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Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces 1 Chimie du pot catalytique: principe, enjeux et polémique Traitement des effluents gazeux automobiles Anouk.

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1 Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces 1 Chimie du pot catalytique: principe, enjeux et polémique Traitement des effluents gazeux automobiles Anouk Galtayries Maître de Conférences, ENSCP

2 Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces 2 Pollution automobile Accroissement illimité du parc automobile mondial augmentation inquiétante des niveaux de pollution de lair par émission de gaz toxiques: 3 depuis 1960

3 Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces 3 Pollution automobile (cont.) voitures à essence En théorie : combustion totale de lessence, production de CO 2 et H 2 O inoffensifs En réalité : combustion incomplète et émissions gazeuses de: monoxyde de carbone CO : inodore, incolore, très toxique HydroCarbures imbrûlés : notés HC (dont benzène) famille des oxydes dazote : notés NO x pour N 2 O, NO, NO 2, concourent à la formation des pluies acides, dozone (« smog ») voir actualité: pics de pollution sous certaines conditions météorologiques

4 Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces 4 Pollution automobile (cont.) voitures à essence Le Monde, 18 janvier 1997 Le Monde, 12 mars 1997

5 Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces 5 Loi sur lair pur Les 3 plus grands marchés automobiles mondiaux : USA, Japon, Europe milieu des années 1960 : premiers contrôles standards années 1970 : débuts des régulations lois de plus en plus sévères de 1975 à 1990 « Clean Air Act Amendment » en 1990 lois fédérales et lois californiennes revues régulièrement objectif : « zéro » émission en 2003 en Californie

6 6 Loi sur lair pur (cont.) USA

7 Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces 7 Loi sur lair pur (cont.) Les 3 plus grands marchés automobiles mondiaux : USA, Japon, Europe parmi les premiers pays à légiférer en 1975, revu en 1991 en 1998 : nouvelle législation alignée sur la législation US AnnéesCO HC NOx 19912,100, ,67 0,08 0,25 Niveaux autorisés démissions polluantes (g/km) pour voitures à essence au Japon (édictés en 1998)

8 Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces 8 Loi sur lair pur (cont.) Les 3 plus grands marchés automobiles mondiaux : USA, Japon, Europe Jusquen 1990 : retard par rapport à USA et Japon (directives nationales en Autriche, Suisse, Scandinavie fin des années 1980) 1993 : loi européenne « Stage I » 1996 : « Stage II » 1998 : « Stage III » jusquen 2000 « Stage IV » jusqu en 2005 AnnéesCOHC+NOx 19922,720, ,200, ,300,200, ,000,100,08 (g/km)

9 Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces 9 Pollution et catalyse Pour entrer dans les limites imposées par ces normes: ajout dun catalyseur sur le trajet des gaz émis, cest à dire dans le pot déchappement Objectifs: transformer simultanément les gaz polluants en gaz inoffensifs 2 CO + O 2 2 CO 2 oxydation si HC = C 2 H 6 C 2 H 6 +7/2 O 2 2 CO H 2 O oxydation 2 NO + 2 CO N CO 2 réduction

10 Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces 10 Pollution et catalyse (cont.) Émissions organiques (HC) d un moteur dautomobile : Méthanen-Butane3-Méthylpentane1,1-Diméthylhexane EthaneButènes2-Méthylpentane Ethylbenzène EthèneAcétonitrileBenzènem-xylène EthyneAcétonen-Hexane p-xylène PropèneIsopentane2-Méthylhexaneo-xylène Propanen-Pentane3-Ethylpentanetriméthylbenzène n-HeptaneToluèneAcétylaldéhyde

11 Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces 11 Catalyse:lorsquune réaction chimique est possible, on peut laccélérer grâce à lajout dun catalyseur ainsicatalyseur + réactifs produits + catalyseur en principe: jamais consommé, toujours régénéré en pratique: essence sans plomb obligatoire! ici: Palladium (Pd), Platine (Pt) pour l oxydation Rhodium (Rh) pour la réduction interaction fugace gaz/surface des métaux: catalyse hétérogène Pollution et catalyse (cont.)

12 Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces 12 Pollution et catalyse (cont.) Historiquement - on traite seulement loxydation de CO et HC : 1 catalyseur doxydation seul (Pd, Pt) - on traite successivement loxydation de CO et HC puis la réduction des NO x : 1 catalyseur doxydation (Pd, Pt) puis 1 catalyseur de réduction (Rh) Depuis 1993: - on traite simultanément loxydation de CO, HC et la réduction des NO x : 1 catalyseur 3 voies (Pd, Pt, Rh)

13 Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces 13 Pot catalytique Historiquement: General Motors (avec catalyseur de Rhône-Poulenc) billes dalumine (Al 2 O 3 ) imprégnées de métaux précieux perte de puissance du moteur (20 CV) billes ne se touchent pas chocs, vibrations poudre catalyseur sur la route ! Invention du monolithe (Corning)

14 Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces 14 Pot catalytique (cont.) Monolithe céramique en « nid dabeilles »

15 Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces 15 Problématique du pot catalytique Réactions en compétition ! Rapport air/essence Efficacité de la transformation (%) ,6 Maximum de conversion autour de 95 % ! « Fenêtre » de fonctionnement optimal

16 Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces 16 Problématique du pot catalytique se maintenir dans les conditions de transformations optimales des polluants autour de la valeur de 14,6 = air/essence air = comburant = oxygène 2 méthodes: sonde à oxygène dans le moteur ajout dun matériau dans le monolithe: loxyde de cérium propriétés: capacités à stocker ou re-larguer loxygène très rapidement fournit de loxygène lors de loxydation stocke de l oxygène lors de la réduction

17 Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces 17 Contrôle de la quantité d oxygène: CeO 2 (promoteur) Ce O Lacune doxygène! Mobilité de loxygène dans le matériau: stockage ou relargage

18 Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces 18 Avantages et inconvénients Pot catalytique: bonne transformation des polluants produits par lautomobile en produits inoffensifs prix: prix des métaux précieux prix du catalyseur vieillissement: km inférieur à durée de vie de la voiture températures de fonctionnement: pas efficace immédiatement pollution maximum pour petits déplacements (école, courses, ville, …)

19 Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces 19 Avantages et inconvénients (cont.) A plus grande échelle: émission de CO 2 « effet de serre » pollution mondiale paradoxe dans les mégalopoles du Tiers-Monde moins de véhicules mais incomparablement plus polluants Au-delà du pot catalytique: régulation de la circulation automobile en ville mesures durgence: réduction de la vitesse politiques à plus long terme : alternance, pistes cyclables… modifier le carburant, choix de la voiture électrique...


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