vom Element zum Device: Platin – Autokatalysator

Präsentation zum Thema: "vom Element zum Device: Platin – Autokatalysator"—  Präsentation transkript:

1 vom Element zum Device: Platin – Autokatalysator
Christian Goldhahn am 15. Januar 2013

2 Gliederung Allgemeines Vorkommen und Gewinnung
Darstellung und Verwendung Verbrennungsmotor Autoabgaskatalysator Regelung des Sauerstoffangebots Katalysatorschäden Katalysatorrecycling

3 Platin Platinmetalle: Ruthenium Rhodium Palladium Osmium Iridium
Abbildung: chemischen-elemente.png ( ) A.F. Hollemann, E. Wiberg, N. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin, 2007

4 Vorkommen Seltenes Element (0,005 ppm in Erdkruste)
Liegt gediegen oder in Verbindungen vor (PtAs2, PtS) Primäre Lagerstätten: geringer Anteil an Platin Sekundäre Lagerstätten: Anreicherung durch Verwitterung Aufwändige Förderung: 150 t Gestein für 1 kg Pt => Rohplatin A.Thorenz, A. Reller, Diskussion der Risiken der Ressource Platin auf Basis eines um funktionale Faktoren erweiterten Kritikalitätsassessments – dargestellt am Besispiel platinhaltiger Zyostatika und Autoabgaskatalysatoren, Environmental Science Europe 2011, 23:26 A.F. Hollemann, E. Wiberg, N. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin, 2007

5 Darstellung Rohplatin aus gezieltem Abbau oder als Anodenschlamm aus Cu-Gewinnung Elektrolytische Abtrennung von Gold und Silber Gewinnung von reinem Platin aus Rohplatin: 1) Lösen in Königswasser → [𝑃𝑡𝐶𝑙6] 2− 2) Fällen mit Ammoniumchlorid → (NH4)2[𝑃𝑡𝐶𝑙6] 3) thermische Zersetzung oder Reduktion des Komplexes mit Hydrazin => 400 t Abraum/Schlacke pro Kilogramm Platin Verwendung: Elektronikindustrie Chemiesektor Investment Schmuckindustrie Autokatalysator A.F. Hollemann, E. Wiberg, N. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin, 2007 Abbildung: B. Weber, Skript Modul AC II - Nebengruppen I, Bayreuth, 2011 Abbildung: A. Thorenz, A. Reller, Diskussion der Risiken der Ressource Platin auf Basis eines um funktionale Faktoren erweiterten Kritikalitätsassessments – dargestellt am Besispiel platinhaltiger Zyostatika und Autoabgaskatalysatoren, Environmental Science Europe 2011, 23:26 Abbildung:

6 Verbrennungsmotor CxHy + (x + y 4 ) O2 → x CO2 + y 2 H2O Nebenprodukte: - unvollständige Verbrennung → CmHn - Kohlenstoffmonoxid CO - Luftverbrennung N2 + O2 → 2 NO Überführen der Nebenprodukte in harmloses Abgas: CmHn + (m + n 4 ) O2 → m CO2 + n 2 H2O CO O2 → CO2 CO + NO → 1 2 N2 + CO2 Gleichgewichte liegen bei Betriebsbedingungen auf der „günstigen“ Seite → Katalysatoren geeignet um kinetische Hemmung zu überwinden Probleme: sowohl Reduktion als auch Oxidation; Zeit bis zum Erreichen der Anspringtemperatur; Regelung des Sauerstoffangebots E. Koberstein, Katalysatoren zur Reinigung von Autoabgasen, Chemie in unserer Zeit, 18. Jahrg. 1984, Nr. 2 S.37-44

7 Autoabgaskatalysator
Heute vor allem multifunktionelle Katalysatoren („Dreiwegekatalysator“) Aufbau: - Träger: keramische Monolithe (Cordierit), Metallträger - Washcoat: γ-Al2O3 - Edelmetallbeschichtung: Platin (1-3 g), Palladium, Rhodium C. Hagelüken, Autoabgaskatalysatoren, 2. Auflage, expert verlag, Renningen, 2005 E. Koberstein, Katalysatoren zur Reinigung von Autoabgasen, Chemie in unserer Zeit, 18. Jahrg. 1984, Nr. 2 S.37-44 Abbildung li.: ( ) Abbildung re.: ( )

8 Katalysatorregelung CmHn + (m + n 4 ) O2 → m CO2 + n 2 H2O
CO O2 → CO2 CO + NO → N2 + CO2 → Lambda-Wert: λ= O 2 (vorhanden) O 2 (benötigt) λ<1: Sauerstoffunterschuss (CmHn-fettes Abgas) λ>1: Sauerstoffüberschuss (CmHn-mageres Abgas) Lambdasonde: potentiometrische Messung des Sauerstoffgehalts Sauerstoffionenleiter durch extrinsische Punktdefekte (dotiertes ZrO2) → 𝑈= 𝑅∙𝑇 4𝐹 ∙𝑙𝑛 𝑃 𝐿𝑢𝑓𝑡 ( 𝑂 2 ) 𝑃 𝐴𝑏𝑔𝑎𝑠 ( 𝑂 2 ) A.F. Hollemann, E. Wiberg, N. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin, 2007 C. Hagelüken, Autoabgaskatalysatoren, 2. Auflage, expert verlag, Renningen, 2005 Abbildung: J. Breu, Modul ACIII – Präparative Anorganische Chemie Festkörperchemie I, Bayreuth, 2011

9 Katalysatorschäden Sintern des Washcoat: γ-Al2O3 → α-Al2O3 Verlust von spezifischer Oberfläche Schädigung der katalytisch wirksamen Schicht: Vor allem durch Verbrennungsrückstände (Motoröl, andere Verunreinigungen) - Bedeckung der Edelmetallschicht - Bildung von PGM-Oxiden oder anderer Verbindungen (Vergiftung) → Verlust der katalytischen Wirkung Mechanische Abtragung von Katalysatormaterial bis zu 20 t/a Platinfeinstaubemissionen in Europa, Japan und Nordamerika E. Koberstein, Katalysatoren zur Reinigung von Autoabgasen, Chemie in unserer Zeit, 18. Jahrg. 1984, Nr. 2 S.37-44 C. Hagelüken, Autoabgaskatalysatoren, 2. Auflage, expert verlag, Renningen, 2005 A. Thorenz, A. Reller, Diskussion der Risiken der Ressource Platin auf Basis eines um funktionale Faktoren erweiterten Kritikalitätsassessments – dargestellt am Besispiel platinhaltiger Zyostatika und Autoabgaskatalysatoren, Environmental Science Europe 2011, 23:26

10 Katalysatorrecycling
„Rollende Platinmine“ Gründe: - gesicherte Versorgung und Preisstabilisierung - umweltfreundliche Produktion Methode: pyrometallurgisches Verfahren Vorraussetzungen: effektive Recyclingkette sorgfältiger Umgang mit Altkatalysatoren → bisher nur ca. 30% des Recyclingpotentials ausgeschöpft C. Hagelüken, Autoabgaskatalysatoren, 2. Auflage, expert verlag, Renningen, 2005

11 Zusammenfassung Platin ist seltenes Metall mit vielen Anwendungen
Wichtigste Anwendung: Autokatalysator Autoabgase müssen unschädlich gemacht werden Umwandlung zu harmlosem Abgas kinetisch gehemmt → Katalysator Sauerstoffangebot muss genau geregelt werden → λ-Sonde Lebensdauer des Katalysators ist begrenzt Optimierungsbedarf bei Katalysatorrecycling vorhanden