촉매장치

촉매장치(Catalytic converter)는 배출가스 제어장치로서 산화환원 화학반응을 촉진하는 촉매방식을 적용하여 엔진 배기가스중의 유독가스와 오염물질을 많이 줄여준다. 촉매변환장치라고도 한다. 촉매장치는 통상적으로 가솔린과 디젤을 연료로 사용하는 내연기관에 적용되며 린번 엔진(lean-burn engines), 등유 히터나 난로에도 적용된다.

개요

자동차 배기가스는 주로 질소 가스, 이산화탄소, 수증기로 구성되며 이 외에 일부의 일산화탄소, 미연소 탄화수소 또는 휘발성 유기 화합물, 질소 산화물이 들어 있다. 이 중에서 일산화탄소, 미연소 탄화수소, 질소 산화물은 인체나 환경에 유해한 물질들이어서 전 세계적으로 배출규제가 적용되고 있다.

촉매장치는 이러한 유해물질의 배출을 줄이기 위해 고안된 장치이며 2원 촉매장치와 3원 촉매장치 두 가지 종류가 있다. 2원 촉매장치는 일산화탄소의 산화 반응을 촉진하여 이산화탄소로 전화시키고 탄화수소의 산화반응을 촉진하여 이산화탄소와 물로 전환시키는 작업을 동시에 추진한다. 3원 촉매장치는 2원 촉매장치 대비 질소 산화물의 배출을 제어하는 기능이 추가되었다. 질소 산화물의 환원반응을 촉진하여 질소로 전환시키고 탄소, 탄화수소 및 일산화탄소의 산화반응을 촉진하여 이산화탄소로 전환시킨다.

산화환원반응을 일으키는데 사용하는 촉매는 알루미늄에 백금(platinum)과 로듐(rhodium), 팔라듐(palladium)과 같은 희토류 금속을 추가하여 사용된다. 백금은 활성이 가장 강한 물질로서 널리 사용되고 있으나 높은 원가와 불필요한 부대 반응으로 모든 응용에 적합한 것은 아니다. 팔라듐과 로듐은 적용되고 있는 기타 두 가지 물질이며 이 중에서 로듐은 환원반응 촉매로 사용되고 팔라듐은 산화반응 촉매로 사용된다. 이 외 백금은 환원반응, 산화반응 모두에 촉매로 사용할 수 있다. 세륨(Cerium), 철, 망간 및 니켈도 사용되고 있으나 각 자 자체의 한계가 있다. 니켈의 사용은 일산화 탄소와의 화학반응으로 독성 물질 니켈테트라카르보닐(nickel tetracarbonyl)을 생성하기에 유럽에서 규제를 받고 있으며 동의 사용은 북미를 제외한 세계 각 지역에서 사용 가능하나 북미에서는 다이옥신 생성의 연유로 불법취급을 받고 있다.

촉매장치는 금속제 하우징(Metal housing)속에 들어 있는 담체(substrate)와 담체 위의 중간층(wash-coat) 및 중간층 위에 도포된 촉매물질의 얇은 층(coating layer)으로 구성되며 담체는 촉매장치의 골격으로 구슬형(Pellet type)과 세라믹 일체형(Ceramic monolith), 금속일체형(Metal monolith)으로 나눈다.

전 세계에서 첫 번째로 촉매장치를 도입한 나라는 미국이다. 미국 환경보호국의 배기 배출을 대상한 엄격한 규제에 따라 가솔린 엔진이 탑재된 1975년 신차 모델부터 2원 촉매장치가 표준 장치로 적용되었으며 1981년에 3원 촉매장치로 2원 촉매장치를 대체하였다. 단 3원 촉매장치가 농후한 연소조건 또는 이론 공연비 조건에서 질소 산화물의 처리가 가능하기 때문에 린번 엔진(lean-burn engine)에는 아직까지 2원 촉매장치가 적용되고 있다.

촉매장치는 대부분 자동차 배기 시스템에 적용되고 있지만 전력발전기, 지게차, 채굴설비, 트럭, 뻐스, 기관차, 모터싸이클 및 선박에도 적용된다. 촉매장치의 적용은 통상적으로 직접적인 환경 규제 또는 건강과 안전 규제를 통한 정부규제에 따른다.

참고자료

• "Catalytic converter", Wikipedia
• "Is the Catalytic Converter Important? How Catalytic Converters Work", Caterpillar Equipment, 2018-06-03

같이 보기

• 배기
• 배기장치

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