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• Yeison Hernández

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CONVERTIDORES CATALITICOS Historia Los convertidores catalíticos fueron instalados por primera vez en automóviles hechos en 1975 como respuesta a las regulaciones de EPA aprobadas dos años antes, ajustando las emisiones de los automóviles y solicitando una disminución gradual en el contenido de plomo de todos los combustibles. En un estudio lanzado el 28 de noviembre de 1973, la EPA determinó "que el plomo expulsado por los automóviles representaba una amenaza directa a la salud pública". Aunque los convertidores catalíticos fueron desarrollados en la década de 1950, el dispositivo no podía usarse en los vehículos porque el plomo en la gasolina los volvería inservibles.

Función Los convertidores catalíticos convierten los contaminantes peligrosos en emisiones menos dañinas antes de dejar el sistema de escape. La parte interna del convertidor catalítico es una especie de juego de panal de corredores recubiertos con un catalizador tal como el platino, el rodio o el paladio, el cual induce una reacción química que convierte a los contaminantes tales como el óxido nitroso, el monóxido de carbono y los hidrocarburos no quemados en gas nitrógeno, dióxido de carbono y agua, esto de acuerdo con el Instituto Politécnico de Worcester en Massachusetts.

Tipos Existen tres tipos de convertidores catalíticos: de dos vías, de tres vías y de tres vías más aire. El primer convertidor catalítico -convertidor de dos vías- fue utilizado en automóviles de Estados Unidos entre 1975 y 1980, y oxidaban los hidrocarburos no quemados y el monóxido de carbono en agua y dióxido de carbono. El convertidor de tres vías, además de realizar lo mismo que su predecesor, reduce los óxidos nitrosos en nitrógeno y oxígeno. El convertidor de tres vías más aire realiza la misma función que el convertidor de tres vías, pero la diferencia es la adición de aire entre los dos catalizadores internos que mejora la oxidación del convertidor.

Ley Remover o deshabilitar un convertidor catalítico es ilegal en los Estados Unidos; y un vehículo con un convertidor catalítico defectuoso no pasa una prueba de emisiones.

Resultados De acuerdo con la EPA, debido a los controles que la agencia impuso hace más de 30 años, "los vehículos ahora vendidos en Estados Unidos emiten 96 por ciento menos monóxido de carbono, 98 por ciento menos hidrocarburos y 90 por ciento menos óxidos nitrosos que los vehículos vendidos en los inicios de la década de 1970".

Advertencia Los convertidores catalíticos son objetivos populares entre los ladrones para hacer dinero rápido. Los convertidores contienen metales preciosos como el platino y el rodio, que son más valiosos que el oro. Utilizando una sierra eléctrica, los ladrones pueden remover un catalizador rápidamente de debajo del automóvil en un estacionamiento, incluso a plena luz del día. La parte se vende en parques de chatarra por unos 200 o 300 dólares.

CONVERTIDOR CATALITICO Los hidrocarburos (HC) y el monóxido de carbono (CO) antes de ser expulsados por el escape, son convertidos en dióxido de carbono y vapor de agua. Los óxidos de nitrógeno (NOx) son disociados en Nitrógeno molecular (N2), principal constituyente de aire atmosférico, y oxígeno O2. Para que estas reacciones de disociación se produzcan ha de estar el catalizador a una temperatura de 500 º C. En la combustión que se produce en un motor se generan gases, algunos nocivos y otros no. Nitrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua no son perjudiciales directamente para las personas. El nitrógeno (N2) lo respiramos constantemente, forma un 78% del aire que respiramos. El Vapor de agua (H2O) lo mismo, forma un porcentaje muy variable del aire que respiramos. El Anhídrido carbónico o Dióxido de carbono o Gas carbónico (CO2) Los gases nocivos dependen de la composición de la mezcla, es decir, del factor lambda. Si el funcionamiento es con mezcla rica (excesivo combustible en relación con la cantidad de aire) aparecen hidrocarburos sin quemar. Si es con mezcla pobre (poco combustible) se generan oxidos de nitrógeno. Para que estos gases nocivos se reduzcan al mínimo hay varios procedimientos. Una es intentar que la relación entre el volumen de aire que ingresa al cilindro sea aproximadamente 14,7 veces el volumen de combustible, es decir, que por cada parte de combustible ingresen 14,7 partes de aire, esta relación se obtiene por estequiométrica, y coincide con el factor lambda igual a 1. De todas formas debido a la imposibilidad de controlar totalmente el proceso de la combustión, se siguen generando gases nocivos. Para reducirlo (hasta un 75%) existe el catalizador. Éste se ubica muy cerca del colector de escape (para que los gases tengan al menos unos 500 °C).

Composición

El catalizador está compuesto de platino, rodio y paladio y cuando los gases nocivos se ponen en contacto con él, se generan y aceleran las reacciones químicas que descomponen y oxidan estos gases transformándolos en gases inocuos para el medio ambiente.

Funcionamiento en ciclo cerrado funcionamiento del ciclo cerrado: 1 medidor de caudal de aire 2 y 3 catalizador 4 inyectores 5 sonda lambda delantera 6 sonda lambda trasera 7 llegada de gasolina 8 entrada de aire desde el filtro 9 escape La eficiencia del catalizador depende de que la relación combustible/aire sea lo más próxima a la estequiométrica y es por eso que la eficiencia del catalizador depende del correcto funcionamiento de la sonda lambda. De esto se encarga la unidad de control del motor. En resumen: se produce la combustión en el cilindro y se generan gases que salen por el colector de escape. Estos gases están en contacto con la sonda lambda, la cual detecta el contenido de oxígeno residual, emitiendo una señal alta o baja según el factor lambda sea mayor o menor de 1. Esta información es usada por el calculador del sistema de inyección de combustible para corregir el tiempo de inyección básico almacenado en la cartografía de la gestión del motor. De este modo el factor lambda se mantiene siempre en valores muy cercanos a 1, lo que se llama la "ventana lambda" y en la que el catalizador muestra su máxima eficiencia. Esto es lo que se llama ciclo cerrado.

Luego los gases pasan por el silenciador.

Doble vía En un catalizador de doble vía, usado mayormente en el motor diésel, ocurren dos reacciones simultáneas:

Oxidación de monoxido de carbono a dióxido de carbono: 2CO + O2 → 2CO2

Oxidación de hidrocarburos no quemados o parcialmente quemados a dióxido de carbono y agua: CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O Este tipo de catalizadores se usan en motores diesel ya que trabajan con exceso de oxígeno, generando unas tasas muy altas de Oxidos de Nitrógeno incompatibles con el metal noble que los disocia.

En estos motores el NOx se elimina con la recirculación de gases de escape (EGR)

Triple vía En un catalizador de triple vía ocurren tres reacciones simultáneas:

Reducción de óxidos de nitrógeno a nitrógeno y oxígeno: 2NOx → xO2 + N2 Oxidación de monóxido de carbono a dióxido de carbono: 2CO + O2 → 2CO2 Oxidación de hidrocarburos no o parcialmente quemados a dióxido de carbono y agua: CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O. Estos catalizadores pertenecen a los motores de ciclo Otto ya que la proporcIón de NOx es mucho menor que en los diesel, al no trabajar con exceso de oxígeno.

Grupo de las zeolitas “Rarely in our technological society does the discovery of a new class of inorganic materials result in such a wide scientific interest and kaleidoscopic development of applications as has happened with the zeolite molecular sieves” (Donald W. Breck)

Esta frase lo resume todo o casi todo sobre estos maravillosos materiales englobados genéricamente bajo el nombre de “zeolitas”, cuyas aplicaciones industriales y ambientales aun están en fase desarrollo continuo. Las zeolitas constituyen un grupo de silicatos con una gran capacidad de intercambio iónico. Estas poseen una estructura definida por un armazón principal y “túneles”, que les confiere una propiedad que denominaremos “porosidad”, y que las convierte en microtamices muy efectivos. El armazón estructural está constituido por tetraedros de Si-O (SiO44-) y Al-O (AlO45-) que se unen por los vértices. Dado que el silicio presenta típicamente valencia 4 (Si4+) y el aluminio valencia 3 (Al3+), las zeolitas se encuentran “descompensadas eléctricamente” por lo que necesitan incorporar cationes para mantener la neutralidad (de ahí sus propiedades de intercambio). Dichos cationes, agua, u otras moléculas se acomodan en las estructuras tipo túnel.

Dos estructuras zeolíticas, note los tetraedros y las estructuras tipo túnel (poros) donde se acomodan los cationes (que compensan eléctricamente la estructura), el agua y otras moléculas.

La carga negativa en las zeolitas es compensada por cationes del tipo N+, K+ o NH4+, los se disponen en el interior de la estructura. Estos cationes son móviles y susceptibles de ser intercambiados por otros. Una reacción típica de intercambio iónico sería la siguiente: Na-zeolita + Ca2+ = Ca-zeolita + 2 Na+ Las zeolitas ocurren en la naturaleza como minerales, y pertenecen al grupo de los tectosilicatos. Existen unas 40 zeolitas naturales y más de 150 sintéticas. Algunas zeolitas naturales incluyen:

Mineral Fórmula Natrolita Na2(Al2Si3O10)·2H2O Chabazita (Ca,Na)2 (Al2Si4O12)·6H2O Analcima Na(AlSi2O6)·H2O Stilbita Ca(Al2Si7O18)·7H2O Heulandita Ca(Al2Si7O18)·6H2O Laumontita Ca(Al2Si4O12)·4H2O Mesolita Na2Ca2(Al2Si3O10)·3H2O Thompsonita NaCa2(Al,Si)10O20·6H2O

En la actualidad, la mayor parte de las zeolitas que se emplean para aplicaciones industriales son sintéticas: se diseñan “a medida” de un determinado proceso, es decir, para favorecer la captación de un determinado ión y su posterior elución en condiciones controladas, y se sintetiza el compuesto zeolítico en un proceso industrial de bajo coste económico. Debido a sus propiedades porosas las zeolitas se emplean en una gran variedad de usos industriales, y se comercializan en un mercado mundial de varios millones de toneladas por año. El comportamiento de intercambio iónico en las zeolitas depende de varios factores, que determinan su selectividad a determinados cationes: -

Naturaleza de los cationes: tamaño, carga iónica, forma

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Temperatura

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Concentración de los cationes en solución

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Aniones asociados con los cationes en solución

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Solvente (agua, solventes orgánicos)

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Estructura de la zeolita (topología de la red, densidad de carga de la red)

La capacidad de intercambio iónico de una zeolita está directamente relacionada con la cantidad de aluminio presente en su red cristalina y depende directamente de su composición química: una alta capacidad de intercambio iónico corresponde a las zeolitas con baja relación SiO2/Al2O3. La capacidad de intercambio iónico teórica máxima, número de equivalentes intercambiables por masa de la celda unitaria, no siempre puede ser alcanzada debido a la existencia de sitios de intercambio inaccesibles. Todo hasta aquí es atribuible tanto a zeolitas sintéticas como a las naturales. Desde el punto de vista del control ambiental mediante la eliminación de contaminantes, la gran mayoría de los autores coinciden en la superioridad de las zeolitas naturales atendiendo a: -

bajo costo de extracción y acondicionamiento para el intercambio,

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disponibilidad de grandes volúmenes,

excelente estabilidad a los procesos químicos y térmicos que permite su reactivación y -

posibilidad de utilización en varios ciclos.

No obstante, las posibilidades de diseño de las zeolitas sintéticas y su carácter de compuestos químicamente puros, frente a las variaciones que pueden presentar las zeolitas naturales, hacen que las sintéticas se empleen cada vez más.

Algunas aplicaciones ambientales de las zeolitas incluyen la substitución de fosfatos como ablandadores del agua (captación de Ca2+), la remoción de óxidos de nitrógeno (NOx), y una contención en las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (VOCs: volatile organic compounds). Los óxidos de nitrógeno son un blanco típico de cualquier política ambiental mínimamente bien concebida. Los compuestos tipo NOx fomentan la formación de oxidantes fotoquímicos contaminantes como el ozono (O3). Los compuestos de óxidos de nitrógeno se producen por la actividad eléctrica atmosférica (rayos), acción bacteriana, y por los volcanes. Sin embargo, estos óxidos también tienen un origen industrial, principalmente en la combustión de combustibles fósiles a temperaturas superiores a 1000ºC. En este sentido las zeolitas pueden jugar un papel muy importante, ya que mientras los procesos de eliminación clásicos de los NOx por Reducción Selectiva Catalítica solo son efectivos a temperaturas de no más de 450º (Pt, V), las zeolitas pueden llegar hasta los 600ºC, alcanzándose así una mayor efectividad en el proceso. En cuanto a los VOCs, estos se encuentran presenten en las gasolinas, solventes orgánicos, desgrasadores, lacas, etc., y al igual que los NOx son potenciadores de la formación de oxidantes fotoquímicos. Un tema aun no resuelto del todo en los coches es el arranque del motor en frío. Durante los dos primeros minutos el convertidor catalítico (obligatorio en muchos países del mundo) no es efectivo, y los VOCs se arrojados a la atmósfera. En este momento se están investigando zeolitas que puedan actuar durante ese lapso de tiempo en el convertidor catalítico del coche: una vez que se alcanzara la temperatura adecuada, la zeolita liberaría los VOCs, y el convertidor podría realizar su trabajo de manera adecuada.