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미세먼지 원인 '질소 산화물' 제거 기술 개발...제철소에 상용화 운용 성공
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미세먼지 원인 '질소 산화물' 제거 기술 개발...제철소에 상용화 운용 성공
  • 김수철 기자
  • 승인 2021.02.15 10:57
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질소 산화물 안정적 제거...바나듐 기반 촉매시스템 개발
산업 배출 미세 먼지 저감 효과...‘네이처 커뮤니케이션즈’ 2월10일 자 게재
포스코 광양제철소서 상용화 성공적 운용 중

최근 미세먼지가 다시 기승을 부리고 있는 가운데, 국내 연구팀이 미세먼지의 원인인 환경 오염물질 '질소 산화물'을 안정적 제거할 수 있는 원천 기술을 개발해 화제다.

이 연구는 서울대학교 화학생물공학부 김도희 교수 연구팀과 포항산업과학연구원 미세먼지연구센터와 공동으로 연구했으며, 포스코와 과학기술정보통신부의 선도연구센터사업의 지원으로 수행됐다.

서울대 화학생물공학부 김도희 교수, 송인학 박사, 이황호 박사 /서울대학교 공과대학 

국가미세먼지정보센터에 따르면 질소산화물에는 안정한 N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5 등과 불안정한 NO3가 존재하며, 대기환경에서 문제가 될 만큼 존재하는 것들은 NO, NO2로, 통상 이들 물질을 대기오염측면에서 질소산화물이라 한다.

화학물질 제조공정과 질산에 의한 금속 등 처리공정, 화석연료를 사용하는 내연 기관과 연소 시설 등에서 발생한다. 

소각로와 같은 산업계의 연소시설에서 발생하는 고온 속의 질소(N2)와 산소(O2)가 반응해 질소 산화물을 생성하는데 이것은 광화학 스모그와 산성비, 미세 먼지의 원인이 되는 대표적인 환경 오염 물질이다. 

인체에 유입되면 피부 조직과 호흡기를 자극해 치명적인 질환을 일으킨다. 일산화질소(NO)보다 고농도의 이산화질소(NO2)에 인체가 노출되면 눈과 코 등의 점막에서 만성 기관지염, 폐렴, 폐출혈, 폐수종의 발병 등이 발생하는 것으로 보고되었고 식물의 경우 식물세포를 파괴해 꽃식물의 잎에 갈색이나 흑갈색의 반점이 생기게 된다.

최근 대기 중 질소 산화물이 미세먼지 생성의 주원인으로 보고된 가운데 전 세계 많은 국가에서 질소 산화물 배출량 규제는 지속 강화되고 있다.

저온(220℃) 탈질 반응에서 기존 촉매와 개발 촉매의 황 피독 경향 비교 /서울대학교 공과대학 화학생물공학부 제공

연구팀에 따르면 암모니아(NH3)를 환원제로 이용해서 촉매를 통해 인체에 무해한 질소로 전환시키는 환원기술을 이용해 배출되는 질소 산화물을 제거하고 있는 현재 산업계의 연소시설 시스템은 티타늄 산화물(TiO2)소량의 바나듐 산화물(V2O5)을 포함한 형태의 금속 산화물 촉매가 가장 많이 사용된다. 

바나듐 촉매는 구리(Cu), 망간(Mn) 등을 포함한 다른 촉매들과 달리 300~400℃의 온도에서 연소 배기가스에 포함된 이산화황(SO2)에 의한 성능 저하 없이 질소 산화물을 안정적으로 제거할 수 있어 널리 사용되고 있다고 한다. 

또한 에너지 절약을 위해 250℃ 미만의 낮은 온도에서도 운용할 수 있는 SCR 촉매의 필요성이 요구되고 있지만 낮은 온도에서는 가스에 포함된 이산화항이 점성이 높은 중황산암모늄(Ammonium bisulfate, ABS) 형태로 전환되어 촉매 표면에 침적됨으로인해 활성점을 막아 촉매의 질소 산화물 저감 능력이 저하되는 문제가 발생한다. 

개발된 저온 촉매가 작동하는 원리를 요약한 그림  /서울대학교 공과대학 화학생물공학부 제공

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 흡착제나 촉매로 사용되면서 다공성 물질인 제올라이트를 기존 바나듐 촉매와 물리적으로 혼합할 경우 촉매와 인접한 제올라이트가 촉매 표면에 침적되는 중황산암모늄을 선택적으로 흡수해 촉매 활성 저하를 억제할 수 있음을 발견했다고 설명했다. 

250℃ 미만의 낮은 온도에서 바나듐 촉매에 침적되는 중황산암모늄을 혼합한 제올라이트에 흡수시켜 바나듐 촉매의 활성점을 보호하는 새로운 물리 혼합 촉매를 제안해 그 결과 우수한 안전성을 갖는 촉매 시스템 개발에 성공했다. 

더불어 포항공과대학교 화학공학과와의 공동 연구를 통해 제올라이트의 특별한 구조가 반응 조건에서 중황산암모늄 분자를 안정화시키는 효과를 가져온다는 것을 이론적으로 규명했다고 한다. 

서울대학교 김도희 교수는 "신규 촉매의 우수성을 이론과 실험으로 규명한 연구 결과도 중요하지만 대학에서 개발한 촉매를 산업계에 기술 이전해 상용화한 사례는 매우 의미있는 산합 협력 결과"라고 밝혔다. 

이 원천기술은 촉매 제조 방법이 매우 간단하고 높은 성능 향상을 보인다는 점에서 기존의 다른 기술과 비교해 신속한 상용화가 가능했으며, 파일럿 플랜트에서 대규모 검증 작업을 마치고 현재 포스코 광양제철소에서 상용화돼 운용되고 있다고 전해졌다.

네이처 커뮤니케이션즈에 게시된 해당 논문 갈무리

이번 연구결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Commnunications)' 2월10일 자 논문명 'Simple physical mixing of zeolite prevents sulfur deactivation of vanadia catalysts for NOx removal'로 온라인 게시됐다. 


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