선택적 촉매 환원(SCR) 공정의 촉매 조건 및 종류 🔬

선택적 촉매 환원(SCR, Selective Catalytic Reduction) 공정은 배출가스 내 질소산화물(NOx)을 선택적으로 환원하여 N₂와 H₂O로 변환하는 기술임. 이 과정에서 촉매의 성능이 매우 중요하며, 촉매의 종류에 따라 적정 운전 온도와 반응 효율이 다름. 본 글에서는 SCR 촉매의 기본 조건과 대표적인 촉매(귀금속계, V₂O₅계, 제올라이트계) 특성을 비교해 보겠음 

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1. SCR 촉매의 기본 조건 🏭

SCR 촉매는 높은 NOx 제거 효율을 유지하면서도 산화 및 내구성이 뛰어나야 함. 따라서, 다음과 같은 조건을 충족해야 함.
✅ 1) 적정한 반응 온도 범위 유지 → 촉매별 최적 온도에서 높은 NOx 제거율 유지
✅ 2) 우수한 내구성 → 장기간 사용 가능하고 촉매 독성(황, 먼지 등)에 강해야 함
✅ 3) 높은 NOx 선택성 → CO₂, SO₂ 등의 산화 반응 없이 NOx만 제거해야 함
✅ 4) 화학적 안정성 확보 → 고온 환경에서 촉매 구조가 유지되어야 함
✅ 5) 경제성 고려 → 촉매 가격과 유지보수 비용이 낮을수록 유리함

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2. 대표적인 SCR 촉매 종류 및 운전 온도 비교 ⚙️

SCR 촉매는 크게 귀금속계 촉매(Pt), V₂O₅ 기반 촉매(V₂O₅-TiO₂), 제올라이트(Zeolite) 기반 촉매로 나뉨. 각각의 특성을 적정 운전 온도와 함께 정리하면 다음과 같음.

(1) 귀금속계 촉매 (Pt 촉매) 💎

✅ 특징:

• 백금(Pt)과 같은 귀금속을 활용한 촉매.
• 저온에서도 높은 NOx 제거 효율을 보임.
• SO₂가 존재할 경우, 황산화 반응(SO₂ → SO₃)이 발생하여 황산염 생성 위험이 있음.

✅ 적정 운전 온도: 200~300°C (저온 운전 가능)
✅ 장점:
✔ 저온에서도 높은 NOx 제거율 유지(저온 활성 우수).
✔ 반응 속도가 빠르고 촉매 수명이 길 수 있음.
⚠ 단점:
❌ 가격이 비쌈(귀금속 촉매의 높은 비용).
❌ 황산화(SO₂ → SO₃) 반응 발생 → 황산염(SO₄²⁻)으로 인해 장기 운전 시 문제 발생 가능.

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(2) V₂O₅-TiO₂계 촉매 (바나듐-티타늄계 촉매) 🔥

✅ 특징:

• 바나듐(V₂O₅)과 티타늄(TiO₂) 기반 촉매로, SCR 공정에서 가장 널리 사용됨.
• 중온에서 높은 NOx 제거 효율을 가짐.
• SO₂ 산화가 적어 공정 안정성이 높음.

✅ 적정 운전 온도: 300~450°C (중온 운전 가능)
✅ 장점:
✔ 비교적 저렴한 촉매 비용.
✔ 높은 NOx 선택성 및 높은 안정성.
✔ 장기 운전 시 성능 유지가 우수함.
⚠ 단점:
❌ 저온(200°C 이하)에서는 NOx 제거 성능이 급격히 저하됨.
❌ 고온(450°C 이상)에서는 촉매 구조가 손상될 수 있음.

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(3) 제올라이트(Zeolite)계 촉매 🏗️

✅ 특징:

• 알루미노실리케이트 구조를 가진 제올라이트(Zeolite)를 기반으로 한 촉매.
• 구리(Cu), 철(Fe) 등의 금속이 포함된 촉매가 대표적임.
• 자동차 배기가스 저감용으로도 사용됨.

✅ 적정 운전 온도: 250~600°C (넓은 온도 범위에서 작동 가능)
✅ 장점:
✔ 고온에서도 NOx 제거 성능이 우수함.
✔ 황(SO₂) 독성이 적으며 내구성이 뛰어남.
✔ 다양한 산업 분야에서 활용 가능.
⚠ 단점:
❌ 촉매 가격이 상대적으로 높음.
❌ 수분(H₂O) 및 알칼리 금속(Na, K) 오염 시 성능 저하 가능.

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3. SCR 촉매 비교 표 📊

촉매 유형 주성분 적정 운전 온도 장점 단점

귀금속계(Pt 촉매)	Pt, Pd 등	200~300°C	저온 활성 우수, 빠른 반응 속도	높은 비용, SO₂ 산화 문제
V₂O₅-TiO₂계 촉매	V₂O₅, TiO₂	300~450°C	경제적, 높은 NOx 선택성	저온 성능 저하, 고온 불안정
제올라이트계 촉매	Cu-Zeolite, Fe-Zeolite	250~600°C	넓은 온도 범위, 내구성 우수	가격 비쌈, 알칼리 금속 영향

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4. 결론 🎯

✅ SCR 촉매 선택 시 고려해야 할 점:
✔ 운전 온도에 따라 적절한 촉매를 선택해야 함.
✔ 경제성(촉매 비용, 유지보수 비용)도 중요한 요소임.
✔ SO₂, 수분 등 촉매 독성 물질에 대한 저항성이 필요함.
✔ 장기 운전 시 성능 유지 가능성도 고려해야 함.
🚀 최적의 SCR 촉매를 선택하면, 질소산화물 저감 효과를 극대화하고 환경 규제를 충족할 수 있음! 🌱⚡