Oricât de mult ne-am dori, procesele de generare a energiei care au loc la motoarele cu ardere internă nu au loc în condiții ideale. La capătul țevii de evacuare, produsele de ardere sunt eliberate în mediu, care nu sunt neapărat bune pentru mediul nostru. Această realizare s-a întâmplat relativ repede, dar a început să devină conștientizată de către oameni  abia atunci când erau suficiente mașini în trafic, iar noi să experimentăm singuri efectele dăunătoare.

Reglementările legale au permis de multă vreme eliberarea în mediu a gazelor de eșapament netratate pe drumurile publice, iar pentru a îndeplini această condiție, producătorii au folosit un dispozitiv care se găsește și astăzi la toate autoturismele cu motoare cu ardere internă: convertizorul catalitic.

Conținutul de gaze de eșapament

Produsele de combustie ale motoarelor Otto și Diesel sunt surprinzător de diverse. Gazele  care nu sunt toxice aparțin primei categorii. Acestea sunt oxigenul și azotul din aer, care nu au participat la procesul de ardere, precum și dioxidul de carbon și apa, adică cei doi produși de ardere.

Catalizatorul nu are nimic de-a face cu gazele enumerate mai sus, are mai mult cu elemente toxice și/sau cancerigene. Unele dintre acestea ies din motor deoarece o parte din ardere are loc imperfect: acesta include monoxid de carbon, hidrocarburi care nu au participat la ardere, aldehide, funingine sau benzopiren.

Motivul pentru aceasta este că gazul, deși nu este cu adevărat toxic, are o influență semnificativă asupra efectului de seră, care poate fi responsabil pentru încălzirea treptată a atmosferei.

Deoarece motorul nu primește oxigen pur pentru ardere, ci aer atmosferic, din care peste 70% este azot, o parte semnificativă din acesta este arsă în motor. Aici insa arde fie perfect, fie imperfect (oxizi de azot, NOx), iar rezultatul final este o substanță toxică.

Tratarea ulterioară a gazelor de eșapament

Procedurile de tratare ulterioară și echipamentele acestora sunt utilizate pentru reducerea sau eliminarea cantității de poluanți aparținând acestui din urmă grup. Aceștia se numesc colectiv catalizatori. Pentru a reduce poluarea, pragul energetic de pornire al proceselor de oxidare și reducere chimică este redus semnificativ, accelerând astfel viteza reacțiilor.

Fluxul gazelor în interiorul unui catalizator (Sursă: wikipedia.org) 

Pe lângă scăderea energiei de activare, creșterea temperaturii este o altă armă a catalizatorilor. Chimisorbția reactivilor slăbește legăturile chimice și, datorită acesteia, energia de activare scade, adică încep reacțiile chimice. Produsele acestor procese difuzează prin filmul de gaz care înconjoară materialul catalizator în gazele de evacuare care curg și eliberează noi gaze catalitice. Acest lucru face posibilă transformarea hidrocarburilor care nu sunt arse în apă și dioxid de carbon, iar din monoxid de carbon și apă în dioxid de carbon și hidrogen.

Monoxidul de carbon, hidrocarburile și hidrogenul participă la reacția chimică care descrie conversia oxizilor de azot în gazele de ardere. La sfârșitul acestor procese, se produce azot molecular, dioxid de carbon și apă.

Operațiune

În ceea ce privește proiectarea structurală, există mai multe tipuri de catalizatori:

• Catalizator de oxidare: Acest dispozitiv are nevoie de un exces de aer pentru a avea loc procesele de post-tratare (deci λ>1), cu acest exces de oxigen este capabil să realizeze oxidarea hidrocarburilor și a monoxidului de carbon. Astăzi nu este folosit separat.
• Catalizator cu două căi: în acest caz, catalizatorul de oxidare este precedat de un catalizator de reducere, care este responsabil pentru reducerea oxizilor de azot. Funcționează aproximativ la o valoare de λ=0,9-1,1, ceea ce nu este tocmai ideal pentru un catalizator de oxidare, dar versiunea de reducere produce oxigen suplimentar prin procesele sale, astfel încât valoarea lambda dintre cei doi catalizatori va fi mult mai mare.
• Catalizator multifuncțional: Aceasta este versiunea care formează un circuit de control cu formarea amestecului, sonda lambda și un singur catalizator rezolvă atenuarea componentelor poluante (așa-numitul catalizator cu trei căi).

O caracteristică comună atât a sondei lambda, cât și a catalizatorilor este că aceștia funcționează eficient la temperaturi de funcționare relativ ridicate (400-800 °C).

Materiale structurale

Catalizatorii cu material ceramic suport sunt utilizați în mod obișnuit astăzi, dar în trecut am întâlnit și catalizatori pe bază de metal. Carcasa este aproape întotdeauna o placă de oțel inoxidabilă.

Purtătorul ceramic reține căldura extrem de bine și poate funcționa în intervale foarte înalte, chiar și peste 1100 °C. Substratul ceramic este de fapt un amestec extrudat de caolin talc silice, alumină și metil celuloză. La atingere, este un material poros, al cărui număr de celule este de obicei de 30-65 de celule pe centimetru pătrat.

Această structură ar avea 3-5 metri pătrați răspândiți într-un plan, care ar fi înmulțit prin aplicarea de oxid de γ-aluminiu. Ca urmare, suprafața activă a catalizatorului crește la 20-30 mii de metri pătrați.

Recent, s-a vorbit mult despre faptul că convertizoarele catalitice sunt tăiate chiar și din mașinile parcate pe stradă, deoarece unele dintre materialele din ele au devenit deosebit de scumpe pe piața mondială. Aceste materiale sunt sufletul catalizatorului, fără de care procesele de mai sus nu ar avea loc.

Secțiunea unui catalizator cu suport metalic (Sursă: wikipedia.org)

• Platină: promovează oxidarea în continuare a monoxidului de carbon și a hidrocarburilor la temperaturi de peste 150 °C. Deoarece începe să funcționeze la o temperatură relativ scăzută, face o treabă bună cu pornirea la rece a motoarelor.
• Rodiu: Combinat cu oxigen, susține reducerea oxizilor de azot. Rodiul preia oxigenul din produșii de combustie ai azotului, pe care îl eliberează ulterior în procesul prin care se produc din nou rodiu pur, apă și dioxid de carbon cu apariția monoxidului de carbon.
• Paladiu: În sens general, ajută la procesele de oxidare. În primul rând, similar platinei, joacă un rol important în arderea ulterioară a hidrocarburilor.

În plus, față de cele enumerate mai sus, ruteniul și nichelul sunt folosite în scopuri catalitice, dar în momentul de față cele trei menționate mai sus sunt considerate a fi de mare valoare.

Viitorul catalizatorilor

Desigur, tehnologia nu s-a oprit aici, astăzi folosim și soluții mai noi și mai avansate - una dintre ele va fi descrisă în noul nostru articol care va apărea în curând pe site.