국내 촉매공업의 현황

현재 국내 촉매공업은 석유화학공업에 사용되는 촉매 중에서 중합촉매, 특히 에틸렌 및 프로필렌의 중합용 지글러촉매 사용비중이 높으나 이 지글러촉매의 대부분을 외국에서 수입하고 있어 중합촉매 기술개발이 절실히 요구되고 있다.

특히, 국내 화학업계는 화학제품 제조공정의 90%와 전체 제조업의 20%에 해당하는 촉매공정의 대부분을 기술도입으로 운용하고 있어, 관련 기술의 기반미비로 외국에 대한 촉매 기술종속이 심화되고 있는 실정이다. 그러나 다행히도 업체별로 촉매에 대한 기술개발을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 국내 유화산업은 에틸렌 생산능력 기준(1996년 기준) 약 350만톤 이상에 달하고 있지만 국내에서는 촉매기술을 활용한 고유공정의 개발경험이 미비해 이 기술의 선진국에 대한 의존도가 매우 높은 것으로 평가되고 있다.

촉매는 대규모 공정의 일부분 및 대부분의 기술도입으로 기술이전이 어려운 가운데, 국내 화학업체들은 기술도입 당시 기술선이 선정해 주는 촉매를 사용하고 있어 많은 기술료를 지불하고 있는 실정이다. 따라서 촉매기술이 산업에 미치는 영향을 고려해야 할 것으로 분석된다. 한편, 지난 95년 국내 화학관련 기술도입은 423건으로 이 중 일본과 미국이 각각 40%와 29%를 차지해 기술도입의 약 70%를 보였다. 이러한 가운데, 화학공정 중 반응공정의 약 70%를 보이고 있는 촉매공정은 핵심공정으로 분류돼 기술도입시 특별 보호조치를 받아 왔다.

국내 화학관련 기술도입 건수와 촉매수입 현황을 보면 대부분 일본, 미국, 프랑스 등 주로 기술수출국으로 일본에서는 화학공정용 촉매, 미국에서는 석유화학·고분자용 촉매, 프랑스에서는 석유정유용 촉매가 수입되고 있다. 특히, 프랑스는 촉매관련 연구를 석유화학산업에 포함시켜 정부 주도하에 진행하고 있다.

용도별 촉매의 시장 및 적용 현황

촉매를 용도별로 보면, 공정촉매와 범용촉매로 나눌 수 있는데 공정촉매는 주로 석유정제용과 화학제품 생산용, 범용촉매는 공해방지용 촉매가 주류를 차지하고 있다. 국내 촉매는 고분자제조공정, 수소화공정, 개질공정, 이성화반응공정, 탈수소화공정, 수소처리공정 등의 화학공정에 쓰이고 있다. 고분자공정용 촉매는 주로 에틸렌 또는 프로필렌의 중합에 사용되며, 대부분 촉매가 반응물과 같은 상태를 보이는 균일계촉매에 해당되고 중합촉매는 1회 소모성 촉매다.

수소화공정용 촉매는 다양한 화합물 변환에 사용되고 있는데 C4 부분수첨, 올레핀류 부분수첨, 아세틸렌 부분수첨과 최종생성물 또는 중간생성물에서 불순물로 작용하는 올레핀의 수소화반응 및 최종생성물을 위한 수소첨가공정에 사용되고 있다. 개질공정용 촉매의 경우, 수명이 운전조건과 반응물에 따라 1~10년 정도로 차이가 나는데, 대부분의 개질공정은 반응조건이 까다롭기 때문에 촉매에 탄소의 축적이 심해 3~4개월에 10일 가량의 재생주기가 필요하다. 현재 재생할 때 조업중단을 피하기 위해 촉매의 연속적인 재생을 채택한 공정도 이용되고 있다.

개질공정용 촉매의 주성분은 Pt, Re, Ni로 대부분 알루미나를 담체로 하고 있다. 개질촉매의 대부분은 중질납사의 개질반응에 사용되고 있으며, BTX가 주 생성물이다. 탈수소화 공정용 촉매는 에틸벤젠에서 스티렌을 제조하는 공정과 n-파라핀에서 올레핀을 제조하는 공정에 주로 사용되며, 이밖에 싸이클로헥산올에서 싸이클로헥산온을 제조하는 공정에 사용되고 있다.

스티렌 제조공정에서는 Fe2O3를 주성분으로 하는 촉매가, 파라핀에서 올레핀을 제조하는 공정에서는 Pt담지촉매가 주로 이용되고 있는데, 촉매의 수명이 1~2년으로 비교적 짧다. C1공정은 반응기내에서 부생하는 일산화탄소를 이용하거나 제거하는데 국한되는데, 현재 국내에는 일산화탄소를 물과 반응시켜 수소의 생성량을 증대시키는 공정과 일산화탄소를 수소와 반응시켜 CH4과 물로 전환하는 메탄화 공정이 주를 보이고 있다. 일산화탄소로부터 수소를 제조하는 공정은 Fe/Cr, Wn/Cu 등의 성분을 알루미나에 담지한 촉매가, 메탄화 반응에서는 주로 알루미나에 담지된 NiO 촉매가 사용되고 있다.

1. 석유정제용 촉매

석유정제용 촉매는 원유의 중질화와 함께 업그레이드용의 접촉분해용, 탈금속 및 탈황용 촉매수요가 증가할 것으로 전망된다. 특히, 동남아 지역의 자동차 증가와 특정 석유제품 수입잠정조치법 폐지에 따른 석유제품의 수입이 자유화돼 중동 및 동남아 지역의 촉매수요가 큰 폭으로 늘어날 것으로 분석된다. 석유정제용 촉매에는 접촉분해, 접촉개질, 수소화분해, 알킬화(MTBE 포함) 및 작은 양의 스위트닝용 촉매가 있다.

유동접촉분해용 촉매의 경우, 접촉분해장치에서 주로 감압경유 또는 상압잔유에서 LPG, 고옥탄가 가솔린, 경유 등의 중간유분을 제조하지만 시장의 요구에 따라 기존 설비의 증설이 행해지고 있다. 이 장치에 사용되는 촉매는 내마모성이 우수한 미립상태의 실리카알루미나다. 접촉개질용 촉매의 경우, 접촉개질장치에서 저옥탄가 가솔린 및 방향족(BTX)을 제조한다. 또 제유소에서 각각의 수소화장치에 필요한 수소를 다량으로 부생한다.

수소화정제용 촉매(중유탈황용 제외)의 경우, 나프타 및 등·경유 등에 포함되어 있는 유황화합물, 산성물질, 불포화물 등을 처리해 제품의 증유성질과 상태, 브롬냄새, 부식성 등을 개선하고 또한 접촉개질장치에 공급되는 나프타를 전처리하는 방법으로 수소화정제(탈황)가 있다. 촉매로는 알루미나담체에 Co-Mo, Ni-Mo, Ni,-Co-Mo 및 실리카알루미나 담체에 Ni, Co, Mo가 담지된 것이 사용되는데, 경유의 탈황용 촉매 수요증가가 기대된다.

수소화분해용 촉매로는 합성 실리카알루미나에 W, Ni, Mo, Co를 각각 담지한 것과 제올라이트가 이용되고 있다. 수소화분해장치는 유동접촉분해장치와 비교해 동일 처리유당 설비투자액이 매우 커 중유간접탈황장치에 탈황과 분해의 2가지 기능을 갖는 촉매를 충전해 비교적 마일드한 운전조건하에서 중간 유분을 얻을 수 있어 마일드수소화분해에도 최근 정착되고 있다.

알킬화용 촉매는 프로필렌, 부틸렌 등의 올레핀류와 이소부탄을 원료로 고옥탄 가솔린 기제로 알킬레이트를 제조하는 알킬화장치에는 황산이나 불산이 촉매로 사용된다. 알킬레이트는 최근 무연하이오크 수요증가에 따라 우수한 옥탄가 특성을 부여하는 가솔린 기제로 관심이 높아지고 있고 설비능력이 증가세를 보이고 있다. 스위트닝용 촉매는 가솔린, 제트연료유 등에 포함되어 있는 멜카푸탄을 처리하고 브롬냄새가 나지 않도록 하는 즉, 스위트닝을 목적으로 하는 촉매장치다.

예를 들면, UOP社의 마로크법이 있다. 사용촉매는 鐵族 금속의 킬레이트 화합물이지만 스위트닝 장치는 LPG, 직유나프타, 접촉분해 가솔린 및 등유 등에 적용된다. 촉매수요량은 기존설비의 교환에 사용되는 분량과 접촉분해장치 등의 신·증설에 영향을 미친다. MTBE용 촉매의 경우, 미국이나 유럽을 중심으로 고옥탄가 가솔린기제로 MTBE 수요가 신장하고 있다. 가솔린으로의 MTBE 혼합률은 종전에 7%였으나 지구환경보호의 의식고취로 방향족화합물이나 알킬연에 대신해 옥탄가 향상제로 점차 혼합률이 증가하고 있다.

2. 중유탈황용 촉매

중유탈황용 촉매는 상압·감압잔사유(AR,VR)의 직접탈황법과 감압경유(VGO)를 탈황하고 중유와 조합해 제품중유를 제조하는 간접탈황법으로 분류된다. 지금까지 일본의 경우에는 저유황중유가 주 에너지원이었기 때문에 특히, AR탈황장치가 빠르게 설치돼 일시적으로 생산능력은 세계시장의 50%를 차지하게 되었다.

그러나 그 후 에너지원이 전환됨에 따라 저유황중유 판매량이 줄어들어 96년말 기준 세계시장의 25%를 차지하고 있는 것으로 조사됐다. AR, VR탈황장치용 촉매는 최근, 경질·중간유분 수요가 증가하고 있고 FCC장치원료유의 전처리장치로 운전되고 있다. 또한 중간유분 증산을 위해 분산형을 지향하고 있는 것으로 알려졌다.

3. 석유화학제품 제조용 촉매

석유화학용 촉매는 합성시간의 단축, 원료의 수급변화, 신물질 개발 등으로 촉매의 연구개발이 지속될 전망이다. 특히, 산화촉매는 AN의 제조촉매나 수율향상을 겨냥한 EO나 MMA합성용 촉매 개발이 진행되고 있다. 동남아 지역은 폴리에스터 및 나일론 등의 섬유관련용 촉매 수요 증가가 예상되고 있으며, 폴리머부문에서는 메탈로센 촉매의 실용화가 시작된 것으로 알려졌다.

수소화 촉매의 경우, 수소화반응에서는 기초원료인 에틸렌, 프로필렌 중의 디엔, 아세틸렌류와 LLDPE, MTBE, MEK 등의 합성원료로, 부텐류 중의 디엔, 아세틸렌류의 선택수소화 촉매로 파라듐-알루미나가 액상으로 이용되고 있다. 한편, 최근에 세계적으로 무공해 촉매인 크롬을 첨가하지 않은 에스테르의 수소화분해 촉매가 개발되고 있는데, 이 분야는 새로운 프로세스로 Davy Process Technology社의 기술로 무수말레인산의 디에틸에스테르에서 THF, 1,4-BD를 제조하고 우리나라와 일본에서 플랜트를 완성했다.

이밖에 수소화반응의 경우 니트릴수소화는 라네코발트 및 니켈촉매가, TDI원료인 디니트로톨루엔의 수소화에는 라네니켈이나 파라듐카본이 이용되고 있다. 폴리에스터원료인 PTA제조에는 파라듐촉매가 수소화정제 촉매로 이용되고 있고 동남아 지역에서 이 촉매의 수요가 증가하고 있다. 나일론원료인 하이드록실아민의 제조에는 백금카본 및 파라듐카본이 이용되고 있다.

올레핀의 하이드로화에 의해 합성된 알데히드는 환원니켈에 의해 수소화에 대응, 알콜이 생성된다. 안식향산의 환원에 의한 벤질알콜의 유도체합성은 크롬을 소량 첨가한 지르코니아 촉매가 개발돼 기상에 이용되고 있다. 산화촉매의 경우, 산화반응은 중요한 중간제품을 얻는 반응이 많은데, 그 중에서도 대량 생산을 목표로 하는 기상산화반응은 중요한 위치를 차지하고 있다.

폴리에스터 원료로 에틸렌의 산화에 의한 산화에틸렌 합성은 알칼리금속이나 알칼리토류 금속을 첨가한 은알루미나이나 은 실리콘 카바이드가 이용되고 있다. 그러나 최근에 Shell이 레니움을 첨가한 고선택성촉매를 개발했다. 이 촉매는 에텔렌의 산화에 의한 아세트알데히드 제조나 프로필렌의 산화에 의한 아세톤 제조에는 Hoechst Wacker법에 의해 염화파라듐과 염화제2동이 균일계로 이용되고 있다.

폴리에스터 원료인 TPA는 PX의 액상산화에 의해 합성되는데, 이 반응에 사용되는 촉매는 초산망간, 초산코발트, 브롬화메틸혼합물이 사용된다. 페놀은 벤젠과 프로필렌에서 염화알루미나, 고체인산 및 제올라이트를 사용해 알킬화해 큐멘을 합성하고 공기산화와 황산에 의해 분산시켜 페놀과 아세톤이 합성된다. 아크릴산은 프로필렌의 기상공기산화에 의해 아크롤레인을 경유해 합성된다. 1단계 촉매는 코발트, 비스머스를 주성분으로 한 다성분계, 2단계는 몰리브덴, 바나디움을 주성분으로 한 다성분계다.

메타크릴산은 이소부틸렌 또는 ter-부탄올을 산화해 메타클로레인을 경유해 제조한다. 1단계는 몰리브덴, 코발트, 비스머스를 주성분으로 한 복합산화물촉매가, 2단계 반응에는 헤테로폴리산계 촉매가 이용되고 있다. 탈수소용 촉매의 경우, 일반적으로 C6이상의 탄화수소를 탈수소하여 올레핀, 씨클로올레핀 등을 만드는 것에 크로미아 및 몰리브데나가, C5-C8의 직쇄상 탄화수소의 탈수소에 의해 직쇄상 모노올레핀의 합성에는 담지백색촉매가 사용된다.

4. 고분자중합용 촉매

각종 합성수지(PE, PP 등)나 합성고무(BR, IR, EPDM 등) 제조에 이용되는 촉매로 중합방법에 따라 래디컬중합촉매, 카치온중합촉매, 아니온중합촉매, 배위아니온중합촉매로 나눈다. 래디칼중합촉매는 LDPE, PVC, PS 등을 제조하는데 사용되는 촉매로 래디칼중합개시제라고 불린다. 카치온중합촉매는 중합말단이 카치온을 형성하는 화합물로 프로톤산의 황산이나 염산, 루이스산의 염화알루미나 등이 대표적이고 부틸고무, 폴리부텐-1, 석유수지 등의 제조에 이용된다.

아니온중합촉매는 용액중합법의 합성고무(SBR 등)의 제조에 이용되는 촉매다. 배위아니온중합촉매는 지글러촉매로 유명하고 HDPE, LLDPE, PB 등에 사용되는 중합촉매다. 천이금속의 4족-7족 화합물과 1족-3족 유기금속의 조합 촉매다. 일반적으로는 천이금속염으로 삼염화티타늄, 사염화티타늄, 옥시염화바나듐 등이 유기금속염으로 각종 알킬알루미나에 이용된다. 천이금속화합물은 그 자체로 사용되거나 염화마그네슘 및 실리카에 담지된 형태로 사용되기도 한다. 최근에는 이들 담지형 촉매로 중합활성이 높은 것이 실용화되고 있다.

고분자중합용 촉매의 수요는 합성수지·합성고무업계의 움직임에 영향을 받는데, 최근에는 메탈로센 촉매를 사용한 신규 폴리올레핀 개발이 활발히 진행되고 있다.

5. 가스제조용 촉매

가스제조용 촉매는 암모니아·메탄올 합성가스, 석유정제용 수소제조 및 도시가스 분야에 주로 사용되는 촉매다. 용도별로는 탈황용(Co-Mo계, Ni-Mo계 및 Zn계), 스팀개질용(Ni계), CO전화용(Fe-Cr계 및 Cu-Sn계), 메탄화용(Ni계)으로 나눈다. 가스제조 원료로 이용되는 탄화수소류에 유황화합물이 포함되어 있고 이들 유황화합물은 스팀개질, 轉化, 메탄화 등의 촉매를 被毒한다. 유황분이 자유로운 탄화수소류는 Ni계의 스팀 개질촉매에 의해 H2, CO, CO2로 개질된다.

轉化촉매는 개질된 가스 중의 CO를 스팀과 반응시켜 H2, CO2로 전환하고 일반적으로 고온상태(약 400℃)와 저온상태(약 200℃)의 2단계로 나누어 실시한다. 전화반응후 CO2는 흡수액에 의해 분리되지만 소량의 CO2와 CO가 남게 된다. 현재, 해외에는 암모니아 플랜트에 대한 건설계획이 중동, 동남아 및 인도네시아에서 지속되고 있어 이 촉매 사용량이 증가할 것으로 전망된다.

또한 메탄올의 경우, 대규모 플랜트가 가동되고 있어 메탄올부터 수소제조를 위한 촉매 수요가 증가하고 있는 것으로 알려졌다. 수소용 촉매의 경우, 직접탈황용이 큰 비중을 차지하고 있지만 경유의 深度탈황에 따른 수요 증가가 기대된다. 또 수소관련 연료전지의 실용화에 대한 개발이 한창 진행되고 있어 이 분야의 촉매수요도 증가할 것으로 분석된다.

6. 유지가공용 촉매

유지가공업은 식용가공유지의 공업용 경화유제조, 지방산 및 고급알콜 등의 유지화성제품 제조, 세제·화장품공업, 계면활성제·가소제제조로 나눌 수 있다. 실용촉매는 환원니켈촉매, 라네니켈촉매, 동크롬촉매, 동니켈촉매 등이 있고 이를 촉매종류에 따라 경화유, 화장품유지, 고급알콜 및 아민으로 나눈다.

공업용·식용경화유 및 경화지방 제조의 경우, 유지는 탄소수와 불포화도가 다른 각종 지방산과 글리세린으로 된 혼합 트리글리세라이드로 구성되어 있고 탄소-탄소결합의 불포화결합을 가지고 있다. 수소첨가(경화)는 불포화결합을 수소화함으로써 안정성(내산화성, 내열성)을 개량하고 융점, 보형성 강화 등 유지 및 지방산의 화학적, 물리적 성질을 개량하기 위한 것이다.

여기에는 일반적으로 크레이크 상태의 환원니켈촉매가 사용되는데, 세계적으로 이 촉매를 개량하기 위해 파스텔상태의 것이 이용되고 있다. 공업용 경화유의 경우, 일반적으로 스테아린산과 같은 대표적인 포화지방산까지 극도로 경화시키기 때문에 특히, 고활성 촉매가 요구된다. 또 지방산의 경화유는 지방산 중에서 니켈용해가 일어나지 않는 내산성이 강한 촉매가 요구되고 있다.

식용경화유는 동·식물유를 수소화함으로써 마가린 등의 원료를 제조하고 있지만 반경화하는 경우가 많고 촉매의 선택적 수소화 능력이 요구된다. 종전에는 어유를 주체로 하는 동물유지용, 대두유와 채종유를 주체로 하는 식물유지용 등 용도별로 각종 촉매가 이용되고 있다.

화장용에 사용되는 유지, 지방산, 고급 알콜류는 함유하는 고도불포화성분에 의해 냄새가 나기 때문에 탈취방법으로는 수소화시키거나 수소화로 탈색한다. 이처럼 정제방법으로 수소화촉매가 사용되고 있고 이것이 화장품의 經日안정성을 갖는 요인이 된다. 촉매는 환원니켈, 라네니켈, 귀금속, 동크롬촉매 등이 사용되고 있다.

촉매를 사용한 환원법으로 고급알콜을 제조하는 경우, 지방산 메틸에스테르를 사용해 일반적으로 수소압 150~300kg/㎠, 온도 250~320℃에서 이루어지고 있다. 포화 알콜용 촉매는 현재 조촉매로 바륨, 망간 등이 첨가되고 있다. Re, Ru, Rh 등의 귀금속 촉매는 지방족환원 촉매로 활성, 선택성이 불충분하고 불포화알콜용 촉매로는 아연-크롬계, 아연-알루미나계, 카드뮴-구리계, 카드뮴-아연계 등이 공업화되어 있다.

양이온 계면활성제, 양성 계면활성제 등의 원료로 지방족아민은 지방족과 암모니아의 반응으로 얻은 니트릴을 원료로 제조된다. 그밖에 고급알콜을 원료로 하는 방법이 있지만 모든 수소화를 포함한 촉매반응이고 촉매기능으로서는 탈수소화 및 수소화(분산) 능력이 필요하고 이러한 균형이 최근 부각되고 있다.

7. 의약·약품제조용 촉매

이 부분의 촉매는 의약, 농약, 염료 등의 수요가 빠르게 증가할 것으로 전망되는 가운데 제암제, 항암제의 개발, HIV프로티아제 조해제, 차세대 항생물질, 제초제, 성장촉진제용 촉매가 늘어날 것으로 보인다. 의약, 농약, 향료, 염료 및 중간체 등을 합성하는 기술은 점차 고도화되고 있는데, 특히 촉매를 사용해 각종 관능기의 수소화반응은 정밀화학분야의 합성에 있어 매우 중요한 수단으로 여러 가지 분말상태의 촉매가 사용되고 있다.

여기에는 활성탄이나 알루미나 등의 담체에 각종 금속을 흡착시킨 담지형 촉매나 라네형 촉매가 있다. 대표적인 담지촉매인 귀금속촉매는 활성이 높은 조건에서 반응하지만 사용비용이 높다. 의약이나 정밀화학 제조에는 각종 촉매가 니트로基, 올레핀, 케톤알데히드 등의 수소화나 탈벤젠 반응 등에 폭넓게 사용되고 있다. 식품제조 분야에서는 촉매를 사용할 경우, 글루코스의 솔비드의 환원, 화학조미료 등의 합성이 주요하다.

파인케미칼분야의 합성에 이용되는 촉매담체로는 활성탄, 알루미나 등이 있다. 활성금속은 파라듐, 니켈을 이용해 담체와의 조합으로 다양한 촉매가 제조되고 있다. 대표적인 촉매로는 파라듐탄소, 백금탄소, 루데늄탄소 등의 촉매가 사용된다.

8. 자동차 배기가스 제거용 촉매

동남아 지역의 자동차산업 호조로 세계 촉매업체들이 동남아로 진출하려는 계획을 마련 중인데 Degussa가 일본촉매와 합작으로 동남아에, Elf Atochem은 타이에, 영국의 죤슨매티社는 말레이시아에 진출을 검토 중이다. 미국에서는 이미 디젤엔진에서 나오는 배기가스에 대해 석탄 및 CO, 탄화수소를 규제하고 촉매사용을 의무화하고 있어 조만간 국내에서도 규제가 있을 것으로 보이며, 이에 따라 이 부문의 촉매사용이 의무화될 것으로 전망된다.

가솔린차의 배기가스처리는 자동차의 전자화에 의해 엔진을 이론적인 空燃比로 제어하고 CO, HC, NOx를 촉매로 처리하는 3원촉매시스템이 주류를 차지하고 있고 촉매도 이에 대응하는 3원촉매가 정착되고 있다. 종래의 3원촉매의 주류를 보이고 있는 백색-로듐(Pt/Ph)계 촉매에 대해 저비용의 파라듐-로듐(Pd/Rh)계 촉매나 파라듐 단독 촉매가 성능향상에 사용되고 있다. 촉매에 이용되는 담체는 세라믹제인 하니컴담체가 고성능 자동차에 사용되고 있다.

세계적으로 자동차 배기가스규제가 강화되고 있는 가운데 미국·유럽, 호주, 대만, 브라질 등도 규제가 실시되고 있다. 특히, 미국에서는 HC 및 NOx에 대한 규제가 단계적으로 강화되고 있는 것으로 알려졌다. 또 지구온난화 및 석유자원보호를 위한 연비규제(CAFE규제) 강화가 예상된다. 따라서 세계적으로 촉매수요는 더욱 증가할 것으로 전망된다.

촉매의 활성성분으로 이용되는 백금, 파라듐, 로듐의 생산지역이 편중돼 있고 공급은 타이트한 상태다. 이러한 상황에서 성능향상과 귀금속의 저감을 목표로 한 개발이 진행되고 있고 산소저장능력이 높은 희토류금속을 다량으로 사용하는 촉매가 주류를 보이고 있다. 또한 귀금속을 사용하지 않은 기초금속계의 촉매개발이 시작되고 있는 가운데,가솔린 이외의 연료를 사용하는 차에 대해 규제강화가 예상된다.

9. 기타 공해방지용 촉매

공해방지용 촉매는 질소산화물 제거, 유황회수, 유기화합물 함유 폐가스처리, 탈취, 일산화탄소 산화용에 사용된다. 유황회수용 촉매로는 보크사이트와 알루미나 등이 사용되고 있다. 탈초산촉매의 경우, 고정발생원에 의해 배출된 NOx를 제거하는 배연탈초산은 암모니아를 환원제로 하는 건식선택적 접촉환원법이 주류를 보이고 있다.

촉매는 TiO2-V2O5계로 형태는 일체성형의 하니컴타입과 금속 또는 세라믹박판상태에 촉매를 코팅한 플레이트가 대표적이다. 주로 화력발전 보일러에 사용된다. 이밖에 산업용보일러, 소각로, 디젤엔진, 가스터빈에서 나오는 배기가스에 탈초산설비를 채용하는 경우가 늘어나고 있다. 세계적으로 독일의 경우는 수요가 감소하고 있지만 이태리는 화력발전소용으로 탈초산설비가 도입되고 있어 수요증가가 예상된다.

유기화합물 제거용 촉매의 경우, 촉매식접촉연소법은 에너지비용을 절감할 수 있고 NOx가 발생하지 않고 산화반응열의 유효이용이 가능하다. 또한 장치가 간편해 가격이 싸고 제거효과가 높다. 공장에서 배출된 유기화합물 함유 배기가스 중에서도 건조로 배기가스 및 화학플랜트 배기가스용으로 촉매 사용이 많다.

전자는 가스온도가 높고 유기화합물농도가 높고 처리가스량이 적어 촉매방식의 특징이 충분히 발휘된다. 후자(화학플랜트)는 유기화합물이 고농도로 저산소농도의 경우가 많고 장치가 간편해 반응열의 유효이용이 가능하다. 탈취용 촉매는 주로 각종 건조로 배기가스외에 식품제조, 비료, 사료공장, 각종 화학공장, 섬유, 건재, 전자부품공장, 수지가공에 사용된다. 또한 가스오븐이나 렌지 등의 가정용품에도 이용되고 있다.

10. 무기화학품 제조용 촉매

무기화학품 제조용 촉매에는 암모니아 합성용, 황산 및 초산 제조용, 분위기가스 제조용 촉매가 포함된다. 암모니아 합성용 촉매의 주성분은 Fe2O3, Fe3O4와 프로모타가 있다. 최근에는 운전개시후 10~15년 지난 플랜트에 촉매의 열화와 시간을 맞춰 암모니아합성 프로세스의 개량을 함께 실시하는 경우가 동남아시장에서 행해지고 있다. 황산제조용 촉매는 활성성분이 V2O5다. 이 촉매 수요는 전체적으로 낮은 수준을 보이고 있는 가운데, 최근에는 세슘을 조촉매로 첨가한 저온활성제 촉매가 일부 채용되고 있는 것으로 알려졌다.

초산제조용 촉매에는 주로 90%백색-10%로듐 합금만이 사용되고 있다. 이 촉매는 백금-로듐합금을 망 상태로 가공해 사용하고 있지만 최근에는 織網을 대신해 엮은 망이 등장해 암모니아의 산화효율을 높이고 있다.

촉매 시장현황

96년 국내 촉매 수입규모는 약 2억3000만달러로 일본산이 전체 수입규모 중 68%를, 미국산이 25%, 독일산이 2%를 차지했으며, 나머지 5% 가량은 영국 등지에서 수입된 것으로 조사됐다. 세계 촉매수요는 약 55억달러로 미국, 일본 및 유럽산이 대부분의 시장을 장악하고 있는데 지난 93년에는 총 55억6200만달러 중 미국산이 약 23억4200만달러규모, 유럽산이 25억2600만달러, 일본산이 6억9400만달러 규모를 보인 것으로 조사됐다.

국내에서 주요 공정별로 수입되는 촉매를 보면, 정유용 FCC촉매 수입이 연간 약 3000만~3500만달러로 추산되며, 중질유 Hydrotreating용으로는 1000만~1500만달러, Hydrocracking용으로 1000만~1500만달러, Reforming용으로 약 2000만달러어치가 수입되고 있는 것으로 분석됐다. 여기에 기타 정유용으로 3000만달러어치가 수입되고 있어 총 정유용으로 수입되는 촉매가 큰 비중을 보이고 있는데, 이 촉매는 주로 미국, 유럽에서 수입되고 있다.

FCC용 촉매는 정유 프로세스에서 원유 크래킹할 때 사용되는 촉매로 세계적으로는 큰 시장을 형성하고 있지만 국내에서는 지난 90년대 초부터 현재까지가 프로세스 도입단계로 향후 이 분야의 촉매 수요증가가 기대된다. 이밖에 중합용으로 많은 양의 촉매가 사용되는데 Purerefication용으로 200만~300만달러어치가 수입되고 있다. SM공정에서는 연간 1000만달러어치의 촉매가 사용되고 있으며, 대표적으로 LG화학에서 SM제조에 F2O3/D2O촉매를 Nissan-Gilrdler에서 250㎥가량을 25억원에 수입, 사용하고 있다.

한편 일본의 경우, 담체가 붙는 니켈촉매의 주 수출처는 대만, 한국 등으로 나타났고 기타 촉매는 인도네시아, 미국, 대만 등으로 조사됐다. 또한 반응개시제와 반응촉진제 및 조제촉매는 인도네시아, 오스트레일리아, 한국 등으로 나타났다.

촉매 연구동향

석유화학분야중 특히, 중합공정은 국내 촉매수요량의 약 40%를 차지하고 있고 환경분야는 세계적으로 환경오염물질 배출규제가 강화되고 있어 환경용 촉매분야가 전체 촉매산업에서 차지하는 비중이 점차 높아지고 있으나 자동차 배기가스 정화용 촉매만이 국내 합작사가 외국기술로 생산하고 있는 실정이다. 한 예로, LG화학은 지난 95년에 아크릴산 제조용 촉매를 자체 생산키로 결정하고 총 23억원을 투자해 촉매생산공장을 착공, 96년 1월에 완공해 2단계 촉매와 1단계 촉매를 생산했다.

또한 자동차용 촉매의 공급업체인 희성엥겔하드에서도 환경용 촉매연구와 주문에 의한 촉매 연구·생산으로 화학플랜트용 촉매의 국산화를 추진 중이다. 97년에는 특히, 희성엥겔하드가 주문을 받아 촉매를 제조하는 방법으로 촉매의 국산화를 본격적으로 이룰 것으로 보인다.

자료출처 : 케미칼리포트(1997년 7월 - 제 78호) / www.cischem.com

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