김홍대 한국생산기술연구원 수석연구원은 대기 오염을 발생시키는 여러 오염물질 중 질소산화물(NOx)을 선택적으로 제거하는 기술을 개발 중이다.
질소산화물은 높은 온도에서 연료가 연소할 때 질소와 산소가 반응해 만들어지는 물질이다. 연료를 태울 때 자연스럽게 고온 환경이 만들어지는 만큼 질소산화물 발생은 필연적일 수밖에 없다. 그러나 대기환경오염 주요 원인으로 산성비 원인이 될뿐 아니라 인간 호흡기를 자극하고 건강에 극심한 폐해를 일으키는 물질로 알려졌다.
질소산화물을 줄이려는 다양한 연구 속에 많은 기업이 주목하는 분야는 `SCR(Selective Catalyst Reduction) 탈질촉매` 분야다. SCR은 환원제를 질소산화물과 혼합함으로써 질소산화물을 인체에 무해한 질소와 수증기로 환원시키는 기술이다. SCR이 활용되는 분야는 다양하다. 각종 발전소뿐 아니라 석유와 화학플랜트, 조선과 자동차 등 쓰임새가 넓다.
김 연구원은 생기원 울산지역본부 친환경3R그룹에서 이전에 없던 기술력과 아이디어로 효율 높은 SCR 탈질촉매를 개발하고 있다.
김 연구원은 “바나듐과 텅스텐을 소재로 한 그래핀 복합체를 합성해 친환경 SCR 촉매를 제조, 비표면적을 높이고 강도를 단단하게 하며 원가를 줄여 경제적이면서도 효율 높은 SCR 탈질촉매를 개발했다”고 말했다.
SCR은 배기가스에서 나오는 질소산화물이 250~400℃의 촉매 표면에서 암모니아를 만나면 질소와 물로 환원되는 원리다. 최근 SCR기술 수요가 많아지면서 이를 개발하려는 각 기업 움직임이 매우 치열한 상황이다.
그러나 SCR은 제조원가가 비싸다. 바나듐과 텅스텐 등 고가 희소금속을 촉매로 사용가기 때문이다. 두 물질이 SCR에서 차지하는 비중은 크지 않지만 가격은 40% 이상을 차지한다.
연구팀은 가격은 낮추되 강도는 더 높이는 데 집중, 촉매 사용량을 기존 절반 이하 수준으로 줄이는 방법을 고안했다. 핵심은 물질의 크기를 작게 나누는 것, 그리고 작게 쪼갠 물질을 골고루 분산시키는 것이었다.
김 연구원은 “기존 마이크로 사이즈였던 물질을 나노 사이즈로 줄이고, 분산도 역시 이전보다 높임으로써 표면적을 높이고자 했다”며 “기존보다 적은 양의 물질로도 활성도를 높일 수 있기 때문”이라고 말했다.
연구팀은 기존 흑연에 폭발법으로 `저품위 대량합성 산화 그래핀`을 만들고 촉매를 나노 사이즈로 고루 분산시켰다. 그래핀을 사용한 이유는 물질 강도를 높이고 나노사이즈 분산도를 높이기 위해서다.
연구팀은 기술 개발부터 이를 평가할 수 있는 전주기 순환기술 시스템을 갖췄다. SCR 성형부터 평가, 사용한 촉매를 폐기할 것인지 계속 사용할 것인지 여부와 물질 추출 혹은 재생하는 기술까지 원스톱 시스템을 만들었다. 연구팀은 국내 특허 3건과 국외 특허 1건 등록을 마친 상태다. 학계와 업계에서 모두 인정받는 기술인만큼 2018년 상용화를 목표로 하고 있다.
김 연구원은 이 연구를 바탕삼아 앞으로 고온과 저온에서 반응이 가능한 촉매를 개발할 계획이다.
그는 “촉매효율은 300~350℃에서만 극대화 되는데 그러다보니 기존에는 촉매활성을 위해 온도를 높여야 했고 결국 온도를 높여줄 장치가 추가로 필요하다”며 “방대한 온도 범위에서도 촉매 효율을 일정하게 유지할 수 있는 기술을 개발할 계획”이라고 밝혔다.
권상희기자 shkwon@etnews.com
