¿Cómo funciona el catalizador del coche?

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Edificios ennegrecidos y calles estranguladas: si esa es tu experiencia cuando abres la puerta principal por la mañana, probablemente vivas en una gran ciudad como Los Ángeles, Londres, París, Pekín o Madrid entre otras muchas. Los coches, autobuses y camiones han sido un gran regalo para el mundo, porque nos ayudan a movernos (y las cosas que necesitamos) rápida y eficientemente. Pero la contaminación de sus motores arruina los lugares donde vivimos y daña nuestra salud. Afortunadamente, la mayoría de los vehículos están equipados con unidades reductoras de contaminación llamadas convertidores catalíticos (a veces conocidos como «cats» o «cat-cons»), que convierten los productos químicos nocivos de los escapes de los vehículos en gases inofensivos como el vapor. Vamos a echar un vistazo más de cerca a estos brillantes artilugios y ¡Cómo funcionan!

Los motores de los automóviles funcionan con gasolina o diesel, que están hechos de petróleo. La mayor parte de nuestro petróleo se forma cuando los restos de pequeñas criaturas marinas se pudren, se calientan y son exprimidos por capas de rocas del lecho marino. El petróleo está compuesto de hidrocarburos (moléculas construidas a partir de átomos de carbono e hidrógeno) porque los organismos vivos también están compuestos principalmente de esos átomos.

En teoría, si se quema cualquier tipo de combustible de hidrocarburo con oxígeno del aire, se libera mucha energía y no se hace nada más que dióxido de carbono y agua, que son limpios y relativamente inofensivos. En la práctica, sin embargo, la gasolina es una mezcla de unos 150 productos químicos diferentes, no sólo hidrocarburos, sino también aditivos, y no se quema de forma tan limpia como nos gustaría. Esto significa que, por lo general, la contaminación del aire es un subproducto. Los gases contaminantes producidos por los motores de los automóviles incluyen un gas venenoso llamado monóxido de carbono, así como COV (compuestos orgánicos volátiles) y óxidos de nitrógeno que causan «smog» (el tipo de asfixia, la contaminación de los vehículos turbios que todos conocemos y odiamos).

¿Qué es un Catalizador?

Los gases contaminantes están formados por moléculas dañinas, pero esas moléculas están formadas por átomos relativamente inofensivos. Así que si pudiéramos encontrar una manera de dividir las moléculas después de que salen del motor de un coche y antes de que se bombeen al aire, podríamos resolver el problema de la contaminación. Ese es el trabajo que hace un catalizador.

 




 

Estos gadgets son mucho más sencillos de lo que parecen. Un catalizador es simplemente un químico que hace que una reacción química vaya más rápido sin cambiar en el proceso. Es un poco como un entrenador de atletismo que se para al lado de la pista y grita a los corredores para que vayan más rápido. El entrenador no corre a ninguna parte; sólo se queda ahí parado, agita los brazos y hace que los corredores aceleren. En un convertidor catalítico, el trabajo del catalizador es acelerar la eliminación de la contaminación. El catalizador está hecho de platino o de un metal similar, similar al platino, como el paladio o el rodio.

Un convertidor catalítico es una caja metálica grande, atornillada a la parte inferior de su coche, que tiene dos tubos que salen de ella. Uno de ellos (la «entrada» del convertidor) está conectado al motor e introduce humos calientes y contaminados de los cilindros del motor (donde el combustible se quema y produce potencia). El segundo tubo (la «salida» del convertidor) se conecta al tubo de escape (escape). A medida que los gases de los humos del motor soplan sobre el catalizador, se producen reacciones químicas en su superficie, separando los gases contaminantes y convirtiéndolos en otros gases que son lo suficientemente seguros como para soplar inofensivamente hacia el aire.

Una cosa muy importante a tener en cuenta sobre los convertidores catalíticos es que requieren el uso de combustible sin plomo, porque el plomo en el combustible convencional «envenena» al catalizador y evita que absorba los contaminantes de los gases de escape.

 

¿Qué sucede dentro del convertidor?

 



En el interior del convertidor, los gases fluyen a través de una densa estructura de nido de abeja hecha de cerámica y recubierta con los catalizadores. La estructura de nido de abeja significa que los gases tocan una mayor área de catalizador a la vez, por lo que se convierten de forma más rápida y eficiente.

Típicamente, hay dos catalizadores diferentes en un convertidor catalítico:

Uno de ellos aborda la contaminación por óxido de nitrógeno mediante un proceso químico llamado reducción (eliminación de oxígeno). Esto descompone los óxidos de nitrógeno en gases de nitrógeno y oxígeno (que son inofensivos, porque ya existen en el aire que nos rodea).
El otro catalizador funciona mediante un proceso químico opuesto llamado oxidación (adición de oxígeno) y convierte el monóxido de carbono en dióxido de carbono. Otra reacción de oxidación convierte los hidrocarburos no quemados en el escape en dióxido de carbono y agua.
En efecto, se están produciendo tres reacciones químicas diferentes al mismo tiempo. Por eso hablamos de catalizadores de tres vías. (Algunos convertidores menos efectivos llevan a cabo sólo las dos segundas reacciones (oxidación), por lo que se denominan convertidores catalíticos bidireccionales). Después de que el catalizador ha hecho su trabajo, lo que emerge del escape es principalmente nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono y agua (en forma de vapor).

¿Cuál es la eficacia de los convertidores catalíticos?

Los convertidores catalíticos están diseñados principalmente para reducir la contaminación atmosférica local inmediata (aire sucio por donde sueles conducir). Aún así, la gente a veces se pregunta si realmente son tan verdes como parecen. Es importante recordar que reducen las emisiones en lugar de eliminarlas por completo.



Un problema es que sólo funcionan a altas temperaturas (más de 300°C/600°F aproximadamente), cuando el motor ha tenido la oportunidad de calentarse. Los primeros tipos de convertidores catalíticos normalmente tardaban entre 10 y 15 minutos en calentarse, por lo que eran completamente ineficaces durante los primeros kilómetros/millas de un viaje (o cualquier parte de un viaje muy corto). El calentamiento moderno se realiza en sólo 2-3 minutos; aún así, pueden ocurrir emisiones significativas durante este tiempo.

Otra cuestión es si aumentan las emisiones de gases de efecto invernadero. Pensamos en el dióxido de carbono como un gas seguro, porque no es tóxico en las concentraciones diarias. Sin embargo, no es totalmente inofensivo, porque ahora sabemos que es la principal causa del calentamiento global y del cambio climático. Algunas personas creen que los convertidores catalíticos empeoran el cambio climático porque convierten el monóxido de carbono en dióxido de carbono. De hecho, el monóxido de carbono que su coche produce se convertiría eventualmente en dióxido de carbono en la atmósfera por sí solo, por lo que un convertidor catalítico no hace ninguna diferencia en ese aspecto: simplemente reduce el monóxido de carbono que un coche bombea a la calle mientras conduce, mejorando la calidad del aire local.

 

Pero cuando se trata del cambio climático, los ingenieros de automóviles y los ecologistas han señalado desde hace mucho tiempo otro problema grave. Aunque los gatos convierten la mayoría de los óxidos de nitrógeno en nitrógeno y oxígeno, también producen pequeñas cantidades de óxido nitroso (N2O) en el proceso, un gas de efecto invernadero que es más de 300 veces más potente que el dióxido de carbono.

El problema es que con tantos vehículos en la carretera, incluso pequeñas cantidades de óxido nitroso se suman a un gran problema. En el año 2000, el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático tomó nota: «La introducción de convertidores catalíticos como medida de control de la contaminación en la mayoría de los países industrializados está provocando un aumento sustancial de las emisiones de N2O de los vehículos a gasolina». Afortunadamente, los nuevos convertidores catalíticos producen menos óxido nitroso que los antiguos. Aun así, aunque los convertidores catalíticos nos han ayudado sin duda a hacer frente a la contaminación atmosférica a corto plazo, existe la preocupación de que, cuando se trata de un cambio climático a largo plazo, podrían estar empeorando las cosas.



¿Funcionan los convertidores catalíticos para motores diesel?

Los motores diesel pueden y utilizan convertidores catalíticos, pero hay varias diferencias importantes con respecto a cómo funcionan en los motores de gasolina.

En lugar de catalizadores de tres vías, los diéseles utilizan catalizadores de oxidación de dos vías (que sólo abordan el monóxido de carbono y los hidrocarburos), y los diseñados específicamente para trabajar con los escapes de diesel, que son significativamente más fríos que los de gasolina.
Como no tienen catalizadores de reducción, los motores diesel producen emisiones de óxidos de nitrógeno mucho más altas que los motores de gasolina. (Existen otros mecanismos que el gasóleo puede utilizar para hacer frente a las emisiones de NOx, pero no entraremos en detalles aquí.)




Los convertidores catalíticos en motores diesel ayudan a reducir las emisiones de partículas (en su mayoría hollín), aunque sólo ligeramente; en concreto, abordan un tipo de partículas conocidas como la fracción orgánica soluble, SOF, fabricada a partir de hidrocarburos ligados al hollín. Los filtros de partículas diesel (DPF) tienen que ser utilizados para tener un impacto significativo en las emisiones de hollín de un motor.
Aparte de los automóviles, los motores diesel tienden a propulsar vehículos mucho más grandes que los de gasolina (por ejemplo, máquinas de construcción gigantescas), con una producción de gases de escape considerablemente mayor. En lugar de un solo catalizador instalado entre el motor y el tubo de escape, pueden tener varias unidades individuales instaladas en paralelo para hacer frente al mayor volumen de gases de escape.

¿Quién inventó el catalizador?

 

¿A quién le debemos agradecer por hacer que las calles y las ciudades sean más seguras y limpias? El ingeniero químico francés Eugene Houdry (1892-1962) patentó lo que parece haber sido el primer convertidor catalítico en los Estados Unidos, presentando la invención el 5 de mayo de 1950 y recibiendo su (Patente de los EE.UU. 2.674.521: convertidor catalítico para gases de escape) cuatro años después, el 6 de abril de 1954. Houdry había inventado previamente el craqueo catalítico, el proceso industrial por el cual los muchos y complejos químicos orgánicos del petróleo se separan en docenas de productos útiles, incluyendo la gasolina.

Después de eso, experimentó con hacer diferentes tipos de combustibles para vehículos y hacerlos más limpios. Aunque reconoció el creciente problema de la contaminación del aire, sus ideas se adelantaron mucho a su tiempo: los convertidores catalíticos fueron «envenenados» por los aditivos de plomo utilizados en la gasolina para mejorar el rendimiento. Afortunadamente, en la década de 1970, la gente comenzó a reconocer los peligros del plomo, un metal pesado tóxico.




En 1973, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA, por sus siglas en inglés) publicó un informe que demostraba cómo el plomo perjudicaba la salud de las personas, lo que inició el lento proceso para eliminar el plomo de la gasolina. Los primeros catalizadores prácticos aparecieron poco después, a mediados de la década de 1970, y desde entonces se han utilizado en los automóviles.

Houdry inventó el catalizador de oxidación básico para combatir el monóxido de carbono. Los convertidores catalíticos de tres vías mejorados, que también podían hacer frente a los óxidos de nitrógeno, fueron diseñados a principios de la década de 1970 por Carl Keith (1920-1988), John Mooney (1929-) e ingenieros químicos de Engelhard Corporation. Además de eliminar más contaminantes, empiezan a purificar los gases del tubo de escape mucho más rápido que los convertidores anteriores, por lo que son más eficaces en trayectos más cortos.

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