دستگاه های آنالیز پرتابل کاتالیست هیتاچی ژاپن و ترمو آمریکا

دستگاه های آنالیز پرتابل کاتالیست هیتاچی ژاپن و ترمو آمریکا

آنالیز:
کاتالیست تا ۹۰٪ گازهای سمی را بی‌اثر می‌کند به‌گونه‌ای که هیدروکربن‌های نسوخته که از موتور خارج می‌شوند را به آب و دی اکسید کربن تبدیل می‌کند. علاوه بر این اکسید ازت را به گاز ازت تبدیل می‌کند بنابراین کاتالیست در کاهش آلودگی هوا بسیار مؤثر است. طول عمر مفید کاتالیست۰۰۰۰ تا ۶۰۰۰۰ کیلومتر است.مبدل‌های کاتالیست که هم‌اکنون بر روی خودروهای تولیدی در ایران نصب می‌شود تا میزان آلایندگی آن‌ها را کاهش دهد پس از ۸۰۰۰۰ کیلومتر پر شده و عملاً کارایی خود را از دست می‌دهد و میزان آلایندگی خودرو تا پنج برابر افزایش می‌یابد.متوسط عمر کاتالیست چیزی حدود ۴ سال است و پس از مدت زمان یاد شده باید قطعه مورد نظر تعویض شود.

عناصر تشکیل دهنده:

عناصر اصلی که نقش کاتالیستی را انجام می‌دهند بسته به نوع فرایندی که انجام می‌گیرد یا استانداردهای آلایندگی مورد استفاده عبارتند از: فلزهای گران‌بها، مانند پلاتین، پالادیم و رودیم و نیز فلزات غیر گران‌بها مانند آهن، منگنز، نیکل و مس. همچنین عنصر سریم در کاتالیست‌های سه‌گانه به عنوان بافر و ذخیره‌کننده و آزادکننده اکسیژن به کار می‌رود تا مخلوط گاز را همواره در حد نقطه استوکیومتری نگه دارد، زیرا در حول این نقطه کاتالیست‌های سه‌گانه بالاترین کارایی را نشان می‌دهند.

غیرفعال شدن کاتالیزور:

کاتالیزورها دارای عمر مفید و معین هستند و با گذشت زمان از فعالیت و تأثیر آن در واکنش کاسته می‌شود یعنی نقاط فعالی روی کاتالیزور وجود دارد که این نقاط به مرور زمان مسموم می‌شوند. مسمومیت می‌تواند: – ایجاد لایه ضخیم از ماده واکنش دهنده بر روی کاتالیزور دهد. – باعث تغییر آرایش بلوری کاتالیزور شود. – باعث جذب ناخالصی‌ها در نقاط فعال شود.

طول عمر کاتالیست:

کاتالیست مرغوب می‌تواند تا ۹۰ درصد از گازهای سمی خروجی از اگزوز را به گازهای بی‌خطر تبدیل کند\ اما رفته رفته که به عمر کاتالیزور اضافه می‌شود، این درصد نیز کاهش یافته و کمتر می‌شود. بنابراین باید بدانید هر کاتالیست یک عمر مفید دارد و پس از اتمام این عمر مفید باید تعویض شود. تعویض کاتالیست در اگزوزسازی‌ها انجام می‌شود و کاتالیز کهنه با یک کاتالیست جدید معاوضه می‌شود. به طور متوسط عمر مفید کارکرد هر کاتالیست خودرو بین ۸۰ تا ۱۰۰ هزار کیلومتر است و از این رقم تجاوز نمی‌کند. به طور متوسط هر کاتالیست عمر مفیدی بین ۳ تا ۴ سال دارد و پس از آن کارآیی خود را به طور کامل از دست می‌دهد و به این ترتیب خودرو به یک آلاینده محیط‌زیست تبدیل می‌شود.

عوامل مخرب و تاثیرگذار بر کاهش طول عمر کاتالیست:

کاتالیست‌ها به‌دلیل ساختار خود حساس و شکننده هستند از این‌رو می‌تواند در صورت رعایت نکردن برخی نکات به سرعت آسیب ببیند. رایج‌ترین علل خرابی کاتالیست‌ها به گرفتگی منافذ اسنفجی آن باز خواهد گشت چرا که در صورت گرفتگی باعث می‌شود دود خروجی از سیلندر به‌راحتی از کاتالیست عبور نکند و این فشار بیش از حد موجب تخریب این قطعه خواهد شد.

از دیگر دلایل خرابی کاتالیست‌ها، به ضربه‌های فیزیکی به این قطعه باز خواهد گشت. همانطور که اشاره شد ساختار کاتالیست‌ها بسیار شکننده است و در صورت ضربه وارد شدن به محفظه خارجی آن باعث می‌شود کاتالیست خرد گردد. کاتالیست همچنین به دمای زیاد بسیار حساس است به‌طوری‌که اگر دمای این قطعه به بیش از حد مجاز برسد باعث خرابی و از دست دادن خاصیتش خواهد شد. این مشکل زمانی ایجاد می‌شود که دمای موتور به دلایل مختلف بیش از حد افزایش یابد.

میزان خلوص گازهای خروجی از سیلندر برای سلامت کاتالیست بسیار مهم است چراکه اگر گازهای خروجی به مواد دیگری آغشته باشد به مرور زمان اثر خود را از دست خواهد داد. برای مثال زمانی که واشر سرسیلندر خودرو دچار مشکل و ترکیب روغن و آب وارد سیلندر شود، به‌ناچار گازهای خروجی هم به مواد یادشده آغشته شده و به کاتالیست‌ها آسیب می‌زند. خرابی سیستم جرقه‌زنی موتور از دیگر عوامل خرابی پیش از موعد کاتالیست‌هاست چرا که در صورت احتراق نامناسب، مخلوط هوا و بنزین به‌صورت ناقص می‌سوزد و و گازهای حاصل از این احتراق ناقص باعث آسیب رساندن به کاتالیست‌ها خواهد شد. به‌دلیل وجود سرب در بنزین‌های نامرغوب و همچنین مکمل‌های انژکتورشور در باک یا اکتان بوسترها، استفاده از موارد فوق به کاتالیست آسیب می‌زند.

نشانه های خرابی کاتالیست خودرو

کاهش شتاب موتور

افزایش یک‌باره مصرف سوخت

روشن نشدن ماشین

لرزش خودرو

بوی بد و افزایش میزان آن به مرور

کاهش دمای کاتالیست

سخت استارت خوردن ماشین

بیش از حد بودن میزان HC و CO در تست آلایندگی

روشن شدن چراغ چک

انواع:

۱) دوگانه

این نوع از کاتالیزورها به‌طور عمده
‌ای در موتورهای دیزلی برای کاهش آلاینده‌های مونوکسیدکربن و هیدروکربن‌های نسوخته به کار می روند. به علت عدم توانایی این‌گونه از کاتالیست‌ها در کاهش آلاینده‌های اکسید نیتروژن، امروزه در موتورهای بنزینی از این نوع کاتالیست‌ها استفاده نشده و به جای آن‌ها از کاتالیست‌های سه‌گانه بهره برده می‌شود. کاتالیزور دوگانه دو عمل را به‌طور هم‌زمان انجام می‌دهد:

آ) اکسیداسیون مونوکسید کربن به دی‌اکسید کربن: CO + 0.5O2 → CO2

ب) اکسیداسیون هیدروکربن‌های نسوخته و تبدیل آن‌ها به دی‌اکسید کربن و آب: CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O

۲)سه گانه

مبدل کاتالیستی سه‌گانه سه وظیفه زیر را انجام می‌دهد:

آ) کاهش اکسیدهای نیتروژن به اکسیژن و نیتروژن: ۲NOx → xO2 + N2

ب) اکسیداسیون مونوکسیدکربن به دی‌اکسید کربن: CO + 0.5O2 → CO2

پ) اکسیداسیون هیدروکربن‌های نسوخته و تبدیل آن‌ها به دی‌اکسید کربن و آب: CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O

نکته بسیار مهم در رابطه با این نوع از کاتالیست‌ها این است که زمانی این کاتالیست‌ها بالاترین راندمان را دارند که گازهای خروجی از موتور و ورودی به کاتالیست به مقدار کمی بالاتر از نقطه استوکیومتری باشند. این بدان معناست که نسبت وزنی هوا به سوخت در مخلوط ورودی به کاتالیست در موتورهای بنزینی در حدود ۱۴/۶ تا ۱۴/۸ باشد.

بخش‌های تشکیل‌دهنده کاتالیزور

ماده کاتالیزگر: اصلی‌ترین ماده کاتالیست از فلزهای گران قیمتی همچون پالادیوم، رادیوم، پلاتین، طلا، کادمیوم یا ترکیبی از آن‌ها تشکیل شده است. در نظر داشته باشید که استفاده از همین فلزات ارزشمند، قیمت کاتالیزور اگزوز را افزایش داده؛ بنابراین در حفظ و نگهداری آن، بسیار دقت کنید تا عمر مفیدی داشته باشد.

هسته کاتالیزور: این هسته، بستری از جنس سرامیک مونولیت است که در بیشتر مواقع با حالت و ساختار لانه زنبوری در مرکز کاتالیست قرار دارد.

لایه اکسیدی: جنس این لایه از اکسید آلومینیوم، سیلیکا، آلومینا یا دی اکسید تیتانیوم است که وظیفه آن محافظت و نگهداری از ماده کاتالیزگر است.

در ایران شرکت‌های خودروسازی از سال ۱۳۸۲ نصب کاتالیست را در خودروهای داخلی آغاز کردند و قبل از این تاریخ خودروها فاقد استاندارد بوده‌اند و به همین دلیل آلایندگی این خودروها بیش از ۳۰ برابر سایر خودروها است و براین اساس خروج خودروهای مدل ۱۳۸۲ به پایین در سازمان حفاظت از محیط زیست ارائه شده‌است. احتمال می‌رود در تعدادی از خودروهای تولیدی سه ماهه آخر سال ۱۳۸۶ نیز قطعه کاتالیست نصب نشده باشد.

تا سال ۹۱، بود یا نبود کنیستر و کاتالیست‌ها در مراکز معاینه فنی داخل کشور سنجیده نمی‌شد.[۱] به موجب طرح جامع کاهش آلودگی هوا «آزمون صحت کاتالیست کانورتور و کربن کنیستر در معاینات فنی خودروها به منظور صدور برگه و برچسب معاینه فنی از ابتدای سال ۹۱ اجباری است».[۷]

جستارهای وابسته

کنیستر

استاندارد آلایندگی اروپا

آلودگی هوا

فرایند تصفیه با هیدروژن

فرایند تصفیه در پالایش نفت دارای اهمیت زیادی است. به علت گرانی هیدروژن این روش تا مدت‌ها توسعه چندانی نیافته بود؛ ولی از زمانی که توانستند هیدروژن ارزان قیمت از واحد رفرمینگ بدست بیاورند در پالایشگاه‌ها گسترش یافت. هدف عملیات تصفیه با هیدروژن حذف یا کاهش ترکیبات گوگردی، نیتروژن‌دار و اکسیژن‌دار فلزات و ترکیبات سیر نشده است. کاتالیزورهایی که در عملیات تصفیه با هیدروژن به کار می‌روند اکسیدها یا سولفیدهای فلزاتی چون Co,Ni,Fe بر روی پایه اکویین می‌باشند.

جستارهای وابسته

کاتالیز

کاتالیزگر زیگلر-ناتا

مبدل کاتالیست

کاتالیزور، کاتالیست یا کاتالیزگر (به فرانسوی: Catalyseur) (به انگلیسی: Catalyst) کارایی های زیادی دارد. کاتالیزگر ماده‌ای است که اگر به مخلوط واکنشی افزوده شود، سرعت رسیدن ماده به حالت تعادل در سامانه را، بدون آنکه خود دستخوش تغییر شیمیایی پایدار شود، تغییر می‌دهد و معمولاً آن را افزایش می‌دهد. کاتالیزورها ممکن است همگن یا ناهمگن باشند ولی معیارهای زیر در تمامی آنها صدق می‌کند:

اگرچه کاتالیزور می‌تواند بر سرعت واکنش اثر گذارد، اما نمی‌تواند موقعیت تعادل را در یک واکنش برگشت‌پذیر تغییر دهد.

به طور نظری، کاتالیزور را می‌توان بدون آنکه دستخوش تغییر شیمیایی شود در پایان واکنش بدست آورد، هرچند ممکن است از لحاظ فیزیکی تغییر کرده‌باشد.

تعریف کاتالیزور و کاربرد

کاتالیزورها مواد شیمیایی هستند که در فرایندهای شیمیایی باعث افزایش سرعت واکنش می‌شوند. شناخت عمیق از فاکتورهای تبدیل شیمیایی در هر واکنش تبدیلی و ایجاد شرایط بهینه باعث افزایش بازدهی و عملکرد واحد و به طبع آن باعث صرفه جویی اقتصادی می‌شود. کاتالیست در هر واکنش شیمیایی که سرعت و شرایط بهینه مورد نظر باشد کاربرد دارند.

کاربرد کاتالیزورها

نفت و گاز: عمده‌ترین مصرف کاتالیزورها در صنعت نفت در دو فرایند کراکینگ (شکستن مولکول‌های درشت به کوچک) و رفرمینگ (دوباره بازآرایی و ترکیب مولکول‌هایی برای تولید) می‌باشد. در صنعت نفت بیشتر از کاتالیزورهای زیگلرناتا، کاتالیزورهای فلزی و ارگانومتالیک استفاده می‌شود.

واحدهای پتروشیمی: فرایندهای کاتالیزوری در این مورد نسبت به فرایندهای صنعت نفت، حجم خیلی کمتری را اشغال می‌کنند ولی محصولات فوق‌العاده مهم و بسیار متنوعی تولید می‌کنند مانند تولید پلی اتیلن و اتیلن، تولید پروپین، هیدروژن زدایی از پارافین‌های خطی، تولید سیکلو هگزان

مبدل‌های کاتالیزوری اتومبیل: در این بخش به صورت مستقیم و غیر مستقیم استفاده می‌شوند. در اگزوز اتومبیل‌ها بستری از فلزات جامد مثل Pt روی پایه آلومینات قرار گرفته و هیدروکربن‌های مضر مثل CO و غیره را جذب می‌کند.

مکانیسم واکنش‌های کاتالیزور

کاتالیزور تنها واکنش‌هایی که از نظر ترمودینامیکی انجام می‌شوند را سرعت می‌بخشد. کاتالیزور در مرحله اول واکنش مصرف و در مرحله بعد تولید می‌شود و فقط راه تازه برای پیشرفت واکنش می‌گشاید.

ویژگی‌های یک کاتالیزور خوب

فعالیت بالایی داشته باشد

– مساحت سطح بالایی داشته باشد. – گرمای جذب سطحی آن متوسط باشد.

مقاومت مکانیکی بالایی داشته باشد

– پودر نشود

– ساییده نشود

– تغییر آرایش ندهد

عملکرد مناسب در دماهای عملیاتی داشته باشد

خاصیت گزینش پذیری

محصولات جانبی کم باشد

عمر مفید بالایی داشته باشد

کاتالیزورهای همگن و ناهمگن

در کاتالیزورهای همگن، ماده‌ای که به عنوان کاتالیزور به کار می‌رود با مواد واکنش دهنده در یک فازند؛ ولی در یک کاتالیزور ناهمگن یا کاتالیزور سطحی، مواد واکنش دهنده و کاتالیزور در دو فاز مجزا در کنار هم هستند و واکنش در سطح کاتالیزور صورت می‌گیرد. نمونه‌ای از کاتالیزور همگن در فاز گازی اثر کلر در تجزیه دی نیتروژن اکسید است. گاز دی نیتروژن اکسید در دمای اتاق گاز نسبتاً بی اثری است؛ اما در دماهای نزدیک به صد درجه طبق معادله زیر تجزیه می‌شود ۲N2O(g) ⟶ ۲N2 (g) + O2 (g)

کاتالیزورهای مرغوب و نامرغوب

کاتالیزورها به دو نوع مرغوب و نامرغوب تقسیم می‌شوند. کاتالیزور مرغوب کاتالیزوری است که فقط اجازه تشکیل یک نوع محصول را بدهد و اگر در حضور کاتالیزور محصولات متفاوتی امکان تشکیل داشته باشند آن کاتالیزور، نامرغوب تلقی می‌شود. فعالیت کاتالیزورها عمدتاً بسیار اختصاصی است. در پاره‌ای موارد کاتالیزور معین موجب سنتز محصولات کاملاً متفاوت دیگری از همان مواد می‌شود. البته در این موارد امکان وقوع هر دو واکنش از لحاظ ترمودینامیکی میسر است مثلاً کربن مونوکسید و هیدروژن برهم اثر می‌کنند و بسته به شرایط واکنش و نوع کاتالیزور مصرف شده محصولات بسیار متنوعی ایجاد می‌کنند. اگر کبالت یا نیکل به عنوان کاتالیزور به کار برده شود، مخلوطی از هیدروکربن‌ها را به وجود می‌آورد. در اینجا نیکل به عنوان یک کاتالیزور نامرغوب عمل می‌کند. CO(g) + 3H2 (g) ⟶ CH4 (g) + H2O و اگر مخلوطی از روی و اکسید کرم به عنوان کاتالیزور مصرف شود از واکنش متانول تولید می‌شود. CO(g) +2H2 (g) ⟶ CH3OH(g) برای این واکنش نیکل یک کاتالیزور مرغوب است. کاتالیزور مرغوب کاتالیزوری است که انتخابی عمل کند.

غیرفعال شدن کاتالیزور

کاتالیزورها دارای عمر مفید و معین هستند و با گذشت زمان از فعالیت و تأثیر آن در
انواع روش های آنالیز و شناسایی مواد Materials Characterization and Analysis Methods

روش های آنالیز و شناسایی مواد، بسیار حائز اهمیت است. خواص فیزیکی و شیمیایی یک محصول به نوع مواد اولیه و ریزساختار آن بستگی دارد. بنابراین جهت شناسایی ویژگی های یک ماده جهت انجام پژوهش و نیز کنترل کیفیت محصولات صنعتی، نیاز به روش ها و تجهیزات شناسایی است.

روش های آنالیز را می توان به سه دسته کلی تقسیم بندی نمود: عنصری، فازی و ریزساختاری.

آنالیز عنصری: در این روش تنها نوع عنصر و یا مقدار آن مشخص شده ولی ساختار کریستالی عنصر یا ماده تعیین نمی شود.

آنالیز فازی: ساختار کریستالی یا کانی های موجود در ماده مشخص می شود.

آنالیز ریزساختاری: در این روش شکل، اندازه و توزیع فازها بررسی می شود. این ویژگی ها اثر مهمی بر خواص نهایی ماده دارند.

علاوه بر سه دسته فوق، دو روش دیگر نیز وجود دارند که به علت اهمیت کاربردی به صورت جدا و مستقل بررسی می شوند. این دو روش، آنالیز سطح و حرارتی‏ اند.

آنالیز عنصری:

طیف سنجی جذب اتمی (AAS)
طیف سنجی نشری شعله (FES)
فلورسانس پرتو ایکس (XRF)

فازی:

پراش پرتو ایکس (XRD)

ریز ساختاری:

میکروسکوپ نوری (OM)
میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)

سطح:

طیف سنجی الکترون اوژه (AES)
طیف سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS)
طیف سنجی جرمی یون ثانویه (SIMS)

حرارتی:

افتراقی (DTA)
توزین حرارتی (TGA)
دیلاتومتری (TD)

روش های زیر برخی از مهم ترین روش های شناسایی در علم مواد هستند:

۱- طیف سنجی جذب اتمی (AAS)
۲- پلاسمای جفت شده القایی (ICP)
۳- طیف سنجی نشری شعله (FES)
۴- فلورسانس پرتو ایکس (XRF)
۵- پراش پرتو ایکس (XRD)
۶- میکروسکوپ نوری (OM)
۷- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
۸- میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)
۹- طیف سنجی الکترون اوژه (AES)
۱۰- طیف سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS)
۱۱- طیف سنجی جرمی یون ثانویه (SIMS)
۱۲-حرارتی افتراقی (DTA)
۱۳- توزین حرارتی (TGA)
۱۴- دیلاتومتری (TD)
۱۵- گرماسنجی افتراقی (DSC)
۱۶- میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)
۱۷- میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM