Katalizatory

Współczesny świat nie mógłby funkcjonować bez motoryzacji. Oprócz samochodów osobowych,praktycznie każdy rodzaj przemysłu wykorzystuje pojazdy silnikowe czy to w formie transportu czy tez jako maszyny robocze . Tworzy to sytuacje w której miliony pojazdów poruszających się po naszych drogach, emituje ogromne ilości zanieczyszczenia powietrza. Szczególnie w dużych miastach staje się to bardzo poważnym problemem. Aby poprawić sytuacje oraz przeciwdziałać postępującej degradacji środowiska przez gwałtowny rozwój przemysłu motoryzacyjnego, wiele państw i rządów wprowadza przepisy normujące ilość emitowanych spalin, czy tez jakość paliwa. Dodatkowo producenci samochodów zostali zobligowanie aby udoskonalać swoje produkty tak aby generowały jak najmniejsza ilość szkodliwych spalin. W ciągu lat powstało wiele udoskonaleń silnika czy tez systemów paliwowych spełniających wyśrubowane normy środowiskowe. Jedną z takich znaczących zmian było zastosowanie w 1975 roku prostego urządzenia, zastosowanego w systemie wydechowym, którego głównym zadaniem jest przekształcanie szkodliwych gazów powstających podczas pracy silnika, w mieszankę jak najbardziej przyjazna i obojętną środowisku. Tym urządzeniem jest Katalizator a właściwie poprawnie konwerter katalityczny.

Nowoczesne silniki samochodowe są współcześnie wyposażone w szereg systemów kontrolujących ilość i jakość spalanego paliwa. Dąży się do tego aby utrzymać mieszankę powietrzno-paliwowa jak najbliżej stechiometrycznego punktu, którym jest idealny stosunek powietrza do paliwa. Teoretycznie, ten stosunek występuje gdy całość paliwa spalana jest za pomocą całego tlenu z powietrza. W przypadku benzyny, stechiometryczny stosunek wynosi około 14.7:1, co oznacza, że dla każdego kg benzyny, przypada14,7 kg powietrza w którym zostaje całkowicie spalona. Mieszanka paliwowa podczas jazdy, rzeczywiście jednak odbiega od idealnej proporcji. Czasami tworzy się mieszanka uboga (więcej niż 14.7 kg powietrza na 1 kg paliwa) lub wzbogacona (mniej niż 14.7 kg powietrza na 1 kg paliwa). Ma to znaczący wpływ na osiągi silnika oraz ilość i rodzaj emitowanych przezeń zanieczyszczeń.

Główne gazy emitowane przez silnik samochodu:

Gazowego azotu (N2) – w powietrzu jest 78 azot, a większość z tego przechodzi przez sam silnik samochodu.
Dwutlenek węgla (CO2) – jeden z produktów spalania. Węgla związany w paliwie łączy się z tlenem zawarty w powietrzu.
Para wodna (H2O) – kolejny produkt spalania. Wodór występujący w związkach w paliwie łączy się z tlenem z powietrza.

Emisje tych związków w większości nie stanowią istotnego zagrożenia dla środowiska. Trzeba jednak pamiętać że dwutlenek węgla jest gazem cieplarnianym i znacząco przyczynia się do ocieplenia i zmian klimatycznych na naszej planecie. Problem pojawia się gdy następuje niecałkowite spalanie mieszanki paliwowo- powietrznej. Wówczas tworzą się inne związki pośrednie i to waśnie one stanowią główne zanieczyszczenie emitowane przez samochody. I tutaj pojawia się rola omawianego urządzenia katalizatora – którego głównym zadaniem jest zmniejszenie ilości tych związków.

Działanie i budowa katalizatora

W chemii „katalizator” to substancja, która powoduje lub przyspiesza reakcję chemiczną, przy czym sama zostaje zachowania tzn. nie zużywa się. Ułatwia interakcje reagentów i powstawianie produktów.

W katalizatorze, istnieją dwa rodzaje jednostek katalitycznych :redukujący oraz na którym zachodzą reakcje utleniania. Oba typy składa się z ceramicznej struktury pokrytej katalitycznym metalem, zwykle platyna, rod i / lub pallad. Rdzeń ceramiczny, tworzący swego rodzaju przelotowe sito, ma za zadanie wytworzyć strukturę gdzie na jak największej powierzchni katalizator (metal) może wejść w kontakt z przypływającymi spalinami. Łączna powierzchnia tych struktur ( kanalików) może nawet przewyższać rozmiar przeciętnego boiska. Również dzięki zastosowaniu rdzenia ceramicznego zostaje zminimalizowana ilość katalitycznych metali szlachetnych które są bardzo drogie. W niektórych katalizatorach zastosowano również złoto zmieszane z powszechnie używanymi metalami szlachetnymi. Złoto jest tańsze od innych katalitycznych metali i zwiększa wydajność reakcji utleniania dzięki czemu proces redukcji zanieczyszczeń stał się bardziej wydajny, nawet o około 40%. W silnikach benzynowych katalizator nazywany jest trójdrożnym (trójfunkcyjnym) ponieważ jego działanie polega na katalitycznym rozkładanie 3 podstawowych zanieczyszczeń w strumieniu gazów spalinowych. A są to:

-Tlenek węgla (CO)- trujący gaz, który jest bezbarwny i bezwonny.

-Węglowodory lub lotne związki organiczne (VOC)- jest głównym składnikiem smogu wytwarzanego głównie przez odparowanie i niecałkowite spalanie paliwa.

-Tlenki azotu (NO i NO2, razem zwane NOx)- są czynnikiem smog i kwaśne deszcze, które również powoduje podrażnienie błon śluzowych człowieka.

Tak więc na jeden konwerter katalityczny przypadają dwa fizykochemiczne struktury (katalizatory).

Pierwszy od strony silnika to katalizator redukcyjny - zawierający jako metal katalityczny platynę i rod, a jego zadaniem jest rozkład tlenków azotu takich jak NO oraz NO2.

2NO => N2 + O2 lub 2NO2 => N2 + 2O2
2NO => N2 + O2 lub 2NO2 => N2 + 2O2

Cząsteczki tych gazów wychwytywane przez aktywne miejsca katalityczne ulęgają rozerwaniu. Cząsteczka azotu unieruchomiona na powierzchni katalitycznej zostaje przyłączona do innej cząsteczki N dzięki czemu powstaje N2, obojętna dla środowiska oraz odczepiona wcześniej cząsteczka tlenu, wykorzystana w drugiej części konwertera katalitycznego – oksydacyjnej.

Katalizator oksydacyjny - w tym 2 etapie następuje redukcja nie spalonych węglowodorów i tlenku węgla, w wyniku reakcji spalania (utleniania) w obecności platyny i palladu. W procesie tym wykorzystany jest „ odzyskany” tlen z pierwszego etapu redukcyjnego.

Ogólna reakcja spalania tych związków:
2CO + O2 => 2CO2

Istnieją 2 główne rodzaje katalizatorów w których zastosowano różne rozwiązania rdzenia ceramicznego- w formie kulek ceramicznych albo jako struktura przypominająca plaster miodu. Większość samochodów współcześnie wykorzystuje katalizatory w których rdzeń ceramiczny jest właśnie w tej drugiej formie.

Oprócz samego katalizatora w układzie wydechowym do zmniejszenia zawartości szkodliwych gazów z spalinach jest wykorzystywany system czujników (sonda Lambda). Czujnik ten zamontowany nad katalizatorem , bliżej silnika, wykonuje pomiar zawartości tlenu w gazach spalinowych oraz przesyła informacje do centralnego komputera. Ten z kolei może zwiększać lub zmniejszać zawartość tlenu poprzez odpowiednie regulacje wtrysku paliwa. Dzięki czemu silnik pracuje blisko stechiometrycznego punktu, a także umożliwia to wytworzenie wystarczająco dużej ilości tlenu w spalinach aby podnieść wydajność katalizatora przy utlenianiu nie spalonych węglowodorów i CO. O takich katalizatorach mówimy regulowane.

Jednym z największych wad katalizatora jest to że działa on prawidłowo w wysokich temperaturach. Ok. 800 stopni . Przy chłodnym silniku tuż po uruchomieniu, katalizator prawie w ogóle nie redukuje zanieczyszczeń w układzie wydechowym. Jednym ze sposobów obejścia tego problemu jest montowanie katalizatorów bliżej silnika po to aby gorące spaliny dotarły do konwertera jak najszybciej i go ogrzały. Oczywiście ma to swoje minusy ponieważ wysoka temperatura znacznie skraca żywotność przetwornicy.

W silnikach wysokoprężnych (Diesla) katalizatory maja nieco inne zadanie. Skład spalin różni się tu od silników benzynowych przede wszystkim ilością CO, gdyż mieszanka paliwo- powietrze jest tu spalana w nadmiarze powietrza. Natomiast powstaje dużo tlenków azotu, które udaje się zredukować już w samym silniku, poprzez recyrkulację spalin (część spalin miesza się ze sprężanym powietrzem), a także cząstek stałych których redukcja następuje wskutek doładowania. Tak że silniki Diesla nie musza być wyposażone w katalizatory a i tak spełniają normy. Obecnie jednak stosuje się je w tego typu silnikach, aby jak najbardziej zminimalizować powstałe zanieczyszczenia.