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.

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.

Tabla n° 3: Niveles de alerta para contaminantes críticos

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

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: 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.