<%@ Language=VBScript %><% response.buffer=true %>News : MTEC2005 :Catalytic Converter
สาระน่ารู้
        แคทาลิติกคอนเวอร์เตอร์ (catalytic converter) หรือเครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา ซึ่งคนไทยนิยมเรียกสั้น ๆ ว่า "แคท" นั้น เป็นอุปกรณ์ทำหน้าที่ลดไอเสียที่เกิดจากการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ของเครื่องยนต์ อุปกรณ์นี้เกิดจากแรงกดดันของภาครัฐในประเทศสหรัฐอเมริกาที่ต้องการให้รถยนต์ทุกคันที่ผลิตออกมาปลดปล่อยก๊าซพิษต่าง ๆ น้อยลง ทั้งนี้จากข้อมูลเกี่ยวกับการปล่อยไอเสียของรถยนต์ต่าง ๆ ที่ผลิตออกมาก่อนปี ค.ศ.1966 (พ.ศ.2509) พบว่าโดยเฉลี่ยแล้วรถยนต์ 1 คันที่วิ่งเป็นระยะทาง 1 ไมล์ (ประมาณ 1.6 กม.) มีการปล่อยสารไฮโดรคาร์บอน ซึ่งเป็นไอน้ำมันที่เหลือจากการไม่ถูกเผาไหม้ออกมาจำนวน 10.6 กรัม ปล่อยก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (carbon monoxide - CO) คิดเป็นน้ำหนัก 84 กรัม และปล่อยก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ (nitrogenoxide - NOx) ออกมาคิดเป็นน้ำหนัก 4.1 กรัม แต่กว่าที่จะมีรถยนต์ติดแคทาลิติกฯ รุ่นแรกออกมาจำหน่ายก็ต้องรอถึงปี ค.ศ.1975 (พ.ศ.2518) แคทาลิติกฯ ที่ติดรถยนต์รุ่นแรก ๆ นั้นเป็นแบบ 2 ทาง (two-way catalytic converter) สามารถลดปริมาณก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ และสารไฮโดรคาร์บอนได้เพียง 2 ชนิดเท่านั้น จนปลายทศวรรษที่ 70 จึงมีแคทาลิติกฯ แบบ 3 ทาง (3-way catalytic converter) ที่ลดได้ทั้งก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ สารไฮโดรคาร์บอน และก๊าซไนโตรเจนออกไซด์

การทำงานของแคทาลิติกคอนเวอร์เตอร์
        แคทาลิติกฯ ทำหน้าที่เปลี่ยนไอเสีย 3 ชนิดได้แก่ สารไฮโดรคาร์บอน ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ และก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ให้เป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซไนโตรเจน ก๊าซออกซิเจน และไอน้ำ ด้วยปฏิกิริยาทางเคมีออกซิเดชัน (oxydation) และรีดักชัน (reduction) สมการเคมีข้างล่างแสดงถึงปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้น โดยปฏิกิริยาสามารถเกิดขึ้นเองได้ตามธรรมชาติ แต่ว่าอัตราการเกิดจะช้ามาก ดังนั้นจึงต้องใช้สารเร่งปฏิกิริยาหรือแคทาลิสต์ (catalyst) เพื่อให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดเร็วขึ้น

                                                             2CO + O2 --------> 2CO2                          (1)
                                                             CxHy + O2 --------> CO2 + H2O                (2)
                                                             2NOx --------------> N2 + O2                       (3)


สารแคทาลิสต์ที่ใช้ในการเปลี่ยนไอเสียเป็นโลหะจำพวก "โลหะมีตระกูล" (novel metals) คือเป็นโลหะที่เฉื่อยต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมี ได้แก่ แพลทินัม (platinum - Pt) แพลเลเดียม (palladium - Pd) และโรเดียม (rhodium - Rh) เหตุที่ต้องใช้สารแคทาลิสต์หลายชนิด เนื่องจากสารแคทาลิสต์หนึ่งเหมาะกับปฏิกิริยาเคมีแบบหนึ่งเท่านั้น โดยโรเดียมถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยารีดักชันของก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ ส่วนแพลทินัมและแพลเลเดียมใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ และสารไฮโดรคาร์บอน

พัฒนาการของแคทาลิติกคอนเวอร์เตอร์

        การปรับปรุงเพื่อพัฒนาประสิทธิภาพของแคทาลิติกฯ มีตั้งแต่เริ่มต้น แคทาลิติกฯ รุ่นแรกเริ่มภายในถูกบรรจุด้วยเม็ดอลูมินา (alumina - เป็นวัสดุเซรามิกส์ชนิดหนึ่ง สูตรเคมีคือ Al2O3) ไว้เป็นจำนวนมาก เนื่องจากใช้เม็ดอลูมินาเป็นฐานรองรับ (substrate) โลหะแคทาลิสต์ แต่ว่าแคทาลิติกฯ รุ่นหลังจนถึงปัจจุบัน โลหะแคทาลิสต์จะถูกเคลือบบนฐานรองรับที่มีลักษณะเป็นช่องกลวงคล้ายรังผึ้ง (honeycomb) ซึ่งตัวฐานรองรับอาจทำจากเหล็กกล้าไร้สนิมหรือคอร์เดียไรต์ (cordierite - เป็นวัสดุเซรามิกส์ชนิดหนึ่ง มีชื่อทางเคมีว่า แมกนีเซียมอลูมิโนซิลิเกต (Mg2Al4Si5O18)) ก็ได้ ฐานรองรับแคทาลิสต์แบบหลังมีข้อดีกว่าแบบเม็ดอลูมินา เนื่องจากลักษณะโครงสร้างที่เป็นช่องกลวงช่วยลดแรงดันย้อนกลับ (back pressure) ของไอเสียได้ดีกว่า แต่ว่าต้นทุนการผลิตฐานรองแบบรวงผึ้งนั้นสูงกว่า



        นอกจากรูปแบบของฐานรองรับที่เปลี่ยนไปแล้ว การเปลี่ยนแปลงที่เห็นได้ชัดอีกอย่างคือ ความหนาแน่นของจำนวนช่องของฐานรองรับ แคทาลิติกฯ รุ่นแรก ๆ (ผลิตออกมาในปี ค.ศ.1974) มีความหนาแน่นของช่องขนาดเล็กประมาณ 200 ช่อง/ตร.นิ้ว และผนังแต่ละช่องมีความหนาราว 0.305 มิลลิเมตร แต่ในปัจจุบันแคทาลิติกฯ ที่ผลิตออกมามีความหนาแน่นของจำนวนช่องหลายรุ่น ตั้งแต่ 400, 600 หรือ 1,000 ช่อง/ตร.นิ้ว ซึ่งผนังของแต่ละช่องหนาเพียง 0.025 มิลลิเมตรเท่านั้น จำนวนช่องที่มากขึ้นทำให้มีพื้นที่ผิวในการทำปฏิกิริยาเคมีเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพการลดปริมาณก๊าซพิษเพิ่มสูงขึ้น



        เรื่องของ "ฮวงจุ้ย" ก็สำคัญ! แต่ในที่นี้หมายถึง การจัดเรียงตำแหน่งต่าง ๆ ภายในอุปกรณ์แคทาลิติกฯ เนื่องจากภายในแคทาลิติกฯ มีปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้น 2 อย่าง คือ ปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชัน ซึ่งอาศัยโลหะแคทาลิสต์ต่างชนิดกัน ดังนั้นจึงต้องแยกพื้นที่สำหรับการเกิดปฏิกิริยาเคมีออกจากกัน แคทาลิติกแบบ 3 ทางจึงมีฐานรองรับ 2 ชิ้นแยกจากกัน ชิ้นหนึ่งเคลือบโรเดียมเพื่อเร่งปฏิกิริยารีดักชัน(บริเวณA) อีกชิ้นหนึ่งเคลือบด้วยแพลเลเดียมหรือแพลทินัมเพื่อเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน(บริเวณB) จากปฏิกิริยาเคมี (3) ก๊าซไนโตรเจนออกไซด์จะถูกเปลี่ยนเป็นก๊าซไนโตรเจน และก๊าซออกซิเจน ซึ่งออกซิเจนที่ได้จาก (3) สามารถนำไปใช้ทำปฏิกิริยากับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ และสารไฮโดรคาร์บอนต่อได้ ดังนั้นภายในแคทาลิติกฯ จึงออกแบบให้ฐานรองที่เคลือบโรเดียมอยู่ข้างหน้าฐานรองแพลทินัม (หรือแพลเลเดียม) เสมอ

แหล่งออกซิเจน?
        สืบเนื่องต่อจากเรื่องข้างบน จากปฏิกิริยาเคมี (1) - (3) นั้น มีคำถามว่า แล้วปริมาณออกซิเจนที่ได้จาก (3) เพียงพอสำหรับการทำปฏิกิริยา (1) และ (2) จริงหรือ? อันที่จริงในรถยนต์มีการติดตั้งอุปกรณ์ตัวหนึ่งเรียกว่า แลมดาเซ็นเซอร์ (lamda sensor) อยู่ด้านหน้าของตัวแคทาลิติกฯ สำหรับตรวจวัดปริมาณก๊าซออกซิเจนในไอเสีย และรายงานค่าที่ได้ส่งกลับไปยัง "สมอง" ของรถยนต์ (กล่องอีซียู (ECU)) เพื่อให้ปรับเพิ่มหรือลดปริมาณอากาศที่เข้ามาผสมกับเชื้อเพลิงให้ได้ใกล้เคียงกับจุดสัมพันธ์การเผาไหม้เชื้อเพลิง (stoichiometric point - เป็นค่าทางทฤษฎีของสัดส่วนปริมาณอากาศต่อปริมาณน้ำมันเชื้อเพลิงที่ทำให้เกิดการเผาไหม้สมบูรณ์มีค่าเท่ากับ 14.7:1 ) ตลอดเวลา และเพื่อให้มีออกซิเจนเหลือเพียงพอสำหรับการทำปฏิกิริยาออกซิเดชันในแคทาลิติกฯ ด้วย

ภาพแสดงตำแหน่งของ Catalytic Converter (Image from : http://www.mtec.or.th/th/news/cool_stuff/www.howstuffworks.com)

แคทาลิติกฯ ในอนาคต
        การปรับปรุง และพัฒนาประสิทธิภาพแคทาลิติกฯ ยังคงมีอยู่ต่อไป เพื่อรองรับมาตรฐานควบคุมไอเสียที่เข้มงวดมากขึ้นในอนาคต ตัวอย่างแนวทางในการปรับปรุงแคทาลิติกฯ ในอนาคตได้แก่

        ระบบอุ่นแคทาลิติกฯ เนื่องจากแคทาลิติกฯ จะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิประมาณ 300 องศาเซลเซียสแต่ในบางครั้งเช่น การสตาร์ทเครื่องขณะเครื่องเย็นนั้น แคทาลิติกฯ จะไม่สามารถกำจัดก๊าซพิษได้ทันที ทำให้มีก๊าซพิษต่าง ๆ หลุดออกมา ต้องรอจนแคทาลิติกฯ ร้อนได้ที่ก่อนซึ่งกินเวลาหลายนาที ดังนั้นผู้ผลิตแคทาลิติกฯ จึงพยายามหาหนทางให้แคทาลิติกฯ ทำงานได้เร็วขึ้น จึงเป็นที่มาของระบบอุ่นแคทาลิติกฯ ซึ่งการอุ่นแคทาลิติกฯ ทำได้ 2 ทาง ทางที่ดูเหมือนเป็นทางออกแบบง่าย (แต่จริง ๆ ยังไม่ใช่) คือ การย้ายให้แคทาลิติกฯ เข้าใกล้เครื่องยนต์มากขึ้น วิธีนี้ช่วยให้แคทาลิติกฯ ร้อนเร็วขึ้น แต่มีข้อเสียว่า แคทาลิติกฯ ต้องทนกับสภาพอุณหภูมิสูงตลอดเวลา ทำให้อายุการใช้งานสั้นลง (โดยทั่วไปแคทาลิติกมีอายุการใช้งานเท่ากับรถยนต์) อีกทางหนึ่งคือ การใช้ลวดความร้อนอุ่นแคทาลิติกฯ วิธีนี้ยังไม่สามารถใช้งานได้จริง เนื่องจากแบตเตอรี่ในรถยนต์ขนาด 12 โวลต์ที่ใช้อยู่ในปัจจุบันมีกำลังไฟฟ้าไม่เพียงพอที่จะทำให้ลวดไฟฟ้าร้อนได้เร็วเพียงพอ แต่คาดว่าน่าจะมีทางเป็นไปได้มากกว่า หากนำไปใช้กับรถยนต์ระบบไฮบริด (hybrid) ที่ใช้ทั้งไฟฟ้าและน้ำมันเป็นเชื้อเพลิง

        ระบบดูดซับสารไฮโดรคาร์บอน เป็นการใช้สารบางชนิด เช่น ซีโอไลท์ (zeolite) โดยวางให้ซีโอไลท์อยู่ข้างหน้าแคทาลิติกฯ ซีโอไลท์จะดูดซับสารไฮโดรคาร์บอนในไอเสียเอาไว้ในช่วงที่แคทาลิติกฯ เพิ่งเริ่มทำงานและมีอุณหภูมิต่ำ เมื่ออุณหภูมิแคทาลิติกฯ สูงพอทำงานได้แล้ว ซีโอไลท์จะคายไอของสารไฮโดรคาร์บอนออกมาเพื่อไปทำปฏิกิริยาเคมีในแคทาลิติกฯ ต่อไป ซึ่งเทคโนโลยีนี้มีแนวโน้มดีว่าสามารถลดสารไฮโดรคาร์บอนที่หลุดออกมาจากแคทาลิติกฯ ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นอีก

        นอกจาก 2 แนวทางที่กล่าวมานี้ ยังมีงานวิจัยอีกหลายชิ้นที่อยู่ระหว่างการศึกษาทดลอง เพื่อนำมาปรับปรุงและพัฒนาประสิทธิภาพของแคทาลิติกฯ รุ่นต่อไปให้ดีขึ้น โดยทั้งหมดเพื่อตอบสนองความต้องการของผู้ผลิตรถยนต์ที่ต้องผลิตรถยนต์รุ่นต่อไปในอนาคตให้ปล่อยไอเสียออกมาน้อยลงนั่นเอง



หมายเหตุ  ข้อกำหนดเรื่องมาตรฐานไอเสียของรถยนต์ในยุโรปและอเมริกา ระบุถึงก๊าซพิษ 3 ชนิด ขณะที่หนังสือประกาศของกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ออกเมื่อ พ.ศ. 2540 กำหนดมาตรฐานของก๊าซพิษเพียง 2 ชนิด คือ ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ และสารไฮโดรคาร์บอนเท่านั้น


แหล่งข้อมูลอ้างอิง :
http://www.fordscorpio.co.uk/cats.htm
http://autorepair.about.com/cs/generalinfo/a/aa080401a_2.htm
http://www.aecc.be/en/current_technology.htm
http://www.rsc.org/chemistryworld/features/free/CW00403F0050.htm
http://auto.howstuffworks.com/catalytic-converter.htm
http://infofile.pcd.go.th/law/2_16_air.pdf
http://www.obitet.gazi.edu.tr/Ydokuman/63.pdf
http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/AirQuality/CatalyticConverter.htm


-------------------------------------------------------------------------------
 

Copyright © 1997-2005,MTEC,NSTDA. All rights reserved.