Катализатор представляет собой материал, ускоряющий химический процесс и не изменяющийся в процессе реакции. Он обеспечивает повышение скорости реакции окисления и снижение рабочей ее температуры. Для нейтрализации оксида азота NO используют реакции его восстановления до молекулярного азота (N2) и аммиака NH3. В качестве восстановительной среды используют находящиеся в ОГ компоненты СО, СmНn и Н2.
При работе ДВС на стехиометрической рабочей смеси основным продуктом восстановления NO является N2, а при работе на богатых смесях больше NH3. Чтобы после восстановления NO образовывалось больше N2 и меньше NH3 катализатор должен содержать родий (Rh). Соотношение в катализаторах количества Pt и Rh близко к 5, а в ряде случаев достигает 12.
При восстановлении NOх возможны следующие реакции
+ CO → 1/2N + СО2 (4.7)
NО + 5CO + H2O → NH3 +5 СО2 (4.8) + Н2 → 1/2 N2 + Н2О (4.9)
NO + 5 H2 → 1/2N2 + 2 Н2О (4.10)
NO + CH → 2N2 + Н2О + CO + NH3 (4.11)
Для нейтрализации окислов азота в газах бензиновых двигателей нейтрализатор имеет специальную ступень для поглощения кислорода из газовой смеси. Для этой цели обычно используют каталитическую реакцию между содержащимся в ОГ кислородом и окисью углерода. Восстановление NO окисью углерода может быть представлена следующей зависимостью
NO + 2CO → N2 + 2 СО2 (4.12 )
Между компонентами ОГ и кислородом может протекать ряд побочных реакций
СО + Н2О ↔ СО2 + Н2 (4.13)
/2Н2 + NO ↔ NH3 + Н2О (4.14)Н3 + 5/4 O2 ↔ NO + 3/2 Н2О (4.15)
Н2 + NO ↔ H2O + 1/2 N2 (4.16)
Н2 + 1/ 2 O2 ↔ H2O (4.17)
Уменьшения количества NOх обеспечивает реакция восстановления по уравнению
NO + 2 CO → N2 + 2СО2 (4.18)
Для обеспечения более полного процесса окисления парциальное давление СО должно быть относительно большим, что обеспечивается путем эксплуатации ДВС с a < 1,0. В ОГ автомобильного ДВС всегда имеется свободный водород, поэтому возможна следующая реакция восстановления
NО + 5 Н2 → 2 NH3 + 2 Н2О (4.19)
Количество образующегося аммиака представляет собой функцию применяемого катализатора, состава и температуры ОГ. При восстановлении NO компонентами ОГ возможны следующие реакции
NО + 5CO + H2O → NH3 +5 СО2 (4.20)
2NO + 5 H2 → 1/2N2 + 2 Н2О (4.21)+ CH → 2N2 + Н2О + CO + NH3 (4.22)
При восстановлении NO одновременно происходит более полное окисление СО и СmНn. Степень каталитического превращения различных газов в нейтрализаторе оценивают коэффициентом преобразования
Кi = (сi вх - сiвых )/ci вх х 100% (4.23)
где Кi - коэффициент преобразования i-того компонента; сi вх и сiвых - концентрация i-того компонента на входе и на выходе из нейтрализатора соответственно.
Максимальная величина преобразования Кi одновременно по трем компонентам достигается при работе ДВС при работе на обогащенной смеси вблизи ее стехиометрического состава (a=0,98-0,99), т.е. количество кислорода освобождающегося при восстановлении NOх оказывается достаточным для окисления Н2, СО и СmНn.
Для восстановления окисла азота применяют катализаторы на основе переходных металлов, в частности, меди, хрома, кобальта, никеля и их сплавов.
Эти катализаторы менее долговечны по сравнению с Pt и Pd Эффективность катализатора заметно ниже при высоких объёмных скоростях химических реакций. Эффективная нейтрализация продуктов неполного сгорания
достигается на таких катализаторах при более высокой температуре по сравнению с платиновыми. Реакции на окисных катализаторах могут быть представлены соотношением.
(CO)/dt = - k1(CO) (4.24)
На платиновых катализаторах при малых степенях превращения СО реакция протекает по уравнению
(CO)/dt= - k2 (О2/СО)3/4 (4.25)
При высших степенях превращения (80%) реакция протекает по уравнению
(CO)/dt = k (0,5)1/2 (4.26)
Константы k1, k2 и k3 определяется в первую очередь природой катализатора и концентрирует СmНn в ОГ.
Скорость окисления СmНn в общем случае описывается уравнением:
(CmHn)/dt = - k4(CnHm)(О2)№/І (4.27)
Другие статьи
Киотский протокол - как механизм регулирования глобальных экологических проблем на международном уровне
Сегодня
подавляющее большинство ученых пришло к мнению, что нынешнее беспрецедентно
быстрое изменение климата – это антропогенный эффект, вызванный, прежде всего,
сжиганием ископаемог ...
Лазерная автодинная интерферометрия динамических параметров биообъектов
Daphnia magna Strauss
Для оценки степени
загрязнения окружающей среды широкое применение могут найти методы, основанные
на оценке физиологических параметров биологических тест-объектов. В качестве
тест-объектов для ...
Нетрадиционные источники энергии и окружающая среда
Использование любых
видов энергии и производство электроэнергии сопровождается образованием больших
количеств загрязнителей воды и воздуха. Перечень таких загрязнителей
удивительно дли ...