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
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.
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)
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.
Tabla n° 2: Estándares Nacionales de Calidad Ambiental del Aire
vigentes al 2011- ECA (D.S N° 074-2001-PCM)
NE: no exceder
mg/m3: microgramos de contaminante por metro cúbico de aire.
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
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 250oC. Según las
condiciones, se puede lograr disminuir hasta un 95-99% la concentración
de los gases (CO, NOx 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.
MetologíaLa metodología utilizada es la siguiente:
Con respecto a la preparación del catalizador se utiliza la técnica de Co-
precipitación 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 La2O3/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, CO2, HC, SOx.
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
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.
Metodología
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: O2, N2, H2O, y CO2.
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.
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 CO2
Se observa que la conversión total del CO
es al 100 % y se inicia a partir 280ºC.
Resultados y Discusión
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.