요소수는 디젤 차량의 배출가스에 포함된 질소산화물을 줄이기 위해 사용되는데요. 요소수가 어떤 화학적 반응을 통해 오염물질을 감소시키는지 궁금합니다.

Question

김지호 · Accepted Answer

안녕하세요.요소수는 디젤 차량 배기가스 속 질소산화물을 질소와 물로 바꾸기 위해 사용하는 수용액으로, 보통 고순도 요소 약 32.5%와 정제수로 구성되며, 배기 라인에 분사됩니다. 핵심은 SCR 시스템이라는 후처리 장치에서 일어나는 촉매 반응인데요, 우선 요소수는 뜨거운 배기관으로 분사되면 물이 증발하고, 남은 요소가 열에 의해 분해됩니다. 요소가 암모니아를 형성하는 반응에서 생성된 아이소시아닉산은 배기가스 내 수분과 다시 반응해 추가 암모니아와 이산화탄소를 만듭니다. 즉 최종적으로 요소 1분자는 암모니아 2분자를 공급하는 역할을 하는데요, 즉 실제 질소산화물을 제거하는 반응물은 요소 자체가 아니라 암모니아라고 보시면 됩니다. 요소수는 암모니아를 안전하고 다루기 쉬운 형태로 운반하는 수단이라고 볼 수 있습니다. 이후 배기가스가 SCR 촉매를 통과할 때 암모니아가 질소산화물과 선택적으로 반응하면서 결과적으로 인체와 대기오염에 문제가 되는 질소산화물이 공기 중 대부분을 차지하는 질소 기체와 물로 바뀝니다. 이때 촉매가 중요한 이유는 반응 속도를 크게 높이고 필요한 온도를 낮춰 주기 때문인데요, SCR 촉매에는 바나듐계, 구리와 철 담지 제올라이트계 소재 등이 사용됩니다. 촉매 표면에서 암모니아와 질소산화물이 흡착되고 전자 이동이 일어나 효율적으로 환원 반응이 진행될 수 있습니다. 다만 온도가 너무 낮은 경우에는 요소가 완전히 분해되지 않아 시아누르산 유도체와 같은 침전물이 생길 수 있고, 너무 높거나 분사 제어가 부정확하면 남은 암모니아가 배출되는 암모니아 슬립 문제가 생길 수 있습니다. 따라서 차량은 센서와 제어장치로 배기가스 온도, NOx 농도, 요소수 분사량을 정밀하게 조절합니다. 감사합니다.

이충흔 · Answer

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.요소수는 디젤 엔진에서 발생하는 질소산화물을 인체에 무해한 물질로 바꾸기 위해 사용하는 수용액입니다. 이 과정은 선택적 촉매 환원이라 불리는 SCR 시스템에서 진행됩니다.​먼저 뜨거운 배기 가스 통로에 요소수가 분사되면 높은 열에 의해 수분은 증발하고 요소 성분은 암모니아와 이소시안산으로 분해됩니다. 이후 수증기와 결합하는 가수분해 과정을 거치면서 최종적으로 암모니아가 생성됩니다. 사실상 요소수는 독성이 강하고 보관이 어려운 암모니아를 안전하게 운반하여 공급하기 위한 매개체 역할을 하는 셈입니다.​이렇게 만들어진 암모니아는 배기 가스 속에 섞여 있는 질소산화물과 함께 SCR 촉매를 통과하게 됩니다. 이때 촉매 안에서 암모니아는 질소산화물과 화학 반응을 일으켜 이를 질소와 물로 환원시킵니다. 대기 오염의 주범인 질소산화물이 우리 공기의 대부분을 차지하는 질소와 깨끗한 물방울로 변해 배출되는 원리입니다.​정리하자면 요소수는 열분해를 통해 암모니아를 만들고, 이 암모니아가 촉매의 도움을 받아 질소산화물을 깨끗한 질소와 물로 분해하는 일련의 화학적 정화 과정을 수행합니다. 이를 통해 디젤 차량은 환경 규제를 충족하면서도 유해 물질 배출을 획기적으로 줄일 수 있습니다.