[연구실 소개] 서울시립대학교 대기촉매 및 청정에너지 연구실

서울시립대학교 대기 촉매 및 청정에너지 연구실 (Atmospheric Catalysis and Clean Energy Laboratory, ACE Lab.)은 2002년 3월에 박영권 교수가 서울시립 대 환경공학부에 부임한 이후 시작된 연구실로, 친 환경 및 그린에너지 공정 개발이라는 목표하에 대기 오염 제어 및 청정에너지 분야에 대한 연구를 수행 하고 있다. 대기오염 대상물질로는 질소산화물, 미 세먼지, 휘발성유기화합물 등 다양한 경로를 통해 발생되는 오염원을 지정하여 연구를 진행하고 있으 며, 청정에너지 분야로는 신재생에너지 개발을 목표 로 바이오매스, 폐기물 열분해, 가스화와 같은 연구 를 수행하고 있다. 특히, 효율적인 대기오염 저감과 고품질의 연료 생산을 위해 다양한 촉매 공정에 주

안점을 두고 있다. 원천 기술 확보를 위한 반응시스 템의 설계, 반응공정 최적화를 시작으로 상용화를 위해 산업체와의 기술협력 및 정부출연연구소와 공 동 연구를 진행하고 있다.

2. 주요 연구 분야

1) 열화학적 전환 기술 연구

화석 연료의 고갈로 인한 에너지공급량 확보와 환 경문제로 인한 우려로 재생가능한 에너지 개발의 중 요성이 점차 증대되고 있다. 이에 전 세계적으로 재 생에너지 산업 육성을 위해 다양한 연구가 지속되고 있다. 이에 풍부하고 지속적인 공급이 가능한 목재

서울시립대학교

대기촉매 및 청정에너지 연구실

Atmospheric Catalysis and Clean Energy Laboratory, University of Seoul

박영권

서울시립대학교 환경공학부 [email protected]

그림 1. 바이오매스 열분해 반응.

류, 해조류, 산업용, 농업, 임산, 해양 폐기물 등의 바 이오매스는 화석연료의 주요한 대체에너지원으로 인 식되고 있다. 이를 활용한 열화학적 변환 공정은 크 게 연소, 열분해, 가스화로 구분된다. 이 중 열분해는 무산소 조건에서 바이오매스를 분해하여 약 70%의 액체 상태의 연료 생산에 목적이 있으며, 가스화는 바이오매스의 제한적인 산화 과정을 통해 발생되는 합성가스인 CO, H2를 에너지로 활용하는 기술이다.

대기 촉매 및 청정에너지 연구실에서는 열분해 (그림 1)와 가스화(그림 2)에 대한 연구를 진행하고 있다. 열분해 연구로는 굴참나무, 거대억새, 과일껍 질, 조개류, 다시마, 미역, 폐목재, 폐플라스틱 등의 다양한 폐기물을 에너지원으로 활용한 연구를 수행 하고 있다. 최근에는 바이오매스 구성성분인 셀룰로 오스. 헤미셀룰로오스, 리그닌 중 화학적, 생물학적 으로 전환이 어려워 바이오매스 전환 공정에서 발생 되는 폐기물로 취급되던 리그닌을 선택적으로 활용 한 연구에 초점을 두고 있다. 또한 열분해로 생산된 액상 연료에 촉매를 적용하거나 바이오매스 전처리 를 통해 벤젠, 톨루엔, 자일렌과 같은 고부가가치 물 질을 증가시키려는 노력도 계속되고 있다. 촉매로는 알루미나, 실리카, 제올라이트 등 기공, 산도가 다른 촉매를 이용하거나, 바이오매스 불순물 처리를 위한 산처리나 에너지 밀도를 높이는 반탄화를 통한 전처

리 기술도 적용 중이다. 이와 같은 전처리 기술이나 촉매 사용에 따른 열분해 반응 거동 확인을 위해 수 mg 단위의 마이크로 반응기서부터 수 백 g의 벤치 반응기를 사용하고 있다. 이와 같은 연구를 바탕으 로 2017년에는 세계 최초로 100 g/hr 로타리 킬른 반 응기(그림 3)를 통해 리그닌 활용에 가장 큰 문제인 촤 응집을 방지하고 리그닌 열분해 연속 공정이 가 능한 기술을 보유하고 있다.

가스화 반응에는 열분해와 같이 다양한 바이오매 스를 적용하고 있다. 특히, 바이오매스 가스화 시 높 은 양의 타르가 발생하게 되는 데 이는 플랜트 운전과 정에서 가스화기의 효율을 낮추고 안정적인 조업을 불가능하게 한다. 이를 해결하기 위해 타르를 활용한 가스화 반응에 주목하고 있다. 타르 억제를 위해 촉매 개질 연구를 함께 수행하고 있다. 촉매의 활성 및 안 정성을 높이기 위해 나노 입자의 금속 및 고분산도의 담체 합성 등의 연구도 진행되고 있다. 연료전지에 적 용이 가능한 고순도의 수소를 생산을 목표로 다양한 변수 조절을 통해 공정 최적화를 수행하고 있다.

2) 고품질의 오일 생산 기술 연구

바이오매스 열분해로 생산되는 오일은 오일 내의 산, 알코올, 알데히드, 에스터, 케톤, 당, 페놀, 페놀 파생물, 리그닌에서 파생된 올리고머 등 수백개의

그림 2. 가스화 반응.

유기화합물이 함유된 복잡한 물질로 이뤄져 있다.

또한 높은 산소 함유량, 낮은 발열량, 높은 산도, 낮 은 열안정성, 높은 점도, 높은 수분 함유량은 원유를 대체하기에는 어려운 수준이다. 따라서 바이오오일 을 고품질화하는 것이 중요하다. 그 방법으로는 물 리적 방법에는 고온가스 여과, 에멀젼화와 화학적인 방법에는 용매 첨가, 수증기 개질, 촉매 크래킹, 수소 화와 같은 방법이 있다.

이 중 본 연구실에서는 에멀젼화와 수소화에 대 한 연구를 진행 중에 있다. 에멀젼화는 바이오오일 과 탄화수소 연료를 계면활성제의 도움을 받아 에멀 젼을 생산하는 것이다. 에멀젼은 부식성이 감소하 고 점화 능력을 높이는 특징을 지니고 있다. 주로 목 질계(톱밥, 폐목재, EFB 등) 열분해 오일을 span 80, tween 60 등의 계면활성제를 사용하여 반응에 이용

하고 있다. 디젤오일과 바이오 오일의 비율, 첨가제 투입양, 반응 온도, 반응 시간, 교반 강도 등의 다양 한 변수를 통해 안정성 높은 혼합물을 얻기 위한 연 구를 진행하고 있다. 에멀젼화를 통한 바이오 오일 의 품질 향상 방법은 비교적 간단하다. 하지만 이와 더불어 발열량 증가, 밀도와 같은 바이오 오일의 본 래 성질 향상을 위한 연구를 목표로 하고 있다.

수소화 반응(그림 4)은 오일 내의 산, 알데히드, 알코올, 페놀 등과 같이 산소를 포함한 화합물을 제 거하여 탄화수소 연료로 전환하는 효과적인 방법으 로 제시되고 있다. 수소화 반응에는 온도, 압력, 촉 매 등의 반응조건을 제외한 외부환경에 대한 부가적 인 영향을 최소화하기 위해 회분식 반응기를 연구에 활용하고 있다. 반응 물질로는 구아이아콜, 아니솔, 크레졸과 같은 리그닌 단량체 구조를 지닌 화합물을 이용하여 촉매 효과, 반응 경로를 밝히는 연구와 실 제 목질계 바이오오일을 이용하여 고온, 고압의 수 소화 과정을 통해 산소함유량. 수분함유량, 산도, 발 열량, 잔류탄소, 안정성 등을 확인하고 있다. 크래킹, 탈수화, 수첨탈산소화 등과 같은 수소화 반응의 반 응성을 높이기 위해 촉매 사용도 필수적이다. 다양 한 금속, 지지체로 구성된 촉매를 적용하고 있으며, 최적의 촉매를 확인하고자 모델화합물을 이용하여 상압 조건에서 수소화(그림 4)를 실시하여 최적의 촉 매를 연구도 진행하고 있다.

3) 미세먼지 및 질소산화물 제거 연구

그림 3. 세계 최초 100g/hr 로터리 킬른 반응기.

그림 4. (a)수소화 반응, (b)촉매 평가를 위한 상온 수소화 반응.

최근 중국의 경제 발전과 함께 스모그의 출현이 빈번해짐에 따라 미세먼지, 초미세먼지 문제가 국민 적 주요 관심사가 되었다. 특히 요즘에는 계절과 관 계없이 한반도 전역에서 고농도 미세먼지 발생이 빈 번해짐에 따라 국민 건강에 대한 우려가 커지고 있 다. 미세먼지 발생의 인위적 요인에는 고정발생원과 이동발생원이 있는데 고정발생원은 난방, 산업, 발 전 등이 있으며 이동발생원은 자동차 매연 및 타이 어 마모, 건설기계의 매연 등이 있다. 고정발생원의 중 연소시설에서는 1차 배출 미세먼지와 2차 생성 미세먼지의 전구물질인 SOx, NOx가 다량 배출되고 있다. SOx는 산성비의 원인 물질이며 토양과 수계의 산성화를 일으킨다. NOx는 광화학 스모그를 일으키 고 가시거리를 단축시키며, 산성비를 일으키는 주요 대기오염원이다. 특히 SOx와 NOx는 대기 중에서 2 차 반응을 일으켜 미세먼지를 생성한다. 따라서 SOx 와 NOx를 제거하고자 하는 연구가 활발히 진행 중 에 있다. 기존의 SOx와 NOx 각각을 처리하는 단일 설비의 경우 발생되는 운전상의 문제와 경제적인 문 제를 고려하여 최근에는 한 개의 시스템에서 동시 제거하고자 하는 연구가 활발히 진행 중에 있다.

이에 본 연구실에서는 SOx와 NOx를 동시에 처

리할 수 있는 저비용의 대기오염방지시스템을 개발 하고 적용하는 연구를 수행하고 있다. SOx, NOx를 입자상 염으로 전환 후 동시 제거하는 기술을 개발 하고 동시에 산성조건의 배기가스 분위기에서 SOx, NOx의 입자 전환 메커니즘을 규명하여 대기오염물 질 저감 연구를 발전시키고자 한다. SOx 제거기술로 는 배연탈황장치(FGD), NOx 제거기술로는 선택적 촉매환원법(SCR)이 가장 일반적으로 사용되고 있지 만 국내에서 SOx, NOx 동시에 제거하는 기술은 개 발 사례가 적다. 따라서 첨가제를 이용하거나 흡수 제 또는 촉매 등을 활용하여 SOx와 NOx 동시제거 반응특성에 대한 연구와 탈질 촉매를 사용하여 SOx, NOx를 동시에 제거하는 저감 시스템을 개발하는 연

그림 5. (a) 기체상 물질을 통한 미세먼지 및 에어로졸 생성, (b) 망간계 촉매의 질소산화물 제거반응.

그림 6. 오존생성에 대한 VOCs 의 역할.

구를 진행 중이다. 또한 대형 사업장뿐만 아니라 중 소형 연소시설에 적용할 수 있고 상용화를 목표로 미세먼지 제거를 위한 대기오염방지 필터를 개발하 는 연구(그림 5)도 함께 수행하고 있다.

4) 휘발성유기화합물(VOCs) 제거 연구

VOCs는 피부 접촉 또는 호흡기로 흡입되어 신경 계 등에 장애를 일으키는 발암물질이며, 증기압이 높아 대기 중으로 쉽게 휘발하여 악취 및 오존의 원 인물질로 작용한다. VOCs 배출사업장에 설치하고 있는 대부분의 시설은 선진국의 기술을 도입하여 사 용하고 있는 실정이고, 페인트, 인쇄잉크 등에 함유 된 유기용제 사용량 제한 등 근원적인 배출 억제 제 도 기반이 취약한 실정이다. 따라서 저비용, 고효율 VOCs 처리기술 개발과 국, 내외 VOC 처리 기술을 비교, 평가하여 산업현장에 적용가능한 처리 방법이 필요하다. 또 VOCs는 대기 중에서 광화학반응에 의 해 오존을 생성하고 생성된 오존은 질소산화물 등과 반응하여 2차 미세먼지로 변하기 때문에 VOCs 자체 의 위험성과 동시에 미세먼지 저감을 위해서도 배출 을 억제해야 하는 물질이다(그림 6). 나라에서는 아 세트 알데히드, 벤젠, 휘발유 등 37개 물질을 휘발 성 유기화합물로 지정 고시(환경부고시 제2012-130 호, ‘12.7.27)하고 321개의 제품을 규제대상으로 하고 있다. 현재 휘발성 유기화합물을 대량으로 배출하는

공정에서는 촉매연소, 축열식 연소법 등이 적용되고 있고 작은 공정에서는 활성탄을 이용한 흡착법이 이 용되고 있다. 휘발성 유기화합물을 실질적으로 저감 하는 많은 노력이 있었음에도 불구하고 실효성이 크 게 나타나지 않은 이유는 휘발성 유기화합물을 배출 하는 소규모 영세사업장이 많기 때문으로 판단된다.

따라서 본 연구실에서는 소규모 영세사업장에서 발생하는 VOCs를 처리하기 위한 플라즈마-촉매 하 이브리드 공정용 촉매 시스템을 개발하고 있다. 소 규모 인쇄업소에서 발생하는 VOCs를 효율적으로 제 거하기 위해서는 VOCs를 완전히 분해하는 시스템 개발이 필요하다. 또한 영세사업장 특성상 실온에서 습도 존재 하에 VOCs가 제거 가능하고 혼합물질이 동시에 제거 가능한 공정 시스템 개발이 필요하다.

지금까지의 플라즈마와 촉매를 결합한 하이브리드 공정은 저온에서도 효율적으로 VOCs를 제거할 수 있으나, 미반응된 오존과 위해성이 강한 물질들이 부산물로 생성될 수 있다. 따라서 실제 소규모 영세 사업장에서 적용 가능하고 다양한 가스를 동시에 제 거할 수 있는 최적의 촉매 개발과, 공정시스템을 개 발하는 연구를 수행하고 있다. 여기에 적용되는 메 조기공의 금속 촉매, 비표면적이 향상된 촉매, 경제 성이 고려된 촉매의 개발도 함께 연구 중에 있다. 또 한 대규모 사업장에서 배출되는 VOCs 제거를 위한 촉매연소(바나디아/타이타니아 계촉매, 귀금속촉매,

그림 7. (a) 오존을 이용한 VOCs 제거 메커니즘 , (b) 제올라이트계 촉매의 TEM mapping 이미지와 pore distribution, (c) 메조포러스 촉

매의 벤젠 전환반응.

제올라이트 촉매 등)에 관한 연구도 함께 수행하고 있어 대기오염물질의 배출을 차단하고 제거하는 연 구에 핵심을 두고 있다(그림 7).

정리

대기촉매 및 청정에너지 연구실은 대기 오염 물 질 저감 및 청정에너지 개발을 위한 연구를 진행하 고 있다. 휘발성 유기화합물, 질소산화물, 미세먼지 제거, 열분해, 가스화 등의 다양한 반응을 통해 최

적의 반응시스템 및 촉매 개발을 목표로 연구하고 있다. 더 자세한 내용은 본 연구실 홈페이지 http://

campus.uos.ac.kr/catalica에서 확인할 수 있다.

연구실 구성원

본 연구실은 2018년 9월 현재 석사과정 7명, 석박 사통합과정 1명, 박사과정 1명, 박사 후 과정 4명의 인원으로 구성되어 있다.