미세 먼지의 원인으로 꼽히는 환경 오염 물질인 질소 산화물을 효과적으로 제거할 수 있는 원천 기술이 서울대 공대 화학생물공학부 김도희 교수팀에 의해 개발됐다.

김도희 교수 연구팀은 포항산업과학연구원(RIST) 미세먼지연구센터와 산학 공동 연구를 통해 저온에서도 질소 산화물을 안정적으로 제거할 수 있는 바나듐 기반 촉매시스템을 개발했다. 송인학 박사, 이황호 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 2월 10일 자로 온라인 게재됐다(논문명: Simple physical mixing of zeolite prevents sulfur deactivation of vanadia catalysts for NOx removal).

발전소, 소각로, 제철소 등 연소시설에서 발생하는 고온 속 질소(N2)와 산소(O2)는 서로 반응해 질소 산화물(NO, NO2)을 생성한다. 질소 산화물은 광화학 스모그와 산성비, 미세 먼지의 원인이 되는 대표적인 환경 오염 물질로, 인체에 유입될 경우 피부 조직과 호흡기를 자극해 치명적인 질환을 일으키는 것으로 알려져 한국을 포함한 전 세계 많은 국가에서 그 배출량을 규제하고 있다. 특히 최근에는 대기 중 질소 산화물이 미세 먼지 생성의 주원인으로 보고되면서 질소 산화물 배출 규제는 점점 강화되는 추세이다.

▲ (a) 저온(220℃) 탈질 반응에서 기존 촉매와 개발 촉매의 황 피독 경향 비교, (b) 개발된 저온 촉매가 작동하는 원리를 요약한 그림

현재 산업계 연소시설에서는 암모니아(NH3)를 이용한 선택적 촉매 환원 기술(SCR; Selective Catalytic Reduction)을 이용해 배출되는 질소 산화물을 제거하고 있다. 해당 시스템은 암모니아를 환원제로 사용한 촉매를 통해 질소 산화물을 인체에 무해한 질소로 전환시키는 기술이다. 티타늄 산화물(TiO2)에 소량의 바나듐 산화물(V2O5)을 담지한 형태의 금속 산화물 촉매가 가장 많이 사용된다. 바나듐 촉매는 구리(Cu), 망간(Mn) 등을 포함한 다른 촉매들과는 달리 300~400℃의 온도 영역에서 연소 배기가스에 포함된 이산화황(SO2)에 의한 성능 저하 없이 질소 산화물을 안정적으로 제거할 수 있어 널리 사용되고 있다.

최근 전 산업계에서 에너지 절약에 대한 요구가 커짐에 따라 300~400℃의 높은 온도 영역뿐 아니라 250℃ 미만의 낮은 온도에서도 운용할 수 있는 SCR 촉매의 필요성이 제기되고 있다.

하지만 250℃ 미만의 낮은 온도에서는 가스에 포함된 이산화황(SO2)이 점성이 높은 중황산암모늄(Ammonium bisulfate, ABS) 형태로 전환돼 촉매 표면에 침적됨으로써 활성점을 막아 촉매의 질소 산화물 저감 능력이 점차 저하되는 새로운 문제가 발생한다. 따라서 바나듐 촉매를 이용한 SCR 기술을 낮은 온도 조건에서도 성공적으로 활용하기 위해서는 중황산암모늄에 의해 촉매 활성이 감소하는 문제를 반드시 해결해야 했다.

연구팀은 흡착제나 촉매로 쓰이며 다공성 물질인 제올라이트를 기존 바나듐 촉매와 물리적으로 혼합할 경우, 촉매와 인접한 제올라이트가 촉매 표면에 침적되는 중황산암모늄을 선택적으로 흡수해 촉매 활성 저하를 억제할 수 있음을 처음으로 발견했다.

이러한 관찰을 바탕으로 220℃의 낮은 온도에서 바나듐 촉매에 침적되는 중황산암모늄을 곧바로 혼합한 제올라이트에 흡수 시켜 바나듐 촉매의 활성점을 보호하는 새로운 물리 혼합 촉매를 제안했고, 그 결과 우수한 안정성을 가지는 촉매 시스템을 개발하는 데 성공했다.

또한 연구팀은 포항공과대학교 화학공학과 한정우 교수와의 공동 연구를 통해 제올라이트의 특별한 구조가 반응 조건에서 중황산암모늄 분자를 안정화시키는 효과를 가져온다는 것을 이론적으로 규명했다.

해당 원천 기술은 촉매 제조 방법이 무척 간단하면서 뛰어난 성능 향상을 보인다는 점에서 기존의 다른 기술에 비해 빠른 상용화가 가능했다. 실제로 개발된 신규 촉매는 파일럿 플랜트에서 대규모 검증 작업을 마쳤으며, 현재 포스코 광양제철소에서 상용화돼 성공적으로 운용되고 있다.

김도희 교수는 “제올라이트 촉매를 물리적으로 혼합해 제조하는 간단하고 저렴한 방법으로 황에 의한 바나듐 촉매의 성능 저하 문제를 해결했다”며 “신규 촉매의 우수성을 이론과 실험으로 규명한 연구 결과도 중요하지만, 대학에서 개발한 촉매를 산업계에 기술 이전해 상용화한 사례는 매우 의미 있는 산학 협력 결과”라고 말했다.

이번 연구는 POSCO와 과학기술정보통신부의 선도연구센터사업(고려대학교 초저에너지자동차 초저배출사업단)의 지원으로 수행됐다.