Le marmitte catalitiche servono per ridurre le emissioni di gas inquinanti presenti nei gas di scarico rilasciati da un motore a combustione interna di un’automobile.
L’uso di combustibili derivanti dal petrolio come benzina o diesel nel settore dei trasporti porta alle emissioni di gas serra. Essi infatti rilasciano nei gas di scarico composti come anidride carbonica, ossidi dell’azoto e monossido di carbonio.
La funzione delle marmitte catalitiche è quella di rimuovere questi gas prima che si disperdano nell’ambiente.
Funzionamento
La maggior parte delle marmitte catalitiche ha un nucleo di materiale ceramico con una configurazione a nido d’ape per aumentare la superficie di contatto tra il flusso di gas di scarico e la superficie del catalizzatore. Il nido d’ape è rivestito da platino, palladio e rodio che agiscono da catalizzatori.
Questi metalli nobili inoltre sono in grado di resistere all’ossidazione, alla corrosione e agli acidi. I catalizzatori accelerano la velocità delle reazioni secondo un meccanismo di catalisi eterogenea.
Inoltre la velocità della reazione dipende anche dalla temperatura secondo l’equazione di Arrhenius:
K = A e-Ea/RT
Dove K è la costante specifica della reazione; A la costante caratteristica della reazione detta fattore di frequenza; Ea l’energia di attivazione; R costante universale dei gas; T temperatura assoluta.
I meccanismi di trasferimento del calore in questo sistema sono:
- Conduzione del calore lungo la marmitta
- Trasferimento di calore per convezione dalle specie gassose alle pareti della marmitta
- Generazione di calore dalle reazioni chimiche che sono esotermiche
Le velocità di reazione sono una funzione della concentrazione dei reagenti, quindi è fondamentale prendere in considerazione il loro trasporto e consumo lungo il reattore.
Reazioni
I primi convertitori catalitici risalenti al 1970 utilizzavano solo platino e palladio quali catalizzatori che agivano solo sulle reazioni di ossidazione del monossido di carbonio e degli idrocarburi incombusti.
A partire dal 1981 l’aggiunta del rodio ha consentito la catalisi anche della riduzione degli ossidi di azoto nei convertitori detti a tre-vie. Le reazioni che avvengono sono:
- ossidazione degli idrocarburi incombusti in presenza dell’ossigeno gassoso che si trova nei gas di scarico con formazione di biossido di carbonio e vapore acqueo.
Un esempio è l’ossidazione del benzene:
2 C6H6 + 15 O2 → 12 CO2 + 6 H2O
- ossidazione del monossido di carbonio con formazione di biossido di carbonio:
2 CO + O2 → 2 CO2
In queste reazioni l’azione del catalizzatore è diretta a indebolire il legame doppio presente nella molecola di O2 che avviene sulla superficie della ceramica a nido d’ape.
- riduzione degli ossidi di azoto ad azoto:
C + 2 NO2 → CO2 + 2 NO
2 CO + 2 NO → 2 CO2 + N2
4 CO + 2 NO2 + 4 CO2 + N2
Il rodio metallico è utilizzato per queste reazioni di riduzione perché è un agente ossidante rispetto agli altri agenti riducenti, palladio e platino.