Caracterización y producción de catalizadores heterogéneos con el fin de eliminar la concentración de oxido nítrico de los escapes de automóviles

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Tema: Caracterización y producción de catalizadores heterogéneos con el fin de eliminar la concentración de oxido nítrico de los escapes de automóviles.[pic 4][pic 5][pic 6][pic 7][pic 8][pic 9]

Introducción

Los óxidos de nitrógeno forman un importante grupo de gases contaminantes. Los más importantes, en cuanto a sus efectos contaminantes, son el dióxido de nitrógeno, NO2 y el óxido nítrico, NO. Los óxidos de nitrógeno se generan a causa de las altas temperaturas que se producen en los procesos de combustión. Las altas temperaturas permiten la combinación directa del oxígeno y el nitrógeno de la atmósfera y se produce óxido nítrico. Este gas se oxida posteriormente y da dióxido de nitrógeno. Los automóviles llegan a producir cerca del 60% del total de óxidos de nitrógeno. últimamente la industria del automóvil hace un importante esfuerzo en el sentido de instalar, en sus modelos, catalizadores que aceleren la descomposición del ácido nítrico en sus componentes originales, nitrógeno y oxígeno, para rebajar la emisión de este contaminante. Estos gases originan la disminución de la visibilidad, la corrosión de materiales y la disminución en el crecimiento de algunas especies vegetales de importancia agrícola.

En una primera reacción, los óxidos de nitrógeno se transforman, en la atmósfera en ácido nítrico o nitratos. Este ácido es arrastrado por el agua de lluvia y llega a ser uno de los constituyentes de las lluvias ácidas. Los óxidos de nitrógeno intervienen también en la destrucción de la capa de ozono. Aunque actúen sólo como catalizadores, pequeñas cantidades de óxido pueden destruir grandes cantidades de ozono hasta que no son eliminados de la estratosfera por un lento proceso natural.

El catalizador en un coche

Un coche normalmente quema combustible y genera óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono y residuos de combustible no quemado. Todos los coches llevan un catalizador que este situado debajo del capo, unido al motor y justo antes del sistema de escape. Los gases producidos por el motor van directos al catalizador y salen por el tubo de escape en menos de una décima de segundo. El catalizador tarda menos de una décima de segundo en combinar las moléculas de los gases tóxicos para producir vapor de agua, co2 y oxígeno.

La estructura de acero inoxidable de todo lo que compone el catalizador contiene dos bloques de cerámica. Cada uno de los bloques está lleno de micro conductos y los laterales están bañados de platino y rodio en el primer bloque, platino y paladio en el segundo bloque. Unidos tienen la extraordinaria propiedad de hacer reaccionar los gases tóxicos, volver a combinarlos y hacer gases inocuos a la salud sin tener que oxidarse. Maximizan la zona de contacto entre el gas y los metales.

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El metal en el interior de un catalizador vale mas de 74000 euros el kilo.

Se llegan a tener 60 micro conductos por cada centímetro cuadrado de espacio en el tubo de escape. Las reacciones son más eficientes cuando el catalizador alcanza temperaturas de hasta 750°F. Los gases tóxicos calientan el catalizador debido a que salen del motor a aproximadamente 600°F y las reacciónes que tienen dentro del catalizador al ser exotérmicas, hace que la temperatura se eleve hasta la cifra de 750°F el cual es el proceso del reformado del gas.[pic 11]

Las moléculas de óxido de nitrógeno, monóxido de carbono y el residuo de combustible entran al catalizador y son absorbidos por los micro conductos de platino y rodio. Las moléculas de óxido de nitrógeno son las primeras en reaccionar reteniendo uno de los átomos de nitrógeno o de oxigeno para posteriormente juntarse con uno de su misma especie formando así el O2 y N2 y continúan su camino hacia el siguiente bloque cuyos conductos están hechos de platino y paladio. Los metales preciosos que antes formaron oxido diatómico hacen que con el gran calor generado el CO pase a ser CO2. Las moléculas de hidrocarburo no quemado pasan a ser oxido de carbono y agua.

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Los catalizadores superficiales están hechos de metal, cerámicos o una combinación de ambos como lo es en este caso el catalizador del tubo de escape de un coche. Se busca siempre aumentar el área de contacto superficial, lo que hacen es incrementar el numero de colisiones exitosas que ocurren en una reacción, también pueden crear nuevos intermediarios de reacción o nuevos pasos en el mecanismo de la reacción.

El funcionamiento dentro del catalizador superficial hace que los electrones del metal se compartan en una nube electrónica deslocalizada alrededor de todos los átomos pero si nos acercamos mas a la superficie del metal, se encontraran electrones desapareados o sitios activos que permiten la catálisis de la reacción por lo que los NOx’s y CO se adhieren a la superficie bajo el fenómeno de la adsorción y los átomos de N y O se pueden mover por la superficie y será más fácil que ocurra una colisión exitosa contra otra molécula de N u O para producir N2, O2, CO2 y agua.

Se propone como método alternativo a los catalizadores tradicionales de automóvil, emplear un metal del cual su disposición sea más fácil de conseguir y para emplear solamente cerio para conseguir micro tubos de estos materiales por el método de sol-gel el cual nos dará la producción de un cerámico denso mediante la evaporación del gel húmedo. Una vez que se tenga este cerámico se harán sus soportes sobre óxidos simples y mixtos de Alúmina y Ceria y finalmente se implantaría al escape de acero.

Se decide emplear sol-gel debido a que el proceso es un método de producción de materiales sólidos a partir de moléculas pequeñas como lo serán los sitios activos del catalizador. Este método es usado para la fabricación de óxidos metálicos, especialmente de silicio y titanio. El proceso implica la conversión de monómeros en una solución coloidal (sol) que actúa como precursor de una red integrada (o gel) de partículas discretas o polímeros reticulados. Los precursores típicos son alcóxidos.

Las caracterizaciones de materiales catalíticos se realizan bajo las técnicas siguientes:

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