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미세먼지 원인물질 더 싸고 빠르게 없앤다-과기정통부, 미세먼지 원인물질과 사업장 처리비용을 줄이는 연구성과 공개

하이거 2021. 4. 15. 14:09

미세먼지 원인물질 더 싸고 빠르게 없앤다-과기정통부, 미세먼지 원인물질과 사업장 처리비용을 줄이는 연구성과 공개

작성일 2021-04-15 부서 기후환경대응팀 2021-04-15

 

 

 

미세먼지 원인물질, 더 싸고 빠르게 없앤다

 

- 과기정통부, 미세먼지 원인물질과 사업장 처리비용을 줄이는 연구성과 공개 -

- 가격, 효율, 환경 모두 잡은 1석3조 기술 … 상위1% 국제학술지 게재 -

 

 

□ 과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 ‘과기정통부’)는 미세먼지와 이를 유발하는 원인물질 배출을 줄이는 기술 연구 성과를 공개하며, 향후 사업장에서 저렴하고 신속하게 대기오염물질 배출을 줄일 수 있도록 관련기술의 상용화를 추진해가겠다고 밝혔다.

 

□ 과기정통부는 미세먼지 문제를 완화하기 위해 동북아 국제공동관측을 통한 고농도 초미세먼지 현상규명 사업*을 작년에 출범시킨 데 이어,

    * (사업명) 동북아-지역 연계 초미세먼지 대응 기술개발사업, [붙임1] 참조

 ㅇ 2차 미세먼지 생성과정을 규명하는 연구와 미세먼지 원인물질 배출저감 기술 개발까지 폭넓게 지원하고 있다.

 

□ 미세먼지는 발생과정에 따라 1차 발생과 2차 발생으로 나눌 수 있는데, 1차 미세먼지는 공장 굴뚝 등의 발생원에서 직접 고체 상태로 발생하며, 2차 미세먼지는 발생원에서 기체 상태로 나온 원인물질이 대기 중에서 화학반응을 일으켜서 생성된다.

 ㅇ 수도권 전체 초미세먼지(PM2.5) 중 약 70%는 2차 미세먼지이며, 사업장, 자동차 등에서 배출되는 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 암모니아(NH3) 등이 대표적인 미세먼지 원인물질이다.

□ 기존에는 질소산화물(NOx)을 분해하기 위해서 고온(350℃이상)에서 촉매를 자주 교체해야 하거나 환원제를 별도로 투입해야 한다는 번거로움이 있었으나, 최근 연구 성과들이 이를 해결할 수 있는 길을 열었다.

 

< 연구 1. 사업장 미세먼지 원인물질 저비용 분해기술 개발 >

 ㅇ 먼저, 기존보다 낮은 온도에서도 질소산화물(NOx)을 분해할 뿐 아니라 스스로 재생할 수 있는 촉매가 개발되어, 향후 미세먼지 원인물질 처리비용을 절감할 수 있다.

   - 이 촉매는 기존보다 낮은 온도(280℃이하)에서도 재생능력*을 잃지 않으므로, 탈거 및 재설치 시 고온처리를 생략할 수 있어서 촉매의 수명이 월등히 향상되고 촉매 교체 주기가 길어진다.

    * 기존 촉매는 350℃ 이상에서 피독물질(황산암모늄염) 분해가 가능했으나, 새로 개발된 촉매는 280℃ 이하에서도 피독물질을 분해하여 초기성능으로 재생 가능

   - 시멘트 공장, 소각로, LNG 발전소 등의 산업현장에서 질소산화물(NOx) 배출저감 비용을 획기적으로 줄일 수 있으므로, 향후 배연가스 청정화 설비에 대한 수요에 따라 활용이 확대될 것으로 기대된다.

 

< 연구 2. 내연기관차 미세먼지 원인물질 저공해 분해기술 개발 >

 ㅇ 한편, 환원제 역할을 하는 요소수 없이 질소산화물(NOx)을 분해하는 촉매도 새로 개발되어, 향후 자동차 배기가스저감 장치에 활용할 수 있을 것으로 주목받고 있다.

   - 이 촉매는 요소수 없이도 낮은 온도(180℃이하)에서 질소산화물(NOx)을 잘 분해하므로, 향후 내연기관차에 요소수 주입이 필요 없게 될 것으로 기대된다.

   - 또한 질소산화물(NOx) 분해 시 대부분 인체에 무해한 질소(N2)로 전환되므로, 암모니아(2차 미세먼지)나 N2O(온실가스)가 배출되지 않는 저공해 미세먼지저감 기술로 주목받고 있다.

< 산화촉매 고기능화 원천기술 원리>

 

 

 ㅇ 위 연구 성과들은 환경 분야 상위 1% 국제학술지인 어플라이드 카탈리시스 B(Applied Catalysis B: Environmental, IF16.6)에 최근 나란히 게재되었다.

 

□ 과기정통부 김봉수 기초원천연구정책관은 “이번 연구 성과 덕분에 산업현장에서 발생하는 미세먼지 원인물질을 더 쉽게 처리할 수 있게 됐다”라고 하면서,

 ㅇ “앞으로도 사업장에서 저렴하고 신속하게 대기오염물질 배출을 줄일 수 있도록 원천기술 상용화를 추진해가겠다.”라고 밝혔다.

 

 

붙임 1. 동북아-지역연계 초미세먼지 대응기술개발사업 개요

     2. 사업장 미세먼지 원인물질 저비용 분해기술 개발

     3. 내연기관차 미세먼지 원인물질 저공해 분해기술 개발

 

붙임1

 

 동북아-지역연계 초미세먼지 대응기술개발사업 개요

 

□ 개요

 ㅇ (목적) 동북아 지역의 초미세먼지 생성과정ㆍ특성 규명, 미세먼지 예보 정확도 향상, 지역별 미세먼지 정책 수립 지원

 ㅇ (기간 / 규모) ’20.10월~’25.3월/총 458억원(’21년 75억원)

 

□ 사업 세부내용

 

사업 목적 달성을 위해 ①현상규명, ②중기예보, ③중장기 전망, ④맞춤형 관리 등 4대 부문별 연구개발 추진

 

 ① (현상규명) 동북아 국제공동측정*, 국내 권역별 측정, 스모그챔버 실험 등을 통해 미세먼지 2차 생성과정 및 물리·화학적 특성 규명

   * 한(이화여대), 중(베이징대), 일(가나자와대), 몽골(국립몽골대)

 ② (중기예보) 미세먼지 예보 정확도 향상을 위해 대기질 모델링 시스템* 및 미세먼지 입체 관측 통합 플랫폼** 고도화

   * 모델링 시스템 구성 요소인 초기ㆍ경계장, 기상장, 배출장 시스템 개선

  ** 기존 지상ㆍ항공ㆍ원격 측정 자료를 활용한 공백 지역 추정 농도 정확도 개선, 천리안2B호 데이터 추가 등

 ③ (중장기 전망) 동북아 국가별 정책*, 경제 전망 등을 고려하여 중장기 미세먼지 예상 배출량 산출 및 국가별 미세먼지 최적 저감 방법(시나리오) 개발

   * 대기관리, 에너지, 기후변화대응 정책 등

 ④ (맞춤형 관리) 지역별 고해상도 배출량 분석을 통한 미세먼지 최적 저감 방법(시나리오) 개발, 지역 맞춤형* 미세먼지 저감 기술 실증

   * (예시) 남부권 : 석유화학공정 중 질소산화물(NOx) 제거 비용 감소 기술(저온 탈질 촉매 기술)

 

붙임2

 

 사업장 미세먼지 원인물질 저비용 분해기술 개발

 

<문의 : 한국과학기술연구원 권동욱 박사, 하헌필 박사>

 

연구명

탈질촉매 저온재생 원천기술 개발

논문명

A dual catalytic strategy by the nature of the functionalization effect as well as active species on vanadium-based catalyst for enhanced low temperature SCR

저널명 

Applied Catalysis B: Environmental, Volume 289, 15 July 2021, 120032

저  자

Dong Wook Kwon, Dong Ho Kim, Seokhyun Lee, Jongsik Kim, Heon Phil Ha

 

 

□ 연구배경

 

 ○ 질소산화물을 포함하고 있는 배연가스의 온도는 다변화되고 저온에서 질소산화물을 처리해야 하는 시설들이 증가추세에 있어 저온 탈질촉매기술의 개발요구가 커지고 있지만 기존 촉매는 저온처리 효율 대비 내구성이 부족하여 실용화에 걸림돌이 되어왔다.

 ○ 이는 배연가스에 포함된 황 성분 때문인데, 약 290도 이하의 온도에서는 황 성분이 환원제로 사용되는 암모니아와 반응하여 황산암모늄염을 형성시켜서 촉매상의 활성물질 작용을 무력화(피독) 시키기 때문이다.

 ○ 또한 저온의 배연가스의 경우, 촉매가 피독되지 않는 온도까지 승온시켜 탈질촉매에 공급하는데 이때 막대한 운전비용이 발생할 뿐만 아니라, 재가열로 질소산화물을 추가적으로 발생시키는 단점이 있다. 

 

□ 연구내용

 

 ○ 본 연구에서는 황화처리를 통한 촉매 표면개질에 성공하여 저온에서 질소산화물 전환효율을 극대화하였으며, 저온영역에서 피독물질을 촉매상에서 원천적으로 분해시켜 저온재생 능력을 부여하였다. 

 ○ 이중촉매 특성을 갖는 탈질촉매는 황 성분 존재 시에도 안정적으로 질소산화물을 제거할 수 있는 원천기술이다. 

 

 ○ 촉매 표면개질 및 메커니즘 연구를 통하여 개발된 촉매는 활성점에서 질소산화물을 전환시키는 기능과 피독물질을 분해하는 기능을 함께 갖추어 월등히 향상된 저온 내피독특성을 가능하게 하였다. 

 ○ 기존 촉매의 경우 350℃ 이상에서 피독물질 분해가 가능하지만, 개발된 신 촉매는 280℃ 이하에서도 피독물질이 분해되어 초기성능으로의 회복이 가능하여 탁월한 내구수명을 나타낸다.

 

□ 개발된 촉매의 작동원리

 

 ○ 질소산화물을 물 및 질소로 효율적으로 전환할 뿐 아니라, 촉매 내구성을 떨어뜨리는 피독물질까지도 동시에 분해시키는 이중 특성을 갖춘 신개념 촉매 소재로써 탈질반응에서 황 성분 존재 시에도 안정적으로 질소산화물을 제거할 수 있다.

 

 

 

 

저온재생 탈질촉매의 이중 촉매반응 특성

저온재생 탈질촉매의 향상된 내황피독 특성

 

 

□ 기대효과 및 향후계획

 

 ○ 저온 탈질성능 향상 및 재생기능을 확인하였고 재생가능 온도를 보다 낮추기 위해 (<260℃) 촉매표면 설계 다변화를 시도할 예정이다.

 ○ 제조방법 간소화 및 기존 촉매 대비 유사 또는 낮은 제조단가로부터 대량생산(사업화)을 위한 저비용 생산이 가능하다.

 ○ 개발된 저온구동 탈질촉매는 기술 확장성이 크기 때문에 저온 탈질기술이 필요한 시멘트 공장, 소각로, LNG 발전소 및 화학공정 탈질반응에 최적의 특성을 보유하였으며, 환경촉매 핵심소재 국산화를 통한 수입대체/경제효과 창출이 가능하다.

 ○ 개발된 촉매는 기존 촉매 대비 탈거 및 재설치에 따른 비용 절감 효과와 전체적인 촉매 교체 주기/수명이 월등히 향상될 것으로 기대한다.

 

붙임3

 

 내연기관차 미세먼지 원인물질 저공해 분해기술 개발

 

<문의 : 한국화학연구원 허일정 박사, 유영우 박사>

 

연구명

탈질기능 부여를 위한 촉매 고기능화 원천기술 개발

논문명

Unraveling the origin of extraordinary lean NOx reduction by CO over Ir-Ru bimetallic catalyst at low temperature

저널명 

Applied Catalysis B: Environmental Volume 280, January 2021, 119374

저  자

Young-Woo You, Young Jin Kim, Jin Hee Lee, Malik Waqar Arshad, Seok Ki Kim, Soo Min Kim, Hyunjoo Lee, Levi T. Thompson, Iljeong Heo

 

 

□ 연구배경

 

 ○ 연료 효율을 높여주는 린번 엔진에서 NOx를 제거하기 위해 요소수 (urea)를 사용하는 urea-SCR (selective catalytic reduction, 선택적 촉매환원법)이라는 가장 신뢰할 수 있는 방법이 있지만, 높은 비용, 복잡한 시스템, 그리고 주기적인 urea 리필 등 단점을 지닌다.

 

 ○ 이러한 urea-SCR의 단점으로 인해 많은 연구자들은 urea와 같은 외부 환원제 공급 없이 자체 환원제를 사용하는 LNT (lean NOx trap), HC-SCR, H2-SCR을 사용한 탈질(deNOx)기술 등을 연구하고 있지만, 각각 복잡한 엔진 콘트롤, 낮은 deNOx 성능, 낮은 N2 선택성과 작동온도 영역이 좁다라는 문제점이 있다.

 

 ○ CO는 배기가스 중 가장 풍부한 환원제이지만, 현재까지 산소가 과잉인 배기가스 환경에서 NOx를 환원시킬 수 있는 타당한 촉매가 개발되지 않고 있다. 일부 촉매에서 CO-deNOx 특징이 나타나기는 하지만, 성능 자체가 매우 낮고 작동온도 영역 역시 좁다는 문제가 있어 CO-deNOx를 구현하기 위한 혁신적인 촉매 개발이 필요하다.

 

□ 연구내용

 

 ○ 본 연구에서는 CO-deNOx의 저온성능 (<200 ℃)을 극대화하기 위한 촉매를 개발하기 위하여, 촉매 활성점 특성 분석, 전산모사 설계 및 성능 분석등의 연구를 수행하였다. 결과로, Ir-Ru bimetallic 촉매를 사용하여 저온 deNOx 매우 높은 성능을 확보하였다 (175 ℃ 기준 90 % NOx 전환율). 

 

 ○ 촉매 메커니즘 연구를 통하여 CO-deNOx 성능은 NO dissociative model을 따르며, 우수한 NO 해리 및 원활한 표면산소 제거 성능으로 인해 bimetal 촉매의 탈질 성능이 향상됨을 증명하였다.

 

□ 개발된 촉매의 작동원리

 

 ○ 개발된 촉매는 Ir과 Ru의 dual function 촉매 기능을 유발하여, Ir 및 Ru 단독으로 존재할 경우 야기되는 CO-NOx 전환 속도 감소와 산소 피독을 방지하여 NOx의 전환성능을 높인다. 

 

 

 

 

CO-deNOx에 대한 Ir-Ru 촉매의 synergism 메커니즘

CO-deNOx에 대한 Ir-Ru 촉매의 NOx전환율

 

 

□ 기대효과 및 향후계획

 

 ○ 저온 CO-deNOx 성능을 확인하였고 작동온도 영역을 고온 (>300 ℃)까지 확장하기 위해 흡장제인 여러 지연성분이 첨가된 촉매와 다양한 지지체에 Ir-Ru bimetal을 적용할 예정이다.

 

 ○ 또한 개발된 CO-deNOx 용 촉매를 urea-SCR 대체 또는 병합기술로 활용하여 외부 환원제 도입이 없거나 환원제 사용량을 줄일 수 있는 새로운 탈질 기술로의 가능성을 살펴볼 계획이다.

 

 ○ 마지막으로 실 배출원 적용을 위하여 다양한 배출 환경별 적용 방안을 마련하고자 하며, 이를 통해 실현장 보급을 추진하여 국내 대기환경 개선에 일조하고자 한다.