La marmitta catalitica: funzionamento, struttura e reazioni chimiche

Combustione Ideale e Reale

La combustione ideale, cioè quella che dovrebbe avvenire nei motori delle macchine, produrrebbe solo CO2 (anidride carbonica) e H2O (acqua). La reazione sarebbe quindi:

HC + O2 CO2 + H2O + calore

Purtroppo, la combustione non avviene in maniera ideale ma reale in quanto, produce anche molecole inquinanti e velenose, causando due problemi:

• la combustione avviene in modo esplosivo e non è completa; quindi, si produce insieme a CO2 e H2O, anche il monossido di carbonio (CO) e gli idrocarburi parzialmente bruciati (HCpar).
• ad alte temperature e pressioni (2400°℃, 10 atm), le molecole di ossigeno e azoto presenti nell'aria, reagiscono tra di loro formando NOx (ossidi di azoto).

Riassumendo, la reazione di combustione reale, oltre a produrre CO2 e H20 produce anche idrocarburi mal bruciati (HCpar) e monossido di carbonio (CO) , oltre che ossido di azoto (NO):

HC + O2 + N2 CO2 + H20 + HCpar + CO + NO + calore

La reazione di combustione può essere considerata avvenire in due step:

2C + O2 = 2CO 2CO + O2 = 2CO2

quindi quando la reazione di combustione procede in modo troppo veloce, esplosivo, o quando la quantità di ossigeno (comburente) è inadeguata, allora la combustione si ferma alla produzione di monossido di carbonio.

Avvelenamento da Monossido di Carbonio

Il monossido di carbonio è un gas di scarico della combustione reale, inodore ed estremamente pericoloso per la nostra salute.

Nel momento in cui lo respiriamo, si lega all'emoglobina nel nostro sangue, e non si stacca. Di conseguenza, viaggiando nel nostro sangue, entra in organi fondamentali come il cervello, portando alla paralisi e nel peggiore dei casi la morte.

Struttura della Marmitta Catalitica

La marmitta è una parte fondamentale del sistema di scarico di un veicolo a motore; la cui struttura è di ceramica a nido d'ape, rivestita di una pellicola sottile di metalli catalizzatori come il palladio (Pd) , il rodio (Rh) e il platino (Pt).

Funzione e Componenti della Marmitta Catalitica

La funzione principale della marmitta catalitica è quella di eliminare dai gas di scarico, i principali inquinanti prodotti dai motori a scoppio. Essa è utile perché il motore operi nel rispetto dell'ambiente.

Strutturalmente, una marmitta è composta da diversi componenti:

1. Tubo di scarico: è la parte principale attraverso cui i gas di scarico passano. Può essere realizzato in acciaio inossidabile o altri materiali resistenti al calore e alla corrosione.
2. Convertitore catalitico: è un componente che riduce le emissioni nocive dei gas di scarico convertendo alcuni inquinanti in sostanze meno nocive. È spesso situato tra il collettore di scarico e il silenziatore.
3. Silenziatore: è una camera che contiene materiale fonoassorbente progettato per ridurre il rumore prodotto dai gas di scarico. Il silenziatore ha anche la funzione di equilibrare la pressione all'interno del sistema di scarico.

Caratteristiche della Marmitta Catalitica

La marmitta catalitica è un reattore chimico piuttosto delicato che non sopporta grandi sbalzi termici né la presenza di alcuni "veleni" come piombo e zolfo e che, per funzionare correttamente, richiede una temperatura tra 300°℃ e 900℃. Per questo, quando il motore parte essendo freddo, la marmitta catalitica non entra in funzione immediatamente ma abbiamo bisogno di circa 200 secondi perché questa raggiunga la temperatura minima di esercizio. Questo però può dipendere dall'umidità dell'aria e dalla pressione atmosferica.

Ossidazione e Riduzione

L'ossidazione e la riduzione sono processi che prevedono l'acquisto o la perdita di elettroni da parte degli atomi. Essi avvengono contemporaneamente ovvero un atomo perde elettroni solo che questi possono essere acquistati da un altro atomo. Per tale ragione si parla di processi di ossidoriduzione o redox dove red indica reduction e ox sta per oxidation.

Processi di Ossidazione e Riduzione

L'ossidazione è il processo chimico in cui un elemento guadagna ossigeno, perde idrogeno o perde elettroni. Questo processo è fondamentale in numerose reazioni chimiche e processi biologici, come la respirazione cellulare e l'ossidazione dei metalli.

La riduzione è un processo chimico in cui un elemento perde ossigeno, guadagna idrogeno o guadagna elettroni.

L'agente ossidante è ciò che causa l'ossidazione, mentre l'agente riducente causa la riduzione.

Catalizzatori nella Marmitta

Nella marmitta catalitica sono catalizzati tre processi, due di ossidazione ed uno di riduzione. Per tale motivo le marmitte sono dette trivalenti. Esse riescono ad eliminare tutti e tre gli inquinanti dai fumi di scarico: HCpar, CO e NO. Sono realizzate unendo nella stessa struttura tre catalizzatori uno riducente il Rh (rodio). e due ossidanti, Pt (platino) e Pd (palladio).

Tipi di Catalizzatori

• Catalizzatori omogenei: se i reagenti, i prodotti e il catalizzatore appartengono alla stessa fase. Possono essere solidi, liquidi o gas disciolti nella fase reagente. Esempio: per esempio un catalizzatore liquido per reagenti liquidi
• Catalizzatore eterogenei: sono in fase separata dai reagenti. Questi catalizzatori sono generalmente solidi e interagiscono con i reagenti solo sulla superficie. Esempio: un catalizzatore solido per reagenti liquidi come il platino
• Catalizzatori enzimatici: sono proteine che accelerano le reazioni biologiche. Sono specifici per determinate reazioni e sono fondamentali per la vita. Esempi: la catalasi un enzima che è capace di scindere l'acqua ossigenata in acqua e ossigeno.

Marmitta Catalitica Riducente

Per eliminare l'ossido di azoto (NO) non bisogna ossidare (aggiungere ossigeno), ma bisogna piuttosto ridurre, cioè togliere ossigeno.

In una marmitta catalitica il catalizzatore riducente è a base di rodio (Rh) e favorisce la decomposizione dell'ossido di azoto (NO) in N2 e O2.

Infatti l'ossido di azoto NO non è una molecola molto stabile e a temperature comprese tra 300 e 900 °℃ può essere trasformato in N2 e 02 che risultano più stabili.

Marmitta Catalitica Ossidante

In una marmitta catalitica ossidante la reazione di combustione avviene in modo incompleto nella camera di scoppio. Si utilizza un metallo catalizzatore come il palladio (Pd) che ha la proprietà di favorire la reazione tra idrocarburi e ossigeno facendola avvenire già a 300 ℃.

Il platino (Pt) catalizza la reazione di ossidazione del CO a biossido di carbonio. Nella marmitta i composti parzialmente bruciati (HCpar) e monossido di carbonio (CO), possono completare la reazione di combustione reagendo con l'ossigeno O2 rimasto nei gas di scarico. Si formano CO2 e H2O, i prodotti della combustione ideale.

Light Off del Catalizzatore

Il light off è una caratteristica dei catalizzatori nei sistemi di scarico dei veicoli a motore. Esso indica il momento in cui il catalizzatore raggiunge la temperatura di 300° ed inizia a funzionare in modo efficace. I catalizzatori sono progettati per ridurre le emissioni nocive provenienti dai gas di scarico convertendole in sostanze meno dannose attraverso reazioni chimiche.

Rapporto di Combustione Stechiometrico

Per ottenere una combustione completa abbiamo bisogno del rapporto di aria/benzina di 14,7/1 ed è chiamato rapporto stechiometrico. Senza questo rapporto la marmitta catalitica non funzionerebbe correttamente.

14,7 / 1 ARIA / BENZINA

In questo modo vengono eliminati dai gas di scarico i tre principali inquinanti:

• Inquinanti: HCpar - CO - NO
• Non inquinanti: CO2 - H20 - N2