- Lexikon
- Chemie Abitur
- 5 Grundzüge der physikalischen Chemie
- 5.2 Chemische Kinetik
- 5.2.4 Katalysatoren und Katalyse
- Abgaskatalysator bei Kraftfahrzeugen
Abgaskatalysator bei Kraftfahrzeugen
In den letzten Jahren ist die Anzahl der Autos stark angestiegen. Die meisten Fahrzeuge nutzen fossile Brennstoffe zur Energieerzeugung.
Durch die rasche Verbrennung des Benzins im Zylinder eines Motors wird die chemische Energie des Treibstoffs zum Teil in mechanische Energie umgewandelt, die durch das Getriebe auf die Räder übertragen wird.
Als Verbrennungsprodukte entstehen die Auspuffgase. Sie sind eine Belastung für unsere Umwelt. Die Auspuffgase eines Pkws enthalten neben Stickstoff und Wasserdampf ca. 10 % Schadgase mit folgenden Komponenten:
88 % CO2, 10 % CO, 0,2-0,8 % NOx, 1 % unverbrannte Kohlenwasserstoffe (darunter Benzen), 0,4 % Aldehyde (Reizgase) und 0,03-0,05 % SO2. Aus 50 g Benzin, die für eine Strecke von 1-2 km reichen, werden also etwa u. a. 150 g CO2, 10 g CO und 1-2 g NOx emittiert.
Die Verbrennung von einem Liter Benzin führt zu etwa 10 000 Litern Abgasen!
Um den Ausstoß der im Abgas enthaltenen Schadstoffe an die Umwelt zu verringern, wird ein Katalysator zwischen Motor und Auspuffanlage zwischengeschaltet.
Vorgänge bei der Verbrennung von Benzin im Motor
Kohlenstoffoxide
Das bei der Oxidation organischer Stoffe entstehende Kohlenstoffdioxid gehört zu den Treibhausgasen und beeinflusst unser Klima.
Kohlenstoffdioxid entsteht bei allen Verbrennungen von organischen Stoffen, also auch bei der vollständigen Verbrennung von Benzin im Motor. Es ist für den Menschen nicht giftig, wirkt jedoch in größerer Konzentration erstickend.
Bei der unvollständigen Verbrennung von Benzin entsteht dagegen Kohlenstoffmonooxid (CO). Besonders große Mengen entstehen bei Kraftfahrzeugen nach dem Start und im Leerlauf. Kohlenstoffmonooxid ist ein farb- und geruchloses, aber im Gegensatz zum Kohlenstoffdioxid hochgiftiges Gas. Kohlenstoffmonooxid wirkt schon in kleinsten Mengen tödlich, da es als Atemgift den Sauerstofftransport im Blut behindert.
Stickstoffoxide und bodennahes Ozon
Bei der Verbrennung von Benzin im Motor des Autos wird sehr viel Wärme frei.
Durch die hohen Temperaturen reagiert der in der Luft enthaltene Stickstoff mit dem Sauerstoff zu Stickstoffoxiden. Es können verschiedene Stickstoffoxide entstehen. Das Gemisch dieser Stickstoffoxide wird als bezeichnet.
Stickstoffoxide sind starke Atemgifte. Bei Kindern können sie zu Erkrankungen der Atemwege führen. Die Stickstoffoxide sind außerdem mit für die Entstehung des sauren Regens und des damit verbundenen Waldsterbens verantwortlich. Außerdem sind die Stickstoffoxide unter Einwirkung von Sonneneinstrahlung an der Bildung des giftigen bodennahen Ozons beteiligt. Deshalb steigen jedes Jahr im Sommer die Ozonwerte in Ballungsgebieten mit viel Straßenverkehr bedenklich an.
Schwefeldioxid
Im Diesel befinden sich noch andere Stoffe, die sich bei der Verbrennung umsetzen, z. B. die Schwefelverbindungen aus dem Erdöl. Diese verbrennen im Motor zu Schwefeldioxid, das auf die Lungen stark reizend wirkt.
Das Schwefeldioxid löst sich in der Feuchtigkeit der Luft zu schwefliger Säure, die als Bestandteil des sauren Regens eine Ursache für die Zerstörung von Baudenkmälern ist.
Andere Bestandteile
In Autoabgasen befinden sich neben den Verbrennungsprodukten noch unverbrannte Bestandteile des Benzins, wie das krebserregende Benzen (Benzol) und partiell oxidierte Verbindungen wie Aldehyde, die als Reizstoffe wirken.
Es ist dringend erforderlich, den Schadstoffausstoß zu senken. Das ist durch chemische Umwandlung der Abgase in weniger giftige und belastende Stoffe möglich.
Funktion des Autokatalysators
In der Chemie werden als Katalysatoren Stoffe bezeichnet, die die Aktivierungsenergie zum Ablauf der Reaktion herabsetzen und damit die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen, die Ausbeute jedoch nicht beeinflussen. Der Verlauf der katalysierten chemischen Reaktion wird als Katalyse bezeichnet. Der Katalysator selbst ist in den Auspuff des Fahrzeugs eingebaut. Er besteht aus einem Keramikkörper, der von einem Blechmantel umgeben ist. Der Keramikkörper besitzt feine Kanäle in der Längsrichtung zum Auspuff.
Die Kanäle der Gas undurchlässigen, wabenförmigen Keramik sind mit einer Zwischenschicht aus Aluminiumoxid versehen. Auf diese Schicht wird der eigentliche Katalysator, die Edelmetalle Platin, Rhodium, Palladium, aufgetragen, durch deren Wirkung sich die chemischen Reaktionen vollziehen.
Neben der besseren Haftung bringt die Oxid-Zwischenschicht eine Vergrößerung der katalytisch wirksamen Oberfläche auf 20 000 pro Liter Katalysatorvolumen.
Pro Auto werden für den Katalysator im Durchschnitt 1-2 g Edelmetall benötigt, das vor der Verschrottung zurückgewonnen werden muss. So entgiften 1-2 g Platin etwa 20 000 m3 Abgas. Das ist ungefähr die Menge an Abgasen, die ein Auto auf 100 000 km produziert.
Das Problem der Abgasreinigung besteht in der großen Vielfalt der auftretenden Abgase (Stickstoffoxide, Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonooxid).
Beim einfachen ungeregelten Katalysator, heute vor allem in Altfahrzeugen nachgerüstet, werden Kohlenstoffmonooxid und die Kohlenwasserstoffe abgebaut. NOx (Stickstoffoxide) dagegen werden weniger abgebaut.
Die beste Abgasreinigung erzielt man mit einem geregelten Drei-Wege-Katalysator. Er ist in der Lage, folgende Reaktionen in den Abgasen zu beschleunigen:
- Reduktion von Stickstoffoxiden zu Stickstoff, z. B.:
oder - Oxidation des hochgiftigen Kohlenstoffmonooxids zu ungiftigem Kohlenstoffdioxid
- Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe zu Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid
Damit werden durch den Drei-Wege-Katalysator die drei wichtigsten Schadstoffkomponenten abgebaut. So verringert sich z. B. der Anteil NOx pro m3 Abgas mit Katalysator auf 50-400 mg.
Die Drei-Wege-Katalysatoren messen über eine sogenannte Lambda-Sonde die Zusammensetzung des Abgases und regeln die Zufuhr der zur Verbrennung benötigten Luft, um das günstigste Benzin-Luft-Gemisch für eine möglichst vollständige Verbrennung der Kohlenwasserstoffe des Benzins zu erreichen. Lambda ist ein Begriff der Verbrennungstechnik und beschreibt das Verhältnis Brennstoff/Luft. Lambda = 1 bedeutet den Einsatz stöchiometrischer Mengen.
Die Lambda-Sonde ist zwischen Motor und Katalysator geschaltet (Bild 3). Sie misst den Gehalt an unverbranntem Sauerstoff in den Abgasen. Bei Sauerstoffmangel werden CO und die Kohlenwasserstoffe nicht ausreichend umgesetzt, bei Luftüberschuß hingegen die Stickoxide unzureichend abgebaut.
Zu viel Sauerstoff macht den Katalysator unwirksam, da der Sauerstoff die gesamte Katalysatoroberfläche belegt. Misst die Lambda-Sonde zu viel Sauerstoff in den Abgasen, drosselt sie über ein Steuersystem die Luftzufuhr im Vergaser.
Die Wirkungsweise der Platinoberfläche zur Oxidation von Kohlenstoffmonooxid wurde in den letzten Jahren unter Einsatz modernster Analyseverfahren untersucht. Molekularer Sauerstoff wird adsorbiert und in beide Atome gespalten. Atomarer Sauerstoff kann nun mit Kohlenstoffmonooxid, das sich auf der Katalysatoroberfläche befindet, zu Kohlenstoffdioxid reagieren, das dann durch den Auspuff abgegeben wird.
Ein Drei-Wege-Katalysator vernichtet etwa 90 % der Schadstoffe.
Auch wenn die umweltgefährdenden Gase Kohlenstoffmonooxid, Stickstoffoxide und der Kohlenwasserstoffe beseitigt werden, sind die Abgase nicht schadstofffrei, sondern nur schadstoffärmer.
Für ein einwandfreies Arbeiten des Autokatalysators ist das Tanken von bleifreiem Benzin erforderlich. In Deutschland und den meisten europäischen Ländern werden aber seit etlichen Jahren keine Bleiverbindungen mehr dem Benzin als Antiklopfmittel zugesetzt.
Bleiverbindungen im Benzin würden in die Abgase gelangen und als Katalysatorgift wirken, da Blei mit Platin eine chemische Verbindung eingeht.
Diese kann durch normale Temperaturen nicht wieder zerlegt werden. Die Katalysatoroberfläche wird damit irreversibel verändert und ist nicht mehr funktionstüchtig. Der Katalysator muss ausgewechselt werden.
Die Stickstoffoxidemissionen des Verkehrs sind seit 1990 leicht zurückgegangen. Dies ist sicherlich auch auf den Katalysator zurückzuführen.
Dieselmotoren fahren immer mit Luftüberschuss, sodass der Einsatz des geregelten Drei-Wege-Katalysators nicht möglich ist. Zur Minderung der Emission von Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmonooxid wird hier der ungeregelte Oxidationskatalysator eingesetzt.
Neuerdings wird außerdem bei Lkws und Bussen die NOx-Emission durch Einspritzen einer Harnstofflösung reduziert. Aus Harnstoff entsteht Ammoniak, welches dann mit den Stickoxiden zu Stickstoff reagiert.
(NH2)2CO + H2O –→ 2 NH3 + CO2
6 NO + 4 NH3 –→ 5 N2 + 6 H2O
6 NO2 + 8 NH3 –→ 7 N2 + 12 H2O
Weiterhin werden Dieselfahrzeuge jetzt mit einem Dieselruß-Filter zur Verminderung der Feinstaub-Emission ausgestattet.
Allerdings haben Katalysatoren inzwischen auch unerwünschte Spuren in der Umwelt hinterlassen.
Sie setzen nämlich geringe Mengen der Edelmetalle Platin und Palladium während des Gebrauchs frei. Unklar ist, ob diese seit Mitte der 80er-Jahre ansteigenden Mengen schädlich für die Natur und die Menschen sind.
Es konnte nachgewiesen werden, dass Platinablagerungen im Straßenstaub seit den 90er-Jahren stark zunahmen. Anfang der 90er-Jahre hatte man durchschnittlich noch 12 Mikrogramm Platin pro Kilogramm gefunden. Sechs Jahre später wurden 100 bis 250 Mikrogramm gemessen.
Deutlich wurde aber auch, dass die gemessenen Konzentrationen stark schwankten. Auf Autobahnen, wo erheblich schneller gefahren wird, konnte bis zu 10-mal soviel Platin nachgewiesen werden wie innerhalb von Ortschaften.
Es wurde aber auch nachgewiesen, dass die Umwelt „nur“ lokal an Straßenrändern belastet wird. Von einer globalen Katastrophe oder einer schleichenden Verseuchung des Menschen kann keine Rede sein – zumindest was den Autokatalysator als Ursache betrifft.
Prinzipieller Aufbau eines Abgaskatalysators für Ottomotoren
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