Katalizátor

A katalizátor a kémiában olyan anyag, ami úgy gyorsít fel egy kémiai reakciót, hogy ő maga annak során nem változik meg maradandóan. A szó a görög katalüszisz (feloldás) szóból keletkezett, latin végződéssel. A katalizátorok úgy fejtik ki hatásukat, hogy jelenlétükben a reakciók más úton, alacsonyabb aktiválási energiájú részfolyamatokon keresztül játszódnak le, ezzel növelvén a reakciósebességet. A katalizátornak gyakran kis mennyisége is elegendő nagy mennyiségű anyag átalakulásának meggyorsításához.

Sokféle anyag lehet katalizátor: elemek, szervetlen és szerves vegyületek. Az egyszerűbb kémiai felépítésű katalizátorok (elemek, szervetlen vegyületek) gyakran több, különféle reakciót is katalizálnak. Az enzimek biokatalizátorok és rendszerint csak egyféle folyamatot katalizálnak.

Ha a reagáló anyagok és a katalizátor közös fázisban vannak, a katalízist homogén katalízisnek, ha különböző fázisban vannak, heterogén katalízisnek nevezzük.

A katalizátorok hatását fokozó anyagokat promotoroknak vagy aktivátoroknak (gyorsítószereknek), a hatásukat gátló anyagokat inhibitoroknak (gátló- vagy késleltetőszereknek) nevezzük.

Katalizátorok a vegyészetben

Egyszerű példa az alumínium és jód reakciója. A reakció végbemenéséhez szükséges a katalizátor jelenléte, ami ez esetben a víz lesz. 1-2 csepp vizet rácseppentünk a keverékre és pár másodperc múlva beindul a reakció. Keletkezik egy szilárd ionvegyület: alumínium-jodid, ami egy új anyag, tehát kémiai reakcióról beszélhetünk. A reakció nagyon heves, hasonló a vulkánkitöréshez. A folyamat exoterm, egyesülés (két anyagból lett egy anyag) és redoxireakció. Igazolhatjuk, hogy redoxireakció kétféleképpen is zajlott: elektronátadás és -felvétel, illetve oxidációsszám-változás is történt. Kezdetben az alumínium és jód oxidációs száma 0, a termékben a jódé -1, az alumíniumé pedig +3. A folyamatot leíró reakcióegyenlet:

$\mathrm {2\ Al+3\ I_{2}\rightarrow 2\ AlI_{3}}$

Katalizátorok az autóiparban

Autó kipufogógáz katalizátor

Az autóiparban a katalizátor nem egy szer, hanem egy alkatrész, amelynek szerepe a motor által kibocsátott gázok (kipufogógázok) károsanyag-tartalmának csökkentése, bár ez a folyamat itt is a klasszikus kémiában katalizátoroknak nevezett anyagok révén valósul meg. A károsanyag-tartalom csökkenését úgy érik el, hogy a működés során kialakuló magas hőmérsékletnek köszönhetően a katalizátorban található nemesfémek a káros anyagok egy részét oxidálják, vagy ártalmatlan anyagokká alakítják.

Az autó kipufogógáz katalizátorok általában oxidációs katalizátorok: amik a füstgáz szénhidrogén és szén-monoxid tartalmát alakítják át vízgőzzé és szén-dioxiddá.

A két gázkomponensre ható katalizátorok már két darab egymáshoz kapcsolt külön elemből állnak, az első egy redukciós katalizátor, ahol a nitrogén-oxidokat redukálják, a második egy oxidációs, ahol a szénhidrogének és a szén-monoxid átalakítása következik be. Jobb hatásfokkal dolgozik, mint a korábbiak, de a mai normáknak közel sem tudnak már megfelelni.

A katalizátor magja egy extrudált kerámiatömb, amelyben rengeteg áramlási csatorna van.

Az így megnövelt felületű magra viszik fel a nemesfémet, a tulajdonképpeni katalizátor anyagot. Ezek a nemesfémek a platinafémek családjába tartozó platina, palládium és ródium. A platina segíti az oxidációt, a palládium és a ródium a redukciót.

Ahhoz, hogy a katalizálási folyamat megindulhasson, minimum 250-300 C°-os hőmérséklet szükséges, az ideális működéshez pedig 400-800 C° közötti hőmérséklet. Továbbá a katalizátor előtt az oxigéntartalom érjen el egy adott értéket (lambda-szonda).

A gépjármű katalizátoroknak három fő fajtája létezik:

1. két gázkomponensre ható,
2. három gázkomponensre ható és
3. a három gázkomponensre ható típus levegőbefúvásos változata.

Autó kipufogógáz szűrők

A szilárd részecskékre ható készülékeket szűrőknek nevezzük, ezekben vegyileg a füstgáz nem alakul át, hanem a képződött, elégetlen korom, és egyéb szilárd részecske kiszűrésére szolgálnak. A DPF típusú részecskeszűrő tisztítása menet közben történik, ami átmenetileg jelentős szennyező kibocsátással jár. A DPF részecskeszűrő-regeneráció alatt a dízelhajtású személygépkocsi 15 kilométeren át is képes a normálisnál akár ezerszer több apró részecskével terhelni a levegőt.

Kazán-kályha katalizátorok

A kályhákhoz ill. kazánokhoz alkalmazott katalizátorok az autó katalizátorokkal azonos célt szolgálnak, az elégetlen CO, por, egyéb szerves anyagok oxidálása, az emisszió csökkentése. Gyakran habkerámia szerkezetűek, melynek felületén nemesfém bevonat képezi a katalizátor réteget. Alkalmazhatóságuk határa kb. 1450 °C. A katalizátor szerkezet általában a tűztér felső részében van. A füstgáz átmegy a habkerámia szűrőn, és különösen az égés elején, ill. részterhelésen finom por ér a felülethez, ami teljes terhelésen kiég, és szabaddá válik a felület. A por 30-40%-át tartja vissza. Kazánokban ajánlatos egy füstgáz-csappantyúval megkerülni. A finom por elégetésén kívül utóégetési folyamat is lejátszódik, CO (kb. 25-30%-ban), és szénhidrogének (kb. 20-50%-ban) redukálódik.

A katalizátor kevés karbantartást igényel, de rendszeresen tisztítani kell.

A kazánok füstgáz-katalizátora a csak 200 °C felett működik (ekkor lehet a füstgázt rajta csappantyúval átvezetni). Ha a katalizátor nem ég ki tisztára, akkor vagy nem érte el a szükséges gyulladási hőmérsékletet, vagy kevés a kazán huzata. Különbség van egyszerű eltömődés (elszennyeződés), és mérgezés között. A bypass füstgáz csappantyú használata megakadályozza a mérgezést. A mérgezés azt jelenti, hogy egy kondenzátum réteg befedte a nemesfém felületet, lakkréteget alkot. Ezzel a katalizátor hatástalan, egyre vastagabb szennyezés rakódik rá.

Gyulladási hőmérsékletek

Szén-monoxid 609 °C,

Propán-bután 550 °C,

Földgáz 595-645 °C,

Autógáz LPG 490-510 °C,

Faszén 250-280 °C,

Fűrészpor 325 °C,

Kőszénpor 150-220 °C.

Katalizáló hatású egyéb szerkezet

Katalitikus utóégetők

Nagyobb (erőművi) kazánokban nem alkalmazzák, mert könnyen elszennyeződik, ill. mérgeződik. Viszont utóégető hatású készülékeket alkalmaznak a kályhákban ill. kazánokban, mely lehet egyszerű samott lap, vagy bélés, lapsor, ami felhevülve, és a füstgázt szétterítve, katalitikus réteg nélkül is biztosítja a szennyezők bizonyos fokú elégetését.

Felületi sugárzóégők

Olyan gáztüzelő berendezés, ahol a teljesen előkevert, folyamatos gáz-levegő arányszabályozó által létrehozott gáz-levegő keverék (λ ~ 1,2) egy különleges, általában fém-kerámiaszövetből álló katalizátor felületen meggyújtva ég. Az égés által felszabaduló energia jelentős része sugárzó hő. Az így adódó lánghőmérséklet alacsony értéke és az igen rövid lángképződés miatt az NOx károsanyag-kibocsátás értéke (valamint a CO is) igen alacsony szinten tartható.

További információk

• W.A. Herrmann Technische Universität presentation [1] Archiválva 2005. október 28-i dátummal a Wayback Machine-ben (angolul)
• Inorganic Chemistry and Catalysis Group, Utrecht University, The Netherlands (angolul)
• Centre for Surface Chemistry and Catalysis Archiválva 2008. október 5-i dátummal a Wayback Machine-ben (angolul)
• Carbons & Catalysts Group, University of Concepcion, Chile (angolul)
• Ferdi Schüth: Schlüsseltechnologie der chemischen Industrie: Heterogene Katalyse. Chemie in unserer Zeit 40(2), S. 92 - 103 (2006), ISSN 0009-2851 (németül)
• Michael Röper: Homogene Katalyse in der chemischen Industrie. Chemie in unserer Zeit 40(2), S. 126 - 135 (2006), ISSN 0009-2851 (németül)
• Rainer Stürmer, Michael Breuer: Enzyme als Katalysatoren. Chemie und Biologie Hand in Hand. Chemie in unserer Zeit 40(2), S. 104 - 111 (2006), ISSN 0009-2851 (németül)
• Katalizátor a gépjármű iparban
• ChimKat katalizátor kazánokhoz
• Szilárd éghető anyagok gyulladási hőmérséklete
• Autókatalizátor
• Részecskeszűrő tisztítás Archiválva 2020. január 15-i dátummal a Wayback Machine-ben

Kapcsolódó szócikkek

• Enzim
• Bizmut
• Reakciókinetika
• Kémiai reakció
• Oxidációs szám
• Különösen alacsony károsanyag kibocsátású jármű