선택적 촉매 환원법(SCR)은 질소산화물(NOx)을 저감하는 매우 효율적인 방법으로 알려져 있으며 발생된 질소산화물(NOx)을 질 소(N2)와 수증기(H2O)로 환원시키는데 촉매 작용을 한다. 질소산화물(NOx) 저감 성능을 결정하는 요소 중 하나인 촉매는 셀 밀도가 증가하 면 촉매효율이 증가하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 실습선 세계로호에 설치되어 있는 발전 기관의 배기가스 조건을 모사한 실 험장치를 통하여 100CPSI(60Cell)촉매의 부하에 따른 질소산화물(NOx) 저감 성능을 확인하고 세계로호에 설치되어 있는 25.8CPSI(30Cell) 촉 매의 기존 연구 자료와의 비교를 통해, 셀 밀도가 질소산화물(NOx)의 저감에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 실험용 촉매는 셀 밀도만 변화를 주었고 형태는 벌집형(honeycomb), 조성물질은 V2O5-WO3-TiO2를 동일하게 사용하여 제작하였다. 실험결과 100CPSI(60Cell) 촉매의 질소산화물(NOx) 농도 저감율은 평균적으로 88.5%이며 IMO specific NOx 배출량은 0.99g/kwh로 IMO Tier III NOx 배출기준을 만족하였다. 25.8CPSI(30Cell) 촉매의 경우, 질소산화물(NOx) 농도 저감율은 78%, IMO specific NOx 배출량은 2.00g/kwh 이었다 두 촉매의 NOx 농도 저감 율과 IMO specific NOx 배출량을 비교하였을 때, 100CPSI(60Cell)촉매가 25.8CPSI(30Cell) 촉매보다, NOx 농도 저감율은 10.5% 높고 IMO specific NOx 배출량은 약 2배 적은 것을 확인하였다. 따라서 촉매의 셀 밀도를 높임으로써 효율적인 탈질효과를 기대할 수 있으며 향후 실선 테스트를 통하여 검증한다면 촉매의 부피 저감을 통한 제작 비용을 줄이고 협소한 선박 기관실을 효율적으로 사용하기 위한 실용적 인 자료로서 기대된다.

For the selective catalytic reduction of NOx with ammonia (NH3-SCR), a V2O5WO3/TiO2 (VW/nTi) catalyst was prepared using V2O5 and WO3 on a nanodispersed TiO2 (nTi) support by simple impregnation process. The nTi support was dispersed for 0~3 hrs under controlled bead-milling in ethanol. The average particle size (D50) of nTi was reduced from 582 nm to 93 nm depending on the milling time. The NOx activity of these catalysts with maximum temperature shift was influenced by the dispersion of the TiO2. For the V0.5W2/nTi-0h catalyst, prepared with 582 nm nTi-0h before milling, the decomposition temperature with over 94 % NOx conversion had a narrow temperature window, within the range of 365-391 °C. Similarly, the V0.5W2/nTi-2h catalyst, prepared with 107 nm nTi-2h bead-milled for 2hrs, showed a broad temperature window in the range of 358~450 °C. However, the V0.5W2/Ti catalyst (D50 = 2.4 μm, aqueous, without milling) was observed at 325-385 °C. Our results could pave the way for the production of effective NOx decomposition catalysts with a higher temperature range. This approach is also better at facilitating the dispersion on the support material. NH3-TPD, H2-TPR, FT-IR, and XPS were used to investigate the role of nTi in the DeNOx catalyst.

RHDS 촉매는 코크와 황 화합물 그리고 금속인 바나듐이 표면에 침적되어 비활성화가 된다. 이러한 오염물을 제거하기 위해서 먼저 폐 RHDS 촉매에 묻어있는 중질유분의 세정, 코크와 황 화합물을 고온 배소 처리한 후, 과량으로 침적되어 있는 바나듐의 침출량을 조절하기 위하여 0.5, 1 wt% 옥살산 수용액을 이용하여 초음파 교반기에서 50 ℃, 10 sec 동안 교반하여 NOx 저감을 위한 SCR 촉매로의 적용 가능성을 확인하고자 하였다. 재생처리 한 RHDS 촉매의 성분은 XRF 를 사용하여 분석하였고, 상압 고정층 연속 흐름 반응기 상에서 NOx 저감 성능을 측정하였다. 옥살산 수용액 0.5 wt%, 10 sec 동안 초음파 침출한 촉매가 가장 안 정적인 NOx 저감 성능을 보였으며, 375 ℃ 이상의 고온에서는 상용 촉매와 동등 수준의 NOx 저감 성능을 확인할 수 있었으나 저온영역 200 ℃에서 250 ℃까지는 상용 촉매보다 낮은 NOx 저감 성능을 보였다. 따라서 폐 RHDS 촉매를 재생처리 한 후 분말로 메탈 코로게이트 지지체에 워시코팅한 촉매는 상용 SCR 촉매로서 이용 가능함을 확인하였다.

본 연구에서는 기존 상용 SCR 촉매보다 비표면적, 경량성 및 온도 응답성이 우수한 SCR 촉매의 개발을 목적으로 바나듐과 텅스텐의 함량과 바인더의 첨가량을 달리하여 Metal foam 형태의 지지체에 코팅하여 SCR 촉매를 제조한 후, 실험실 규모의 마이크로 상압반응기상에서 공간속도별로 NOx 저감 성능을 측정하였다. 촉매의 특성은 Porosimeter, SEM(scanning electron microscope), EDX(energy dispersive x-ray spectrometer) 및 ICP(inductively coupled plasma), 실체현미경(Stereomicroscope) 기기를 이용하여 분석하였다. 연구 결과 NOx 저감 성능은 공간속도가 증가할수록 감소하였고, 바나듐과 텅스텐의 함량이 3.5 wt.% 일 때 가장 우수한 것으로 확인하였다. 또한, 바인더 첨가량이 많을수록 NOx 저감 성능이 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 촉매 표면상의 활성점수가 바인더에 의해 점유되어 감소된 것에 따른 것으로 판단된다. 또한 표면 코팅 상태 분석을 통하여 바인더의 첨가량이 적절히 조절 되어야 함을 알 수 있었다.

NOx from the thermal power plants are NO and NO₂. This work investigated the chemical/physical characteristics and SCR efficiency of newly prepared catalysts including tungsten (WO₃), molybdenum (MoO₃) and antimony (SbO₃) based on vanadia(V₂O5) over titania(TiO2). As a result of the examination, the surface area of the catalysts promoted with additional metals was larger and the de-NOx efficiency also was enhanced with temperature. The most efficient catalytst was V₂O5/TiO₂-WO₃(10%) at 200 °C. Such a high efficiency could contribute to reduce the ammonia slip.

질소산화물 등의 배출규제 강화로 인한 사용처의 확대로 SCR(선택적 촉매 환원) 촉매 수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 폐촉매 발생량도 증가할 것으로 예상된다. 폐촉매는 지정폐기물로 분류되어 처리시에 비용이 발생하여, 물리적으로 재생하여 재사용 하거나 유가금속을 회수하는 방법으로 재활용하고 있다. 그러나 재생의 횟수가 제한적이고, 유가금속 회수는 비용이 고가이며 촉매의 85~90%를 차지하는 TiO2가 폐기된다는 문제점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 SCR 촉매를 경제적이며 지속적으로 사용하기 위해 피독된 SCR 촉매 내 피독물질만 화학적으로 수세 및 정제하고 유가금속/TiO2의 함량을 높이는 최적의 세정 용매를 도출하는 촉매 재활성을 위한 기초연구를 수행하였다. 비교대상 촉매인 Poisoned 촉매를 5가지 세정용매로 화학적 처리결과, acetic acid 용매가 V2O5 1.19 wt%의 높은 함량과 57.6%의 높은 피독물질 제거효율을 나타내며 다른 산 처리 용매에 비해 촉매 재생성이 높은 것으로 분석되었다. 세정 용매의 농도와 세정 시간에 따른 V2O5 함량과 피독물질 제거효율에 미치는 영향을 알아보기 위해 각각 변수를 두어 실험을 진행하였다. 본 연구를 통해 0.1 N acetic acid로 처리한 촉매가 가장 높은 NOX전환율을 나타냈으며, 유가금속/TiO2 함량 또한 높게 나타나 본 연구 목표에 가장 적합한 세정용매로 판단되었다.

선택적 촉매환원법(Selective Catalytic Reduction, SCR)에서는 V2O5 주로 계열 촉매가 주로 상용되어 있으며 높은 NOX 저감효율의 장점을 지님에도 불구하고 300~400℃의 좁은 활성범위를 가지고 있는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 최근 저온 SCR촉매에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 대표적인 카본류 중에서 비교적 가격이 저렴한 산업 및 농업 부산물을 열분해시켜 형성된 바이오매스 Char를 촉매로 활용하는 방안에 관한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 연소공정에서 주로 발생되는 대기오염물질 중 대표적인 물질인 질소산화물(NOX)의 SCR공정에서 반응특성을 고찰하기 위해 Lab-scale 규모의 실험 장치를 구현하였다. 실험에 사용된 음식물 열분해-Char는 600℃ 4시간동안 열분해 후 SCR공정에서 촉매로 활용하여 전이금속담지유무, 온도, 수분유무 등의 실험 조건을 변화시켜 NOX를 효율적으로 처리할 수 있는 조건을 도출하였다. 대상시료의 물리․화학적 특성을 파악하기 위해 공업분석, 원소분석을 수행하였으며, 제조한 촉매의 특성은 질소 흡․탈착법, SEM, ICP, EDX 등을 이용하여 분석하였다. 실험에 사용된 Char의 비표면적은 400 m²/g 이상으로 활성화 전 비표면적보다 100배 이상 증가함을 나타냈다. 실험결과에 따라 전이금속인 Cu를 담지하였을 경우, 담지하지 않은 경우보다 높은 저감효율을 나타냈다. NO의 저감효율은 최고 효율을 보이는 350~400℃ 부근의 영역에서 60% 이상의 저감효율을 보였고 그 이후부터 온도가 증가할수록 감소되는 경향을 나타냈다. 수분을 투입하였을 경우 모든 온도 영역에서 NO 저감효율에 악영향을 미치는 것으로 확인되었으며, 최적 효율대비 약 20%의 차이를 나타내었다. 이는 수분과 NH3와의 경장흡착으로 인해 촉매표면에 NO와 반응에 필요한 NH3의 흡착종이 부족하므로 촉매 표면의 활성저하를 일으키기 때문으로 사료된다.

V2O5/TiO2 catalysts promoted with Mn were prepared and tested for selective catalytic reduction of NOx in NH3. The effects of promoter content, degree of catalyst loading were investigated for NOx activity while changing temperatures, mole ratio, space velocity and O2 concentration. Among the various V2O5 catalysts having different metal loadings, V2O5(1 wt.%) catalyst showed the highest activity(98%) under wide temperature range of 200-250℃. When the V2O5 catalyst was further modified with 5 wt.% Mn as a promoter, the highest activity(90-47%) was obtained over the low temperature windows of 100-200℃. From Mn-V2O5/TiO2, it was found that by addition of 5 wt.% Mn on V2O5/TiO2 catalyst, reduction activity of catalyst was improved, which resulted in the increase of catalytic activity and NOx reduction. According to the results, NOx removal decreased for 10%, but the reaction temperature down to 100℃.