Катализатор (Catalyst) - это

Определение катализатора, механизм действия катализатора



Определение катализатора, механизм действия катализатора, применение катализатора

Содержание

    Содержание

    1. Катализаторы в химии

    - Виды катализаторов

    - Механизм действия катализаторов

    - Требования, предъявляемые к катализаторам

    2. Катализаторы в автомобилях

    - Каталитический преобразователь

    - Выбросы загрязняющих веществ

    - Как катализаторы сокращают вредные выбросы в выхлопных газах

    - Контроль загрязнения и повышение эффективности выхлопной системы

    - Экономия топлива и катализаторы горения

    Катализаторэто вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции. Количество катализатора, в отличие от других реагентов, после реакции не изменяется. Обеспечивая более быстрый путь для реакции, катализатор реагирует с исходным веществом, получившееся промежуточное соединение подвергается превращениям и в конце расщепляется на продукт и катализатор. Затем катализатор снова реагирует с исходным веществом, и этот каталитический цикл многократно (до миллиона раз) повторяется.

    Катализаторы - это вещества, изменяющие скорость химической реакцции или вызывающие ее, но не входящие в состав продуктов.

    Катализаторы в химии

    Виды катализаторов

    Катализаторы подразделяются на гомогенные и гетерогенные. Гомогенный катализатор находится в одной фазе с реагирующими веществами, гетерогенный – образует самостоятельную фазу, отделённую границей раздела от фазы, в которой находятся реагирующие вещества. Типичными гомогенными катализаторами являются кислоты и основания. В качестве гетерогенных катализаторов применяются металлы, их оксиды и сульфиды.

    Реакции одного и того же типа могут протекать как с гомогенными, так и с гетерогенными катализаторами. Так, наряду с растворами кислот применяются имеющие кислотные свойства твёрдые Al2O3, TiO2, ThO2, алюмосиликаты, цеолиты. Гетерогенные катализаторы с основными свойствами: CaO, BaO, MgO.

    Гетерогенные катализаторы имеют, как правило, сильно развитую поверхность, для чего их распределяют на инертном носителе (силикагель, оксид алюминия, активированный уголь и др.).

    Для каждого типа реакций эффективны только определённые катализаторы. Кроме уже упомянутых кислотно-основных, существуют катализаторы окисления-восстановления; для них характерно присутствие переходного металла или его соединения (Со+3, V2O5+MoO3). В этом случае катализ осуществляется путём изменения степени окисления переходного металла.

    Много реакций осуществлено при помощи катализаторов, которые действуют через координацию реагентов у атома или иона переходного металла (Ti, Rh, Ni). Такой катализ называется координационным.

    Если катализатор обладает хиральными свойствами, то из оптически неактивного субстрата получается оптически активный продукт.

    В современной науке и технике часто применяют системы из нескольких катализаторов, каждый из которых ускоряет разные стадии реакции (Имянитов, Temkin). Катализатор также может увеличивать скорость одной из стадий каталитического цикла, осуществляемого другим катализатором. Здесь имеет место «катализ катализа», или катализ второго уровня (Имянитов).

    В биохимических реакциях роль катализаторов играют ферменты.

    Катализаторы следует отличать от инициаторов. Например, перекиси распадаются на свободные радикалы, которые могут инициировать радикальные цепные реакции. Инициаторы расходуются в процессе реакции, поэтому их нельзя считать катализаторами.

    Ингибиторы иногда ошибочно считают отрицательными катализаторами. Но ингибиторы, например, цепных радикальных реакций, реагируют со свободными радикалами и, в отличие от катализаторов, не сохраняются. Другие ингибиторы (каталитические яды) связываются с катализатором и его дезактивируют, здесь имеет место подавление катализа, а не отрицательный катализ. Отрицательный катализ в принципе невозможен: он обеспечивал бы для реакции более медленный путь, но реакция, естественно, пойдёт по более быстрому, в данном случае, не катализированному, пути.

    Катализаторами называются вещества, изменяющие скорость химических реакций.

    Одни катализаторы сильно ускоряют реакцию - положи тельный катализ, или просто катализ, другие - замедляют - отрицательный катализ. Примерами положительного катализа могут служить получение серной кислоты, окисление аммиа ка в азотную кислоту с помощью платинового катализатора и др. Примерами отрицательного катализа являются замедление взаимодей ствия раствора сульфита натрия с кислородом воздуха в присутствии этилового спирта или уменьшение скорости разложения пероксида водорода в присутствии небольших количеств серной кислоты (0,0001 мас. частей) и др. Отрицательный катализ часто называют ингибированием, а отрицательные катализаторы, снижающие скорость реакции, - ингибиторами (механизм действия последних отличен от действия катализаторов).

    Химические реакции, протекающие при участии катализаторов, называют каталитическими.

    Каталитическое воздействие может быть оказано на большинство химических реакций. Число катализаторов очень велико, а их каталитическая активность весьма различна. Она определяется изменением скорости реакции, вызываемым катализатором.

    Сам катализатор в реакциях не расходуется и в конечные продукты не входит.

    При гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор образуют систему из разных фаз. В этом случае между катализатором и реагирующими веществами существует поверхность раздела. Обычно катализатор - твердое вещество, а реагирующие вещества - газы или жидкости. Примерами могут служить окисление аммиака (газообразная фаза) в присутствии платины (твердая фаза) или разложение пероксида водорода (жидкая фаза) в присутствии угля или оксида марганца (IV) (твердая фаза). Все реакции при гете рогенном катализе протекают на поверхности катализатора. Поэтому активность твердого катализатора зависит и от свойств его поверхно сти (размера, химического состава, строения и состояния).

    Действие положительных катализаторов сводится к уменьшению энергии активации реакции, другими словами, - к снижению высоты энергетического барьера.

    При этом образуется активированный комплекс с более низким уровнем энергии и скорость реакции сильно возрастает.

    Механизм действия катализаторов

    Механизм действия катализаторов обычно объясняют образованием промежуточных соединений с одним из реагирующих веществ. Так, если медленно протекающую реакцию А + В = АВ вести в присутствии катализатора К, то катализатор вступает в химическое взаимодействие с одним из исходных веществ, образуя непрочное промежуточное соединение:

    А + К = АК

    Реакция протекает быстро, так как энергия активации этого процесса мала. Затем промежуточное соединение АК взаимодействует с другим исходным веществом, при этом катализатор высвобождается:

    АК + В = АВ + К

    Энергия активации этого процесса также мала, а потому реакция протекает с достаточной скоростью. Если теперь оба процесса, протекающие одновременно, суммировать, то получим окончательное уравнение быстро протекающей реакции:

    А + В = АВ

    Приведем конкретный пример - окисление SО2 в SО3 с участием катализатора NO:

    SO2 + ЅO2 = SO3

    A + B = AB

    Эта реакция протекает медленно. Но при введении катализатора образуется промежуточное соединение:

    NO + Ѕ O2 = NO2

    K + B = KB

    и далее

    SO2 + NO2 = SO3 + NO

    А + КВ = АВ + К

    Поверхность катализатора неоднородна. На ней имеются так называемые активные центры, на которых главным образом и протекают каталитические реакции. Реагирующие вещества адсорбируются на этих центрах, в результате чего увеличивается концентрация их на поверхности катализатора. А это отчасти приводит к ускорению реакции. Но главной причиной возрастания скорости реакции является сильное повышение химической активности адсорбированных молекул. Под действием катализатора у адсорбированных молекул ослабляются связи между атомами и они становятся более реакционноспособными. И в этом случае реакция ускоряется благодаря снижению энергии активации (в том числе за счет образования поверхностных промежуточных соединений).

    Некоторые вещества снижают или полностью уничтожают активность твердого катализатора. Такие вещества называются каталитическими ядами. В качестве примера можно привести соединения мышьяка, ртути, свинца, цианистые соединения, к которым особенно чувствительны платиновые катализаторы. В производственных условиях реагирующие вещества подвергают очистке от каталитических ядов, а уже отравленные катализаторы регенерируют.

    Однако имеются и такие вещества, которые усиливают действие катализаторов данной реакции, хотя сами катализаторами не являются. Эти вещества называются промоторами (промотирование платиновых катализаторов добавками железа, алюминия и др.).

    Следует особо отметить, что действие катализаторов избирательно, поэтому, применяя разные катализаторы, можно получить из одного и того же вещества разные продукты. Так, например, в присутствии катализатора оксида алюминия Аl2О3 при 300° С из эт лового спирта получают воду и этилен:

    С2Н5ОН → Н2О + С2Н4

    Скорость протекания химической реакции можно значительно увеличить, если добавить вещество, которое участвует в этой реакции, но при этом само не расходуется. Чтобы лучше это понять, представим себе работу брокера по операциям с недвижимостью. Брокер находит и собирает вместе людей, желающих продать какое-либо имущество, и людей, желающих его купить, таким образом способствуя его продаже и передаче другому владельцу. При этом сам брокер в ходе сделки ничего реально не покупает и не продает. Так же и катализатор, или фермент, способствует протеканию реакции между двумя веществами, но к концу реакции остается в первоначальном виде.

    Пожалуй, самый известный катализатор находится у нас в машине, в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов. Он представляет собой мелкоячеистую металлическую сетку, сделанную из палладия и платины, через которую пропускаются выхлопы из автомобильного двигателя. Эти металлы катализируют ряд химических взаимодействий. Во-первых, они абсорбируют окись углерода (CO), окись азота (NO) и кислород, причем каждая молекула NO распадается на составляющие ее атомы. CO соединяется с атомом кислорода, образуя диоксид углерода, а атомы азота соединяются, и получаются молекулы азота. В то же время избыток кислорода дает возможность углеводородам, не до конца сгоревшим в автомобильных цилиндрах, полностью окислиться до диоксида углерода и воды. Вот так выхлопные газы, которые содержат окись углерода (смертельный яд) и вещества, приводящие к кислотным дождям, а также несгоревшие фрагменты исходных молекул бензина, превращаются в относительно безвредную смесь диоксида углерода, азота и воды.

    Чтобы понять действие ферментов, необходимо знать, что для взаимодействия сложных органических молекул недостаточно их простого контакта. Чтобы реакция протекала, определенные атомы в сближающихся молекулах должны быть правильно сориентированы друг относительно друга (так же как ключ определенным образом должен быть вставлен в замок), только тогда смогут образоваться химические связи. То есть для химических процессов, протекающих в биологических системах (см. Биологические молекулы), чрезвычайно важную роль играет пространственная геометрия.

    В биохимии крайне мала вероятность того, что две сложные молекулы, предоставленные сами себе, случайно окажутся друг относительно друга в правильной ориентации, необходимой для взаимодействия. Чтобы такая реакция протекала с ощутимой скоростью, нужна помощь молекул определенного типа — ферментов. Фермент притягивает к себе две другие молекулы и удерживает их в правильном положении, чтобы взаимодействие состоялось. Как только реакция произошла, фермент освобождается и повторяет те же действия с другим набором молекул. Все ферменты в биологических системах представляют собой белки, которые могут принимать разнообразные сложные формы. Как и все белки, они закодированы в ДНК и в качестве ферментов управляют скоростью протекания химических реакций.

    Требования, предъявляемые к катализаторам

    Катализаторы, используемые в промышленности, должны обладать постоянной высокой каталитической активностью, селективностью, мех. прочностью, термостойкостью, устойчивостью к действию каталитических ядов, большой длительностью работы, легкой регенерируемостью, определенными гидродинамическими характеристиками, незначительной стоимостью. Эти требования относятся, в первую очередь, к катализаторам для гетерогического катализа. Единой теории подбора катализаторов не существует.

    Многие катализаторы, широко применяемые в промышленности, подобраны эмпирическим путем. Однако развитие представлений о механизме катализа позволяет сформулировать некоторые принципы подбора катализаторов, пригодных для отдельных типов реакций. Принимая за основу ту или иную теорию действия катализаторов, стремятся найти к.-л. независимую, хорошо изученную характеристику катализатора, которую можно связать с каталитической активностью. Например, установлены корреляции активности катализаторов с числом d-электронов на орбитали катиона (для простых оксидов), параметром кристаллической решетки, электрической проводимостью, зарядом и радиусом иона, энергией хим. связи, кислотностью и др. Основой этих корреляций, как правило, является положение элементов, входящих в катализаторы, в периодической системе.

    В технологичных расчетах каталитической активность определяется скоростью реакцции, отнесенной к единице объема или массы катализатора, и зависит от его хим. состава. Поскольку формирование свойств катализатора происходит не только во время его приготовления, но и во время эксплуатации, метод приготовления катализатора должен учитывать возможность образования активных центров в условиях катализа. Кроме того, во мн. случаях активность промышленных катализаторов увеличивают добавлением промоторов (сокатализаторов).

    Степень использования внутреной поверхности катализатора можно повысить, применяя т. наз. бидиспeрсные структуры, состоящие, напр., из мелких плотных зерен малого радиуса, соединенных в более крупные пористые частицы размером 103-104 нм. В случае нанесенных катализаторов дисперсность активного компонента, как правило, не влияет на скорость диффузии, т.к. структура пор создается носителем. Селективностью катализатора называют отношение скорости накопления целевого продукта к сумме скоростей всех превращает исходного вещества.

    Можно выделить несколько факторов, которые определяют селективность и связаны с составом гетерог. катализаторов. Т. наз. эффект ансамбля определяется числом атомов катализатора, с которыми взаимодеет одна молекула реагента.

    При окислении углеводородов на оксидных катализаторах продукты парциального окисления (альдегиды, к-ты и т.д.) образуются при взаимодействие молекулы с одним-двумя атомами кислорода поверхности катализатора, а продукты глубокого окисления (СО2 и Н2О) -при взаимодействие с несколькими атомами кислорода. Поэтому разбавление в твердом р-ре активного оксида неактивным ведет к увеличению селективности катализатора в реакции парциального окисления. Аналогичные эффекты ансамбля наблюдаются для реакций олефинов при разбавлении каталитически активных металлов (Ni, Pt, Pd) в сплавах неактивными (Сu, Ag, Au); для гидрирования олефинов нужна одноточечная адсорбция, для их гидрогенолиза - многоточечная, поэтому при таком разбавлении возрастает селективность гидрирования.

    Селективность может также изменяться благодаря изменению электронных свойств и окружения активных центров катализатора (т. наз. эффект лиганда). Кроме того, в реакциях сложных орг. молекул большое значение имеет преимуществ. образование продукта, близкого по своей форме и размерам к размерам микропор катализатора. Напр., при алкилировании толуола метанолом на цеолитах наблюдается макс. селективность образования n-ксилола, т. к. поперечное сечение его молекулы меньше, чем у м- или о-ксилола, и он легко диффундирует по микропорам цеолита диаметром 0,6 нм. В сложных многостадийных реакциях применяют многофазные многокомпонентные катализаторы. Их селективность выше благодаря тому, что каждая стадия сложной реакции ускоряется своим компонентом катализатора. Таковы, напр., Bi-Mo-Fe-Co-Ni-K-оксидные катализаторы окислит. аммонолиза пропилена.

    Селективность катализатора зависит также от его пористости, размера зерен и характера их укладки. Если целевой продукт является промежуточным в цепи последовательных реакций, увеличение пористости снижает селективность катализатора относительно этого продукта. Применение высокопористых катализаторов в этом случае невыгодно.

    Так, при парциальном окислении С2Н4 до этиленоксида используемое в качестве катализатора серебро наносят на непористый носитель - корунд (a-Al2О3), чтобы предотвратить глубокое окисление продукта в мелких порах. Механическая прочность катализатора обеспечивает его длит. эксплуатацию. Прочность определяется кол-вом контактов между зернами катализатора и при увеличении пористости уменьшается. Поэтому в некоторых случаях подбирают оптимальную пористость катализатора для сохранения его прочности при необходимом значении внутреной поверхности.

    В реакторах с неподвижным слоем катализаторы должны быть устойчивы к давлению лежащих выше слоев, мех. воздействиям при загрузке и выгрузке, изменению т-ры, эрозии потоком жидкости или газа, в реакторах с пссвдоожиженным слоем - к истиранию при ударах частиц друг о друга и о стенки реакторов. Повышение мех. прочности катализаторов достигается применением спец. методов приготовления - таблетированием при высоких давлениях, применением инертных связующих (SiO2, графит) и т.д. В псевдоожиженном и в движущемся слоях применяют зерна катализаторов сферической формы с гладкой поверхнастью.

    Термостойкость катализаторов особенно важна для первых по ходу реагента слоев катализаторов в экзотермических реакциях, когда выделение тепла может вызвать рекристаллизацию и дезактивацию катализаторов. Для предотвращения рекристаллизации катализаторы наносят на термостойкие носители. В процессах с большим тепловым эффектом применяют теплопроводные носители для устранения местных перегревов. Напр., катализаторы глубокого окисления углеводородов наносят на нихромовую проволоку. В состав катализаторов включают также добавки, предотвращающие рекристаллизацию вследствие разъединения кристалликов катализаторов. Такова роль Al2О3 в составе железного катализатора синтеза NH3.

    Устойчивость катализатора к действию ядов каталитических определяется спецификой взаимодействие последних с катализатором. Металлические катализаторы отравляются соединение кислорода (Н2О, СО), серы (H2S, CS2 и др.), N, Р, As и др. веществами, образующими более прочную хим. связь с катализатором, чем реагирующие вещества.

    На оксидные катализаторы действуют те же яды, однако оксиды обычно более устойчивы к отравлению. В процессах крекинга, риформинга и других реакций углеводородов катализаторы отравляются в результате покрытия их слоем кокса. Кроме того, катализаторы могут дезактивироваться из-за мех. покрытия поверхности пылью, которая вносится извне или образуется при катализе. Дезактивация катализаторов может быть предотвращена тщательной очисткой реагентов от ядов; иногда для этого используют предварит. каталитическою очистку сырья на спец. катализаторах - форконтактах. Способность катализатора к регенерации позволяет использовать его многократно.

    Регенерация катализаторов так же специфична, как и действие ядов. Кокс удаляется с поверхности катализаторов окислением О2 воздуха до СО2 и Н2О (обычно при 500-700 °С), летучие яды - путем нагрева катализаторов. После длит. работы катализаторы очищают обработкой которой, щелочью или орг. р-рителями. Необратимо отравленные катализаторы, в особенности содержащие ценные металлы, подвергают полному растворению с послед. извлечением этих металлов и использованием их для нового приготовления.

    Из гидродинамических характеристик наиб. значение имеет гидравлическое сопротивление слоя катализатора, которое уменьшается с ростом размера гранул и доли своб. объема между ними. Однако при больших размерах гранул катализатора процесс может перейти во внутреннедиффузионную область. Для нахождения оптимального решения применяют катализаторы в форме таблеток или колец разной высоты и диаметра. В автомобильных дожигателях выхлопных газов используют керамического монолитные блоки со сквозными каналами, на стенки к-рых нанесены активные компоненты, напр. Pt или Pd на Al2О3. Стоимость катализатора обычно составляет неск. % от стоимости продукта, напр., при крекинге - менее 1%, при синтезе NH3 на Fe-катализаторах 1-2%, в произ-ве акрилонитрила на сложных оксидных катализаторах -5%, в произ-ве формальдегида из СН3ОН, где применяется дефицитное серебро, - до 8%. наиб. дороги катализаторы, содержащие благородные металлы. В США 25% общей стоимости катализаторов составляют Pt-катализаторы очистки выхлопных газов автомобилей (ок. 370 млн. долл. в 1983).

    Приготовление катализаторов. Для катализаторов с развитой уд. полностью наиболие распространение получил метод осаждения из водных растворов солей с послед. прокаливанием образующихся соединений. Мн. оксиды металлов получают осаждением гидроксидов из растворов солей под действием щелочи с послед. прокаливанием. При этом предпочтительно использование водного NH3, поскольку отпадает необходимость отмывки осадка от щелочных металлов. При увеличении рН среды образуется гидроксидов содержащий примеси основных солей.

    Для большинства гидроксидов металлов размер частиц после осаждения составляет 4-5 нм. В дальнейшем более растворимые гидроксиды могут подвергаться рекристаллизации с образованием укрупненных частиц размером 10-103 нм. Для получения смешанных оксидных катализаторов применяют методы осаждения из смеси различных солей, напр., осаждение нерастворимых СоМоО4 из растворов молибдата аммония и нитрата кобальта. Для получения сложных оксидных и гидроксидных осадков используют методы комплексообразования, напр., образование оксалатных комплексов при взаимодействие ионов Al(Ш), Сr(III), Fe(III) с щавелевой кислотой или оксалатом аммония. Осадок катализатора после фильтрования, центрифугирования или декантации и промывки сушат. При этом удаляется кристаллизации вода и создается первичная пористая структура катализатора. При дальнейшем прокаливании гидроксидов происходит превращает их в оксиды, а в ряде случаев – взаимодеют между оксидами и др. хим. или фазовые превращения. Напр., при прокаливании смеси гидроксидов Со и Сr образуется СоСr2О4, применяемый в качестве катализатора глубокого окисления углеводородов. Уд. повехность и пористость при разложении гидроксидов возрастают.

    При совместном разложении смеси двух гидроксидов степень дисперсности катализатора значительно выше, чем при разложении чистых в-в. Методы осаждения позволяют изменять в широких пределах уд. поверхность и пористость получаемых катализаторов. Недостаток методов осаждения для промышленного применения - большой расход реактивов, значительные объемы сточных вод. Поэтому катализаторы часто получают непосредствено разложением твердых солей -чаще всего нитратов, карбонатов, оксалатов и т.д., при нагривание которых образуются твердый оксид, СО2, Н2О и оксиды азота; последние из-за токсичности приходится улавливать. Для получения хромоксидных катализаторов используют также разложение аммониевых солей, напр., хромата и бихромата аммония. Метод разложения твердых солей редко применяют для получения сложных оксидных систем вследствие различных разложения солей разных металлов, что не позволяет получать равномерно распределенные смеси оксидов.

    Твердые катализаторы с высокой уд. поверхностью и каталитической активностью готовят механохимическими методами с использованием различных дробилок и мельниц, что позволяет также значительно снизить температуру синтеза сложных оксидов из простых. Перспективен плазмохимических метод - пропускание исходных веществ, напр., р-ра, содержащего соли металлов, через плазмотрон, т.к. уменьшается кол-во сточных вод в производстве катализаторов. Прогрессивный способ получения высокодисперсных катализаторов - распылит. сушка, заключающаяся в быстром обезвоживании суспензии катализатора вследствие разности парциальных давлений паров жидкости в окружающей среде и на поверхности движущихся капель высушиваемого катализатора. Таким методом получают однородные частицы сферич. формы с размерами порядка 100 мкм, напр., в производстве алюмосиликатных катализаторов.

    Металлические (реже оксидные) катализаторы готовят обычно нанесением активного компонента на носитель. При проведении р-ций в кинетич. области выгодно равномерное распределение катализатора по всему объему пористой гранулы носителя, во внутреннедиффузионной области - распределение активного компонента вблизи наружной поверхности гранулы. Выбранный носитель (Al2О3, силикагель и т.д.) пропитывают раствором, содержащим необходимые компоненты катализатора, подвергают сушке и нагреванию.

    Для равномерного распределения активного компонента на носителе применяют спец. режимы сушки. Окончательно металлические катализаторы требуемой дисперсности формируются при нагревании, восстановлении оксидов на носителе газами-восстановителями (Н2, СО) перед катализом или непосредственно во время катализа. Пористые металлические катализаторы, т. наз. скелетные, получают из двух- или многокомпонентных сплавов каталитически активных металлов (Ni, Со, Сu, Fe) с Al или Si с послед. выщелачиванием Al или Si р-рами электролитов, отгонкой в вакууме или др. методами. Напр., для приготовления широко применяемых скелетных Ni-катализаторов гидрирования (Ni-Ренея) в расплав Al вводят Ni и затем медленно охлаждают. При этом образуется мелкокристаллическая структура Ni и его соединений с Al (Ni3Al, NiAl, Ni2Al3 и др.). Охлажденный сплав подвергают дроблению и обработке р-ром NaOH. Полученный катализатор пирофорен, поэтому его хранят и транспортируют под слоем масла. Перед использованием активируют Н2 при 120-200 °С. Уд. пов-сть 5-50 мг/г, диаметр пор 2-12 нм.

    Среди плавленых металлических катализаторов наиб. распространение получили плавленые железные катализаторы синтеза NH3. Их готовят плавлением железа в индукционных печах, вводя при этом промоторы Al2О3 и SiO2. При окислении расплава кислородом вводят др. промоторы - К2О, СаО. Охлажденный катализатор дробят, просеивают и восстанавливают азотно-водородной смесью в колонне синтеза или в спец. аппарате. Для получения правильной геом. формы зерен катализатора используют различные формовочные машины. Цилиндричные гранулы получают выдавливанием (экструзией) влажной массы с помощью массивного винта (шнека) через отверстия нужного диаметра, после чего разрезают полученный жгут на отдельные цилиндрики.

    Катализаторы в автомобилях

    На дороги ежедневно выезжают миллионы автомобилей, и каждый из них - источник загрязнения воздуха. Особенно это чувствуется в крупных городах, где выхлопные газы автомобилей могут создавать большие проблемы.

    В современных автомашинах присутствует каталитический преобразователь или автомобильный катализатор. Задачей автомобильного катализатора является снижение количества вредных веществ в выхлопных газах. Среди них:

    окись углерода (СО) - ядовитый газ без цвета и запаха

    углеводороды, также известные как летучие органические соединения - один из главных компонентов смога, образуется за счёт неполного сгорания топлива

    оксиды азота (NO и NO2, которые часто объединяют под обозначением NOx) - также являются компонентом смога, а также кислотных дождей, оказывают влияние на слизистую человека.

    Автомобильный катализатор и его роль в выхлопной системе

    Катализатор имеет удивительно простое устройство, но воздействие его очень велико. Из этой статьи вы узнаете, какие загрязняющие вещества образуются в результате работы двигателя, и как каталитический преобразователь справляется с каждым из них, сокращая выбросы вредных выхлопных газов.

    На дороги ежедневно выезжают миллионы автомобилей, и каждый из них - источник загрязнения воздуха. Особенно это чувствуется в крупных городах, где выхлопные газы автомобилей могут создавать большие проблемы.

    Каталитический преобразователь

    Для решения этих проблем каждая страна издает свои законы, которые ограничивают допустимый уровень загрязнения, который может создавать каждая машина. За прошедшее время автопроизводители внесли много улучшений в конструкцию автомобильного двигателя и топливных систем, чтобы соответствовать этим требованиям. Одно из значительных изменений произошло в 1975 году - именно в этом году появилось новое устройство, называемое каталитическим преобразователем (конвертером) или просто катализатором. Работа каталитического преобразователя заключается в преобразовании вредных выхлопных газов в менее вредные прежде, чем они покинут выхлопную систему автомобиля.

    Выбросы загрязняющих веществ

    В целях сокращения выбросов, современные автомобильные двигатели тщательно контролируют количество сжигаемого ими топлива. Их задача - сохранить соотношение "воздух-топливо" как можно ближе к идеальной точке, называемой стехиометрической. Теоретически, при этом соотношении все топливо сгорит с использованием всего имеющегося в воздухе кислорода. Для бензина стоихиометрический коэффициент - около 14,7:1, что значит, что при сожжении одной единицы бензина будет сожжено 17,4 единицы воздуха. фактически во время езды сгорание топливной смеси немного отличается от идеального соотношения. Иногда смесь может быть бедной (при коэффициенте "воздух-топливо" выше, чем 14,7), или, наоборот, насыщенной (при более низком коэффициенте).

    Основные загрязняющие вещества, вырабатываемые двигателем, это:

    газообразный азот (N2) - воздух состоит на 78 процентов из газообразного азота, и большая часть его проходит сквозь автомобильный двигатель

    диоксид углерода (СО2) - один из продуктов сгорания. Углерод из топлива соединяется с кислородом воздуха.

    водяной пар (H2O) - еще один продукт сгорания. Водород из топлива соединяется с кислородом воздуха.

    Это выбросы в основе своей не опасны, хотя, как считается, выброс углекислого газа (СО2) способствует глобальному потеплению. Но так как процесс горения никогда не совершенен, небольшое количество гораздо более вредных выхлопных газов выделяется при работе двигателя автомобиля. Именно на снижение их уровня ориентированы каталитические преобразователи:

    окись углерода (СО) - ядовитый газ без цвета и запаха

    углеводороды, также известные как летучие органические соединения - один из главных компонентов смога, образуется за счет неполного сгорания топлива

    оксиды азота (NO и NO2, которые часто объединяют под обозначением NOx) - также являются компонентом смога, а также кислотных дождей, оказывают влияние на слизистую человека.

    В следующем разделе мы рассмотрим, какие именно процессы происходят внутри каталитического преобразователя.

    Как катализаторы сокращают вредные выбросы в выхлопных газах

    Если вспомнить химию, то катализатор - это вещество, которое ускоряет или вызывает химическую реакцию, само не входя в продукты реакции. Катализаторы участвуют в реакции, но не являются не реактивом, ни продуктом реакции. Так, для человеческого организма естественным катализатором многих важных биохимических реакций являются ферменты.

    В каталитических преобразователях существуют два различных типа катализаторов: восстанавливающий катализатор и окислительный катализатор. Оба типа состоят из керамической структуры, покрытой металлическим катализатором (обычно это платина, родий и/или палладий). Идея заключается в том, чтобы создать структуру, которая подставляет под поток выхлопных газов максимальную площадь катализатора и свести к минимуму задействованное при этом количество самого катализатора, так как используемые материалы весьма дороги. В некоторых преобразователях даже стали использовать золото с примесью более традиционных катализаторов. Золото дешевле по сравнению с остальными катализаторами, и может повысить степень окисления на 40 процентов, что необходимо для снижения количества вредных газов.

    Большинство современных выхлопных систем в автомобилях оснащены тремя каталитическими преобразователями, по одному для каждого из веществ, выброс которых необходимо уменьшить.

    Восстанавливающий катализатор - первый этап каталитического преобразователя. Он использует платину и родий чтобы уменьшить выбросы NOx. Когда молекула NO или NO2 встречается с молекулами катализатора, от нее отделяется атом азота, высвобождая кислород - O2. Атом азота же связывается с другим атомом азота, образуя N2.

    Окислительный катализатор - второй этап каталитического преобразователя. Он снижает количество несгоревшего топлива и окиси углерода в результате их сжигания (окисления) с помощью таких катализаторов, как платина и палладий. Этот катализатор также помогает СО вступить в реакцию с несгоревшим кислородом, образуя углекислый газ СО2.

    Существуют два основных вида конструкций, используемых в каталитическом преобразователе - это конструкция по типу "соты" и "керамические бусины". Большинство автомобилей используют сотовые структуры.

    Следующий раздел посвещен третьей стадии процесса преобразования, и тому, как добиться от своего каталитического преобразователя лучшего результата.

    Контроль загрязнения и повышение эффективности выхлопной системы

    Третьим этапом преобразования является система управления, которая контролирует поток выхлопных газов и использует эту информацию для управления системой впрыска топлива. Один датчик кислорода установлен выше автомобильного катализатора, то есть ближе к двигателю, чем сам преобразователь. Этот датчик говорит компьютеру двигателя, сколько кислорода содержится в выхлопе. Компьютер двигателя уменьшает или увеличивает количество кислорода в выхлопных газах за счет регулировки количества воздуха, поступающего к топливу. Эта схема позволяет контролировать двигатель компьютера, чтобы убедиться, что двигатель работает на соотношении, близком к стехиометрической точке, а также чтобы убедиться, что в выхлопных газах достаточно кислорода для работы окислительного катализатора для окисления несгоревших углеводородов и СО.

    Каталитический преобразователь проделывает большую работу по уменьшению загрязнения окружающей среды, но его производительность может быть существенно улучшена. Одним из недостатков является то, что каталитический преобразователь работает только при достаточно большой температуре. Когда вы только заводите машину, каталитический преобразователь почти не работает.

    Простое решение этой проблемы состоит в том, чтобы передвинуть каталитический преобразователь ближе к двигателю. Тогда выхлопные газы, поступающие в каталитический преобразователь, будут более горячими,и он нагреется быстрее, но это одновременно сокращает срок службы конвертера из-за воздействия чрезмерно высоких температур. Большинство автопроизводителей размещает каталитический преобразователь под передним пассажирским сиденьем, достаточно далеко от двигателя, именно для того, чтобы высокие температуры не вредили ему.

    Подогрев каталитического преобразователя - хороший способ снижения выбросов. Самый простой способ подогреть катализатор - использование электрических нагревателей. К сожалению, 12-вольтовая электрическая система, установленная на большинстве машин, не может нагреть каталитический преобразователь достаточно быстро. Большинство людей не будет ждать несколько минут, пока нагреется каталитический преобразователь. Гибридные машины имеют большие, высоковольтные батареи, которые могут достаточно быстро нагреть автомобильный катализатор.

    Каталитические преобразователи дизельных двигателей плохо справляются с сокращением выбросов NOx. Одна из причин в том, что дизельные двигатели сами по себе функционируют в более низком температурном режиме, чем обычные, а преобразователи работают лучше при нагреве. Некоторые ведущие эксперты в области "зеленого" автомобилестроения придумали новую выхлопную систему, которая помогает исправить этот недостаток. Они впрыскивают водный раствор мочевины в выхлопную трубу до того, как газы достигнут преобразователя. При этом возникает химическая реакция, которая уменьшает количество NOx. Карбамид, также известный как мочевина - органическое соединение углерода, азота, кислорода и водорода. Его можно обнаружить в моче млекопитающих и земноводных, что и объясняет такое название. Мочевина реагирует с NOx с получением азота и водяного пара, снижая количество оксидов азота в выхлопных газах более чем на 90 процентов.

    При нормальном качестве топлива и нормальной регулировке двигателя выхлопные газы спокойно проходят через эти каналы и очищаются. Но когда двигатель «нюхнет» отечественного топлива и вдобавок ко всему «вздрогнет» от регулировок «дяди Васи - крутого спеца по Жигулям», - кто может гарантировать, что после всего этого, например, из-за неправильно выставленного угла опережения зажигания не повысится температура выхлопных газов, или в глушитель не будет «лить» бензин неисправная форсунка, от чего импортная керамика начнет потихоньку «спекаться» и закрывать эти тонкие каналы. Что далее? А вот тут и начнет возникать эффект «картошки в глушителе».

    Располагается катализатор в выхлопной трубе между двигателем и глушителем, есть там такое утолщение, закрытое снизу (обязательно!) дополнительным экраном, потому что иногда бывает такое, что при сильном нагреве катализатора он раскаляется почти докрасна. Из некоторого опыта можно сказать, что у катализатора бывает ТРИ состояния: -Рабочее -Полурабочее -Нерабочее.

    А теперь можно рассмотреть все эти три состояния и как ведет себя машина (двигатель) при каждом из них. В рабочем состоянии и описывать-то нечего. Машина работает нормально, лампочка перегрева катализатора на панели приборов не загорается при работе двигателя, претензий ни к чему нет.

    В «полурабочем» состоянии начинаются некоторые проблемы. В один прекрасный день Вы обнаруживаете, что машина стала вести себя как-то не так: и тяга куда-то пропала (или временами пропадает) и… - но лучше все эти «непонятки» разбить по пунктам:

    Временами (или всегда) пропадает тяга и «приемистость» машины на больших оборотах; вчера вот «тянула» нормально, а сегодня ее вроде бы что-то «за зад держит».

    По утрам, да и в состоянии «на горячую» машина стала заводиться все хуже и хуже, двигатель приходится долго «гонять» стартером, что бы завелся.

    Иногда «куда-то пропадают обороты»: Вы давите на педаль газа, а стрелка тахометра с трудом добирается до двух или четырех тысяч и там останавливается. Ваш кошелек стремительно пустеет – машина начинает прямо-таки «жрать» бензин.

    Если чисто субъективно, то возможна еще такая проверка - подтверждение «полурабочего» состояния. Когда у Вас начались подобные проблемы, надо завести двигатель и «утопить» педаль до упора. Если двигатель начнет медленно поднимать обороты и остановится где-то на двух-трех тысячах, а дальше - ни в какую, то мы опять на верном пути. Хотя справедливости ради, надо отметить, что подобный эффект может возникать и при плохой работе топливного насоса, но там еще есть немножко другие эффекты – а это уже другая статья.

    В «нерабочем» состоянии машина может вести себя таким образом:

    Заводится долго, а когда заведется – то глохнет почти сразу же или не заводится вообще, т.е. даже не «схватывает».

    Вот это – «третье состояние» проверить просто: надо в момент заведения машины подойти к выхлопной трубе и посмотреть (почувствовать, например, приложенной рукой) – идут оттуда выхлопные газы или нет.

    Есть еще один способ проверки «забитости» катализатора. Для этого надо просто выкрутить одну из свечей и попытаться завести двигатель. Если при этом двигатель заведется, «взревет» - вперед под машину, на катализатор.

    Вопросы экологии и покупки нового катализатора мы не рассматриваем – 99.9% просто удаляют его, а не бегут покупать новый за «сотку баксов». При выполнении данной работы надо учитывать, что в 90% гаек «прикипели намертво». Поэтому, прежде чем набрасываться на них с инструментом – не пожалейте денег на «преобразователь ржавчины».

    Хочется предостеречь от распространенной ошибки при удалении катализатора: всегда удаляйте весь и полностью, а не пробивайте только отверстие. Кто даст гарантию, что через какое-то время это отверстие не забьется лопнувшим и отвалившимся куском.

    После удаления внимательно осмотрите с «переноской» внутренность той емкости, в которой находился катализатор и Вы увидите «прикипевшую» к поверхности металлическую сеточку, одну или несколько. Ее удаляйте тоже.

    В принципе так же можно просто вырезать банки катализатора и вварить гофровую трубу. Во-первых - это даст вам нежесткое соединение двигателя и выпускной системы, а во-вторых - у вас будет дополнительное охлаждение газов.

    Следует помнить, что на некоторых моделях машин (например, Nissan Maxima с двигателем VG-30) имеется два катализатора, «большой» и «маленький», расположенные рядом. «Забитый» катализатор дает эффект «картошки в глушителе», как образно и точно названо данное состояние. Но не будем забывать, что «картошка в глушителе» может и не быть забитым катализатором, особенно после зимы или долгой стоянки. Был случай, когда данный эффект возник из-за того, что в глушитель набился снег, замерз и только после того, как корпус глушителя был интенсивно разогрет, - оттуда потекла вода.

    Экономия топлива и катализаторы горения

    Катализатор топлива предназначен для снижения энергии, которую необходимо затратить на возгорание различных компонентов бензина и дизтоплива (а их там более пятисот). При добавлении катализатора, увеличивается скорость горения топлив с высокой температурой воспламенения. Следовательно, наиболее активно катализатор действует на высококипящие углеводороды топлива, которые горят в самом конце. Снижая температуру их возгорания, обеспечивается полнота сгорания топлива в двигателе при более низких температурах. Понижение температуры в камере сгорания приводит к уменьшению максимального давления в ней и, следовательно, к снижению жесткости работы двигателя, а также к уменьшению вредности выхлопных газов.

    Концентрация катализаторы в топливе очень малая, около 0,001 - 0,01%. Добавление катализатора фактически не изменяют физико-химические свойства базового топлива, но обеспечивают изменение процесса его горения. Топливо с катализатором сгорает так, как будто оно классом выше.

    Катализатор топлива также частично выполняет роль каталитических нейтрализаторов. Так в бензин вводят соединения палладия, рения, платины, родия, которые после камеры сгорания, отлагаются в виде металлов на стенках выхлопной системы и действуют как обычные катализаторы дожига. В более тяжелых топливах хороший эффект достигается введением соединений железа, например ферроцена в количестве 0,001-0,003%.

    Присадки, в состав которых входят органические соединения металлов, применяют уже давно (с 1950 г). Наиболее широко известны присадки ферроцена (дициклопентадиенилжелеза) и его производных, соединений марганца, меди, никеля, лития и других органических соединений металлов, а в некоторых случаях даже их оксиды. Бензины с такими присадками, в сравнении с топливом без них, дают некоторое изменение эмиссии углеводородов, оксидов азота, оксида углерода. Особенно хорошо это заметно на автомобилях с большим пробегом (более 60 тыс. км). Также катализатор горения повышает эффективность работы каталитических преобразователей отработавших газов, за счет догорания топлива в камере сгорания.

    Введение ферроцена в концентрации 15 ppm (0,0001%) не оказывает отрицательного воздействия на работу двигателя, но положительно влияет на работу катализаторов дожига и увеличивает октановое число бензинов. Более того, ферроцен оказывает еще и каталитическое воздействие на процесс горения топлива, частично уменьшая нагар в камере сгорания и улучшая некоторые экологические характеристики двигателя, при одновременном небольшом снижении расхода топлива.

    Для предотвращения возможного образования отложений, при использовании металлсодержащих органических соединений в составе катализаторов горения, широко используются присадки-выносители, способствующие удалению металла из камеры сгорания и со свечей зажигания.

    Применение некоторых композиций металлорганических соединений позволяет существенно улучшить работу каждой присадки в отдельности, проявляя, в некоторых случаях, синергетический эффект.

    Источники

    ru.wikipedia.org Википедия – свободная энциклопедия

    autorelease.ru Авто релиз

    www.parsa.com.ua Автозапчасти онлайн

    www.mpg.kiev.ua MPG-CAPS биокатализатор топлива

    www.bmwclub.ua БМВ клуб

    www.himhelp.ru Химический сервер

    elementy.ru Природа науки

    www.xumuk.ru Сайт о химии

    oval.ru Большая Советская энциклопедия

    Перепечатка материалов без прямой ссылки на ForexAW.com запрещена.

    ForexAW.com ©

    Партнерство

    Карта сайта

    Реклама