도범위에서 니켈 함량에 따른 메탄화 효율을 나타내고 (b)는 플

라즈마 전압을 인가해 주었을 때의 효율을 나타내고 있다. 실험 결과에 따르면 메탄 생성 효율은 니켈

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함량이 증가할수록 온도에 따라 증가하고 있다. 그리고 촉매 메탄화 반응에 저온 플라즈마를 결합할 경

우 20~40% 이상 효율이 증가되는 것으로 보아 저온플라즈마는 메탄화 속도 향상에 기여하는 것으로

보인다. 문헌에 의하면 저온 플라즈마는 CO와 H2를 여기 시키며, 흡착된 일산화탄소의 탄소와 산소 해

리 과정에 영향을 주어 전반적인 메탄화 반응 속도를 증가시킨다[3]. 또한 니켈 함량이 높을수록 알루

미나 촉매의 비표면적이 증가하기 때문에 메탄화 반응 효율이 증가한다고 보고되고 있다[4]. Fig. 3에

서 보여지듯이 저온플라즈마 상에서 2.5%의 니켈을 함유한 촉매를 사용했을 경우 240℃의 저온 영역

에서도 90% 이상의 최대 효율을 보였고, 5%의 니켈을 함유한 촉매를 사용했을 경우에는 220℃에서도

90% 이상의 효율을 나타내었다. 즉, 저 농도 니켈을 함유한 촉매 사용 시에도 저온 플라즈마를 결합시키

면 고농도 니켈을 함유하고 있는 촉매를 사용할 때만큼 메탄화 속도가 향상되었다. 본 결과는 플라즈마가

저 농도의 촉매를 사용할 때에도 CO의 메탄화 반응에서 효과적으로 작용하고 있음을 보여준다.

Fig. 3. Conversion efficiencies of CO with and without nonthermal plasma (voltage: 11.2 kV).

Reference

1. Y. D. Yoo, S. H. Kim, et al. “Conversion Technology from Coal to Synthetic Natural Gas”, The out-

look of Engineering Chemistry, 12(3), (2009).

2. S. H. Park, J. H. Kim, et al. “Methnatio Kinetics of Carbon Oxides over Supported Ru and Ni

Catalysts”, Journal of the Korean Institute of Chemical Engineers, 30(4), pp. 423-432. (1992).

3. Y. S. Mok, H. C. Kang, et al. “Effect of Nonthermal Plasma on the Methanation of Carbon Monoxide

over Nickel Catalyst”, Plasma Chem Plasma Proc., DOI 10.1007s 11090-010-9231-x.

4. P. Pangiotopoulou, D. I. Knonarides, X.E. Verykios, “Selective methanation of CO over supported

noble metal catalysts: Effects of the nature of the metallic phase on catalytic performance”, Applied

Catalysis A, 344, pp.45-54, (2006).

5. K. S. Hwang, D. K. Lee, “Effects of Ni loading in reforming reaction of carbondioxide with methane”,

J. Korean Society of Evironmental Administration, 8(2), 199-225, (2002).

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6. Raskó, J., “FTIR study of the photoinduced dissociation of CO2 on titania-supported noble met-

als”.Catalysis Letters, 56, pp.11–15, 1998.

7. Olszewski, R., Woliński, P. & Zubek, M., “Excitation of carbon monoxide by electron impact in the

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