کاتالیزورها یا کاتالیست ها، یکی از عناصر کلیدی در علم شیمی هستند که به ما کمک می‌کنند فرآیندهای شیمیایی را بهبود ببخشند و سرعت دهند. این عناصر باعث کاهش انرژی فعالهای فرآیندهای شیمیایی میشوند و امکان انجام تبدیل‌های شیمیایی پیچیده را فراهم می‌کنند.
بدون کاتالیزورها، بسیاری از فرآیندهای شیمیایی با انرژی بالا و در شرایط زمانی طولانی انجام میشوند. اما کاتالیزورها، این فرآیندها به سرعت و با مصرف انرژی کمتری انجام میشوند. این موضوع اهمیت بسیاری در زمینه‌های مختلفی از علم شیمی از جمله صنعت، پزشکی و محیط زیست دارد.
در واقع ماهیت کاتالیزور ها این است که فرآیند افزایش سرعت یک واکنش شیمیایی را که ممکن است به طور عادی سال ها به طول بینجامد را در عرض چند ثانیه بر عهده بگیرند.
کاتالیزورها در واکنش مصرف نمی شوند و پس از آن بدون تغییر باقی می مانند. یعنی این ترکیبات در یک مرحله از واکنش مصرف شده و در مرحله بعدی مجددا تولید می شود. این مسئله ممکن است در طول یک واکنش بارها و بارها رخ دهد و دما در این فرایند نقش مهمی دارد.
ایا کاتالیزور ها تنها در خودرو سازی استفاده میشوند؟
قابل ذکر است کاتالیست‌ها در تمام صنایع از داروسازی گرفته تا صنایع خودرو سازی کاربرد دارند. مبدل کاتالیزوری توسط یوجین هودری، مهندس مکانیک فرانسوی و متخصص در پالایش نفت کاتالیزوری که در حدود سال1950در ایالات متحده زندگی می کرد اختراع و 4 سال بعد در 6 آوریل 1954 تأیید شد.
هودری قبلاً فرآیند صنعتی کراکینگ کاتالیزوری (فرآیند تجزیه مواد شیمیایی آلی پیچیده و مولکولی بزرگ موجود در نفت خام به محصولات مفیدی را اختراع کرده بود. او سپس درباره چگونگی تولید سوخت خودروهای مختلف و تمیزتر ساختن آنها تحقیق کرد.
هنگامی که نتایج مطالعات اولیه آلودگی در لس آنجلس منتشر شد، هودری در مورد نقش دودآلودگی محیط زیست نگران شد. اگزوز خودرو را در لیست آلودگی هوا قرار داد و شرکتی به نام Oxy-Catalystتاسیس کرد.
سپس مبدل های کاتالیزوری را برای بالابرهای چنگال انبار که از بنزین بدون سرب درجه پایین استفاده می کردند، توسعه داد اولین معرفی مبدل های کاتالیزوری در بازار خودرو توسط ایالات متحده که در پی مقررات سختگیرانه آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده در مورد انتشار گاز های گلخانه ای بود ،و باعث شد از سال 1975 تمامی خودرو های تولید شده به مبدل های کاتالیزوری مجهز شوند.
مبدل‌های کاتالیستی از ایده تا تولید
یوجین هودری اگرچه از مشکل آلودگی هوا آگاه بود، ایده‌های او بسیار جلوتر از زمان خود بود. خوشبختانه در دهه 1970 مردم متوجه خطرات سرب شدند که فلزی سنگین و سمی است. در سال 1973، آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده (EPA)گزارشی منتشرکرد که نشان می داد چگونه سرب سلامت عمومی را به خطر میاندازد. پس از انتشار این گزارش، روند حذف تدریجی سرب از بنزین آغاز شد.
اولین مبدل کاتالیزوری در اواسط دهه 1970 معرفی شد و از آن تاریخ درموتورهای خودرو استفاده شده است.
پذیرش گسترده مبدل‌های کاتالیستی تا زمانی که قوانین باعث حذف تترا اتیل سرب، از بیشتربنزین‌ها شد، اتفاق نیفتاد. زیرا سرب یک «سم کاتالیزور» بود و با ایجاد پوششی روی مبدل را غیرفعال می‌کرد. قابل توجه است که سطح کاتالیزور، به طور موثر آن را غیرفعال می کند.
دکتر ویلیام سی فافرل در اوایل دهه 1970 یک محفظه احتراق کاتالیزوری برای توربین های گازی ایجاد کرد که امکان احتراق بدون تشکیل قابل توجه اکسیدهای نیتروژن و مونوکسید کربن را فراهم می کرد.
این مبدل‌ها علاوه بر حذف آلاینده‌های بیشتری نسبت به مبدل‌های اصلی، شروع به تمیز کردن گازهای خروجی بسیار سریع‌ترکردند، بنابراین برای سفرهای کوتاه کارآمدتر بودند.
مبدل های کاتالیستی توسط یک سری از مهندسان از جمله جان جی مونی و کارل دی کیث در شرکت انگلهارد توسعه یافتند و اولین مبدل کاتالیزوری تولیدی را در سال 1973 ایجاد کردند.
کاتالیست‌های اولیه
اولین دستگاه‌های کاتالیستی دارای اکسیداسیون نسبتاً ساده بودندو به وسیله پلاتین عایق می‌شدند. در یک قوطی فلزی جوش داده شده و سپس در اگزوز تعبیه می‌شدند. نقش آنها اکسید کردن هیدروکربن های نسوخته و مونوکسید کربن با استفاده از هوای اضافی تزریق شده به گاز خروجی بود.
طراحی اصلی کاتالیست
این مبدل از چندین لوله فلزی متحدالمرکز تشکیل شده است که گازهای خروجی از آنها عبور می کنند. هوای تازه از طریق دریچه هابا استفاده از ونتوری به داخل کشیده می شود.
هودری توضیح می‌دهد که «کاتالیزورهای فلزی گسسته ترجیحاً پلاتین هستند»، همانطور که در مبدل‌های امروزی می‌بینیم.
پلاتین بسیار با ارزش و گران قیمت برای کاتالیزورها پس از آزمایش های زیاد با جایگزین های ارزان تر انتخاب شد. پلاتین در گازهای خروجی پایدارتر بود و کمتر مستعد مسمومیت با ترکیبات گوگردی ناشی از گوگرد موجود در سوخت بود.امروزه می توان از فلزات مشابه دیگری نیز استفاده کرد.
کاتالیست‌های جدید، ساختار لانه زنبوری ندارند و در 16 حلقه جداگانه در فواصل منظم در امتداد لوله نصب می شوند و به صورت موازی کار می کنند.
در داخل مبدل کاتالیستی چه اتفاقی می افتد؟
مهندسان دائماً در تلاش هستند تا عملکرد کاتالیزورها را بهبود بخشند، به عنوان مثال، کاتالیزورهایی را تولید کنند که حتی دردماهای پایین نیز مؤثرباشند.
در داخل مبدل، گازها از یک ساختار لانه زنبوری سرامیکی متراکم با پوشش کاتالیزوری عبور می کنند. ساختار لانه زنبوری مبدل به مولکول‌های گاز اجازه می‌دهد در هر زمان با سطح بزرگ‌تری از کاتالیست در تماس باشند، بنابراین واکنش شیمیایی سریع تر و کارآمدتر پیش می‌رود.
طبقه بندی کاتالیست‌ها به چه شکل است؟
کاتالیست‌ها ممکن است به دو دسته همگن یا ناهمگن طبقه بندی شود. کاتالیز همگن کاتالیستی است که اجزای آن در همان فاز(معمولاً گاز یا مایع) به عنوان مولکول های واکنش دهنده پراکنده شده اند.
کاتالیز ناهمگن کاتالیزوری است که در آن اجزای واکنش در یک فاز نیستند، آنزیم ها و سایر کاتالیزورهای زیستی اغلب به عنوان دسته سوم در نظر گرفته می شوند. اصول مکانیکی مشابه معمولا برای کاتالیزورهای ناهمگن، همگن و زیستی اعمال می شود.
انواع واکنش های شیمیایی
منظور از انواع واکنش های شیمیایی هر یک ازکاتالیست هاست که بستگی به نوع موتور خودرو دارد. به عنوان مثال، در خودروهای دیزلی، واکنش های شیمیایی اکسیداسیون صورت می گیرد. پس از این واکنش های شیمیایی، مونوکسید کربن، اکسید نیتروژن و مشتقات به‌دست آمده از سوخت به دی اکسید کربن، نیتروژن و آب تبدیل می شوند.
مبدل های کاتالسیتی عمدتاً در خودروها استفاده می شوند، اما در برخی وسایل نقلیه دیگر مانند: هواپیما و لوکوموتیو نیز استفاده میگردند. در واقع مبدل های کاتالیزوری خودرو مطابق با مقررات دولتی و قوانین‌حفاظت از محیط زیست تولید می شوند و میزان آلاینده های خودرو را برآورده می کنند.
نقش خودرو و آلودگی هوا و زیست محیطی در دنیای امروزی
منابع اصلی آلودگی امروزی در سرتاسر جهان هنوز هم نیروگاه هایی است که زغال سنگ یا گاز طبیعی می سوزانند. نگرانی اصلی در حال حاضر محصولات احتراق موتورهای احتراق داخلی است که با بنزین و دیزل کار می کنند.
این آلاینده های مضر عبارتند از: مونوکسید کربن، هیدروکربن نسوخته و ذرات معلق (PM) ناشی از احتراق ناقص سوخت، همچنین اکسیدهای نیتروژن در سیلندر موتور در دما و فشار بالا و برخی از اکسیدهای گوگرد از گوگرد موجود در سوخت و روان کننده ها وجود دارد.
برخی از این مواد شیمیایی به خودی خود سمی هستند، اما در ترکیب آنها می توانند دود فتوشیمیایی نامناسب، سمی و کشنده ایجاد کنند.
دلیل استفاده از کاتالیست در خودرو
یکی از ویژگی های خودرو ها آلایندگی انهاست . که البته میزان آلایندگی هر خودرو با خودروهای دیگر متفاوت است . حال کاهش میزان آلایندگی خودرو و بهبود مصرف سوخت یکی از اهداف تمامی خودروسازان معتبر دنیا می باشد.
به طور کلی می توان گفت که همه خودروهای دنیا منبع آلودگی و افزایش انتشار گازهای گلخانه ای در محیط زیست هستند. سازمان محیط زیست هر کشور قوانین و مقرراتی صادر می کند که می تواند تا حدودی مشکلات مربوط به آلایندگی خودروها راحل کند.
در این قوانین میزان آلایندگی مجاز برای هر خودرو تعیین می شود و طبق قانون خودروهایی که این شرایط را نداشته باشند مجاز به داشتن پلاک نیستند.
مبدل های کاتالیزوری چقدر کارآمد هستند؟
مبدل های کاتالیستی با کاهش غلظت آلاینده ها تفاوت قابل توجهی در هوای محیط ایجاد می کنند، همچنین مبدل های کاتالیزوری سه گانه عملکرد بسیار بهتری نسبت به مبدل های دوگانه دارند.مبدل های کاتالیستی در ابتدا برای کاهش فوری و محلی آلودگی هوا طراحی شده بودند.با این حال، گاهی این سوال پیش می آید که آیا این دستگاه ها آنقدر که به نظر می رسد موثر هستند یا خیر؟ در پاسخ به این سوال نباید فراموش کنید که مبدل ها غلظت آلاینده ها را کاهش می دهند نه اینکه آنها را به طور کامل از بین ببرند.ولی در حال حاضر این راهکار بهترین روش برای کاهش آلاینده های موتور های بنزینی و دیزیلی در مشاغل سراسر ایران و دنیا محسوب می شود.
منبع:
