Marmitte catalitiche: reazioni, funzionamento
Le marmitte catalitiche servono per ridurre le emissioni di gas inquinanti presenti nei gas di scarico rilasciati da un motore a combustione interna di un’automobile.
L’uso di combustibili derivanti dal petrolio come benzina o diesel nel settore dei trasporti porta alle emissioni di gas serra. Essi infatti rilasciano nei gas di scarico composti come anidride carbonica, ossidi dellโazoto e monossido di carbonio.
La funzione delle marmitte catalitiche รจ quella di rimuovere questi gas prima che si disperdano nell’ambiente.
Funzionamento
La maggior parte delle marmitte catalitiche ha un nucleo di materiale ceramico con una configurazione a nido d’ape per aumentare la superficie di contatto tra il flusso di gas di scarico e la superficie del catalizzatore. Il nido d’ape รจ rivestito da platino, palladio e rodio che agiscono da catalizzatori.
Questi metalli nobili inoltre sono in grado di resistere all’ossidazione, alla corrosione e agli acidi. I catalizzatori accelerano la velocitร delle reazioni secondo un meccanismo di catalisi eterogenea.
Inoltre la velocitร della reazione dipende anche dalla temperatura secondo lโequazione di Arrhenius:
K = A e-Ea/RT
Dove K รจ la costante specifica della reazione; A la costante caratteristica della reazione detta fattore di frequenza; Ea lโenergia di attivazione; R costante universale dei gas; T temperatura assoluta.
I meccanismi di trasferimento del calore in questo sistema sono:
- Conduzione del calore lungo la marmitta
- Trasferimento di calore per convezione dalle specie gassose alle pareti della marmitta
- Generazione di calore dalle reazioni chimiche che sono esotermiche
Le velocitร di reazione sono una funzione della concentrazione dei reagenti, quindi รจ fondamentale prendere in considerazione il loro trasporto e consumo lungo il reattore.
Reazioni
I primi convertitori catalitici risalenti al 1970 utilizzavano solo platino e palladio quali catalizzatori che agivano solo sulle reazioni di ossidazione del monossido di carbonio e degli idrocarburi incombusti.
A partire dal 1981 lโaggiunta del rodio ha consentito la catalisi anche della riduzione degli ossidi di azoto nei convertitori detti a tre-vie. Le reazioni che avvengono sono:
- ossidazione degli idrocarburi incombusti in presenza dell’ossigeno gassoso che si trova nei gas di scarico con formazione di biossido di carbonio e vapore acqueo.
Un esempio รจ l’ossidazione del benzene:
2 C6H6 + 15 O2 โ 12 CO2 + 6 H2O
- ossidazione del monossido di carbonio con formazione di biossido di carbonio:
2 CO + O2 โ 2 CO2
In queste reazioni lโazione del catalizzatore รจ diretta a indebolire il legame doppio presente nella molecola di O2ย che avviene sulla superficie della ceramica a nido d’ape.
- riduzione degli ossidi di azoto ad azoto:
C + 2 NO2 โ CO2 + 2 NO
2 CO + 2 NO โ 2 CO2 + N2
4 CO + 2 NO2 + 4 CO2 + N2
Il rodio metallico รจ utilizzato per queste reazioni di riduzione perchรฉ รจ un agente ossidante rispetto agli altri agenti riducenti, palladio e platino.