Kas yra katalizatorius? Komentarai (1)

Nuo 1975 m. JAV ir Japonijoje, šiek tiek vėliau ir Europoje imta rūpintis, kad būto kuo plačiau naudojami katalizatoriai. Daugumoje šalių katalizatorių privalo turėti kiekvienas naujas lengvasis automobilis. Šiandien katalizatorius tapo nebeatsiejama automobilio dalimi. Tai kas gi yra tas katalizatorius?

Lengvojo automobilio vidaus degimo variklis, kurio darbinis tūris 1500 cm³, per valandą išskiria apie 150 kubinių metrų deginių. Šie deginiai daro didelę ekologinę žalą aplinkai, tuo pačiu ir žmogaus sveikatai. Todėl mokslininkai metė dideles pastangas, kad išmetamųjų dujų poveikis aplinkai būtų kuo mažesnis. Taip gimė įrenginys, mums žinomas kaip katalizinis konverteris arba tiesiog katalizatorius.

Išmetamųjų dujų sudėtis

Kad būtų aiškiau suprasti katalizatoriaus veikimą, panagrinėkime, kokie junginiai sudaro automobilio išmetamąsias dujas.

Pirmiausia, norint pasiekti kuo mažesnį išmetamojo dujo toksiškumą, turi būti tiksliai apskaičiuotas kuro mišinio komponentų santykis, reikalingas degimo reakcijai išgauti. Benzininiam varikliui teorinis oro-benzino santykis yra 14.7 : 1, tai reiškia, norint sudeginti 1 kg benzino, turi būti patiekta 14.7 kg oro. Realus santykis truputį skiriasi nuo teorinio, priklausomai nuo daug faktorių, pradedant variklio kuro sistemos sureguliavimu, baigiant vairavimo ypatumais. Oro-benzino mišinys, santykiu 14.7 : 1 va­di­namas idealiu midiniu. Kai šis santykis didesnis, mišinys vadinamas liesu mišiniu, o kai mažesnis – riebiu.

Pagrindiniai išmetamųjų dujų komponentai yra šie:
• Azotas (N2). Oro sudėtyje yra 78% azoto dujo. Didesnė jo dalis tiesiog prateka pro variklį, chemidkai nereaguodama.
• Anglies dioksidas (CO2). Netoksidkas degimo produktas, tačiau neigiamai veikia atmosferą (sukelia "diltnamio efektą")
• Vandens garai (h4O). Ekologidkai nekenksmingas degimo produktas. Dalis garo gali patekti su tiekiamu oru.
• Anglies monoksidas (CO). Nuodingas, bespalvis ir bekvapis degimo produktas.
• Angliavandeniliai (CH). Nepastovūs organiniai junginiai, kurie yra nekokybidkai sudegusio kuro rezultatas. Atmosferoje, veikiami saulės angliavandeniliai reaguoja su azoto oksidais, sudarydami pagrindinį smogo komponentą – ozoną (O3).
• Azoto oksidai (NOx). Smogo ir rūgdčio lieto komponentai. Erzina kvėpavimo tako gleivinę.

Pirmieji trys – nepavojingi arba nedidelę žalą sukeliantys komponentai. Paskutiniai – itin pavojingi žmogui ir aplinkai. Katalizatoriaus paskirtis – skaidyti diuos komponentus į mažiau kenkiančius aplinkai.

Cheminiai procesai katalizatoriuje

Kaip jau minėta, 1500 cm³ darbinio tūrio variklis per valandą idskiria apie 150 kubinio metro deginio. Kad per tą patį laiką katalizatorius galėto perdirbti tokį kiekį dujo, jo darbinio pavirdiaus plotas turėto prilygti futbolo aikdtei. Todėl katalizatorio darbinė dalis yra smulkiai akyta, korio pavidalo – taip į mažą tūrį sutalpinama didelį pavirdiaus plotą turinti aktyvioji medžiaga.

Dauguma modernio automobilio aprūpinti trijo dalio katalizatoriais. Kiekviena iš šių dalių redukuoja po vieną išmetamojo dujo komponentą: anglies monoksidą, angliavandenilius ir azoto oksidus. Katalizatoriai būna dviejo rūdio: redukciniai ir oksidaciniai. Abiejų rūšio aktyvioji medžiaga yra keraminė, padengta kelio atomo storio katalizinio savybio turinčio metalo (platinos, rodžio ar paladžio) sluoksniu.

Redukcinė katalizė. Tai pirmoji katalizavimo stadija. Aktyvios medžiagos – platina ir rodis. Redukuojami azoto oksidai. Kai NO arba NO2 molekulė kontaktuoja su aktyviąja medžiaga, ji atskiria ir sulaiko azoto atomą, idlaisvindama deguonį. Azoto atomai tarpusavyje reaguoja, jungdamiesi į azoto molekulę:

2NO → N2 + O2

2NO2 → N2 + 2O2

Oksidacinė katalizė. Tai antroji katalizavimo stadija. Jos metu nesudegę angliavandeniliai ir anglies monoksidas oksiduojami platinos ir paladžio pagalba, pvz:

2CO + O2 → 2CO2

Proceso kontrolė

Diuolaikiniuose katalizatoriuose veikia cheminė kontrolės sistema. Katalizatoriaus korpuse montuojamas taip vadinamas lambda zondas, kuris matuoja deguonies kiekį išmetamosiose dujose. Duomenys id zondo siunčiami į elektroninį variklio valdymo bloką (ECU). Pagal gautus duomenis valdymo blokas reguliuoja degiojo midinio kuro-oro santykį, taip užtikrindamas geresnį kuro sudegimą ir oksidavimui reikalingo deguonies tiekimą katalizatoriui.

Katalizatoriaus montavimo vieta

Katalizatorius atlieka didelį vaidmenį išmetamojo dujo perdirbimo procese, tačiau reikia žinoti, kad cheminiai procesai gali veikti tik esant tam tikrai temperatūrai. Per žema temperatūra katalizatorio paverčia nereikalingu brangiu balastu, o per aukdta – gali gerokai sutrumpinti katalizatoriaus tarnavimo laiką. Todėl svarbu tinkamai parinkti katalizatoriaus montavimo vietą. Katalizatorius montuojamas arti variklio, paprastai ties vairuotojo sėdyne. Di vieta užtikrina pakankamą išmetamojo dujo temperatūrą ir apsaugo nuo perkaitimo.

Esant daltam varikliui, katalizatorius nepradeda dirbti id karto. Turi praeiti laiko, kol idmetimo sistema pakankamai įkaista. Inžinieriai kuria elektrinius katalizatorio kaitinimo elementus, tačiau nuo 12 V baterijos maitinami elementai kaista kelias minutes, kol katalizatorius pasiekia darbinę temperatūrą. Perspektyvinius aukdtavolčius kaitintuvus turi tik konceptiniai ateities hibridiniai modeliai.

Teigiami ir neigiami aspektai

Pats teigiamiausias dalykas yra tai, del ko katalizatorius sukurtas – kenksmingo dujo kiekio mažinimas, tuo pačiu aplinkos ir žmogaus sveikatos apsauga. Kitas teigiamas dalykas – katalizatoriui nereikia jokio techninio aptarnavimo. Jis gerai atlieka savo darbą, kol automobilis nuvažiuoja apie 100 tūkst. km. Vėliau katalizatorius keičiamas.

Pagrindinis minusas – kaina. Katalizatoriui pagaminti reikia itin brangio ir reto metalo, tokio kaip platina, paladis, rodis, todėl katalizatorio kaina skaičiuojama tūkstančiais lito. Dar vienas neigiamas dalykas – galios sumažėjimas. Taip yra todėl, kad deginiai, eidami per katalizatorio, turi įveikti tam tikrą pasipriedinimą, dėl to diek tiek mažiau variklio galios atitenka ratams. Degalo sąnaudos padidėja 3-5 procentais. Ir paskutinis dalykas yra tas, kad automobiliams su katalizatoriais tinka tik bedvinis kuras. Dvino priedai katalizatoriuje iddaukia nepageidautinas reakcijas, kurio padariniai užkemda ir nepataisomai sugadina katalizatorio.