Packed bed membrane reactor and catalytic membrane reactor can be a breakthrough of thermodynamic limitations for thermally limited reaction such as CO2 hydrogenation to methanol. However, it is difficult to manufacture on a large-scale due to degradation of performance by some important problems such as mass transfer limitation and pressure drop. In this present study, the possibility of fabrication of a large-scale methanol production membrane reactor is proposed by manufacturing an integrated support-catalyst that simultaneously serves as a support and catalyst in membrane reactor by using partially solution-processable process. It was confirmed that alumina hollow fiber supports derived from aluminum-based metal-organic framework precursor have macroporous and mesoporous structures that can mitigate the mass transfer limitation and pressure drop even in large-scale. High specific area indicates that it can perform well as a catalyst support for dispersing the catalyst. In addition, it is suggested that the carbon dioxide conversion above the thermodynamic equilibrium limitation of the CO2 hydrogenation can be achieved by using the in-situ water removal membrane reactor through membrane reactor modeling and simulation.
충전층 막 반응기 및 촉매 막 반응기는 이산화탄소 수소화를 통한 메탄올 생산 반응과 같이 열역학적으로 제한된 반응에 대한 열역학적 한계의 돌파구가 될 수 있다. 하지만 물질전달의 한계, 압력강하에 의한 성능 저하 등의 문제로 인해 큰 규모로 제작하는 것이 힘들다. 본 연구에서는 막 반응기의 형태 유지와 촉매 역할을 동시에 수행하는 일체형 지지체-촉매를 부분 용액 가공 공정으로 제작하여 대규모 제작의 가능성을 제시한다. 알루미늄계 금속-유기 골격체 전구체로부터 파생된 알루미나 중공사는 대규모 크기에서 물질전달 제한과 압력 강하를 완화시킬 수 있는 거대 세공성과 중간 세공성 구조를 가짐을 확인하였다. 높은 비표면적을 가지는 특성은 촉매를 잘 분산시키는 촉매 지지체로서의 역할도 잘 수행할 수 있음을 나타낸다. 또한, 막반응기 모델링 및 시뮬레이션을 통하여 현장 물 제거 막 반응기 사용으로 이산화탄소 수소화 반응의 열역학적 평형 한계 이상의 이산화탄소 전환율을 달성할 수 있음을 제시한다.
