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기존 상용촉매 대비 내구성 7배↑ 상용화를 위한 산업계 현장 실증연구 수행(금호석유화학-열병합발전소) ▲ 그림1. 고내황특성 저온 탈질촉매의 상승작용 촉매 반응 특성 최근 산업계 연소시설에서 배연가스 처리 시 에너지효율을 높이기 위해 저온에서 질소산화물을 처리 가능한 탈질*촉매의 수요가 커지고 있다. 질소산화물은 화석연료 연소과정에서 배출되며 대기 중 화학반응에 의해 입자로 변환되어 초미세먼지 발생의 주 원인물질로 알려져 있다. 그러나 기존 촉매는 약 250 ℃ 이하 저온에서 배연가스에 포함된 황 성분이 환원제로 사용되는 암모니아와 반응하여 황산암모늄염을 형성, 촉매 상 활성물질의 기능을 피독*시키므로 내구성이 저하되는 문제가 있다. 이를 개선하기 위해 촉매 표면에 흡착된 황산화물의 산화력을 약화시키거나 황 화합물을 일시적으로 저장하여 피독현상을 지연하는 연구가 있었으나, 궁극적으로 황에 대한 내구성을 증대시키는 원천적인 해결방안은 아니었다.  ▲ 그림2. 저온 VMoSbTi 촉매의 향상된 내황피독 특성 우리 학회 회원인 한국과학기술연구원 극한소재연구센터 하헌필 박사와 권동욱 박사 연구팀은 질소산화물을 인체에 무해한 물 및 질소로 전환하는 선택적 촉매환원법(SCR)*에 적용되는 신개념 고내구성 저온용 촉매 소재를 개발했다고 밝혔다.  ▲ 그림3. 현장 배기가스 주입을 통한 SCR pilot 탈질 반응기
연구팀은 바나듐계 촉매에 몰리브덴 및 안티모니 산화물을 첨가하여 촉매계면 엔지니어링 기법으로 활성성분과 이산화황 사이의 흡착반응을 억제시켜 피독물질인 황산암모늄염의 생성을 현저히 줄이는 복합바나듐산화물계 촉매소재 개발에 성공했다. 개발된 복합바나듐산화물계 촉매소재는 220 ℃의 저온에서 이산화황에 노출되었을 때 초기성능 대비 85%에 도달하는 시간이 기존촉매 대비 약 7배 이상 지연되어 촉매 수명이 월등히 길다. 또한 저온 활성이 높아 연소 시스템 전단에서의 질소산화물 처리 부담을 대폭 낮추어 에너지효율 면에서도 유리하다. 향후 산업현장에 적용할 경우 대기오염물질 처리비용 절감이 가능할 것으로 보인다.  ▲ 그림4. 금호석유화학 여수제2에너지 열병합발전소 전경(좌) 현장 실증연구를 위한 pilot 설비 외부(우) 본 연구는 실험실 규모의 반응기 실험을 끝내고, 지난 8월 금호석유화학 여수제2에너지 열병합발전소에 파일럿 실증 설비를 설치, 현장 배연가스를 적용하여 실증 테스트 중이다. KIST-금호석유화학 팀은 약 10개월간의 실증 설비 구동변수를 평가·검증하여 최적 운영방안을 도출한 후 2022년까지 플랜트 설비 구축을 목표로 하고 있다. 금호석유화학 고영훈 중앙연구소장(부사장)은 “금호석유화학 ESG경영에 있어 당사의 열병합발전소 배출가스 유해물질 중 대부분을 차지하는 질소산화물 저감은 매우 중요한 이슈”라며, “선진국 수준 이상의 선제적 저감기술 확보를 위한 발전소 pilot 장비를 설치하여 실증연구를 성공적으로 수행 중에 있으며, 향후 본 기술에 대한 scale-up test를 거쳐 고내구성 저온용 SCR 촉매 상업기술로 발전시키고자 한다”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 동북아-지역 연계 초미세먼지 대응 기술개발사업, KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 환경 및 에너지 분야 국제저널인 ‘Chemical Engineering Journal’(IF: 13.273, JCR 분야 상위 2.448%)에 게재됐다. ■ 용어설명 1) 탈질: 질소산화물을 환원시켜 질소로 전환시키는 작용 2) 피독: 촉매 외 다른 물질이 촉매와 흡착 또는 결합하여 촉매의 활성을 감소시키는 현상 3) 선택적 촉매환원법(SCR, Selective Catalyc Reduction): 촉매 상에서 질소산화물을 제거하기 위해 환원제를 이용하여 무해한 질소 및 수분으로 전환하는 기술 ■ 논문정보
*제목: New insight into the role of Mo-Sb addition towards VMoSbTi catalysts with enhanced activity for selective catalytic reduction with NH3
*저자: (제1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 권동욱 선임연구원, (교신저자) 한국과학기술연구원 하헌필 책임연구원 등 -출처: KIST 최신연구성과
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