유니스트, 울산 대기오염 원인 질소산화물 제거 방법 찾았다

유니스트(UNIST) 신소재공학과 조승호 교수팀
질소산화물(NOx) 제거할 수 있는 탈질 촉매 개발
덩어리 형태로 만들어 상용화를 위한 성능도 검증
울산처럼 석유화학산업 발달한 지역 대기 개선에 도움 기대

울산석유화학단지

【파이낸셜뉴스 울산=최수상 기자】 석유화학산업이 발달한 울산처럼 질소산화물과 같은 대기오염물질이 많은 지역의 공기질 개선에 획기적인 방법이 울산과학기술원(UNIST) 연구진에 의해 개발됐다.

질소산화물은 공장 굴뚝, 자동차, 선박 등 연료를 태우는 곳이면 어디서든 나오는 대기오염물질이다. 태우는 연료 종류, 장비 운전 조건에 따라 배출되는 질소산화물의 온도가 제각각인데, 이러한 변화에도 꾸준히 질소산화물을 제거할 수 있는 새 촉매가 나왔다.

유니스트(UNIST) 신소재공학과 조승호 교수팀은 한국생산기술연구원 울산기술실용화본부 김홍대 박사팀과 함께 240~400 ℃의 넓은 온도 범위에서 질소산화물(NOx)을 제거할 수 있는 탈질 촉매를 개발했다고 17일 밝혔다.

[연구그림] 유니스트 UNIST 조승호 교수팀이 개발한 질소산화물 제거 촉매. 실제 산업 현장에서 쓸 수 있는 덩어리 형태로 만들어진 촉매와 그 단면 구조.

대기 중에 배출된 질소산화물은 미세먼지, 오존 오염, 산성비의 원인이 된다.

선택적 촉매 환원(SCR) 방식을 통해 질소산화물을 무해한 질소로 바꾸고 있지만, 상용 바나듐-텅스텐 촉매가 주로 350 ℃에서만 고효율을 내는 탓에 온도 변화가 심한 실제 현장에서는 성능이 급격히 떨어진다는 한계가 있었다.

반면 연구팀이 개발한 촉매는 240 ℃에서 질소산화물 제거 효율이 93.6%에 달하고, 고온 영역에서도 97% 이상의 전환 효율을 안정적으로 유지한다. 상용 SCR 촉매는 240 ℃에서 효율이 62.4% 수준에 그친다. 또 질소산화물의 97% 이상이 질소(N₂)로 전환됐으며, 온실가스인 아산화질소(N₂O) 등 부반응 부산물 생성도 거의 없었다. 촉매 수명도 개선됐다.

연구팀은 가루 촉매를 실제 산업 현장에서 쓰는 덩어리 형태로 뭉쳐 상용화를 위한 성능도 검증했다. 촉매는 가루 상태일 때 반응성이 가장 뛰어났다. 하지만 실제 공장 등에서는 분진과 압력 손실 등의 문제로 가루형 촉매를 사용할 수 없다. 벌집 구조(monolith)로 뭉쳐진 이 촉매는 빠르게 가스가 흐르는 20 L/min 조건에서 초당 수십 마이크로그램의 NO를 안정적으로 처리하는 성능을 보였다.

유니스트 UNIST 조승호 교수(왼쪽)와 이명진 박사

조승호 교수는 “이 촉매는 작동 온도 범위가 넓어, 공장·자동차·선박 등 다양한 배출원에서 나오는 대기오염물질인 질소산화물을 안정적으로 제거할 수 있다”라며, “촉매의 독성을 유발하고 값이 비싼 바나듐 함량도 줄여 산업 환경의 안전성과 경제성을 동시에 높일 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다.

환경부에 따르면 굴뚝 원격감시체계(TMS)로 실시간 관리되는 울산지역 대형사업장 96곳의 올해 대기오염물질 배출량은 전년보다 6.8% 증가한 것으로 나타났다.

대기환경 관리대상물질은 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 휘발성유기화합물(VOCs), 먼지, 미세먼지(PM-10), 초미세먼지(PM-2.5), 오존(O₃) 등이다.

이 가운데 울산지역 발생 질소산화물은 오는 2029년에 부산, 대구 등 동남권 대도시 중 가장 많은 6만 7000t에 이를 것으로 예상되고 있다.

한편 이번 연구는 환경공학 분야에서 가장 영향력 지수가 높은 국제 학술지인 ‘응용 촉매 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environmental and Energy)’에 6월 12일 온라인 공개됐다.

이명진 졸업생이 제1 저자로 참여하였다.

[e-mail] 최수상 기자