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Seite 4 <strong>EMITEC</strong> (Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Vollmer: KIS Köln Kopiervorlage 13 Vergleich von Keramik- und Metallkatalysatoren Der Abgaskatalysator ist eine noch junge technische Entwicklung. Die ersten Autos mit Katalysator gab es in den 70er Jahren in den USA und Japan. In Deutschland dürfen seit 1989 keine Neuwagen mehr ohne Katalysator verkauft werden.Wegen der zunehmenden Verschärfung der Abgasgrenzwerte arbeiten die Ingenieure unter Hochdruck an der Verbesserung der Katalysatortechnik. Die ersten Katalysatoren besaßen einen Wabenkörper aus Keramik. In den letzten Jahren hat dieser sogenannte Keramikkatalysator Konkurrenz durch den Metallkatalysator bekommen, bei dem der Wabenkörper aus Edelstahl ist. Der Wabenkörper ist das Trägermaterial auf das die katalytische Beschichtung aufgetragen wird. Keramikkatalysator im Querschnitt Metallkatalysator im Querschnitt Aufgaben: 1.Fasse mit Hilfe der Zeichnung oben die wesentlichen Unterschiede zwischen einem Metall- und einem Keramikkatalysator zusammen. 2.Unten links findest du einen Textausschnitt aus einer Firmenbroschüre der Emitec. Darin werden Vorteile eines Metallkatalysators gegenüber einem Keramikkatalysator angesprochen. Lies den Text und beantworte die Fragen. Fragen zum Text: Warum hat ein Metallkatalysator eine größere innere Oberfläche, und warum ist das für die Wirksamkeit eines Katalysators wichtig? Ein Katalysator benötigt eine Betriebstemperatur von 250-300° C, damit er wirksam ist. Was könnte der Grund dafür sein, daß eine so hohe Betriebstemperatur benötigt wird? Welche physikalischen Eigenschaften sorgen dafür, daß sich der Metallkatalysator schneller erwärmt.
Vollmer: KIS Köln <strong>EMITEC</strong> ( Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Seite 5 Kopiervorlage 14 Keramik- und Eisenkatalysatoren im Vergleich: Wärmekapazität Ein Autokatalysator funktioniert nur, wenn er eine Temperatur von mindestens 250°C besitzt. Das bedeutet, daß ein Auto in den ersten Sekunden nach dem Start besonders viel schädliche Abgase produziert. Es ist also wichtig, daß der Katalysator möglichst schnell von dem durchströmenden Abgas erhitzt wird. Dabei spielen die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität des Trägermaterials eine große Rolle. Der „Joghurtbecherversuch“ Ermittlung der Wärmekapazitäten von Eisen und Keramik Meßprinzip Im „Joghurtbecherversuch“ werden Eisen bzw. Porzellan (Feinkeramik), die Raumtemperatur besitzen, mit heißem Wasser gemischt. Das heiße Wasser gibt solange Wärme an die Materialien ab, bis das Wasser und die Stoffe die gleiche Temperatur - die Mischungstemperatur- besitzen. Aufgrund der verschiedenen Wärmekapazitäten der beiden Stoffe stellen sich unterschiedliche Mischungstemperaturen ein. Weil die Wärmekapazität von Wasser bekannt ist, lassen sich aus der Anfangstemperatur des Wassers, der Materialien und der Mischungstemperatur die Wärmekapazitäten der Materialien berechnen. Damit sich die Mischungstemperatur schnell einstellt, sollten die untersuchten Stoffe eine große Oberfläche aufweisen. Materialien 250 g kleine Porzellanbruchstücke, 250 g Eisenschrot (kleine Eisennägel), Thermometer, Thermoskanne mit ca. 55°C heißem Wasser, Styroporplatte, Kunststoffbecher mit Deckel („Joghurt 500g“), Meßzylinder, Stopuhr. Porzellan und Eisen besitzen Raumtemperatur Arbeitsanweisung Der Kunststoffbecher auf der Styroporplatte wird mit 150 ml, ca. 55°C heißem Wasser befüllt. In 1/2-Minuten-Schritten wird die langsame Abkühlung des Wassers verfolgt. Nach 3 Minuten wird zügig (aber ohne zu spritzen) Eisen zugegeben. Der Becher wird geschwenkt (wichtig!). Wenn das Material fein genug ist, kann auch mit dem Thermometer gerührt werden. Die Temperaturmessung wird im 1/2-Minuten-Rythmus fortgesetzt (Abweichung notieren). Der Versuch kann nach etwa 6 Minuten abgebrochen werden. Wiederhole den Versuch mit Porzellan. Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie schnell ein Stoff Wärmeenergie aufnimmt. Dagegen ist die Wärmekapazität ein Maß für die benötigte Menge an Wärmeenergie, die aufgebracht werden muß, damit der Stoff eine bestimmte Temperatur erreicht. Mit dem folgenden Versuch wollen wir die Wärmekapazitäten von Eisen und Keramik grob ermitteln. Zugabe von Eisen oder Porzellan Zeit [Min.] Temp. [°C] Eisen Temp [°C] Porzellan Aufgaben: 1. Warum produziert ein Auto in den ersten Sekunden nach dem Start besonders viel schädliche Abgase? 2. Was bedeuten die Begriffe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität? 3. Wie sollte das Trägermaterial in Bezug auf seine Wärmeleitfähigkeit und seine Wärmekapazität beschaffen sein, damit es für eine Verwendung im Autokatalysator geeignet ist? Begründe deine Antwort. 4. Wie kann man anhand der Ergebnisse aus dem Joghurtbecherversuch die „Wärmeleitfähigkeit“ eines Stoffes ermitteln ? Begründe deine Anwort. 5. Wie unterscheiden sich nach deinen Untersuchungsergebnissen Eisen und Porzellan in ihrer Wärmekapazität? 6. Welcher der beiden untersuchten Stoffe ist demnach besser als Trägermaterial in Autokatalysatoren geeignet? 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
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