연세대 연구팀, 고온수성가스전이반응용 Fe-Al-Cu촉매 개발 및 대용량 제조 성공
연세대 연구팀, 고온수성가스전이반응용 Fe-Al-Cu촉매 개발 및 대용량 제조 성공
  • 백두산 기자
  • 승인 2019.06.21 14:00
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폐기물 가스화 합성가스 맞춤형 고온수성가스전이반응용 촉매의 상용화 가능성 제시
(좌측부터) 노현석 교수, 장원준 박사(사진: 연세대 제공)
(좌측부터) 노현석 교수, 장원준 박사(사진: 연세대 제공)

[대학저널 백두산 기자] 연세대학교(총장 김용학) 원주(미래)캠퍼스 환경공학부 노현석 교수·장원준 박사 연구팀이 Fe-Al-Cu 촉매의 대용량 제조에 성공하며 폐기물 가스화 합성가스 맞춤형 고온수성가스전이반응용 촉매의 상용화 가능성을 제시했다.

에너지 집약 산업의 발전과 함께 빠른 경제 성장을 보인 개발도상국에서 폐기물 관리는 꾸준한 개발이 필요한 기술 중 하나이자 중요한 과제이다. 경제 성장과 GDP 상승에 따라 폐기물 발생량은 꾸준히 증가하고 있으나, 여전히 상당한 양의 폐기물은 전통적인 방식인 매립으로 처리되고 있다. 매립을 비롯한 기존의 폐기물 처리 방법에 의한 대기 오염, 침출수 유출, 매립비 부족 등의 문제를 해결하기 위한 방법으로서 폐기물 에너지화 기술이 각광받고 있으며, 해당 기술은 폐기물의 효율적인 처리뿐만 아니라 에너지 회수가 가능하다는 장점이 있다.

특히, 폐기물 에너지화 기술 중 폐기물 가스화는 폐기물에 포함된 유해물질을 고온에서 완전히 분해하여 무해화 하는 것과 동시에 폐기물로부터 합성가스(주성분: CO, H2)를 생산하는 등 폐기물이 갖는 에너지 자원의 회수를 극대화할 수 있다. 폐기물 가스화 공정에 고온수성가스전이반응을 접목할 시, 효율적인 비용과 지속가능한 방법으로 청정에너지이자 연료전지의 연료로서 사용이 가능한 수소를 생산할 수 있다. 고온수성가스전이반응은 합성가스 내 CO를 분리가 용이한 CO2로 전환함과 동시에 추가적인 H2를 생산하는 반응이다.

고온수성가스전이반응의 상용 촉매로 Fe/Cr 촉매가 사용되는데, 이는 천연가스의 개질반응으로부터 생산된 합성가스(CO농도: 약 10 vol%)에 초점을 맞춰 개발됐다. 그러나 폐기물 가스화 합성가스는 천연가스로부터 생산된 합성가스에 비해 많은 양의 CO(약 40 vol%)를 함유하고 있으므로, 기존에 개발된 상용촉매(Fe/Cr)를 사용할 경우 CO 제거 및 H2생산 효율이 낮아질 수 있으며, 촉매가 빠르게 비활성화 될 수 있다. 또한, 상용촉매에 포함된 Cr은 환경 및 보건 문제를 야기하므로 환경친화적인 물질로의 대체가 필요하다. 따라서, 기존 상용 촉매에 비해 우수한 활성을 나타내며, Cr을 포함하지 않는 폐기물 가스화 합성가스의 고온수성가스전이반응용 신촉매 개발이 반드시 필요한 상황이다.

이에 연세대 원주(미래)캠퍼스 노현석 교수·장원준 박사 연구팀에서는 기 개발된 Fe-Al-Cu 촉매의 전구체 농도 최적화를 통하여 우수한 성능의 폐기물 가스화 합성가스로부터 수소를 생산하기 위한 고온수성가스전이반응용 촉매를 개발하였으며, 이를 통하여 Fe-Al-Cu 촉매의 대용량 제조에 성공했다. 해당 촉매는 전구체의 농도에 따라 촉매 활성에 크게 기여하는 요소(BET 비표면적, Fe3O4결정크기, 환원성, Cu 분산도)가 달라짐을 확인했다.

또한, Cu를 담지한 Fe계 촉매가 γ-Fe2O3를 포함하며, γ-Fe2O3는 활성종인 Fe3O4로 쉽게 전환됨을 규명함으로써 촉매 성능과 밀접하게 연관이 있는 촉매의 주요 특성에 대해 입증했다. 전구체의 농도 최적화를 통하여 제조된 대용량 Fe-Al-Cu 촉매는 촉매의 성능저하 또는 특성 변화 없이 높은 공간속도(40,057 mL·g⁻¹·h⁻¹)에서도 상용 Fe/Cr 촉매에 비해 우수하고 안정적인 촉매 활성을 보였으므로, 고온수성가스전이반응용 Cr 비함유 대용량 촉매를 성공적으로 제조했다.

장원준 박사는 “개발된 대용량 Fe-Al-Cu 촉매 적용에 따른 폐기물 가스화 합성가스로부터 수소 생산 공정의 상용화가 가능할 것”이라며, “자원 순환 이용확대, 기존 폐기물 처리로 인한 환경 문제 해결, 매립지 주변 환경 개선 등 정부의 자원순환기본계획 뿐만 아니라, 수소차 보급 및 시장 활성화 계획, 수소 스테이션 확충 및 부생수소 이외의 생산 방식으로 수소 공급 등 정부의 수소 경제 활성화 정책 달성에 기여할 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.

한편 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행된 본 연구 결과는 환경공학 분야의 국제적 권위지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ 7월호에 소개됐다.


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