Катализатор металлический или керамический: Каталитический нейтрализатор: металлический или керамический

Содержание

Каталитический нейтрализатор: металлический или керамический

Автомобильный нейтрализатор выхлопных газов стал одной из обязательных составляющих современного автомобиля, ведь его основная задача – очищать токсичный выхлоп от вредных примесей, что особенно актуально при сегодняшней экологической обстановке.

Конструкция автоката подразумевает наличие металлов платиновой группы, вступающих в катализ с отработанными газами и преобразующих угарных газ, оксиды азота и прочие канцерогены в нейтральные вещества. Именно присутствие драгметаллов и составляет основную ценность устройства после его выхода из строя и потому так популярны скупки катализаторов в Казани и других крупных городах РФ.

Металлические и керамические катализаторы

Внутренности автомобильного нейтрализатора выхлопа могут состоять из керамики или металла, что также оказывает влияние на цену устройства. Однако дело не только цене: металлический кат прочнее и оттого долговечнее, тогда как керамика имеет преимущество в стоимости.

Более того, в керамических катах применяет больше драгметаллов – платины, родия и палладия и потому скупка катализаторов в Казани оценивает керамические устройства дороже.

Керамические нейтрализаторывыхлопных газов нужно оберегать от:

  • ударов о неровные поверхности дороги
  • попадания воды на раскаленное устройство
  • неисправной системы зажигания, когда при неудачном пуске мотора происходит небольшой взрыв, а соты осыпаются.

Компания Katalizator-Group осуществляет прием катализаторов в Казани в любом состоянии и количестве и всегда выплачивает высокую цену за сданное сырье.

Металлические каталитическиепреобразователи выхлопа также уязвимы к проблемам с системой зажигания, ведь при неудачной активации двигателя в выпускной тракт отправляется «несанкционированная» порция несгоревшего бензина

Обе модификации автокатов негативно реагируют на использование этилированного бензина, в котором в большом количестве содержится тетраэтилсвинец. В результате применения некачественного горючего засоряются соты катализатора, и его проходное сечение сокращается, что напрямую влияет на производительность силового агрегата. Каждый водитель должен помнить, что неисправный нейтрализатор выхлопа негативно влияет не только на выхлопную систему, но и на другие «жизненно необходимые» узлы машины. Потому при явных признаках неисправности ката его нужно демонтировать,

продать б/у катализатор в скупку в Казани и установить новое или альтернативное устройство.

Для эффективной работы по очистке выхлопных газов существует несколько правил:

  • устройство размещают вблизи двигателя, что сохраняет необходимую температуру для выхлопа
  • ограничивают температуру, ведь при дожиге топлива выделяется дополнительное тепло
  • автокат – конструкция термоустойчивая и не имеет вредных резонансов
  • небольшие габариты ката располагают большой активной площадью, обеспеченной сотовой конструкцией внутри носителя, площадь которой покрыта напылением драгметаллов, нейтрализующих токсины. Этот фактор учитывается при утилизации в пунктах приема катализаторов в Казани и других крупных городах РФ, где специалисты компании проводят специальный анализ, чтобы определить точное количество содержащихся в сырье платиноидов.

Симптомы неисправности катализатора

Выход нейтрализатора из строя может быть обусловлен «естественными» причинами, то есть когда авто пробежало определенное количество километров, но также кат ломается ввиду неправильной эксплуатации.

О том, что вскоре придется продать катализатор в Казани в скупку, расскажет:

  • проблемный запуск мотора
  • сигнал check engine
  • повышенный расход горючего
  • падение тяги на больших оборотах
  • пропадание оборотов и некоторые другие признаки.

Когда диагноз установлен, отработанный кат отправляется в переработку, а на его место устанавливается оригинальное или универсальное устройство или качественная альтернатива, например, пламегаситель.

Поиск рационального варианта переработки автомобильных катализаторов на металлической основе

Библиографическое описание:

Коновалов, М. В. Поиск рационального варианта переработки автомобильных катализаторов на металлической основе / М. В. Коновалов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 23 (365). — С. 40-42. — URL: https://moluch.ru/archive/365/81854/ (дата обращения: 20.04.2022).



В работе рассмотрена и обоснована актуальность переработки автомобильных катализаторов как вторичного сырья для производства металлов платиновой группы, проведен сравнительный анализ существующих в настоящее время технологий переработки и сделаны выводы о дальнейших направлениях исследований.

Ключевые слова: автомобильные катализаторы, вторичное сырье, переработка, металлы платиновой группы, концентрат.

Загрязнение окружающей среды выхлопными газами автомобилей является одной из глобальных проблем современной экологии. С каждым годом количество продаваемых автомобилей растет, а требования по охране окружающей среды ужесточаются. Для снижения выбросов вредных газов в автомобилях используют катализаторы. Автомобильный катализатор представляет из себя керамический (на основе кордиерита) или металлический носитель, по рабочей поверхности которого нанесен несущий слой, содержащий металлы платиновой группы (МПГ) — платина, палладий, родий. Данные металлы и являются катализаторами химических процессов окисления и восстановления токсичных продуктов, содержащихся в выхлопных газах.

Суммарное содержание металлов платиновой группы в катализаторах составляет порядка 0,15–0,2 %. Но общие объемы производства автомобилей растут, и доля МПГ, расходуемых на автомобильные катализаторы также увеличивается с каждым годом.

Ежегодно в автомобилях подлежат замене миллионы катализаторов, так как по мере эксплуатации на рабочей поверхности катализатора накапливаются продукты сгорания автомобильного топлива, из-за чего происходит пассивация рабочей поверхности и выход катализатора из строя. Деактивированные автомобильные катализаторы являются важнейшим вторичным ресурсом, содержание МПГ в которых в десятки раз превышает содержание ценных металлов в минеральном сырье.

В настоящее время выходящие из строя автокатализаторы на керамической основе перерабатываются только предприятием ОАО «Красцветмет», г. Красноярск, при этом рентабельной технологии переработки автокатализаторов на металлической основе по-прежнему не существует.

Переработка автокатализаторов проводится гидрометаллургическим, пирометаллургическим или комбинированным способом. Как и в любой технологии самым первым этапом является доводка сырья до требуемых кондиций. Поэтому первостепенной задачей ставится получение концентрата МПГ, который удовлетворяет требованиям аффинажных заводов. Как правило, основным критерием является суммарное содержание платины и палладия в концентрате на уровне порядка 15 %, родия — не менее 1 %.

Обогащение отработанных катализаторов на керамической основе (рисунок 1) является трудоемким и малоизученным процессом. На практике широко используются пирометаллургические и комбинированные методы переработки подобного сырья.

Рис. 1. Вид и структура керамического катализатора

Пирометаллургические методы позволяют на первом этапе получить концентрат требуемых кондиций, но основным недостатком технологии являются большой расход электроэнергии и низкое извлечение металлов из-за высоких потерь металлов со шлаками. Поэтому наиболее перспективными считаются комбинированные способы, в которых керамические катализаторы плавят на металлический коллектор получая при этом сплав МПГ, а затем доводят его до кондиции выщелачиванием в различных реагентах (рисунок 2).

Рис. 2. Комбинированная схема переработки отработанных автокатализаторов

Преимуществом данной технологии является высокое извлечение металлов — до 99 %, а также меньшая экологическая нагрузка, по сравнению с чисто пирометаллургической технологией.

В отличие от катализаторов на основе керамики, катализаторы на металлическом носителе поддаются обогащению крайне сложно. Несмотря на то, что в металлических катализаторах содержание МПГ такое же, как и в керамических, соотношение полезного компонента к общей массе катализатора гораздо выше.

Основная проблема переработки металлических катализаторов в том, что их трудно измельчить и расплавить, так как их изготавливают из тугоплавких сталей (рисунок 3).

Рис. 3. Металлический катализатор

Расплавление такого сплава требует больших затрат энергоресурсов, что ведет к удорожанию процесса переработки. Поэтому в качестве дальнейших исследований целесообразно провести изучение данной проблемы и начать поиск ее решения.

Литература:

  1. Ю. А. Котляр, М. А. Меретуков. Л. С. Стрижко «Металлургия благородных металлов» Часть 2.
  2. Патент РФ «Способ переработки материалов, содержащих платиновые металлы», номер RU 2 618 282
  3. Патент РФ «Способ переработки отработанных катализаторов, содержащих металлы платиновой группы», номер RU 2 138 568
  4. Патент РФ «Способ извлечения металлов платиновой группы» RU 2 360 984
  5. Патент США «Процесс восстановления металлов платиновой группы», номер US5252305 (A)

Основные термины (генерируются автоматически): катализатор, платиновая группа, вторичное сырье, керамическая основа, металлический носитель, окружающая среда, рабочая поверхность.

На каких машинах самые дорогие катализаторы и как на них заработать?

Фото: katpriemka.ru

Российские автомобилисты склонны экономить на содержании своей машины. К примеру, редкие водители решаются заменить изношенный катализатор на новый, так как, по их мнению, его стоимость слишком высока. Вместо него устанавливают пламегаситель и обманку ламбда-зонда и продолжают ездить, наплевав на экологические требования и вредность выбросов. Но на этом экономия не заканчивает, ведь ещё можно немного подзаработать – продав свой старый катализатор. Но вот у каких машин самые дорогие катализаторы?

Фото: katalizator.kz

Принимают всё что угодно

Сейчас можно заработать буквально на всём что валяется под ногами, и это не только стеклотара и картон. В последнее время активно начали скупать отработавшие свой срок аккумуляторы и даже каталитические нейтрализаторы. Всё дело в том, что в автомобильных катализаторах есть драгоценные металлы, которые оттуда можно извлечь и на этом заработать. Поэтому у автомобилистов начали активно скупать старые катализаторы, которые они раньше просто выбрасывали в помойку.

Фото: www.избавься.рф

Какие катализаторы самые дорогие?

Больше всего у «золотоискателей» ценятся катализаторы от иномарок с небольшим пробегом. В них больше драгоценных металлов, а значит можно хорошо заработать. Самые распространённые катализаторы имеют обозначение «Pd Rh», их устанавливают на три четверти всех машин в мире, поэтому они ценятся меньше всего. Есть еще Pt, Pd Rh – «классический» и самый старый вид. Среднее содержание платины на 1 кг — 0,270. Этот тип уже выходит из обращения.

Гораздо больший интерес представляют катализаторы «Pt Rh», в них содержится около 3 грамм платины на килограмм веса катализатора. Эти модели устанавливаются на мощные дизельные моторы, в основном премиальных машин.

Профессиональные скупщики катализаторов проводят анализ всех принесённых к ним на продажу катализаторов. Для этого у них закуплено специальное оборудование, которое может определять количество драгметаллов. Мелкие скупщики ориентируются на глаз и предлагают минимальную цену, чтобы самим заработать на перепродаже.

При использовании любых материалов необходима активная ссылка на DRIVENN.RU

Жизненный цикл каталитических нейтрализаторов

Снятие каталитического нейтрализатора для обработки автомобиля. Фото предоставлено Найджелом Давом.

Записка от Тома Станека:

В мае наша команда посетила несколько сессий виртуальной конференции ISRI, в том числе посвященную краже каталитических нейтрализаторов, которая быстро растет из-за содержащихся в них драгоценных металлов.

ISRI проводит разъяснительную работу с торговцами металлоломом по этой теме, чтобы помешать законным дилерам покупать украденные преобразователи.

Чтобы лучше понять, почему воры сосредоточились на краже этих предметов, я обратился к Найджелу Даву. Основатель и генеральный директор Vortex De-Pollution & Recycling Equipment, Найджел знает свое дело вдоль и поперек. Он и его компания сознательно преданы клиенту и делают процесс очистки от загрязнений безопасным и продуктивным.

В этом гостевом посте Найджел рассказывает нам о жизненном цикле каталитических нейтрализаторов, что весьма поучительно! – что делает их такими ценными, и как вы, торговец металлоломом/владелец склада или менеджер, можете отличить законный металлолом от украденных предметов.


 

Кражи каталитических нейтрализаторов процветают, потому что там деньги. Один конвертер может принести вору 300 долларов. Двадцать конвертеров могут принести вору или банде воров 6000 долларов — неплохая добыча за час или меньше усилий.

Каталитические нейтрализаторы

очень легко снять — все, что нужно, — это Sawzall за 20 долларов и минута или две непрерывного времени. Один или несколько воров, работающих вместе, могут очистить целые парковки. Подумайте о долгосрочной парковке в аэропортах, стоянках для арендованных автомобилей и стоянках для новых автомобилей.

Что делает каталитический нейтрализатор таким ценным? Скороспелые металлы, которые они содержат.

Анатомия каталитического нейтрализатора

Сам преобразователь представляет собой большой кусок металла, внутри которого находится катализатор, представляющий собой керамические соты, покрытые солями платины, палладия и родия.

Эти металлы входят в число шести драгоценных металлов, составляющих металлы платиновой группы, или МПГ, и известны своей чистотой, высокими температурами плавления и уникальными каталитическими свойствами.

Процентное соотношение PGM в каждом преобразователе зависит от того, из какой части страны он произведен. Например, поскольку в Калифорнии более низкие рейтинги выбросов, автомобили в этом штате имеют преобразователи с большим количеством материала PGM.

Со временем материал каталитического нейтрализатора изнашивается, поэтому воры выбирают новые автомобили.

PGM имеют очень высокую рыночную стоимость. На момент написания этой статьи платина стоила 1027 долларов за унцию, а палладий — 2537 долларов за унцию. Родий в настоящее время стоит более 18 000 долларов за унцию (это не опечатка).В мае 2021 года она составляла 28000 долларов за унцию.

Теперь вы можете увидеть розыгрыш кражи каталитического нейтрализатора.

Вы можете отслеживать цены на МПГ с помощью приложения Metal Pricing от Techemet

.

Как работает рынок каталитических нейтрализаторов

На рынке есть два основных игрока: производители и покупатели. Производители — это цеха, занимающиеся переработкой каталитических нейтрализаторов от транспортных средств, т.е. магазины глушителей, свалки самообслуживания и автомагазины. Покупатели включают брокеров и плавильщиков.

Официальные магазины могут обрабатывать от 60 до 100 каталитических нейтрализаторов в день.(Моя компания поставляет высококачественные резаки, которые позволяют техническим специалистам быстро и безопасно удалять преобразователи для оборудования для обработки и разливки консервов для извлечения подшипниковых материалов МПГ.)

Преобразователи затем продаются брокеру. Каждый каталитический нейтрализатор имеет идентификационный номер. Используя приложение, такое как приложение, которое Techemet предоставляет своим клиентам, брокер вводит идентификационный номер, чтобы узнать марку автомобиля, модель, год и, самое главное, стоимость.

После того, как брокер купит конвертеры в магазине, он продаст их переработчику или переработает сам.

Для переработки содержимое конвертеров высыпается в мешок, который затем продается на плавильный завод. В настоящее время четыре компании в США перерабатывают эти металлы:

  • BASF — подразделение компании по производству смол и дисперсий, расположенное в Северной Каролине
  • Техемет — базируется в Техасе; компания покупает напрямую со складов измельчения и металлолома
  • Multimetco — предприятие по переработке драгоценных металлов, базирующееся в Алабаме
  • .
  • Sillwater Mining — компания по добыче платиноидов, базирующаяся в Монтане
  • .

На плавильном заводе – переработка МПГ

Содержимое каталитического нейтрализатора измельчается в порошок, из которого берется проба или проба для определения количества частей на миллион драгоценных металлов, содержащихся в порошке.Создается отчет лаборатории – с помощью этого отчета плавильный завод затем выплачивает брокеру стоимость содержимого конвертера.

Порошок расплавляют в печи и добавляют железо для притяжения молекул, в результате чего металлы оседают на дно. Соты растворяются в керамике и поднимаются наверх.

В многостадийном процессе металл отфильтровывается и измельчается, а железо извлекается. То, что осталось, восстанавливается, чтобы отделить МПГ ​​и получить соли.

И тогда процесс начинается заново: соли продаются производителям, которые используют их для покрытия керамических сот для новых каталитических нейтрализаторов.

По сути, это городская добыча полезных ископаемых, и, как вы сейчас видите, это отрасль стоимостью в миллиарды долларов.

Как предотвратить кражу каталитического нейтрализатора

Вы лично не можете остановить воров, но вы можете сократить рынок сбыта их товаров, не покупая у них.

Если кто-то входит с улицы с одним или несколькими каталитическими нейтрализаторами от более новых автомобилей, скорее всего, они украдены (особенно если они были отпилены или включают всю выхлопную систему).

А поскольку отрасль изобилует мошенничеством, важно вести дела только с людьми, которых вы знаете и которым доверяете.Не покупайте ничего, происхождение которого вам неизвестно, и используйте приложение, чтобы определить, откуда взялся каталитический нейтрализатор.


Найджел Дав — основатель и генеральный директор Vortex De-Pollution & Recycling Equipment. Компания производит инструменты, продукты и оборудование с истекшим сроком службы в Денвере, штат Колорадо, для рынка Северной Америки и в Ноттингеме для рынка Великобритании и Европы. Посетите сайт компании: https://www.vortexdepollution.com/

Оптимизация поведения металлического трехкомпонентного катализатора

Ссылка: Луома, М., Харконен М., Лиликангас Р. и Сохло Дж., «Оптимизация поведения металлического трехкомпонентного катализатора», Технический документ SAE 971026, 1997 г., https://doi.org/10.4271/971026.
Скачать ссылку

Автор(ы): Марьо Луома, Матти Харконен, Рейо Лиликангас, Йорма Сохло

Филиал: Кемира Металкат Ою

Страницы: 13

Событие: Международный конгресс и выставка

ISSN: 0148-7191

Электронный ISSN: 2688-3627

Также в: Технологии транспортных средств с низким уровнем выбросов-SP-1260

Замена критических материалов изобилием материалов – роль химических наук в поиске альтернатив критическим ресурсам

Замена критических материалов распространенными материалами, особенно в приложениях, использующих большое количество катализаторов, может иметь много преимуществ.Обильные материалы дешевле, менее подвержены колебаниям предложения и более безопасны для окружающей среды. Дешевые и распространенные металлы также могут быть менее селективными, менее устойчивыми к функциональным группам и использовать более дорогие лиганды, чем редкие и дорогие металлы, но исследования постепенно устраняют эти недостатки.

Конкретное применение, обсуждаемое в этой главе, касается использования драгоценных металлов в автомобильных каталитических нейтрализаторах. Автомобильная промышленность является основным потребителем платины, палладия и родия в каталитических нейтрализаторах, что стимулировало исследования по использованию других типов материалов в качестве катализаторов.Хотя хороших альтернатив использованию этих материалов пока не существует, перспективные подходы изучаются.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЭЛЕКТРОКАТАЛИЗАТОРЫ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИЗОБИЛИЯ МЕТАЛЛОВ

Во многих важных процессах, приводимых в действие гомогенным катализатором, стоимость металлического компонента катализатора составляет небольшую часть общих расходов. Тем не менее, химики разрабатывают новые схемы реакций, в которых используются гомогенные катализаторы, изготовленные из «дешевых металлов», — сказал Моррис Буллок, научный сотрудник лаборатории и директор Центра молекулярного электрокатализа в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL).Эти усилия сосредоточены на использовании распространенных недорогих металлов — в основном металлов первого ряда, а также молибдена и вольфрама — для замены драгоценных металлов.

Даже в тех случаях, когда дорогой металл составляет часть общей стоимости катализатора, создание эффективных катализаторов из недорогих металлов может привести к значительной экономии, сказал Буллок. Платина в пересчете на моль примерно в 4 000 раз дороже никеля и в 10 000 раз дороже железа. Точно так же палладий в 3000 раз дороже меди, а рутений в 2000 раз дороже железа.

Гомогенный катализ на основе палладия, в частности, имеет решающее значение в фармацевтической и сельскохозяйственной промышленности для образования углерод-углеродных связей. Нобелевская премия по химии 2010 года была присуждена за катализируемые палладием реакции кросс-сочетания, которые можно использовать для создания практически любого типа связи углерод-углерод. Мощные реакции Баквальда-Хартвига с образованием связи углерод-азот представляют собой еще один класс катализируемых палладием химических процессов, широко используемых в фармацевтической и сельскохозяйственной промышленности (Hartwig, 1998; Wolfe et al., 1998). Этот последний набор реакций, как отметил Буллок, использует загрузку палладия всего 10 частей на миллион (ppm), поэтому расход драгоценного металла в этом случае не является существенным фактором.

Однако возможно заменить палладий менее дорогими металлами. Катализатор йодид меди/L-пролин, например, можно использовать для образования связей углерод-углерод и углерод-азот (Ma et al., 2003). Никелевый катализатор можно использовать для образования углерод-углеродных связей с некоторой стереоселективностью, что позволяет собирать довольно сложные органические молекулы (Harath and Montgomery, 2008).Химики также разработали железные катализаторы в реакциях образования углерод-углеродных связей, хотя результаты не всегда такие, какими кажутся. В одном случае исследователи обнаружили, что 98-процентный чистый хлорид железа по сравнению с 99,99-процентным чистым материалом дает более высокие выходы желаемого продукта. Дальнейшее исследование показало, что реакция фактически катализировалась примесью оксида меди в концентрации 10 ppm (Buchwald and Bolm, 2009). «Существует множество других реакций, которые катализируются железом, но это подчеркивает то, что вы должны быть осторожны, чтобы убедиться, что вы можете идентифицировать настоящие катализаторы в этих реакциях», — сказал Буллок.

Плюсы и минусы дешевых металлов

В дополнение к большому ценовому преимуществу, связанному с заменой редкого и дорогого металла распространенным дешевым металлом, дешевые металлы часто более безопасны для окружающей среды. Потери металла легче переносятся в промышленном процессе, который может сократить или исключить этапы рециркуляции, которые почти обязательны при использовании дорогих металлических катализаторов. В фармацевтической промышленности Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов может допускать или не допускать наличие следовых количеств остаточного катализатора в конечном лекарственном продукте.Как заявил Буллок: «Сколько палладия может быть в фармацевтическом организме по сравнению с тем, сколько железа?»

Причин, по которым более дешевые металлические катализаторы сегодня не используются широко, много, и Буллок перечислил некоторые из них. Одна из причин заключается в том, что реакции, катализируемые дешевыми металлами, до сих пор мало изучены, хотя в настоящее время им уделяется больше внимания. Другая причина заключается в том, что селективность дешевых металлических катализаторов не так хороша, как у палладиевых катализаторов, и спектр реакций не так широк.Повышение активности дешевых металлических катализаторов может означать использование более дорогих лигандов; например, катализаторы на основе арилиодидов более реакционноспособны, но дороже, чем арилхлориды.

Дешевые металлические катализаторы часто менее устойчивы к функциональным группам реагентов. Реакция, которая работает с присутствующим сложноэфирным фрагментом, может не работать, когда присутствует функциональная группа спирта или карбоновой кислоты. Напротив, катализаторы на основе палладия часто работают с широким спектром модифицированных исходных материалов.Кроме того, для дешевых металлов может потребоваться более высокая загрузка катализатора, чем при использовании палладия, что сводит на нет некоторые преимущества в стоимости. Баллок, однако, добавил, что это может быть результатом того факта, что катализ дешевыми металлами не был изучен так исчерпывающе, как катализ на основе палладия, и что дополнительные исследования, вероятно, помогут решить эту проблему.

Последняя проблема, с которой сталкиваются дешевые металлические катализаторы, связана с мотивацией. Для фармацевтической компании, производящей лекарство с высокой добавленной стоимостью в небольших масштабах и для которой стоимость катализатора не является основным фактором, влияющим на окончательную цену лекарства, часто мало мотивации тратить деньги на исследования для решения относительно небольшой проблемы.

Чтобы проиллюстрировать некоторые проблемы разработки дешевых металлических катализаторов, Буллок обсудил тот факт, что механизмы реакции не могут быть универсальными, что затрудняет поиск новых катализаторов. Например, важный класс химических реакций гидрогенизирует двойные связи углерод-кислород. В этих реакциях гидрирования карбонила используются катализаторы на основе рутения и родия для превращения кетонов и альдегидов в спирты. Один такой рутениевый катализатор, за который была присуждена Нобелевская премия, не работает по традиционному механизму гидрирования кетона.Обычно реагирующий кетон сначала координируется с металлом, после чего кислород встраивается в связь металл-водород. С этим конкретным рутениевым катализатором не требуется никакой координации или введения. Вместо этого реакция происходит через ион гидрида на рутении и протон от связанного с лигандом азота, координированного с рутением. Конечный результат тот же, но механизм совершенно иной, чем ожидалось (Noyori et al., 2001).

«В целом я хочу подчеркнуть, что если вы пытаетесь разработать новый тип катализатора с другим металлом, он будет выглядеть совсем по-другому», — сказал Буллок.«Вы не хотите заменять платину или палладий железом или медью и пытаться использовать тот же набор лигандов. Лиганды почти наверняка изменятся». Идея, объяснил он, состоит в том, чтобы не пытаться подражать тому, что драгоценные металлы делают в качестве катализаторов. Вместо этого намерение состоит в том, чтобы изучить характеристики реакционной способности дешевых металлов, понять электронику реакций и энергетические состояния, а затем построить катализатор на основе этих металлов с нуля, используя фундаментальные принципы.

В качестве примера Баллок рассказал о работе, проделанной в его лаборатории, по разработке катализатора на основе молибдена для гидрирования кетонов с получением спиртов при низкой температуре и давлении водорода и в мягких условиях (Bullock and Voges, 2000).Эта реакция происходит по другому механизму, который основан на реакционной способности гидридов молибдена и включает сначала доставку протона к атому кислорода в кетоне, оставляя гидрид металла, который затем доставляет гидрид к атому углерода, создавая насыщенный спирт. Фундаментальные исследования кислотности гидридов металлов, а также кинетики и термодинамики поведения гидридов металлов сделали возможным разработку этого катализатора.

Аналогичные фундаментальные исследования были проведены другими исследователями для разработки катализатора на основе железа, который также выполняет гетеролитическое расщепление водорода в качестве ключевого этапа гидрирования двойных углерод-кислородных связей (Casey and Guan, 2009).Но не менее важным является тот факт, что катализатор регенерируется в условиях низкого давления водорода. Совсем недавно другая группа создала катализатор на основе железа, который в аналогичных мягких условиях работает при очень низкой загрузке катализатора — 0,05 мольных процента (Langer et al., 2011).

Катализаторы на основе железа также можно использовать для гидрирования углерод-углеродных двойных связей. Опять же, эта работа была основана на солидных фундаментальных химических исследованиях по созданию окислительно-восстановительных лигандов, которые помогают управлять реакцией.Один из этих катализаторов обеспечивает частоту оборотов до 1800 в час при превращении 1-гексена в гексан (Bart et al., 2004).

Применение дешевых металлических катализаторов в больших объемах

Хотя приведенные выше примеры показывают, что можно создать сильнодействующие катализаторы для производства специальных химикатов в малых объемах, используемых в фармацевтической и сельскохозяйственной промышленности, воздействие на общий спрос на дорогие и редкие металлы вряд ли будет существенным.Область, в которой может быть достигнуто реальное воздействие, — это производство возобновляемой энергии, для чего потребуется огромное количество катализатора, как обсуждалось в предыдущей главе.

«Мы надеемся, что в будущем использование солнечной энергии и других видов возобновляемой энергии будет намного шире, — сказал Буллок. «Что мы хотим сделать, так это сохранить эту энергию в виде химических связей в топливе». Он добавил, что для этого преобразования требуется «разработка электрокатализаторов, которые будут преобразовывать электрическую энергию в химические связи, в основном в форме молекулярного водорода.Затем, когда вам понадобится электричество, вы можете запустить водород в топливном элементе и получить обратно свое электричество».

Исследования в PNNL сосредоточены на разработке катализаторов, которым не требуется платина для окисления водорода, высвобождающего электроны, и обратной реакции восстановления протонов, сохраняющей электроны. Эта работа также имеет отношение к более широкой теме восстановления кислорода и азота, которые представляют собой более сложные реакции, учитывая, что восстановление кислорода до воды представляет собой четырехэлектронное и четырехпротонное событие, а восстановление азота до аммиака представляет собой шестипротонный и шестиэлектронный процесс. мероприятие.

Теоретическая основа этого исследования основана на понимании первой и второй координационных сфер никеля, области, где электронные свойства лигандов, окружающих атом металла, оказывают наибольшее влияние на каталитические свойства металла (Rakowski DuBois and DuBois, 2009). ). В частности, Буллок и его коллеги сосредотачиваются на роли, которую фосфиновые лиганды, несущие боковые амины, играют в ретрансляции протонов, когда эти лиганды встроены во вторую координационную сферу вокруг никеля.Исследования в PNNL показали, что перенос протонов в металл или из него играет ключевую роль в ускорении внутри- и межмолекулярного переноса протонов и стабилизации связывания водорода с металлом. Эти подвесные ретрансляторы протонов, облегчаемые амином, также снижают барьер для гетеролитического расщепления водорода (DuBois and Bullock, 2011) и облегчают связанные протонно-электронные переносы, которые важны для восстановления кислорода и азота.

Вдохновение для использования боковых аминов для разработки катализаторов гидрирования никеля исходит от природы, которая не использует редкие и драгоценные металлы в своих катализаторах.Белковые кристаллографические исследования структуры фермента железо-железогидрогеназы выявили наличие боковых аминов в координационной сфере, окружающей атомы металла. Но вместо того, чтобы создавать структурные имитации природного катализатора, команда PNNL разрабатывает функциональные модели, воссоздающие электронную и энергетическую среду каталитического центра фермента.

Буллок обсудил несколько первых примеров катализаторов, разработанных в результате этих усилий. Как показано на рисунке, добавление двух боковых аминов к координационной сфере никеля приводит к огромным положительным изменениям в активности окисления водорода полученного никелевого катализатора за счет снижения перенапряжения системы, что повышает энергоэффективность катализатора.Сделав еще один шаг в этом подходе, команда PNNL уменьшила гибкость боковых аминов, по существу зафиксировав их на месте вокруг атома никеля. Это сократило энергию активации почти вдвое и увеличило частоту оборотов с менее чем 0,5 в секунду до 10 в секунду.

РИСУНОК 4-1

Никелевые катализаторы могут окислять водород. ИСТОЧНИК: Буллок (2011).

Более четкое понимание механизма каталитического окисления водорода сыграло важную роль в использовании этих первоначальных результатов и создании гораздо более совершенных катализаторов окисления водорода никеля.Эти исследования, в значительной степени основанные на спектроскопии ядерного магнитного резонанса, показали, что перемещение протонов на боковые амины позволяет избежать прохождения реакции через промежуточный продукт никеля (III), что значительно снижает энергетический барьер. Основываясь на этом механистическом понимании, команда PNNL создала катализатор на основе никеля, который производит 50 оборотов в секунду при одной атмосфере водорода (Yang et al., 2010), и еще один, который не был таким хорошим катализатором для окисления водорода, но смог имитировать природный фермент гидрогеназу и катализировать как окисление, так и восстановление водорода (Kilgore et al., 2011). Этот катализатор является первым, о котором сообщается, что он осуществляет как прямую, так и обратную реакцию.

Одна из проблем, возникших в этих исследованиях, заключалась в том, что протоны могут захватываться между двумя боковыми аминами в одном и том же лиганде, снижая каталитическую активность. Переход на лиганд, который имел два атома фосфора для координации с никелевым ядром, но только один атом азота, так называемый лиганд P 2 N 1 , привел к резкому увеличению каталитической активности и привел к оборотам более 100 000 в секунду. , который более чем в 10 раз быстрее, чем гидрогеназа на основе железа, которая послужила источником вдохновения для этой работы (Helm et al., 2011). Однако этот катализатор по-прежнему имеет высокий перенапряжение, которое необходимо устранить для повышения его энергоэффективности.

PNNL также использовала рациональные принципы проектирования для создания первого катализатора на основе железа для окисления водорода. Скорость оборота для этого катализатора составляет всего около двух в секунду, но это исследование все еще находится в зачаточном состоянии.

Кроме того, работая с командой Калифорнийского университета в Сан-Диего, Буллок и его коллеги создали электрохимический катализатор на основе никеля, который окисляет формиат.Это первый зарегистрированный пример гомогенного катализатора окисления формиата, и это первый пример катализатора окисления формиата любого типа, в котором не используются металлы платиновой группы (Galan et al., 2011). Эти исследования продолжаются.

Буллок завершил свое выступление, отметив, что проведение гомогенного катализа без драгоценных металлов имеет много преимуществ. В частности, железо, никель и другие широко распространенные металлы намного дешевле и часто более безопасны для окружающей среды.Он добавил, что, хотя в этой области проводится все больше исследований, необходимы более фундаментальные исследования для стимулирования усилий по разработке катализаторов. Он отметил, что заметные успехи, достигнутые в области поиска заменителей палладия в органическом синтезе и платины в топливных элементах и ​​энергетике, стали возможными благодаря фундаментальным исследованиям в области металлоорганической химии.

НОВЫЕ МЕТАЛЛЫ И НЕРАВНЫЕ МЕТАЛЛЫ В АВТОМОБИЛЬНЫХ КАТАЛИЗАТОРНЫХ СИСТЕМАХ

Автомобильная промышленность является основным потребителем катализаторов как из драгоценных, так и из неблагородных металлов.В автомобилестроении катализаторы используются для уменьшения количества регулируемых загрязняющих веществ в выхлопных газах бензиновых и дизельных автомобилей. Эти загрязняющие вещества включают углеводороды, окись углерода, оксиды азота (NO x ) и твердые частицы. Катализаторы превращают эти загрязняющие вещества в газообразный азот, углекислый газ и воду.

Сердцем автомобильной каталитической системы является каталитический нейтрализатор, объяснила Кристин Ламберт. Каталитический нейтрализатор представляет собой керамические соты, заключенные в металлическую банку, прикрепленную к выхлопной трубе автомобиля.Внутри керамических сот находится металлический катализатор на подложке, нанесенный на керамическую подложку, как показано на рис.

РИСУНОК 4-2

Автомобильный каталитический нейтрализатор содержит катализатор на керамической подложке. ИСТОЧНИК: Хек и Фаррауто (2001).

В стандартном каталитическом нейтрализаторе автомобилей с бензиновыми двигателями используется трехкомпонентный катализатор, который разрабатывался в течение многих лет, чтобы быть чрезвычайно долговечным, сказал Ламберт. Текущие версии рассчитаны на соответствие стандартам выбросов на 120 000 миль.Они работают при температуре от 350°C до 650°C, что является нормальным рабочим диапазоном бензинового двигателя, но они выдерживают температуру свыше 1000°C. Катализаторы работают с выхлопными газами, близкими к стехиометрическим, что означает, что воздух и топливо, подаваемые в двигатель, находятся в стехиометрическом соотношении, необходимом для сжигания этого топлива, и что нет избыточного кислорода. Время контакта с катализатором колеблется от 60 до 300 миллисекунд (Heck and Farrauto, 2001).

Поскольку управление двигателем с годами улучшилось, содержание загрязняющих веществ в выхлопных газах сократилось до более узкого диапазона концентраций.В результате катализаторы теперь могут обрабатывать все три газообразных загрязнителя одновременно, используя так называемый трехкомпонентный катализатор. Твердые частицы являются проблемой только для дизельных двигателей и рассматриваются отдельно.

Современный трехкомпонентный катализатор представляет собой сложную многокомпонентную систему. Основная часть катализатора изготовлена ​​из кордиерита, циклосиликата магния, железа и алюминия, который образует керамические соты. γ -Глинозем образует основу носителя, а оксид церия (ceria) и оксид циркония (zirconia) являются компонентами хранения кислорода, помогающими катализатору, когда он находится в стехиометрическом диапазоне высокой эффективности.

Помимо редкоземельного минерала церия, два других редкоземельных минерала, оксид лантана и оксид неодима, поддерживают оксид алюминия в его гамма-форме и играют важную роль в долговечности. Оксид бария и оксид стронция также служат стабилизаторами и могут накапливать NO x , если двигатель работает на обедненной смеси, хотя это не является их основной целью. Небольшое количество оксида никеля подавляет образование сероводорода из относительно большого количества серы, которая все еще присутствует в бензине.Наконец, имеется небольшое количество, около 0,5 процента, драгоценных металлов платины, палладия и родия (Gandhi and McCabe, 2004).

Подводя итог более чем 30-летней истории разработки бензиновых катализаторов, Ламберт объяснил, что ранние фундаментальные исследования были сосредоточены на определении того, какие элементы могут быть хорошими кандидатами для дальнейшей разработки. Золото и серебро были исключены из числа кандидатов из-за их ограниченной прочности и активности. Рутений, иридий и осмий имели подходящие профили активности, но они образуют летучие оксиды при повышенных температурах, что исключает их использование в качестве автомобильных катализаторов.«В тот момент выбор сводился к платине и палладию», — сказал Ламберт.

Платина и палладий были включены в состав первых каталитических нейтрализаторов, когда нормативы требовали сокращения выбросов углеводородов и угарного газа. Позже, когда в правила были добавлены стандарты NO x , родий был включен в каталитическую смесь. С годами были добавлены стабилизаторы, а также церий и диоксид циркония в качестве стабилизаторов кислорода. Когда свинец был удален из бензина, платина была исключена из катализатора, потому что тогда палладий мог заменить всю активность на основе платины.Сегодняшние каталитические нейтрализаторы все еще содержат некоторое количество родия, потому что, как сказал Ламберт, нет приемлемой замены родию, когда речь идет о восстановлении NO x . Усовершенствования в физической конструкции катализатора с изменением загрузки платиновой группы от передней к задней части конвертера позволили сократить количество металла, необходимого для конвертера (JM, 2011).

Спрос и предложение

Рынок автомобильных катализаторов не изолирован, а находится в рамках цепочки поставок, обслуживающей производителей промышленных катализаторов, производителей ювелирных изделий и производителей электрооборудования.Цепочка поставок каталитического нейтрализатора начинается с производителей подложек, которые отправляют свою продукцию производителям каталитических покрытий, которые закупают металлы. Оттуда керамическое покрытие поступает на консервные заводы, которые собирают готовый каталитический нейтрализатор и отправляют его автопроизводителю. В настоящее время рынок автомобильных каталитических нейтрализаторов потребляет больше металлов платиновой группы, чем перерабатывает, и, по словам Ламберта, эту ситуацию необходимо улучшить. В отличие от рынка промышленных катализаторов, на автомобильном рынке отсутствует хорошо развитая внутренняя инфраструктура переработки.

Большая часть платины в мире поступает из Южной Африки, которая поставила более 75 процентов от 6,06 млн унций, произведенных в 2010 году. Россия поставила чуть менее 14 процентов от общего объема, а остальное поступило из других стран. Общий спрос на платину в 2010 году составил 7,88 млн унций, при этом на автомобильные катализаторы потребовалось 3,125 млн унций, или 40 процентов от общего объема. Переработка смогла компенсировать разницу между спросом и предложением.

Россия является крупнейшим поставщиком палладия, производя 3.72 миллиона унций в 2010 году, в то время как Южная Африка произвела 2,575 миллиона унций. Другие страны добавили чуть менее 1 млн унций к имеющимся в мире запасам палладия. Переработка добавила еще 1,845 млн унций, но в совокупности мировой спрос на палладий — около 9,625 млн унций — превышал предложение почти на полмиллиона унций. На автомобильные катализаторы приходилось 57 процентов спроса на палладий (JM, 2011). Ламберт добавил, что рынок автомобильных катализаторов обеспечивает большую часть мирового спроса на родий.

Поскольку автомобильная промышленность является основным потребителем, если не основным потребителем этих металлов, на отрасль оказывает значительное влияние волатильность цен на эти металлы. С 1992 года платина, палладий и родий пережили один или несколько скачков цен. В результате производители катализаторов разработали несколько конструкций, в которых используются различные количества этих трех металлов, пытаясь смягчить резкое изменение затрат.

Волатильность цен также способствовала стремлению разработать катализаторы на основе менее дорогих металлов, таких как медь.Хотя цены на медь также могут резко возрасти, цены могут подняться с 1 до 4 долларов за фунт по сравнению со скачком от 1000 до 12 000 долларов за унцию родия (Kitco, 2011).

Однако сравнение металлов платиновой группы с другими металлами показывает, что первые трудно превзойти, когда речь идет о активности окисления моноксида углерода и углеводородов, особенно в присутствии серы при температурах ниже 500°C (Kummer, 1980) . В начале 1990-х годов исследователи из Ford протестировали различные комбинации меди и меди и хрома в каталитических нейтрализаторах, установленных в реальной выхлопной системе автомобиля.Для конверсии NO x катализатор, содержащий 4 мас.% меди и 2 мас.% хрома, показал наилучшие результаты, но только при работе в обогащенных условиях, что снижает конверсию монооксида углерода и углеводородов и экономию топлива. Это исследование также показало, что медные катализаторы должны быть тесно связаны с двигателем, чтобы избежать отравления серой (Theis and Labarge, 1992).

После более чем 30 лет исследований Ламберт пришел к выводу, что все еще нет хороших вариантов для создания катализаторов для обработки выхлопных газов бензиновых двигателей, в которых не используются металлы платиновой группы.По ее словам, единственным реальным достижением стал переход на палладий-родиевые и чисто палладиевые катализаторы, что стало возможным благодаря исключению из бензина свинца.

Важность дизельного топлива

В процентном соотношении доля дизельного топлива на рынке США составляет около 1 процента продаж новых автомобилей и менее 10 процентов продаж легких грузовиков. Что касается более тяжелых грузовиков, таких как Ford F-250 и Dodge Ram, дизельные модели составляют почти 90 процентов продаж новых автомобилей. В то время как продажи дизельных автомобилей растут, растут и нормативные требования к дизельным выбросам.Производители двигателей отреагировали улучшением катализаторов, что привело к значительному снижению выбросов дизельных двигателей с 1990 года. В некоторых катализаторах выхлопных газов дизельных двигателей не использовались металлы платиновой группы, а оксид церия и оксид алюминия обеспечивал каталитическую активность, достаточную для окисления твердых частиц в достаточной степени, чтобы соответствовать действующим стандартам выбросов. Внедрение дизельного топлива со сверхнизким содержанием серы в 2007 году открыло новые возможности для систем контроля выбросов дизельных двигателей.Сажевые фильтры стали стандартными, как и каталитические нейтрализаторы с высоким содержанием драгоценных металлов. Эти новые системы работали в бедных условиях, чтобы контролировать выбросы NO x , а некоторые производители двигателей добавили ловушки NO x .

В 2010 году производители двигателей добавили в автомобили дополнительный восстановитель в виде водной мочевины и перешли на медный катализатор для контроля NO x (). Полная система очистки выхлопных газов теперь включает в себя катализатор окисления дизельного топлива на металле платиновой группы, бак водной мочевины, который пополняется при замене масла, систему смешивания, которая впрыскивает мочевину в поток выхлопных газов, камеру селективного каталитического восстановления, в которой медно-цеолитный катализатор превращает NO x и мочевину в газообразный азот и воду, и, наконец, сажевый фильтр.Примерно каждые 500 миль температура в фильтре поднимается до 500°C, чтобы сжечь захваченные частицы углерода с образованием углекислого газа.

РИСУНОК 4-3

Системы очистки выхлопных газов дизельных двигателей в США постоянно совершенствуются для снижения выбросов. ИСТОЧНИК: Форд (2011).

Ламберт отметил, что между бензиновыми и дизельными двигателями существует огромная разница температур выхлопных газов. Когда дизельный двигатель прогревается до полной рабочей температуры, средняя температура выхлопных газов составляет около 200°C, тогда как выхлопные газы бензинового двигателя имеют температуру около 500°C.«Трудно проводить катализ при температуре 200°C в условиях высокого объема и скорости, характерных для выхлопа двигателя», — сказала она.

Дополнительным осложнением для выхлопа дизельного двигателя является то, что содержание кислорода в нем значительно возрастает при замедлении двигателя. Во время замедления топливо не поступает в двигатель, поэтому поток выхлопных газов представляет собой просто воздух с содержанием кислорода около 20 процентов, что затрудняет управление NO x в условиях, которые варьируются от богатой до бедной смеси. Производители ответили несколькими системами, включая системы на основе мочевины, которые имеют широкий температурный диапазон.Другие подходы к достижению контроля NO x в обедненных условиях включают систему селективного каталитического восстановления углеводородов (SCR), в которой используется платина, но не требует регенерирующей системы фильтрации, ловушки бедных NO x , в которых используется барий для поглощения NO x во время работы. бедных условиях и недавно разработанная система, в которой используется катализатор этанол-в-серебре, который наиболее полезен для внедорожных дизельных двигателей.

Системы мочевины и цеолита

Мочевина — это нетоксичный товарный химикат, производимый производителями удобрений.При нагревании с водой выделяется углекислый газ и аммиак. Он впрыскивается в выхлопную систему перед катализатором в виде водного раствора с концентрацией 32,5 мас.%, эвтектической смеси с максимально низкой температурой замерзания. В присутствии подходящего катализатора аммиак реагирует с различными оксидами азота в присутствии кислорода с образованием газообразного азота и воды.

Существует ряд катализаторов на основе неблагородных металлов, подходящих для восстановления NO x . Цеолиты меди лучше всего работают при низких температурах, тогда как цеолиты железа лучше всего работают при высоких температурах.Катализаторы на основе ванадия, которые очень недороги, также эффективны, но не подходят для американских дизелей, оснащенных сажевыми фильтрами, из-за высоких температур, при которых должны работать эти фильтрующие системы (Cavataio et al., 2007).

Цеолиты, объяснил Ламберт, состоят из оксидов алюминия и оксидов кремния с кристаллической структурой. Они встречаются в природе, но в большинстве случаев синтезируются для достижения высокой чистоты, необходимой для промышленных целей. Цеолиты широко используются в качестве умягчителей воды, абсорбентов и осушителей, а также в нефтепереработке.

В Ford Ламберт и ее коллеги обнаружили, что цеолит, известный как шабазит, который имеет очень малый средний размер пор, в сочетании с медью является подходящим катализатором дизельных выхлопных газов (Kwak et al., 2010; McEwen et al., в печати). ) в системе SCR. Многочисленные академические исследования предполагают, что медь находится внутри клетки цеолитовой структуры и что аммиак и NO x попадают в клетку, где они реагируют в присутствии меди и кислорода с образованием газообразного азота и воды.

При коммерциализации системы SCR, которую Ford теперь использует в своих дизельных двигателях, необходимо было решить ряд проблем.Во-первых, Ламберт и ее коллеги должны были стабилизировать катализатор окисления на основе платины, который находится перед системой SCR. Они выполнили эту задачу, добавив палладий в каталитическую смесь. После работы с различными соотношениями платины и палладия они обнаружили, что смесь платины и палладия 1:4 обеспечивает наилучшее сочетание окисления углеводородов при температурах холодного пуска и стабильности. Последнее важно, потому что летучая платина мешает процессу восстановления NO x , отравляя медный катализатор в системе SCR (Cavataio et al., 2009). Ламберт отметил, что во избежание загрязнения медного катализатора драгоценными металлами достаточно важно, чтобы два компонента производились в разных зданиях. Наличие даже небольшого количества платины на медно-цеолитном катализаторе превращает последний в катализатор окисления аммиака вместо катализатора восстановления NO x .

Ламберт отметил, что исследователи Форда сначала работали с цеолитом бета-типа в качестве носителя меди, но эта комбинация была в некоторой степени отравлена ​​углеводородами.Катализатор можно было регенерировать, нагревая его до 500 °C, но было обнаружено, что обработка при этой температуре приводит к плавлению, разрушающему структуру цеолита. Переход на шабазит решил эту проблему. Она добавила, что небольшой размер пор шабазита не позволяет более крупным молекулам углеводородов достигать активного медного катализатора, предотвращая образование диоксинов в дизельных выхлопах.

Сера может негативно влиять на активность медно-цеолитного катализатора, особенно при температурах ниже 300°C. Однако сера может быть удалена из катализатора при температурах регенерации фильтра.На самом деле, исследование показало, что при разрешенном в настоящее время уровне серы в дизельном топливе — 15 частей на миллион или меньше — медно-шабазитовый катализатор может выдерживать количество серы, поглощаемое между регенерациями на 500 миль, и при этом достаточно снижать уровни NO x . чтобы соответствовать нормам выхлопа.

Использование водной фильтрации мочевины возможно, поскольку производители и поставщики работали вместе под эгидой Совета США по автомобильным исследованиям для определения спецификаций продукта. Водная мочевина теперь продается как Diesel Exhaust Fluid™ (DEF™) в количествах от галлонных бутылок до бочек.Стоимость DEF колеблется от 2,79 долларов за галлон наливом до 4,65 долларов за галлон в бутылках. Министерство энергетики создало веб-сайт www.finddef.com, чтобы направлять пользователей в магазины, где продается DEF.

Использование систем конверсии SCR на основе мочевины не только оказывает прямое влияние на выбросы NO x , но и, согласно данным Агентства по охране окружающей среды, оказывает косвенное влияние на выбросы двуокиси углерода. Поскольку системы SCR выполняют основную часть сокращения NO x , дизельные двигатели теперь могут работать с более высокой эффективностью использования топлива, что снижает выбросы углекислого газа.При легких и умеренных нагрузках двигатели, оснащенные системами управления NO x на основе мочевины, будут иметь более чем 10-процентное преимущество по сравнению с двигателями, оснащенными другими системами управления NO x . Системы на основе мочевины в настоящее время используются в большинстве дизельных двигателей, продаваемых с 2010 года. но переход в 2010 году от полностью платинового катализатора к катализатору с высоким содержанием палладия снизил использование платины почти до уровня 2007 года.В дизельных двигателях по-прежнему используется больше платины, чем в сопоставимых бензиновых грузовиках средней грузоподъемности, но этот разрыв сокращается.

Глядя в будущее, Ламберт отметил, что добавление SCR к другим компонентам катализатора NO x , работающим на обедненной смеси, может обеспечить дальнейший прогресс в разработке и внедрении технологий сжигания обедненной смеси для бензиновых двигателей, которые снижают или устраняют потребность в металле платиновой группы. катализаторы (Xu et al., 2010). Однако внедрение технологий SCR для использования с бензиновыми двигателями потребует снижения содержания серы в бензине с нынешних 80 до 15 частей на миллион или разработки технологии удаления серы из потока выхлопных газов перед установкой SCR.

Исследования также направлены на повышение активности окисления NO x палладия, чтобы продолжить тенденцию замены платины палладием в качестве стратегии снижения затрат. С этой целью исследователи из General Motors разработали перовскитный катализатор, не содержащий платины, который может конкурировать с катализатором на основе платины в снижении уровня NO x в условиях сжигания обедненной смеси (Kim et al., 2010).

ОБСУЖДЕНИЕ

Отвечая на вопрос о роли теории в его работе над электрокатализаторами, Буллок сказал, что теория и вычислительные модели очень помогли понять, как работают эти реакции, и повысить уверенность в том, что постулируемые промежуточные продукты в предполагаемых механизмах действительно существуют. .Теория еще не достигла точки, когда она может предсказать, какие молекулы должны быть получены с нуля, но теория оказалась очень полезной для понимания энергетических потенциалов, промежуточных продуктов реакции и пошаговых механизмов.

Что касается сложности синтеза и стоимости лигандов, используемых с дешевыми металлическими катализаторами, Буллок признал, что это важные вопросы. Однако он добавил, что лиганды, разработанные в PNNL, несмотря на их кажущуюся сложность, легко получить в двухстадийном синтезе из простых исходных материалов.

Он также отметил, что дешевые металлические катализаторы, разработанные до сих пор для органического синтеза, еще не достигли скорости оборота, сравнимой с катализаторами на основе палладия. Он надеялся, что промышленность теперь вмешается и возьмет катализаторы, разработанные в академических кругах, и внесет усовершенствования, необходимые для создания коммерчески жизнеспособных катализаторов на основе дешевых, распространенных металлов.

Наконец, Буллок указал на важность быть открытым для необычных и неожиданных результатов. Следует иметь в виду прошлые примеры таких достижений, чтобы новые и важные результаты не были проигнорированы из-за того, что они сильно отличаются от прошлых результатов.

Ламберт спросили о судовом дизельном топливе с высоким содержанием серы, используемом во многих частях мира, и она отметила, что катализаторы на основе ванадия очень устойчивы к сере, но в настоящее время им не хватает необходимой температурной стабильности. Улучшение этой стабильности может быть плодотворным направлением исследований, и фактически был разработан ряд катализаторов. Она добавила, что коммерческий спрос на такой катализатор невелик, потому что в регионах мира, где используется дизельное топливо с высоким содержанием серы, нет строгих стандартов для твердых частиц.

В ответ на вопрос о том, что происходит, когда в транспортном средстве заканчивается мочевина, Ламберт ответил, что транспортные средства предназначены для движения на более низких скоростях, что расстраивает водителей и дает стимул пополнить контейнеры с мочевиной в транспортных средствах.

Ламберт указал на рост исследований аккумуляторов и электромобилей в Ford и других местах. Но она также сказала, что «двигатель внутреннего сгорания не умер». Фундаментальные исследования выбросов выхлопных газов все еще необходимо проводить даже по мере развития технологий электромобилей.

Davis Recycling Inc :: Достижения в области каталитических нейтрализаторов :: Конструкция из нержавеющей стали

Быстрый рост сот из нержавеющей стали в каталитических нейтрализаторах — краткая статья

Использование сот из нержавеющей стали в каталитических нейтрализаторах растет в Германии и может повлиять на мировой рынок, согласно недавнему исследованию, проведенному компанией Eldib Engineering & Research, Inc., расположенной в Беркли-Хайтс, штат Нью-Джерси. Компания Eldib провела серию интервью, в ходе которых изучала использование металлических и керамических сотовых структур в моделях 2000 года различными производителями автомобилей в Германии и Франции.

Немецкие производители, использующие нержавеющую сталь в некоторых моделях, включают Volkswagen, Audi, BMW и Daimler-Chrysler. Porsche использует нержавеющую сталь в своих двух моделях. Французские автопроизводители используют нержавеющую сталь в гораздо более ограниченных масштабах.

Eldib обнаружил, что хотя нержавеющая сталь сама по себе немного дороже керамики, общая металлическая система меньше, чем керамическая структура, и требует меньшего количества дорогих драгоценных металлов (платина, родий и палладий), которые наносятся тонким слоем и действуют как катализатор, который очищает газ перед тем, как он выйдет из выхлопной трубы.

Согласно исследованию, в дополнение к общей рентабельности, сотовые каталитические нейтрализаторы из нержавеющей стали более эффективны, снижая опасность для окружающей среды, поскольку снижается уровень загрязнения, поскольку нержавеющая сталь более долговечна и эффективна для преобразования вредных газов в безопасные. На самом деле было обнаружено, что металлическая фольга, материал, используемый для изготовления металлической структуры, улучшает конверсию на 15 процентов.

Учитывая, что с 1970-х годов стандартом для U.среди автопроизводителей и автопроизводителей по всему миру, опрос Eldib может предоставить ценную информацию для отрасли производства каталитических нейтрализаторов.

Eldib утверждает, что цифры 2000 по двум типам сот свидетельствуют о более широком использовании металлических сот в Германии и ограниченном использовании во Франции. По оценкам, общее количество автомобильных каталитических нейтрализаторов, используемых в Германии, составляет 6,77 миллиона единиц, из которых 1,66 миллиона содержат металлические соты, а 5,11 миллиона — керамические соты.

В целом, Eldib прогнозирует, что к 2004 году рынок увидит 15-20-процентный рост использования металлических сот как в Германии, так и во Франции. Ожидается, что использование керамических сот в обеих странах увеличится только на 3 процента к тому же году.

В исследовании говорится, что уже существует огромный рынок фольги из нержавеющей стали, особенно в Японии. В частности, уверенность в росте производства сот из нержавеющей стали подтверждается недавно анонсированным заводом Kawasaki Steel Corp.увеличить производство фольги из нержавеющей стали, используемой в сотах автомобильных каталитических нейтрализаторов, до 500 тонн в месяц к 2003 году.

Фольга будет использоваться для изготовления сот, помещаемых в преобразователи в японских автомобилях, продаваемых внутри страны и экспортируемых по всему миру. В обзоре Eldib делается вывод о том, что будущие тенденции на европейском рынке каталитических нейтрализаторов предполагают повышенный спрос на металлические соты, фольга которых такая же тонкая, как папиросная бумага.

Согласно исследованию Eldib, поскольку более 75 процентов выбросов производится в первые 90–120 секунд после запуска двигателя, немецкие и французские автопроизводители рассматривают возможность установки небольшого прекаталитического нейтрализатора рядом с двигателем.За предварительным катализатором будет следовать основной каталитический нейтрализатор под полом, который будет перемещен из-под пола в положение ближе к двигателю. Необходимо уменьшить потери тепла от выхлопной системы.

Предварительный катализатор с электрическим подогревом доводит основной катализатор до полной рабочей температуры за секунды. Преобразователь, расположенный рядом с двигателем, потребует достаточно высокой термостойкости, так как температуры достигают 1050 градусов Цельсия. Более тонкие стенки в сотах создают более хрупкую структуру, а также увеличивают вибрацию при расположении ближе к двигателю.

Не только текущий рынок преобразователей, содержащих металлические соты, будет расти, но и будущий рынок также увидит повышенный спрос, учитывая, что сотовые конструкции из нержавеющей стали содержат тонкие, но прочные стенки, подходящие для монолитной несущей системы, говорится в исследовании.

АВТОРСКОЕ ПРАВО 2002 Услуги международной торговли
АВТОРСКОЕ ПРАВО 2002 Гейл Групп

http://findarticles.com/p/articles/mi_m0UDO/is_12_15/ai_85095809

Керамическая пена очищает выхлопные газы — ScienceDaily

Введение в следующем году стандарта выхлопных газов Евро-6 означает, что каталитические нейтрализаторы станут более дорогими, особенно для дизельных автомобилей.Empa работает над каталитическим субстратом из керамической пены, который благодаря своей структуре является более эффективным и, следовательно, более экономичным. Мало того, для этого также требуется менее благородное металлическое покрытие.

Обычные установки каталитической очистки выхлопных газов выполнены с регулярной сотовой структурой. Каталитически активный слой, содержащий ценные благородные металлы, такие как платина, родий или палладий, наносится на поверхность этой цельной или монолитной керамической подложки.Горячие выхлопные газы проходят через катализатор нетурбулентно. Однако, поскольку большая часть потока приходится на середину катализатора, эта область истощается быстрее, чем периферийные области монолита, которые остаются более или менее неиспользованными. Для того, чтобы продлить срок службы агрегата, его необходимо сделать длиннее. Но более длинный также означает большую площадь поверхности, большее содержание благородных металлов и, следовательно, более высокую стоимость.

Исследователям Empa из Лаборатории двигателей внутреннего сгорания под руководством Панайотиса Димопулоса Эггеншвилера удалось найти инновационное решение этой проблемы.Команда работает над каталитическим субстратом из пенокерамики, который в будущем заменит обычную монолитную конструкцию. При той же каталитической производительности новое устройство значительно дешевле, чем установка на основе монолита. В отличие от последнего пенокерамика имеет неправильную структуру, похожую на губку, из-за чего газ, проходящий через нее, течет турбулентно, равномерно распределяясь по всему ее объему. Хотя площадь поверхности пенокатализатора на самом деле меньше, чем у монолита, эта площадь используется намного эффективнее.В результате для достижения того же эффекта, что и у обычного каталитического блока, керамический тип требует только одной трети дорогого благородного металла и только половины физической длины.

Несмотря на хрупкость керамической пены, с помощью коллег из Лаборатории высокоэффективной керамики Empa ученым удалось во много раз увеличить механическую прочность материала. В настоящее время исследовательская группа работает над оптимизацией структуры керамики: вспененная подложка имеет большее сопротивление воздуху, чем монолит, что приводит к сравнительно небольшому увеличению расхода топлива.Используя сложные методы компьютерного моделирования, команда Empa разработала структуры пены, которые уменьшают сопротивление воздуха, не влияя на необходимую турбулентность.

Хотя в настоящее время пенный катализатор производится исключительно в лабораторных масштабах в Empa, промышленные контакты уже проявляют интерес к новому устройству. Бельгийская компания Umicore, занимающаяся технологиями материалов, является партнером проекта, как и Fiat Powertrain Technologies. Катализатор пены испытывается на испытательном дизельном автомобиле на площадке Empa.Кроме того, за последние 18 месяцев автомобиль, оснащенный новым инновационным катализатором, принадлежащим Industriellen Werke Basel (IWB), прошел длительные испытания, которые в конечном итоге должны были пройти не менее 150 000 км.

Более дешевые катализаторы, несмотря на более строгие стандарты выхлопных газов

Foamcat представляет собой идеальную альтернативу монолитному катализатору, особенно для небольших дизельных автомобилей. После того, как в сентябре 2014 года вступит в силу стандарт выхлопных газов Евро-6, выбросы загрязняющих веществ от дизельных двигателей должны будут значительно снизиться.В частности, после этой даты катализатор монооксида азота будет обязательным. В сочетании с сажевым фильтром и обычным углеводородным и углекислотным катализатором это значительно удорожает очистку выхлопных газов дизельных автомобилей. Благодаря значительному снижению потребности в дорогих благородных металлах, пенопласт Empa поможет минимизировать эти затраты.

Источник истории:

Материалы предоставлены Empa . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Бесполезные каталитические нейтрализаторы — да, это вещь

Опубликовано: 16 января 2021 г.


Многие люди уже присылали нам цитаты, и многие видели этот ответ:

«Спасибо, что спросили о цене, к сожалению, у вас нет стоимости. Имейте нас в виду для котировок в будущем ».

Мы не умеем читать мысли, но мы знаем, что это не та реакция, которую ожидает большинство людей, когда они присылают фотографии и серийные номера для цитирования своих кошек.

Почему вы можете спросить, бесполезны ли некоторые кошки? Отличный вопрос, и мы хотели бы обсудить его с вами.

Без драгоценных металлов

Некоторые каталитические нейтрализаторы полны сот, но в них нет драгоценных металлов, которые выстилают керамический или металлический сот. Крупные металлы, входящие в состав каталитических нейтрализаторов, такие как палладий, платина и родий, не всегда содержатся в некоторых катализаторах (например, в дизельных агрегатах), и тогда их значение очень низкое, а иногда это просто сталь.

Есть несколько корпусов каталитических нейтрализаторов, которые мы указали, и мы всегда обязательно указываем их на основе полных катушек со всеми неповрежденными сотами, но иногда материал ломается или изнашивается во время использования. Это также приведет к бесполезному каталитическому нейтрализатору, и если это просто оболочка или небольшие остатки материала, у вас будет гораздо более низкая цена, если не только стоимость стали.

Некоторые «кошки» не кошки

Некоторые кошки, которых мы видели или которых просили процитировать, выглядят как кошки, но могут быть кем-то другим.Некоторые из неправильно понятых «котов», которых мы видели, на самом деле:

  • Глушители
  • Резонаторы
  • Фильтры DEF
  • Воздуховоды

Хотя некоторые из них выглядят как каталитические нейтрализаторы, на самом деле они просто стальные, магнитные из нержавеющей стали серии 410 или, если вам повезет, они могут быть немагнитными трубами из нержавеющей стали.

ОТПРАВИТЬ ФОТОГРАФИИ ДЛЯ ПРЕДЛОЖЕНИЯ

Как узнать, ценен ли ваш каталитический нейтрализатор

Когда вы продаете или хотите продать каталитические нейтрализаторы, вы всегда должны присылать фотографии вместе с серийными номерами (если вы можете их найти).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.