요소수 대란, 석탄이랑 무슨상관이지?

https://www.hankyung.com/economy/article/2021110345407

"요소수 어디 없나요?"…온·오프라인 가리지 않고 '난리'

요소수 대란으로 말이 많다. 요소수와 배기가스 속 오염물질이 섞이면 환경오염을 덜 시킨다고 해서 경유차에 필수적으로 들어간다고 한다. 처음엔 이게 석탄과 관련된 문제라고 해서 읭? 불 때면 뭐가 달라지나? 하던차에 어떻게 요소까지 반응이 이어지는지 반응을 좀 찾아봤다. 일단 요소는 영어로 Urea이고, 우리 소변에도 들어있어서 흔히 들어봤을 화학 물질중에 하나일 것이다. 이 친구는 이렇게 생겼다.

 

Urea

이 친구를 만들려고 석탄을 쓴다는 것인데, 반응식은 다음과 같다.

 

2NH3 + CO2 → (NH2)2CO + H2O

간단히 얘기해서 이산화탄소랑 암모니아를 반응시켜서 물과 요소를 얻는 반응이다. 과정은 다음과 같다고 한다.

 

1. 석탄을 잘게 부수고 말려서 효율을 높인다.
2. Air Separation Unit (ASU)라고 불리는 공기 분리 기계에서 산소와 질소를 분리한다.
3. 산소와 석탄이 반응해서 syngas라고 불리는 합성 가스로 변한다. Syngas는 수소와 일산화탄소(CO)의 혼합물이라고 한다.
4. CO는 물(H2O)와 반응해서 CO2와 H2를 만든다. 
5. 불순물이 제거된 CO2가 분리되고 H2는 암모니아 합성에, CO2는 요소합성에 사용된다.
6. 분리된 질소와 수소가 암모니아(NH3)를 만들고, NH3와 CO2가 만나서 액체 요소를 만든다.

6-1. 암모니아와 이산화탄소는 180-210도, 150atm 조건에서 NH2COONH4 (ammonium carbamate)를 만들고

Ammonium Carbamate

6-2. 압력을 점차 줄여나가면서 분리가 일어나는데, 여기서 요소와 물이 만들어진다고 한다. 보통 물은 제거되고 요소 결정으로 판매된다고 한다. 

요소와 질소산화물의 반응

아, 그리고 요소는 배기가스의 주 성분인 질소산화물(NOx)과 반응하여 물, 이산화탄소, 질소가스로 바뀌어 배출된다고 한다. 이 과정은 Selective Catalytic Reduction이라고 하는데 (산소가 제거되니까 Reduction), TiO2같은 금속 산화물이 포함된 다공성물질 (구멍이 많아서 표면적이 넓은)촉매를 이용한다고 한다. 

출처: https://www.chemistryscl.com/advancedlevel/industry/urea/main.html

Urea Production and Manufacturing Process and Uses