แคทาลิติกคอนเวอร์เตอร์ (catalytic converter) หรือเครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา ซึ่งคนไทยนิยมเรียกสั้น ๆ ว่า "แคท" นั้น เป็นอุปกรณ์ทำหน้าที่ลดไอเสีย ที่เกิดจากการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ของเครื่องยนต์ อุปกรณ์นี้เกิดจากแรงกดดันของภาครัฐ ในประเทศสหรัฐอเมริกาที่ต้องการให้รถ ยนต์ทุกคันที่ผลิตออกมาปลดปล่อยก๊าซพิษต่าง 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 โดยโรเดียมถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยารีดักชัน ของก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ ส่วนแพลทินัม และแพลเลเดียมใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของก๊าซ คาร์บอนมอนอกไซด์ และสารไฮโดรคาร์บอน
พัฒนาการของแคทาลิติกคอนเวอร์เตอร์
การปรับปรุงเพื่อพัฒนาประสิทธิภาพของแคทาลิติกฯ มีตั้งแต่เริ่มต้น แคทาลิติกฯ รุ่นแรกเริ่มภายในถูกบรรจุด้วยเม็ดอลูมินา (alumina - เป็นวัสดุเซรามิกส์ชนิดหนึ่ง สูตรเคมีคือ Al2O3) ไว้เป็นจำนวนมาก เนื่องจากใช้เม็ดอลูมินาเป็นฐานรองรับ (substrate) โลหะแคทาลิสต์ แต่ว่าแคทาลิติกฯ รุ่นหลังจนถึงปัจจุบัน โลหะแคทาลิสต์จะถูกเคลือบบนฐานรองรับ ที่มีลักษณะเป็นช่องกลวงคล้ายรังผึ้ง (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) อีกชิ้นหนึ่งเคลือบด้วยแพลเลเดียมหรือแพลทินัมเพื่อเร่งปฏิกิริยา ออกซิเดชัน(บริเวณB) จากปฏิกิริยาเคมี (3) ก๊าซไนโตรเจนออกไซด์จะถูกเปลี่ยนเป็นก๊าซไนโตรเจน และก๊าซออกซิเจน ซึ่งออกซิเจนที่ได้จาก (3) สามารถนำไปใช้ทำปฏิกิริยากับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ และสารไฮโดรคาร์บอนต่อได้ ดังนั้นภายในแคทาลิติกฯ จึงออกแบบให้ฐานรองที่เคลือบโรเดียมอยู่ข้างหน้าฐานรองแพลทินัม (หรือแพลเลเดียม) เสมอ
ที่มา http://www.mtec.or.th/index.php?option=com_content&task=view&id=90&Itemid=36
