Christian Goldhahn am 15. Januar 2013

VOM ELEMENT ZUM DEVICE: PLATIN – AUTOKATALYSATOR

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GLIEDERUNG

1) Allgemeines

2) Vorkommen und Gewinnung

3) Darstellung und Verwendung

4) Verbrennungsmotor

5) Autoabgaskatalysator

6) Regelung des Sauerstoffangebots

7) Katalysatorschäden

8) Katalysatorrecycling

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PLATIN

Platinmetalle:

Ruthenium

Rhodium

Palladium

Osmium

Iridium

Platin

Abbildung: http://periodensystem-elemente.de/wp-content/uploads/2012/03/periodensystem-der-chemischen-elemente.png (23.12.2012)

A.F. Hollemann, E. Wiberg, N. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin, 2007

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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

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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 →

2) Fällen mit Ammoniumchlorid → (NH4)2

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, 2011Abbildung: 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, 23:26Abbildung: http://www.goldinvest.de/wp-content/uploads/sonstiges_platinbarren.jpg

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VERBRENNUNGSMOTORCxHy + (x + ) O2 → x CO2 + H2O

Nebenprodukte:

- unvollständige Verbrennung → CmHn

- Kohlenstoffmonoxid CO

- Luftverbrennung N2 + O2 → 2 NO

Überführen der Nebenprodukte in harmloses Abgas:

CmHn + (m + ) O2 → m CO2 + H2O

CO + O2 → CO2

CO + NO → 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 SauerstoffangebotsE. Koberstein, Katalysatoren zur Reinigung von Autoabgasen, Chemie in unserer Zeit, 18. Jahrg. 1984, Nr. 2 S.37-44

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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, 2005E. Koberstein, Katalysatoren zur Reinigung von Autoabgasen, Chemie in unserer Zeit, 18. Jahrg. 1984, Nr. 2 S.37-44Abbildung li.: www.billigstautos.com (23.12.2012)Abbildung re.: http://development.hg-otorsport.de/templates/hg_motorsport/img/katalysator.png (23.12.2012)

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KATALYSATORREGELUNGCmHn + (m + ) O2 → m CO2 + H2O

CO + O2 → CO2

CO + NO → N2 + CO2

→ Lambda-Wert:

λ<1: Sauerstoffunterschuss (CmHn-fettes Abgas)

λ>1: Sauerstoffüberschuss (CmHn-mageres Abgas)

Lambdasonde:

• potentiometrische Messung des

Sauerstoffgehalts

• Sauerstoffionenleiter durch extrinsische

Punktdefekte (dotiertes ZrO2)

→

A.F. Hollemann, E. Wiberg, N. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin, 2007C. Hagelüken, Autoabgaskatalysatoren, 2. Auflage, expert verlag, Renningen, 2005

Abbildung: J. Breu, Modul ACIII – Präparative Anorganische Chemie Festkörperchemie I, Bayreuth, 2011

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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.37-44C. Hagelüken, Autoabgaskatalysatoren, 2. Auflage, expert verlag, Renningen, 2005A. 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

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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

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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