Содержание
Катализатор (каталитический конвертор)
Расшифровка чисто химического термина «катализатор» – вещество, не участвующее в реакции непосредственно, в присутствии которого происходит ускорение химической реакции или же вещество, делающее данную реакцию вообще возможной. Автомобильный каталити́ческий конвертер (в просторечии катализатор) — устройство в выхлопной системе, предназначенное для снижения токсичности отработавших газов посредством восстановления оксидов азота и использования полученного кислорода для дожига угарного газа и недогоревших углеводородов.
Основным требованием для успешной работы катализатора является стехиометрическое соотношение топлива и воздуха, действующее вещество – благородные металлы: платина, палладий или родий.
В каталитических конверторах используют два различных типа катализаторов:
— восстанавливающий катализатор и — окислительный катализатор.
Оба типа состоят из керамической структуры (реже – металлический гофрированный лист), покрытой веществом — катализатором.
Идея заключается в том, чтобы увеличить площадь катализатора и свести к минимуму задействованное при этом количество самого катализатора, так как используемые материалы весьма дороги. Восстанавливающий катализатор — первый этап каталитического преобразователя. Он использует платину и родий чтобы уменьшить выбросы NOx. Когда молекула NO или NO₂ встречается с молекулами катализатора, от нее отделяется атом азота, высвобождая кислород — O₂. Окислительный катализатор — второй этап каталитического преобразователя. Он снижает количество несгоревшего топлива и окиси углерода в результате их взаимодействия со свободным кислородом на поверхности той же платины и палладия. На выходе, вместо страшной смеси окислов углерода, азота и несгоревших углеводородов имеем воду, углекислый газ и чистый азот. Но это в идеале.
Каталитические конверторы являются достаточно чувствительными реакторами.
На их работоспособность влияет температура, состав топлива и отработанных газов, расход масла двигателем, сорт масла, режим работы двигателя.
Широкое использование каталитических преобразователей началось в 1975 году. Но создали их намного раньше, в 1953 году в Америке, когда инженер Юджин Хоудри, ознакомившись со сводками по увеличению быстрыми темпами смога в различных городах, был просто шокирован данными. После чего он и решил разработать прибор, который смог бы защитить окружающую среду от влияния на нее человеческого фактора. Но созданное устройство оказалось малоэффективным, так как необходимая очистка не получалась из-за содержания в бензине большого процента тэтраэтилсвинца (присадка для повышения октанового числа), и этот химический элемент не был запрещен к использованию в бензине почти до конца 20 века. Промышленный выпуск автокатализаторов был бессмысленным до тех пор, пока не внесли поправки в закон «Чистый воздух», запрещающие использование свинца.
Наличие соединений свинца в выхлопных газах приводило к оплавлению керамических сот каталитического конвертора и выхлопному газу становилось просто некуда выходить.
С запретом этилированного бензина, жизнь автомобильного катализатора не стала безоблачной.
— Во-первых, со временем расходуются материалы катализатора, благородные металлы и ресурс катализатора при условии исправных систем двигателя составляет в среднем 80-150 тыс. км. пробега. Эффективность работы катализатора с пробегом ухудшается и растет шанс его загрязнения смолами и нагарами. Особенно увеличивает риск загрязнения повышенный расход масла двигателем. Не сгоревшие остатки масла и топлива уже не полностью окисляются и остаются на сотах в виде нагара, постепенно уменьшая проходное сечение для газов, как результат, мощность двигателя уменьшается. Если ситуация не приобрела необратимый характер, то катализатор можно очистить при помощи щелочных промывок или топливных присадок, которые способствуют выведению загрязнений.
Классическое решение – использование присадки Liqui Moly Catalytic-System Clean 1 раз в 2 000 км при заправке топливом.
— Во-вторых, эффективность катализатора падает при больших пробегах из-за постепенного разрушения керамических сот. Процесс совсем не безболезненный для двигателя, так как система продувки очень многих современных двигателей предусматривает частичный подсос топливной смеси из выхлопного тракта обратно в камеры сгорания. В результате керамическая пыль попадает в цилиндры и вызывает абразивный износ. После диагностики такой проблемы необходимо полностью заменить катализатор.
— В-третьих, наличие избытка железосодержащих присадок в топливе, так же, как в случае с тетраэтилсвинцом, вызывает оплавление сот катализатора, процесс может дойти до того, что двигатель с оплавленным катализатором просто не заводится, так как отработавшим газам просто нет прохода. Выход – замена катализатора.
Как проверить катализатор на исправность?
Самый простой способ – на просвет.
Через керамические каналы исправного катализатора свет проходит беспрепятственно. В случае затруднений со съемом этого агрегата, можно проверить противодавление, создаваемое катализатором при проходе газов и при высоких показателях признать агрегат неисправным.
Можно ли безболезненно для автомобиля удалить катализатор вовсе?
На автомобилях ЕВРО2 можно, для более экологичных конструкций, как минимум, придется перешивать блок управления двигателем. Но следует помнить о своем долге перед потомками, об экологии. На некоторых современных автомобилях удаление катализатора невозможно вообще.
Как избежать проблем с катализатором и продлить его ресурс? Заправляться в проверенных местах, регулярно, раз в 2000 км, использовать очищающую присадку Catalytic-System Clean и проводить диагностику при каждом техническом обслуживании.
Не эксплуатировать автомобиль с неисправными свечами, высоковольтными проводами и ка тушкой.
Несгоревший бензин в катализаторе не только сокращает его ресурс, но и может привести к пожару из-за перегрева самого катализатора. Если возникнут проблемы – не тянуть с ремонтом. Помните, от исправности катализатора зависит ресурс двигателя!
Автомобильные катализаторы стали мишенью криминала
Общая масса палладия в одном катализаторе составляет около 5 г, т. е. из каждой украденной детали бандиты могут извлечь драгоценного металла примерно на $330 / Reuters
Полиция калифорнийского городка Элк-Гроув обезвредила банду преступников, занимавшихся воровством автомобильных каталитических нейтрализаторов. У них изъяли около 2000 украденных катализаторов (как называют эти детали в просторечии) и около $300 000. Хищение автомобильных катализаторов в последние пару лет превратилось в большой криминальный бизнес, охвативший практически все развитые страны. Преступники подъезжают к припаркованной машине, приподнимают ее домкратом, аккумуляторной сабельной пилой срезают катализатор и уезжают.
Вся операция занимает не более 1,5 мин.
Причина криминального интереса к этим деталям – палладий, который используется в каталитических нейтрализаторах и сейчас котируется на мировых биржах дороже золота и платины. В корпусе катализатора размещается множество металлических или керамических сот, покрытых очень тонким слоем этого металла. Контактируя с палладием, вредные для человека компоненты выхлопных газов – углеводороды, окись азота, угарный газ и т. д. – превращаются в сравнительно безопасный углекислый газ и водяной пар.
До недавнего времени палладий стабильно котировался на биржах дешевле платины (не говоря уже о золоте). Дело в том, что платина используется в катализаторах автомобилей с дизелем, а палладий – в машинах с бензиновым двигателем. С конца ХХ в. в Европе спрос стабильно смещался с бензиновых автомобилей на дизельные и платиновые автокатализаторы становились востребованнее палладиевых, что отражалось на цене обоих металлов.
Растущая популярность дизельных двигателей была связана в основном со всеобщей убежденностью, что они экологичнее бензиновых.
Европейские правительства всячески стимулировали переход автолюбителей на дизель: продажа топлива субсидировалась правительством, налоги на регистрацию дизельных автомобилей были ниже и т. д. Однако все изменилось после того, как в 2015 г. в Европе разразился так называемый дизельгейт: выяснилось, что Volkswagen в десятки раз занижал количество вредных веществ в выхлопных газах. Так что все рассказы автопроизводителей о повышенной экологичности дизельных двигателей оказались враньем.
Правительства немедленно начали сворачивать программы поддержки дизелей, а автолюбители – массово переходить на бензиновые двигатели. В 2018 г. в Германии впервые с 1999 г. бензиновых автомобилей продали больше, чем дизельных, и с тех пор этот разрыв растет. Соответственно, резко повысился спрос на палладиевые автокатализаторы, к чему производители металла оказались не готовы. В результате на рынке образовался дефицит палладия, цена на него начала быстро расти и в начале прошлого года этот металл оказался сначала дороже платины, а чуть позже и золота.
Сейчас тройская унция палладия стоит примерно на $100 дороже унции золота – $2057 против $1950.
Общая масса палладия в одном катализаторе составляет около 5 г, т. е. из каждой украденной детали бандиты могут извлечь драгоценного металла примерно на $330. Не удивительно, что количество хищений каталитических нейтрализаторов растет лавинообразно, и если поначалу преступники действовали в основном по ночам, то в последнее время в соцсетях появляется все больше роликов, на которых злоумышленники срезают катализаторы средь бела дня.
Q&A: Почему каталитические нейтрализаторы в автомобилях выходят из строя и почему это важно загрязнения от автомобильных двигателей.
|
Andrew Myers
В современных автомобилях используются каталитические нейтрализаторы для удаления угарного газа, углеводородов и других вредных химических веществ из выхлопных газов.
Для этого они используют дорогостоящие металлы, обладающие особыми химическими свойствами, эффективность которых со временем снижается.
Доцент Маттео Карньелло и докторант Эмметт Гудман недавно возглавили группу, которая предложила новый способ снижения стоимости и продления срока службы этих материалов, решив проблему, которая годами беспокоила автомобильных инженеров. При этом Карньелло и его коллеги сделали кое-что замечательное: совершили прорыв в зрелой области, где изменения происходят медленно, если вообще происходят.
Что насчет каталитических нейтрализаторов нуждается в доработке?
Новый каталитический нейтрализатор может стоить 1000 долларов и более, что делает его одной из самых дорогих отдельных частей любого автомобиля. Они дороги, потому что в них используются дорогие металлы, такие как палладий, для ускорения химических реакций, очищающих выхлопные газы. Палладий стоит около 50 долларов за грамм — больше, чем золото — и каждый каталитический нейтрализатор содержит около 5 граммов его. Такие металлы, как палладий, являются катализаторами — особым классом материалов, которые ускоряют химические реакции, но химически не изменяются сами по себе.
Теоретически катализаторы можно использовать снова и снова, на неопределенный срок. Однако на практике характеристики катализаторов со временем ухудшаются. Чтобы компенсировать это, мы вынуждены использовать больше этих дорогих металлов, что увеличивает стоимость. Наша цель — лучше понять причины этой деградации и способы противодействия ей.
Почему портятся катализаторы?
В идеале катализаторы должны иметь максимально возможную площадь поверхности, чтобы обеспечить максимальное количество химических реакций. Так, производители обычно распределяют множество мелких частиц по поверхности нового каталитического нейтрализатора. Из прошлых исследований мы знаем, что со временем атомы металла начинают двигаться, образуя все более и более крупные частицы с меньшей площадью поверхности и, таким образом, становятся менее эффективными. Мы называем этот процесс комкования «спеканием». Чтобы противодействовать спеканию, производители используют чрезмерное количество металла, чтобы преобразователь соответствовал нормам выбросов для 10- или 15-летнего срока службы автомобиля.
Наша команда обнаружила, что спекание — не единственная причина дезактивации. Фактически этот новый механизм дезактивации оказывается полной противоположностью спеканию. При некоторых обстоятельствах частицы не становятся больше, а распадаются на более мелкие частицы и в конечном итоге становятся отдельными атомами, которые практически неактивны. Это новое понимание, которое, по нашему мнению, никто ранее не представлял, и оно побудило нас искать совершенно новый способ максимизировать срок службы и производительность металлов в каталитических нейтрализаторах.
Что мы можем сделать, чтобы катализаторы работали дольше?
Наши исследования показывают, что если мы тщательно контролируем как размер, так и расстояние между металлическими частицами, частицы палладия не будут ни слипаться в большие комки, ни распадаться на отдельные атомы. Раньше многие люди в сообществе катализаторов думали, что если вы хотите сделать частицы стабильными, вы должны держать их как можно дальше друг от друга, чтобы предотвратить миграцию частиц.
Мы смешали это понятие, собрав совместную команду, которая изучала деградацию по-новому. Аарон Джонстон-Пек из Национального института стандартов и технологий использовал передовую микроскопию, чтобы визуализировать присутствие отдельных атомов. Саймон Баре из Национальной ускорительной лаборатории SLAC использовал рентгеновские методы, чтобы доказать, что каталитические материалы начинаются с частиц и заканчиваются отдельными атомами. Чтобы поместить эти экспериментальные результаты в теоретическую основу, мы работали с Франком Абилд-Педерсеном из Центра исследований и катализа SUNCAT и SLAC, а также с Филиппом Плессоу из Технологического института Карлсруэ в Германии. У них были вычислительные ресурсы, чтобы помочь нам смоделировать механизм дезактивации в атомном масштабе. В конце концов, мы предоставили научную основу, которая позволила бы поддерживать снижение уровня загрязнения при использовании меньшего количества драгоценных металлов и снижении стоимости каталитических нейтрализаторов.
Если автомобильные инженеры в конечном итоге подтвердят и реализуют эти выводы, это станет огромной победой для потребителей в долгосрочной перспективе.
Эта работа была поддержана Министерством энергетики США, SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, Стэнфордским источником синхротронного излучения и Национальной ускорительной лабораторией SLAC.
Смежные отделы
Химическое машиностроение
Другие новости
TWC — трехкомпонентный каталитический нейтрализатор
Каталитический нейтрализатор (или каткон) в вашем автомобиле, на самом деле, очень важный элемент выхлопной системы автомобиля, потому что он удаляет вредные оксиды азота (NO X , x=1,2,3) и угарный газ (CO) из остатков сгорания до их выброса в окружающую среду. Он называется каталитическим нейтрализатором, потому что он преобразует CO в вездесущий CO 2 и NO X в N 2 и O 2 посредством химических реакций на твердом катализаторе.
Катализатор — это химическое соединение, которое помогает реакции протекать быстрее за счет снижения энергетического барьера активации реакции. В ходе реакции не расходуется. В случае каткона катализатор представляет собой твердую платиновую (Pt) или палладиевую (Pd) поверхность, на которой адсорбируются и реагируют реагенты из газовой фазы. Этот процесс реакции, в котором участвует катализатор, находящийся в фазе, отличной от фазы реагентов, известен как гетерогенный катализ. (Узнайте больше о катализаторах на этом веб-сайте.)
Каталитический нейтрализатор — в разобранном виде
На приведенном выше рисунке показаны основные компоненты каталитических нейтрализаторов. Основными компонентами являются два сотовых монолита, покрытых тонким слоем Pt/Rh (первый монолит) и Pd/Rh (второй). Они обеспечивают площадь поверхности, на которой происходит реакция. Как упоминалось ранее, реакции окисления происходят на поверхности металлического катализатора.
Поскольку реакция зависит от поверхности, на которой частицы могут адсорбироваться и реагировать, чем больше площадь поверхности, тем больше будет конверсия. Другими словами, скорость реакции и конверсия прямо пропорциональны площади поверхности катализатора.
Роль сотовой структуры монолитов заключается в увеличении открытой площади поверхности, покрытой слоем катализатора. По мере увеличения количества каналов в монолите увеличивается площадь поверхности. Как показано, поверхность монолитов покрыта тонким слоем довольно аморфного силикатного материала, который увеличивает площадь поверхности за счет придания поверхности шероховатости.
Для получения дополнительной информации о площади поверхности катализатора посетите этот веб-сайт.
Подробнее о его конструкции можно проиллюстрировать следующим видео:
Химические реакции в TWC
Как видно из видео, наиболее очевидными реакциями, происходящими внутри котона, являются следующие:
Тем не менее, в этой небольшой части вашего автомобиля одновременно происходит не менее 15 реакций.
Их можно разделить на четыре основные категории: окисление, преобразование водяного газа и пара, восстановление закиси азота и хранение кислорода. Вы можете найти больше об этом в разделе кинетики.
Материальные и энергетические балансы
Скорость химической реакции также зависит от температуры, как показано уравнением Аррениуса. Следовательно, мы должны также учитывать передачу энергии (тепла) через наш реактор, потому что каталитический нейтрализатор, по сути, является реактором. Кроме того, каждый канал монолита служит мини-реактором, поскольку реакции происходят в каналах. В этой системе существует три основных механизма теплопередачи:
1) Теплопроводность вдоль монолита
2) Конвекционная теплопередача от газообразных частиц к стенкам монолита.
3) Выделение тепла в результате химических реакций (эти реакции окисления экзотермические)
Величина каждого вида скорости теплопередачи будет зависеть от параметров реактора, таких как теплопроводность материалов, из которых изготовлен реактор.