Plaatina autokatalüsaatorites: miks seda kasutatakse ja mida see teeb?

Plaatina autokatalüsaatorites ei ole lihtsalt väärtuslik lisand, vaid üks plaatinarühma metallidest, mida kasutatakse heitgaasides toimuvate keemiliste reaktsioonide kiirendamiseks. Koos pallaadiumi ja roodiumiga aitab plaatina muuta osa kahjulikest heitgaasikomponentidest vähem kahjulikeks ühenditeks. Täpne metallide kombinatsioon ei ole siiski kõigis katalüsaatorites sama: see sõltub muu hulgas mootoritüübist, heitgaasisüsteemist, töötemperatuurist ja tootja valitud katalüsaatoritehnoloogiast.

Seetõttu ei saa väita, et iga autokatalüsaator sisaldab kindlat kogust plaatinat või et plaatina on alati peamine väärismetall. Bensiinimootorite kolmekomponendilistes katalüsaatorites võib suurem roll olla pallaadiumil ja roodiumil, samal ajal kui plaatina on olnud eriti oluline paljudes diiselmootorite oksüdatsioonikatalüsaatorites. Kui soovid jälgida metalli enda turuväärtust, vaata eraldi plaatina hinda; käesolev artikkel keskendub metalli tehnilisele kasutusele sõiduki heitgaasisüsteemis.

Kuidas autokatalüsaator töötab?

Autokatalüsaator paikneb väljalaskesüsteemis ning selle sees on tavaliselt kärjekujuline keraamiline või metalliline kandur. Kanduri pind kaetakse poorse kihiga, millele jaotatakse väga väikeses koguses katalüütiliselt aktiivseid metalle. Selline ehitus annab suure aktiivse pinna, kuigi väärismetalli kogus võrreldes kogu katalüsaatori massiga on väike.

Katalüsaator ei tööta samamoodi nagu tavaline mehaaniline filter. Selle põhifunktsioon on kiirendada keemilisi reaktsioone. Näiteks süsinikmonooksiidi ja põlemata süsivesinikke saab oksüdeerida süsinikdioksiidiks ja veeks, samal ajal kui lämmastikoksiidide vähendamiseks kasutatakse teistsugust reaktsiooniteed. Katalüsaator ise ei pea reaktsiooni käigus samas tempos ära kuluma nagu kütus, kuid aja jooksul võib selle aktiivsus kuumuse, saasteainete ja füüsilise vananemise tõttu väheneda.

Miks kasutatakse katalüsaatoris just plaatinat?

Plaatina väärtus autokatalüsaatoris tuleneb selle pinnal toimuvast katalüütilisest aktiivsusest ja sobivusest nõudlikku heitgaasikeskkonda. Väljalaskegaasid on kuumad, nende koostis muutub kiiresti ning katalüsaator peab töötama pika aja jooksul. Plaatina suudab soodustada oksüdatsioonireaktsioone tingimustes, kus tavalised metallid ei ole sama tõhusad või vastupidavad.

Eriti oluline on see diiselmootorites, mille heitgaas on tavaliselt hapnikurikas. Diisli oksüdatsioonikatalüsaator ehk DOC aitab vähendada süsinikmonooksiidi ja põlemata süsivesinike hulka. Plaatina ja pallaadiumi kombinatsioone kasutatakse selleks, et saavutada sobiv aktiivsus erinevatel temperatuuridel ja parandada süsteemi vastupidavust. Diiselauto heitgaaside puhastamine ei piirdu seejuures ühe katalüsaatoriga: süsteemis võivad olla ka tahmafilter ja eraldi NOx vähendamise lahendus, näiteks SCR.

Plaatina, pallaadium ja roodium ei ole omavahel täielikult asendatavad

Väärismetallide valikut mõjutavad keemia, töötemperatuur, heitgaasi hapnikusisaldus, vastupidavus ja süsteemi projekteerimine. Seetõttu ei ole õige järeldada, et tootja saab igas katalüsaatoris ühe metalli lihtsalt teise vastu sama kogusega välja vahetada. Mõnes rakenduses on Pt ja Pd teatud määral asendatavad, kuid roodiumi põhiroll NOx vähendamisel on erinev.

Ka turuhind mõjutab pikema aja jooksul seda, milliseid metallikombinatsioone autotootjad ja katalüsaatoritootjad püüavad kasutada, kuid tehniline sobivus seab piirid. Sellepärast võib kahe välimuselt sarnase katalüsaatori väärismetallide koostis olla erinev. Laiema hinnakonteksti jaoks saab võrrelda ka tööstusmetallide hindu, kuid katalüsaatori tegelikku koostist ei saa tuletada üksnes päevase metallihinna põhjal.

Kas katalüsaatori sees on puhas plaatina?

Ei. Plaatina ei paikne katalüsaatoris tavaliselt eraldi tükina, mida saaks visuaalselt üles leida või mehaaniliselt lihtsalt eemaldada. Katalüütiliselt aktiivne metall on väga peenelt jaotatud kanduri pinnale koos teiste materjalidega. See suurendab reaktsioonide jaoks vajalikku aktiivset pinda.

Samuti ei tähenda katalüsaatori suur mass seda, et selles oleks proportsionaalselt palju plaatinat. Korpuse teras, keraamiline või metalliline kärg ja pinnakate moodustavad suurema osa detailist. Väärismetallide sisaldus on tootepõhine ning usaldusväärseks määramiseks on vaja professionaalset analüüsi ja õiget proovivõttu.

Miks ei saa katalüsaatori plaatinasisaldust mudeli järgi alati täpselt öelda?

Sama automudeli eri mootoriversioonidel, tootmisaastatel ja heitgaasinormidele vastavatel versioonidel võib olla erinev heitgaasisüsteem. Lisaks võib ühel sõidukil olla mitu heitgaasitöötluse elementi. Katalüsaatori asukoht mootori lähedal või kaugemal, bensiin- või diiselmootor, hübriidne töörežiim ning vajalik temperatuurivahemik mõjutavad kõik tehnilist lahendust.

Mis juhtub plaatinaga katalüsaatori vananedes?

Katalüsaator on projekteeritud pikaajaliseks kasutuseks, kuid selle aktiivsus ei püsi lõputult muutumatuna. Väga kõrged temperatuurid võivad põhjustada aktiivsete osakeste struktuuri muutumist ja pindala vähenemist. Mootoriõli või kütusega süsteemi sattuvad ühendid võivad aktiivseid pindu katta või nende tööd häirida. Samuti võib keraamiline kandur tugeva löögi või termilise koormuse tõttu kahjustuda.

See ei tähenda, et plaatina oleks kasutatud katalüsaatorist automaatselt kadunud. Väärismetalle saab tööstuslikes protsessides kasutatud katalüsaatoritest taastada, kuid taastatav kogus ja majanduslik väärtus sõltuvad tegelikust koostisest, proovivõtust ja töötlemisest. Kui eesmärk on hinnata plaatinaeseme müüki üldisemalt, vaata eraldi juhendit plaatina kokkuostu kohta Eestis; see leht ei anna autokatalüsaatorite kokkuostuhindu.

Kas katalüsaatoris olev plaatina on sama metall mis ehtes või investeerimistootes?

Keemilise elemendina on tegemist sama plaatinaga ehk Pt-ga, kuid kasutusvorm on täiesti erinev. Ehtes kasutatakse plaatinat sulamina, mille proov ja märgistus aitavad kirjeldada väärismetallisisaldust. Katalüsaatoris on plaatina aga mikroskoopiliselt jaotatud aktiivse materjalina kandekihi pinnale. Seetõttu ei saa katalüsaatori puhul rakendada ehte proovimärgi loogikat.

Samuti erineb see füüsilisest investeerimisplaatinast, mida toodetakse standardiseeritud plaatide või müntidena. Nende vormide, puhtuse ja praktiliste riskide kohta loe artiklist investeerimisplaatina. Kui huvi on hoopis ehete igapäevase kasutuse vastu, on eraldi teemaks plaatina sõrmuse hooldus.

Kokkuvõte: plaatina roll sõltub katalüsaatori tüübist

Plaatina katalüsaatoris toimib eelkõige aktiivse katalüütilise metallina, mis aitab kiirendada heitgaaside oksüdatsioonireaktsioone. Koos pallaadiumi ja roodiumiga on see osa tehnoloogiast, millega sisepõlemismootoriga sõidukite heitgaase töödeldakse enne väljalaskmist. Täpset Pt sisaldust ei saa aga usaldusväärselt määrata katalüsaatori suuruse, kaalu, välimuse või üldise automudeli põhjal, sest metallide koostis ja kogus sõltuvad konkreetsest süsteemist.

Praktiliselt tasub eristada kolme küsimust: kuidas katalüsaator töötab, milliseid väärismetalle selles kasutatakse ja milline on kasutatud detaili rahaline väärtus. Esimesele kahele annab vastuse tehniline ehitus ja katalüsaatori keemia; kolmanda jaoks on vaja konkreetse detaili identifitseerimist ja analüüsi. Nii väldib liiga lihtsat järeldust, et iga autokatalüsaator on automaatselt „plaatinakatalüsaator“ või et selle väärtuse saab arvutada ühe universaalse valemiga.