เครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา

[vvith]

เครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา เป็นอุปกรณ์สำหรับ กำจัด ลด ปริมาณมลพิษ ที่เกิดจากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ของเครื่องยนต์ ก่อนปล่อยออกสู่บรรยากาศ



หลักการทำงาน

ปฏิกิริยาทางเคมีที่นำมาใช้กับเครื่องฟอกไอเสียฯ ปกติสามารถเกิดขึ้นได้เองในธรรมชาติ แต่อัตราการเกิดขึ้นเองตามธรรมชาตินั้นช้ามาก หากต้องการให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเร็วขึ้น จำเป็นที่จะต้องใช้สารเร่งปฏิกิริยา (catalyst) ซึ่งสารเร่งปฏิกิริยาจะใช้สารจำพวกโลหะ ในกลุ่ม โลหะมีตระกูล (Noble metals) ซึ่งเป็นสารโลหะที่มีค่าเฉื่อยในการเกิดปฏิกิริยาเคมี เช่น แพลทินัม แพลเลเดียม โรเดียม สารโลหะสามตัวนี้เป็นสารหลักในการใช้เป็นตัวเร่งการเกิดปฏิกิริยา สารแต่ละตัวมีเกิดปฏิกิริยาทางเคมีแตกต่างกัน โรเดียม ใช้สำหรับเร่งปฏิกิริยารีดักชัน ของก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ ส่วนแพลทินัมกับแพลเลเดียม ใช้สำหรับเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์และสารประกอบไฮโดรคาร์บอน

การเกิดปฏิกิริยาทางเคมีในเครื่องฟอกไอเสียฯ แบบ 3 ทาง มีสองหลักการสำคัญคือ รีดักชัน และ ออกซิเดชัน ซึ่งแต่ละปฏิกิริยาต้องใช้สารโลหะต่างชนิดกัน จึงจำเป็นต้องแบ่งพื้นที่การเกิดออกจากกัน และต้องจัดกระบวนการเกิดให้สอดคล้องกันตามขั้นตอน

กระบวนการเปลี่ยนก๊าซไนโตรเจนออกไซด์เป็นก๊าซไนโตรเจน และออกซิเจน (2NOx → N2 + xO2) ส่วนที่ถูกเคลือบด้วยสารโรเดียมทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยารีดักชัน ในขั้นตอนนี้ไนโตรเจนออกไซด์จะถูกเปลี่ยนเป็นก๊าซไนโตรเจนและออกซิเจน จากนั้นก๊าซออกซิเจนที่ได้จากกระบวนการนี้ถูกส่งผ่านมายังพื้นที่ที่ถูกเคลือบด้วยแพลทินัม หรือแพลเลเดียมเพื่อใช้ในกระบวนการต่อไป
ส่วนที่ว่างสำหรับแยกส่วนการเกิดปฏิกิริยา ส่งผ่านออกซิเจน ที่ได้จากการกระบวนการรีดักชัน เพื่อใช้ในกระบวนการออกซิเดชัน
กระบวนการเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ และเปลี่ยนสารประกอบไฮโดรคาร์บอนเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำ ส่วนที่ถูกเคลือบด้วยสารแพลทินัม หรือแพลเลเดียม ทำหน้าที่เร่งการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน กระบวนการนี้ต้องอาศัยออกซิเจนซึ่งได้จากกระบวนการรีดักชัน ในการเร่งการเกิดปฏิกิริยา คาร์บอนมอนอกไซด์ ถูกเร่งให้ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนออกมาเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (2CO + O2 → 2CO2) ส่วนสารประกอบไฮโดรคาร์บอนทำปฏิกิริยากับออกซิเจนทำให้แตกตัวออกมาเป็นคาร์บอนไดออกไซด์กับไอน้ำ (CxH2x+2 + [ (3x+1) /2]O2 → xCO2 + (x+1) H2O


วิวัฒนาการ

ในยุคแรกของการผลิตเครื่องฟอกไอเสียฯ ภายในของตัวเครื่องฯ บรรจุเม็ดอลูมินาหรืออะลูมิเนียมออกไซด์ มีสูตรทางเคมีว่า Al2O3 ไว้ในปริมาณมากสำหรับใช้เป็นแกนรองรับสารเร่งปฏิกิริยา

พ.ศ. 2517 เครื่องฟอกไอเสียฯได้เข้าสู่การเปลี่ยนแปลงและใช้มาจนถึงปัจจุบันนั้น สารเร่งปฏิกิริยาถูกเคลือบอยู่บนแกนรองรับซึ่งทำจากเหล็กกล้าแบบไร้สนิม หรือ อาจทำจากเซรามิกซ์ชื่อCordierite มีสูตรทางเคมีว่า Mg2Al4Si5O18 ส่วนภายในแกนรองรับที่ถูกเคลือบด้วยสารเร่งปฏิกิริยาจะคล้ายรังผึ้ง กล่าวคือมีช่องกลวงเล็ก ๆ เป็นจำนวนมาก สำหรับใช้เป็นพื้นที่ในเร่งการเกิดปฏิกิริยา เครื่องฟอกไอเสียฯ แบบใหม่มีข้อดีคือสามารถลดแรงดันย้อนกลับจากไอเสียได้เป็นอย่างดี ส่วนต้นทุนจะสูงกว่าแบบเม็ดอลูมินา ในช่วงแรกของการผลิตเครื่องฟอกไอเสียแบบนี้ จำนวนช่องมีประมาณ 200 ช่อง/ตารางนิ้ว แต่ละช่องมีผนังหนาประมาณ 0.305 มิลลิเมตร ในปัจจุบันแม้จะใช้รูปแบบเดียวกัน แต่จำนวนช่องต่อพื้นที่มีปริมาณมากขึ้น ในแต่ละแบบอาจแตกต่างกันในด้านปริมาณ เช่น 400, 600, 1,000 ช่อง/ตารางนิ้ว ความหนาของผนังมีเพียง 0.025 มิลลิเมตร การมีช่องมากขึ้นในพื้นที่เท่าเดิมส่งผลให้มีพื้นที่ในส่วนทำปฏิกิริยาทางเคมีมากขึ้น ปริมาณมลพิษหรือก๊าซพิษจะถูกกำจัดหรือลดได้มากขึ้น