Conversor catalítico

O conversor catalítico ou catalisador é um elemento de todo o escapamento dos motores de combustão interna que visa reduzir a nocividade dos gases do escapamento.

Constituição

Pela própria extremidade do XIX th  século, quando apenas alguns milhares de carros para "óleo" são excelentes, são concebidos em França dos primeiros protótipos de conversores catalíticos automóveis, constituído por um material inerte "contacto" de platina impregnado de irídio e paládio , envolto em um cilindro de metal com uma parede dupla isolante através da qual os gases de exaustão passam.

As versões modernas consistem em uma câmara de aço inoxidável para onde são conduzidos os gases de exaustão, que passam por dutos de uma estrutura em favo de mel geralmente feita de cerâmica . O interior dos dutos é coberto por uma fina camada de cristais combinando alumina , óxido de cério e pelo menos três "  metais preciosos  ", a saber, os metais raros do grupo dos platinóides  : além da própria platina , paládio e ródio que também contêm a 228  ppt de ósmio . A estrutura interna da panela é projetada para fornecer uma grande superfície de contato entre os elementos catalisadores e os gases de exaustão. Em meados da década de 1990, um conversor catalítico continha 3 a 7  g de platina e 0,5 a 1,5  g de ródio.

Operação

Os elementos catalisadores desencadeiam ou acentuam as reações químicas que tendem a transformar os constituintes mais tóxicos dos gases de escape ( monóxido de carbono , hidrocarbonetos não queimados , óxidos de nitrogênio ) em elementos menos tóxicos (água, dióxido de carbono e nitrogênio ).

Existem dois tipos principais de conversores catalíticos, cada um adaptado à natureza do combustível usado.

  1. o chamado catalisador de três vias para motores a gasolina;
  2. o chamado catalisador de duas vias , associado ou não a um filtro de partículas para motores a diesel .

Catalisador de três vias

Causa três reações simultâneas:

  1. Uma redução de óxidos de nitrogênio em nitrogênio e dióxido de carbono: 2NO + 2CO → N 2 + 2CO 2
  2. Oxidação de monóxidos de carbono em dióxido de carbono: 2CO + O 2→ 2CO 2
  3. Oxidação de hidrocarbonetos não queimados (HC) em dióxido de carbono e água: 4C x H y + (4x + y) O 2→ 4xCO 2+ 2yH 2 O

O conversor só é eficaz a partir dos 400  ° C , o que explica por que não é muito eficiente em viagens curtas (especialmente na cidade), que não dão ao catalisador tempo para aquecer o suficiente.

As reações de oxidação (requerendo uma forte presença de oxigênio) e redução (requerendo uma fraca presença de oxigênio) são contraditórias. Eles só ocorrem simultaneamente se a quantidade de ar durante a combustão for ideal. Isso é garantido pelo sensor lambda que informa ao computador de gerenciamento do motor a quantidade de combustível a ser injetada.

Uma reação colateral deste tipo de catalisador em altas temperaturas:

2NO + CO → N 2 O + CO 2Sonda Lambda Os modelos mais recentes são dotados de sensor duplo de oxigênio (denominado “lambda”) vinculado a um computador eletrônico que controla a quantidade de combustível a ser injetada no motor (a relação ar / combustível ideal é de 14,7 ⁄ 1 ). Se a proporção de combustível aumenta, as emissões de monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos (HC) também aumentam, se diminui (mistura pobre), é a taxa de óxidos de nitrogênio (NO x ) que aumenta e consequentemente a probabilidade de ozônio produção e possivelmente PANs (nitrato de peroxiacetila, outro tipo de oxidante produzido pela circulação); Compostos tampão São compostos ( ródio , mas sobretudo óxido de cério ) adicionados à alumina do suporte para limitar o impacto das variações na composição dos gases, armazenando um pouco de oxigênio quando está em excesso para rejeitá-lo quando falta .

Catalisador bidirecional (motor diesel)

Os catalisadores automotivos vendidos nos anos 1990-2000 visavam converter monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos não queimados (HC) em dióxido de carbono (CO 2) E água (H 2 S), ao mesmo tempo que reduz a massa das partículas do combustível diesel .

Melhorias e tendências (de acordo com AECC )

Para atender aos padrões, alguns fabricantes devolvem os gases de escape resfriados ao motor ou, melhor (do ponto de vista da eficiência), injetam 32,5% de uréia e água quimicamente puras (o que requer tanques adicionais).

Garantias e recomendações atuais Uma vida útil de 150.000  km é garantida pelos fabricantes nas seguintes condições: Prospectivo Os fabricantes ainda precisam melhorar vários pontos:

Impactos ambientais, positivos e negativos

Diante do crescente número de veículos automotores e para limitar a poluição do ar, desde o final da década de 1990, muitos países tornaram obrigatório um elemento catalítico para os motores a gasolina e / ou diesel . Porém, os veículos são sempre mais numerosos, percorrem distâncias cada vez maiores e certos poluentes não são tratados pelos catalisadores.
Por fim, parece que alguns conversores catalíticos envelhecem mal e podem perder parte de seu conteúdo no meio ambiente. Além de serem preciosos, esses metais podem poluir. Os conversores catalíticos também criam uma queda de pressão no escapamento e degradam a eficiência do motor, aumentando seu consumo.

Impactos positivos

Os potes catalisados ​​tornaram possível reduzir as emissões de 3 poluentes: monóxido de carbono (CO, tóxico), óxidos de nitrogênio (precursores de ozônio), bem como hidrocarbonetos não queimados (poluentes e às vezes mutagênicos e cancerígenos), e indiretamente de chumbo (favorecendo combustíveis sem chumbo)

Limitações do sistema

A catálise não resolve todos os problemas de poluição dos gases de exaustão e cria novos:

Risco para a saúde?

Sem negar as vantagens dos conversores catalíticos, faltam dados toxicológicos e ecotoxicológicos sobre os impactos dos metais perdidos por esses conversores no meio ambiente, e em particular no que diz respeito aos efeitos na saúde e ecológicos de derivados (óxidos em particular) e metabólitos de esses metais. Os metais do grupo da platina , quando presentes nas partículas em suspensão , na verdade não são quimicamente neutros (por isso são bons catalisadores), principalmente no estado de partículas ultrafinas (menos de 1 µm) ou nanopartículas quando seu efeito catalítico é dopado por uma superfície de contato muito elevada para um peso igual de material. Alguns desses metais são, por essas razões, utilizados como fármacos anticâncer (por exemplo, para uma forma oxidada da platina), mas não sem efeitos colaterais , já que é a molécula que causa queda de cabelo em algumas quimioterapias e é potencialmente cancerígena em doses mais elevadas.

Estudo de alemão

Uma amostra de ar coletada na Alemanha a 150  m de uma estrada foi objeto de um estudo com o objetivo de determinar com precisão os tamanhos e a natureza das partículas presentes no ar:

Além disso, de acordo com este estudo, um quarto das partículas compostas de metais do grupo da platina são emitidas com um tamanho tão fino que provavelmente se comportam como partículas em suspensão, em vez de cair rapidamente de volta ao solo. No entanto, trata-se de metais com elevado poder catalítico que podem contribuir para a poluição fotoquímica e cujos impactos nos organismos vivos após inalação ou biointegração por plantas, fungos ou bactérias não são bem conhecidos, nomeadamente na forma de micropartículas. Os materiais utilizados para este estudo não permitiram medir a percentagem de nanopartículas possivelmente presentes nesta amostra. No entanto, este estudo confirma que pelo menos um quarto desses metais, quando perdidos pelos tubos de escape, podem ser facilmente lavados e redepositados longe de suas fontes de emissões, levados por ventos e correntes de ar fracas ( por exemplo: subidas térmicas frequentes em estradas pavimentadas de preto ) Como esses produtos não são biodegradáveis , é provável que se bioacumulem e / ou se acumulem em solos próximos a estradas e em estacionamentos subterrâneos e perto de suas saídas de ar.

O fato de os conversores catalíticos perderem ósmio na forma de vapor (a forma oxidada mais tóxica de ósmio) também é motivo de preocupação. O querogênio é uma fonte naturalmente rica de ósmio radiogênico pode sugerir que o ósmio pode bioacumular, mas seu ciclo "natural" ainda é pouco estudado.

Conclusão provisória; alternativa e perspectivas

Os estudos citados acima confirmam que a poluição automobilística se espalha muito rapidamente por todo o planeta, porque os conversores catalíticos são recentes e só se desenvolveram até agora em países ricos.
Se os estudos comprovarem os impactos negativos dessas emissões na saúde e no meio ambiente, teremos novas escolhas e desafios:

- conversor catalítico + filtro melhorado, - novo combustível (por exemplo , hidrogênio , já uma prioridade na Islândia e nos Estados Unidos que desejam generalizá-lo dentro de 50 a 60 anos), - limitação do transporte ou desenvolvimento do transporte público .

Algumas alternativas são estudadas, como para o diesel; a japonesa Daihatsu Diesel e a Universidade de Osaka testam em 2007 um tratamento de gases de escape, sem catalisador, destruindo 80 a 90% dos óxidos de nitrogênio (NOx) e partículas (PM) por um plasma, que produz CO, transformado em CO 2removido por uma solução de sulfito , a um custo anunciado muito inferior ao das soluções catalíticas.

Catalisadores que estão mais disponíveis e menos caro do que a platina (que em 2010 custo de US $ 1.580  por onça ou 31 gramas, após atingir $ 2.000  em 2008), são procurados por químicos:

Notas sobre o conhecimento

Cientistas independentes e autoridades locais lutam para trabalhar o impacto dos combustíveis cujas fórmulas variam de acordo com a origem, os produtores, mas também de acordo com a temporada e o tempo de armazenamento. Esses dados químicos sensíveis à indústria, bem como as quantidades consumidas nas diversas regiões de distribuição, são considerados informações confidenciais pelos fabricantes.

Também surgem dúvidas quanto às instalações catalíticas que equipam instalações industriais, incineradores, etc., especialmente quando colocadas a jusante de um filtro, ou não acompanhadas de filtros muito bons capazes de recuperar os metais catalíticos rasgados da superfície interna do equipamento.

Os conversores catalíticos não são obrigatórios para carros movidos a gasolina (menos de dois litros de deslocamento) colocados em serviço antes do 1 ° de janeiro de 1994, podendo, portanto, ser substituído por um simples tubo ou outro, o que não altera a validação do controle técnico para carros a gasolina colocados em circulação antes do1 ° de janeiro de 1994 se o motor estiver corretamente regulado, por outro lado, é obrigatório a partir de dois litros de cilindrada a partir de 1990.

Notas e referências

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  7. . Hoje, o risco de impacto é reduzido, estando os catalisadores colocados junto ao motor quente, nomeadamente no colector dos tubos de escape.
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Principais fontes para aspectos de impacto ambiental:

Veja também

Artigos relacionados

links externos