KIST · 화학연, 새로운 저온탈질촉매 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 미세먼지 원인물질인 질소산화물(NOx)을 더 싸고 빠르게 저감할 수 있는 새로운 촉매에 관한 연구결과들이 국내 연구진에 의해 잇따라 발표됐다.

KIST 권동욱·하헌필 박사 연구팀은 공장과 발전소 등 산업현장에서 발생하는 미세먼지 원인물질을 상대적으로 낮은 온도에서 분해할 수 있는 저온탈질촉매를 개발했다고 발표했다.

또 한국화학연구원 허일정·유영우 박사팀은 자동차 배기가스에서 발생하는 미세먼지 저감을 위해 환원제(요소수) 없이 질소산화물을 분해할 수 있는 촉매를 개발했다고 발표했다.

이 연구들은 환경 분야 상위 1% 국제학술지인 어플라이드 카탈리시스 B(Applied Catalysis B: Environmental)에 최근 나란히 게재됐다.

◆KIST, 이중촉매 원천기술 개발로 사업장 미세먼지 원인물질 분해 비용 낮춰

KIST 연구진은 기존보다 낮은 온도에서 질소산화물(NOx)을 분해할 뿐 아니라 스스로 재생할 수 있는 이중촉매를 개발했다.

시멘트 공장, 소각로, LNG 발전소 등에서 질소산화물을 저감하기 위한 기존의 탈질촉매는 주로 350℃ 이상의 고온 환경이 필요하다. 배연가스에 포함된 황 성분이 약 290℃ 이하의 온도에서는 환원제로 사용되는 암모니아와 반응해 황산암모늄염을 형성시켜 촉매상의 활성물질 작용을 무력화(피독)시키기 때문이다.

이에 따라 가스 배출시 촉매가 피독되지 않는 온도까지 높여야 하기 때문에 막대한 운전비용이 발생하며, 재가열로 인해 질소산화물을 추가적으로 발생시키는 단점이 있다.

연구진이 개발한 촉매는 280℃이하의 낮은 온도에서도 피독물질을 분해해 촉매의 성능을 유지할 수 있다. 황화처리를 통한 촉매 표면개질을 통해 탈질촉매 기능과 피독물질 분해 기능을 함께 갖춘 이중촉매를 설계함으로써 이것이 가능하게 했다. 황 성분이 있어도 우수한 탈질 촉매 기능을 유지할 수 있기 때문에 가스배출시 고온처리를 생략할 수 있게 됐으며 촉매의 내구성도 월등히 향상됐다.

연구진은 산업현장에서 질소산화물 배출저감 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대하고, 향후 으므로, 향후 작동온도를 더 낮추기 위한 연구를 진행할 계획이라고 밝혔다.

(논문명 :A dual catalytic strategy by the nature of the functionalization effect as well as active species on vanadium-based catalyst for enhanced low temperature SCR)

◆화학연, 내연기관차 미세먼지 원인물질 저공해 분해기술 개발

한국화학연구원은 자동차 배기가스 저감장치에서 환원제 역할을 하는 요소수 없이 질소산화물을 분해하는 이리듐-류테늄(Ir-Ru)촉매를 개발했다.

이 촉매는 배기가스에 많이 포함된 일산화탄소가 질소산화물과 반응해 질소와 이산화탄소로 전환되도록 도와준다. 그동안 요소수를 사용하지 않고 배기가스 환경에서 질소산화물을 환원시킬 수 있는 촉매 개발은 요원해 보였으나 이번에 개발한 촉매는 175 ℃ 기준으로 90 %의 전환율을 나타내는 매우 높은 성능을 확보함으로써 가능성을 보였다.

연구팀은 "개발된 촉매는 이리듐과 루테늄의 이중 촉매 기능을 유발해, 이리듐과 루테늄이 단독으로 존재할 경우 야기되는 전환 속도 감소를 방지하고 원활하게 표면산소를 제거해 질소산화물 전환성능을 높인 것"이라고 설명했다.

연구팀은 작동온도 영역을 300 ℃ 이상 고온까지 확장하기 위한 후속연구를 진행하면서 현장 적용을 추진할 계획이다.

(논문명 :Unraveling the origin of extraordinary lean NOx reduction by CO over Ir-Ru bimetallic catalyst at low temperature)

미세먼지는 발생과정에 따라 1차 발생과 2차 발생으로 나눌 수 있는데, 1차 미세먼지는 공장 굴뚝 등의 발생원에서 직접 고체 상태로 발생하며, 2차 미세먼지는 발생원에서 기체 상태로 나온 원인물질이 대기 중에서 화학반응을 일으켜서 생성된다.

수도권 전체 초미세먼지(PM2.5) 중 약 70%는 2차 미세먼지이며, 사업장, 자동차 등에서 배출되는 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 암모니아(NH3) 등이 대표적인 미세먼지 원인물질이다.