Der abgaskatalysator

Der Abgaskatalysator von Micha Lauterjung      Manch einer wird ihn schon einmal gesehen haben oder dessen Einsatzgebiet kennen. Aber der Abgaskatalysator ist eine ziemlich komplizierte, aber dennoch alltäglich genutzte Einrichtung. Da die Emissionsgrenzwerte für Autoabgase gesetzlich festgelegt sind, wird heutzutage kein Kraftfahrzeug ohne Abgaskatalysator mehr zugelassen und schon gar nicht gebaut. Wie wir aus einem der vorangehenden Referate wissen, sind Autos an der Luftverschmutzung nicht unbeträchtlich beteiligt.   Die Gesetzgebung im Einzelnen in den USA seit den 70er Jahren limitierte Abgasgrenzwerte bei Fahrzeugtypenzulassungen in Europa seit 1977 Grenzwerte für die Schadstoffgruppen Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOx) seit 2000 dürfen nur noch Fahrzeuge mit Katalysator fahren   Das deutsche Wörterbuch von Gerhard Wahrig fasst die Funktion des Abgaskatalysators so zusammen: „Abgaskatalysator: Einrichtung zur Verminderung der Kohlenmonoxid- und Stickstoffanteile im Auspuffgas“. Im Großen und Ganzen ist das richtig, aber der chemische Hintergrund bleibt außen vor.

Eine weitere Definition: „Abgaskatalysator: Katalysator, durch den die Schadstoffe im Abgas von Kraftfahrzeugen verringert werden“. So beschreibt es das Wörterbuch von Karl-Dieter Bünting. Man kann erkennen, dass es einen Unterschied zwischen den Begriffen „Abgaskatalysator“ und „Katalysator“ gibt. Ein Katalysator im allgemeinen Sinne ist „eine Substanz, die so auf den Verlauf einer chemischen Reaktion einwirkt, dass diese praktisch schneller von den Ausgangsprodukten zu den Endprodukten abläuft“. Wichtig ist, dass der Katalysator selbst dabei nicht verändert wird. Die Aktivierungsenergie wird herabgesetzt.

Der Abgaskatalysator besteht in seinem Kern auch aus einem solchen Katalysator, vorzugsweise aus Rhodium und Platin. Doch zunächst einmal einige allgemeine Grundlagen: Die Aufgabe des Abgaskatalysators ist es – wie schon oben beschrieben – so viele Schadstoffe wie möglich aus den Abgasen herauszufiltern. Zu diesen zählen hauptsächlich Kohlenmonoxid (CO) und bestimmte unverbrannte Kohlenwasserstoffe (in meinem Beispiel HC). Die Stickoxide (NOx) bilden die dritte problematische Schadstoffgruppe. In der Tat schafft es der Abgaskatalysator, die Abgasschadstoffe um über 90% zu verringern. Ich möchte im Folgenden nur auf den „Kern“ des Abgaskatalysators eingehen, da der Rest aus chemischer Sicht uninteressant ist.

Wie im Chemiebuch in der Abbildung B4 auf Seite 274 deutlich zu sehen ist, besteht der Abgaskatalysator lediglich aus einem Katalysatorblock sowie den entsprechenden Leitungen zum Hinführen der Abgase zum Katalysator und zum Weiterführen der gereinigten Abgase zum Auspuff. Der Katalysatorblock besteht aus zahlreichen Keramikwaben, auf deren Wänden die genannten Edelmetalle Platin und Rhodium in kleinen Kügelchen liegen. Durch diese Katalysatorwaben werden die Abgase hindurchgeleitet. Die Platin- und Rhodiumkügelchen sorgen aufgrund ihres Katalysatorcharakters dafür, dass das schädliche Kohlenmonoxid (CO) zu unschädlichem Kohlendioxid (CO2) und die Kohlenwasserstoffe (z.B. HC) zu Wasser (H2O) umgewandelt werden.

Rein chemisch betrachtet findet eine Oxidation statt. Die Katalysatoren regen also die Schadstoffe zu einer Reaktion mit Sauerstoff an. Die Katalysatoren selbst werden dabei – wie schon erwähnt – nicht verändert, können also beliebig oft diese Arbeit verrichten. Die dritte Schadstoffgruppe, die Stickoxide (NOx), müssen – verständlicherweise – nicht oxidiert werden, sondern reduziert, damit hinterher Stickstoff (N) überbleibt, wie es auch aus Abbildung B4 von Seite 274 unseres Chemiebuchs hervorgeht. Auch diese Reduktion wird von den Katalysatoren angeregt. Die Abgase, die den Katalysatorblock verlassen, sind „entgiftet“, das heißt, sie bestehen dann größtenteils nur noch aus dem weniger schädlichen Kohlendioxid und den ungefährlichen Verbindungen Wasser und Stickstoff.

  Die Reaktionen im Einzelnen 1. Oxidation 2 CO + O2 à 2 CO2 2 C2H6 + 7 O2 à 4 CO2 + 6 H2O 2. Reduktion 2 NO + 2 CO à N2 + 2 CO2   Temperaturen von 300 – 900 °C sind Voraussetzung.   Für Katalysatorfahrzeuge darf nur bleifreies Benzin verwendet werden, weil sich das Blei (Pb) sonst im Katalysator ablagern und diesen dadurch unwirksam machen würde.

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