Convertidor catalítico

El convertidor catalítico o catalizador convertidor es un elemento de toda la sistema de escape de motores de combustión interna que tiene como objetivo reducir la nocividad de los gases de escape.

Constitución

Por el final de la XIX XX  siglo, cuando sólo unos pocos miles de coches a "aceite" son excepcionales, se han diseñado en Francia de los primeros prototipos de convertidores catalíticos de automóviles, que consta de un material inerte "contacto" platino impregnado de iridio y paladio , encerrado en un cilindro metálico con una doble pared aislante por la que pasan los gases de escape.

Las versiones modernas constan de una cámara de acero inoxidable a la que se conducen los gases de escape, que pasan a través de los conductos de una estructura alveolar generalmente de cerámica . El interior de los conductos está cubierto por una fina capa de cristales que combinan alúmina , óxido de cerio y al menos tres "  metales preciosos  ", a saber, los metales raros del grupo platinoide  : además del platino , paladio y rodio que también contienen hasta a 228  ppt de osmio . La estructura interna del silenciador está diseñada para proporcionar una gran superficie de contacto entre los elementos del catalizador y los gases de escape. A mediados de la década de 1990, un convertidor catalítico contenía de 3 a 7  g de platino y de 0,5 a 1,5  g de rodio.

Operación

Los elementos catalizadores desencadenan o acentúan reacciones químicas que tienden a transformar los componentes más tóxicos de los gases de escape ( monóxido de carbono , hidrocarburos no quemados , óxidos de nitrógeno ) en elementos menos tóxicos (agua, dióxido de carbono y nitrógeno ).

Hay dos tipos principales de convertidores catalíticos, cada uno adaptado a la naturaleza del combustible utilizado.

  1. el llamado catalizador de tres vías para motores de gasolina;
  2. el denominado catalizador bidireccional , asociado o no a un filtro de partículas para motores diésel .

Catalizador de tres vías

Provoca tres reacciones simultáneas:

  1. Una reducción de óxidos de nitrógeno a nitrógeno y dióxido de carbono: 2NO + 2CO → N 2 + 2CO 2
  2. Oxidación de monóxidos de carbono a dióxido de carbono: 2CO + O 2→ 2CO 2
  3. Oxidación de hidrocarburos no quemados (HC) a dióxido de carbono y agua: 4C x H y + (4x + y) O 2→ 4xCO 2+ 2yH 2 O

El convertidor solo es efectivo a partir de unos 400  ° C , lo que explica por qué no es muy eficiente en viajes cortos (especialmente en ciudad), que no dan tiempo al convertidor catalítico para calentarse lo suficiente.

Las reacciones de oxidación (que requieren una fuerte presencia de oxígeno) y reducción (que requieren una débil presencia de oxígeno) son contradictorias. Solo ocurren simultáneamente si la cantidad de aire durante la combustión es óptima. Esto está asegurado por la sonda lambda que informa al ordenador de gestión del motor sobre la cantidad de combustible a inyectar.

Una reacción secundaria de este tipo de catalizador a altas temperaturas:

2NO + CO → N 2 O + CO 2Sonda lambda Los modelos recientes están equipados con un sensor de oxígeno doble (llamado "lambda") conectado a una computadora electrónica que controla la cantidad de combustible que se inyecta en el motor (la relación ideal aire / combustible es 14,7 ⁄ 1 ). Si la proporción de combustible aumenta, también aumentan las emisiones de monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos (HC), si disminuye (mezcla pobre), es la tasa de óxidos de nitrógeno (NO x ) la que aumenta y consecuentemente la probabilidad de ozono. producción y posiblemente PAN (nitrato de peroxiacetilo, otro tipo de oxidante producido por la circulación); Compuestos tampón Se trata de compuestos ( rodio , pero sobre todo óxido de cerio ) que se añaden a la alúmina del soporte para limitar el impacto de variaciones en la composición de los gases almacenando un poco de oxígeno cuando está en exceso para rechazarlo cuando falta.

Catalizador bidireccional (motor diesel)

Los catalizadores automotrices vendidos en los años 1990-2000 tenían como objetivo convertir el monóxido de carbono (CO) y los hidrocarburos no quemados (HC) en dióxido de carbono (CO 2) y agua (H 2 O), al tiempo que reduce la masa de partículas del combustible diesel .

Mejoras y tendencias (según AECC )

Para cumplir con las normas, algunos fabricantes devuelven los gases de escape refrigerados al motor o, mejor (desde el punto de vista de la eficiencia), inyectan un 32,5% de urea y agua químicamente pura (lo que requiere tanques adicionales).

Garantías y recomendaciones vigentes Los fabricantes garantizan una vida útil de 150.000  km en las siguientes condiciones: Futuro Los fabricantes todavía necesitan mejorar varios puntos:

Impactos ambientales, positivos y negativos

Ante el creciente número de vehículos de motor y para limitar la contaminación del aire, desde finales de la década de 1990, muchos países han hecho obligatorio un elemento catalítico para los motores de gasolina y / o diésel . Sin embargo, los vehículos son siempre más numerosos, recorren distancias cada vez mayores y ciertos contaminantes no son tratados por los catalizadores.
Finalmente, parece que algunos catalizadores envejecen mal y pueden perder parte de su contenido en el medio ambiente. Además del hecho de que estos metales son preciosos, pueden contaminar. Los convertidores catalíticos también crean una caída de presión en el escape y degradan la eficiencia del motor, aumentando así su consumo.

Impactos positivos

Las macetas catalizadas tienen emisiones reducidas de 3 contaminantes: monóxido de carbono (CO, tóxico), óxidos de nitrógeno (precursores del ozono) así como hidrocarburos no quemados (contaminantes y, a veces, mutágenos y carcinógenos) e indirectamente de plomo (al favorecer los combustibles sin plomo).

Limitaciones del sistema

La catálisis no resuelve todos los problemas de contaminación de los gases de escape y crea otros nuevos:

¿Riesgo para la salud?

Sin negar las ventajas de los convertidores catalíticos, faltan datos toxicológicos y ecotoxicológicos sobre los impactos de los metales perdidos por estos convertidores en el medio ambiente, y en particular sobre los efectos sobre la salud y ecológicos de los derivados (óxidos en particular) y metabolitos de estos metales. Los metales del grupo del platino , cuando están presentes en las partículas en suspensión , de hecho no son químicamente neutros (por eso son buenos catalizadores), y en particular en el estado de partículas ultrafinas (menos de 1 µm) o nanopartículas. cuando su efecto catalítico está dopado por una superficie de contacto muy aumentada para un peso igual de material. Algunos de estos metales se utilizan por estas razones como medicamentos contra el cáncer (por ejemplo, para una forma oxidada del platino), pero no sin efectos secundarios , ya que es la molécula que causa la caída del cabello en algunas quimioterapias y es potencialmente cancerígena en dosis más altas.

Estudio de aleman

Una muestra de aire recogida en Alemania a 150  m de una carretera fue objeto de un estudio destinado a determinar con precisión el tamaño y la naturaleza de las partículas presentes en el aire:

Además, según este estudio, una cuarta parte de las partículas compuestas por metales del grupo del platino se emiten con un tamaño tan fino que es probable que se comporten como partículas en suspensión en lugar de caer rápidamente al suelo. Sin embargo, se trata de metales con alto poder catalítico que podrían contribuir a la contaminación fotoquímica y cuyos impactos sobre los organismos vivos tras la inhalación o biointegración por plantas, hongos o bacterias no son bien conocidos, en particular en forma de micropartículas. Los materiales utilizados para este estudio no permitieron medir el porcentaje de nanopartículas posiblemente presentes en esta muestra. No obstante, este estudio confirma que al menos una cuarta parte de estos metales, cuando se pierden por los tubos de escape, pueden fácilmente lavarse y volver a depositarse lejos de sus fuentes de emisiones, arrastrados por los vientos y las corrientes de aire débiles ( por ejemplo: frecuentes ascensos térmicos sobre carreteras pavimentadas de color negro). ). Como estos productos no son biodegradables , es probable que se bioacumulen y / o se acumulen en el suelo cerca de las carreteras , en los aparcamientos subterráneos y cerca de las salidas de aire.

El hecho de que los convertidores catalíticos pierdan osmio en forma de vapor (la forma oxidada más tóxica de osmio) también es motivo de preocupación. El kerógeno es una fuente naturalmente rica de osmio radiogénico que puede sugerir que el osmio puede bioacumularse, pero su ciclo "natural" todavía está poco estudiado.

Conclusión provisional; alternativas y perspectivas

Los estudios citados anteriormente confirman que la contaminación del automóvil se propaga muy rápidamente a todo el planeta, porque los convertidores catalíticos son recientes y solo se han desarrollado hasta ahora en los países ricos.
Si los estudios demuestran los impactos negativos de estas emisiones en la salud y el medio ambiente, nos enfrentaremos a nuevas opciones y desafíos:

- catalizador + filtro mejorado, - nuevo combustible (por ejemplo , hidrógeno , que ya es una prioridad en Islandia y los Estados Unidos que quieren generalizarlo en 50 a 60 años), - limitación del transporte o desarrollo del transporte público .

Se estudian algunas alternativas , como el diésel; el Daihatsu Diesel japonés y la Universidad de Osaka prueban en 2007 un tratamiento de gases de escape, sin catalizador, destruyendo del 80 al 90% de los óxidos de nitrógeno (NOx) y partículas (PM) por un plasma, que produce CO, transformado en CO 2eliminado por una solución de sulfito , a un costo anunciado mucho más bajo que las soluciones catalíticas.

Los catalizadores que son más accesibles y menos costoso que el platino (que en 2010 costo $ 1.580  por onza o 31 gramos, después de llegar a $ 2.000  en 2008), son buscados por los químicos:

Notas sobre el conocimiento

Científicos independientes y autoridades locales luchan por trabajar sobre el impacto de los combustibles cuyas fórmulas varían según el origen, los productores, pero también según la temporada y la duración del almacenamiento. Estos datos químicos sensibles a la industria, así como las cantidades consumidas en las distintas regiones de distribución, son considerados información confidencial por los fabricantes.

También surgen dudas sobre las instalaciones catalíticas que equipan instalaciones industriales, incineradoras, etc., especialmente cuando se colocan aguas abajo de un filtro, o no van seguidas de muy buenos filtros capaces de recuperar los metales catalíticos arrancados de la superficie interna de los equipos.

Los convertidores catalíticos no son obligatorios para los automóviles de gasolina (menos de dos litros de cilindrada) puestos en servicio antes de la 1 st de enero de 1.994, por lo tanto puede ser reemplazado por un simple tubo u otro, esto no modifica la validación del control técnico para los autos de gasolina puestos en circulación antes de la1 st de enero de 1.994 si el motor está correctamente ajustado, en cambio es obligatorio a partir de dos litros de cilindrada a partir de 1990.

Notas y referencias

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Principales fuentes de aspectos de impacto ambiental:

Ver también

Artículos relacionados

enlaces externos