Радкевич В.Е.
Ташкентский автомобильно-дорожный институт
Одной из основных проблем современного автомобилестроения является проблема выбросов в атмосферу продуктов сгорания топлива.
В настоящее время общее количество эксплуатируемых в Узбекистане автомобилей 1,6млн., на эксплуатацию которых в год используется около 1,4…1,6 млн.т. бензина и 1,5….1,8 млн.т. дизельных топлив. Продукты сгорания автомобильного топлива составляют около 61% всех токсичных выбросов в атмосферу.
Загрязнение атмосферы выхлопами автотранспорта вызывает серьезную озабоченность у правительства РУз: в Программе действий по охране окружающей среды Республики Узбекистан на 2008–2012 годы, утвержденной постановлением Кабинета Министров Республики Узбекистан от 19 сентября 2008 года № 212, в качестве одной из основных целей указано снижение уровня загрязнения окружающей среды. Для достижения этой цели первым мероприятием указано уменьшение выбросов загрязняющих веществ от транспортных средств [1].
Одним из способов решения этой проблемы является использование дожигателей топлива в автомобилях.
В крупных городах уже введены более жесткие требования к составу вредных примесей в выхлопных газах автомобилей (Евро-III, Евро-IV, Евро-V). Этим требованиям можно удовлетворить только при использовании катализаторов.
В настоящее время используются различные типы катализаторов: окислительные каталитические нейтрализаторы для окисления СО и углеводородов, окислительно-восстановительные каталитические нейтрализаторы для восстановления NO до N2 и NH3, адсорбционно-каталитические нейтрализаторы для окисления NO до NО2.
В западных странах широко используются трехкомпонентные катализаторы, предназначенные для нейтрализации трех классов вредных веществ: окисления СО и СН с образованием СО2 и Н2О, а также окисления NO.
Работу катализатора бензинового автомобиля в упрощенном виде можно представить себе следующим образом. Для дожигания лишнего СО необходима температура ~800оС. В середине выпускного тракта такой температуры нет. Катализатор служит нагревателем, который работает на бензине и дает нужную температуру. Устройство его – керамические пластины с сотовой структурой, покрытые сплавом платины, палладия и родия (1,5…3г на 1 катализатор) [4].
При попадании паров бензина при температуре около 300оС происходит каталитическая реакция окисления углеводорода (паров бензина) с выделением тепла. При этом температура повышается до необходимых 800оС, и СО дожигается. Процессом подачи бензина управляет λ-зонд, подающий сигнал о необходимости обеднить или обогатить смесь. Состав выхлопа упрощенно можно представить следующим образом:
100%=%(2СО+О2)+%СО2
λ–зонд измеряет содержание О2 в выхлопе. Если сгорание СО неполное, то %(2СО+О2) в выхлопе увеличивается. Датчик содержания кислорода (λ–зонд) подает сигнал на обогащение смеси. Температура сгорания в цилиндрах повышается, на катализатор попадает большее количество бензина, и температура возрастает. При этом более интенсивно происходит окисление СО кислородом до СО2.
Устройство катализаторов дизельных двигателей несколько отличается от катализаторов бензиновых двигателей. Но проблемы их очистки и регенерации и способы решения этих проблем подобны.
В настоящее время лишь незначительная часть выпускаемых в Узбекистане автомобилей оснащается катализаторами, но их введение неизбежно в недалеком будущем. Поэтому уже сейчас необходимо ознакомиться с проблемами, связанными с их производством, эксплуатацией и регенерацией.
К недостаткам катализаторов относятся следующие:
1. Использование катализаторов приводит к ощутимой потере мощности двигателя (5-10%).
2. Срок службы катализаторов невелик и по пробегу составляет 100-150тыс.км. Однако, в условиях, например, Российской Федерации, срок службы их составляет всего 40-50 тыс.км. Такое снижение срока службы обусловлено:
- качеством топлива, которое содержит большее количество серы или модифицируется различными присадками;
- повышенными вибрационными нагрузками из-за качества дорожного покрытия;
- повышенным угаром смазочных масел из-за низкого качества маслосъемных колец.
Очевидно, что с аналогичными проблемами столкнутся и узбекские производители автомобилей. Основными причинами снижения эффективности катализатора и его выхода из строя являются:
1. Отравление металлов катализа соединениями серы.
2. Закупоривание сот или поверхностное блокирование металлов катализа сажистыми образованиями.
3. Химико-механическое разрушение материала основы (под химико-механическим разрушением понимается разрыхление керамической или металлокерамической основы катализатора под воздействием окислов серы в присутствии паров воды с последующим осыпанием и уносом частиц по газоотводящему тракту).
Кроме того, доокисление СО (а также СН) до СО2 приведет к заметному увеличению выбросов парниковых газов. Конечно, СО является высокотоксичным соединением, но в атмосфере быстро диффундирует и обычно не создает высокой концентрации. Его интенсивно поглощают почвенные микроорганизмы [4].
Поскольку катализаторы являются дорогостоящими узлами автомобилей, возникает задача их регенерации. Традиционная схема включает в себя следующие операции:
- сбор;
- первичная обработка;
- получение концентратов драгоценных металлов;
- аффинаж.
Аффинаж – сложный и малоэффективный процесс. Он включает в себя следующие процедуры:
1) полученный лом обрабатывается царской водкой (смесь HCl и H2SO4), при этом образуется раствор, включающий в себя H2[PtCl6], H2[PdCl4], H2[RhCl6].
2) Для выделения платины полученный раствор обрабатывается NH4Cl. При этом в осадок выпадает (NH4)2[PtCl6] – хлорплатинат аммония. После фильтрования, промывки концентрированным раствором NH4Cl, хлорплатинат аммония высушивается и прокаливается, затем оплавляется в кислородно-водородном пламени или электрической ВЧ печи. Остальные металлы извлекают путем сложных химических реакций. Процесс связан с выделением паров HCl и парниковых газов – окислов азота (при прокаливании). Применяются и другие способы аффинажа.
В Российской Федерации, учитывая малые сроки эксплуатации автокатализаторов, предпринимаются попытки разработать технологию регенерации катализаторов в целом, что даст возможность их вторичного использования. Однако ясно, что проблема таким образом полностью не решается, т.к. вряд ли можно рассчитывать на более чем двухкратное использование катализатора.
При современной тяжелой загруженности окружающей среды вызывает озабоченность введение любой новой технологии. Одним из методов оценки воздействия какого-либо процесса на окружающую среду является оценка жизненного цикла [2, 3]. С помощью этого метода оценивают экологические аспекты и потенциальные воздействия на протяжении всего жизненного цикла продукции (т.е. «от колыбели до могилы») от приобретения сырья до производства, эксплуатации и утилизации.
Учитывая озабоченность ученых всего мира изменением климата, связанным с выбросами парниковых газов, рассмотрим схему для анализа жизненного цикла ископаемого топлива по парниковым газам, представленную на рис. 1.
Анализ жизненного цикла – это аналитический инструмент, который используется для расчета балансов парниковых (и любых других) газов, а также энергетических балансов. Баланс парниковых газов может составляться для различных видов топлив и различных технологий их получения и утилизации.
Баланс парниковых газов получается в результате сравнения всех выбросов парниковых газов на протяжении всех стадий производства и использования топлива со всеми парниковыми газами, которые выделяются при производстве и использовании топлива по другой технологии.
Описанные выше процессы работы и регенерации катализаторов показывают, что в жизненном цикле топлива на стадии «использование для транспорта» (см. рис. 1) произойдут значительные изменения. Здесь появятся процессы дожигания топлива и регенерации катализаторов, связанные с дополнительными выбросами парниковых газов, а также затратами энергии.
В настоящее время перед развивающимися странами и в т.ч. перед Узбекистаном стоит проблема регенерации катализаторов для иномарок, которые эксплуатируются в Узбекистане. В недалекой перспективе эта же проблема встанет для отечественных автомобилей, причем речь будет идти о регенерации десятков тысяч катализаторов, содержащих драгоценные металлы общей стоимостью несколько десятков миллионов долларов в год. При этом соответственно, неизбежны выбросы парниковых и других газов в окружающую среду.
Во-первых, катализатор, обеспечивая более полное сгорание топлива (с эффективностью около 95%), изменяет состав выхлопных газов – приблизительно в 1,1…1,3 раза увеличивается объем выбрасываемого СО2, который является парниковым газом. Конечно, это не значит, что применение катализаторов не оправдано – они необходимы для уменьшения вреда, наносимого здоровью населения токсичными веществами, содержащимися в выхлопных газах.
Во-вторых, в процессе утилизации засорившихся катализаторов выделяются различные газы. Следовательно, продлевается вредное воздействие топлива на окружающую среду. Значит, необходимо учитывать процесс регенерации и утилизации катализаторов при оценке жизненного цикла топлива.
Тогда схема оценки жизненного цикла будет выглядеть следующим образом:
Интересно новое направление в автохимии: нанодобавки к топливу с целью продления жизни катализатора. Таким свойством обладают в частности наночастицы церия и циркония (США). В России создан наноочиститель каталитического нейтрализатора выхлопных газов Fenom Catalytic Converter Nanocleaner для очистки и восстановления каталитической активности нейтрализаторов выхлопных газов бензиновых двигателей, а также электродов катодного датчика (λ–зонда).
Продление жизни катализаторов не исключает их регенерации. Кроме того, производство нанодобавок тоже должно быть включено в жизненный цикл топлива.
Таким образом, из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы:
1. Включение в систему сжигания топлива в автомобилях различных катализаторов продлевает жизненный цикл топлива и любая применяемая технология производства и регенерации катализаторов должна быть включена в схему анализа жизненного цикла топлива для оценки энергозатрат и выбросов по ходу технологической цепочки.
2. Поскольку применение катализаторов увеличивает объем выброса парниковых газов, его можно считать лишь временной мерой, необходимой для уменьшения токсичности выхлопных газов. Больше внимания следует уделить внедрению альтернативных видов топлив, не требующих применения катализаторов, и применение гибридных автомобилей.
Литература:
1. Программа действий по охране окружающей среды Республики Узбекистан на 2008 — 2012 годы. Приложение № 1 к постановлению Кабинета Министров от 19 сентября 2008 года № 212.
2. Дайман С.Ю. и др. Системы экологического менеджмента для практиков. М.: Издательство РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004. — 248 с.
3. ГОСТ Р ИСО 14041-2000. Оценка жизненного цикла.
4. Луканин В. Н., Трофименко Ю. В.. Промышленно-транспортная экология – М.: «Высшая школа», 2001. – 273с.