کاتالیست در خدمت سلامت انسان و محیط زیست

کاتالیست چیست؟

کاتالیست اگزوز یکی از اجزای مهم در سیستم اگزوز خودرو است که وظیفه آن کاهش آلایندگی خودرو و جلوگیری از آلودگی هواست. گازهای حاصل از احتراق سوخت در موتور خودروها ، از طریق سیستم اگزوز خارج می‌شوند. این گازها یکی از اصلی ترین عوامل آلودگی هوا محسوب می‌شوند. جلوگیری از ورود این گازهای آلوده‌کننده به هوا با استفاده از مبدل‌های کاتالیستی یا همان کاتالیست امکان پذیر است. مبدل‌های کاتالیستی با تبدیل گازهای سمی به گاز‌های غیر مضر می‌توانند در کاهش آلودگی هوا و کمک به سلامت انسان و محیط زیست تأثیر زیادی داشته باشند.

 

کاتالیست چه طور کار می‌کند؟

‌هنگامی که گازهای خارج شده از موتور خودرو وارد کاتالیست می‌شوند ، به کمک مواد ارزشمندی که در داخل کاتالیست قرار دارد واکنش شیمیایی می‌دهند. محصولات این واکنش گاز‌های غیر سمی هستند که از کاتالیست و مجموعه اگزوز خودرو خارج می‌شوند.
گازهای سمی ناشی از احتراق به سه دسته عمده تقسیم می‌شوند: گاز مونو اکسید کربن (CO) ، اکسیدهای نیتروژن (NO_x) و هیدورکربن‌هایی (HCs) که ناشی از احتراق ناقص سوخت هستند[1]. این گازهای سمی با عناصر گران قیمتی مانند پلاتین (Pt) ، پالادیم (Pd) و رودیم (Rh) که در ساختار داخلی کاتالیست به کار گرفته شده‌اند ، تماس پیدا می‌کنند. به کمک این عناصر ، چند واکنش شیمیایی با وجود این گازهای سمی و گاز اکسیژن اضافی که از محفظه احتراق خارج شده است انجام می‌شود. این واکنش های شیمیایی ، ساختار مولکولی گازهای سمی را تغییر می دهند و آن‌ها را به مولکول‌های گازهایی غیر سمی از جمله گاز نیتروژن (N_2) ، کربن دی اکسید (CO_2) و بخار آب (H_2 O) تبدیل می‌کنند.

معادله این واکنش‌های شیمیایی که در مبدل کاتالیستی اتفاق می‌افتند در زیر قابل ملاحظه است[2]:
2CO + O2 → 2CO2
HC + O2 → CO2 + H2O
2CO + 2NO → 2CO2 + N2
HC + NO → CO2 + H2O + N2
2H2 + 2NO → 2H2O + N2
CO + H2O → CO2 + H2
HC + H2O → CO2 + H2

نقش سنسور اکسیژن در بهبود عملکرد کاتالیست

همانطور که اشاره شد ، تعدادی از این واکنش‌ها به گاز اکسیژن باقی مانده از مرحله احتراق نیاز دارند. نسبت گاز اکسیژن و همچنین نسبت سایر گازهای حاصل از احتراق در این مخلوط گازی باید به اندازه‌ای باشد که واکنش‌های شیمیایی با بالاترین کیفیت انجام شوند. به منظور سنجش نسبت گازها برای کار کردن بهینه کاتالیست ، یک سنسور اکسیژن در ورودی کاتالیست قرار گرفته است. این سنسور که حساسیت الکتروشیمیایی دارد ، میزان اکسیژن وارد شده به کاتالیست را به طور پیوسته می‌سنجد و به کامپیوتر مرکزی خودرو اعلام می‌کند[3]. در صورتی که گاز اکسیژن کم و یا زیاد باشد ، دریچه ورود هوا به موتور توسط کامپیوتر مرکزی خودرو تنظیم می‌شود. اینکار سبب تنظیم نسبت هوا به سوخت در فرآیند احتراق شده و علاوه بر بهبود عملکرد کاتالیست ، باعث بهینه سازی مصرف سوخت نیز می‌شود.

 

ساختمان کاتالیست

ساختار داخلی کاتالیست معمولاً از یک قطعه سرامیکی یا فلزی حفره دار تشکیل شده است. سرامیک متخلخل با عناصر ارزشمند پلاتین ، پالادیم و رودیم که نقش کاتالیزگر واکنش شیمیایی را دارند پوشش داده شده است. ساختار سرامیکی داخل کاتالیست برای عبور دادن بهتر گازها و افزایش سطح تماس گازها با عناصر کاتالیزگر به شکل متخلخل ساخته شده است. یکی از عوامل مهم در انجام درست واکنش‌های تبدیل گاز سمی ، حرارت گازهای وارد شده به کاتالیست است. اگر گازهای وارد شده به کاتالیست به اندازه کافی گرم نباشند ، کاتالیست عملکرد مطلوبی نخواهد داشت. به همین دلیل محل نصب کاتالیست در مجموعه اگزوز ، نزدیک ترین قسمت ممکن به موتور در نظر گرفته می‌شود تا گازهای وارده به آن به اندازه کافی حرارت داشته باشند و واکنش‌ها را با راندمان بالاتری انجام دهند.

 

اهمیت نصب کاتالیست در مجموعه اگزوز

نصب کاتالیست در مجموعه اگزوز خودرو به منظور جلوگیری از آلودگی هوا و کمک به سلامت انسان و محیط زیست به قدری دارای اهمیت است که امروزه در بسیاری از کشورها از جمله در ایران ، نصب مبدل کاتالیستی بر روی خودرو به یک الزام قانونی تبدیل شده است. در کشور ما یکی از شرایط لازم برای اخذ معاینه فنی برای خودروهای سبک ، نصب کاتالیست در مجموعه اگزوز است.

 

چند نکته مهم در نگهداری و تعویض کاتالیست خودرو

کاتالیست اگزوز پس از گذشت دوره کارکرد مفید خود ، فرسوده می‌شود و کارایی خود را از دست می‌دهد. فرسودگی کاتالیست با علائمی از جمله کاهش قدرت و شتاب خودرو به میزان محسوس ، افزایش چشمگیر مصرف سوخت و افزایش غیر عادی دمای موتور بروز پیدا می‌کند. عمر مفید یک کاتالیست نو در حدود هشتاد هزار تا صد هزار کیلومتر برای کارکرد خودرو و یا در حدود 3 الی 4 سال استفاده از خودرو است. پس از اتمام عمر کاتالیست ، این قطعه می‌بایست تعویض شود.
با توجه به وجود عناصر گران قیمت در کاتالیست ، این قطعه یکی از قطعات گران قیمت خودرو است. حتی یک کاتالیست کهنه نیز به دلیل اینکه عناصر با ارزش را در خود دارد به قیمت قابل توجهی توسط تعویض کنندگان این قطعه یا خریداران عمده کاتالیست کهنه ، خریداری می‌شود. پس کاتالیست فرسوده همچنان با ارزش و گران قیمت است.
به علت ارزش بالای این قطعه ، عده‌ای از افراد سودجو اقدام به باز کردن کاتالیست از روی خودرو بدون اطلاع مالک خودرو می‌کنند که جبران اینکار هزینه بالایی را برای مالک خودرو به همراه دارد. لذا باید برای قرار دادن خودرو در مکان های غیر امن و نزد افراد غیر قابل اعتماد ، احتیاط لازم صورت گیرد.
با توجه به شکننده بودن ساختار سرامیکی کاتالیست باید از این قطعه در مقابل ضربه و برخورد ناهمواری هایی که ممکن است در مسیر حرکت خودرو به آن برخورد کنند مراقبت کرد.

 

نویسنده: مهندس محمد حبیبی، کارشناس ارشد مهندسی مکانیک

 

 

منابع:

[1] J. Kašpar, P. Fornasiero, and N. Hickey, “Automotive catalytic converters: current status and some perspectives,” Catalysis Today, vol. 77, no. 4, pp. 419-449, 2003/01/15/ 2003, doi: https://doi.org/10.1016/S0920-5861(02)00384-X.
[2] K. C. Taylor, Automobile catalytic converters. Springer, 1984.
[3] R. J. Farrauto and R. M. Heck, “Catalytic converters: state of the art and perspectives,” Catalysis Today, vol. 51, no. 3-4, pp. 351-360, 1999.