Monodisperse metallic nanoparticles have attracted considerable interest because of their size-dependent properties. Especially, transition metallic nanoparticles have been investigated over the past few decades and applied to numerous fields such as biomedical imaging, drug delivery, catalysts for chemical and biochemical processes, batteries, and data storage devices.
Synthetic methods, which can prepare metallic nanoparticles effectively, have been developed,and water-in-oil microemulsion synthetic method is a most effective way to prepare monodisperse metallic nanoparticles under a relatively mild condition. Upgrading process is a process that upgrades bitumen (heavy oil) into synthetic crude oil (light oil). As the world`s supply of light crude oil is depleted, the stocks of heavy oil become more and more important. Accordingly, a research on upgrading process and catalyst have been highly increased along with greater demand of the heavy oil. In this study, we synthesized the nickel nanoparticles with different particle sizes by water-in-oil microemulsion synthetic method and estimated a feasibility of a dispersal catalyst for upgrading heavy oil.
20 세기에 이르러 산업이 급속도로 발전함에 따라, 필수적인 에너지 자원임과 동시에 공업원료로 널리 사용되는 재래형 원유의 수요는 날이 갈수록 증가하고 있다. 그러나 그 매장량은 한정되어 있기 때문에 재래형 원유의 매장량의 수배에 달하는 초중질유 또는 오일샌드 역청과 같은 비재래형 원유의 중요성이 대두되고 있다. 이러한 비재래형 원유는 다량의 아스팔텐에 의해 점도가 높으며 유기산, 금속 등의 불순물 함량 또한 높다. 특히 초중질유의 높은 점도는 수송관 내부의 막힘 현장을 유발하여 원유 수송에 심각한 문제를 초래한다. 이를 위한 대안으로 비재래형 원유를 채굴하는 지역에 비교적 간단히 설치가 가능하며 채굴된 원유를 경질화하여 운송을 용이하게 하는 급속 열분해 부분 경질화 공정이 제시되었다.
금속 열분해 공정에서는 열전달을 효과적으로 하기 위해 고온의 sand를 feed 와 같이 투입하는데, 여기에 sand 대신 적용할 수 있는 촉매를 만드는 것이 본 연구의 목표이다. 촉매활성이 잘 알려져 있는 니켈 나노입자를, 대량생산이 용이한 역상 마이크로에멀전 합성 방법으로 제조하였고, 합성 조건을 바꾸어줌으로써 입자의 크기를 효과적으로 제어할 수 있었다. 환원제와 니켈 전구체의 몰비가 줄어들수록 입자의 크기가 커지고 이를 TEM, BE, XRD를 통해 확인하였다. 또한 계면활성제가 더 첨가되어 3상 시스템에서 계면활성제의 질량비가 증가하는 경우, droplet의 크기가 작아지지만 오히려 입자의 크기는 커지는 것을 확인하였다.
급속 열분해 공정에서의 분산형 니켈 나노입자의 촉매활성을 확인하기 위하여 SUS 비드가 반응기 내부에 위치한 batch 반응기에서 실험을 진행하였다. SUS 비드는 feed 의 급속한 열분해를 위함이다. SDS 가 코팅된 니켈나노입자 (N5)를 선택하여 촉매실험을 진행하였으며, 촉매작용으로 인해 열분해가 촉진되어 1차 오일회수장치에서 회수된 오일의 양은 감소하고, 2, 3 차 오일회수장치에서 회수된 오일의 양은 증가하였다. 또한 API 비중이 증가하여 550 도의 반응온도에서 17.7° 로 가장 높은 수치를 보였으며 SARA 성분분석을 통해 아스팔텐 및 레진의 양이 줄고 아로마틱의 양이 증가함을 확인할 수 있었다. 이를 통해 니켈 나노입자의 급속 열분해 부분 경질화 공정의 분산형 촉매로서의 가능성을 확인할 수 있었다.
