เครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา

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

เครื่องฟอกไอเสียแบบใช้เหล็กเป็นแกนรองรับสารเร่งปฏิกิริยา

ประวัติ

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

สหรัฐอเมริกาได้ออกกฎหมายให้รถยนต์ทุกคันติดตั้งอุปกรณ์บำบัดมลพิษจากท่อไอเสียในปี พ.ศ. 2517 ในปีต่อมาญี่ปุ่นก็ออกกฎหมายบังคับให้รถยนต์ติดตั้งอุปกรณ์บำบัดไอเสีย ส่วนประเทศไทยได้ออกกฎหมายบังคับให้รถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์เบนซิน ต้องติดตั้งอุปกรณ์บำบัดไอเสียในปี พ.ศ. 2535 และมีผลบังคับใช้ในปีต่อมา

 

เครื่องฟอกไอเสียฯ แบบใช้เซรามิกซ์เป็นแกนรองรับสารเร่งปฏิกิริยา

หลักการทำงาน

ปฏิกิริยาทางเคมีที่นำมาใช้กับเครื่องฟอกไอเสียฯ ปกติสามารถเกิดขึ้นได้เองในธรรมชาติ แต่อัตราการเกิดขึ้นเองตามธรรมชาตินั้นช้ามาก หากต้องการให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเร็วขึ้น จำเป็นที่จะต้องใช้สารเร่งปฏิกิริยา (catalyst) ซึ่งสารเร่งปฏิกิริยาจะใช้สารจำพวกโลหะ ในกลุ่ม โลหะมีตระกูล (Noble metals) 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 (2NO_x → N₂ + xO₂) ส่วนที่ถูกเคลือบด้วยสารโรเดียมทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยารีดักชัน ในขั้นตอนนี้ไนโตรเจนออกไซด์จะถูกเปลี่ยนเป็นก๊าซไนโตรเจนและออกซิเจน จากนั้นก๊าซออกซิเจนที่ได้จากกระบวนการนี้ถูกส่งผ่านมายังพื้นที่ที่ถูกเคลือบด้วยแพลทินัม หรือแพลเลเดียมเพื่อใช้ในกระบวนการต่อไป
2. ส่วนที่ว่างสำหรับแยกส่วนการเกิดปฏิกิริยา ส่งผ่านออกซิเจน ที่ได้จากการกระบวนการรีดักชัน เพื่อใช้ในกระบวนการออกซิเดชัน
3. กระบวนการเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ และเปลี่ยนสารประกอบไฮโดรคาร์บอนเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำ ส่วนที่ถูกเคลือบด้วยสารแพลทินัม หรือแพลเลเดียม ทำหน้าที่เร่งการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน กระบวนการนี้ต้องอาศัยออกซิเจนซึ่งได้จากกระบวนการรีดักชัน ในการเร่งการเกิดปฏิกิริยา คาร์บอนมอนอกไซด์ ถูกเร่งให้ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนออกมาเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (2CO + O₂ → 2CO₂) ส่วนสารประกอบไฮโดรคาร์บอนทำปฏิกิริยากับออกซิเจนทำให้แตกตัวออกมาเป็นคาร์บอนไดออกไซด์กับไอน้ำ (C_xH_2x+2 + [ (3x+1) /2]O₂ → xCO₂ + (x+1) H₂O)

วิวัฒนาการ

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

อ้างอิง

1. แคทาลิติกคอนเวอร์เตอร์
2. คะตะไลติก คอนเวอเตอร์ อุปกรณ์บำบัดแก๊สพิษ

แหล่งข้อมูลอื่น

• Catalyticconverter
• การบำบัดไอเสีย
• Cordierite
• แคทาลิติกฯ ในอนาคต
• ออกซิเจน