Бекболатов Г.Ж.

Южно-Казахстанский государственный университет им.М.Ауезова,

Казахстан, г. Шымкент.

Адсорбционно-каталитические свойства бентонита и структурообразователя Полинак при нейтрализации газов автомобилей

Нейтрализация широко используется при очистке вредных компонентов отработавших газов объектов транспорта. Токсичность отработавших газов можно уменьшить с помощью реакторов, установленных в выпускной системе транспортного средства. При этом степень превращения газов (%) в нейтрализаторе оценивается коэффициентом преобразования:

(1)

где С_вх, С_вых - концентрации токсичных компонентов в отработавших газах на входе и выходе нейтрализатора.

К устройствам нейтрализации двигателей с искровым зажиганием относятся термореакторы, окисляющие С_хН_у и СО до СО₂, и каталитические системы нейтрализации отработавших газов окислительного и бифункционального действия, восстанавливающие NО до азота и кислорода и окисляющие С_хН_у и СО до СО₂. Для этих целей могут использоваться и системы поглощения вредных веществ адсорбционного типа, а также системы подачи в отработавшие газы специальных добавок для усиления окислительных и восстановительных процессов.

Одним из перспективных является адсорбционно-каталитический нейтрализатор, который эффективно работает как на бедных, так и на богатых смесях. Носитель из Al₂О₃ покрыт катализатором из платины и полимерным реагентом Полинак, а также бентонитом, выполняющим функцию адсорбера. При работе на бедных смесях платиновый катализатор способствует окислению NО до NО₂, который на полимерном реагенте Полинак и бентоните адсорбируется в виде нитрата. Когда двигатель будет работать при α <1,0, то NО: с участием С_хН_у, СО и Н₂ восстанавливается на плати новородиевом катализаторе. Коэффициент преобразования NО, составляет 60% и в значительной степени зависит от соотношения С_хН_у/ NО_х, а также температуры. При работе двигателя при α = 1-1,05 кислорода в отработавших газах может не хватать для окисления на катализаторе всего количества образующегося в цилиндрах NО. Улучшению условий работы адсорбционно-каталитического нейтрализатора при нарушении требуемого баланса между временем работы двигателя при α>1,0 и при α <1,0 может способствовать подача в выпускную систему (перед нейтрализатором) какого-либо топлива. Это топливо, связывая избыточный кислород, будет создавать восстановительную среду, и увеличивать восстановление нитрата.

На автомобилях устанавливаются катализаторы для уменьшения количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу с выхлопными газами. Катализатор отработанных газов имеет корпус из нержавеющей стали, к которому присоединены впускной и выпускной конусы с патрубками и крепежными фланцами, а также теплоотражатели, удерживающие керамическую обшивку. Внутренний объем корпуса занят полимерным реагентом Полинак и бентонитом, зафиксированным кольцами или сеткой из нержавеющей стали. В катализаторе происходит реакция, в результате которой потенциально опасный углеводород и окись углерода в выхлопных газах превращаются в безопасные газы и водяной пар. Двигатель выбрасывает в атмосферу вместе с отработанными газами продукты полного (водяной пар Н₂О, азот N₂ и т.п.) и неполного (оксид углерода СО, а также С_хН_у, оксиды азота NO_X ) сгорания топлива. Общее число компонентов, которые содержатся в этих газах, превышает несколько сотен, и большинство из них вредны для здоровья человека. Отработанные газы, проникая через пористую поверхность бентонита, во-первых, нагревают его, а во-вторых, доокисляются. Из СО получается СО₂, то есть нетоксичный углекислый газ, С_хН_у в несколько этапов переходит в СО₂ и Н₂О, NO_Х превращается в молекулярный N₂, который содержится в обычном воздухе, и в воду. Словом, в катализаторе происходят довольно сложные химические реакции, благодаря высокой температуре и наличию специального покрытия. Главный позитивный эффект катализатора – полная нейтрализация трех компонентов – СО, С_хН_у, NO_Х, – которых в отработанных газах больше, чем других вредных веществ. Важную роль играет температура, выдерживающаяся в границах 300–800° С. Если она снижается до 250° С, химические реакции нейтрализации СО, С_хН_у, NO_Х, несмотря на наличие металлов-катализаторов, не произойдут. А при температуре около 900°С начинает плавиться и разрушаться каталитическая пленка.

Актуальной задачей современной химии является поиск новых искусственных структурообразующих полимеров, которые применяются в качестве добавок для улучшения структурно-механических и технологических свойств минеральных суспензии глин. Эти вещества применяются в автомобильном транспорте для очистки отработавших газов.

Нами исследованы реологические свойства растворов нового структурообразователя Полинак в зависимости от времени его приготовления. В качестве объекта исследования были взяты искусственные структурообразователи Полинак-1, Полинак-2, Полинак-3, полученные на основе акрилонитрила. Различие этих полимеров заключается в различной продолжительности времени омыления: Полинак-1 (30 мин.), Полинак-2 (1 час), Полинак-3 (2 часа). Проведены исследованы физико- и коллоидно-химические свойства реагентов Полинак в объеме и на границе раздела фаз. Объемные свойства изучались методами вискозиметрии, потенциометрии, спектротурбодиметрии. Поведение в пограничеом слое изучалось методами тендометрии (измерение поверхностного натяжения по Вильгельгии). Основной особенностью адсорбции полимеров серии «К» является замедленность этого процесса. Полученные полимерные реагенты Полинак оказывают различное влияние на дисперсные системы – флокулирующее, стабилизирующее и структурообразующее. Проявление различного действия на устойчивость дисперсных систем определяется состоянием и поведением макромолекул в растворе, зависящем от функционального состава, концентрации, рН, ионной силы и других факторов. Замедленная кинетика растворов полимеров, по-видимому, связана с медленным дифференцированием на границе раздела фаз различных по полярности групп макромолекулы. Клубки дифильных макромолекул, диффундируя к границе раздела фаз, вначале адсорбируется случайными сегментами. В дальнейшем макромолекулы претерпевают конформационные превращения. Скорость протекания этого процесса определяется гибкостью полимерных цепей, зависящей от межсегментных взаимодействий, энергии контактирования с границей раздела фаз поверхностно-активных сегментов и характера их распределения вдоль полимерных цепей. Скорость понижения растворов полимеров определяется одновременно скоростью протекания 2-х процессов - диффузия макромолекулы к границе раздела фаз и их конформационного превращения на этой границе. Вклад каждого из этих факторов в кинетику понижения δ может быть различным в зависимости от концентрации раствора полимера и от природы их макромолекул. В разбавленных растворах скорость понижения δ в основном определяется скоростью диффузии макромолекул к границе раздела фаз, в то время как концентрированных растворах - скоростью изменения их конформации.

В результате моделирования переноса в адсорбционно-каталитических нейтрализаторах получено одномерное приближение, отражающее качественные особенности разработанной модели:

, (2)

где - коэффициент миграционной диффузии.

Влияние миграции приводит к нелинейности диффузионного уравнения. Следует вывод, что может существовать волновой режим адсорбции – режим бегущей вдоль слоя концентрационной волны со скоростью

. (3)

Соответственно, длина концентрационной бегущей волны

. (4)

Приходим к выражению для профиля волнового концентрационного фронта с учетом миграционной диффузии:

, (5)

где

- характерная длина волны, (6)

- частота. (7)

Из полученных соотношений следует вывод, что скорость волнового фронта не может быть больше половины величины миграционного коэффициента диффузии:

. (8)