Каталитички конвертор - пријател на чистиот воздух

Каталитичкиот конвертор е уред за контрола на издувните гасови што ги претвора токсичните гасови и загадувачите во издувните гасови  од моторот со внатрешно согорување во помалку токсични загадувачи со катализирање на редокс реакција.  Каталитичките конвертори обично се користат кај мотори со внатрешно согорување на гориво со бензин или дизел, вклучително и керозински грејачи и шпорети, електрични генератори, вилушкари, опрема за рударство, камиони, автобуси, локомотиви, мотоцикли и на бродови.

Катализаторите не се  вчерашни....

Нема да поверувате дека прототиповите на катализаторите за првпат се дизајнирани во Франција на крајот на 19век, кога имало само неколку илјади автомобили на патиштата; овие прототипови биле направени од инертни материјали, базирани на глина, обложени со платина, родиум и паладиум и затворени во двоен метален цилиндар. Скапата платина била избрана за најадекватен катализатор по многу експерименти со поевтини алтернативи, затоа што била постабилна во издувните гасови и помалку подложна на труење со сулфурни соединенија кои потекнуваат од сулфурот во горивото. На овој принцип, воглавно,функционираат и денешните најсовремени конвертори.

Неколку децении подоцна, современиот катализатор е патентиран од Јуџин Худри (Eugène Houdry), француски машински инженер. Хаудри бил експерт за рафинирање на сурова нафта, кој го измислил процесот на каталитичко крекирање, врз кој денес се заснова целото модерно рафинирање.

Главен проблем бил средството против тропање (трокирање) на моторот, тетраетил олово од автомобилскиот бензин. Оловото е каталитички отров и ефикасно би го уништил катализаторот со обложување на површината на катализаторот. Барањето за отстранување на оловото овозможило употребата на катализаторите да ги исполни другите стандарди за емисија во еколошките регулативи.

Конструкција на каталитички конвертор

Било која марка на катализатори мора да ги има овие главни компоненти:

1) Носач (подлога) на катализаторот- обично цврсто тело со голема површина, на кое се нанесува катализаторот. Активноста на хетерогените катализатори главно се промовира од атомите присутни на пристапната површина на материјалот. Затоа, се прави голем напор за да се максимизира специфичната површина на катализаторот. Еден популарен метод за зголемување на површината вклучува дистрибуција на катализаторот преку површината на носачот. Носачотможе да биде инертна  супстанца или да учествува во каталитичките реакции. Вообичаените носачи вклучуваат различни видови на јаглерод, глина и силикати.За автомобилски катализатори, јадрото е обично керамички монолит кој има структурана саќе (најчесто квадрат или шестоаголник).

2) Премазот е носител за каталитичките материјали и се користи за дисперзирање на материјалите на голема површина. Може да се користи алуминиум оксид, титаниум диоксид, силициум диоксид или мешавина од истите.Каталитичките материјали се суспендираат во премазот пред да се нанесат на јадрото. Материјалите за премачкување се избираат за да формираат груба, неправилна површина, што ја зголемува површината во споредба со мазната површина на голата подлога.

3) Цериум или циркониум оксид. Овие оксиди главно се додаваат како промотори за складирање на кислород.

4) Самиот катализатор најчесто е мешавина од благородни метали, најмногу од платинската група на метали. Платината е најактивниот катализатор и е широко користен, но не е погоден за сите апликации поради несаканите дополнителни реакции и високата цена. Паладиумот и родиумот се два други користени благородни метали. Родиумот се користи како редукциски катализатор, паладиумот се користи како катализатор за оксидација, а платината се користи и за редукција и за оксидација. Се користат и  поевтините цериум, железо, манган и никел, иако секој од нив има ограничувања. Никелот не е легален за употреба во Европската унија поради неговата реакција со јаглерод моноксид  при што се добива токсичен никел тетракарбонил.

Да ја видиме хемијата на процесите:

Привисоки температури, во моторите, азотот и кислородот во гасовита состојба реагираат меѓусебе формирајќи азот оксид: N₂(g) + O₂(g) = 2NO(g) Кога се испушта во атмосферата, NO брзо се сврзува со О₂ и образува NO₂ . Азот диоксид и другите гасови што се испуштаат од автомобилите, како јаглерод моноксид (CO) и различни несогорени јаглеводороди, ги прават издувните гасови од автомобилите главен извор на загадување на воздухот.

Каталитичкиот конвертор служи за да ги оксидира CO и несогорените јаглеводороди до CO₂ и H₂O и ги редуцира NO и NO₂до N₂ и O₂ . Најдобрите конвертори имаат две комори. Врелите издувни гасови во кои се инјектира воздух минуваат низ првата комора од едниот конвертор со што се забрзува целосното согорување на јаглеводородите и се намалува емисијата на CO. Меѓутоа, високата температура ја зголемува продукцијата на NO, па поради тоа потребна е втора комора која содржи различен катализатор  (преоден метал или оксид на преоден метал, како Cu₂O или Cr₂O₃ ). Таа работи на пониска температура, за NO да дисоцира до N₂ и O₂ пред издувните гасови да излезат од ауспухот.

Равенките на реакциите се:

NO₂ → N₂ + O₂

C_xH_y + O₂ → CO₂ + H₂O

NO + CO → N₂ + CO₂

CO + O₂ → CO₂

 Поради надворешната локација и употребата на вредни благородни метали, катализаторите се цел на крадците. Не е ни чудо, ако се знае дека,на пример, родиумот е десетина пати поскап од златото. Во зависност од типот, еден катализатор може да вреди од 200 до 7000 долари!