Convertitori catalitici: composizione, reazioni

I convertitori catalitici sono dispositivi inseriti nell’impianto di scarico di un’automobile in grado di favorire o di accelerare una reazione chimica.
La reazione chimica più importante che avviene in un motore a combustione interna è la combustione del carburante. Se la combustione fosse completa gli unici prodotti di reazione sarebbero biossido di carbonio e vapore acqueo.

Tuttavia, affinché ciò possa avvenire si dovrebbero verificare una serie di fattori: presenza sufficiente di ossigeno, adeguata miscelazione della benzina e dell’aria e tempo sufficiente affinché la miscela reagisca.

Prodotti di reazione nei motori a combustione interna

Nei motori a combustione interna, tuttavia, il tempo disponibile è limitato dal ciclo del motore pertanto si verifica una combustione incompleta del carburante e ciò porta all’emissione del monossido di carbonio e di una vasta gamma di composti organici volatili (VOCs) compresi gli idrocarburi (HC) e di sostanze aromatiche.

Vi sono poi altri prodotti del processo di combustione costituiti dagli ossidi di azoto indicati con la sigla NO_x che si formano dalla reazione tra l’ossigeno e l’azoto presenti nell’aria ad elevate temperature.

I convertitori catalitici sono dei dispositivi che controllano le emissioni di scarico convertendo i gas nocivi in inquinanti meno dannosi per l’uomo e l’ambiente con conseguente diminuzione dell’inquinamento dell’aria.

I convertitori catalitici sono in grado di trasformare circa il 98% dei fumi nocivi catalizzando reazioni di ossidoriduzione in cui i reagenti sono costituiti dai prodotti di scarico.

Composizione dei convertitori catalitici

Essi sono costituiti da un alloggiamento metallico in cui vi è del materiale ceramico a nido d’ape rivestita da cordierite 2 Mg.2 Al₂O₃. 5 SiO₂ con pareti porose. Vi sono canali paralleli di circa 60 cm contenenti metalli di transizione come platino, palladio e rodio.

Per aumentare la superficie di contatto la superficie interna a forma di nido d’ape è rivestita da uno strato irregolare di ossido di alluminio in cui sono contenuti degli ossidi.

L’ossido di bario BaO agisce da promotore strutturale impedendo che le particelle del catalizzatore, per effetto della temperatura o con il tempo subiscano un processo di sinterizzazione. Si avrebbe infatti una riduzione dell’attività catalitica a causa della diminuzione della superficie totale esterna del catalizzatore.

L’ossido di germanio GeO₂ agisce da promotore chimico aumentando l’attività e la selettività del catalizzatore.

Reazioni

Tra i convertitori catalitici più efficaci vi è quello trivalente o ossidante e riducente. Esso è detto three-way in quanto è in grado di agire sui tre principali inquinanti. Nella prima sezione del convertitore catalitico detta camera riducente vengono ridotti gli NO_x in azoto e ossigeno.  La reazione è catalizzata dal platino e dal rodio:

2 NO → N₂ + O₂

2 NO₂ → N₂ + 2 O₂

Nella seconda sezione della camera ossidante vengono ossidati il monossido di carbonio, gli idrocarburi incombusti e i VOCs ad opera del platino e del palladio:

2 CO + O₂ → 2 CO₂

C_nH_m + [n+ (m/4)] O₂ → n CO2 + m/2 H₂O

I catalizzatori presenti all’interno del convertitore possono danneggiarsi per usura o surriscaldamento ma vi sono sostanze chimiche in grado di inibire i catalizzatori avvelenandoli. Innanzi tutto il piombo che è in grado di rivestire i metalli catalitici impedendo il contatto con i gas di scarico. Sebbene le attuali benzine siano prive di piombo tetraetile una eventuale impurezza danneggia il convertitore.

Il metilciclopentadienil-tricarbonil-manganese (MMT), composto utilizzato negli anni ’90 dello scorso secolo per aumentare il numero di ottani della benzina e successivamente bandito è un altro composto che, a causa della presenza di manganese, è in grado di danneggiare il convertitore.