한국에너지기술연구원은 청정연료연구실 윤형철 박사 연구진과 계산과학연구실 이찬우 박사가 질소산화물을 대용량, 고효율로 제거할 수 있는 대표적인 금속착화합물을 대상으로 흡수성능 차이를 나타내는 핵심인 금속착화합물의 결합 형성 메커니즘 규명에 성공했다고 23일 밝혔다.
질소산화물은 발전·산업계와 같은 고정 배출원이나 이동수단에서 배출되는 배기가스에 다량 포함돼 있다. 대기중으로 배출된 질소산화물은 인체의 건강에 미치는 영향이 클 뿐 아니라 분진 등과 반응해 인류의 생존을 위협하는 미세먼지의 주요 원인이 된다.
질소산화물의 흡수성능을 결정하는 금속착화합물의 핵심요소를 규명함에 따라 연구진이 현재 개발하고 있는 ‘저온(100℃ 미만) 질소산화물, 황산화물 제거 흡수액’에 일산화질소를 고효율로 제거할 수 있는 최적의 흡수액을 설계하는데 활용될 계획이다.
배출되는 질소산화물은 대부분 일산화질소(연소공정의 경우 90% 이상)로 구성되며 물에 잘 녹지 않는 일산화질소를 제거하는 것이 기술의 핵심이다. 제거 기술 중 금속착화합물 흡수액은 일산화질소를 산화과정 없이 금속이온에 직접 결합시켜 제거해 질산 폐수 발생을 최소화하는 기술이다.
연구진은 현재 흡수액 개발과 함께 흡수액의 장시간 사용을 위한 재생기술을 집중적으로 개발하고 있어 경제성·환경성을 갖춘 기술의 상용화를 앞당기고 있다.
연구진은 최적의 흡수액 설계를 위해 금속착화합물을 구성하는 금속이온과 리간드의 조합에 따른 다양한 금속착화합물들의 일산화질소 흡수성능 평가를 수행했고 실험과 계산과학을 기반으로 금속착화합물과 일산화질소의 결합 형성 메커니즘을 밝혀냈다.
금속착화합물과 일산화질소의 기초 반응 분석을 통한 실험조건에서 2가 철 이온(Fe2+)이 다른 금속이온에 비해 반응속도가 빨랐고 150배 이상 일산화질소를 흡수할 수 있는 성능을 보였다. 연구진은 전자구조 계산을 통해 철 이온이 최적의 d 궤도 전자수를 가지고 있어 높은 일산화질소 흡수 물성을 가능케 함을 증명했다.
또한 일반적인 금속착화합물은 한 개의 일산화질소와 결합하지만 싸이올기(-SH)를 갖는 리간드로 구성된 금속착화합물은 한 개 또는 두 개의 일산화질소와 결합할 수 있어 1.5~2배 이상 질소산화물을 흡수할 수 있는 성능을 보였다.
연구진은 계산과학을 통해 싸이올기를 갖는 금속착화합물의 판상 분자구조가 전자 구조를 변화시켜 추가적인 일산화질소 결합 자리를 만들어 흡수액 내 두 개의 구조가 모두 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.
이러한 금속착화합물은 일산화질소의 모든 농도 범위에서 두 가지 형태의 결합구조로 존재하는데 농도가 높을수록 두 개의 일산화질소와 결합하는 비율이 증가한다. 이는 1994년 네이처에 보고된 일정 농도(500ppm) 이상에서만 두 개의 일산화질소 결합구조를 갖는다는 주장과 다른 결과로 실험과 계산과학을 통해 연구진이 제시한 메커니즘과 일치함을 확인했다.
기존 주장의 경우 경계 농도에서 두 가지 형태의 농도가 비연속성을 가짐에 따라 물리적 의미가 약한 반면에 이번 메커니즘을 따를 경우 넓은 범위의 농도에서 두 가지 형태의 비율을 정확하게 계산해 보다 정확한 일산화질소 흡수 성능 예측이 가능하다.
연구책임자인 윤형철 박사는 “연구결과를 기반으로 저렴하고 성능이 뛰어난 최적의 흡수액을 개발하고 있고 흡수액 재생기술 확보를 통해 전자산업(반도체, 디스플레이), 암모니아 혼소 발전을 포함한 질소산화물을 배출하는 다양한 사업장에 적용 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.
연구결과는 환경공학 분야 저명 국제학술지인 ‘Chemical Engineering Journal’에 게재됐다.
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