ข้ามไปเนื้อหา

เครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
เครื่องฟอกไอเสียแบบใช้เหล็กเป็นแกนรองรับสารเร่งปฏิกิริยา

เครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา (อังกฤษ: catalytic converter) เป็นอุปกรณ์สำหรับ กำจัด ลด ปริมาณมลพิษ ที่เกิดจากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ของเครื่องยนต์ ก่อนปล่อยออกสู่บรรยากาศ

ประวัติ

[แก้]

ผู้ที่ทำการคิดค้นเครื่องฟอกไอเสียฯ ครั้งแรก คือ Eugene Houdry วิศวกรเครื่องกลชาวฝรั่งเศสซึ่งอาศัยอยู่ในประเทศสหรัฐอเมริกา เป็นผู้เชี่ยวชาญด้านการเร่งปฏิกิริยาการกลั่นน้ำมัน ประมาณปี พ.ศ. 2493 และได้รับการพัฒนาต่อโดย Engelhard Corporation

จากการเก็บข้อมูลของสหรัฐอเมริกาพบว่ารถยนต์ที่ผลิตก่อนปี พ.ศ. 2509 ค่าเฉลี่ยรถยนต์ที่วิ่งในระยะทาง 1 ไมล์ หรือ ประมาณ 1.6 กิโลเมตร ปลดปล่อยมลพิษหรือก๊าซพิษออกมาสู่บรรยากาศหลายชนิด เช่น ไอน้ำมันที่เผาไหม้ไม่หมดหรือสารไฮโดรคาร์บอนถูกปล่อยออกมาประมาณ 10.6 กรัม ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ ประมาณ 84 กรัม ก๊าซในกลุ่มไนโตรเจนออกไซด์ ประมาณ 4.1 กรัม ทำให้หน่วยของรัฐของสหรัฐอเมริกาออกมากดดันให้รถยนต์ติดตั้งเครื่องฟอกไอเสียฯ กับรถยนต์ทุกคัน ส่วนรถยนต์ที่ทำการผลิตออกมาและได้ทำการติดตั้งเครื่องฟอกไอเสียทำการจำหน่ายเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2518 ขณะนั้นเป็นเครื่องฟอกแบบสองทาง และสามารถลดมลพิษได้เฉพาะสารประกอบไฮโดรคาร์บอนกับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์เท่านั้น จากนั้นจึงพัฒนาให้สามารถลดก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ได้ ในช่วงปลายทศวรรษที่ 70[1]

สหรัฐอเมริกาได้ออกกฎหมายให้รถยนต์ทุกคันติดตั้งอุปกรณ์บำบัดมลพิษจากท่อไอเสียในปี พ.ศ. 2517 ในปีต่อมาญี่ปุ่นก็ออกกฎหมายบังคับให้รถยนต์ติดตั้งอุปกรณ์บำบัดไอเสีย ส่วนประเทศไทยได้ออกกฎหมายบังคับให้รถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์เบนซิน ต้องติดตั้งอุปกรณ์บำบัดไอเสียในปี พ.ศ. 2535 และมีผลบังคับใช้ในปีต่อมา[2]

เครื่องฟอกไอเสียฯ แบบใช้เซรามิกซ์เป็นแกนรองรับสารเร่งปฏิกิริยา

หลักการทำงาน

[แก้]

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

การเกิดปฏิกิริยาทางเคมีในเครื่องฟอกไอเสียฯ แบบ 3 ทาง มีสองหลักการสำคัญคือ รีดักชัน และ ออกซิเดชัน ซึ่งแต่ละปฏิกิริยาต้องใช้สารโลหะต่างชนิดกัน จึงจำเป็นต้องแบ่งพื้นที่การเกิดออกจากกัน และต้องจัดกระบวนการเกิดให้สอดคล้องกันตามขั้นตอน

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

วิวัฒนาการ

[แก้]

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[1]

อ้างอิง

[แก้]
  1. 1.0 1.1 1.2 "สาระน่ารู้ : แคทาลิติกคอนเวอร์เตอร์ (Catalytic Converter)". ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ. 2008. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 21 ธันวาคม 2012.
  2. สรินทร ลิ่มปนาท. "คะตะไลติก คอนเวอเตอร์ อุปกรณ์บำบัดแก๊สพิษ". Metallurgy and Materials Science Research Institute (MMRI), Chulalongkorn University. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 11 มิถุนายน 2017. สืบค้นเมื่อ 27 พฤศจิกายน 2011.

แหล่งข้อมูลอื่น

[แก้]