مبدل کاتالیستی

ساختار مبدل کاتالیستی

مبدل کاتالیستی قطعه‌ای است که در مسیر خروجی گازهای اگزوز خودرو نصب می‌شود تا گازهای آلاینده را پیش از ورود به هواکره به مواد کم‌خطرتر یا بی‌خطر تبدیل کند.

مشخصات ساختاری:

- بستر (پایه): ساختاری سرامیکی یا فلزی با طراحی لانه‌زنبوری.

- علت ساختار لانه‌زنبوری: ایجاد سطح تماس بسیار وسیع در حجمی کوچک تا گازهای خروجی اگزوز حداکثر تماس را با کاتالیزگرها داشته باشند.

[ ورود گازهای سمی: \(\mathbf{N}_{\mathbf{2}},\mathbf{NO},\mathbf{C}_{\mathbf{x}} \mathbf{H}_{\mathbf{y}}\) ]

▼

│ ==================================== │ ◄── بستر لانه‌زنبوری سرامیکی

│ ======= \(Rh / Pt / Pd\) ============= │ ◄── لایه نازک فلزات کاتالیزگر با قطر 2 تا 10 نانومتر

▼

[ خروج گازهای بی‌خطر:\(\mathbf{N}_{\mathbf{2}},\mathbf{CO}_{\mathbf{2}},\mathbf{H}_{\mathbf{2}} \mathbf{O}\)]

کاتالیزگرهای مبدل کاتالیستی و نحوه قرارگیری آن‌ها

برای انجام واکنش‌های کاهش (احیا) و اکسایش به طور هم‌زمان، از فلزات گران‌بهای دسته d (فلزات واسطه) استفاده می‌شود.

الف) جنس کاتالیزگرها:

1.  پلاتین (Pt)

2. پالادیم (Pd)

3.  رودیوم (Rh)

ب) نحوه قرارگیری و تثبیت در مبدل:

- این فلزات به صورت ذرات بسیار ریز (تکه‌تکه‌های ذره‌بینی/نانو ذرات) روی سطح دیواره‌های لانه‌زنبوری سرامیکی نشست داده می‌شوند.

- علت استفاده از نانوذرات/ذرات ریز:

 1.  افزایش سطح تماس: هرچه ذرات ریزتر باشند، نسبت سطح به حجم افزایش یافته و سرعت و کارایی واکنش کاتالیزوری بیشتر می‌شود.

 2.  صرفه اقتصادی: فلزات Pt، Pd و Rh بسیار گران‌قیمت هستند؛ استفاده از لایه‌ای فوق‌العاده نازک و ریز، هزینه ساخت را به حداقل می‌رساند.بررسی دقیق واکنش‌های درون مبدل کاتالیستی

در درون مبدل کاتالیستی، واکنش‌های اکسایش-کاهش به طور هم‌زمان انجام می‌گیرند:

۱) تبدیل \(\mathbf{NO}\)​ به \(\mathbf{N}_{\mathbf{2}}\)​ (واکنش کاهش)

گاز نیتروژن مونوکسید که آلاینده‌ای خطرناک است، روی کاتالیزگر رودیوم (Rh) احیا شده و به گاز بی‌خطر نیتروژن تبدیل می‌شود:

\[\mathbf{2}\mathbf{NO(g)}\overset{\mathbf{کاتالیزگر}}{\rightarrow}\mathbf{}\mathbf{N}_{\mathbf{2}}\mathbf{(g) +}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}\mathbf{(g)}\]

۲) تبدیل \(\mathbf{CO}\)​ به \(\mathbf{CO}_{\mathbf{2}}\mathbf{}\) (واکنش اکسایش)

گاز سمی کربن مونوکسید روی کاتالیزگر پلاتین/پالادیم (Pt/Pd) با اکسیژن ترکیب شده و به کربن دی‌اکسید تبدیل می‌گردد:

\[\mathbf{2}\mathbf{CO(g) +}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}\mathbf{(g)}\overset{\mathbf{کاتالیزگر}}{\rightarrow}\mathbf{ 2}\mathbf{CO}_{\mathbf{2}}\mathbf{}\mathbf{(g)}\]

۳) اکسایش هیدروکربن‌های نسوخته (\(\mathbf{C}_{\mathbf{x}} \mathbf{H}_{\mathbf{y}}\)​)

هیدروکربن‌های نسوخته در حضور اکسیژن و روی کاتالیزگرهای پلاتین/پالادیم به \(\mathbf{CO}_{\mathbf{2}}\mathbf{}\) و \(\mathbf{H}_{\mathbf{2}}\mathbf{O}\) تبدیل می‌شوند :

\[\mathbf{C_x H_y(g) + (x +}\frac{\mathbf{y}}{\mathbf{4}}\mathbf{)}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}\mathbf{(g)}\overset{\mathbf{کاتالیزگر}}{\rightarrow}\mathbf{ x}\mathbf{CO}_{\mathbf{2}}\mathbf{(g) +}\frac{\mathbf{y}}{\mathbf{2}}\mathbf{}\mathbf{H}_{\mathbf{2}}\mathbf{ O(g)}\]

نکته بسیار مهم: هر سه واکنش درون مبدل کاتالیستی خودروهای بنزینی ،گرماده هستند با انرژی فعال سازی نسبتا بالا به خصوص واکنش حذف آلاینده NO ،کاتالیزگر سبب کاهش انرژی فعال سازی می شود و از طرفی مبدل کاتالیستی در دمای 300 تا 400 درجه سانتیگراد بیشترین کارایی را دارد.به همین دلیل قبل از گرم شدن اگزوز به خصوص در زمستان میزان آلاینده های خروجی از مبدل کاتالیستی بیشتر است.

نکته: عمر مفید مبدل کاتالیستی: محدود است و پس از مدتی به دلیل مسموم شدن کاتالیزگرها (توسط آلاینده‌هایی مانند سرب، گوگرد یا دوده) یا کارکرد طولانی‌مدت، کارایی خود را از دست می‌دهد و باید تعویض شود.