국립경국대 연구팀, 저온 배기가스 잡는 고효율 탈질 촉매 개발

국제학술지 표지논문 게재

[안동=뉴시스] 이덕현 국립경국대 전기·신소재공학부 교수 *재판매 및 DB 금지

[안동=뉴시스] 김진호 기자 = 국립경국대 연구진이 수증기가 섞인 배기가스에서도 질소산화물(NOx)을 효과적으로 제거하는 판형 저온 탈질 촉매를 개발했다.

국립경국대는 전기·신소재공학부 이덕현 교수 연구팀이 개발한 촉매 관련 논문이 미국화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 'ACS Omega'에 표지논문(Front Cover)으로 게재됐다고 21일 밝혔다.

연구에는 미국 로체스터공과대 권기범 교수와 한국생산기술연구원 송신애 박사가 공동 참여했다. 권 교수는 연구 당시 미국 캔자스대에 소속돼 있었다.

질소산화물은 산성비와 스모그를 유발하고 초미세먼지 생성에도 관여하는 대기오염 물질이다.

화력발전소와 산업 설비에서는 암모니아(NH₃)를 이용해 질소산화물을 질소(N₂)와 물(H₂O)로 바꾸는 선택적 촉매 환원(SCR) 기술로 이를 제거한다.

문제는 기존에 널리 쓰이는 바나듐 계열 촉매가 주로 300~400도 온도에서 높은 성능을 낸다는 점이다.

배기가스 온도가 이보다 낮으면 탈질 효율이 떨어질 수 있어 저온에서도 작동하는 촉매 개발이 과제로 꼽혀 왔다.

이 교수 연구팀은 2023년 질산염을 도입해 저온 활성을 높인 바나듐 촉매 분말을 개발했다.

하지만 분말을 실제 설비에 사용하는 판형 촉매로 만들면 운전 과정에서 촉매 코팅이 기재에서 떨어지는 문제가 발생했다.

실험실에서 확인한 성능을 산업 현장에서도 유지하려면 촉매 활성뿐만 아니라 코팅 접착력과 내구성도 확보해야 했다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 실리카(SiO₂)를 결합재로 활용했다.

질산염을 도입한 바나듐 촉매를 유리섬유 판에 코팅하고 실리카 함량에 따른 표면 상태와 질소산화물 제거 성능을 비교했다.

실리카 10wt%와 산화바나듐(V₂O₅) 4wt%를 넣은 촉매는 코팅이 표면에 고르게 퍼지고 유리섬유에 단단히 부착됐다.

이 촉매의 질소산화물 제거 효율은 180도에서 수증기가 없을 때 98.7%였다. 수증기를 10% 섞은 조건에서도 95.2%를 기록했다.

반면 실리카를 넣지 않은 촉매는 같은 조건에서 제거 효율이 각각 67.5%, 58.8%에 그쳤다. 수증기가 포함된 조건에서 두 촉매의 성능 차이가 뚜렷하게 나타났다.

내구성 시험에서도 차이가 확인됐다.

연구팀이 이산화황(SO₂)과 수증기가 포함된 기체를 이용해 200도에서 80시간 동안 촉매를 운전한 결과, 실리카를 넣은 촉매는 질소산화물 제거 효율 약 98%를 유지했다.

실리카가 없는 촉매는 효율이 73%에서 70%로 낮아졌다.

운전 후 전자현미경으로 표면을 관찰한 결과, 실리카가 없는 촉매에서는 입자가 유리섬유에서 떨어져 나간 흔적이 확인됐다.

반면 실리카를 넣은 촉매는 처음과 비슷한 균일한 표면을 유지했다.

운전 전후 주요 성분의 함량은 두 촉매 모두 큰 변화가 없어, 실리카가 없는 촉매의 성능 저하는 성분 변화보다 코팅 탈락에 따른 영향으로 분석됐다.

이번 연구는 저온에서 높은 활성을 보이는 분말 촉매를 판형 촉매로 구현할 때 필요한 결합재의 역할과 적정 함량을 제시했다.

배기가스 온도가 낮은 산업 설비에서도 탈질 성능을 안정적으로 유지할 수 있는 촉매 개발에 활용될 것으로 기대된다.

이덕현 교수는 "분말에서 확인한 저온 성능을 실제 설비에서 구현하려면 촉매를 기재에 단단히 고정하는 것이 관건이었다"며 "실리카 결합재를 이용해 습한 배기가스에서도 성능이 유지되는 판형 촉매를 개발한 만큼 저온 배기가스가 발생하는 산업 현장에 적용할 수 있도록 후속 연구를 이어가겠다"고 말했다.


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