ULOGA KATALIZATORA U SMANJENJU EMISIJE IZDUVNIH GASOVA KOJI TETNO DJELUJU PO OVJEKA I OKOLINU

Katalitiki konverteri uvedeni su u automobile prije tridesetak godina, a danas njihova uloga u automobilskoj industriji postaje nezaobilazna zbog sve stroijih regulativa u emisiji tetnih gasova i zatite okolia. Osnova u proizvodnji katalitikih konvertera su plemeniti metali platine skupine: platina, paladij i rodij, ija cijena je visoka.

Katalizatorske formulacije se proizvode na bazi plemenitih metala i metalnih oksida, koje se zatim raspruju na keramike blokove. Blokovi se stavljaju u metalne spremnike, a gotov konverter se ugrauje u izduvni sistem automobila. Katalitiki konverter mora izmijeniti gotovo sve emisije motora: ugljikovodike, ugljikov monoksid, duikove okside i ugljikov dioksid, duik i vodu. Mora izdrati sve promjene temperature i koncentracije gasova bez trovanja kontaminacijama iz gasova, a mora trajati due od 200 000 km. Za sada samo plemeniti metali mogu izvriti taj kompleksni zadatak. Svi pokuaji upotrebe jeftinijih katalizatora pokazali su se manje aktivnim. Iako se katalizatori sve bolje iskoritavaju i njihova koncentracija se smanjila 47 puta od poetnih koliina, sve stroiji zakonski propisi dovode ipak do sve vee potranje za plemenitim metalima. Uinkovitost konvertera mogla bi se poboljati i boljim smjetanjem u izduvnom sistemu. Sve su to pokuaji zamjene, odnosno smanjenja upotrebe plemenitih metala, ali to je ostvarenje jo uvijek je nedostino. Najvei doprinos oneienju atmosfere donosi promet, odnosno upotreba motornih vozila.

Dvije osnovne vrste emisije tetnih tvari iz motornih vozila su:- Motorni izduvni gasovi produkti izgaranja;- Evaporativna emisija lako hlapljivih komponenti iz goriva (spremnik goriva, sistem za pripremu goriva).Problem evaporativne emisije lakohlapljivih ugljikovodika se donekle rjeava opremanjem spremnika goriva s filterom s aktivnim ugljenom dovoljne veliine te odgovarajuom konstrukcijom motora. Izgaranjem goriva (Otto, Diesel gorivo, plin) nastaju dimni, odnosno izduvni gasovi. Izduvni gasovi se sastoje od: - ugljini monoksid CO; - ugljini dioksid CO2; - vodena para H2O; - duini oksidi - NOx (prevladava NO); - neizgoreni ugljikovodici HC (vie stotina razliitih spojeva) - emisije u obliku estica aa, spojevi oksidiranog ugljika, metalni oksidi, - aditivi iz goriva i motornog ulja, i produkti razgradnje ispunog sustava; - aldehidi, ketoni i ostali.

Slika 1. Usporedba emisija izduvnih gasova Diesel i Otto motora bez katalitike obrade, izraeno po milji preenog puta.

Vano je uoiti: Puno nia emisija CO i HC kod Diesel motora; Podjednaka minimalna emisija NOx, te znatno vea maksimalna emisija NOx za Otto motore; Znatno vea estina emisija kod Diesel motora. Isto tako Diesel motori emitiraju manje CO2 u odnosu na Otto motore. Emitirane estice se sastoje od jezgre ugljika na koju su vezane vie frakcije ugljikovodika, voda, sulfati i metalni oksidi. Kako je dokazano kancerogeno djelovanje ovih estica, ova emisija predstavlja znaajni nedostatak Diesel motora.

Katalitika obrada motornih ispunih plinovaU SAD-u i Japanu razvijeni su brojni postupci za obradu izduvnih gasova motora primjenom katalizatora. U SAD-u je prvo poela masovna ugradnja: od 1980. godine svi novi automobili morali su imati ugraen katalitiki konvertor. U EZ su se katalitiki konverteri poeli ugraivati znatno kasnije. Slika 2. Porast broja motornih vozila s katalitikim konvertorom u EZ,s projekcijom do 2010. godine.

Katalitiki konvertor se sastoji od nosaa i aktivnog katalitikog sloja. Konvertori se razlikuju s obzirom na: - Osnovni materijal nosaa,- Pokrivni, aktivni katalitiki sloj.Kao osnovni materijal primjenjuje se:- Keramiki monoliti, koji se rade iskljuivo od kristalnog magnezij-aluminijevog silikata 2, MgO-2Al2O3-5SiO2, zatienog naziva CORDIERIT.- Metalni monoliti - rade se rolanjem i uvrivanjem valjanih limova od elika. Nanosi se oksidni meusloj koji se uglavnom sastoji od -aluminijeva oksida, a koji slui za poveanje aktivne povrine.

Na povrini ovog poroznog oksida nanose se aktivne komponente - kristali plemenitih kovina. Uglavnom su to rijetki metali platina Pt, rodij Rh i paladij Pd. Njihov udio u smjesi koja se nanosi kao katalitiki sloj zavisi o namjeni konvertora: platina i paladij su vrlo dobri katalizatori za oksidaciju CO i HC, dok se rodij koristi za redukciju duikovih oksida.

Nain djelovanja i vrste konvertoraUgljini monoksid CO naputa konvertor kao neotrovan CO2, dok se duikovi oksidi (NOx) razlau se na kisik i duik, pa tako postaju nekodljivi za okolinu. Trei proces sastoji se u prevoenju neizgorenih ugljikovodika (HC) u ugljini dioksid (CO2) i vodenu paru (H2O). Transformira se oko 90% tetnih sastojaka. Katalitiki konvertor dakle, ne filtrira, ne dolazi do njegovog zasienja, pa ne postoji potreba za uestalom zamjenom ili regeneracijom. Neupotrebljiv postaje primjenom olovnih benzina, pri emu se olovo taloi na katalitiki sloj te zasutavlja katalitike procese.

Katalitiku aktivnost takoer bitno inhibira fosfor, a djelom i sumpor iz goriva. Trajnost katalizatora zavisi o kvaliteti goriva (neistoe) i uslovima rada (kvaliteta sagorjevanja). U svakom sluaju, uinak proiavanja opada tokom eksploatacije. Zavisno o strogosti zakonskih propisa o zahtjevanoj efikasnosti, katalitiki konvertor e trebati mijenjati nakon odreenog broja kilometara ili e trajati gotovo kao i automobil. Uz normalno koritenje automobila, kao oekivani ivotni vijek kat.konvertora je 60000 80000 km. Puna funkcionalnost katalizatora postie se zagrijavanjem na radnu temperaturu ( 300C), nekoliko minuta nakon starta hladnog motora, zavisno o vanjskoj temperaturi.

Slika 3. Udio motornih vozila sa i bez katalizatora u ukupnoj emisiji tetnih tvari za EZ, s projekcijom do 2010.godine

Benzinski motori

A/ etverotaktni benzinski motori

(Cm + H n) + (m +n/4)O2 mCO2 + n/2 H2OKarakteristine reakcije: CO + O2 CO 2H2 + O2 H2O U rekcijama sudjeluju ugljikovodici i ugljini monoksid. Katalitiki sloj ovih konvertora se sastoje od platine ili smjese platine i paladija.

Izduvni gasovi motora mijeaju se sa sekundarnim zrakom i uvode u reaktor (konvertor). Ugljikovodici HC i ugljini monoksid CO se prevode u vodenu paru (H2O) i ugljini dioksid (CO2). Sadraj duikovih oksida se vrlo malo mijenja. Za dobavu sekundarnog zraka koristi se turbokompresor.

Dvoslojni postupakPored procesa oksidacije neoksidiranih sastojaka u izduvnim gasovima, kod dvoslojnog postupka se odvijaju i procesi redukcije duikovih oksida NOx. Dvoslojni reaktor se sastoji od dva katalitika reaktora postavljena jedan iza drugoga. Redukcija duikovih oksida u prvom reaktoru odvija se kod manjka zraka, dok se oksidacija ugljikovodika i ugljinog monoksida deava u drugom reaktoru - oksidacijski katalilzator, nakon dovoenja sekundarnog zraka. Ovakva koncepcija tolerie vee oscilacije odnosa gorivo/zrak u smjesi, odnosno postavljaju se blai zahtjevi na kvalitet stvaranja smjese.

Multifunkcionalni reaktor (jednoslojni)Izduvni gasovi se bez sekundarnog zraka vode kroz reaktor ispunjen multifunkcionalnim katalizatorom. Izvedba s lambda sondom

Izvedba bez lambda sonde

"" sondaZa potpuno sagorjevanje 1 kg benzina potrebno je 14,7 kg zraka. Tada je odnos gorivo/zrak stehiometrijski. "" sonda je osjetilo koji u ispunoj cijevi neprekidno mjeri sadraj kisika i temperaturu izduvnih gasova. Ukoliko doe do poremeaja vrijednosti =1 (previe ili premalo kisika u izduvnim gasovima) "" sonda alje signal na procesor koji regulie taku paljenja i pripremu smjese. Da bi se postigao najvii stepen pretvorbe sve tri tetne komponente -HC, CO i NOx - kroz multifunkcionalni reaktor trebaju strujati izduvni gasovi stvoreni gotovo u stehiometrijskim uslovima (1) izgaranja goriva. Multifunkcionalni, TWC reaktor je najfunkcionalniji sistem za proiavanje izduvnih gasova, a osim smanjenja sadraja tetnih komponenti, poveani zahtjevi za regulacijom rada motora rezultiraju i utedom goriva.

Napomena:U normalnoj vonji se sadraj HC, CO i NOx smanjuje za oko 90%. Prilikom punog optereenja motora - "papuica gasa do kraja" - smjesa goriva se jako obogauje, te se "" sonda na kratko iskljuuje. U takvim uslovima rada motora benzin ne sagorjeva u potpunosti te se stvara znatno vie ugljikovodika HC i ugljinog monoksida CO. Tada znatno opada efekat katalitikog konvertora sa 90% na 32% za CO, odnosno na 70% za HC (Opel Omega). Meutim, efektnost redukcije NOx se poveava na cca 98%.

B/ Dvotaktni benzinski motori Koriste se uglavnom za manja vozila, motocikle, manju poljoprivrednu mehanizaciju, vanbrodske motore, motorne pile, itd. Jednostavnost konstrukcije dvotaktnih motora je u suprotnosti s zahtjevima za kvalitetom izduvnih gasova: - istovremeni ispuh produkata sagorjevanja i unos goriva izduv dijela goriva, - gorivo se mijea s tee sa gorivim uljem za podmazivanje, - velike promjene u intenzitetu rada.U usporedbi s etverotaktnim motorima, dvotakne motore karakterie znatno vea emisija HC, vea emisija CO i manja emisija NOx.Serijska ugradnja katalitikih konvertora nije uobiajena, ali je mogua oksidacijski katalizatori. Poseban problem je visoka temperatura izduvnih gasova, pa je dovod sekundarnog zraka prije samog katalitikog konvertora mogue rjeenje. Opremanje dvotaktnih motora katalizatorima bitno naruava jednostavnost konstrukcije.

2. Diesel motori U odnosu na Otto motore, izduvne gasove Diesel motora karakterie vea emisija duikovih oksida NOx i naroito velika emisija estica (eng. particulates) - fino rasporeeni udjeli krutih i tekuih sastojaka u izduvnim gasovima. S druge strane, kod Diesel motora su znatno manje emisije ugljikovodika (HC) i ugljinog monoksida (CO). Isto tako, kod Diesel motora ne postoji problem emisije olova. Zbog velikog vika kisika ne moe se koristiti multifunkcionalni katalizator u sprezi s sondom. U svrhu smanjenja NOx postoji mogunost vraanja dijela izduvnih gasova u prostor za sagorjevanje, ime se moe smanjiti emisija za oko 30%. Kod stacionarnih motora se provodi selektivna redukcija NOx pomou amonijaka.

Emisije estica smanjuju se primjenom DPF - Diesel Particulate Filter - na metalnoj ili keramikoj bazi. Filter se isti sagorjevanjem - uglavnom se radi o ai. Kako je temperatura izduvnih gasova relativno niska, potrebno je spaljivanje na viim temperaturama (>600C). Katalitikim slojem na unutranjosti filtera (oksidi neplemenitih metala) snizuju se temperature zapaljenja za 80 -100 C (380 - 480 C). Oksidacijski katalizatori (koriste se kod Otto motora), kod Diesel motora slue za snienje udarnih koliina ("picevi") ugljikovodika HC kod sistema povratka izduvnih gasova ili redukcija HC i CO koji nastupaju u poetku regeneracije DPF.Ovi katalizatori stavljaju se: - poslije DPF; ili - u kompletnoj izvedbi nanose se na zidove kanala izlaznih izduvnih gasova. Na ulazu izduvnih gasova zidovi kanala konvertora imaju katalizator za zapaljenje, a na izlazu sloj oksidacijskog katalizatora.

3. Plinski motori Podrazumijevaju se vei stacionarni motori termoelektrana, toplana i dr. Plin je "isto" gorivo, velike mogunosti kontrole pogonskih uslova - katalitiki sistemi slue za smanjenje NOx. - multifunkcionalni (TWC), - selektivni, uz doziranje hemikalija. To su katalizatori velikih zapremina.Koristi se kad izduvni gasovi imaju visoku koncentraciju kisika pa se ne moe koristiti TWC. Primjena kod stacionarnih sistema, bez naglih promjena reima rada zbog doziranja amonijaka NH3 - koji nije neutralan u odnosu na okolinu. Katalizatori imaju sloj oksida neplemenitih metala.

Smjernice za budunostSmanjenje oneienja okolia motornim vozilima mogue je na razliite naine:Unaprijeenja motora i vozila; Razvoj i primjena vozila na alternativni pogon (gorive elije, elektrini pogon,..) pogotovo primjenjivo za gradske uvjete; Poboljanja kvalitete goriva; Kontrola evaporativnih gubitaka u proizvodnji, distribuciji i koritenju goriva; Eliminacija ili barem redukcija starijih, visoko oneiujuih vozila; Fiskalne mjere za obesharbrivanje nepotrebne upotrebe motornih vozila; Poboljanje sistema javnog prijevoza.