지금까지 주로 화석연료를 기반으로 구축된 화학산업은 대부분 촉매 공정에 의존하여 우리생활과 관련된 소재를 공 급하고 있다. 정유, 석유화학, 정밀화학 등 대표적 화학산업 은 우수한 새로운 촉매의 개발을 통해 공정 개선 과 효율성 제고를 꾀하고 있다. 이와 더불어 환경 오염 및 저감을 위한 노력도 병행되어야 하는데 이는 환경문제가 인류생활환경의 문제일 뿐만 아 니라 새로운 무역질서인 WTO의 뉴라운드 체제 가 가동되면서 국제 경쟁력의 중요한 관심사가 되 었기 때문이다.
환경촉매반응은 여러 가지로 정의될 수 있겠으 나 좁은 의미로는 배출된 오염물의 사후처리를 위 해 촉매를 사용하는 모든 화학공정을 총칭하는 것 으로 쉽게 이해할 수 있으며, 넓은 의미로는 오염 의 사후처리뿐만 아니라 사전 예방을 위한, 즉 오 염이 적은 대체 제품을 생산하거나, 폐기물의 최 소화, 오염물질이 발생하지 않는 새로운 반응공정 을 위해 촉매를 사용하는 경우도 포함하는 것으로 이해할 수 있다. 전자가 사후처리기술(end-of- pipe technology)이라면 후자는 청정기술(clean technology) 또는 그린화학(green chemistry)과 관련이 있어 환경촉매는 화학공학의 새로운 패러 다임으로 이해될 수 있다.
환경촉매연구실은 지난 24년간 환경, 에너지 및 공정개발에 관련된 촉매연구를 수행해왔으며 최
근의 주요 연구분야는 다음과 같다.
미세구조 환경소재의 합성 및 응용 ㆍ제올라이트 및 분자체 합성 및 응용 ㆍ다공성고분자수지 입자의 합성 및 응용 ㆍ나노입자 제조 및 응용
VOC 제거를 위한 환경촉매설계
ㆍVOC 및 Dioxin류 산화분해공정 및 촉매개발 ㆍ유기물의 촉매습식산화
ㆍ유기물의 광분해
ㆍCFC 대체물질 합성공정 및 촉매 개발
청정에너지 및 지구온난화기체를 위한 환경촉 매공정 개발
ㆍ수첨탈황공정(hydrodesulfurization: HDS) ㆍ수소처리공정(hydrotreating: HDN, HDM, HDO,
HDA, HDW)
ㆍCO2의 촉매고정화(메탄올 및 탄화수소 등 청정 연료 합성)
정밀화학 및 중합반응 촉매개발 ㆍ촉매설계 및 반응공정 해석
ㆍ유기금속중합촉매(Ziegler-Natta 촉매, Metal- locene 촉매, NiPd계 촉매)
ㆍ부분산화반응을위한전이금속착체촉매의응용
현재 광화학 스모그의 원인이며 인체에 해로운 446…NICE, 제20권 제4호, 2002
N·R·L·소·개
( )
임 선 기
한국과학기술원 생명화학공학과, [email protected]
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 20, No. 4, 2002…447
N·R·L·소·개
VOC의 규제가 강화되고 있는 추세에서 다양한 VOC 종류와 배출원에 효과적으로 대처하기 위한 환경촉매 설계기술개발에 관한 연구를 1999년부 터 국가지정연구실 사업으로 수행하고 있다. 휘발 성유기물(volatile organic compound, VOC)이란 대기 중에서 태양광선에 의해 질소산화물과 반응 하여 결과적으로 지표면 오존농도를 증가시키는 모든 유기화합물들을 가리킨다. VOC는 오존을 축적시켜 도심스모그의 원인이 될 뿐만 아니라 대 부분이 발암성 물질이며, 악취를 일으키는 등 인 체의 건강에도 악영향을 초래하므로 VOC의 감축 을 대기질 관리의 주요정책수단으로 이용하는 국 가가 증가하는 추세이며, 국내에서도 1996년까지 는 휘발성유기물질에 대한 규제가 본격적으로 이 루어지지 않고 개념정립에 머물러 있었으나 1999 년부터는 대기환경규제지역에서 VOC의 규제가 시작되었다.
휘발성유기물의 제거를 위해 사용되고 있는 기 술들로는 흡착, 응축, 흡수, 소각 등을 들 수 있다.
이 중 흡착, 응축, 흡수 등은 거시적으로 오염물질 의 농축에 불과하기 때문에 생성물의 회수가 경제 적으로 유리할 경우 외에는 궁극적인 해결책이 되 지 못하여 소각공정이 많이 사용되고 있다. 특히 촉매산화방식은 400℃ 이하의 낮은 온도에서 운 용되므로 경제적인 이점이 있으며, NOx나 CO와 같은 2차 오염물질의 배출이 거의 없다는 장점이 있어서 그 비중이 계속 늘어날 전망이다.
촉매산화공정의 여러 장점에도 불구하고 염화 유기물에 대한 저항성 취약 등의 문제점 때문에 열분해에 의한 소각공정을 완전히 대체하지는 못 하고 있다. 일반적으로 사용되는 촉매는 알루미나 에 담지된 귀금속 촉매가 주종을 이루고 있는데, 지방족이나 방향족, 산소함유계 VOC의 경우에는 상업화된 공정에 의해서 합리적인 선택임이 검증 된바 있으나 활성과 선택도가 더 향상된 촉매가
필요하다. 한편, 반응물 중에 염화유기물이 포함되 어 있을 경우 촉매활성이 급격히 감소하는데 이는 염화유기물들을 산화시키면 염소나 염화수소가 발생하며 현재까지 알려진 대부분의 촉매들은 이 들에 의해 쉽게 피독되어 성능저하를 나타내기 때 문이다. 따라서 다양한 VOC를 제거하는 핵심적 인 환경촉매설계기술의 개발이 요구된다.
연구의 최종목표는 대표적 휘발성유기물의 제 거를 위한 촉매설계기술의 기본자료 축적과 휘발 성 유기물과 환경촉매관련 데이터베이스 및 전문 가집단을 구축하는 것이다. 이를 위하여 1단계 2 년 동안 대표적 휘발성유기물에 대한 촉매반응장 치의 준비 및 촉매제조기술의 확립을 통하여 반응 물에 따른 촉매성능기초자료를 축적하였다. 2단계 3년 동안은 촉매성형기술, 촉매특성 및 반응경로 해석, 반응기설계 기술의 확보를 통하여 VOC 제 거용 환경촉매 설계를 위한 기본자료를 마련하고 휘발성유기물 관련 환경촉매분야 전문가 집단을 구축하고자 한다.
주요 연구결과로는 난분해성 할로겐화탄화수소 인 삼염화에텐(TCE)의 산화촉매로서 기존의 알 루미나담지 크롬산화물 촉매보다 활성과 선택성 이 높을 뿐만 아니라 실제공정과 같이 수분이 존 재할 때에도 오히려 활성이 향상되는 스피넬산화 물인 코발트크로마이트를 개발하여 현재 실용화 대비 연구를 수행중이며, 또한 다이옥신 제거를 위하여 국내기업과 공동으로 새로운 하니콤형 타 이타니아 담지 바나디아 촉매(VOx-Mo/TiO2)를 개발하여 소각로에서 배출되는 다이옥신을 효율 적으로 분해하는 공정을 시험적으로 완료하여 국 제특허를 출원하였으며 국내 엔지니어링사의 라 이센스로의 입지확보와 기술수출경쟁력을 확립하 였다.
휘발성 유기물과 환경촉매관련 데이터베이스 및 전문가집단 구축을 위해서는 VOC 데이터베이
448…NICE, 제20권 제4호, 2002
N·R·L·소·개
스(VOC 관련 기반정보, 기술정보, 관련 국내외 업체 및 연구인력, 환경촉매, 촉매설계 등)를 구축 하여 홈페이지에 등재하였으며, 2단계 3년간의 연 구기간동안 DB구축 툴을 이용하여 인터넷상의 수많은 관련정보를 쉽고 편리하게 수집, 정리될 수 있도록 하고자 하며, 향후 본 시스템을 이용하 여 전문가 커뮤니티 그룹을 구축하고 VOC 관련 전문가와 사용자간의 컨설팅 및 각 사용자간의 커 뮤니케이션을 강화하여 산업의 발전 및 기술개발 에 기여하고자 한다.
환경촉매설계기술은 최적촉매의 선정, 촉매입자 제조 및 성형기술, 반응전후의 촉매특성분석기술, 그리고 반응속도 해석, 반응기설계 등 공정개발에 관한 반응공학 기술등을 망라한다. 이는 다음 [그 림 1]과 같이 나타낼 수 있다. 이러한 환경촉매설 계기술을 통해 수요자가 제시하는 임의의 발생원 에 대해 적절한 촉매를 설계하고 이를 이용하여 발생원에 적절한 공정을 제시해 줄 수 있다. 이는 본 환경촉매연구실의 20여 년에 걸쳐 축적된 연구 실적과 경험을 바탕으로 효율적으로 활용될 수 있 는 강점기술이다.
환경촉매연구실의 연구결과들은 우리나라 환경 산업을 위한 핵심기술로서 중요한 의미를 갖는 것
뿐만 아니라 그 기술의 학문적 우수성을 국제 학 술계에 알림으로써 청정기술 등 환경촉매의 여러 분야에 대한 연구 수준을 향상시키는데 선도적 역 할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
홈페이지 : http://envicat.kaist.ac.kr 그림 1. VOC 제거를 위한 환경촉매설계 연구개발 방법.
