선택적 촉매 환원법(SCR)은 질소산화물을 제거하는 대표적인 공정으로 질소산화물이 촉매상에서 암모니아와 반응하여 질소 가스와 물로 환원된다. 요소수는 운반 및 보관이 안전하고 가격이 비교적 저렴하여 CSR의 환원제로 널리 사용되고 있다. 그러나 요소수는 CSR의 작동 온도 범위인 300~400 ℃에서 열분해 효율이 낮다는 단점이 있다. 그러므로 CSR 적용 대상 중 연소 가스를 재가열하여 요소수를 분해하는 시설 (화력 발전소, 소각 시설, 제철소 소결로, 그리고 선박의 엔진)에서 에너지가 추가로 필요하다는 문제점이 있다. 또한 2021년 국내에서 요소수 대란을 통해 경험했듯이 요소는 일부 국가의 공급에 따라 가격 변동성이 크고 수급이 어려울 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 대체 환원제의 필요성이 부각되고 있다. 암모늄염 중 탄산암모늄, 카르밤산 암모늄, 포름산 암모늄은 열분해 효율이 높아 요소의 대체물질로 연구가 되었지만 요소에 비해 높은 가격과 낮은 암모니아 함량으로 요소를 완전히 대체하기 어려운 한계점을 가진다. 대신 요소와 암모늄염을 혼합하면 각 물질의 특성상 수용액의 열분해 효율은 요소수에 비해 증가하며, 가격과 암모니아 함량은 암모늄염 수용액에 비해서 개선될 것이라 예상한다. 그러므로 요소와 암모늄염의 혼합이 수용액의 열분해를 통한 암모니아 생성에 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구가 필요하다.

  본 연구에서는 요소와 암모늄염 혼합이 수용액 열분해에 따른 암모니아 발생량과 열분해 효율에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 우선 탄산암모늄, 카르밤산 암모늄, 포름산 암모늄 중에서 요소와 혼합하기에 적합한 물질을 선정하기 위해 각각의 물질을 요소와 혼합한 수용액을 열분해하여 암모니아 발생량을 비교하였다. 이 때 각 혼합 수용액의 암모니아 함량이 같도록 수용액에서 요소 비율을 40 wt.%로 고정하고 동일한 암모니아 함량만큼의 암모늄염을 혼합하였다. 3가지 혼합 수용액 중 요소와 탄산암모늄을 혼합한 수용액의 암모니아 발생량이 가장 높은 것을 확인하였다. 또한 요소와 탄산암모늄의 물질간 저해효과가 있는지 확인하기 위해 40 wt.% 요소 수용액과 20 wt.% 탄산암모늄 수용액 각각의 암모니아 발생량 합과 40 wt.% 요소와 20 wt.% 탄산암모늄 혼합 수용액의 암모니아 발생량을 비교하였다. 300 ℃와 400 ℃에서 암모니아 발생량을 비교한 결과, 요소와 탄산암모늄의 물질간 저해효과가 없었음을 확인하였다. 이를 통해 암모늄염 중 탄산암모늄을 혼합 물질로 선정하였으며, 혼합 수용액의 요소와 탄산암모늄 비율에 따른 암모니아 발생량과 요소의 열분해 효율을 분석하였다. 혼합 수용액의 암모니아 함량은 기존 산업에서 사용하는 40 wt.% 요소수와 동일한 상태에서 요소와 탄산암모늄의 비율을 변경했을 때 탄산암모늄 비율이 높아질수록 암모니아 발생량 및 요소의 열분해 효율이 증가하였다. 또한 암모니아 함량이 높은 40 wt.% 요소와 20 wt.% 탄산암모늄 고농도 혼합 수용액도 요소수에 비해 열분해에 따른 암모니아 발생량과 요소의 열분해 효율이 증가하였다. 이러한 결과를 통해 요소와 탄산암모늄을 혼합하면 수용액의 열분해 효율이 증가하는 것을 확인하였다. 혼합 수용액의 열분해에 필요한 에너지를 분석한 결과, 요소에 비해 탄산암모늄이 열분해에 필요한 에너지가 낮고, 고농도 혼합 수용액의 경우 물 비율이 낮기 때문에 탄산암모늄을 혼합하면 열분해 효율이 증가한다고 판단된다.

  그러나 탄산암모늄의 가격이 요소에 비해 높기 때문에 혼합 수용액의 가격 증가와, 열분해 효율이 개선됨에 따른 열분해에 드는 에너지 비용 감소를 함께 고려하여 혼합 수용액의 암모니아 생성 비용을 분석하였다. 그 결과, 혼합 수용액의 가격 증가량이 에너지 비용 감소량보다 커서 종합적으로 요소수에 비해 암모니아 생성 비용이 증가하였다. 이러한 결과를 종합해볼 때, 요소와 탄산암모늄을 혼합하면 수용액 열분해 효율이 개선된다는 장점이 있지만 암모니아 생성 비용은 요소수에 비해 높아진다. 하지만 요소와 에너지의 가격이 증가하게 되면 요소수에 비해 혼합 수용액의 암모니아 생성 비용이 작아지며, 요소 수급이 어려울 때 요소 의존도를 줄일 수 있는 대안으로서 경쟁력을 가질 것이다.