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친환경 탈질촉매로 대기환경 개선

가격, 성능, 내구성 3가지 장점 모두 확보

친환경 탈질촉매로 대기환경 개선 - 다아라매거진 기술이슈
촉매의 작동과정. 유해물질인 질소산화물이 환원제와 함께 촉매가 코팅된 모듈을 통과하면 인체에 무해한 질소 및 물로 변환된다.


대기오염 주범인 질소산화물 처리를 위해서는 제철소 배연가스 소결로에 촉매를 장착해 유해물질을 제거하는 기술이 필요하다. 가격을 대폭 낮추면서도 효율과 내구성을 높인 촉매기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 다원물질융합연구소 하헌필 박사팀은 고가의 텅스텐 등 희소금속을 사용하지 않는 대신 가격이 싼 비전이(非轉移)금속 조촉매를 사용해 친환경적인 탈질촉매(질소산화물 환원촉매)를 개발하는데 성공했다.

질소산화물은 연료의 연소과정에서 필연적으로 생성돼 산성비, 온실가스 형성 등 대기오염의 주범으로 지목되고 있다. 최근에는 질소산화물 배출규제가 엄격해지고 배출가스 처리환경이 까다로워져 탈질촉매 기술 개발이 활발히 이뤄지고 있다.

현재 세계적으로 탈질촉매는 주로 타이타니아 위에 바나듐을 첨가해 활성물질로 사용한다. 철 제조공정 중 가장 오염물질 배출이 많은 소결로는 촉매의 작동온도가 250℃ 정도의 저온이므로 촉매의 내구성이 쉽게 저하된다. 이러한 환경에서 촉매 내구성 증진을 위해 현재까지는 값비싼 텅스텐이나 몰리브덴과 같은 희소금속을 다량 첨가한 외국산 촉매가 사용돼 왔다.

개발된 촉매는 비전이 금속 조촉매를 소량 첨가하고 가격이 희소금속에 비해 저렴해 최종 촉매가격이 기존 촉매보다 30% 이상 원가가 저렴하다. 또한 낮은 온도영역에서 높은 촉매활성이 입증돼 외국의 촉매보다 가격·성능·내구성 면에서 모두 높은 경쟁력을 확보했다.

하 박사팀은 촉매의 작동과정을 모델링하고 물질 구성의 기본요소인 전자와 원자핵의 양자적 상호작용을 계산해 물질을 설계하는 양자화학 계산을 통해 기존에 사용하지 않던 저가의 비전이 금속계에서 저온 촉매성능을 높일 수 있는 조촉매 물질을 발견하고 물질특허를 획득했다. 개발된 촉매는 비전이 금속 조촉매를 소량만 첨가해도 모든 촉매특성이 기존 상용되는 촉매에 비해 우수하다는 것을 확인했다.

한편, KIST는 이 기술을 ㈜대영씨엔이(사장 노세윤)에 이전했고, 이 회사는 POSCO와 함께 POSCO 소결로 배연가스 처리용 탈질촉매모듈 개발을 목표로 상용화 연구를 수행했다. 상용화한 촉매모듈을 기존 촉매 중 가장 우수한 성능의 상용 촉매모듈과 함께 POSCO의 소결로 배연가스 처리장치 내에 장착해 비교시험한 결과, 개발된 촉매가 6개월간의 가동 후에도 저온영역에서 95% 이상의 활성을 지속적으로 유지할 뿐만 아니라 내구성이 우수함을 확인했다.

하헌필 박사는 “이번 촉매 개발은 출연연에서 물질특허를 확보해 중소기업에 이전하고 중소기업은 이를 기반으로 부품소재로의 상용화기술을 개발해 대기업에서 이를 채택 사용한 사례”라며 “본 물질의 설계과정에서 축적된 노하우를 바탕으로 극저온 및 고온 영역에서도 작동할 수 있는 환경촉매 개발이 진행 중인데, 이는 수조원 이상의 시장이 기대되는 이 분야의 연구를 선도한다는데 의미가 있다”고 말했다.
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