Використання електрокаталізу для нейтралізації відпрацьованих газів автотранспорту

Галенко М.В., Столяренко Г.С.

Черкаський державний технологічний університет

У країнах з високорозвинутою промисловістю і високим рівнем автомобілізації проблема захисту атмосферного повітря від токсичних викидів виросла до рівня невідкладних соціальних проблем. Основним джерелом забруднення атмосфери є відпрацьовані гази, в яких знайдено близько 200 різних речовин в газоподібному, рідкому і твердому вигляді. Деякі з цих сполук не тільки токсичні, але і канцерогенні.

З кожним роком в ЄС запроваджуються все жорсткіші вимоги до якості відхідних газів автотранспорту. Щоб виконувати ці вимоги необхідно створити справді ефективний метод очищення. Тому розроблення дешевого, але водночас більш ефективного нейтралізатора відпрацьованих газів, ніж існуючі на сьогодні, є одним із пріоритетних завдань.

В наш час з токсичністю відпрацьованих газів борються декількома способами: регулюванням двигуна, організацією процесу згорання, встановленням різного роду вловлювачів, установок допалення, зміненням складу палива, застосуванням різних присадок. Зменшити вміст оксидів азоту у відпрацьованих газах можна шляхом обмеження максимальних температур і зменшення кількості палива, що подається на спалювання. Продукти неповного згорання палива – вуглеводні та оксид вуглецю (ІІ) – можуть бути нейтралізовані шляхом допалення їх у випускній системі в присутності повітря, що подається до гарячих відпрацьованих газів в простір перед випускними клапанами. Проте всі ці способи мають недоліки і не призводять до повного усунення токсичності відпрацьованих газів.

Вивчити можливість досягнення повної незалежності каталізу від температури відпрацьованих газів за допомогою використання електронно-іонного збудження молекул газового потоку - задача дослідження.

Нейтралізація токсичних компонентів відпрацьованих газів з використанням хімічних реакцій окиснення і відновлення на цей час є найбільш ефективним засобом зниження токсичності викидів. Для цього у випускну систему двигуна установлюють спеціальний термічний реактор - нейтралізатор. За відсутності каталізаторів повне перетворення оксиду вуглецю (II) і недопалених вуглеводнів відбувається в діапазоні температур від 700˚ до 850°С при умові надлишку кисню. Нейтралізувати оксиди азоту при цьому неможливо, оскільки обов'язковою умовою їх відновлення є відсутність вільного кисню. В присутності каталізаторів температура нейтралізації знижується і забезпечується перетворення всіх токсичних компонентів.

Знешкодження токсичних компонентів газових викидів автомобільних двигунів відбувається за наступними основними реакціями:

2CO+O₂ →2CO₂ (1)

HC+O₂→CO₂+H₂O (2)

2CO+2NO→CO₂+N₂ (3)

HC+NO→ CO₂+H₂O+N₂ (4)

2H₂+2NO→2H₂O+N₂ (5)

Тобто, за реакціями (1) і (2) очищення відбувається в окиснювальному режимі, який забезпечує вилучення оксиду вуглецю (ІІ) і вуглеводнів, а після використання кисню відновлення оксидів азоту здійснюється за реакціями (3), (4), (5). Застосування відповідних каталізаторів забезпечує одночасне окиснення оксиду вуглецю (ІІ) і вуглеводнів, а також відновлення оксидів азоту. При оптимальному управлінні процесом згорання можуть бути виконані екологічні вимоги, що висуваються до автомобілів. Проте у таких нейтралізаторів є ряд недоліків: вони недовговічні, досить дорого коштують, мають низьку ефективність при невисоких температурах, а також застосування нейтралізаторів призводить до збільшення витрат палива і зниження потужності двигуна.

До каталітичної маси висуваються жорсткі вимоги, обумовлені умовами експлуатації: висока ефективність (близька до 100 %) при малому часі контакту (0,01 с), термічна стабільність (до 1270 К), механічна міцність і стійкість до дії отрут. Однак нестаціонарний режим роботи двигуна (особливо в умовах міста) призводить до зниження температури відхідних газів, закоксування і осмолення каталітичної маси і, як наслідок, до зниження ефективності роботи каталізатора.

Електрокаталітична нейтралізація полягає в проходженні відхідних газів спочатку через електророзрядну зону, а потім каталізатор. Процес базується на відновно-окиснювальних процесах, що протікають в зоні розряду на 150-200⁰С нижче, ніж при звичайному термічному каталізі, температура якого становить 400±25⁰С. Даний спосіб очистки дозволяє перевести токсичні компоненти (оксид вуглецю (ІІ), оксиди азоту, вуглеводні) у нетоксичні (азот, воду, оксид вуглецю (ІV)).

Основною відмінністю електрокаталітичного процесу від термічного є те, що при будь-яких режимах роботи двигуна через протікання радикальних реакцій в зоні розряду спостерігається високий ступінь відновлення і окиснення токсичних сполук, а також повне згорання сажі і смоли. Це можливо за рахунок зниження енергетичних бар’єрних процесів, що особливо важливо при пуску холодного двигуна, коли температура відхідних газів нижча від температури запалення каталізатора.

Таблиця 1

Результати експериментів

Компоненти	Початкова концентрація, мг/дм^3	Кінцева концентрація, мг/дм^3	Ступінь очищення	Температура, °С
Оксид вуглецю (ІІ)	720	110	84,7	224
Вуглеводні нафти	1700	580	65,8	229
Оксид азоту (ІІ)	15,0	3,0	80	225
Оксиди азоту (IV)	23,9	11,5	51,9	234

Запропонований спосіб дає можливість: зменшити температуру нейтралізації токсичних компонентів відхідних газів автотранспорту на 170-200⁰С, замінити каталітичний реактор на електрокаталітичний, досягти більшого ступеню нейтралізації.