안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
촉매 비활성화의 가장 흔한 원인은 피독입니다. 반응물이나 원료에 포함된 황, 중금속, 질소 화합물 등의 불순물이 촉매의 활성점에 강하게 결합하면서 화학 반응이 일어날 자리를 빼앗는 현상입니다. 또한 석유화학 공정과 같이 탄화수소를 다루는 반응에서는 부산물인 탄소 덩어리가 촉매 표면과 기공에 쌓이는 코킹이 자주 발생하여 반응물의 접근을 막습니다. 열적인 요인으로는 고온 노출로 인해 미세한 나노 크기의 촉매 입자들이 서로 엉겨 붙어 유효 표면적이 줄어드는 소결 현상이 있으며, 촉매 활성 성분이 지지체와 반응하여 알루미네이트 같은 비활성 결정 구조로 변하는 상변화도 활성을 떨어뜨립니다. 이 외에 유동층 반응기 내에서 입자가 부딪쳐 가루가 되거나 반응액에 금속이 녹아 나오는 마모 및 유실도 물리적인 활성 저하 원인에 해당합니다.
열로 인해 촉매 입자가 뭉친 소결의 경우, 백금 등 귀금속 촉매는 염소 기체와 산소를 주입하는 옥시염소화 반응을 이용합니다. 염소와 결합해 이동성이 생긴 금속 성분이 촉매 표면에 다시 넓게 퍼진 후 환원되어 원래의 미세한 입자 상태를 회복합니다. 또한 산화 상태가 변해 성능이 떨어진 금속 촉매는 산소와 수소 기체를 순차적으로 투입하는 재산화 및 재환원 단계를 거쳐 활성 산화수로 복원합니다.
다만 촉매의 지지체 구조가 열로 인해 완전히 무너졌거나, 불가역적인 중금속이 촉매 내부 깊숙이 침투했거나, 기계적 충격으로 형체가 파손된 경우에는 재생이 불가능합니다. 이러한 폐촉매는 습식 및 건식 제련 공정으로 보내어 내부의 백금, 팔라듐, 니켈, 몰리브덴 같은 고가의 귀금속을 추출·정제한 뒤 새 촉매를 만드는 원료로 재활용합니다.