자동차 촉매는 왜 비쌀까? 촉매 귀금속의 비밀

촉매는 왜 백금, 팔라듐, 로듐 같은 귀금속인가?

촉매에 대해서 알기 전에 자동차의 연료에 따른 배출가스의 종류부터 알아야 한다. 내연기관에서 나오는 유해 가스로 크게 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)가 발생한다. 과거 가정내 질식사의 주원인이었던 일산화탄소는 헤모글로빈과 결합해 현기증이나 심각한 경우 사망에 이르게 한다. 탄화수소는 점막을 자극하고 조직을 파괴한다. 그리고 질소산화물의 경우는 과거 미국과영국의 악명높았던 스모그를 일으키는 주요원인으로 이산화질소나 일산화질소는 인체에 유해한 영향을 끼친다.따라서 인류에 이롭지만 인체에는 해로운 자동차의 배기가스 배출 조성을 강력한 법으로 각국에서 막고 있다. (물론 선진국에 한해서)

배기가스를 온도가 800~1050도 까지 치솟는 배기라인에서 금속이 녹아 엉겨붙지 않고 유해물질을 빠르게 환원시키는 물질은 백금족에 현재로선 정답이다. 우리가 과학시간에 배웠듯이, 화학반응에 필요한 활성화에너지를 낮춰 빠르게 반응이 이뤄지게 만들기 위해서는 백금족 촉매가 필수적이다.

탈거된 배기가스 촉매 재생품, 일부 업자들이 검사만 회피할 목적으로 저가의 촉매를 장착

로듐과 팔라듐의 역할분담

팔라듐(Pd) - 산화 전문
- 일산화탄소와 덜탄 연료(탄화수소,HC)에 산소를 결합시켜 이산화탄소와 물로 산화 배출
- 백금보다 고온 열적 안정성이 뛰어나 가솔린 고온 배기열을 견딤

로듐(Rh) - 환원 전문
- 질소산화물(NOx)에서 산소를 강제로 떼어내 질소로 환원 배출
- 질소산화물 환원 능력에서 지구상 어떤 금속도 로듐을 대체하지 못함. 이에 촉매 귀금속 중 가장 몸값이 비쌈

CF) 황산화물(SOx)은 연료 내 황이 타서 생기며 귀금속 표면을 마비시키는 "촉매독"이므로 정유사에서 탈황공정을 통해 10ppm 이하로 관리함

엔진 방식별 연소 특성과 촉매 귀금속 비율의 차이

자연흡기(NA) MPI
- 흡기 밸브 밖에서 공기와 연료가 미리 섞여 들어가 완전 연소에 가까움
- 급격한 매연이나 NOx 피크가 적어 팔라듐 위주에 최소한의 로듐만 배합

자연흡기(NA) GDI - 배기가스 내 질소산화물과 탄화수소 급증
- 실린더 내부에 150~200bar로 연료를 고압 직분사. 피스톤 상단에 부딪힌 액적 때문에 국소적으로 산소 부족 발생
 ; 탄화수소 증가
- 높은 압축비로 연소실 화염 온도가 급상승하여 공기 중 질소가 산화
 ; 질소산화물 대량 배출
- 따라서 로듐의 비율이 MPI에 비해 더 높아짐

Turbocharger-GDI - 연료 과다분사와 일산화탄소/탄화수소 폭발
- 터보가 공기를 억지로 밀어넣어 폭발력과 열이 극단적
- 급가속/고부하 시 엔진 노킹과 터빈 파손을 막기 위해 ECU가 연료를 들이 붓는 연료 과다 상태
- 산소 부족으로 일산화탄소와 탄화수소가 쏟아져 나오며, 정산 연소 시엔 NOx가 피크를 찍음
- 로듐이 GDI보다 적은 비율이지만, 전체적인 촉매의 양이 늘어남
- 유로6d 규제 이후 디젤의 경우와 마찬가지로 GPF(Gasoline Particle Filter) 도입

LPI - LPi에는 로듐이 많을 수 밖에 없음
- 프로판가스의 탄소수가 적어 일산화탄소와 카본은 적음
- 가솔린 대비 이론 연소 온도가 더 뜨거워 질소산화물 배출량이 가솔린보다 높음
- 일산화탄소/탄화수소용 팔라듐을 적게 넣는 대신, 질소산화물을 잡기위해 로듐비율이 높아짐
- 폐촉매 시장에서 LPi 촉매가격이 비싼 이유

거래처에 납품한 촉매들. 제대로 모르면 헐값에 팔아야한다. 알아야 판다.

자동차의 촉매값은 그냥 비싼게 아니다.

자동차 촉매는 환경규제가 강화됨에 따라 요구되는 수치를 맞추기 위해, 각 엔진별 특성에 따른 환경규제를 피하기 위해 만들어진 산물임을 인식해야한다. 사실 촉매 업자들도 일부를 XRF를 들고다니면서 확인하는 분들 빼고 가격을 제대로 아는 사람이 없다. 그저 매입처에서 받는대로 촉매가격이 비싸게 팔리니 팔 뿐. 그래도 이정도 상식을 들고 촉매에 대해 얘기한다면 학부 수준이상의 지식이라고 봐도 괜찮을것 같다. 화학공학과 출신인 나도 환경규제나 배출가스에 대해서는 모르고, 업계 종사자들은 제대로 알지도 모르겠다.

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