Снижение токсичности выбросов. Каталитический метод

Этот метод используется для повышения экологичности прежде всего автомобильного транспорта. К основным техническим и организационным решениям данного способа относятся:

1) повышение топливной экономичности автомобилей. Примером такого решения является уменьшение расхода бензина, а следовательно, и выбросов.

2) перевод ДВС на использование альтернативных видов топлива: природный газ, водород, этанол, метанол и т.п.

3) применение нейтрализаторов отработанных газов ДВС.

Нейтрализаторы – это специальные устройства, вводимые в конструкцию автомобиля: жидкостные, каталитические, термические и комбинированные.

4) совершенствование режима работы ДВС и технического обслуживания автомобилей, что снижает объемы выбросов вредных веществ.

Каталитические методы очистки газов основаны на взаимодействии удаляемых веществ с одним из компонентов, присутствующем в очищаемом газе, или со специально добавляемым в смесь веществом на твердых катализаторах. Загрязнители адсорбируются на его поверхности и реагируют с окислителем (кислородом или др. реагентом) со скоростями в тысячи и миллионы раз превышающими скорости реакции загрязнителя с кислородом в газовом потоке в отсутствии катализатора. Образовавшиеся на поверхности катализатора безвредные продукты окисления загрязнителя десорбируются и уносятся потоком воздуха.

На основе этого метода созданы нейтрализаторы выхлопных газов автомобильного транспорта (рис. 7). Как отмечалось выше, основными вредными веществами, выбрасываемыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС), являются оксид углерода, углеводороды и окислы азота. Для превращения СО и C_mH_n в безвредные соединения их следует окислить до СО₂ и Н₂О, а NO_X восстановить до молекулярного азота. Таким образом, для обезвреживания основных вредных веществ в выбросах отработанных газов ДВС необходимо провести две реакции - окислительную и восстановительную. Окислитель имеется. Это содержащийся в воздухе кислород, окисляющий оксид углерода и углеводорода по реакциям

СО + ¹/₂О₂ = СО₂

CnHm + ⁿ/₄ О₂ = nСО₂ + ^m/₂ Н₂О

В качестве восстановителей можно использовать имеющиеся в выхлопных газах СО и Н₂:

NO + CO = ¹/₂N₂ + СО₂

NO+H₂ = ¹/₂N₂ + H₂O

В отсутствии катализаторов при температуре, характерной для выхлопа ДВС эти реакции протекают очень медленно. Для их ускорения используют платиновые и палладиевые катализаторы. Платина -универсальный катализатор, обеспечивающий резкое ускорение реакций и окисления и восстановления. Палладий, как правило, используется для ускорения только окислительных реакций. Для восстановительных -применяют рутений, оксиды меди, марганца, ванадия, хрома и др. Однако их эффективность значительно ниже по сравнению с платиной и палладием, поэтому несмотря на высокую стоимость, используют катализаторы на основе платиновых металлов. Катализатор наносят на носитель, в качестве которого используют керамические или изготовленные из тугоплавких оксидов (например, оксидов алюминия А1₂О₃) блоки или гранулы с развитой поверхностью.

Эффективность нейтрализатора зависит от температуры катализатора. Различают низко- и высокотемпературные катализаторы. Первые характеризуются высокой активностью при сравнительно низкой температуре (100 - 300˚С). К ним относятся смесь оксидов марганца, меди, хрома и др. Высокотемпературные катализаторы (платина, палладий) эффективны при температурах выше 300˚С. В последнее время созданы системы нейтрализации с гранулированными палладиевым катализатором для всех грузовых, легковых автомобилей и автобусов.

Каталитические нейтрализаторы снижают мощность ДВС, имеют относительно большую стоимость, недостаточную долговечность (до 80000 км пробега) и недостаточно надежны в эксплуатации. В нейтрализаторах дизелей, работающих на сернистых топливах, происходит "отравление" катализатора диоксидом серы - образование сульфата алюминия при реакции м/у SO₂ и материалом носителя А1₂О₃ — в результате снижается пористость носителя и газопроницаемость катализатора. Эффективность нейтрализаторов ухудшается также по мере оседания на их поверхности сажи. Для частичного восстановления эффективности катализаторы подвергают регенерации путем выдерживания в воздушной среде при высокой температуре или в горячей воде с последующей промывкой водой.

Для снижения токсичности выхлопных газов дизельных двигателей применяют также жидкостные нейтрализаторы, которые уменьшают содержание альдегидов и оксидов азота. Наиболее эффективны 10%-ные растворы Na₂SO₃ или NaHSO₃ с добавкой 0,5% гидрохинона от преждевременного окисления основного реагента.

Таким методом может быть достигнута полная очистка газов от альдегидов, а содержание окислов азота снижено на 70%. При этом происходит понижение температуры отработанных газов, что очень важно при работе дизелей во взрывоопасных условиях.