کاتالیست های سه راه
مشکلات کیفیت هوا درکلان شهرها
در دهه های اخیر، کیفیت هوا به دلیل شهرنشینی و صنعتی شدن به طورجدی وخیم شده است. در این میان اتومبیل ها نقش به سزایی در آلودگی محیط زیست دارند. با توجه به افزايش آلودگي های شهرها به ويژه شهرهاي بزرگ، به نظر مي رسد كه براي حل اين معضل، بايد مشكلات را هر چه زودتر از ميان برداشت، اين مشكلات عبارتند از:
- مشكل عدم آگاهي كه ناشي از عدم آشنايي مردم با مبدل كاتاليست و تاثير آن بر بهبود آلودگي هواست و نيازمند كار فرهنگي در سطح جامعه است. برخي افراد از كاهش قدرت موتور به دليل عملكرد مبدل كاتاليست گله دارند كه بايد به آنها گفت، در صورتي كه موتور و سيستم ها تنظيم باشند، مبدل كاتاليست فقط مقدار كمي بر شتاب اثر مي گذارد كه اين بها را مي بايستي همگان براي بهبود و پاكيزگي هوا پرداخت كنند.
- نبود الزام استفاده از كاتاليست در خدمات پس از فروش و خودروهاي قديمي. با توجه به تعداد بسيار زياد خودروهاي قديمي اكثر آلودگي هاي شهرها ناشي از عملكرد اين نوع خودروهاست. سازمان محيطزيست بايد طرح اجباري شدن استفاده از مبدل كاتاليست را براي تمام خودروهاي قديمي اجرا كند تا هزينه هاي دولت در اجباري كردن خودروهاي توليدي جديد، هدر نرود.
- نبود افراد متخصص و عدم دقت در ايستگاه هاي تست معاينه فني. باتوجه به اينكه خودروها، مجبور به گذراندن مراحل معاينه فني سالانه شده اند، سازمان حفاظت از محيط زيست بايد نظارت خود را در اين ايستگاه ها افزايش دهد تا احيانا تخلفي (عمدي يا سهوي) صورت نپذيرد.
گاز اگزوز شامل آلودگی های مهمی ازجمله کربن مونوکسید (CO)، هیدروکربن های نسوخته(HCs) و اکسیدهای نیتروژن (NOx)هست، که به عنوان یکی از جدی ترین منابع آلودگی هوا به شمار می رود.
در جدول زیر اثر انواع آلاینده ها بر سلامتی گروه های مختلف سنی بررسی شده است.
کاربرد کاتالیست های سه راهه
وضع قوانین سختگیرانه ی نشر خروجی اگزوز وسایل احتراقی، منجر به استفاده ی وسیع از کاتالیست های سه راهه (TWC) شده است. گازهای خروجی اگزوز از یک TWC عبور می کند تا اثرات آلودگی را کاهش دهد.
کاتالیست ها مواد ویژه ای هستند که با توجه به ساختار شیمیایی- فیزیکی خود قادر می باشند که سرعت انجام یک واکنش را بالا برده و انجام واکنش را در شرایط ساده تری ازنظر دما- فشار و با راندمان بیشتر صورت دهند و گرچه در واکنش دخالت می کنند، لیکن در انتهای واکنش بازیابی می گردند به طوریکه مقدار کاتالیست در سیستم تغییر نمی کند. از بعد شیمی فیزیکی یک کاتالیست مناسب، سبب پایین آمدن انرژی فعال سازی گونه های اولیه جهت انجام واکنش شده و درنتیجه واکنش در شرایط راحت تری به انجام می رسد.
کاتالیست ها علاوه بر سرعت، برگزینش پذیری واکنش هم تأثیر می گذارند بدون آنکه در وضعیت ترمودینامیکی اثری داشته باشند.
یک روش مناسب برای کاهش گازهای آلاینده خروجی از خودروها استفاده از مبدل کاتالیستی است. این روش از سال ۱۹۷۵ برای کاهش آلایندگی خودروها به کار رفت. كاتالیست های سه راهه که به عنوان مبدلهای کاتالیستی در اگزوز اتومبیل‌ها استفاده شدهاند فلزات گرانبهای پلاتین، پالادیوم و رودیم هستند كه بر روی پایه‌ای قرار دارند. آلاینده‌های گاز اگزوز با عبور از روی این كاتالیست‌ها به مواد بی ضرر و یا كم ضرر تبدیل می شوند.
به‌علت قیمت بالا و همچنین محدودیت منابع فلزات گرانبها، تلاش برای پیدا كردن تركیب كاتالیست های متفاوتی در حال انجام می‌باشد تا استفاده از این فلزات را در مبدلهای كاتالیستی به حداقل رسانده یا جایگزین آنها شود. مبدل کاتالیستی در سیستم انواع خودروها قرار گرفته تا آلاینده های خروجی از اگزوز را به گازهای بی خطر تبدیل نماید. بدین صورت که آلاینده‌های مونواکسیدکربن و هیدروکربنهای نسوخته به دی اکسیدکربن و آب، اکسید و اکسیدهای ازت را به نیتروژن احیاء مینماید
. تمایل به استفاده از مبدلهای کاتالیستی به بیش از ۵۰ سال قبل برمی گردد. به مرور کاتالیست‌های مختلفی نظیر کاتالیست های پایه گلوله‌ای یا دانه تسبیحی و پایه لانه زنبوری دو‌بستره ساخته شدند تا اینکه كاتالیست های پایه لانه‌زنبوری سه‌راهه تهیه شد. امروزه این کاتالیست ها کاربردهای فراوانی در جوامع صنعتی و نیمه‌صنعتی دارد.
در حال حاضر شرکت‌های سازنده‌ی متعددی این مبدلها را تولید و میلیون‌ها خودرو در سراسر جهان مجهز به آنها میباشند.
با توجه به مشکلات سیستم مبدلهای دو‌راهه، مبدلهای سه‌راهه توسعه یافته‌اند. امروزه در اکثر اتومبیل‌ها از این مبدلها به‌منظور کاهش آلودگی خروجی از اگزوز استفاده میشود. اصطلاح مبدلهای سه‌راهه به این منظور به‌کار میرود که این مبدلها قادر به انجام اکسیداسیون UHCs و CO و احیای NOx به‌طور همزمان میباشند. دما و ترکیب گاز ورودی از کمیتهای مؤثر در عملکرد مبدلهای کاتالیستی میباشند.
دمای گازهای خروجی از موتور بنزینی حدود ۴۰۰-۳۰۰ درجه سانتی گراد است. این دما ممکن است در حالت عمل با بار کامل به ۶۰۰ درجه سانتی گراد هم برسد. شاخص درجه حرارت برای مبدل در شرایط خوب بازهی ۶۰۰-۵۰۰ درجه سانتی گراد است. بر این اساس مبدلها باید طوری ساخته شوند تا بتوانند بازهی ۸۰۰-۴۰۰ درجه سانتی گراد را تحمل کنند. در درجه حرارت پایین‌تر از ۳۰۰ درجه سانتی گراد، مبدلها قابلیت خود را از دست میدهند.
تحقیقات نشان داده که بیش از ۸۰% آلاینده‌های خروجی از اگزوز خودروها، طی استارت سرد، حدود ۳۰ تا ۶۰ ثانیه بعد از استارت زدن، خارج میشوند. راه‌های مختلفی برای حل مساله‌ی استارت سرد ارائه شده است. از میان آنها میتوان به استفاده از کاتالیزور Closed–Coupled، کاهش اندازه‌ی مقاومت دیواره‌ها در پایههای سرامیکی و فلزی و گرم کردن الکتریکی مبدل اشاره نمود.
به‌منظور بهبود و افزایش عملکرد کاتالیزور، در ساختار مبدلهای کاتالیزوری برای پایدار نمودن پایه و جلوگیری از همجوشی فلزات گرانبها از ترکیبات دیگری نظیر زیرکونیم، باریم، نیکل، آهن، سریم، لانتانیم و سیلیس استفاده میشود.
شرکت تولید کننده اگزوز پیا صنعت به عنوان مجهز ترین اگزوز ساز در خاورمیانه شناخته می شود. این شرکت از تولید کنندگان برجسته قطعه سازی ایران بوده و محصولاتی از قبیل اگزوز پراید ، اگزوز سمند، اگزوز 206 و اگزوز 405 برای خودرو های تولید داخل و تولید کننده اگزوز خودرو های خارجی با کیفیتی ویژه و استثنایی از قبیل اگزوز ریو ، اگزوز دوو و اگزوز هیوندایی می باشد.
