암모니아를 활용한 선택적 촉매 환원기술은 높은 효율성과 낮은 운영 비용으로 대기 오염물질 질소산화물 제거에 탁월하여 각광받아 오고 있으나 매년 강화되는 질소산화물 배출 규정을 준수하기 위해서는 종래의 기술들보다 더욱 효과적인 선택적 촉매 환원 기술이 도입되어야 하는 실정이다. 또한, 해당 기술은 발전소의 후처리 과정에서 많이 활용이 되는데 후처리 과정에 포함된 황산화물은 촉매 수명과 효율에 영향을 미치므로 이에 대한 영향도 고려되어야 한다.
공정의 운용 온도와 배기 가스 조성 등의 요인에 따라, 다양한 금속 산화물 기반 촉매와 제올라이트 기반 촉매들이 암모니아를 활용한 선택적 촉매 환원 기술에 활용되고 있다. 그중에서도 바나듐 산화물 기반 촉매는 높은 열 안정성과 경제적인 가격 때문에 많이 활용된다. 하지만, 최근 배출 규제를 충족시키기 위해서는 몇 가지 문제점들에 직면해 있다. 첫째, 기존 바나듐 산화물 기반 촉매의 높은 질소산화물 전환율은 300℃ 이상의 높은 온도에서만 달성할 수 있으나 최근 산업에서 실제로 운전되는 온도는 대부분 300℃ 미만이다. 게다가, 후처리 과정에서 황산화물과 물이 존재하게 되는데 황산화물이 산화되어 암모니아와 물의 반응물로 인해, 비활성화 물질인 암모늄 바이설페이트(ABS)가 생성되게 된다. 생성된 암모늄 바이설페이트가 촉매에 침적되게 되어 촉매의 효율과 수명을 감소시킨다는 문제점이 있다. 따라서, 저온에서 높은 질소산화물 제거 효율과 함께 더 적은 에너지 소비로 우수한 내황성을 확보하는 혁신적인 선택적 촉매 환원 기술이 필요하다.
이 같은 목표를 가지고 저온에서 내황성을 향상시키기 위해 V2O5/WO₃-TiO₂ 촉매와 다양한 온도에서 소성된 알루미나 촉매를 물리혼합방법으로 제조한 촉매들을 개발하였다. 혼합된 촉매 (V2O5/WO₃-TiO₂ + Al) 중에서 900℃에서 소성된 알루미나와 혼합된 바나듐 촉매가 강한 산점의 증가로 인해 가장 높은 내황성을 유지하였다. 물리 혼합 과정에서 생성된 물리적 접촉면을 통해 바나듐에 생성된 ABS가 혼합된 알루미나로 이동하여 바나듐 활성점이 황 피독으로부터 보호되어 저온에서도 우수한 내황성과 우수한 재사용성을 가지는 것으로 관찰되었다.
이 연구는 바나듐 산화물 기반 촉매(V2O5/WO₃-TiO₂)와 표면을 카본 처리한 제올라이트와 물리 혼합 방법으로 제조하여 물리적 및 화학적 비활성화를 동시에 해결할 수 있는 방법을 제시하였다. V2O5/WO₃-TiO₂ 촉매 및 알루미늄 사이트가 많은 제올라이트 Y를 물리 혼합방법으로 제조하였을 때, 활성 저하가 관찰되었다. 활성 저하의 주요 원인은 물리 혼합 과정 중 바나듐 종과 제올라이트 표면에 존재하는 알루미나 종의 화학적 상호작용을 통한 활성화 에너지 증가로 밝혀졌다. 이에 따라 제올라이트 표면에 옥타데실트리클로로실란(OTS)을 코팅처리 하여 V2O5/WO₃-TiO₂ 촉매와 물리 혼합하여 제조하였다. 개발된 촉매(V2O5/WO₃-TiO₂ + OTSY)는 물리적 및 화학적 중독을 동시에 억제하여 우수한 저온 활성과 내황성을 가지는 촉매 개발하였다.
더불어, 본 연구에서는 V2O5/WO₃-TiO₂ + 제올라이트 Y 촉매를 볼 밀링 머신을 통해 제조함으로서 볼 밀링 효과를 연구하였다. 볼 밀링을 이용한 촉매 제조를 통해 물리 혼합 방법에 따라 변화된 촉매 특성과 활성에 미치는 영향에 대해서 연구를 하였으며, 최적화 연구를 진행하였다.