Состав автомобильных катализаторов — Katalizator1

Каталитические нейтрализаторы – неотъемлемая часть выхлопной системы транспортного средства, необходимая для очистки выхлопов от токсичных компонентов. Фильтрация газов происходит за счет напыления из драгоценных металлов. Благодаря дорогостоящему составу автомобильные катализаторы представляют ценность даже после истечения срока эксплуатации. Поступая во вторичную переработку, они используются в различных отраслях промышленности – от нефтехимии до изготовления ювелирных украшений.

Состав автомобильного катализатора

Внутри стального корпуса устройства расположен металлический или керамический носитель из множества ячеек, покрытых напылением из редкоземельных металлов. Палладий, платина, родий характеризуются высокой стоимостью, поскольку получение этих элементов в природе – трудоемкий процесс, отнимающий у добывающих предприятий массу ресурсов. Драгоценное покрытие обеспечивает фильтрацию выхлопов, окисляя вредные компоненты и преображая:

• Углеводород – в водяной пар.
• Азотные оксиды – в азот.
• Угарный газ – в углекислый.

В результате в воздух выбрасываются вещества, не представляющие угрозы для окружающей среды и здоровья человека.

Обратите внимание, что по мере использование ценное напыление стирается – в среднем, катализаторы подлежат замене после прохождения 100 – 120 тысяч километров. Срок службы изделий зависит от изначального количества драгоценных металлов в составе. Самыми «насыщенными» и качественными считаются запчасти импортного производства, которые изготавливаются в соответствии со строгими экологическими требованиями. В России стандарты экологичности продукции пока не так высоки, поэтому отечественные производители нередко заменяют драгметаллы на более дешевые элементы.

Можно ли извлечь металлы из катализатора в домашних условиях

Самостоятельная добыча драгметаллов из автокатализатора – сложная процедура, требующая практических навыков и знаний. Существует несколько технологий извлечения ценных элементов:

1. Выщелачивание с помощью окислителей.
2. Использование «царской водки».
3. Разогрев металла с последующим фторированием.
4. Гальванический метод.

Применение этих способов целесообразно лишь в том случае, если вы работаете с крупной партией катализаторов. В противном случае, стоимость продажи металлов не окупят расходы на их получение.  Гораздо проще и удобнее сдать отработанные детали в пункт приема металлоконструкций, где всю работу за вас сделают профессиональные сотрудники – вам останется только дождаться оценки драгметаллов и получить вознаграждение.

Понравилась информация? Поделись с друзьями

Сколько платины содержится в катализаторах и как ее извлечь

Автомобильные катализаторы, впрочем, как и любые другие виды катализаторов, необходимы для ускорения протекания химической реакции. Какой?! В данном случае – для очищения отработанных газов перед тем, как они будут выброшены в атмосферу. Автомобильный катализатор представляет собой неизменяемый сплав нескольких металлов. Иными словами, катализатор – постоянен. Он не растворяется и не пропадает. Но благодаря тому, что в составе его сплава присутствуют и драгоценные металлы, он становится объектом коммерческого интереса многих автолюбителей.

Металлы, входящие в состав катализатора

Если бы автомобильные катализаторы покрывались любым дешевым металлом, который был бы способен также катализировать вредные вещества, как делают это платина, родий, палладий и даже золото, то вряд ли к ним проявлялся бы такой интерес. Однако благодаря тому, что металлы – катализаторы, используемые чаще всего, входят в группу драгоценных металлов, и стоят на порядок выше золота, автомобильные катализаторы стали представлять определенную ценность. Сама конструкция катализатора выполняется из металла или керамики, и только ее покрытие выполнено с участием драгоценных металлов. Поэтому количество катализирующего вещества, которое можно извлечь из катализатора, крайне мало.

Извлечение драгоценных металлов

Несмотря на то, что количество драгоценного вещества на корпусе автомобильного катализатора небольшое, его можно попытаться извлечь. Конечно же, результат будет ничтожным, да и частота металла будет оставлять лучшего.  Но все же это будет драгоценный металл! Проблема заключается только в одном: чтобы извлечь металл из катализатора, понадобятся специальные химические реактивы, приобретение которых довольно дорогостоящее удовольствие. Да и не везде их можно найти!

Есть ли смысл извлекать металлы?!

В автомобильных катализаторах, производимых в разных частях мира, могут быть применены различные металлы – катализаторы, где-то это платина, а где-то – золото. Иногда в их составе можно обнаружить и серебро. Однако общее количество драгоценных металлов будет небольшим, порядка нескольких граммов.

Важно! Чем дороже металл, тем меньше его будет в катализаторе. Если это серебро, то можно рассчитывать на извлечение порядка 30-40 граммов. Но если это платина, то его количество может не превышать и 3 граммов!

Если учесть стоимость драгоценных металлов в перерасчете на 1 грамм,  то можно прийти к выводу, что их извлечение имеет место. Однако финансовой выгоды от такого мероприятия не будет, поскольку приобретение реактивов, способствующих выделению данных металлов, потребует не малых средств.

Промышленное извлечение драгоценных металлов

Выгодно заниматься извлечение вещества – катализатора можно только в промышленном случае, когда одно и то же количество реактива способно отделить драгоценный металл ни с одного, а сразу с нескольких сотен катализаторов. Этим пользуются и специальные пункты по скупке металлолома и автомобильных комплектующих. Например, они скупают автомобильные аккумуляторы, ради последующего извлечения из них свинца, который затем выгодно продается производителям аккумуляторных батарей.

Точно также они поступают и с катализаторами. Поэтому выгодней всего просто продать катализатор скупщику и получить от этой операции гораздо больше финансовой выгоды, чем от попыток самостоятельно извлечь металлы.

Автомобильные катализаторы стали мишенью криминала

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.

что это такое, признаки поломки, состав и принцип работы

Европейские нормы экологии заставляют принимать меры к тому, чтобы выхлопные газы автомобилей не наносили сильного ущерба окружающей среде.

И эта борьба за природу привела к тому, что автомобили стали оборудоваться специальными устройствами, которые назвали катализаторами.

Состав и принцип работы катализатора выхлопных газов

Из школьных уроков мы помним, что катализ – это что-то из области химической реакции, и поэтому термин «катализатор» подразумевает под собой какой-то прибор, необходимый для такого действия.

Мы не химики и оценить точность определения вряд ли сможем, но то, что автомобильный катализатор предназначен для очистки выхлопной смеси — факт, о котором сообщает сам производитель. А ему не принято не верить.

Несмотря на то, что европейские нормы выхлопов введены в России не так давно, первые катализаторы в автомобилях отпраздновали уже 40-летний юбилей. Упрощение до нынешнего названия произошло гораздо позже, а первое время именовалась эта штука конвертером, или каталитическим преобразователем. Сами понимаете, что не каждый работник автосервиса сможет сходу и без запинки выговорить такое.

Катализатор встраивается в выхлопную систему автомобиля, причём конкретное место установки выбирает сам производитель. Так, он может находиться и в коллекторе, и в основании выхлопной трубы, и в других её участках.

Есть два вида катализаторов: окислительный и восстанавливающий. Независимо от разделения, эти устройства, наверное, одни из самых дорогостоящих. Судите сами: основу их составляет структура из керамики, напоминающая пчелиные соты, покрытые металлами, которые простыми не назовёшь – платина, золото, палладий и иридий. Даже удивительно, куда смотрят жулики, оставляющие выхлопную систему автомашин, припаркованных во дворах, в покое?

Как бы то ни было, но подобное покрытие ячеек катализатора необходимо вовсе не для того, чтобы вытянуть деньги с автолюбителя. Дело в том, что драгоценные металлы эффективней очищают выхлопные газы, одновременно предоставляя большую площадь для очистки с минимальным ущербом для самого катализатора. Если исключить драгоценные металлы из сплава, то само устройство будет настолько недолговечным и подверженным негативному воздействию выхлопных газов, что менять его придётся несколько раз в течение одной небольшой поездки.

Опытным путем было установлено, что один катализатор вряд ли сможет работать эффективно, а потому на современных автомобилях их устанавливают в трех экземплярах. Они не дублируют друг друга, а делают узконаправленную работу, выполняя очистку от тех веществ, для которых предназначены.

Видео — что это такое автомобильный катализатор и как он работает:

Таким образом, выхлопные газы проходят вначале через восстановительный катализатор, внутри которого на молекулярном уровне идет расщепление поступающего вещества на кислород и азот. Этот процесс как раз и выполняют иридий и платина.

Когда работа проделана, в дело вступают окислительные катализаторы, производящие очистку поступивших веществ. Здесь уже совместно с платиной вступает в действие палладий, снижая количество окиси углерода и облегчая реакцию углекислого газа с кислородом.

Маленькие вспомогательные «хитрости»

Как бы ни эффективно очищался выхлоп двигателя, но в ручном режиме регулировать точность выброса в атмосферу было б не просто затруднительно, а в принципе невозможно. Тем более толку от такой системы было б совсем немного: только в рамках информации для общего развития. Дело в том, что вместе с катализаторами выхлопная система оснащена датчиками, входящими в систему управления автомобилем.

Имея связь с компьютером, эти устройства учитывают количество кислорода, поступающего вместе с выхлопом мотора. В том случае, если через катализатор будет проходить воздуха столько, что он не сможет его переработать, забор через воздушный фильтр двигателя уменьшается. Датчики устанавливаются ближе к мотору и замеряют газы непосредственно на выходе.

Недостатки тоже есть

Наличие драгоценных металлов в конструкции катализатора еще не означает того, что оно решает все проблемы. Необходимо еще соблюсти ряд условий для работы.

Опять же, благодаря курсу средней школы, мы все знаем, что любая химическая реакция (а именно на этом принципе основан катализатор) происходит тем быстрее, чем выше температура. Отсюда сами понимаете, что устройство не сможет эффективно функционировать, если температурный режим ниже необходимого. То есть налицо вывод о том, что в момент начала работы автомобильного двигателя катализатор фактически никак не реагирует на количество вредных веществ, выброшенных в атмосферу до тех пор, пока они же не нагреют трубопровод системы.

Видео — как извлечь каталитический нейтрализатор:

Самый простой способ такого нагрева – помещение устройства непосредственно к основанию газоотводной трубы возле стенки двигателя. Но при включении холодного двигателя при такой установке катализатор все равно первое время работать не будет, пока не согреется. Современный и эффективный способ, который заставит его действовать с самого начала – предпусковой подогреватель двигателя, расходующий часть энергии на утепление.

Несмотря на то, что в выхлопной системе дизельных двигателей тоже есть подобные каталитические преобразователи, действуют они не столь впечатляюще. Дело тут также в недостаточной температуре нагрева. Дизели не так зависимы от окружающей среды и имеют возможность работать в зоне таких низких температур, что катализаторы просто не успевают достичь нагрева до степени осуществления химической реакции.

Признаки забитого катализатора

Но эти недостатки – мелочь по сравнению с ситуацией, когда вы садитесь за руль, а машина либо не заводится, либо глохнет, едва только двигатель сделает один-другой поворот коленвала. Понятное дело: мысли в поисках причин такого поведения начинают роиться в голове, и только потом, когда проверено всё и вся, становится понятным, что неполадки как раз с катализатором.

Чтобы проверить правоту своих домыслов, выкрутите датчик, расположенный перед первым катализатором, и попробуйте запустить мотор. Если никаких проблем в работе двигателя нет, то причина как раз в устройстве, о котором мы здесь говорим. Теперь необходимо полным ходом отправляться в автосервис и менять катализатор. Самостоятельно сделать это вряд ли получится, так как необходимо вносить корректировки в бортовой компьютер, чтобы настроить датчик на правильную работу.

Видео — как проверить катализатор на машине:

Если вы знаете свой автомобиль как пять пальцев, то наверняка вас насторожат и такие признаки неисправности каталитического нейтрализатора, как плохой разгон, педаль акселератора, слабо реагирующая на нажатие, рост расхода топлива. Подобное поведение машины говорит о том, что катализатор скоро выработает свой срок.

Проверка катализатора манометром

Как только вы заметили явные изменения в поведении своего авто, примите меры к проверке каталитического нейтрализатора. Признаки, о которых говорилось выше, не всегда могут относиться к тем, что сигнализируют о неисправности именно этого устройства.

Осмотрите катализатор. Если на корпусе имеются сильные вмятины, либо разводы, похожие на круги от воздействия высокой температуры, наверняка причины неполадок кроются внутри. По возможности осмотрите внутренние соты. Если они разрушены, первый «звоночек» уже прозвенел.

Точнее можно проверить с помощью замера манометром. Правда, это не тот прибор, которым проверяют давление в шинах, поэтому лучше также доверить эту операцию специалистам. Сам алгоритм действия следующий: вместо первого кислородного датчика, используя переходник, устанавливается измерительный прибор. После заводится двигатель, обороты поднимаются до 3000 об/мин. Если стрелка на шкале преодолела отметку в 0,3 кгс/см², то катализатор забит, и наступило время для его замены.

И самое главное – придирчиво относитесь к тому, чтобы топливо и масло всегда были надлежащего качества, иначе весь осадок от них будет накапливаться в катализаторе, что также будет способствовать его скорому выходу из строя.

Как выполняется полировка фар своими руками в домашних условиях узнаете из статьи.

В каких случаях может помочь сумка-холодильник для автомобиля.

Как выбрать автомобильный компрессор https://voditeliauto.ru/poleznaya-informaciya/aksessuary-i-gadzhety-dlya-avto/avtomobilnyj-kompressor.html для подкачки шин.

Видео — проблемы катализаторов на автомобилях ВАЗ:

Сколько стоит катализатор? Каталог катализаторов, Стоит ли доверять каталогам катализаторов?

Каждый день нам приходится отвечаем на один и тот же вопрос:

«Сколько стоит тот или иной катализатор?»

На стоимость катализатора влияет ряд факторов:

1. Цена катализатора зависит от того, на какой рынок сбыта изначально был собран конкретный автомобиль. На европейские рынки поставляются более качественные катализаторы, чем в страны третьего мира. Фактически, обман начинается прямо с автомобильного завода. Для рынков, с жескими экологическими нормами, производятся катализаторы высшего качества, а для третьих стран — «пустышки».

2. Чем выше класс автомобиля, тем качественнее катализатор. Это связано с соблюдением экологических стандартов.

3. Чем больше срок службы автомобиля, тем меньше драгметаллов остается в катализаторе. Если снять 2-3 мм асфальтового покрытия с автобана, то содержание драгметалла будет около 30% от содержания среднего катализатора.

4. Спортивная езда способствуют более быстрому «опустошению» катализатора. Если удалить катализатор, автомобиль станет примерно на 10% мощнее, но вы не пройдете техосмотр.

5. Топливо. Некоторые присадки в топливе вымывают металлы из катализатора.

6. Катализаторы бывают с разным составом драгметаллов:

• Pt, Pd + Rh – «классический» и самый старый вид катализаторов. Среднее содержание на одну тонну керамики (ppm): Pt – 1470, Pd – 900, Rh – 270. На сегодняшний день, это уже «вымирающий» вид.
  
  Средняя цена на данную категорию: 60 -80 евро/кг.
• Pt + Rh – как правило, это катализаторы от дизельных или премиум-класса автомобилей.
  В таких катализаторах отсутствует палладий, но платины порядка 2500-5500 ppm. Стоимость этой категории катализаторов 80-160 eur/кг.
• Pd + Rh – Отсутствует платина, но палладия порядка 3000-5500 ppm. Еще лет 10 назад такие катализаторы составляют около 40% от всего количества современных катализаторов, но с резким ростом палладия, производители все больше производят катализаторов с платиной.
  Средняя цена 80-260 евро/кг.

Из вышесказанного можно сделать вывод – невозможно определить стоимость катализатора без анализа!
Купля-продажа катализаторов «на глаз» или по каталогам – риск как для покупателя, так и для продавца.

Компании, покупающие катализаторы «на глаз», не имея возможности купить оборудования для анализа, стараются скупают катализаторы по самой низкой цене в своей категории.

Сколько можно заработать на сдаче катализатора?

Требования, предъявляемые к старым катализаторам

При сдаче к каталитическим нейтрализаторам предъявляются некоторые требования:

Ï Керамическую массу нужно разделить на катализатор и сажевый фильтр (могут быть целыми или в виде крошки). Желательно предоставлять материал целым или крупными фракциями – так можно легко отсортировать соты и выполнить качественный анализ в процессе измельчения, что значительно повысит цену.

Ï Керамическая масса должна предоставляться без инородных предметов (асбеста, металлической сетки и опилок, кварцевого песка, сажи, цемента и пр.). При этом естественная влажность материала должна быть на уровне 1–2%.

Ï Стальной носитель нужно приносить цельным куском или внутри бачка, поскольку «растрепанный» материал сразу теряет до половины ценного напыления.

Как определяется стоимость катализаторов

Цена, по которой принимают каталитические нейтрализаторы, определяется следующими факторами:

Ï первоначальный статус, страна производства конкретного устройства: на европейских рынках продаются нейтрализаторы более высокого качества, нежели в странах третьего мира;

Ï класс авто: премиальные машины оснащаются дорогими катализаторами, в отличие от транспортных средств серии эконом;

Ï возраст: чем дольше использовался нейтрализатор, тем меньше драгоценных металлов осталось на поверхности сот;

Ï стиль езды: при спортивном и агрессивном стиле вождения катализатор изнашивается интенсивнее;

Ï используемое топливо: в бензин и солярку часто добавляют всевозможные присадки, которые способствуют вымыванию драгметаллов;

Ï состав напыления. Каталитические нейтрализаторы могут изготавливаться с разным составом металлического напыления. «Классическим» и самым старым видом покрытия сот считается сплав платины, палладия и родия в содержании 1470, 900 и 270 ppm соответственно на 1 т керамической массы. Стоимость скупки такого катализатора составляет в среднем €50-60 за 1 кг. Более современный вид напыления из платины и родия применяется для катализаторов машин с дизельным мотором или авто премиум-класса. В данном случае доля платины составляет 2500–3500 ppm, а ценник на нейтрализаторы варьируется от €65 до €75 за килограмм. Большинство современных катализаторов изготавливаются с напылением из палладия (доля до 3000–3500 ppm) и родия, а стоимость внутренних сот считается наиболее низкой – €45–55 за килограмм.

Отметим, что автомобильные катализаторы от машины с дизельным мотором отличаются более высоким содержанием платины, а от бензиновых – палладия, из-за чего вторые скупают по более высокой цене.

* Партнерский материал.

Если Вы заметили ошибку, выделите, пожалуйста, необходимый текст и нажмите Ctrl+Enter, чтобы сообщить об этом редактору.

В каких катализаторах больше драгметаллов? Сдать катализаторы?

Сколько драгметаллов содержится в автомобильном катализаторе

Автомобильный катализатор как часть выхлопной системы является обязательной опцией современного автомобиля, обеспечивающей снижение уровня токсичных выбросов попадающих в атмосферу. Преимуществом данного устройства является возможность сдать б/у катализатор в скупку и получить материальную выгоду. 

Конструкционные особенности автонейтрализатора

Устройство, преобразующее выхлопные газы состоит из внешнего носителя и внутренней части, состоящей из множества удлиненных капсул, на срезе напоминающих пчелиные соты. Каждая трубочка покрыта изнутри напылением из драгоценных металлов, которые при контакте с отработанным газом преобразовывают его в нейтральные вещества. 

В состав драгоценного напыления входит:

• платина
• родий
• палладий
• иридий и другие ценные металлы. 

Преимуществом автоката является то, что можно выгодно продать старый катализатор даже в нерабочем состоянии, для последующей переработки и извлечения платиноидов. 

Технологии извлечения драгметаллов

Самостоятельно добывать дорогостоящие металлы из преобразователя выхлопа можно, но сложно, требуется опыт, специальное оборудование и материальные вложения, которые при незначительном объеме добытых драгметаллов не окупаются. Потому так востребованы скупки катализаторов во всех регионах России и за рубежом. Компания Katalizatoroff предлагает клиентам выгодные условия скупки и реальные цены на б/у катализатор. 

Известны четыре способа аффинажа:

• выщелачивание окислителями позволяет добыть платину и родий в бытовых условиях, но сопряжено с рядом сложностей: в ходе промывки компонентов соляной и азотной кислотой часть драгметаллов утрачивается. Чтобы получить весомое количество платины или родия, понадобится несколько устройств
• гальванический метод или электродуговое нагревание разработан для извлечения палладия
• воздействие на отработанный кат «царской водкой» дает возможность извлечь платину
• фторирование разработано для вычленения палладия в максимальном объеме. 

Компания Katalizatoroff напрямую сотрудничает с аффинажными предприятиями и организовала скупки катализаторов по всей стране, для последующей правильной утилизации токсично опасных агрегатов. 

При переработке отработанных преобразователей выхлопа в промышленных масштабах исходное сырье дробится, сортируется и приготовляется шихта. Затем измельченный продукт расплавляется при температуре 3000°С и образуются расплавы драгметаллов, керамики и металлических носителей, при этом керамические частицы остаются вверху, а драгметаллы сливают из плазменно-дуговой печи. Следующий этап – гранулирование жидкого расплава содержащего металлы платиновой группы. Данный продукт пригоден для дальнейшего аффинажа, для выделения драгметаллов большей степени чистоты. 

Сколько платины содержится в автокате

Наибольший объем платиноидов содержится в автомобильных преобразователях выхлопа европейских производителей. В американских и британских авто производители предпочитают использовать в качестве катализирующего слоя иридий. 

Если сравнивать содержание драгметаллов в автокатах разных стран то в «японцах» и «китайцах» платины на 15% меньше, чем в машинах из Европы. Отечественная автопромышленность применяет на 40% меньше родия, чем западные коллеги. Американский автопром на 50% меньше применяет драгметаллы при производстве нейтрализаторов. 

Чтобы узнать, где сдать б/у катализатор, обратитесь в компанию «Катализаторофф» и наши менеджеры объяснят как, где и почем можно продать автокат по выгодной цене в ближайшем пункте приема. 

Есть ли драгоценные металлы в каталитических нейтрализаторах?

*

Выберите страну / regionUnited StatesCanadaAfghanistanAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrazilBritish Индийский океан TerritoryBrunei DarussalamBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCape VerdeCayman IslandsCentral африканских RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos (Килинг) IslandsColombiaComorosCongoCongo, Демократическая Республика ofCook IslandsCosta RicaCote D’IvoireCroatiaCubaCyprusCzech RepublicDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEast TimorEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEstoniaEthiopiaFalkland (Мальвинские) острова Фарерские IslandsFijiFinlandFmr Югославская Республика МакедонияФранцияФранцузская ГвианаФранцузская ПолинезияФранцузские Южные территорииГабонГамбияГрузияГерманияГанаГибралтарГрецияГренландияГренадаГваделупаГуамГватемалаГвинеяГвинея-БисауГайанаГаити Херд и Макдональд IslandsHoly Престол (Ватикан) HondurasHong KongHungaryIcelandIndiaIndonesiaIran (Исламская Республика) IraqIrelandIsraelItalyJamaicaJapanJordanKazakstanKenyaKiribatiKorea, Корейские Народно-Демократической RepKorea, Республика ofKuwaitKyrgyzstanLao Народный Демократической RepLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyan Arab JamahiriyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacauMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesia, Федеративные StatesMoldova, Республика ofMonacoMongoliaMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNauruNepalNetherlandsNetherlands AntillesNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorthern Mariana IslandsNorwayOmanPakistanPalauPanamaPapua Нового GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalPuerto RicoQatarReunionRomaniaRussian FederationRwandaSaint HelenaSaint Киттс и НевисСент-ЛюсияСент-Пьер и МикелонСамоаСан-МариноСао-Томе и ПринсипиСаудовская АравияСенегалСейшельские островаСьерра-ЛеонеСингапурСловацкий iaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSpainSri LankaSth Georgia & Sth Sandwich Институт социальных Винсент и GrenadinesSudanSurinameSvalbard и Ян MayenSwazilandSwedenSwitzerlandSyrian Arab RepublicTaiwan, провинция ChinaTajikistanTanzania, Объединенная Республика ofThailandTogoTokelauTongaTrinidad и TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks и Кайкос IslandsTuvaluUgandaUkraineUnited арабских EmiratesUnited KingdomUruguayUS Minor Отдаленные IslandsUzbekistanVanuatuVenezuelaVietnamVirgin острова (Британские) Виргинские острова (U.S.) Острова Уоллис и Футуна Западная Сахара ЙеменЮгославия Замбия Зимбабве

(PDF) Автомобильные катализаторы: производительность, характеристика и разработка

Автомобильные катализаторы: производительность, характеристика и разработка

363

6. Источники

Angelidis, T.N. И Склавунос, С.А. (1995). Исследование SEM-EDS новых и бывших в употреблении автомобильных катализаторов

. Прикладной катализ A: Общие, Vol. 133, pp 121-132

Angelidis, T.N. И Склавунос, С.А. (1995). Частичная регенерация старого автомобильного катализатора

. Прикладной катализ B: Окружающая среда, Vol. 12, pp. 193-206.

Cohn, D. R .; Бромберг, Л. и Хейвуд, Дж. Б. (2005) Бензиновые двигатели с прямым впрыском этанола

: использование биотоплива для экономичного снижения зависимости от нефти и выбросов CO2

, Massachussets Int. Of Technology, Кембридж, Массачусетс 02139.

Коллинз Н.Р. И Твигг М. В. (2007). Технологии контроля выбросов с трехкомпонентным катализатором для двигателей

с искровым зажиганием — Последние тенденции и будущие разработки.Topics in Catalysis,

Vol 42-43, pp 323-332.

Дельгадо, Р. К. О. Б.; Араужо, А. С. и Фернандес-младший, В. Дж. (2007). Свойства бразильского бензина

в смеси с гидратированным этанолом для технологии гибкого топлива. Обработка топлива

Technology vol. 88, pp 365-368.

Dufresne, P. (2007) Регенерация и рециклинг катализаторов гидрообработки. Прикладной катализ

A: General Vol. 322, стр 67-75.

Хек, Р. М. и Фаррауто, Р. Дж.(1995) Каталитический контроль загрязнения воздуха: коммерческие технологии, Van

Nostrand Reinhold, Нью-Йорк.

ХироКазу, К. (1999) Регенерация катализатора и переработка катализатора за пределами предприятия. Petrotech Vol. 22,

pp 419-423

Исмагилов З.Р .; Шкрабина, Р.А .; Корябкина Н.А .; Арендарский, Д.А. И Шикина Н.В. (1998)

Приготовление термостойких оксидов алюминия для промывочного покрытия для автомобильных катализаторов, в: N.

Kruse, A. Frennet, J.M. Bastin (Eds.), Катализ и контроль автомобильного загрязнения, т. IV,

Elsevier, Амстердам, 1998 г., стр. 507–511.

Kaspar, J .; Форнасьеро П. и Хики Дж. Н. (2003). Катализаторы автомобильные: состояние

и перспективы. Катализ сегодня Vol. 77, pp 419-449.

Лоуэлл, С. и Силдс, С. (2005). Площадь поверхности и пористость порошка / Под ред. Chapman and Hallm,

NY.

Massad, E .; Saldiva, C.D .; Кардосо, Л. М. Н .; Silva, R .; Салдива, П.Х. Н. и Бём, Г. М.

(1985) Острая токсичность выхлопных газов бензиновых и этаноловых выхлопных газов автомобильных двигателей.

Toxicol Lett Vol. 26, стр 187-192.

Mizukami, F .; Maeda, K .; Watanabe, M .; Масуда, К .; Сано Т. и Куно К. (1991) Препарат

О термостабильных оксидах алюминия с большой площадью поверхности и свойства платиновых катализаторов на носителе из оксида алюминия

, в: A. Crucg (Ed.), Catalysis and Automotive Pollution Control,

vol. II, Elsevier, Амстердам, стр.557–568.

Morterra, C .; Magnacca G .; Bolis, V .; Серрато, Г.; Баррикко, М. А.; & Fucale, M. (1995)

Структурные, морфологические и химические характеристики поверхности носителя катализатора Al2O3

, стабилизированного CeO2, в: A. Frennet, J.M. Bastin (Eds.), Catalysis and Automotive

Pollution Control, vol. III, Elsevier, Амстердам, стр. 361–373.

Сидерис, М. (1997). Методы мониторинга и диагностики эффективности каталитических преобразователей

: патентно-ориентированный обзор, т.115, Эльзевир, Амстердам.

Силва, Р. А. (2008) Estudo das características morfológicas, texturais e estruturais dos

catalisadores automotive. Диссертация, Федеральный университет Минас-Жерайс, Бразилия

TWC — Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор

ИСТОРИЯ ВОПРОСА — CATCON

Каталитический нейтрализатор (или catcon) в вашем автомобиле, на самом деле, очень важный элемент выхлопной системы автомобиля, поскольку он удаляет вредные оксиды азота (NO _X , x = 1,2,3) и оксид углерода (CO). от остатков сгорания до того, как они попадут в окружающую среду.Он называется каталитическим нейтрализатором, потому что он превращает CO в повсеместно распространенный 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. Во время реакции не расходуется. В случае каткона катализатор представляет собой твердую поверхность платины (Pt) или палладия (Pd), на которой адсорбируются и реагируют реагенты из газовой фазы.Этот процесс реакции, которому способствует катализатор, который находится в фазе, отличной от фазы реагентов, известен как гетерогенный катализ. (Узнайте больше о катализаторах на этом веб-сайте.)

Каталитический нейтрализатор — демонтированный

На рисунке выше показаны основные компоненты каталитических нейтрализаторов. Основными компонентами являются два сотовых монолита, покрытых тонким слоем Pt / Rh (первый монолит) и Pd / Rh (второй). Они обеспечивают поверхность, 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 из довольно аморфного силикатного материала, который увеличивает площадь поверхности за счет придания ей шероховатости.

Чтобы узнать больше о площади поверхности катализатора, посетите этот веб-сайт.

Дальнейшие детали его конструкции можно проиллюстрировать на следующем видео:

Химические реакции в TWC

Как видно на видео, наиболее очевидные реакции, происходящие внутри каткона, следующие:

Тем не менее, в этой небольшой части вашего автомобиля происходит по крайней мере 15 реакций одновременно.Их можно разделить на четыре основные категории: окисление, преобразование воды в газ и пар, восстановление закиси азота и хранение кислорода. Вы можете найти больше об этом в разделе кинетики.

Материально-энергетический баланс

Скорость химических реакций также зависит от температуры, как показано уравнением Аррениуса. Следовательно, мы также должны учитывать передачу энергии (тепла) через наш реактор, потому что каталитический нейтрализатор, по сути, является реактором.Кроме того, каждый канал монолитов служит мини-реактором, поскольку реакции происходят в каналах. В этой системе есть три основных механизма теплопередачи:

1) Теплопроводность по монолиту

2) Конвекционная теплопередача от газообразных частиц к стенкам монолита.

3) Выделение тепла в результате химических реакций (эти реакции окисления являются экзотермическими)

Величина каждого вида скорости теплопередачи будет зависеть от параметров реактора, таких как теплопроводность материалов, из которых изготовлен реактор.Кроме того, скорости реакции являются функцией концентрации реагентов, поэтому очень важно учитывать их транспортировку и расход вдоль реактора. Это также будет зависеть от параметров реактора, таких как коэффициент диффузии, который определяет, насколько быстро частицы могут перемещаться по материалу.

Очистка катализаторов | Природа

С момента своего появления более 20 лет назад каталитический нейтрализатор резко сократил автомобильные выбросы.Используя катализаторы, содержащие палладий, платину и родий, преобразователь разрушает вредный оксид углерода, оксиды азота и углеводороды до того, как выхлопные газы покидают выхлопную трубу автомобиля. Но эти драгоценные металлы дороги и производятся путем интенсивной и загрязняющей химической обработки сульфидных руд, добываемых из зачастую коварных подземных рудников.

На странице 164 этого выпуска Ясуо Нишихата и другие . ( Nature 418 , 164–167; 2002) предлагают новый катализатор для контроля автомобильных выбросов, который действует дольше и выполняет свою задачу более эффективно, чем обычные катализаторы.Материал, перовскит, содержащий небольшое количество палладия (Pd), может снизить на 70–90% количество драгоценных металлов, необходимых для соответствия сегодняшним стандартам выбросов от автомобилей.

Каталитические нейтрализаторы состоят из высокопористой керамической структуры, покрытой мелкодисперсным каталитическим материалом. Чтобы обеспечить немедленные действия при запуске автомобиля, преобразователи размещаются рядом с самой горячей частью автомобиля — двигателем. Со временем тепловое воздействие вызывает агломерацию мельчайших частиц драгоценного металла, что снижает общую площадь поверхности катализатора и, следовательно, его активность.Чтобы противодействовать этому эффекту, обычные каталитические нейтрализаторы загружены излишками драгоценного металла, что обеспечивает достижение целевых показателей производительности при использовании транспортного средства в ожидаемом диапазоне, обычно 80 000 км.

Нишихата и др. . демонстрируют, что загрузка избыточного металла не требуется, если в качестве катализатора используется перовскит LaFe _0,57 Co _0,38 Pd _0,05 O ₃ . Этот материал, впервые исследованный для применения в каталитических нейтрализаторах в 1970-х годах, сохранил высокую дисперсию металлов и высокую каталитическую активность в течение 100-часового испытания в выхлопных газах двигателя.В том же испытании активность обычного катализатора (оксид алюминия, пропитанный палладием) снизилась на 10%.

Устойчивость к агломерации металлических частиц является результатом способности перовскита структурно реагировать на колебания состава выхлопных газов, которые происходят в современных бензиновых двигателях. Эти колебания постоянно переключают атмосферу выхлопных газов с окислительной на восстановительную. В отдельных испытаниях авторы установили, что Pd прочно входит в решетку перовскита окисленного LaFe _0.57 Co _0,38 Pd _0,05 O _{3 Катализатор} (см. Рисунок слева). Но атом Pd (красный) выходит из структуры, замещаясь атомом железа (синий) в восстановленном материале (см. Рисунок справа). Именно эта полностью обратимая перескок Pd в структуру перовскита и из нее, по-видимому, подавляет агломерацию металла и, таким образом, медленную дезактивацию катализатора.

Рис. 1

Хотя каталитические нейтрализаторы уже внесли значительный вклад в борьбу с выбросами, Nishihata et al .показать, что еще многое можно сделать для уменьшения воздействия использования автомобилей на окружающую среду.

Об этой статье

Цитируйте эту статью

Helmer, M. Очистка катализаторов. Nature 418, 138 (2002). https://doi.org/10.1038/418138b

Скачать цитату

Поделиться этой статьей

Все, с кем вы поделитесь следующей ссылкой, смогут прочитать это содержание:

Получить ссылку для совместного использования

К сожалению, в настоящее время ссылка для совместного использования недоступна доступно для этой статьи.

Предоставлено инициативой по обмену контентом Springer Nature SharedIt

Дополнительная литература

• Оценка жизненного цикла инженерных наноматериалов: обзор литературы по статусу оценки

  • Мирко Миселич
  • и Стиг И. Олсен

  Журнал исследований наночастиц (2014)

Трехкомпонентный катализатор (TWC) | Umicore

Работа трехкомпонентного катализатора

Трехкомпонентный катализатор окисляет загрязнители выхлопных газов — как углеводороды (HC), так и окись углерода (CO) — и восстанавливает оксиды азота (NO _x ) до безвредных компонентов: воду (H ₂ O), азот (N _{). 2} ) и диоксид углерода (CO ₂ ).

В зависимости от условий эксплуатации двигателя и состава выхлопных газов степень конверсии выше 98% может быть достигнута при условиях, близких к стехиометрическим (лямбда-коэффициент). Необходимые условия реакции могут быть достигнуты менее чем через минуту с помощью специальных мер холодного пуска, особенно быстрого нагрева выхлопных газов после запуска двигателя. Это особенно важно для езды по городу, для которой характерны частые старт-стопы.

Лямбда-регулируемые трехкомпонентные катализаторы

В трехкомпонентных катализаторах с лямбда-регулированием параллельно катализируются следующие три основные реакции.

• 2 НО + 2 переключающих контакта → N ₂ + 2 переключающих контакта ₂
• 2 CO + O ₂ → 2 CO ₂
• 2 C ₂ H ₆ + 7 O ₂ → 4 CO ₂ + 6 H ₂ O

Высокие степени конверсии для всех трех реакций могут быть достигнуты в стехиометрическом выхлопном газе с так называемым составом лямбда-1. Лямбда описывает массовое отношение воздуха к топливу во время сгорания и немного зависит от состава топлива / октанового числа (ON).Для ON 95 лямбда 1 равна 14,7; для ON 91 это число переместится в 14,8.

Особенно бедные отклонения (т. Е. Лямбда> 1, избыток кислорода) быстро приводят к значительному снижению конверсии NO _x . Таким образом, баланс между катализатором и лямбда-контролем абсолютно необходим, чтобы гарантировать высокий уровень конверсии в течение всего срока службы автомобиля.

Характеристики преобразования TWC:
(например, TWC Pd / Rh)

Узкий диапазон соотношения воздух-топливо с высокой степенью конверсии всех регулируемых газовых компонентов.

NO

_x адсорбер для автомобилей, работающих на бензине

Принцип работы адсорберов NO _x для автомобилей с бензиновым двигателем сопоставим с механизмом, уже описанным в разделе «Адсорбер дизельные NO _x ». Различия могут быть реализованы в условиях эксплуатации, особенно при более высокой температуре выхлопных газов и различном составе выхлопных газов — более низком содержании кислорода — для бензиновых двигателей.

Это может привести как к корректировке составов покрытия, так и к корректировке стратегий управления двигателем.

Автомобильная керамика | Британника

Полная статья

Автомобильная керамика , современные керамические материалы, из которых изготавливаются компоненты для автомобилей. Примеры включают изоляторы свечей зажигания, катализаторы и опоры катализаторов для устройств контроля выбросов, а также датчики различных типов. В этой статье кратко описаны два важных применения современной передовой керамики в автомобильной промышленности — несущие конструкции для элементов каталитического нейтрализатора и различные датчики давления и тепла.

Подложки каталитического нейтрализатора

Каталитические нейтрализаторы используются для уменьшения количества оксидов азота, монооксида углерода и непрореагировавших углеводородов в автомобильных выбросах. (Каталитическое преобразование требует точно сбалансированного соотношения воздух-топливо, отсюда и необходимость в датчиках кислорода, таких как те, что описаны в проводящей керамике: датчики кислорода для помощи в управлении впрыском топлива с обратной связью.) В системах с двойным преобразователем выхлопные газы являются сначала восстанавливается с целью удаления оксидов азота; затем они окисляются добавленным воздухом, чтобы удалить окись углерода и несгоревшие углеводороды.В более совершенных трехкомпонентных конвертерах отдельные катализаторы восстанавливают каждый компонент одновременно.

Катализаторы представляют собой металлы платиновой группы или неблагородные металлы, такие как хром, никель и медь. В катализаторах из неблагородных металлов активными поверхностями являются керамические оксиды металлов. Поскольку платиновые металлы чрезвычайно дороги, они осаждаются на керамических носителях катализатора в виде солей, а затем восстанавливаются до мелкодисперсных металлических частиц.

Для эффективности преобразования требуются чрезвычайно большие площади поверхности.Это достигается за счет хитроумной микроструктурной инженерии керамической опорной конструкции. Изготавливаются два типа конструкции — окатыши и сотовые монолиты. Гранулы представляют собой пористые шарики диаметром приблизительно 3 миллиметра ( ¹ / ₈ дюймов). С одной гранулой, имеющей до 10 квадратных миллиметров внутренней поверхности пор, один литр гранул может иметь до 500 000 квадратных метров опорной поверхности. Материал гранул часто представляет собой оксид алюминия (оксид алюминия, Al ₂ O ₃ ).Высокая внутренняя пористость достигается за счет тщательного выжигания органических добавок и неполного спекания. Сотовые монолиты имеют от 1000 до 2000 продольных пор размером примерно один миллиметр, разделенных тонкими стенками. Материалом обычно является кордиерит, алюмосиликат магния (Mg ₂ Al ₄ Si ₅ O ₁₈ ), известный своим низким тепловым расширением. Структура экструдированного кордиерита покрыта слоем глинозема, который, в свою очередь, поддерживает частицы платинового катализатора.Площадь поверхности монолита обычно составляет один квадратный метр; однако это число необходимо многократно умножить из-за пористости глинозема на поверхности.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Опоры из монолита намного дороже опор для пеллет, но они вызывают меньший перепад давления в выхлопной системе. Оба типа носителя катализатора из-за присущей им хрупкости подвержены разрушению из-за колебаний.Сдерживание опор также затруднено. Необходимо обеспечить хорошее уплотнение и поддерживать его в рабочем состоянии без внешнего воздействия на рыхлую структуру.

В дополнение к датчику кислорода, используемому для контроля и управления соотношением воздух-топливо (см. Проводящую керамику), в автомобилях используются многие другие датчики для измерения ряда переменных, включая температуру, давление, скорость и уровень топлива. Многие из этих датчиков сделаны из керамики. Например, датчики для считывания давления во впускном или выпускном коллекторах могут включать в себя диафрагму-подложку из оксида алюминия, на которую нанесена толстопленочная схема трафаретной печати.Поскольку диафрагма отклоняется из-за колебаний давления, регистрируется изменение емкости. Датчики динамического давления — , например, для давления в камере сгорания — изготовлены из пьезокерамики, которая генерирует напряжение при воздействии давления. Пьезоэлектрические датчики могут быть довольно маленькими и иметь короткое время отклика. Различные датчики-исполнительные механизмы и датчики ускорения-замедления изготавливаются из пьезокерамики. Пьезоэлектрическая керамика описаны в статье конденсаторный диэлектрик и пьезокерамика.

Керамика для тепловых двигателей

Огнеупорная керамика широко используется в качестве дискретных компонентов и покрытий для металлических компонентов в двигателях внутреннего сгорания. Керамические детали и покрытия обладают явными преимуществами меньшего расхода топлива (из-за их более высоких рабочих температур, более высокого теплового КПД и меньшего веса) и меньших выбросов выхлопных газов (из-за более полного сгорания топлива при более высоких рабочих температурах). Также выгодна выдающаяся износостойкость керамики.Так называемые термобарьерные покрытия из керамики на металлических головках цилиндров, головках поршней, впускных и выпускных отверстиях являются одним из примеров того, как тепловые и механические свойства керамики могут сочетаться с прочностью металлических частей, которые они защищают.

Из керамики можно также придать роторы и статоры сложной формы, используемые в газотурбинных двигателях. У газовых турбин есть вращающиеся, а не возвратно-поступательные части, и здесь тугоплавкость керамики, ее устойчивость к коррозии и износу, а также ее легкий вес обеспечивают высокоэффективную работу при высоких температурах.Турбинные двигатели с керамическими деталями или металлическими деталями с керамическим покрытием в настоящее время используются в качестве вспомогательных источников энергии. Автомобильная керамика — это лишь один из нескольких видов современной конструкционной керамики. Обзор вопросов, связанных с адаптацией керамики для требовательных структурных приложений, см. В разделе «Современная структурная керамика». Справочник по всем статьям, охватывающим как традиционную, так и передовую промышленную керамику, см. В разделе «Промышленная керамика: общие сведения о покрытии ».

Узнайте больше в этих связанных статьях Britannica:

• катализатор

  Каталитический нейтрализатор в автомобилях, компонент систем контроля выбросов, используемый для уменьшения выброса ядовитых и загрязняющих газов из двигателя внутреннего сгорания.Каталитический нейтрализатор состоит из изолированной камеры, содержащей сотовую структуру или гранулы, покрытые катализатором, через которые проходят выхлопные газы. Углеводороды и…

• токопроводящая керамика: датчики кислорода

  Кислородные датчики

  используются в промышленности для мониторинга и контроля технологической атмосферы, а также в автомобилях для мониторинга и управления соотношением воздух-топливо (A / F) в двигателе внутреннего сгорания.Важным материалом сенсора является диоксид циркония, который, как отмечалось выше, может быть отличным проводником кислорода при высоких температурах, если он подходит…

• платиновая группа

  Платиновая группа, шесть металлов в порядке возрастания атомной массы: рутений (Ru), родий (Rh), палладий (Pd), осмий (Os), иридий (Ir) и платина (Pt).Все элементы имеют серебристо-белый цвет, за исключением осмия, который имеет голубовато-белый цвет. Химическое поведение этих металлов парадоксально в том смысле, что они обладают высокой устойчивостью…

Развитие каталитических нейтрализаторов | Особенность

Вкратце

• Хотя проблема росла, потребовалось много лет, чтобы принять законы против загрязнения воздуха
• Современное законодательство ставит новые задачи при разработке катализаторов

Проблема смога

Еще в 1940-х и 1950-х годах качество воздуха во многих крупных городах мира ухудшилось до такой степени, что необходимо было найти решение.Основным источником этого загрязнения являются фотохимический смог и низкий уровень озона, вызванные загрязнителями, выбрасываемыми автотранспортными средствами.

Для решения этой проблемы в середине 1970-х годов, первоначально в Калифорнии, автомобили были оснащены каталитическими нейтрализаторами для удаления загрязняющих веществ и улучшения качества воздуха, несмотря на некоторое сопротивление со стороны автомобильной промышленности. Постепенно использование каталитических нейтрализаторов распространилось по всему миру.

В последнее время рост популярности дизельных транспортных средств и введение законодательства, охватывающего более широкий спектр типов транспортных средств, привели к новым проблемам, и, поскольку мы смотрим в будущее, ожидаются новые проблемы.

Историческое загрязнение воздуха

Загрязнение воздуха — не новая проблема для человеческой цивилизации. Фактически, в елизаветинские времена ведьмы Шекспира, помимо поощрения убийств Макбета, также прокомментировали качество воздуха:

ярмарка — это фол, а фол — справедливый: парить в тумане и грязном воздухе.

Еще до этого, в 1306 году, Эдуард I ввел закон о загрязнении воздуха, запрещающий сжигание определенных видов угля для улучшения качества воздуха, что привело к тому, что одна бедняга, нарушившая это правило, была казнена без промедления.

Совсем недавно, после промышленной революции, было зарегистрировано множество случаев загрязнения воздуха, серьезно сказывающегося на мировом населении и здоровье человека. Особо следует отметить эпизод смога в 1952 году в результате сжигания угля, в результате которого погибло около 4000 лондонцев, что привело к принятию парламентом Закона о чистом воздухе в 1956 году, который эффективно сократил сжигание угля.

Современное загрязнение воздуха

Сегодня к основным источникам загрязнения во всем мире по-прежнему относятся электростанции, работающие на угле или природном газе.В настоящее время серьезную озабоченность вызывают продукты сгорания двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине и дизельном топливе.

Эти вредные загрязнители включают окись углерода, несгоревшие углеводороды и твердые частицы (ТЧ) от неполного сгорания топлива. Также присутствуют оксиды азота, образующиеся в цилиндре двигателя при высокой температуре и давлении, и некоторые оксиды серы из серы, содержащейся в топливе и смазочных материалах.

Некоторые из этих химикатов токсичны сами по себе, но в сочетании могут образовывать неприглядный, ядовитый и смертельный фотохимический смог, например, в результате реакции диоксида азота с кислородом и углеводородами.

Долгое ожидание регулирования

Первое признание потенциальной потребности в катализаторе для удаления загрязняющих веществ из бензиновых автомобилей было представлено в 1909 году, когда французский химик Мишель Френкель выступил на 7-м Международном конгрессе по прикладной химии в Лондоне. Он предложил «дополнительное сгорание в выхлопной трубе с помощью катализатора». ¹ Эта идея примечательна тем, что прошло всего год после того, как Ford Model T был запущен в массовое производство.

Однако даже пророческому прозрению Френкеля предшествовал Закон о консолидации железнодорожных статей 1845 года, первые в мире правила, касающиеся выбросов от транспорта, в данном случае выбросов дыма от паровых двигателей в Англии.

Несмотря на эти ранние попытки привлечь внимание к влиянию транспортных выбросов на качество воздуха, мир ждал до 1975 года, когда США ввели правила, принудительно устанавливающие каталитические нейтрализаторы на бензиновые автомобили в попытке улучшить качество воздуха и ограничить образование фотохимических веществ. смог.

Ранние катализаторы

Первые устройства представляли собой относительно простые катализаторы окисления, состоящие из платины, нанесенной на мелкие частицы оксида алюминия, упакованные в металлический контейнер, приваренный к выхлопной трубе.Их роль заключалась в окислении несгоревших углеводородов и окиси углерода с помощью дополнительного воздуха, впрыскиваемого в выхлопные газы.

Высокоценная и дорогая платина была выбрана в качестве катализаторов после долгих экспериментов с более дешевыми альтернативами. Платина более устойчива в выхлопных газах и менее подвержена отравлению соединениями серы, образующимися из серы в топливе.

Отравление свинцом

Основной проблемой, с которой столкнулись в первые дни, было отравление катализатора свинцом, добавленным в топливо для обеспечения бесперебойной работы двигателя.Это была необходимость в катализаторах для транспортных средств, а также опасения по поводу воздействия свинца на здоровье человека, что привело к постепенному отказу от свинцовых добавок к топливу.

Позже катализаторы были нанесены на керамические сотовые монолитные конструкции ( рис. 1) . Сейчас они обычно изготавливаются из силиката магния и алюминия, называемого кордиеритом (2MgO.5SiO ₂ .2Al ₂ O ₃ ). Они сами по себе инертны в каталитическом процессе и являются огромным технологическим прорывом по сравнению с предложением Френкеля 1909 года о горном льне или картоне!

За счет очистки выбросов углеводородов из воздуха был немедленно удален один из ингредиентов фотохимического смога.Однако большинство автомобилей выбрасывают большие количества NO _x , и это само по себе токсично.

Окисление CO над Pt / Pd:

2CO (г) + O ₂ (г) → 2CO ₂ (г)

Окисление углеводородов над Pt / Pd, например:

C ₈ H ₁₈ (г) + 12½O ₂ (г) → 8CO ₂ (г) + 9H ₂ O (г)

NO снижения (CO) над Rh:

2NO (г) + 2CO (г) → N ₂ (г) + 2CO ₂ (г)

Работа с NO

_x

Следующим шагом была борьба с выбросами оксида азота (NO _x ).Последовательно были установлены два катализатора:

.

• Катализатор восстановления для удаления NO _x
• Катализатор окисления, как и раньше.

Двигатель был откалиброван для работы на богатой (избыточное топливо, чтобы обеспечить уменьшение подачи для удаления NO _x ). Затем перед катализатором окисления был добавлен воздух — довольно громоздкий подход!

Будущие авансы

По-настоящему большой технологический прорыв произошел в 1980-х годах, когда было реализовано устройство, которое могло объединить все функции катализатора в одном катализаторе.Он был назван трехкомпонентным катализатором (TWC) и по сей день является основой контроля выбросов бензиновых автомобилей.

TWC включает платину или палладий для катализа реакций окисления и родий для восстановления NO _x , что стало возможным благодаря ряду крупных технологических достижений, которыми автомобильная промышленность смогла воспользоваться:

1. Замена карбюраторов системами электронного впрыска топлива, позволяющая поддерживать более точные смеси воздуха и топлива
2. Измерение уровня кислорода в выхлопе с помощью кислородных датчиков
3. микропроцессорное управление для передачи информации от датчика кислорода (двигатель работает на обедненной / богатой смеси) в систему впрыска.

Эффективное сгорание

Эти достижения означали, что теперь стало возможным запускать бензиновый двигатель с точной стехиометрической смесью воздуха, используемого в качестве топлива для реакции сгорания.

Ранее двигатели работали либо на богатой (избыток топлива, т. Е. В восстановительных условиях), либо на обедненной смеси (избыток воздуха, т. Е. В окислительных условиях). Таким образом, двигатель постоянно пытается работать с идеальным соотношением воздуха, но поскольку регулирование соотношения воздух / топливо зависит от контура обратной связи, небольшие и быстрые колебания происходят по обе стороны от стехиометрического отношения.Таким образом, выхлоп циклически меняется от слегка богатого до слегка обедненного.

Для улучшения характеристик TWC в этих изменяющихся условиях также добавляется оксид церия. Оксид церия легко может переключаться между состояниями окисления, обеспечивая кислород в слегка богатых условиях и способствуя восстановлению, когда выхлоп немного обеднен.

2CeO ₂ + CO → Ce ₂ O ₃ + CO ₂

Ce ₂ O ₃ + ½O ₂ → 2CeO ₂

Если не считать постепенных технических достижений на протяжении многих лет, направленных на соблюдение ужесточающихся правил, это был бы почти конец истории, и за последние два десятилетия о трехкомпонентных каталитических нейтрализаторах было написано много. ³ Но в последние годы растет озабоченность по поводу экономии топлива и выбросов углекислого газа, а также растет популярность более эффективных транспортных средств с дизельным двигателем.

Дизель

Немец Рудольф Дизель изобрел дизельный двигатель в конце 19 века, но при жизни его изобретение не вызвало особого интереса. К сожалению, жизнь Дизеля закончилась, окутанная тайнами и теориями заговора, когда он пропал без вести во время плавания через Ла-Манш в Великобританию в 1913 году.Однако после значительных разработок в последующие десятилетия, направленных на то, чтобы преодолеть шумную и дымную репутацию дизельного двигателя, сегодня его двигатель используется в половине легковых автомобилей, продаваемых в Европе. Они обычно устанавливаются на корабли, поезда, автобусы, грузовики, сельскохозяйственную или строительную технику.

Новые вызовы

Состав выхлопных газов дизельных двигателей представляет собой совершенно новый набор проблем для химиков и инженеров по сравнению с обычными бензиновыми автомобилями.Поскольку сгорание происходит в избытке воздуха (обедненной смеси), все процессы контроля выбросов также должны работать в окислительных условиях.

Растущая популярность дизельных автомобилей также принесла с собой новое законодательство. Это касается тех же загрязняющих веществ, которые содержатся в выхлопных газах бензина, но теперь также включает PM, что является серьезной проблемой. Обычно он состоит из углеводородов и оксидов серы, адсорбированных на твердом углеродистом веществе.

Катализаторы для дизельного топлива

Как и в случае с бензиновыми автомобилями, катализатор снижения выбросов для дизельного топлива не новость.Самым простым устройством для установки на дизельный автомобиль является катализатор окисления дизельного топлива, который основан на нанесенном платиновом или палладиевом катализаторе. При этом избыточный воздух из двигателя используется для окисления окиси углерода и углеводородов до двуокиси углерода и воды. Первые такие устройства были установлены на вилочных погрузчиках в 1960-х годах, ² , но сейчас их можно найти на большинстве дизельных дорожных транспортных средств.

Удаление окиси углерода и углеводородов из выхлопных газов дизельных двигателей представляет ряд проблем, в основном преобразование этих загрязняющих веществ, часто при низкой температуре, характерной для выхлопных газов дизельных двигателей.Однако наибольшую озабоченность вызывают NO _x и PM как с точки зрения простоты удаления, так и с точки зрения их пагубного воздействия на здоровье человека. Все основные новые разработки были сделаны во внедрении устройств для удаления этих загрязнителей.

Селективное каталитическое восстановление

Для управления NO _x было предложено два решения. Первый известен как селективное каталитическое восстановление (SCR), при котором восстановитель, обычно раствор мочевины, распыляется в выхлопных газах для создания условий, необходимых для восстановления NO _x .Мочевина испаряется и разлагается до аммиака, который затем реагирует с NO _x над катализатором SCR, обычно нанесенным оксидом ванадия (V ₂ O ₅ ), или железом или медью, нанесенными на цеолит, который нанесен на монолит (как для TWC). Эти реакции происходят при температурах выше 200 ° C.

В некоторых ситуациях, например, в странах с холодным климатом зимой, эту температуру получить трудно. Установив катализатор окисления перед SCR, можно преобразовать некоторое количество NO в NO ₂ .Если может быть достигнута стехиометрия 1: 1, реакция СКВ будет происходить при более низкой температуре, хотя в действительности возможно лишь небольшое температурное преимущество, поскольку разложение мочевины начинает становиться ограничивающим скорость ниже 200 ° C. Альтернативно, использование катализатора, который экструдирован из материала катализатора, а не нанесен на инертную структуру носителя, также может усилить реакцию. Эти каталитические материалы стали доступны для автомобильной промышленности только в последние несколько лет.

Разложение мочевины:

NH ₂ CONH ₂ → NH ₃ + HNCO

Гидролиз:

HNCO + H ₂ O → NH ₃ + CO ₂

НЕТ SCR:

4NH ₃ + 4NO + O ₂ → 4N ₂ + 6H ₂ O

НЕТ ₂ SCR:

8NH ₃ + 6NO ₂ → 7N ₂ + 12H ₂ O

Быстрая SCR:

2NH ₃ + NO + NO ₂ → 2N ₂ + 3H ₂ O

Одной из основных проблем с SCR является проблема введения правильного количества мочевины для реакции, чтобы аммиак не выходил через выхлопную трубу.Резкий запах аммиака в воздухе точно не приветствуется. В качестве страховки может быть установлен катализатор для преобразования любого прорыва аммиака. Также необходимо обеспечить согласие оператора транспортного средства, который теперь должен покупать раствор мочевины исключительно в экологических целях.

Lean NO

_x Ловушка

Вторая система управления NO _x известна как ловушка обедненного NO _x , и это более сложный путь, чем SCR. Вероятно, это будет преобладать для небольших дизельных транспортных средств, таких как легковые автомобили, по крайней мере, в ближайшей перспективе, поскольку это более экономичное решение для этих транспортных средств, чем SCR.

В ловушке NO _x накопительный компонент NO _x , обычно оксид щелочного или щелочноземельного металла, например оксид бария, добавляется к платиновому и родиевому катализатору. В нормальных условиях обедненного дизельного топлива в нем накапливается NO _x в виде нитрата, но каждые 60-120 секунд нитрат регенерируется при запуске двигателя с большим количеством топлива в течение нескольких секунд, так что некоторое количество окиси углерода и углеводорода может снизить содержание нитрата до безвредного. азот.

Бережливый режим (рис. 2а)

NO окисления:

2НО _(г) + O _{2 (г)} → 2НО ₂

Хранение NO ₂ в виде нитрата:

MO + 2NO ₂ + ½O ₂ → M (NO ₃ ) ₂

Регенерация (рис. 2b )

Снижение содержания нитратов с помощью CO (или H ₂ ):

M (НЕТ ₃ ) ₂ + 3CO → MO + 2NO + 3CO ₂

NO сокращения (CO):

2НО _(г) + 2CO _(г) → 2CO _{2 (г)} + N _{2 (г)}

НЕТ редукции (H ₂ ):

2НО _(г) + 2H _{2 (г)} ⇋ N _{2 (г)} + 2H ₂ O _(г)

Конструкция двигателя

Это требует сложной конструкции и эксплуатации двигателя, а также приводит к тому, что для очистки выхлопных газов используется топливо, а не движущая сила, поэтому некоторые преимущества использования дизельного двигателя теряются.Технология также основана на топливе с очень низким содержанием серы, поскольку сера может храниться в виде сульфата на материале для хранения. Поскольку он очень стабилен, ухудшаются характеристики катализатора, что требует периодической стадии высокотемпературной десульфатирования. Это удаляет серу после накопления определенного уровня, тем самым регенерируя катализатор.

Ловушка непрерывного действия

Одним из наиболее успешных устройств для контроля ТЧ является система фильтрации, известная как ловушка непрерывной регенерации (CRT®), которая теперь установлена ​​на 100 000 автомобилей.Он включает катализатор окисления дизельного топлива для удаления монооксида углерода и углеводородов, а также для окисления некоторого количества NO до NO ₂ . Уже было показано, что это может быть полезно для катализатора SCR, и это также имеет место здесь. В этом устройстве NO ₂ реагирует с твердыми частицами, улавливаемыми вторым компонентом, сажевым фильтром (DPF), при температуре выше 200 ° C. Это называется пассивной регенерацией и представляет собой непрерывный процесс.

Обычно изготовленные из кордиерита, карбида кремния (SiC) или титаната алюминия (Al ₂ TiO ₅ ), эти устройства улавливают твердые частицы в их пористой структуре стенки, когда газ проталкивается через стенку от входного канала к выходному отверстию. канал ( рис 3 ).

Еще более высокая эффективность пассивной регенерации может быть достигнута путем добавления в фильтр платинового катализатора; это устройство CCRT® (Catalyzed CRT). В некоторых случаях использование пассивной регенерации невозможно.

Другой способ регенерировать DPF — периодически повышать температуру системы примерно до 500 ° C, чтобы кислород в выхлопных газах можно было использовать для окисления PM. Тепло обеспечивается за счет впрыска дополнительного топлива. Он окисляется на катализаторе, вызывая экзотермический эффект, который, в свою очередь, нагревает фильтр.В этом случае важно, чтобы управление регенерацией было тщательно настроено, так как опять же это дополнительное топливо частично сводит на нет преимущество дизельного двигателя. Если температура не контролируется должным образом и ее поднимают слишком высоко, это может привести к расплавлению, растрескиванию или разрушению фильтра, что дорого обходится владельцу.

Современные исследования

Для удаления NO _x и PM две системы объединяются, например, CRT с последующим катализатором SCR, и это является основой системы SCRT® ( fig4) .

Вместо последовательного размещения катализаторов можно также включить регулирующий катализатор NO _x на сам фильтр. Это является основной темой последних современных исследований, в которых катализаторы SCR или LNT наносятся на фильтр, что позволяет удалять NO _x и загрязнители PM на одном каталитическом устройстве. Теперь можно спроектировать систему, которая сэкономит ценное пространство на транспортном средстве и, возможно, также будет стоить. Они известны как четырехкомпонентные катализаторы.

Недавно была предложена еще одна идея — нанести катализаторы один на другой. Например, наслоение системы ловушки / СКВ NO _x дает катализатор с более широкими функциональными возможностями, но это исследование все еще находится в зачаточном состоянии.

Ждем вперед

Сейчас, во втором десятилетии 21-го ^-го -го века и спустя более ста лет после презентации Френкеля в Лондоне, многие проблемы остаются или могут быть предвидены. Производители автомобилей и двигателей сталкиваются с проблемой одновременного повышения эффективности и выбросов загрязняющих веществ, поэтому технологии двигателей будут продолжать развиваться быстрыми темпами.В конечном итоге это приведет к созданию двигателя, сочетающего в себе преимущества бензиновых и дизельных двигателей.

Двигатели станут меньше и будут работать на новых транспортных средствах, которые будут включать топливный элемент или батареи в качестве второго источника движущей силы.

Будущее принесет гораздо более широкий спектр видов топлива, таких как синтетическое топливо и биотопливо, полученное из сельскохозяйственных культур или альтернативное ископаемое топливо, то есть уголь или природный газ, а также водород, природный газ в качестве топлива и смешанные виды топлива. Уровни содержания серы будут продолжать снижаться в соответствии с требованиями законодательства, общественности и индустрии катализаторов.Также будет необходимо разработать катализаторы, которые могут работать при более низких температурах, что является постоянной проблемой, чтобы загрязняющие вещества могли удаляться даже при холодных выхлопных газах, например, сразу после запуска двигателя.

По мере того, как дорожные выбросы продолжают улучшаться, основное внимание будет уделяться другим источникам загрязняющих веществ, таким как корабли и, самое главное, самолеты. Законодательство будет продолжать ужесточаться и включать новые правила, например, по закиси азота, которая является сильным парниковым газом, в 300 раз более эффективным, чем диоксид углерода, а также по количеству твердых частиц, выбрасываемых из выхлопных газов.Фактически, последнее теперь включено в последнее законодательство, которое вступит в силу в 2014 году (законодательство Euro 6). Агентство по охране окружающей среды США в настоящее время предлагает особые правила N ₂ O, также для внедрения с 2014 года.