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연구실 소개
촉매공정 연구실은 LG화 학 기술연구원의 공정 기술센 타에 속해 있는 연구실로서 불균일 촉매(heterogeneous catalyst)의 연구 개발을 담 당하고 있다. 당 연구실은 1996년에 국내 최초로 아크릴산(acrylic acid) 촉매를 국산화하여 그 성 과를 대내외적으로 인정받은 바 있으며, 1999년에 는 국가지정연구실로 선정되어 납사의 접촉 분해 (catalytic pyrolysis of naphtha) 기술 개발을 중 점적으로 수행해 오고 있다. 또한 최근의 핫 이슈 로 주목받고 있는 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell)용 전극 촉매 개발, 다이옥신 분해 촉매 개발을 수행 중이다.
촉매공정 연구실은 현재 연구위원인 이원호 박 사와 촉매를 전공한 8명의 박사급 연구원 및 5명 의 석사급 연구원으로 구성되어 있으며, 연구 개 발 인력을 계속해서 보강해 나갈 예정이다. 당 연 구실은 2004년까지 촉매 상업화 실적을 3건 이상 보유하는 것을 목표로 하고 있는데, 구체적으로는 세계 최고 수준의 프로필렌 부분 산화 촉매 기술 확보 및 수출, 세계 최초로 납사 접촉 분해 기술의 상업화, 그리고 다이옥신 분해 촉매의 상업화이다.
당 연구실은 통상적으로 lab → pilot →상업화 로 이어지는 단계별 연구를 수행하면서 각 단계별 로 기술 및 경제성 평가를 실시하여 연구개발의 방향을 설정하고 있다. 아크릴산 촉매 개발의 경
우에는 lab 단계의 연구 개발부터 상업용 촉매의 양산에 이르기까지 모든 과정을 자체 기술로 해결 하여 촉매 생산 비용을 크게 줄이면서 이와 관련 된 많은 노하우와 기술을 축적하였다. 또한 당 연 구실은 자체적인 촉매 개발 및 생산에 있어서 기 술적인 한계에 부딪히거나 경제성이 미흡하다고 판단되는 경우에는 적극적인 아웃소싱을 통해서 이를 해결하고자 노력하고 있다.
한편, 촉매 공정 연구실은 연구 실적의 상업화 로 기업의 수익 증대에 기여하는 것은 물론이고 촉매 개발 전문가를 양성하는데도 주력하고 있다.
이를 위하여 소속 연구원의 촉매관련 학회 및 세 미나 참여를 권장하고, 국내외 학회 발표와 학술 지 논문 게재를 적극 장려함으로써 연구원들의 연 구 의욕을 고취시키고 있다.
주요 연구개발 과제
1. 납사의 접촉 분해 기술 개발
에틸렌, 프로필렌 등과 같은 올레핀 화합물은 석유화학의 중요한 기초 물질로서 주로 납사의 열 분해에 의해 생산된다. 현재의 납사 열분해 공정 (NCC, naphtha cracking center)은 꾸준한 발전 에도 불구하고 특성상 생산성 및 에너지 절감 측 면에서 한계에 이르렀다. 또한 NCC 공정은 석유 화학 산업 전체의 약 40%에 달하는 에너지를 소 비하며, 그에 따른 CO2의 과다배출로 심각한 환경 문제를 야기하고 있다. 따라서 기존의 열분해 공 정에 비하여 올레핀 수율을 높이면서 환경친화적
LG
(Catalytic pyrolysis of naphtha)
이 원 호
LG화학 기술원 공정기술센타, [email protected]
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이고 에너지 절감을 위한 신공정 개발이 절실히 요구되고 있다.
이에 따른 새로운 대안으로써 촉매를 이용한 납 사접촉분해(catalytic pyrolysis of naphtha)가 제 안되었다. 납사접촉분해는 ①생성물의 수율을 높 일 수 있으며, ②반응온도를 낮출 수 있고, ③운 전 비용절감, 그리고 ④납사분해공정에서의 COX
를 줄일 수 있다는 장점을 가지고 있다.
현재까지 촉매를 이용한 납사의 분해에 대한 연 구개발은 주요 선진 업체를 중심으로 진행되어 왔 으나, 주로 실험실이나 파일롯 규모에 머물러왔다.
한편, 일본에서는 1995년부터 국가적인 차원에서 제올라이트 촉매를 이용한 납사 분해 신기술 개발 을 진행 중인 것으로 알려져 있다.
본 연구실에서는 1999년부터 LG석유화학과의 긴밀한 협조 하에 납사 접촉분해에 대한 연구를 수행하고 있다. 본 연구실에서 수행하고 있는 납 사 접촉분해 연구의 목표는 LG 독자 촉매의 개발 로 현재의 열분해 기술보다 에틸렌 및 프로필렌의 수율을 높이고 반응온도도 최대한 감소시켜 기존 의 열분해 기술을 대체하는 경제성 있는 신기술을
확보하는 것이다. 이를 위해서 촉매합성 및 성능 실험과 공정변수의 영향, 촉매의 내구성 등을 실 험실 규모의 반응기에서 종합적으로 테스트하여 그 가능성을 입증하였다. 또한, 파일롯 규모의 납 사 분해로 [사진 1]를 건설/운전하여 상업화에 필 요한 운전 데이터를 확보하고 있다.
본 연구실은 납사 접촉 분해 기술에 대한 다수 의 특허를 국내외에 출원하였으며, Chemical Week지에 연구 결과가 소개되기도 하였다.
본 연구 개발에는 LG화학의 촉매공정 연구실 과 공정 개발팀, 석유화학 기술연구소가 참여하고 있다.
2. 아크릴산 촉매 개발
아크릴산은 고흡수성 수지 및 도료, 접착제, 광 택제, 전기절연재료, 피혁가공, 섬유가공, 종이류 가공 등에 광범위하게 사용되는 각종 아크릴레이 트의 기본 원료로서 중합 가공 기술의 발달과 함 께 그 수요가 계속 증가하고 있는 실정이다.
아크릴산은 아래와 같이 프로필렌의 1, 2단계 부분산화 반응에 의하여 제조된다.
1단계 부분산화 2단계 부분산화
프로필렌 → 아크롤레인 → 아크릴산
아크릴산 제조용 금속 산화물 촉매는 그동안 국 내 기술력 부족으로 전량 수입에 의존해 왔는데, 부분 산화 촉매의 경우 5가지 이상의 금속 산화물 이 첨가되어 그 제조 방법이 매우 어려운 것으로 알려져 있으며 미국, 일본, 독일의 몇몇 선진 기업 만이 생산 기술을 보유하고 있었다.
현재, LG화학에선 아크릴레이트 공장 내의 아 크릴산 생산공정에 필요한 2종류의 금속산화물 촉매를 자체기술로 개발/생산하여 일본으로부터 구입하는 촉매를 대체함으로써 비용 절감 및 생산 사진 1.
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성 향상을 이루고 있다. 현재, 상업화에 성공하여 LG가 보유한 3기의 아크릴산 제조 공장이 LG 촉 매로 가동 중이고, 당 연구실에서는 촉매 성능 향 상을 위한 반응, 소성, 압출 등 제조 공정 전반에 대한 연구 및 반응 메카니즘, 특성 분석 등 금속 산화물 촉매의 기초 연구를 활발히 진행하고 있다.
아크릴산 제조용 촉매의 개발은 대규모 화학공 정에 사용되는 불균일계 촉매를 국내에서 최초로 상업화하였다는 점에서 큰 의의가 있다. 특히, 국 내에서 유일하게 아크릴산을 생산하고 있는 LG 화학은 아크릴산 촉매 개발로 아크릴레이트 전 공 정의 독자 기술 확보는 물론 기술 수출도 가능할 것으로 기대하고 있다. 또한 꾸준한 촉매 개량 연 구를 통해 현재 사용중인 촉매보다 성능이 우수한 촉매를 확보함으로써 원가절감 및 독자 기술 확립 에 기여하고 있다.
본 연구실은 위와 같은 부분 산화 반응용 금속 산화물 촉매 제조 기술을 다양한 부분 산화 반응 에 확대 적용하고 신공정을 개발하여 국내 화학 산업 산업의 경쟁력을 높이는데 큰 역할을 담당하 고자 한다.
3. DMFC용 전극 촉매 개발
최근 들어 저온에서도 우수한 작동성능을 보이 는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC, polymer electrolyte membrane fuel cell)가 많은 관심을 끌고 있으며, 세계적으로 많은 연구기관에서 연구 를 수행하고 있다. 수소를 사용하는 고분자 전해 질형 연료전지는 우수한 출력을 보이는 반면에 단 점으로는 연료로서 고순도 수소를 사용하기 때문 에, 이의 제조와 공급을 어떻게 할 것인가가 문제 점으로 남아 있다. 촉매연구에서는 산소환원극 촉 매의 성능을 현재보다 향상시키는 것이 당면한 과 제이다.
이를 극복하기 위한 대안으로 메탄올을 직접 연
료극에 주입하는 DMFC(direct methanol fuel cell)가 제시되었다. 하지만 DMFC의 경우 수소를 연료로 사용하는 PEMFC에 비해 출력이 낮고, 전극촉매의 귀금속 사용량이 많은 단점을 가지고 있다. 따라서 전극촉매의 개발에 있어서는 연료전 지의 가격을 낮추기 위해 귀금속 사용량을 줄이면 서 고출력을 낼 수 있는 촉매의 개발이 관건이며, 일산화탄소에 의한 백금촉매의 피독에 대한 저항 성을 갖는 촉매의 개발 또한 중요한 요소이다. 이 와 같이 촉매연구에 있어서는 메탄올산화극 촉매 의 성능을 현재보다 향상시키는 것이 당면한 과제 이다.
본 연구팀에서는 상기의 단점들을 극복할 수 있 는 고분자 연료전지용 전극촉매의 개발을 목표로 연구하고 있으며, 연구의 주된 관심사는 고분산된 백금촉매의 제조, 우수한 활성과 일산화탄소에 대 한 저항성을 가지는 합금촉매의 개발, 전극촉매의 양산기술 등이다. 현재 백금 담지촉매의 경우에는 상업용 촉매보다 우수한 물성을 갖는 촉매의 제조 기술을 확보한 상태이며, 차년도에는 합금촉매의 제조기술을 확보할 예정이다.
전극촉매의 개발 이외에도 이를 이용한 MEA (membrane electrode assembly)의 제조 또한 연 료전지의 실용화에 있어서 중요한 요소이며, 전극 촉매 개발 또한 이를 염두에 두고 이루어져야 한다.
이를 위해 본 연구팀은 LG기술연구원 내의 MEA 개발연구팀과의 공동연구를 수행하고 있다.
연구실 전경.
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4. 다이옥신 분해 촉매 개발
다이옥신은 물리적, 화학적으로 안정하여 자연 적으로 잘 분해되지 않는 화학물질로서 피부계 질 환 및 기형아 출산을 유발하는 등, 인체에 유해한 독성물질로 알려져 있다. 근래에 들어 산업 폐기 물 및 도시 쓰레기 소각장에서 다이옥신이 생성된 다는 사실이 알려지면서 사회적으로도 큰 문제가 되고 있다.
이에 따라 소각 과정에서 생성된 다이옥신을 제 거하기 위한 여러 가지 기술 개발이 시도되고 있 다. 전기 집진기를 이용하는 방법은 오히려 다이 옥신이 이차적으로 생성된다는 보고가 있으며, 습 식 세정장치나 활성탄을 이용한 흡착제거는 이차 오염물질을 만드는 단점이 있다. 기타 2차 소각, 광분해, 플라즈마, 오존 분해, 초임계 유체 이용, 미생물을 이용한 방법들이 있으나 이들 방법은 처 리 비용 및 시간면에서 비효율적인 단점이있다.
이에 반해 불균일계 촉매를 이용하여 다이옥신을 이산화탄소와 물로 저온산화하는 방법은 앞서 언 급한 방법들의 단점이 없고 효율적으로 다이옥신 을 제거할 수 있는 방법이다.
본 연구팀은 다이옥신을 완전히 산화시킬 수 있 는 불균일계 촉매 연구개발을 다년간 수행하였는 데, 기존에 개발된 촉매보다 훨씬 적은 양의 귀금속 을 사용하여 경제성 문제를 해결하였다. 현재 실험 실 규모에서 다이옥신을 효과적으로 제거하는 촉매 선정을 완료하였으며, 상업 적용을 위하여 하니콤 형태로 촉매를 성형하여 성능을 검증하고 있다.
향후, 본 연구팀이 개발한 촉매를 실제 소각장 에 적용할 예정이며, 축적한 기술을 바탕으로 VOC나 NOx 제거용 촉매 개발로 확대 적용해 나 갈 계획이다.
주요 실험 장치 및 장비
촉매공정 연구실에서는 촉매제조 장치와 lab 규
모의 반응 장치 및 기본적인 촉매 특성 분석기기 를 보유하고 있으며, LG화학 기술연구원이 보유 하고 있는 고성능 분석 기기를 촉매 특성 분석 및 개발에 적극 활용하고 있다.
● 촉매 공정 연구실 주요 실험 장치 촉매 제조 반응기, 성형기, 건조/소성로 Mini-naphtha cracker 3기
아크릴산 촉매 성능 test 반응기 2기 연료전극 성능 test 장치 1기
(half-cell 및 potentiostat) BET/chemisorption 기기 TPD/R/O 기기
● 공동 분석 기기
XRD, SEM-EDS, TEM-EDS, ESCA TGA/DSC, ICP, FT-IR, NMR
주요 연구 실적
● 상업화 실적
1994년 제 1 아크릴산 공장 촉매 부분 교체 (1단계 촉매 0.5% , 2단계 촉매 5%) 1996년 제 2 아크릴산 공장 촉매 교체
(1단계 촉매 5%, 2단계 100%) 1999년 제 3 아크릴산 공장 촉매 교체
(2단계 촉매 100%)
2001년 제 1, 2, 3 아크릴산 공장 촉매 교체 (1단계 촉매 100%, 2단계 촉매 100%)
● 주요 특허 출원
강정화, 이원호, 길민호 외 : 국내출원 02-27023(2002)
정상문, 이원호, 채종현, 강전한, 박상구 : 국내출원 02-22326(2002)
이준원, 조규호 :국내출원 02-57018(2002)
