Pot catalytique
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Le pot catalytique est un élément des véhicules motorisés. Il utilise le principe de la catalyse et vise à diminuer une partie des émissions polluantes en les transformant, à 850°C, en vapeur d'eau et CO2.
Les principaux gaz ainsi traités sont :
- CO (Monoxyde de carbone)
- HC(hydrocarbures imbrûlés)
- NOx (oxydes d'azote, ...)
Sommaire |
[modifier] Technologie
[modifier] Fonctionnement
Le pot catalytique fait passer les gaz chauds dans une boite en inox renfermant le catalyseur (généralement déposé sur un substrat céramique ou métallique pourvu d'un revêtement actif composé d'alumine, de cérine et d'autres oxydes ainsi que de métaux précieux combinés : par exemple platine, palladium et rhodium).
Le substrat est parfois protégé des vibrations et des chocs par une nappe céramique ou métallique résiliente.
Conditions de fonctionnement :
Pour fonctionner, le catalyseur doit atteindre une température de +400° C et, tant que la couche de catalyseurs est propre et intègre, et si la teneur de l'alimentation en oxygène est optimale, alors, au contact de ces métaux, trois des émissions nocives (des gaz) seront transformés en gaz moins nocif (CO2) et en vapeur d'eau et Azote.
Le revêtement catalytique absorbe alors le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures (HC) et les oxydes d'azote (NOx ) contenus dans les gaz d'échappement et leur permet de réagir entre eux pour former du dioxyde de carbone (CO2), de l'eau (H2O) et de l'azote (N2).
[modifier] Deux grands types de catalyseurs
Les catalyseurs d’automobiles vendus dans les années 1990-2000 sont de deux types ; « oxydation » ou « trois voies ».
- - Le type « oxydation » assure la conversion du monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures imbrûlés (HC) en dioxyde de carbone (CO2) et en eau, tout en réduisant la masse de particules du carburant diesel. Ils n’éliminent pas les oxydes d'azote (NOx) ni ne diminuent la quantité de particules émises.
- - Les pots à catalyse dite "à 3 voies", font passer les gaz d'échappement au travers d'un monolithe percé d'une multitude de petits canaux dans lesquels on a déposé une fine couche de métaux catalyseurs (Platine, Rhodium, Palladium, et Lutécium) déposés sur un support : le " washcoat " qui en surface développée, offre théoriquement une surface de contact équivalent pour certains modèles (neufs) à celle de 3 terrains de football (selon les fabricants) permettant, en théorie une épuration de 99 % des rejets de 3 gaz polluants. Une sonde lambda (ou à oxygène) régule le mélange air-carburant dans les moteurs à essence.
[modifier] Filtre à particules
Le pot catalytique ne retient pas les particules, qui par ailleurs gênent son fonctionnement. Un filtre peut donc utilement lui être adjoint, qui diminue le rejet de suies et particules polluantes cancérigènes et/ou mutagènes suspectées ou avérées.
Les moteurs à carburant non gazeux (type GPL) et surtout fonctionnant au diesel émettent des particules (suies, fumée noire). Pour éviter leur diffusion dans l'atmosphère, on utilise un filtre, installé dans le pot, qui va les retenir. Certains particules comme les suies (noir de carbone) peuvent trouver un usage commercial.
En 2006, les filtres sont encore très rares dans le monde.
[modifier] Améliorations
Les modèles récents sont équipés d'une double sonde à oxygène (dite "lambda") liée à un calculateur électronique qui gère la quantité d'air à injecter dans le carburateur (le rapport idéal air/carburant est de 14,7/1). Si la proportion de carburant augmente, les rejets de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrocarbures (HC) augmentent aussi, si elle diminue (mélange pauvre), c'est le taux d'oxydes d'azote (NOx) qui augmente, et par suite la probabilité de production d'ozone et peut-être de PANs (autre type d'oxydant produit par la circulation).
Pour limiter les dysfonctionnements induits par les variations brutales de la composition des gaz, les fabricants ont ensuite ajouté des composés-tampon qui peuvent stocker un peu d'oxygène quand il est en excès et le relarguer quand il manque (rhodium, mais surtout oxyde de Cerium ajouté à l'alumine du support).
[modifier] Selon l’AECC :
Les catalyseurs à amorçage rapide sont maintenant plus efficaces à une température d'échappement moindre, ce qui permet une réduction des gaz d'échappement non traités lors des déplacements courts (de plus en plus fréquents). Des innovations ont amélioré la capacité thermique des substrats. La composition du catalyseur en métaux précieux actifs a également été améliorée. Des catalyseurs plus stables à haute température permettent un montage plus près du moteur et allonge la durée de vie utile des catalyseurs, notamment lors de conditions de conduite difficiles (vibrations). Ceci nécessite :
- une dispersion stable des cristallites de métaux précieux
- une couche d'imprégnation permettant de maintenir une large surface à des températures avoisinant les 1000°C.
Des composants améliorés (stockage d'oxygène stabilisant la surface imprégnée) optimisent la "fenêtre" air/carburant du dispositif trois voies et rétro-infomrent le système sur l'état du catalyseur (système d'auto-diagnostic OBD).
- - Les substrats des catalyseurs progressent. En 1974, les substrats céramiques présentaient une densité de 200 cellules par pouce carré (cpsi) de section transversale (31 cellules/cm2) pour une épaisseur de paroi de 0,012 pouce ou 12 millièmes de pouce (0,305 mm).
- - Au début des années 1980, la densité en cellules passaient à 400 cpsi, pour une épaisseur de parois diminuée de 50% (jusqu'à 6 millièmes de pouce). On a ensuite produit des substrats de 400, 600 et 900 cpsi, et des parois réduites presque à 0,05 mm (2 millièmes de pouce d'épaisseur).
- - À la fin des années 70 apparaissent des substrats dérivés des feuilles ultra-fines d'acier inoxidable, d'abord n'excédant pas 0,05 mm d'épaisseur pour atteindre une densité élevée des cellules. A présent, on peut concevoir des structures internes complexes; il existe des substrats de 800 et 1000 cpsi, et l'épaisseur des parois a pu être abaissée à 0,025 mm.
- - On peut se demander si ces progrès n'ont pas aussi été accompagnés par une fragilisation du matériel lorsqu'il est utilisé dans des conditions non optimales (vibrations, nombreux démarrages à froid, etc)
[modifier] Effet sur l'environnement
Face à l'augmentation du nombre de véhicules motorisés et aux besoins de limiter la pollution de l'air, depuis la fin des années 1990, un nombre croissant de pays a rendu un élément catalyseur obligatoire pour les moteurs à essence et/ou diesel. Les voitures actuelles seraient 40 fois moins polluantes que celles des années 70 affirment certains fabricants. Cependant les véhicules sont beaucoup plus nombreux, ils parcourent des distances croissantes, et certains polluants ne sont pas traités par les catalyseurs. Enfin, il semble que certains pots catalytiques vieillissent mal et puissent perdre une partie de leur contenu dans l'environnement.
[modifier] Bilan à réévaluer pour les pots catalytiques ?..
Les pots catalytiques épurent indiscutablement 3 gaz (par ailleurs biodégradables) produits par les véhicules qui en sont équipés. Mais ils semblent aussi polluer l'atmosphère en perdant une partie de leurs catalyseurs qui sont métaux lourds (par ailleurs précieux).
Selon des études citées par la revue scientifique américaine Environmental Science and Technology – paradoxalement - les métaux lourds des pots catalytiques polluent notre environnement, localement et jusque dans les neiges et les glaces polaires. (100 fois plus de retombées dans les zones polaires avec très forte augmentation en deux décennies).
[modifier] Lacunes
Les catalyseurs n'ont hélas aucun effet sur les rejets en dioxyde de carbone (CO2) qui peuvent même très légèrement augmenter, et qui restent la première cause de l'augmentation des rejets de gaz à effet de serre. D'autre part, l'épuration des gaz n'intervient pas aussitôt après le démarrage d'un moteur froid, il est donc inutile sur les courtes distances "à froid". De plus, les pots sont soumis à un flux corrosif et encrassant, à de fortes variations de température et de pression, parfois à des chocs thermiques ainsi qu'aux vibrations qui expliquent qu'une partie des métaux lourds utilisés soient peu à peu arrachés de leur support et expulsés avec les gaz d'échappement. Pour le diesel, les catalyseurs à base de cuivre ont une bonne sélectivité mais ne fonctionnent qu'à partir de 350 °C - alors que l'optimum est à 250 °C pour un moteur diesel - et ils résistent mal aux hautes températures (500 °C et plus). Tandis que ceux à base de métaux nobles (platine...) fonctionnent sur une large plage thermique (250 à 700 °C) mais favorisent la conversion des oxydes d'azote en hémioxyde (ou protoxyde) d'azote (N2O)... un gaz qui participe à l'effet de serre !
Les pots catalytiques ne supportant pas le plomb, ils ont indéniablement poussé à la diminution de la pollution par ce métal lourd toxique, neurotoxique, non dégradable et facteur de saturnisme). Mais en 2006, le plomb est toujours présent dans divers types d'essence et carburants dans de nombreux pays pauvres, en développement ou même du riche Golfe persique (Le record de taux de plomb dans l'essence aurait été enregistré au Nigéria en 2005 (le pays le plus peuplé d'Afrique). D'autre part, les anti-détonants qui ont remplacé le plomb, notamment le benzène et certains métaux lourds (ex : Manganèse) posent d'autres problèmes écologiques et sanitaires (le benzène est cancérogène). Ils sont de plus en plus présents dans l'air et l'environnement urbain et aux abords des routes à fort trafic.
Les pots catalysés ont indéniablement contribué à diminuer les émissions de 3 polluants monoxyde de carbone (CO, toxique), oxydes d'azote (précurseurs de l'ozone) et hydrocarbures imbrûlés (polluants et parfois mutagènes et cancérogènes), et indirectement du plomb.. On s'aperçoit cependant qu'ils sont sans effet sur certains polluants (manganèse) et qu'ils génèrent eux-mêmes une pollution préoccupante par les métaux lourds (catalyseurs qu'ils contiennent et qu'ils perdent), dans les villes et aux abords des routes. Selon une étude récente, cette pollution touche au moins tout l’hémisphère Nord.
[modifier] Phénomène (récent) de pollution secondaire
Les pots de voitures n'ont commencé à être catalysés que dans les années 1975 aux USA et fin des années 1980 en Europe de l'ouest. Ils émettent néanmoins des quantités sans cesse croissantes de platine, rhodium et de palladium, qu'on a par exemple trouvé dans l'herbe des prairies jouxtant des routes, mais aussi dans l'urine des habitants de Rome, ce qui laisse penser que les organismes urbains y sont très exposés. Ces métaux sont rares dans la nature, mais on en trouve maintenant dans la poussière des routes à des concentrations parfois plus élevées que dans le précieux minerai de platine des mines de platine (source : Pr. Claude Boutron).
La pollution est locale et globale : Contrairement aux principaux gaz émis par les pots d'échappement, les métaux lourds ne sont pas biodégradables ni dégradables. Ils ne peuvent qu'être stockés éventuellement provisoirement dans les sols, sédiments ou végétaux, voire s'accumuler, et pour certains très rapidement dans les chaînes alimentaires.
Les Pr. Claude Boutron (Grenoble) et Carlo Barbante (Venise) ont analysé le platine, le rhodium et le palladium de carottes de glace et de neige prélevées au centre du Groenland dans le cadre des programmes européens GRIP et EUROCORE, à l'aide de techniques analytiques sophistiquées (ICP - MS à haute résolution). Les taux de platine, rhodium et palladium sont 100 fois plus élevés dans la neige tombée au milieu des années 1990 que dans la glace datant d'il y a 7000 à 8000 ans, avec une brutale augmentation ces dernières années.
D'autres analyses sont en cours pour voir si l'Antarctique et l'Hémisphère-Sud sont également touchés, bien que beaucoup moins industrialisés et peuplés.
Il semble ne pouvoir y avoir de doute sur l'origine de cette pollution : le rapport d'abondance du platine et du rhodium mesuré dans la neige récente du Groenland est le même que celui mesuré directement à la sortie de pots d'échappement catalytiques.
[modifier] Risques pour la santé
Sans nier les avantages des pots catalytiques, on manque de données toxicologiques et éco-toxicologie quant aux impacts des métaux qu'ils perdent dans l'environnement, et quant à leurs dérivés et métabolites. On sait qu'ils ne sont pas neutres chimiquement, car c'est justement pour leur propriété de catalyseur qu'ils sont utilisés (et parfois de médicament anticancéreux par exemple pour une forme oxydée du platine, non sans effets secondaires, puisque c'est la substance qui cause la perte des cheveux dans certaines chimiothérapie)
[modifier] Conclusion provisoire et perspectives
Les études citées ci-dessus apportent une confirmation supplémentaire au fait que la pollution automobile diffuse très rapidement à l'ensemble de la planète, car les pots catalytiques sont récents et ne se sont développés à ce jour que dans les pays riches.
Si des études écotoxicologiques ou de santé publique montrent que les impacts de ces émissions de métaux sont importants, on se trouvera face à un nouveau choix : "pot catalytique" amélioré + filtre, ou nouveau carburant (type hydrogène, qui est déjà une priorité en Islande, qui veut le généraliser d’ici 50 ans) et développement des transports en commun.
Sources principales : 1) Laboratoire de Glaciologie et de Géophysique de L'Environnement / Grenoble - Université Joseph Fourier (Science, technologie, médecine) et CNRS 2) Département des sciences de l'Environnement de l’université Ca Foscari de Venise et du CNRS
[modifier] Remarques
Il est à noter que les scientifiques indépendants et les autorités locales ont des difficultés à travailler sur l'impact des carburants. Leurs formules varient selon les provenances, la saison, les fabricants, la durée de stockage, mais aussi elles sont, de même que les quantités consommées localement, considérées comme des informations confidentielles.
Des questions se posent aussi concernant les installations catalytiques qui équipent certaines installations industrielles, incinérateurs, etc. surtout si elles sont placées en aval d’un filtre, ou non suivies de très bon filtres capables de récupérer les métaux catalytiques arrachés de la surface interne de l’équipement.
[modifier] Voir aussi
[modifier] liens internes
[modifier] liens externes
- AECC (Association for Emissions Control by Catalyst) ;
sociation internationale regroupant les entreprises européennes qui élaborent des technologies de réduction des émissions automobiles http://www.aecc.be/fr/current_technology.htm
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