Καταλύτης ή Καταλυτικός μετατροπέας

Ο καταλυτικός μετατροπέας ή καταλύτης αυτοκινήτων (catalytic converter) είναι συσκευή ελέγχου εκπομπών που μετατρέπει τοξικά αέρια και ρύπους- στα καυσαέρια- σε λιγότερο τοξικούς ρύπους. Οι καταλυτικοί μετατροπείς χρησιμοποιούνται με μηχανές εσωτερικής καύσης που τροφοδοτούνται είτε από βενζίνη ή καύσιμο ντίζελ.

Η πρώτη γενικευμένη εισαγωγή καταλυτικών μετατροπέων έγινε στις ΗΠΑ. Για να γίνουν συμβατά με τους πιο αυστηρούς κανονισμούς της Υπηρεσίας Περιβαλλοντικής Προστασίας των ΗΠΑ η εκπομπή καυσαερίων των περισσότερων οχημάτων που τροφοδοτούνται με βενζίνη έπρεπε από το 1975 ως πρώτο έτος παραγωγής να είναι εφοδιασμένα με καταλυτικούς μετατροπείς. οι "διοδικοί" μετατροπείς συνδύαζαν οξυγόνο με μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και άκαυστους υδρογονάνθρακες (HC) για να παράξουν διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) και νερό (H₂O). Το 1981, οι διοδικοί καταλυτικοί μετατροπείς καταργήθηκαν από τους "τριοδικούς" μετατροπείς που μειώνουν επίσης τα οξείδια του αζώτου (NOx).

οι καταλυτικοί μετατροπείς εφαρμόζονται συνήθως σε συστήματα εξάτμισης (exhaust systems) σε αυτοκίνητα, χρησιμοποιούνται επίσης σε ηλεκτρικές γεννήτριες, περονοφόρους ανυψωτές, εξοπλισμό ορυχείων, φορτηγά, λεωφορεία, μηχανές τρένου (locomotives) και μοτοσικλέτες. 

Λίγη 

Ο καταλυτικός μετατροπέας επινοήθηκε από τον Eugene Houdry, έναν Γάλλο μηχανικό και ειδικό στην καταλυτική αναμόρφωση του πετρελαίου, που μετακόμισε στις ΗΠΑ το 1930. Ο Houdry ανέπτυξε πρώτα καταλυτικούς μετατροπείς για τις καπνοδόχους και αργότερα καταλυτικούς μετατροπείς για τους περονοφόρους ανυψωτές αποθηκών που χρησιμοποιούν χαμηλής ποιότητας αμόλυβδη βενζίνη. Στα μέσα της δεκαετίας του 1950, άρχισε την έρευνα για να αναπτύξει καταλυτικούς μετατροπείς για μηχανές βενζίνης που χρησιμοποιούνται σε αυτοκίνητα. Του αποδόθηκε βραβείο ευρεσιτεχνίας από τις ΗΠΑ  για την εργασία του.

Κατασκευή

·       Η βάση καταλύτη (catalyst support) ή υπόστρωμα. Για καταλυτικούς μετατροπείς αυτοκινήτων, ο πυρήνας είναι συνήθως κεραμικός μονόλιθος με κυψελοειδή δομή. Τα μεταλλικά φύλλα μονολίθου κατασκευάζονται από κράμα Kanthal (FeCrAl) και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου απαιτείται ιδιαίτερα υψηλή θερμική αντίσταση.

• Το ενδιάμεσο στρώμα. Το ενδιάμεσο στρώμα είναι φορέας για τα καταλυτικά υλικά και χρησιμοποιείται για να διασπείρει τα υλικά σε μεγάλο εμβαδόν επιφάνειας. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί οξείδιο του αργιλίου, διοξείδιο του τιτανίου, διοξείδιο του πυριτίου, ή μείγμα από διοξείδιο του πυριτίου και οξείδιο του αργιλίου. Τα καταλυτικά υλικά μπαίνουν στο ενδιάμεσο στρώμα πριν να εφαρμοστούν στον πυρήνα. Τα υλικά του ενδιάμεσου στρώματος επιλέγονται ώστε να σχηματίσουν μια τραχιά, ακανόνιστη επιφάνεια, που αυξάνει πολύ το εμβαδόν της επιφάνειας συγκρινόμενη με την ομαλή επιφάνεια του γυμνού υποστρώματος. Αυτό με τη σειρά του μεγιστοποιεί την ενεργή καταλυτική επιφάνεια που διατίθεται για να αντιδράσει με τα εξαγόμενα προϊόντα της μηχανής. Το στρώμα πρέπει να διατηρήσει το εμβαδόν της επιφανείας του και να αποτρέψει την συσσωμάτωση (sintering) των καταλυτικών μεταλλικών σωματιδίων ακόμα και σε υψηλές θερμοκρασίες (1000 °C).
• Οξείδιο του δημητρίου (σερία ή Ceria) ή (σερία - ζιρκονία (οξείδιο του ζιρκονίου). Αυτά τα οξείδια προστίθενται κυρίως ως υποστηρικτές της αποθήκευσης οξυγόνου.
• Ο ίδιος ο καταλύτης αποτελείται συνήθως από μείγμα πολύτιμων μετάλλων.

 Ο λευκόχρυσος είναι ο πιο ενεργός καταλύτης και χρησιμοποιείται πλατιά, αλλά δεν είναι κατάλληλος για όλες τις εφαρμογές λόγω ανεπιθύμητων πρόσθετων αντιδράσεων και υψηλού κόστους. Το παλλάδιο και το ρόδιο είναι δύο άλλα πολύτιμα μέταλλα που χρησιμοποιούνται. Το ρόδιο χρησιμοποιείται ως καταλύτης αναγωγής, το παλλάδιο χρησιμοποιείται ως καταλύτης οξείδωσης και ο λευκόχρυσος χρησιμοποιείται και για αναγωγή και για οξείδωση. Χρησιμοποιούνται επίσης τα: δημήτριο, σίδηρος, μαγγάνιο και νικέλιο.

Σε περίπτωση αστοχίας, ο καταλυτικός μετατροπέας μπορεί να ανακυκλωθεί σε σκραπ. Τα πολύτιμα μέταλλα του καταλυτικού μετατροπέα που περιλαμβάνουν λευκόχρυσο, παλλάδιο και ρόδιο εξάγονται.

Τοποθέτηση

Οι καταλυτικοί μετατροπείς απαιτούν θερμοκρασία 426 C για να μετατρέψουν αποτελεσματικά επιβλαβή καυσαέρια σε αδρανή, όπως το διοξείδιο του άνθρακα και οι υδρατμοί. Γι’ αυτό, αρχικά οι καταλυτικοί μετατροπείς τοποθετούντο κοντά στη μηχανή για να εξασφαλίσουν γρήγορη θέρμανση. Όμως, τέτοια τοποθέτηση προκάλεσε πολλά προβλήματα, όπως το κλείδωμα ατμών (vapor lock).

Εναλλακτικά, οι καταλυτικοί μετατροπείς μετακινήθηκαν στο τρίτο της απόστασης πίσω από τη μηχανή και στη συνέχεια τοποθετήθηκαν κάτω από το όχημα.

Τη δεκαετία του 1990 αναπτύχθηκαν ενσωματωμένοι καταλυτικοί μετατροπείς^[17], που, όπως δηλώνει το όνομα, ενσωματώθηκαν στο σύστημα πολλαπλή εξαγωγής. Η υψηλή τους αποτελεσματικότητα, η ασφάλεια και η ικανότητα εξοικονόμησης χώρου τους κατέστησαν σύντομα δημοφιλείς.

Τύποι

Διοδικός

Ο διοδικός (ή "οξείδωσης", που μερικές φορές ονομάζονται "oxi-cat") καταλυτικός μετατροπέας έχει δύο ταυτόχρονες εργασίες:

1.    Οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα σε διοξείδιο του άνθρακα

2.    Οξείδωση των άκαυστων υδρογονανθράκων (άκαυστο και μερικώς καμένο καύσιμο) σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό 

Ο τύπος καταλυτικού μετατροπέα χρησιμοποιείται πλατιά σε ντιζελοκινητήρες για να μειώσει τις εκπομπές υδρογονανθράκων και μονοξειδίου του άνθρακα. Χρησιμοποιήθηκαν επίσης σε κινητήρες βενζίνης σε αυτοκίνητα στις ΗΠΑ και τον Καναδά μέχρι το 1981. Λόγω της ανικανότητάς τους να ελέγξουν τα οξείδια του αζώτου (NOx), καταργήθηκαν από τριοδικούς μετατροπείς.

 

 

Τριοδικός

Οι τριοδικοί καταλυτικοί μετατροπείς (TWC) έχουν το πρόσθετο πλεονέκτημα ελέγχου της εκπομπής του μονοξειδίου του αζώτου και του διοξειδίου του αζώτου (που μαζί γράφονται ως NO_x -και δεν πρέπει να συγχέονται με το υποξείδιο του αζώτου)- και είναι πρόδρομες ενώσεις για την όξινη βροχή και την αιθαλομίχλη.

 Ένας τριοδικός καταλυτικός μετατροπές κάνει ταυτόχρονα τρεις αντιδράσεις:

1.   Αναγωγή των οξειδίων του αζώτου σε άζωτο και οξυγόνο.

2.   Οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα σε διοξείδιο του άνθρακα.

3.   Οξείδωση των άκαυστων υδρογονανθράκων (HC) σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό.

Οι τριοδικοί μετατροπείς είναι αποτελεσματικοί όταν η μηχανή λειτουργεί σε στενή ζώνη λόγων αέρα-καυσίμου κοντά στο στοιχειομετρικό σημείο, όπως αυτό που η σύσταση των καυσαερίων κυμαίνεται μεταξύ πλούσιου (περίσσεια καυσίμου) και φτωχού (περίσσεια οξυγόνου) μείγματος. Η αποτελεσματικότητα της μετατροπής πέφτει πολύ γρήγορα όταν η μηχανή δουλεύει εκτός αυτής της ζώνης. Στη φτωχή λειτουργία κινητήρα, τα καυσαέρια περιέχουν περίσσεια οξυγόνου και η αναγωγή του NO_x δεν ευνοείται. Σε πλούσια λειτουργία κινητήρα, η περίσσεια του καυσίμου καταναλώνει όλο το διαθέσιμο οξυγόνο πριν τον καταλύτη, αφήνοντας μόνο το αποθηκευμένο οξυγόνο στον καταλύτη διαθέσιμο για τη λειτουργία της οξείδωσης.

Οι τριοδικοί καταλυτικοί μετατροπείς μπορούν να αποθηκεύσουν οξυγόνο από τη ροή των καυσαερίων, συνήθως όταν ο λόγος αέρα-καυσίμου (air–fuel ratio) γίνεται φτωχός. Όταν δεν υπάρχει διαθέσιμο επαρκές οξυγόνο από τη ροή εξόδου, απελευθερώνεται και καταναλώνεται το αποθηκευμένο οξυγόνο. Η έλλειψη επαρκούς οξυγόνου συμβαίνει είτε όταν το παραγόμενο οξυγόνο από την αναγωγή των NO_x δεν είναι διαθέσιμο ή όταν συγκεκριμένοι ελιγμοί όπως έντονη επιτάχυνση εμπλουτίζουν το μείγμα πέρα από την ικανότητά του μετατροπέα να δώσει οξυγόνο.

Βλάβες

Δηλητηρίαση του καταλύτη (Catalyst poisoning) συμβαίνει όταν ο καταλυτικός μετατροπέας εκτίθεται σε καυσαέρια που περιέχουν ουσίες που καλύπτουν τις επιφάνειες εργασίας, έτσι ώστε να μην μπορεί ο καταλυτικός μετατροπέας να έρθει σε επαφή και να αντιδράσει με τα καυσαέρια.

Ο πιο σημαντικός επιμολυντής είναι ο τετρααιθυλιούχος μόλυβδος (tetraethyllead), έτσι τα οχήματα που είναι εφοδιασμένα με καταλυτικούς μετατροπείς μπορούν να λειτουργούν μόνο με αμόλυβδο καύσιμο. Άλλα κοινά δηλητήρια του καταλύτη περιλαμβάνουν θείο, μαγγάνιο (που προέρχεται κυρίως από το πρόσθετο της βενζίνης τρικαρβονυλομεθυλοκυκλοπενταδιενυλικό μαγγάνιο (Methylcyclopentadienyl manganese tricarbonyl ή MMT) και πυρίτιο, που μπορούν να εισέλθουν στη ροή των καυσαερίων εάν η μηχανή έχει διαρροή που επιτρέπει να εισέλθει αντιψυκτικό στον θάλαμο καύσης.

Κάθε συνθήκη που προκαλεί ανώμαλα υψηλά επίπεδα άκαυστων υδρογονανθράκων —πλήρως ή μερικώς— φτάνοντας στον μετατροπέα θα τείνει να ανυψώσει σημαντικά τη θερμοκρασία του, φέροντας τον κίνδυνο της τήξης του υποστρώματος και την επακόλουθη καταλυτική απενεργοποίηση. 

Αρνητικές πλευρές

Οι καταλυτικοί μετατροπείς περιορίζουν την ελεύθερη ροή των καυσαερίων, που επηρεάζει αρνητικά την απόδοση του οχήματος και την οικονομία του καυσίμου, ιδιαίτερα στα πιο παλιά οχήματα. Επειδή οι εξαερωτήρες των παλιών οχημάτων δεν μπορούσαν να ελέγξουν ακριβώς το μείγμα καυσίμου-αέρα, οι καταλυτικοί μετατροπείς των οχημάτων μπορούσαν να υπερθερμάνουν και να αναφλέξουν εύφλεκτα υλικά κάτω από το όχημα.

Προθέρμανση

Τα οχήματα με καταλυτικούς μετατροπείς εκπέμπουν το μεγαλύτερο μέρος της συνολικής τους ρύπανσης κατά τη διάρκεια των πρώτων πέντε λεπτών της λειτουργίας της μηχανής, πριν να ζεσταθεί αρκετά ο καταλυτικός μετατροπέας για να είναι πλήρως αποτελεσματικός.

Μερικά οχήματα περιέχουν έναν προκαταλύτη, έναν μικρό καταλυτικό μετατροπέα αντίθετα προς τον κύριο καταλυτικό μετατροπέα που θερμαίνει ταχύτερα το όχημα στην εκκίνηση, μειώνοντας τις εκπομπές που σχετίζονται με κρύες εκκινήσεις. Ένας προκαταλύτης χρησιμοποιείται από κατασκευαστές οχημάτων για να επιτύχουν την αξιολόγηση όχημα εξαιρετικά χαμηλών εκπομπών (Ultra Low Emissions Vehicle ή ULEV).

Περιβάλλον

Οι καταλυτικοί μετατροπείς έχουν αποδειχθεί να είναι αξιόπιστοι και αποτελεσματικοί στη μείωση των επιβλαβών εκπομπών της εξάτμισης. Όμως, έχουν επίσης κάποια μειονεκτήματα στη χρήση καθώς και αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις στην παραγωγή:

·         Μια μηχανή εφοδιασμένη με τριοδικό καταλύτη πρέπει να λειτουργεί στο στοιχειομετρικό σημείο (stoichiometric point), που σημαίνει ότι καταναλώνεται περισσότερο καύσιμο από μια μηχανή πτωχής καύσης. Αυτό σημαίνει περίπου 10% περισσότερες εκπομπές CO₂ από το όχημα.

·         Η παραγωγή του καταλυτικού μετατροπέα απαιτεί παλλάδιο ή λευκόχρυσο· μέρος της παγκόσμιας τροφοδοσίας αυτών των πολύτιμων μετάλλων παράγεται κοντά στο Norilsk της Ρωσίας, όπου η βιομηχανία (μεταξύ άλλων) προκαλεί σημαντική ρύπανση.

Πηγές: Βικιπαίδεια

           Μηχανές Εσωτερικής Καύσης (Περικλής Γ. Χασιώτης)