سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا (USEPA) آلاینده‌های گوناگونی را در سطح شهرهای کوچک صنعتی و کلانشهرهای بزرگ برشمرده و از منواکسید کربن (CO)، اکسیدهای گوگرد(Sox)، سرب (Pb)، اکسیدهای نیتروژن (NOx)، ذرات معلق(PM) و ازون(O۳) به عنوان آلاینده‌های معیار نام برده است.
طبق آمارهای ارائه شده توسط سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا در سال ۲۰۰۳، نزدیک به ۸۲% مونواکسید کربن،۵۶% اکسیدهای نیتروژن، ۴۲% منابع اکسید کننده‌های فتوشیمیایی، به طور میانگین ۴% ذرات معلق و نزدیک به ۲% آلایندگی ناشی از اکسیدهای گوگرد در هوا، متعلق به وسایل حمل و نقل نظیر خودروهای شخصی و وسایل حمل و نقل عمومی می‌باشد.
عمده آلاینده‌های انتشار یافته توسط خودروها که بیشتر به وسیله خودروهای بنزینی انتشار می‌یابد مونواکسید کربن (CO) به عنوان یک گاز سمی، بی‌بو، بیرنگ و بدون مزه می‌باشد که از فراوان‌ترین آلاینده‌های معیار محسوب می‌شود و می‌تواند از راه تنفس وارد بدن شده و بر روی هموگلوبین خون تاثیر بگذارد.
این گاز به دلیل میل شدید به واکنش با هموگلوبین خون به نسبت اکسیژن، جایگزین اکسیژن خون می‌شود و با کاهش اکسیژن خون پاسخ‌های عصبی تاثیر پذیرفته و ضربان قلب افزایش می‌یابد. در این حالت خطر سکته قلبی بخصوص در بیماران قلبی و کاهش قابلیت شبکه عصبی در واکنش‌دهی را بدنبال دارد. آلاینده‌های دیگر که توسط خودروها انتشار می‌یابد شامل سرب، هیدروکربن های نسوخته (HC) و اکسیدهای نیتروژن NOx می‌باشد.
- کاتالیست چیست؟
بشر همواره به دنبال تولید تجهیزاتی برای بهبود عملکرد خودروها و کاهش آلایندگی آنها بوده است. یکی از تجهیزات پرکاربرد در اتومبیل‌های بنزینی و دیزل واکنش‌گرهای شیمیایی یا کاتالیست‌ها هستند.
واکنش‌گر شیمیایی یا کاتالیست (catalytic converter) محفظه‌ای با حجم معین است که بر سر راه چند راهه خروجی دود قرار می‌گیرد تا همانند یک راکتور شیمیایی عمل کرده و محیطی برای واکنش دهنده‌ها فراهم آورد، انرژی اکسیداسیون گازها و احیای آنها را کاهش دهد و سبب افزایش سرعت واکنش‌های شیمیایی شود.
وظیفه اصلی این واکنش‌گرهای شیمیایی تامین انرژی مورد نیاز برای واکنش مونواکسید کربن و هیدروکربن‌های نسوخته ناشی از احتراق ناقص با اکسیژن هوا و تبدیل آنها به کربن دی اکسید به عنوان یک گاز غیر سمی و آب است. از طرف دیگر انرژی مورد نیاز برای تجزیه اکسیدهای نیتروژن به اکسیژن و نیتروژن را نیز فراهم می‌کند.
- انواع کاتالیست:
واکنش‌گرهای شیمیایی دارای انواع گوناگونی هستند که از آن جمله می‌توان به دو نوع سه‌راهه (TWCC) و دو راهه اشاره کرد.
واکنش‌گرهای سه راهه وظیفه کاهش مقدار مونواکسید کربن، هیدروکربن‌های نسوخته و اکسیدهای نیتروژن را بر عهده دارند، در مقابل واکنش‌گرهای دو راهه تنها مقدار مونواکسید کربن و هیدروکربن‌های نسوخته را کاهش می‌دهند.
همچنین واکنش‌گرهایی وجود دارند که تنها مقادیر اکسیدهای نیتروژن را کاهش می‌دهند.
- مزایا و معایب:
از مزایای واکنش‌گرهای شیمیایی می‌توان به پایداری آنها در دماهای بالا، مقاومت حرارتی بالا، افت فشار کم، عمر نسبتا زیاد، نصب راحت و بازده نسبتا مناسب در کاهش مقدار هر سه گاز آلاینده اشاره کرد.
در مقابل مزیت‌های آن باید به افزایش مصرف ویژه سوخت (BSFC)، ایجاد فشار معکوس، کاهش بازده تنفسی و مصرفی بودن آنها به عنوان معایب واکنش‌گرهای شیمیایی اشاره داشت.
- اجزای واکنش‌گرهای شیمیایی:
یک کاتالیست از بخش‌هایی شامل پوسته، روکش، بستر و پوشش تشکیل شده است.
بستر کاتالیست یک مجموعه لانه زنبوری (Honeycomb) مشبک می‌باشد که دارای هندسه خاص جهت افزایش سطح تماس گازها در حین عبور از آن می‌باشد. این بسترها به دو شکل فلزی و سرامیکی است که نوع فلزی آنها سطح فعال بیشتری را برای واکنش‌های شیمیایی فراهم می‌کند و همچنین دارای افت فشار کمتری می‌باشد و مقاومت مکانیکی، حرارتی و انتقال حرارت بهتری دارد. اما به علت تکنولوژی پیچیده، ساخت آنها مشکل‌تر است، در نتیجه قیمت آنها گران‌تر و وزن آنها نسبت به نوع سرامیکی آن بیشتر است.
وظیفه پوشش، فراهم آوردن بستر مناسب برای نشستن فلزات کاتالیزوری است، همچنین مقدار مقاومت حرارتی و پایداری آن را افزایش می‌دهد. از طرف دیگر وظیفه فلزات کاتالیزوری پایین آوردن انرژی فعال‌سازی واکنش‌ها است که سبب تسریع واکشن‌ها می‌شود.
این فلزات کاتالیزوری شامل پلاتین Pt، رودیومRH، پالادیوم Pd می‌باشد که به دلیل گران بودن، لایه بسیار نازکی از آنها را بر روی پوسته قرار می‌دهند.
روکش‌ها وظیفه محافظت از بستر را دارند، همچنین از اتلاف حرارتی جلوگیری و کاتالیست را عایق‌بندی می‌کنند.
وجود سرب و گوگرد در بنزین نیز سبب از بین رفتن کاتالیست‌ها می‌شود.
* مهندس مکانیک
منبع: برگرفته از ارائه کنترل محیط‌زیست دکتر محمدعلی احترام