Προσδιορισμός των στοιχείων της ομάδας της πλατίνας σε σωματίδια από τις εκπομπές των καταλυτών βενζινοκίνητων οχημάτων και αξιολόγηση της κατάστασης του καταλύτη

Abstract

Οι καταλυτικοί μετατροπείς των αυτοκινήτων περιέχουν πλατίνα, παλλάδιο και ρόδιο με σκοπό τη μετατροπή των αερίων ρύπων όπως CO, NOx, HC σε πιο αβλαβή αέρια CO2, H2O και N2. Με την υποχρεωτική χρήση του καταλύτη σε όλα τα οχήματα, σύμφωνα με την ευρωπαϊκή νομοθεσία, οι εκπομπές των αερίων ρύπων έφτασαν σε πολύ χαμηλά επίπεδα, αλλά παρατηρήθηκε μια αύξηση της συγκέντρωσης των PGE (Platinum Group Elements - Μέταλλα ομάδας λευκοχρύσου) στο περιβάλλον. Ο σκοπός αυτής της εργασίας είναι η συλλογη σωματιδίων που περιέχουν PGEs από τις εκπομπές καυσαερίων βενζινοκίνητων αυτοκινήτων σε φίλτρα και η αξιολογήση της κατάστασης του καταλύτη, σύμφωνα με τις εκπομπές αυτών. Ένα νέο σύστημα δειγματοληψίας αναπτύχθηκε για να εφαρμοστεί απευθείας στην εξάτμιση των οχημάτων σε συνδυασμό με έναν αναλυτή καυσαερίων κατά τον πρότυπο Νέο Ευρωπαϊκό Κύκλο Οδήγησης (NEDC). Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται η ολική δειγματοληψία σε φίλτρα των μετάλλων πλατίνας (Pt), παλλαδίου (Pd), ροδίου (Rh) σε μορφή σωματιδίων και η παρακολούθηση των αερίων ρύπων ταυτόχρονα. Οι μέσες εκπομπές που βρέθηκαν χρησιμοποιώντας την κατάλληλη διαδικασία χώνευσης και τις αναλυτικές μεθόδους ICP-MS και GF-AAS είναι: Pt 15 ng/km, Pd 130 ng/km και Rh 21 ng/km με αναλογία Pt/Pd/Rh 1/8.7/1.4. Στους τριοδικούς καταλύτες με κυβισμό 700cc-5000cc και ηλικία 212km-155000km βρέθηκε μια μεγάλη περιοχή εκπομπών, που κυμαίνονταν για την πλατίνα 0.3-88 ng/km, το παλλάδιο 69-658 ng/km και το ρόδιο 0.3-107 ng/km. Αν το όριο ηλικίας των καταλυτών σύμφωνα με τους κατασκευαστές είναι 80.000 χιλιόμετρα και πρέπει να αντικατασταθούν, καταλύτες με διπλάσιες ηλικίες του ορίου συνέχισαν να εκπέμπουν πολύ χαμηλά καυσαέρια εντός ορίων. Επιπλέον οι καινούριοι καταλύτες, καθώς και οι μεγαλύτερου μεγέθους κινητήρες εκπέμπουν μεγαλύτερες ποσότητες PGEs σε σχέση με παλαιότερους καταλύτες και μικρότερους κινητήρες. Σύμφωνα με τα ευρήματα της έρευνας, οι εκπομπές παλλαδίου ήταν κυρίαρχες σε σχέση με αυτές του λευκοχρύσου. Παράλληλα αυτός ο νέος τρόπος δειγματοληψίας μπορεί να αποδειχθεί πλεονεκτικός στην δοκιμή καταλυτών νέας τεχνολογίας, προκειμένου να μελετηθούν οι εκπομπές των PGE.

Automotive catalytic converters containing platinum, palladium and rhodium reduce the emission of the gaseous pollutants such as CO, NOx, HC into the more innocuous gases CO2, H2O and N2. With the mandatory use of catalyst in all vehicles according to European legislation, gas emissions reached ultra low levels but there has been an increase of PGEs (Platinum Group Elements) concentration in the environment. The purpose of this project was to collect particles containing PGEs from raw exhaust gas fumes on filters from vehicles and evaluate the state of the catalyst according to the PGE emissions. A new sampling system was developed in order to be applied directly at the exhaust pipe of vehicles combined with an exhaust gas analyzer during the standard New European Driving Cycle (NEDC). This way total sampling on filters of the metals platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh) in particle form and gas monitoring could be achieved simultaneously. Τhe mean emission rates found by using an appropriate digestion procedure and ICP-MS and GF-AAS determination, were: Pt 15 ng/km, Pd 130 ng/km and Rh 21 ng/km with a ratio Pt/Pd/Rh of 1/8.7/1.4. For three way catalysts of 700cc-5000cc with ages of 212km-155000km there was a range of emissions for platinum 0.3-88 ng/km, palladium 69-658 ng/km and rhodium 0.3-107 ng/km. Although the limit age of catalysts according to manufacturers is 80000 km and need to be replaced, it was found that even catalysts with ages of almost double the limit emit ultra low exhaust gases. Furthermore fresh catalysts as well as bigger sized engines emitted higher amounts of PGEs than older and small engines sized ones. According to the findings of this research the palladium emissions were dominant in comparison to the platinum ones. Also this new way of sampling might prove advantageous in testing new technology catalysts in order to study the PGE emission.