NUEVOS NANODISPOSITIVOS CATALITICOS PARA DISMINUIR LA CONTAMINACION ATMOSFERICA PRODUZIDA POR VEHICULOS QUE UTILIZAN COMBUSTIBLES DERIVADOS DEL PETROLEO O BIOMASA Concurso FINCyT: INVESTIGACIÓN BÁSICA Código de Proyecto: PIBA-1-P-068-13 Contrato n : 171-FINCYT-ib-2013 Dr. Hugo D. Chirinos Collantes Coordinador principal hdccoll@gmail.com
El problema de la contaminación atmosférica en el Área Metropolitana Lima-Callao ha venido agudizándose en los últimos 15 años, consecuencia de diversos factores y medidas tales como: Crecimiento explosivo del parque automotor y su precario mantenimiento, Importación de autos usados, Baja calidad de los combustibles (Ejemplo: diesel con alto contenido de azufre y la existencia en el mercado de gasolina con plomo), Deficiente planificación urbana, Falta de supervisión de la aplicación de planes urbanos, Errada ubicación de industrias y comercio, Tecnologías obsoletas, Baja eficiencia, etc.
La solución a esta problemática requiere del establecimiento de medidas integrales no solamente a nivel local, sino a nivel de los sectores público y privado, y de la sociedad civil en general: Educación ambiental a todos los niveles, Establecimiento de estándares técnicos, Límites máximos permisibles, Redefinición de políticas impositivas, Implementación de revisiones técnicas.. entre otros.
En el caso de las emisiones de CO, los automóviles emiten el mayor porcentaje (83,79%), y de este porcentaje el 48,94% son los taxis. En el caso de los HC también son los automóviles con 72,97% ( taxis 40,71%). Para el caso de los Óxidos de Nitrógeno y de las Partículas Menores a 10 micras, son los buses de transporte público y las camionetas rurales usadas en transporte público. Parque automotor del Área Metropolitana Lima- Callao tiene 900.000 unidades. Con 8.482.619 habitantes Tabla nº1 : Emisiones de contaminantes provenientes del Parque Automotor en miles de toneladas - ( ktn/año) Fuente: IPIECA (International Petroleum Industry Association) CGIALLC (Comité de Gestión de la Iniciativa de Aire Limpio para Lima-Callao)
Tabla n 2: Estándares Nacionales de Calidad Ambiental del Aire vigentes al 2011- ECA (D.S N 074-2001-PCM) NE: no exceder mg/m 3 : microgramos de contaminante por metro cúbico de aire.
Tabla n 3: Niveles de alerta para contaminantes críticos
INTRODUCCIÓN Con la finalidad de reducir la contaminación generada por los gases producto de la combustión de la gasolina, diesel, GLP, gas natural, etc, ( monóxido de carbono, CO, óxidos de nitrógeno NOx, y partículas hidrocarbonados HC). Se utilizan convertidores catalíticos instalados en el tubo de escape de los automóviles reduciendo la gases efecto estufa. Esta tecnología utiliza elementos metálicos como el platino, rodio, paladio que son extremamente caros, fácilmente contaminados y desactivados por el azufre que contienen los gases. Existen dos empresas en el Mundo (Americana y Alemana) que son las responsables en la producción tecnológica de diversos dispositivos catalíticos, especialmente comercializados en vehículos cero km. El cambio de los convertidores catalíticos contaminados y desactivados se realizan normalmente por las empresas del sector. Lo que indica que la tecnología de preparación de estos materiales esta monopolizada por estas empresas privadas.
INTRODUCCIÓN (Objetivo) El objetivo del presente trabajo es la fabricación de un nuevo convertidor catalítico en cuya composición hay lantánidos (La: III) y metales de transición: Cu, Zn, K. Pero no (Pt, Rh, Pd). Este material catalítico posee buena actividad, selectividad y capacidad de auto-regenerarse in situ. Es químicamente estable y su actividad catalítica se inicia a partir de la temperatura de 250 o C. Según las condiciones, se puede lograr disminuir hasta un 95-99% la concentración de los gases (CO, NO x y HC) provenientes del tubo de escape de los vehículos que utilizan gasolina o diésel de petróleo. El costo del material catalítico es 50-60% menor, comparado a los que existen en el mercado. Y pueden entrar al mercado nacional para sustituir los catalizadores que están inactivos o falsificados. Y sabiendo que la mayoría de los vehículos de nuestro parque automotor no poseen estos dispositivos catalíticos.
Metología La metodología utilizada es la siguiente: Con respecto a la preparación del catalizador se utiliza la técnica de Coprecipitación y precipitación básica de los materiales inorgánicos, de acuerdo a los principios de acido-base de Bronsted-Lewis. Con respecto a la impregnación, utilizando el método de inmersión en la solución madre que contiene los óxidos metálicos catalíticos La 2 O 3 /Cu/Zn/K y luego precipitandose para adherirse en la superficie del monolito cerámico del tipo panel de abeja. Seguido de un tiempo de calcinación de 400 C 700 C. Con respecto a la caracterización se utilizan técnicas de análisis de superficie, Microscopia Electrónica de Barrido, Análisis área superficial método BET, Espectroscopia Infrarrojo región 400 4000 cm -1, Análisis térmica TG-DTG, DSC, Temperatura Programada por reducción de Hidrogeno y por oxidación. Utilizando Quimisorción. Con respecto a la actividad catalítica, se monitorea la composición de los gases mediante un analizador, el cual identifica y cuantifica la composición de los gases de CO, CO 2, HC, SO x. Con respecto a los ensayos catalíticos, estos se realizan en una línea de combustión con motor estacionario gasolinero sin carga y simulando carga con un dinamómetro.
(a) Unidad del convertidor catalítico instalado en el motor. (b) Distribución del dispositivo en la línea de combustión. Figura. Protótipo capsular que será utilizada para los ensayos catalíticos
Metodología El catalizador está compuesto por una carcasa de acero inoxidable, provisto de una carcasa-pantalla metálica antitérmica, igualmente inoxidable, que protege al vehículo de las altas temperaturas alcanzadas. En su interior contiene un cerámico o monolito, de forma oval o cilíndrica, con una estructura de múltiples celdillas en forma de panal de abejas. La densidad de éstas es de aprox. 450 celdillas por pulgada cuadrada (70 celdillas por centímetro cuadrado). La alta área superficial esta impregnada con una resina dopada por el material catalítico. Cuya función es reducir la emisión de los gases (CO, NOx y HC) generados por el motor. Estos gases al entrar en contacto con la superficie activa del catalizador, son transformados parcialmente en elementos inocuos no contaminantes.
Línea de combustión para los ensayos del catalizador
La actividad del nanomaterial actúa de acuerdo a los siguientes ciclos: Primer ciclo (I); corresponden a los Metales de transición: Zn, Cu Segundo ciclo (II): corresponden a los Lantanidos de estado de oxidación trivalente: La Lu (III) y metales Fe (III) Tercer ciclo (III): corresponde a los iones monovalentes de la familia de los alcalinos: Na, K, Rb Los elementos constituyentes del material actúan simultáneamente en atmósfera de oxigeno, reduciendo y oxidando los gases contaminantes convirtiéndolos en gases no contaminantes: O 2, N 2, H 2 O, y CO 2. O sea, se entiende que los catalizadores tienen una tendencia para reactivarse automáticamente si se mantiene el exceso de aire. Así, se está trabajando para que su tiempo de vida supere a los convencionales (4 años, y un recorrido de 40-70 mil Km).
En la técnica de Espectroscopia Infrarrojo se observa la Rx de combustión del CO en presencia de un catalizador.
Estructura nanométrica Microscopia Electrónica de Barrido (MEB) del nanomaterial Las microestructuras cristalinas observadas varia entre 198 259 nm, según la literatura en determinados materiales nanometricos su comportamiento es muy relevante, en este caso seria la actividad catalítica para oxidar el CO y HC.
Resultados y Discusión El HC (material particulado) que no se quemó eficientemente en la cámara de combustión del motor, su conversión se inicia a los 280ºC pasando a CO 2 Se observa que la conversión total del CO es al 100 % y se inicia a partir 280ºC.
Conclusiones No es necesario técnicos especializados para la reposición del dispositivo cerámico (simple y fácil) Solamente se cambia el dispositivo cerámico, se recicla. Se adapta fácilmente en vehículos antiguos Innovadores y prácticos, no tóxicos. Tendencia para reactivarse automáticamente si se mantiene al exceso de aire. Vida media de 4 años, y un recorrido de 40-70 mil Km. La eficiencia catalítica se mantiene con el aumento de la temperatura. La presencia de compuestos azufrados no desactiva el material catalítico como sucede con los convencionales.