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메탄을 포름알데히드로 선택산화에서 공정과 촉매디자인에 대한 과학기초(Scientific Basis for Process and Catalyst Design in the Selective Oxidation of Methane to Formaldehyde)

전문가 제언: □ 촉매 선택산화(CSOs)들은 화학물질들, 단위체들 및 중간체들을 생산할 수 있게 하기 때문에 현대 공업화학에서 전략적 중요성을 갖는다. 그 산화는 수지와 플라스틱으로부터 페인트들, 용매들, 고무들, 약품들 등 수많은 생성물들을 만들기 위해 사용된다. CSOs의 경제적 영향력도 상당히 커서 1998년에 세계매상고가 약 $500억(U.S.)의 총액에 달했다.

□ 거의 모든 CSO공정들은 알켄들과 방향족화합물들 같은 “반응성” 유기 기질들의 특별한 기능화를 일으키게 한다. 그 기질들은 오늘날 쉽고 값싸게 선택산화, 산화탈수소 및 산화암모니아분해 반응들에 의해 원유로부터 얻어진다. 그렇지만 알칸들은 올레핀들과 방향족화합물들보다 더욱 경제적이고, 쉽게 얻을 수 있고, 안전하며, 덜 유독성이기 때문에, 석유화학공업은 공급 원료로서 원유보다는 알칸들의 직접사용으로 전환해갈 것임을 시장예보에서 밝혔다.

□ 이 석유화학공업공급원료 보급에서 이 기대되는 획기적인 발전은 원유-유도된 생성물의 가격을 증가시킬 한정된 원유 매장량에 비교하여 천연가스(NG)의 매장량은 전 세계적으로 풍부하기 때문에 촉구될 것이다.. 결과적으로 낮은 가격의 알칸 공급 원료들과 결합으로 신 독창적 촉매 접근법을 활용한 가능한 공정방법들이 현재의 기술들을 능가하여 상당한 경제적 이점들에 귀착될 것이며, 이는 필연적으로 해가 갈수록 더욱더 증대될 것이다.

□ 과학과 특허논문들에 C1-C5알칸들의 선택산화에 대한 많은 촉매들이 제안되었지만 그 공정들의 낮은 생산성은 아직도 그 공업적 개발에 주 결점으로 남아있다. 더욱이 촉매디자인의 몇 가지 주 관점들이 C2-C5알칸들의 기능화에 대하여 일치되지만, 메탄의 CH3OH와 HCHO로 촉매 부분산화(MPO)는 더 높은 탄화수소들에 대해 이미 확증된 그 규칙들에 따라서 합리화될 수 없다. 기질의 낮은 반응성 때문에 MPO의 메커니즘 적 관점들은 대단히 특수하고 원하는 생성물들의 수율을 최대화 하기위해 특별한 촉매들, 실험조건들 및 반응기 기술들이 필요하다.

□ 전이금속이온들(예로서, MoⅥ, VⅤ, FeⅢ 등)의 운반체로서 실리카를 포함하는 촉매 화학식화에 추가해서 메탄을 CH3OH와 HCHO로 부분산화에서 Fe2(MoO4)3와 FePO4같은 화학량론 적 화합물들의 효과가 요구되어왔다. 그 활성자리들 구조의 상세한 연구들은 그러한 계들에서 그 반대음이온은 Fe3+ 활성센터들을 “고립”시키는 “간격 띄우게”로서 작용하고 따라서 FeOx/SiO2촉매들의 기본요구들을 다룬다는 것을 보였다.

□ C1~C4의 알칸들로 구성된 천연가스의 매장량은 거의 무한대하다. 이 리뷰의 과학적 기초지식을 잘 이해하고 활용하여 최적화된 적절한 선택적 산화촉매와 공정 만 각각 합성 및 기술개발 한다면 원유로부터 얻든 올레핀과 방향족 화합물대신 천연가스로 대용할 수 있다. 이는 석유화학공업을 천연가스화학공업으로 대치가 가능함을 예시한다. 생산성문제로 공업화되지 못한 것을 촉진된 활성 선택산화촉매 연구개발로 공업화와 실용화를 앞당겨서 에너지문제의 해결에 도전해야할 것이다.

저자: Arena, Francesco; Parmaliana, Adolfo
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