촉매란? — 반응 속도·활성화 에너지와 배출가스 처리의 원리

환경 단어 사전 | 앨지닥터

어디에서 쓰이나요?

촉매는 배출가스를 처리하는 환경 설비와 연료·화학제품을 만드는 공정에서 쓰입니다. 선택적 촉매 환원(SCR)은 촉매를 이용해 질소산화물과 암모니아의 반응을 촉진하는 대표적인 사례입니다. [3]

쉽게 풀면

산을 넘어 같은 목적지로 가는 두 길을 떠올려 보세요. 높은 고개를 넘는 길보다 낮은 고개를 지나는 길이 수월하듯, 촉매는 반응이 더 쉽게 진행되는 다른 길을 열어 줍니다. 이때 낮아지는 문턱을 활성화 에너지라고 합니다. [2]

고체 촉매 표면에서는 반응할 분자가 잠시 붙고, 결합이 바뀐 뒤 생성물이 떨어져 나갈 수 있습니다. 표면은 다음 분자가 반응할 자리로 다시 쓰입니다. 다만 이 장면은 고체 표면 촉매의 예이며, 모든 촉매가 같은 방식으로 작동하는 것은 아닙니다. [5]

조금 더 깊이 — 정확히 말하면

영어로는 catalyst, 촉매가 작용하는 과정은 catalysis라고 합니다. 국제순수·응용화학연합(IUPAC)은 촉매를 전체 반응의 표준 깁스 에너지 변화를 바꾸지 않으면서 반응 속도를 높이는 물질로 정의합니다. 즉 촉매는 반응 경로와 속도에 관여하며, 같은 조건에서 반응의 열역학적 평형을 임의로 바꾸는 물질은 아닙니다. [1]

‘소모되지 않는다’는 말은 반응 도중 아무 변화도 겪지 않는다는 뜻이 아닙니다. 촉매는 중간 단계에 참여하고, 한 번의 촉매 순환이 끝나면 다시 생성됩니다. 전체 반응에서 소비되어 생성물로 바뀌는 반응물과 구별하는 이유가 여기에 있습니다. [1]

촉매와 반응물이 같은 상에 있는 경우를 균일 촉매 작용이라고 합니다. 서로 다른 상의 경계에서 반응이 일어나는 경우는 불균일 촉매 작용입니다. 기체가 고체 촉매와 접촉하는 SCR의 장면은 후자를 이해하는 데 도움이 됩니다. [1][3]

실제 장치에서는 온도와 가스 조성, 촉매 상태가 중요합니다. SCR에서도 적절한 온도 범위와 반응물 공급이 필요하며, 반응하지 않은 암모니아가 배출되는 암모니아 슬립을 함께 관리해야 합니다. 촉매가 있다는 사실만으로 처리 효율을 확정할 수는 없습니다. [3]

환경적으로 왜 중요할까요?

촉매는 오염물질을 다른 물질로 전환하는 반응을 촉진하고, 공정이 더 온화한 조건에서 진행될 가능성을 높입니다. 목표 생성물을 더 선택적으로 만들도록 촉매를 설계하는 일은 불필요한 부산물을 줄이는 데도 연결됩니다. [2]

환경 설비에서는 제거하려는 물질과 처리 후 생기는 물질을 함께 봐야 합니다. SCR은 질소산화물 저감을 목표로 하지만 촉매의 성능 저하와 암모니아 슬립까지 살펴야 합니다. ‘촉매 사용’이라는 이름보다 실제 운전 조건과 배출 결과가 환경 효과를 판단하는 근거입니다. [3][4]