7.1: Каталитические нейтрализаторы

Каталитический нейтрализатор — это устройство, используемое для уменьшения выбросов от двигателя внутреннего сгорания (используется в большинстве современных автомобилей и транспортных средств). Недостаточно кислорода для полного окисления углеродного топлива в этих двигателях до углекислого газа и воды; при этом образуются токсичные побочные продукты. Каталитические нейтрализаторы используются в выхлопных системах, чтобы обеспечить место для окисления и восстановления токсичных побочных продуктов (таких как оксиды азота, монооксид углерода и углеводороды) топлива в менее опасные вещества, такие как двуокись углерода, водяной пар и газообразный азот.

Введение

Каталитические нейтрализаторы были впервые широко представлены в американских серийных автомобилях в 1975 году из-за правил EPA по сокращению токсичных выбросов. Закон США о чистом воздухе требовал снижения выбросов всех новых моделей автомобилей после 1975 года на 75%, причем это снижение должно было осуществляться с использованием каталитических нейтрализаторов. Без каталитических нейтрализаторов транспортные средства выделяют углеводороды, окись углерода и окись азота. Эти газы являются крупнейшим источником приземного озона, который вызывает смог и вреден для жизни растений. Каталитические нейтрализаторы также можно найти в генераторах, автобусах, грузовиках и поездах — почти все с двигателем внутреннего сгорания имеют каталитический нейтрализатор, прикрепленный к его выхлопной системе. Каталитический нейтрализатор — это простое устройство, которое использует основные окислительно-восстановительные реакции для уменьшения выбросов загрязняющих веществ, производимых автомобилем.Он преобразует около 98% вредных паров, производимых двигателем автомобиля, в менее вредные газы. Он состоит из металлического корпуса с керамической сотовой внутренней частью с изолирующими слоями. Эта сотовая внутренняя часть имеет каналы с тонкими стенками, покрытые слоем оксида алюминия. Это покрытие является пористым и увеличивает площадь поверхности, что позволяет протекать большему количеству реакций и содержит драгоценные металлы, такие как платина, родий и палладий. В одном конвертере используется не более 4-9 граммов этих драгоценных металлов. Преобразователь использует простые реакции окисления и восстановления для преобразования нежелательных паров. Напомним, что окисление — это потеря электронов, а восстановление — это приобретение электронов. Упомянутые ранее драгоценные металлы способствуют переносу электронов и, в свою очередь, преобразованию ядовитых паров. Последняя секция преобразователя управляет системой впрыска топлива. Этой системе управления помогает датчик кислорода, который отслеживает, сколько кислорода содержится в потоке выхлопных газов, и, в свою очередь, сообщает компьютеру двигателя, чтобы отрегулировать соотношение воздух-топливо, поддерживая работу каталитического нейтрализатора в стехиометрической точке и около 100%. эффективность.

Функции

1. Восстановление оксидов азота в элементарный азот и кислород: [NO_x rightarrow N_x + O_x ]
2. Окисление окиси углерода до двуокиси углерода: [CO + O_2 rightarrow CO_2]
3. Окисление углеводородов в углекислый газ и воду: [C_xH_ + 2xO_2 rightarrow xCO_2 + 2xH_2O ]

Есть два типа «систем», работающих в каталитическом нейтрализаторе: «бедная» и «богатая». Когда система работает на обедненной смеси, кислорода больше, чем требуется, поэтому реакции благоприятствуют окислению монооксида углерода и углеводородов (за счет восстановления оксидов азота). Наоборот, когда система работает «на обогащении», топлива больше, чем необходимо, и реакции благоприятствуют восстановлению оксидов азота до элементарного азота и кислорода (за счет двух реакций окисления).При постоянном дисбалансе реакций система никогда не достигает 100% эффективности.

Примечание: нейтрализаторы могут сохранять «лишний» кислород в потоке выхлопных газов для последующего использования. Это хранилище обычно возникает, когда система работает с минимальными затратами; газ выпускается, когда в выхлопном потоке не хватает кислорода. Высвобождающийся кислород компенсирует недостаток кислорода, полученного из NO._Икс или когда происходит резкое ускорение, и система соотношения воздух-топливо обогащается быстрее, чем каталитический нейтрализатор может к этому приспособиться. Кроме того, высвобождение запасенного кислорода стимулирует процессы окисления СО и С._ИксЧАС_4x​.

Опасности загрязняющих веществ

Без окислительно-восстановительного процесса для фильтрации и преобразования оксидов азота, монооксидов углерода и углеводородов качество воздуха (особенно в крупных городах) становится вредным для человека.

Оксиды азота: Эти соединения относятся к тому же семейству, что и двуокись азота, азотная кислота, закись азота, нитраты и окись азота. Когда НЕТ_Икс выделяется в воздух, вступает в реакцию, стимулируемую солнечным светом, с содержащимися в воздухе органическими соединениями; результат — смог. Смог является загрязняющим веществом и оказывает неблагоприятное воздействие на легкие детей. НЕТ_Икс реакция с диоксидом серы приводит к кислотным дождям, которые очень разрушительны для всего, на что выпадают. Кислотные дожди разъедают автомобили, растения, здания, национальные памятники и загрязняют озера и ручьи до кислотности, непригодной для рыб. НЕТ_Икс также может связываться с озоном, создавая биологические мутации (такие как смог) и уменьшая пропускание света.

Монооксид углерода: Это вредный вариант природного газа CO.₂. Этот газ без запаха и цвета не имеет многих полезных функций в повседневных процессах.

Углеводороды: Вдыхание углеводородов из бензина, бытовых чистящих средств, пропеллентов, керосина и других видов топлива может быть смертельным для детей. Дальнейшие осложнения включают нарушения центральной нервной системы и сердечно-сосудистые проблемы.

Каталитическое ингибирование и разрушение

Катализатор представляет собой чувствительное устройство, внутреннее покрытие которого покрыто драгоценными металлами. Без этих металлов окислительно-восстановительные реакции не могут протекать. Есть несколько веществ и химических веществ, которые ингибируют работу каталитического нейтрализатора.

1. Свинец: большинство автомобилей работают на неэтилированном бензине, в котором из топлива удален весь свинец. Однако, если свинец добавляется в топливо и сжигается, он оставляет остаток, который покрывает каталитические металлы (Pt, Rh, Pd и Au) и предотвращает контакт с выхлопными газами, что необходимо для проведения необходимых окислительно-восстановительных реакций.
2. Марганец и кремний: марганец в основном содержится в металлоорганическом соединении ММТ (метилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил). ММТ — это соединение, используемое в 1990-х годах для повышения октанового числа топлива (более высокое октановое число указывает на то, что газ с меньшей вероятностью воспламеняется, вызывая взрыв двигателя. Это важно, поскольку двигатели с более высокими характеристиками имеют высокую степень сжатия, которая нужен бензин с более высоким октановым числом, чтобы дополнить степень сжатия в двигателе), и в настоящее время его коммерческая продажа запрещена в соответствии с правилами EPA. Кремний может просачиваться из камеры сгорания в поток выхлопных газов охлаждающей жидкости внутри двигателя.

Эти загрязнения препятствуют нормальной работе каталитического нейтрализатора. Однако этот процесс можно было бы обратить вспять, запустив двигатель при высокой температуре, чтобы увеличить поток горячих выхлопных газов через нейтрализатор, плавя или сжижая некоторые загрязняющие вещества и удаляя их из выхлопной трубы. Этот процесс не работает, если металл покрыт свинцом, поскольку свинец имеет высокую температуру кипения. Если отравление свинцом достаточно сильное, весь преобразователь приходит в негодность и подлежит замене.

Термодинамика каталитических нейтрализаторов

Напомним, что термодинамика предсказывает, будет ли реакция или процесс самопроизвольным при определенных условиях, но не скорость процесса.Приведенные ниже окислительно-восстановительные реакции протекают медленно без катализатора; даже если процессы термодинамически благоприятны, они не могут происходить без соответствующей энергии. Эта энергия представляет собой энергию активации ((E_a) на рисунке ниже), необходимую для преодоления начального энергетического барьера, препятствующего реакции. Катализатор способствует термодинамическому процессу, снижая энергию активации; катализатор сам по себе не производит продукта, но влияет на количество и скорость образования продуктов.

1. Восстановление оксидов азота в элементарный азот и кислород: [NO_x rightarrow N_x + O_x ]
2. Окисление монооксида углерода до диоксида углерода. [CO + O_2 rightarrow CO_2 ]
3. Окисление углеводородов до углекислого газа и воды. [C_xH_ + 2xO_2 стрелка вправо xCO_2 + 2xH_2O ]

Кража катализатора

Из-за драгоценных металлов в покрытии внутренней керамической структуры многие каталитические нейтрализаторы стали объектом кражи. Преобразователь является наиболее легкодоступным компонентом, поскольку он находится снаружи и под автомобилем. Вор мог легко пролезть под машину, перепилить соединительные трубки на каждом конце и уйти с каталитическим нейтрализатором. В зависимости от типа и количества драгоценных металлов внутри каталитический нейтрализатор можно легко продать за 200 долларов за штуку.

Глобальное потепление

Хотя каталитический нейтрализатор помог снизить выбросы токсичных веществ из автомобильных двигателей, он также оказывает пагубное воздействие на окружающую среду. При конверсии углеводородов и монооксида углерода образуется диоксид углерода. Углекислый газ является одним из наиболее распространенных парниковых газов и вносит значительный вклад в глобальное потепление. Наряду с углекислым газом преобразователи иногда перегруппировывают азотно-кислородные соединения с образованием закиси азота. Это то же соединение, которое используется в веселящем газе и в качестве усилителя скорости в автомобилях. В качестве парникового газа закись азота в 300 раз более эффективна, чем двуокись углерода, и вносит пропорциональный вклад в глобальное потепление.

использованная литература

1. Тимберлейк, Карен С. Химия: введение в общую, органическую и биологическую химию. 10-е изд. Река Аппер-Сэдл: Высшее образование Прентис-Холла, 2008 г.
2. Петруччи, Ральф Х., Уильям С. Харвуд и Джефф Э. Херринг. Общая химия: принципы и современные приложения. 9-е изд. Река Аппер-Сэдл: Прентис-холл, 2006 г.г Биологическая химия. 10-е изд. Тимберлейк, Карен С. Химия: введение в общие, органические и биологические химические вещества

Проблемы

1. Какова потенциальная опасность токсичных веществ, выбрасываемых автомобилем без каталитического нейтрализатора?
2. Какие 3 окислительно-восстановительные реакции происходят в трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе?
3. Каталитический нейтрализатор работает с КПД 100%? Почему или почему нет?
4. Как можно повредить каталитические нейтрализаторы или использовать их не по назначению?
5. Почему каталитические нейтрализаторы становятся объектом кражи? Что такое

Авторы

• Авнит Кахлон, Тони Танг

7.1: Каталитические нейтрализаторы распространяются по незаявленной лицензии и были созданы, изменены и/или курированы LibreTexts.

1. Вернуться к вершине
2. • 7: Тематические исследования — кинетика
   • 7.2: Химотрипсин

• Эта статья была полезной?
• Да
• Нет