자동차 배기 가스서 유해물질 제거하는 화학촉매 기술 [우리가 몰랐던 과학 이야기] (211)

자동차 배기가스에는 유해 물질이 다량 함유돼 있습니다. 탄화수소(HC)와 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 그리고 미세먼지 등 인체에 치명적인 영향을 미칩니다. 또한 지구 온난화를 유발하는 주요 요인이기도 합니다.

따라서 자동차 배기가스는 촉매를 이용한 처리를 거친 뒤 대기에 배출하게 돼 있습니다. 환경부는 자동차 배기가스 저감을 위해 등급제를 시행하고, 장치를 부착하는 등 엄격한 관리를 하고 있습니다.

오늘은 인체뿐만 아니라 환경에 치명적인 자동차 배기가스의 위해를 낮추는 촉매기술에 대해 알아보도록 하겠습니다.

◆대기 오염물질 줄이는 자동차 촉매기술

산화촉매장치. 출처=graphitetech.net

가솔린과 디젤 등의 연료가 불에 타면 다양한 오염물질이 발생합니다. 이를 다른 물질로 바꿔주는 역할을 하는 것이 바로 촉매입니다. 촉매는 자신은 변하지 않지만 주위의 화학 반응을 촉진하는 물질로, 자동차에서 이러한 역할을 하는 장치가 바로 촉매 변환기입니다.

산화촉매장치(DOC)를 경유차에 부착하면 미세먼지뿐 아니라 HC와 CO 등의 오염물질도 70% 이상 감소시키는 효과를 가져옵니다. 자동차 촉매는 CO와 HC를 산화하여 이산화탄소와 물로 변화시키는 동시에 NOx를 환원하여 무해한 질소(N2)와 산소(O2)로 변화시키는 기능도 가지고 있어 삼원촉매(Three-way Catalyst)라고 합니다.

◆미세먼지 줄이는 산화촉매

산화촉매장치. 출처=www.cleanemissions.com

산화촉매법은 인쇄와 도장, 코팅 등의 화학 공정에서 발생하는 휘발성유기화합물(VOCs) 또는 유기성 악취 등을 처리하는 데 활용됩니다. 특히 자동차 배기가스 중 NOx의 배출량을 줄이는 데 핵심적인 역할을 합니다. 

디젤 엔진의 자동차는 DOC를 반드시 부착해야 합니다.

◆질소산화물 제거하는 선택적 환원 촉매(SCR)

선택적 환원촉매 시스템의 이미지. 출처=https://a1dpfcleaning.com.au

선택적 촉매로 작용하는 환원(Selective Catalytic Reduction·SCR) 시스템도 이용됩니다. 이때 촉매는 환원 조절 시스템 내에서 엔진 배기가스 및 환원제의 화학적 반응을 통하여 가장 많이 나오는 공해 성분인 NOx를 제거하는 역할을 수행합니다.

나노 촉매를 사용하여 인체에 유해한 NOx(NO·산화질소와 NO2·이산화질소가 대부분임)를 무해한 질소와 물로 전환하는 기술로, NOx를 환원시키기 위해 환원제로 암모니아(NH3)나 요소수(urea)를 씁니다. 이들 환원제는 촉매 앞단에서 분사되어 배기가스와 함께 SCR 촉매 쪽으로 들어가게 됩니다.

◆미세먼지 원인 물질 제거하는 저공해 분해기술

산화촉매 고기능화 원천 기술의 원리. 출처=과학기술정보통신부

과학기술정보통신부는 최근 기존보다 낮은 온도에서도 NOx를 분해하고 스스로 재생하는 촉매를 개발했습니다. 이 촉매는 기존보다 낮은 280도 이하에서도 재생능력을 잃지 않아 탈거 및 재설치 시 고온 처리를 할 필요가 없습니다. 그만큼 촉매의 수명이 월등히 향상되고 교체 주기도 길어지게 됐습니다.

또한 NOx 분해 시 대부분 인체에 무해한 질소로 전환돼 저공해 미세먼지 저감 기술로도 주목받고 있습니다. 암모니아(2차 미세먼지)나 온실가스인 아산화질소(N2O)가 배출되지 않는데요.

자동차뿐만 아니라 공장과 선박 등에서도 배기가스가 배출되는데요. 다양한 대기오염 물질을 포함하고 있는 배기가스의 저감을 위해 전 세계적으로 촉매기술 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 깨끗하고 안전한 대기환경을 위해 화학기술이 활약하고 있는데요. 하루빨리 미세먼지 없이 마음껏 깨끗한 공기를 마시는 날이 오기를 바랍니다.

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