آلودگی هوا به عنوان یکی از بزرگ ترین مشکلات نسل امروز بشر، نه تنها آثار زیان باری بر مردم داشته و سبب ابتلای آنان به بیماری های گوناگون و مرگ و میرهای متعدد شده است، آسیب هایی جدی نیز به لایه اوزون، جو، و در نتیجه سیستم گرمایش کره زمین نیز زده است. این تغییر و تحولات جوی نیز به طور غیرمستقیم روی سلامت انسان تأثیر مخرب دارد. با توجه به اهمیت بسیار بالای جلوگیری از آلودگی هوا در بسیاری کشورها، امروزه شرکت های خودروسازی، عزم جدی در تولید خودروهای الکتریکی و هیبریدی دارند تا بدین طریق از میزان آلایندگی خودروهای دودزا جلوگیری کنند. این دسته از خودروها جزء خودروهایی هستند که در تولید آن ها بیش از هر چیزی به کاهش آلایندگی آن ها توجه شده است. در رابطه با خودروهای بنزینی، شرکت های خودروسازی از مبدل های کاتالیستی (Catalytic Converters) به منظور کاهش آلایندگی موتور خودرو استفاده کرده اند که در این مقاله به بررسی و چگونگی عملکرد آن پرداخته می شود.
1Carمبدل کاتالیستی وسیله ای است که سر راه خروجی اگزوز خودرو قرار می گیرد و طی یک سری واکنش های شیمیایی با تبدیل گازهای سمی حاصل از احتراق خودرو به گازهای بی ضرر، از آلودگی هوا جلوگیری می کند. البته این مبدل ها انواع مختلفی دارند و واکنش های شیمیایی هر کدام از آن ها بسته به نوع موتور و سوخت مصرفی متفاوت است. به طور مثال مبدل کاتالیستی خودروهای گازوئیلی طوری است که در آن واکنش های اکسیداسیون انجام می شود. طی این واکنش ها، مونو اکسید کربن، مشتقات اکسید نیتروژن، و کربوهیدرات های حاصل از احتراق ناقص سوخت، به دی اکسید کربن، نیتروژن، و آب تبدیل می شوند. اگرچه مبدل های کاتالیستی بیش ترین کاربرد را در خودروها دارند، اما در ژنراتورها، لوکوموتیوها، کامیون ها، و هواپیماها نیز مورد استفاده قرار می گیرند. گفتنی است، این وسیله در حقیقت در راستای پیروی از مقررات دولتی و زیست محیطی مبنی بر رعایت حداکثر میزان آلایندگی خودروها ابداع شده است.
مبدل های کاتالیستی از سه بخش مهم هسته کاتالیست، لایه اکسیدی، و ماده کاتالیست تشکیل شده اند که هر کدام در ادامه به طور خلاصه شرح داده می شود. (1) بستر کاتالیست: در مبدل های مخصوص خودرو، از بسترهای سرامیکی مونولیتی با ساختار لانه زنبوری استفاده می شود. (2) لایه اکسیدی: از این لایه به عنوان نگهدارنده ماده کاتالیست استفاده می شود که سطح مخصوص کاتالیست را افزایش می دهد. این لایه معمولاً از جنس اکسید آلومینیوم (Al2O3)، دی اکسید تیتانیوم (TiO2)، دی اکسید سیلیکون (SiO2)، یا ترکیبی از سیلیکا و آلومینا انتخاب می شود. (3) ماده کاتالیست: کاتالیست در واقع ماده اصلی مبدل کاتالیستی است که معمولاً از خانواده فلزات گران قیمت نظیر پالادیوم، رادیوم، پلاتین، طلا، و کادمیوم انتخاب می شود. اما از نقطه نظر مقرون به صرفه بودن، عموماً از پالادیوم و رادیوم استفاده می شود.
به طور کلی، در مبدل های کاتالیستی بسته به نوع مبدل، یکی از واکنش های دو مرحله ای یا سه مرحله ای انجام می شود که در ادامه به توضیح هر کدام از آن ها می پردازیم. (1) مبدل های کاتالیستی مبتنی بر واکنش های دو مرحله ای: طی این واکنش، مونو اکسید کربن و هیدروکربن های ناشی از احتراق ناقص سوخت، به دی اکسید کربن و آب تبدیل می شوند. (2) مبدل های کاتالیستی مبتنی بر واکنش های سه مرحله ای: طی این واکنش، پس از اکسیداسیون اکسیدهای نیتروژن به گاز نیتروژن و اکسیژن، مونو اکسید کربن و هیدروکربن های ناشی از احتراق ناقص سوخت، به دی اکسید کربن و آب تبدیل می شوند.
گفتنی است، علاوه بر واکنش های اصلی مبدل کاتالیستی که منجر به تولید محصولات غیرسمی می شوند، یک سری واکنش های ناخواسته نیز صورت می گیرند که سبب تولید مقادیر بسیار کمی از محصولات سمی نظیر سولفید هیدروژن (H2S) و آمونیاک (NH3) می شود. این نوع واکنش های ناخواسته معمولاً در مبدل های کاتالیستی مبتنی بر واکنش های سه مرحله ای بروز می یابند. اگرچه حذف چنین واکنش هایی به طور کامل امکان پذیر نیست، اما با اعمال یک سری تغییرات در ماهیت ماده کاتالیست و لایه اکسیدی می توان از بروز این واکنش ها تا حد امکان جلوگیری کرد. به طور مثال، جهت جلوگیری از تولید سولفید هیدروژن می توان به لایه اکسید فلزی، نیکل یا منگنز اضافه کرد؛ زیرا این فلزات نسبت به جذب گوگرد حساس هستند مانع از جذب آن توسط لایه اکسیدی می شوند. به عبارت بهتر، سولفید هیدروژن زمانی تولید می شود که گوگرد در دمای پایین توسط لایه اکسیدی جذب شده باشد. پس از جذب گوگرد در دمای پایین، در مرحله بعد در دمای بالا آزاد می شود و پس از ترکیب با هیدروژن، گاز سولفید هیدروژن تشکیل می شود. در فیلم (دانلود) کوتاه زیرنویس شده زیر مشخص شده است که این فلزات گران قیمت در کجا به کار رفته اند. 1Car به شما پیشنهاد می کند اگر علاقه مند به این دسته از علوم هستید به قسمت مقالات فنی بروید و مطالب مرتبط را مشاهده فرمائید.
لینک دانلود ویدئو