Was ist ein Katalysator?

Schadgase bestehen aus schädlichen Molekülen, aber diese Molekülewerden aus relativ harmlosen Atomen hergestellt. Wenn wir also einen Weg finden könnten, die Moleküle aufzuteilen, nachdem sie den Motor eines Autos verlassen und bevor sie in die Luft gepumpt werden, könnten wir das Problem der Verschmutzung lösen—oder zumindest einen Teil davon. Das ist die Aufgabe eines Katalysators.

Foto: Ein experimenteller neuer katalytischer Konverterist unter einem Auto getestet., Bild mit freundlicher Genehmigung von Southwest Research Institute und dem Department of Energy/National Renewable Energy Laboratory (DoE/NREL).

Diese Gadgets sind viel einfacher als sie klingen. Ein Katalysator ist einfach eine Chemikalie, die eine chemische Reaktion beschleunigt, ohne sich dabei zu verändern. Es ist ein bisschen wie ein Leichtathletiktrainer, der auf der Seite der Strecke steht und die Läufer auffordert, schneller zu gehen. Der Trainer rennt nirgendwo hin; er steht einfach da, winkt mit den Armen herum und lässt die Läufer beschleunigen. In einem Katalysator ist die Aufgabe des Katalysators, die Beseitigung der Verschmutzung zu beschleunigen.,Der Katalysator besteht aus Platin oder ähnlichen, platinähnlichen Metallen wie Palladium oder Rhodium.

Ein Katalysator ist eine große Metallbox, die an der Unterseite Ihres Autos verschraubt ist und aus der zwei Rohre austreten. Einer von ihnen (der „Eingang“ des Konverters) ist mit dem Motor verbunden und bringt heiße, verschmutzte Dämpfe aus den Zylindern des Motors (wo der Kraftstoff brennt und Leistung erzeugt). Das zweite Rohr (der „Ausgang“ des Konverters) ist mit dem Endrohr (Auspuff) verbunden., Wenn die Gase aus den Motordämpfen über den Katalysator blasen, finden chemische Reaktionen auf seiner Oberfläche statt, wobei die Schadgase zerbrochen und in andere Gase umgewandelt werden, die sicher genug sind, um harmlos in die Luft zu blasen.

Eine sehr wichtige Sache bei Katalysatoren ist, dass Sie Sie benötigenVerwenden Sie bleifreien Kraftstoff, da das Blei in herkömmlichen Brennstoffen den Katalysator“vergiftet“ und verhindert, dass er die Schadstoffe in Abgasen aufnimmt.

Was passiert im Konverter?,

Foto: Ingenieure versuchen ständig, die Leistung von Katalysatoren zu verbessern, indem sie beispielsweise Katalysatoren entwickeln, die bei niedrigeren Temperaturen effektiver arbeiten. Dies ist ein Beispiel für einen Niedertemperatur-Oxidationskatalysator aus Zinnoxid und Platin. Foto von CPL Bryant V mit freundlicher Genehmigung von NASA Langley Research Center (NASA-LaRC).

Im Inneren des Wandlers strömen die Gase durch eine dichte Wabenstruktur aus Keramik und werden mit den Katalysatoren beschichtet., Die Wabenstruktur bedeutet, dass die Gase abigger Bereich des Katalysators auf einmal berühren, so dass sie schneller und effizienter umgewandelt werden.

Typischerweise gibt es zwei verschiedene Katalysatoren in acatalytic converter:

  • Einer von ihnen bekämpft Stickoxidverschmutzung mit einem chemischen Prozess namens Reduktion (Entfernung von Sauerstoff). Dies zerlegt Stickoxide in Stickstoff Undsauerstoffgase (die harmlos sind, weil sie bereits in der Luft um uns herum existieren).
  • Der andere Katalysator arbeitet durch einen entgegengesetzten chemischen Prozess namens Oxidation (Additionoxygen) und verwandelt Kohlenmonoxid in Kohlendioxid., Eine weitere Oxidationsreaktion verwandelt unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Abgas in Kohlendioxid und Wasser.

Tatsächlich laufen drei verschiedene chemische Reaktionen gleichzeitig ab. Deshalb sprechen wir über Dreiwegekatalysatoren. (Einige, weniger effektive Wandler führen durchnur die zweiten zwei (Oxidations -) Reaktionen, so dass sie als Zweiwegkatalysatoren bezeichnet werden.)Nachdem der Katalysator seine Arbeit getan hat, was aus dem Auspuff austritt, istmeist Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasser (in Form vonsteam).

Wie effektiv sind Katalysatoren?,

Tabelle: Wirksamkeit von Katalysatoren. Katzen machen einen großen Unterschied zu Emissionen, mit Drei-Wege-Wandlern, die einen erheblichen zusätzlichen Vorteil gegenüber Zwei-Wege-Wandlern bieten. Die Zahlen zeigen Schadstoffe in Gramm pro Kilometer bei 80.000 Kilometern. Chart gezeichnet wird, indem Sie Erklären, dass Stuff.com mithilfe der Daten, die für Licht-duty Benzin betankte Fahrzeuge aus US-amerikanischen Umweltbehörde EPA (1990), zitiert in Tabelle 3.2 (Seite 75) der Luftverschmutzung durch Kraftfahrzeuge: Standards und Technologien, die für die Kontrolle der Emissionen, Faiz et al, World Bank, 1996.,

Katalysatoren wurden hauptsächlich entwickelt, um die unmittelbare lokale Luftverschmutzung—schmutzige Luft, in der Sie fahren—zu reduzieren, und diese Tabelle scheint auf jeden Fall darauf hinzudeuten, dass sie effektiv sind. Trotzdem fragen sich die Leute manchmal, ob sie wirklich so grün sind, wie sie scheinen. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass sie Emissionen reduzieren, anstatt sie vollständig zu eliminieren.

Ein Problem ist, dass sie nur bei hohen Temperaturen (über 300°C/600°F oder so) wirklich funktionieren,wenn der Motor warm geworden ist., Frühe Arten von Katalysatoren brauchten normalerweise etwa 10-15 Minuten, um sich aufzuwärmen, so dass sie für die ersten Kilometer/Meilen einer Reise (oder eines Teils einer sehr kurzen Reise) völlig unwirksam waren.Moderne Konverter erwärmen sich in nur 2-3 Minuten, trotzdem können während dieser Zeit erhebliche Emissionen auftreten.

Diagramm: Katalysatoren werden nur bei hohen Betriebstemperaturen effizient. Dieses Diagramm zeigt die Effizienz eines typischen Geräts bei der Umwandlung von Kohlenmonoxid bei verschiedenen Temperaturen., Stickoxide werden mit etwas höherer Effizienz und Kohlenwasserstoffe mit etwas geringerer Effizienz umgewandelt. Bei hohen Temperaturen wird Kohlenmonoxid mit dem geringsten Wirkungsgrad der drei umgewandelt.

Ein weiteres Problem ist, ob sie die Treibhausgasemissionen erhöhen. Wir betrachten Kohlendioxid als sicheres Gas, weil es in alltäglichen Konzentrationen nicht giftig ist. Trotzdem ist es nicht ganz harmlos, weil wir jetzt wissen, dass es die Hauptursache für die globale Erwärmung und den Klimawandel ist., Einige Leute glauben, dass Katalysatoren den Klimawandel verschlimmern, weil sie Kohlenmonoxid in Kohlendioxid umwandeln. Tatsächlich würde das Kohlenmonoxid, das Ihr Auto produziert, in der Atmosphäre von selbst zu Kohlendioxid werden, so dass ein Katalysator in dieser Hinsicht keinen Unterschied macht: Es reduziert einfach das Kohlenmonoxid, das ein Auto während der Fahrt auf die Straße pumpt, und verbessert die lokale Luftqualität.

Aber wenn es um den Klimawandel geht, haben Autoingenieure und Umweltschützer schon lange auf ein weiteres ernstes Problem hingewiesen., Obwohl Katzen die meisten Stickoxide in Stickstoff und Sauerstoff umwandeln, produzieren sie dabei auch geringe Mengen Lachgas (N2O), ein Treibhausgas, das über 300-mal stärker ist als Kohlendioxid. Das Problem ist, dass bei so vielen Fahrzeugen auf der Straße selbst geringe Mengen Lachgas zu einem großen Problem führen. Bereits im Jahr 2000 stellte das Interregierungsgremium für Klimawandel fest: „Die Einführung von Katalysatoren als Maßnahme zur Bekämpfung der Umweltverschmutzung in den meisten Industrieländern führt zu einem erheblichen Anstieg der N2O-Emissionen von Benzinfahrzeugen.,“Glücklicherweise produzieren neuere Katalysatoren dramatisch weniger Lachgas als ältere.Auch wenn Katalysatoren sicherlich dazu beigetragen haben, die kurzfristige Luftverschmutzung zu bekämpfen, gibt es doch Anzeichen dafür, dass sie, wenn es um den langfristigen Klimawandel geht, die Sache noch verschlimmern könnten.