한국지질자원연구원(KIGAM)이 미세먼지 저감에 기여할 ‘탈질 폐촉매 재활용 기술’을 세계 최초로 개발해 귀추가 주목된다.

미세먼지 발생원인인 질소산화물(NOx)을 저감하는 장치에는 금속촉매가 사용되고 있다. 이후 발생하는 폐촉매를 처리하는 데에 기술적 한계가 있어 환경문제 해결과 희귀금속 재활용에 어려움이 있었다.

‘폐촉매 재활용 기술’은 이러한 과제를 동시에 해결하면서 미세먼지 저감에도 기여할 것으로 기대되고 있다.

한국지질자원연구원은 2019년 3월 27일 충남 당진 석문국가산업단지에 3000톤 규모의 탈질 폐촉매 재활용 공장을 착공하는 등 상용화를 본격화하고 있다.

탈질 폐촉매, 토양오염 및 경제적 손실 야기

탈질 폐촉매는 질소산화물을 저감하는 장치인 SCR(Selective Catalytic Reduction) 공정에서 발생하는 부산물이다. SCR 공법은 탈질촉매에 환원제를 주입해 연소가스에 포함된 질소산화물을 질소와 물로 만들어 미세먼지 발생을 예방하는 공정이다.

화력발전소, 화학플랜트 등 연소설비를 지닌 공장들은 70~80%가 이 SCR 공법을 통해 질소산화물을 저감하고 있다. 그런데 SCR 공법에 투입되는 탈질촉매는 피독, 열화 등을 이유로 시간이 지날수록 효율이 떨어진다.

이에 탈질촉매는 통상 3~4년을 사용하고 2~3회 재생 후에는 교체가 필요한데, 이렇게 수명이 다한 촉매가 폐촉매로 발생하게 된다.

이러한 폐촉매는 기술 부족으로 그동안 전량 폐기되어 땅속에 묻히고 있었다. 이는 토양오염을 야기해왔으며, 폐촉매 내 유가금속 폐기에 따른 경제적 손실 또한 문제시 되었다.

아울러 SCR 공법을 도입한 공장들은 폐촉매 매립비용에 대한 부담을 안고 있었기 때문에 여러모로 기술개발이 시급한 상황이었다.

폐촉매 내 유가금속 회수공정 개발 ‘세계 최초’

‘탈질 폐촉매 재활용 기술’은 세계적으로 연구 및 투자가 턱없이 부족했으며 상용화된 적이 없었다.

한국지질자원연구원 유용자원재활용 기술개발사업단은 환경부와 한국환경산업기술원이 지원한 ‘글로벌탑 환경기술개발사업’에 참여하여 이번 기술개발에 성공했다.

‘탈질 폐촉매 재활용 기술’은 폐촉매에 함유된 텅스텐(W), 바나듐(V) 등 유가금속을 침출하여 분리정제 공정을 거쳐 고순도 금속화합물로 회수하는 공정이다. 촉매를 돕는 역할을 하는 ‘담체’인 이산화타이타늄(TiO2)은 고순도화 과정을 거쳐 고부가가치 제품으로 재활용한다.

이렇게 폐촉매를 90% 재활용하여 확보한 유가금속들은 다시 탈질촉매, 초경합금 원료, 색을 내는 안료 등으로 제품화하여 오염물질을 최소화한다.

또한, 탈질촉매 교체주기를 단축함으로써 촉매 효율을 극대화할 수 있어 질소산화물과 미세먼지 저감에도 기여할 것으로 파악되고 있다.

질소산화물은 오존(O3) 등과 반응해 질산(NO)을 생성하며, 질산은 다시 암모니아와 반응해 질산암모늄(NH4NO3)을 생성한다. 이와 같이 암모니아에서 2차적으로 발생한 질산암모늄은 2차 미세먼지로 분류된다.

따라서 SCR 공법을 사용하는 공장들이 촉매 교체주기를 단축하여 질소산화물을 줄이면 2차 미세먼지인 질산암모늄도 감축할 수 있게 된다.

미세먼지 저감 정책 대응에 '청신호'

이번 기술개발은 정부의 미세먼지 저감 정책에 힘을 실어줄 것으로 파악된다.

미세먼지와 질소산화물은 점진적으로 배출규제가 강화되고 있다.

올해 2월 15일부터는 ‘미세먼지 저감 및 관리에 관한 특별법(미세먼지법)’이 시행되고 있다. 이에 따라 고농도 미세먼지가 발생했을 때 자동차 운행을 제한하고 배출시설 가동률을 조정하는 등 대응조치가 강화되었다.

내년 1월 1일부터는 ‘질소산화물에 대한 배출 부과금제’ 시행이 예정되어 있다.

허용기준 이내로 배출하면 기본 부과금만 내면 되지만 이를 초과하면 부과금이 추가된다.  아울러 산업용보일러 등 질소산화물 배출시설을 사용하는 사업장에 대해서는 배출 저감시설 적용도 의무화된다.

이러한 범국가적 미세먼지 저감 정책에 따라 질소산화물 배출 공장들의 SCR 공법 도입은 점점 확대될 것으로 예상되고 있다.

이와 맞물려 탈질촉매 사용량이 증가함에 따라 ‘탈질 폐촉매 재활용 기술’도 적극 활용될 전망이다.

질소산화물 배출 공장들은 폐촉매 매립비용을 줄이는 동시에 정부의 미세먼지 저감 정책에도 대응할 수 있을 것으로 판단되고 있다.

폐촉매 재활용, 경제적 효과 커진다

재활용되는 유가금속들은 최근 그 가치가 높아지고 있다.  이에 따라 기술개발에 따른 경제적 효과도 점차 확대될 것으로 기대되고 있다.

아울러 미세먼지 저감 정책에 따라 질소산화물 배출원들의 SCR 공법 도입 확대로 재활용되는 유가금속도 더욱 증가할 것으로 예상된다.

SCR 공법에 사용되는 탈질촉매는 바나듐, 텅스텐, 티타니아(Titania) 촉매가 주를 이루고 있다. 원료구성비는 이산화타이타늄 80%, 산화텅스텐 5~12%, 오산화바나듐 1~5% 수준이나 오산화바나듐과 산화텅스텐이 원료 가격의 50%를 차지하고 있어 고가로 인식되고 있다.

한국지질자원연구원은 탈질 폐촉매 1만 톤을 재활용하면 텅스텐 800톤, 바나듐 100톤, 타이타늄 7500톤을 회수할 것으로 예상하고 있다. 재활용을 통해 연간 500억 원에 달하는 경제적 창출효과를 기대하고 있다.