Καυσαέρια - Καταλύτες αυτοκινήτων 🚗

Το ενεργειακό πρόβλημα της καύσης

Το ενεργειακό πρόβλημα οφείλεται στα τεράστια ποσά ενέργειας που χάνονται καθημερινά. Αυτό το φαινόμενο παρατηρείται έντονα όταν μία μορφή ενέργειας, για παράδειγμα η χημική, μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια, όπως συμβαίνει στην καύση. Η θερμική ενέργεια που απελευθερώνεται δεν είναι δυνατό να αξιοποιηθεί «εξ ολοκλήρου» για να παραχθεί μηχανικό έργο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι αποδόσεις να μην ξεπερνούν το 40%, ακόμα και στις πιο σύγχρονες μονάδες παραγωγής ισχύος.

Τα σημερινά αυτοκίνητα λειτουργούν με συγκεκριμένη αναλογία μίγματος αέρα και βενζίνης, με την οποία εξασφαλίζεται η μέγιστη οικονομία και η καλύτερη απόδοση της μηχανής. Ταυτόχρονα όμως παράγεται μεγάλη ποσότητα ατμοσφαιρικών ρύπων. Αυτοί οι ρύποι προκαλούν κατά κύριο λόγο το φωτοχημικό νέφος, που έχει ταλαιπωρήσει τα τελευταία χρόνια τους κατοίκους των μεγαλουπόλεων.

Η σύσταση των καυσαερίων

Τα καυσαέρια των αυτοκινήτων αποτελούνται κυρίως από άζωτο $N_2$ , διοξείδιο του άνθρακα $CO_2$ , υδρατμούς $H_2O$ , οξυγόνο $O_2$ , άκαυστους υδρογονάνθρακες και οξείδια του αζώτου $NO$ , $NO_2$ . Στα καυσαέρια περιέχονται επίσης μικρές ποσότητες διοξειδίου του θείου $SO_2$ .

Από αυτά, σχετικά αδρανή (μη τοξικά) είναι τα $N_2$ , $O_2$ , $H_2O$ και $CO_2$ , ενώ τα $NO$ , $NO_2$ , $CO$ , $SO_2$ και οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες, που προκαλούν αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον, χαρακτηρίζονται περιβαλλοντικοί ρύποι.

Ο παρακάτω πίνακας συνοψίζει τους κυριότερους ρύπους των καυσαερίων και τις επιπτώσεις τους:

Ρύπος	Προέλευση / χαρακτηριστικά	Επιπτώσεις
Διοξείδιο του άνθρακα $CO_2$	Προϊόν πλήρους καύσης των υδρογονανθράκων της βενζίνης	Προκαλεί το φαινόμενο του θερμοκηπίου και μεταβολές στο κλίμα
Μονοξείδιο του άνθρακα $CO$	Προϊόν ατελούς καύσης, άχρωμο, άοσμο, άγευστο αέριο	Δεσμεύει την αιμοσφαιρίνη του αίματος, εμποδίζοντας τη μεταφορά οξυγόνου στους ιστούς — μπορεί να προκαλέσει θάνατο
Οξείδια του αζώτου $NO$ , $NO_2$	Σχηματίζονται στις υψηλές θερμοκρασίες της καύσης	Προκαλούν το φωτοχημικό νέφος, την όξινη βροχή και το σχηματισμό όζοντος $O_3$ στα χαμηλά στρώματα της ατμόσφαιρας (τροπόσφαιρα)
Διοξείδιο του θείου $SO_2$	Προέρχεται από προσμείξεις θείου στο καύσιμο	Συμβάλλει στην ατμοσφαιρική ρύπανση
Άκαυστοι υδρογονάνθρακες $C_xH_y$	Καύσιμο που δεν κάηκε πλήρως	Περιβαλλοντικός ρύπος, συμμετέχει στο φωτοχημικό νέφος

Ο CO δεν είναι το ίδιο με το CO2

Μην συγχέεις το μονοξείδιο του άνθρακα $CO$ με το διοξείδιο του άνθρακα $CO_2$ . Το $CO_2$ θεωρείται σχετικά αδρανές και μη τοξικό, αλλά ευθύνεται για το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Το $CO$ , αντίθετα, είναι άμεσα τοξικό για τον ανθρώπινο οργανισμό, καθώς δεσμεύει την αιμοσφαιρίνη του αίματος.

Ο «σιωπηλός δολοφόνος»

Το μονοξείδιο του άνθρακα $CO$ αποκαλείται «σιωπηλός δολοφόνος», επειδή είναι άχρωμο, άοσμο και άγευστο — δεν γίνεται αντιληπτό με καμία αίσθηση, ενώ δεσμεύει την αιμοσφαιρίνη του αίματος και εμποδίζει τη μεταφορά οξυγόνου στους ιστούς, με αποτέλεσμα να μπορεί να προκαλέσει το θάνατο.

Το φαινόμενο του θερμοκηπίου

Το διοξείδιο του άνθρακα $CO_2$ προκαλεί το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Όπως ακριβώς το γυαλί ενός θερμοκηπίου επιτρέπει στις ηλιακές ακτίνες να περνούν μέσα, αλλά δεν επιτρέπει τη διαφυγή της θερμικής ακτινοβολίας προς τα έξω, έτσι και το $CO_2$ δημιουργεί ατμόσφαιρα θερμομόνωσης. Με αυτόν τον τρόπο αυξάνεται η μέση θερμοκρασία της Γης και προκαλούνται μεταβολές στο κλίμα.

Οι καταλυτικοί μετατροπείς

Οι καταλυτικοί μετατροπείς (ή καταλύτες) των αυτοκινήτων περιέχουν ευγενή μέταλλα (π.χ. $Pt$ και $Rh$ ), σε μορφή μικρών κόκκων, τα οποία επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις για τη μετατροπή των επικίνδυνων ρύπων σε αβλαβή για την ατμόσφαιρα καυσαέρια.

Οι καταλύτες είναι ουσίες που επιταχύνουν μία χημική αντίδραση, χωρίς οι ίδιοι να παθαίνουν καμία αλλοίωση. Οι στερεοί καταλύτες, για να είναι αποτελεσματικοί, πρέπει να έχουν όσο το δυνατόν λεπτότερη μορφή κόκκων, ώστε να παρουσιάζουν μέγιστη επιφάνεια επαφής με τα καυσαέρια.

Το τελικό αποτέλεσμα της δράσης των καταλυτών είναι οι εξής μετατροπές:

$NO_x \rightarrow N_2$
$CO \rightarrow CO_2$
$C_xH_y \rightarrow H_2O$

Οι χημικές αντιδράσεις στον καταλύτη

Το μονοξείδιο του άνθρακα και τα υπολείμματα από άκαυστους υδρογονάνθρακες καίονται προς διοξείδιο του άνθρακα (π.χ. με τη βοήθεια του $Pt$ ή του $Pd$ ), σύμφωνα με τις παρακάτω χημικές εξισώσεις:

C_xH_y(g) + \frac{4x+y}{4}O_2(g) \rightarrow xCO_2(g) + \frac{y}{2}H_2O(g)

2CO(g) + O_2(g) \rightarrow 2CO_2(g)

Τα οξείδια του αζώτου $NO$ , $NO_2$ ανάγονται (π.χ. με τη βοήθεια του $Rh$ ), διασπώμενα προς άζωτο και οξυγόνο, σύμφωνα με την αντίδραση:

2NO(g) \rightarrow N_2(g) + O_2(g)

Δύο αντίθετες αντιδράσεις, ένας καταλύτης

Μέσα στον ίδιο καταλυτικό μετατροπέα συμβαίνουν ταυτόχρονα δύο αντίθετου τύπου αντιδράσεις: το $CO$ και οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες οξειδώνονται (καίγονται), ενώ τα οξείδια του αζώτου ανάγονται (αποδομούνται προς $N_2$ και $O_2$ ). Γι' αυτό χρησιμοποιούνται διαφορετικά ευγενή μέταλλα, όπως το $Pt$ ή το $Pd$ για την οξείδωση και το $Rh$ για την αναγωγή.

Η ανάγκη χρήσης αμόλυβδης βενζίνης

Η χρήση της αμόλυβδης βενζίνης σε αυτοκίνητα με καταλύτες επιβάλλεται για δύο σοβαρούς λόγους:

Ο μόλυβδος σχηματίζει κράματα με τα ευγενή μέταλλα (π.χ. $Pt$ και $Pd$ ). Έτσι ο καταλύτης δηλητηριάζεται, δηλαδή απενεργοποιείται.
Ο μόλυβδος φράζει τους διαύλους του κεραμικού υποστρώματος πάνω στο οποίο βρίσκεται ο καταλύτης (τα ευγενή μέταλλα). Έτσι, τα μόρια των καυσαερίων δεν βρίσκουν το δρόμο τους προς τον καταλύτη.

Η μολυβδούχος βενζίνη καταστρέφει μόνιμα τον καταλύτη

Σε αυτοκίνητο με καταλυτικό μετατροπέα δεν πρέπει ποτέ να χρησιμοποιείται μολυβδούχος βενζίνη. Ο μόλυβδος δηλητηριάζει τα ευγενή μέταλλα του καταλύτη και φράζει το κεραμικό υπόστρωμά του, καθιστώντας τον καταλύτη μόνιμα ανενεργό — τα καυσαέρια δεν μπορούν πλέον να μετατραπούν σε αβλαβείς ενώσεις.