کاتالیست در خودرو چیست و کاتالیست چگونه کار می کند؟

مبدل کاتالیست وسیله ای است که برای کاهش انتشار گازهای سمی حاصل از احتراق در یک موتور احتراق داخلی استفاده می شود (که در بیشتر اتومبیل ها و وسایل نقلیه امروزی استفاده می شود). محصولات احتراق کامل سوخت کربنی موجود در این موتورها، دی اکسید کربن و آب می باشد ولی در واقعیت به علت نبود اکسیژن کافی برای اکسیداسیون کامل سوخت کربنی، محصولات جانبی سمی تولید می شوند. مبدلهای کاتالیست در سیستمهای اگزوز استفاده می شوند تا محلی برای اکسیداسیون و تبدیل محصولات جانبی سمی سوخت (مانند اکسیدهای نیتروژن ، مونوکسید کربن و هیدروکربن ها) به مواد کم خطرتر مانند دی اکسید کربن ، بخار آب و گاز نیتروژن فراهم کنند.

مقدمه

مبدلهای کاتالیستی برای اولین بار در سال 1975 به دلیل مقررات EPA در زمینه کاهش انتشار گازهای سمی به طور گسترده در اتومبیلهای تولیدی آمریکا معرفی شدند. قانون هوای پاک ایالات متحده پس از سال 1975 به کاهش 75 درصدی انتشار در کلیه خودروهای مدل جدید نیاز داشت ، این کاهش با استفاده از مبدل های کاتالیست انجام می شود. بدون مبدل های کاتالیست، وسایل نقلیه، هیدروکربن ها ، مونوکسیدکربن و اکسید نیتروژن آزاد می کنند. این گازها بزرگترین منبع  تشکیل دهنده ازن سطح زمین هستند که باعث مه دود می شوند و برای زندگی گیاهان مضر هستند. مبدل های کاتالیست را می توان در ژنراتورها ، اتوبوس ها ، کامیون ها و قطارها نیز یافت – تقریباً همه چیزهایی که دارای موتور احتراق داخلی هستند دارای نوعی مبدل کاتالیست در سیستم اگزوز خود هستند.

مبدل کاتالیست دستگاه ساده ای است که با استفاده از واکنش های اکسیداسیون- کاهشی (reduction-oxidation) پایه، آلاینده های خودرو را کاهش می دهد. کاتالیست حدود 98٪ از بخارات مضر تولید شده توسط موتور اتومبیل را به گازهای کمتر مضر تبدیل می کند. کاتالیست یک محفظه فلزی است با ساختمان داخلی متشکل از سرامیکهایی با لایه های عایق که به شکل لانه زنبوری در کنار هم قرار گرفته اند. این فضای داخلی لانه زنبوری دارای دیواره های نازکی است که با روکشی از اکسید آلومینیوم پوشانده شده است. این پوشش متخلخل بوده و درنتیجه سطح تماس را افزایش میدهد و اجازه می دهد واکنش های بیشتری اتفاق بیفتد. این پوشش حاوی فلزات گرانبهایی مانند پلاتین ، رودیم و پالادیوم است. بیش از 9-4 گرم از این فلزات گرانبها در یک مبدل استفاده نمی شود.

مبدل از واکنشهای ساده اکسیداسیون و کاهش برای تبدیل بخارات ناخواسته استفاده می کند. به یاد بیاورید که اکسیداسیون از دست دادن الکترون ها است و کاهش به دست آوردن الکترون است. فلزات گرانبهای که قبلاً ذکر شد  میزان انتقال الکترون و به نوبه خود میزان تبدیل بخارهای سمی به غیرسمی را افزایش می دهند.

آخرین بخش مبدل ، سیستم تزریق سوخت را کنترل می کند. این سیستم کنترل توسط یک سنسور اکسیژن کمک می کند که میزان اکسیژن جریان اگزوز کنترل شده و به نوبه خود به کامپیوتر موتور می گوید که نسبت هوا به سوخت را تنظیم کند، بنابراین مبدل کاتالیست را در نقطه استوکیومتری و نزدیک به بهره وری 100٪ نگه می دارد.

توابع:

یک مبدل کاتالیست سه طرفه دارای سه عملکرد همزمان است:

کاهش اکسیدهای نیتروژن به نیتروژن اصلی و اکسیژن:

NOx → Nx + Ox (7.1.1)

اکسیداسیون مونوکسیدکربن به دی اکسیدکربن:

CO + O2 → CO2 (7.1.2)

اکسیداسیون هیدروکربن ها به دی اکسید کربن و آب:

CxH4x+2xO2 → xCO2+2xH2O

دو نوع “سیستم” در مبدل کاتالیست وجود دارد، “رقیق” و “غنی” (Lean and Rich). وقتی سیستم ” رقیق” کار می کند، اکسیژن بیش از حد مورد نیاز است و بنابراین واکنش ها به اکسیداسیون مونوکسیدکربن و هیدروکربن ها کمک می کنند (با هزینه کاهش اکسیدهای نیتروژن). برعکس ، وقتی سیستم “غنی” کار می کند ، سوخت بیش از حد مورد نیاز وجود دارد و واکنش ها منجر به کاهش اکسیدهای نیتروژن به نیتروژن پایه و اکسیژن می شود (با هزینه دو واکنش اکسیداسیون). با وجود عدم تعادل پایدار واکنش ها ، سیستم هرگز به کارایی 100٪ نمی رسد.

توجه: مبدل ها می توانند اکسیژن “اضافی” را برای استفاده های بعدی در جریان اگزوز ذخیره کنند. این ذخیره سازی معمولاً هنگامی رخ می دهد که سیستم در وضعیت رقیق قرار داشته باشد. وقتی اکسیژن کافی در جریان اگزوز وجود نداشته باشد، این گاز آزاد می شود. اکسیژن آزاد شده کمبود اکسیژن حاصل از کاهش NOx، یا کمبود اکسیژن حاصل از شتابگیری ناگهانی و غنی شدن ناگهانی سیستم نسبت هوا به سوخت، سریعتر از آنچه مبدل کاتالیست بتواند با آن سازگار شود، را جبران می کند. علاوه بر این، آزاد شدن اکسیژن ذخیره شده فرآیندهای اکسیداسیون CO و CxH4x را تحریک می کند.

خطرات آلاینده ها

بدون فرآیند اکسایش اکسیداسیون برای فیلتر کردن و تبدیل اکسیدهای نیتروژن ، مونوکسیدهای کربن و هیدروکربن ها، کیفیت هوا (به ویژه در شهرهای بزرگ) برای انسان مضر می شود.

اکسیدهای نیتروژن: این ترکیبات از خانواده دی اکسید نیتروژن ، اسید نیتریک ، اکسید نیتروس، نیترات و اکسید نیتریک هستند. هنگامی که NOx در هوا آزاد می شود ، با تحریک نور خورشید، با ترکیبات آلی در هوا واکنش نشان می دهد. نتیجه مه دود است. مه دود یک آلاینده است و اثرات سوئی بر ریه های کودکان دارد. واکنش NOx با دی اکسید گوگرد باعث تولید باران اسیدی می شود که برای هر مکانی که روی آن قرار دارد بسیار مخرب است. باران اسیدی باعث خوردگی ماشین ها، گیاهان، ساختمان ها و آثار ملی می شود و دریاچه ها و جویبارها را به اسیدیته نامناسب برای ماهی ها آلوده می کند. NOx همچنین می تواند به ازن متصل شود و جهش های بیولوژیکی ایجاد کند (مانند مه دود) و باعث کاهش انتقال نور شود.

مونوکسید کربن: این یک نوع مضر از گاز CO2 است که به صورت طبیعی وجود دارد . این گاز بدون بو و بی رنگ است و در فرآیندهای روزمره عملکرد مفیدی ندارد.

هیدروکربن ها: استنشاق هیدروکربن های حاصل از بنزین، پاک کننده های خانگی، پیشرانه ها، نفت سفید و سایر سوخت ها، می تواند برای کودکان کشنده باشد. عوارض بیشتر شامل اختلالات سیستم عصبی مرکزی و مشکلات قلبی عروقی است.

مهار و تخریب کاتالیست

مبدل کاتالیست دستگاه حساسی است که داخل آن از فلزات گرانبها استفاده می شود. بدون این فلزات ، واکنش های اکسیداسیون- کاهشی یا به اختصار واکنشهای ردوکس، نمی توانند رخ دهند. مواد شیمیایی مختلفی وجود دارند که مبدل کاتالیست را مهار می کنند.

سرب: بیشتر وسایل نقلیه با بنزین بدون سرب کار می کنند که در آن تمام سرب از سوخت خارج شده است. با این حال، اگر سرب به سوخت اضافه شود و بسوزد، پس ماندی باقی می ماند که فلزات کاتالیست (Pt ، Rh ، Pd و Au) را می پوشاند و از تماس با بخارهای خروجی جلوگیری می کند، که در انجام واکنش های ردوکس ضروری است.

منگنز و سیلیسیم: منگنز در درجه اول در ترکیب آلی فلزی MMT (متیل سیکلوپنتادینیل منگنز تری کربنیل) یافت می شود. MMT ترکیبی است که در دهه 1990 برای افزایش درجه اکتان سوخت به کار میرفت (درجه بالاتر اکتان نشان می دهد که بنزین قدرت احتراق کمتری دارد و باعث انفجار موتور نمی شود. این موضوع زمانی اهمیت پیدا کرد که موتورهای با کارایی بالاتر تولید شدند که نسبت تراکم بالایی دارند. برای تکمیل میزان فشرده سازی موتور به بنزین با اکتان بالاتر احتیاج است) و اکنون به دلیل مقررات EPA از فروش تجاری منع شده است. سیلیکون می تواند از مایع خنک کننده داخل موتور به محفظه احتراق و به داخل جریان اگزوز نشت کند.

این آلاینده ها از عملکرد صحیح مبدل کاتالیست جلوگیری می کنند. با این وجود ، با کارکردن موتور در دمای بالا، برخی از آلاینده ها ذوب شده و از اگزوز خارج می شوند. اگر سطح کاتالیست با سرب پوشانده شود، دیگر گرما کار ساز نیست، زیرا سرب از نقطه جوش بالایی برخوردار است. اگر مسمومیت کاتالیست با سرب به اندازه کافی شدید باشد، کل مبدل بی فایده می شود و باید جایگزین شود.

ترمودینامیک مبدلهای کاتالیست

به یاد بیاورید که ترمودینامیک پیش بینی می کند که آیا واکنش یا فرآیند در شرایط خاص، خود به خود است یا نه، اما با سرعت فرآیند کاری ندارد. واکنش های اکسیداسیون-کاهش زیر به آرامی و بدون کاتالیست اتفاق می افتد. حتی اگر فرایندها از نظر ترمودینامیکی مطلوب باشند، بدون انرژی مناسب نمی توانند رخ دهند. این انرژی همان انرژی فعال سازی (Ea در شکل زیر) است که برای غلبه بر سد انرژی اولیه مانع واکنش، لازم است. یک کاتالیست با کاهش انرژی فعال سازی به فرآیند ترمودینامیکی کمک می کند. کاتالیست خود محصولی تولید نمی کند، اما بر مقدار و سرعت تشکیل محصولات تأثیر می گذارد.

کاهش اکسیدهای نیتروژن به نیتروژن پایه و اکسیژن:

NOx → Nx + Ox

اکسیداسیون مونوکسیدکربن به دی اکسیدکربن:

CO + O2 → CO2

اکسیداسیون هیدروکربن ها به دی اکسید کربن و آب:

CxH4x + 2xO2 → xCO2 + 2xH2O

گرم شدن کره زمین

اگرچه مبدل کاتالیست به کاهش انتشار سموم از موتورهای خودرو کمک کرده است ، اما اثرات زیست محیطی مضر نیز دارد. در تبدیل هیدروکربن ها و مونوکسیدکربن ، دی اکسید کربن تولید می شود. دی اکسید کربن یکی از رایج ترین گازهای گلخانه ای است و به طور قابل توجهی در گرم شدن کره زمین نقش دارد. همراه با دی اکسید کربن ، مبدل ها گاهی اوقات ترکیبات نیتروژن-اکسیژن را طوری کنار هم قرار میدهند که اکسید نیتروس تشکیل می دهند. این همان ترکیبی است که در گاز خنده و به عنوان شتاب دهنده در اتومبیل استفاده می شود. اکسید نیتروس به عنوان یک گاز گلخانه ای 300 برابر دی اکسید کربن قوی تر است و به تناسب در گرم شدن کره زمین نقش دارد.

علائم خرابی کاتالیست

خرابی کاتالیست دو نوع است

1. ساختمان داخلی کاتالیست بر اثر فرسودگی تخریب شده و فرو ریخته است. در این حالت ماشین شتاب  کافی ندارد و فشار منیفولد بالا می رود. در این حالت گازهای خروجی از اگزوز پرتاب لازم را ندارد. برای رفع این مشکل باید کاتالیست تعویض گردد.

2. کاتالیست راندمان خود را از دست داده است. در این حالت کاتالیز کارایی خود را از دست داده و آلایندگی خودرو بالا می رود. تنها راه تشخیص این عیب استفاده از دستگاههای پنج گاز می باشد. در ماشین های ایرانی برای این مشکل خطا یی صادر نمی شود ولی در ماشین های خارجی خطای کاتالیست ظاهر می شود که این خطا می تواند مربوط به خرابی سنسور اکسیژن دوم نیز باشد. برای رفع این مشکل کاتالیست باید تعویض گردد.

گرفتن معاینه فنی بدون کاتالیست

آیا راهی برای گرفتن تاییدیه معاینه فنی بدون وجود کاتالیست وجود دارد؟ جواب این سوال منفی می باشد. بدون وجود کاتالیست بر روی اگزوز آلایندگی خودرو بالا رفته و خودرو قادر به گذراندن موفقیت آمیز تست های معاینه فنی نمی باشد.

منابع:

1. Timberlake, Karen C. Chemistry : An Introduction to General, Organic, and Biological Chemistry. 10th ed. Upper Saddle River: Prentice Hall Higher Education, 2008.
2. Petrucci, Ralph H., William S. Harwood, and Geoff E. Herring. General Chemistry : Principles and Modern Applications. 9th ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2006.d Biological Chemistry. 10th ed. Timberlake, Karen C. Chemistry : An Introduction to General, Organic, and Biological Chmi

تمامی حقوق قانونی این تحقیق متعلق به گروه بازرگانی یدکس می باشد. استفاده بدون ذکر منبع مجاز نمی باشد.