초록
양이온이 교환된 Y형 제올라이트에 담지된 니켈촉매상에서 이산화탄소의 메탄화반응을 상압과 $200{\sim}550^{\circ}C$의 온도범위, 수소와 이산화탄소의 몰비가 4인 조건에서 수행하였다. Y형 제올라이트에 이온교환된 양이온에 따라 이산화탄소와 니켈간의 결합력의 차이를 보였으며, TPD(Temperature-programmed desorption) 결과 Ni/NaY>Ni/MgY>Ni/HY 순으로 결합력이 작아지는 것으로 나타났고, TPSR(Temperature-programmed surface reaction)의 결과로부터 이산화탄소와 니켈의 결합력이 강할 때 반응의 활성이 좋음을 알 수 있었다. 니켈의 환원온도가 높을수록 반응활성이 증가하는 것으로 보아 이산화탄소의 메탄화반응은 환원된 니켈금속입자가 커질수록 유리한 것으로 나타났고, 니켈의 담지량이 3.3wt%일 때 최대의 활성을 나타내었다. 반응온도 조건의 전범위에서 일산화탄소가 부생성물로 생성되었으며, 반응물과 촉매의 접촉시간이 길어질수록 생성물질중의 일산화탄소가 감소하는 것으로 미루어 이산화탄소가 일산화탄소를 경유하여 메탄으로 전환됨을 알 수 있었다. $410{\sim}450^{\circ}C$의 온도범위에서 메탄의 생성속도는 이산화탄소의 분압에 대하여 3.3에서 -0.5 지수승에 비례하고 수소의 분압에 대하여 1.4에서 3.6 지수승에 비례하며, 이산화탄소와 수소가 경쟁적으로 니켈에 흡착함을 알 수 있었다.
$CO_2$ methanation was performed over Ni supported on cation-exchanged Y zeolites under atmospheric pressure at $250{\sim}550^{\circ}C$ and $H_2/CO_2$ mole ratio of 4. Adsorption strength between carbon dioxide and nickel was found to be Influenced by the cation exchanged in the zeolite. TPD(Temperature-programmed desorption) results show that the adsorption strength decreases in the order of Ni/NaY>Ni/MaY>Ni/HY. TPSR(Temperature-programmed surface reaction) results indicate that enhanced methanation activity is obtained when the adsorption strength between carbon dioxide and nickel is stroing. As the reduction temperature increases, the methantion activity of the catalyst increase. From this result the larger size nickel particle seems advantageous for $CO_2$ methanation reaction. The maximum activity is obtained when nickel loading is 3.3wt%. Carbon monoxide is produced as a by-product throughout the reaction temperature range, and as the contact time increases, the selectivity to methane increases and the selectivity to carbon monoxide decreases steadily. Thus methane seems to be produced from $CO_2$ via CO as an intermediate species. In the temperature range of $410{\sim}450^{\circ}C$, the methane production rate is found to be dependent on the orders of 3.3~-0.5 and 1.4~3.6 with respect to $CO_2$ and $H_2$ partial pressures, respectively. This clearly shows that $CO_2$ and $H_2$ are competing for adsorption sites and as the reaction temperature increases, it becomes increasingly difficult for $H_2$ to be adsorbed on the catalyst surface.
(Dept. of Chemical Engineering, College of Engineering Inha Univ.)
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