학문
화학 공정에서는 왜 촉매를 반복해서 사용하게 되나요?
산업 현장에서 특정 반응을 진행할 경우 촉매를 여러 번 활용하는 경우가 많습니다. 이러한 운용 방식은 어떤 이유에서 선택되게 되는지 의견 부탁드립니다.
2개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 장철연 전문가입니다.
말그대로 촉매는 활성화 에너지를 낮추기위한 보조적인 수단인게 촉매입니다
공정품에 남는 것도 아니고 첫 투입후 이후에 총량이 큰차이는 없습니다. 고로 또 사용할 수 있지요
밥을 먹기위해 숟가락을 쓰는 것과 같은 이치입니다.
숟가락이 먹는다는 행위를 보조하는 촉매로 보시면 됩니다
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채택된 답변안녕하세요, 고온다습님. 이중철 전문가입니다.
우선, 화학 공정에서 촉매를 한 번 쓰고 버리지 않고 반복해서 사용하는 이유는 촉매의 화학적 특성과 산업 현장의 경제성, 효율성 때문인데요. 이해하기 쉽게 핵심 위주로 정리해 답변을 드리겠습니다.
1. 촉매는 반응 과정에서 '소모되지 않는 물질'입니다
이것이 가장 근본적인 과학적 이유입니다.
촉매의 본질적인 정의는 '화학 반응의 속도를 빠르게(또는 느리게) 만들어 주지만, 반응 전후에 자기 자신은 소모되거나 변하지 않는 물질'이기도 합니다. 촉매는 반응물과 '일시적으로' 결합하여 반응이 쉽게 일어날 수 있는 지름길(활성화 에너지가 낮은 경로)을 만들어 줍니다. 그리고 결과물(생성물)이 만들어지면, 촉매는 스르륵 떨어져 나와 다시 원래의 완벽한 상태로 돌아갑니다. 즉, 질량 보존의 법칙에 따라 처음 투입한 촉매의 양과 질량이 그대로 남아있기 때문에 물리적으로 여러 번 재사용이 가능한 것이랍니다.
2. 경제성 확보 ← 비용 절감
산업용 화학 공정에서 사용되는 촉매는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)과 같은 매우 희귀하고 비싼 귀금속인 경우가 많습니다. 만약 이 비싼 물질을 한 번만 쓰고 버린다면 제품을 만드는 비용이 기하급수적으로 올라갈 것입니다. 따라서 수십, 수백 번 반복해서 사용(또는 재생 처리하여 재사용)해야만 공장의 이윤(경제성)을 남길 수 있습니다.
3. 공정의 효율성과 폐기물 감소
촉매를 반복 사용하면 아주 적은 양의 촉매만 투입해도 대량의 화학제품을 쉴 새 없이 만들어낼 수 있습니다. 또한 촉매를 매번 교체하지 않고 연속적으로 반응기 안에서 돌리게 되면, 새로운 촉매를 투입하고 빼내는 데 드는 시간과 공정 중단(Downtime)을 줄일 수 있습니다. 환경적인 측면에서도 폐촉매라는 산업 폐기물의 발생을 크게 줄일 수 있어 친환경적이지요.
4. (참고) 다만, 영원히 쓸 수 있는 것은 아닙니다
이론적으로는 영원히 쓸 수 있지만, 실제 산업 현장에서는 촉매를 계속 쓰다 보면 불순물(황, 탄소 등)이 촉매 표면에 달라붙어 성능이 떨어지는 '촉매 피독(Poisoning)' 현상이란 것이 발생합니다. 그래서 여러 번 반복 사용하다가 효율이 떨어지면, 반응기에서 빼내어 깨끗하게 세척하고 재생(Regeneration)하는 과정을 거쳐 다시 사용하게 된답니다.
정리하자면,
화학 공정에서 촉매를 반복 사용하는 이유는 촉매 자체가 화학 반응에 직접 참여하지 않아 소모되지 않는 물리적 특성을 가졌기 때문이며, 이를 통해 값비싼 촉매 구입 비용을 절감하고 공정의 효율성을 극대화할 수 있기 때문이랍니다.
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