کاربرد نوآورانه وقتی توری استیل فقط یک فیلتر نیست!این پژوهش در سال ۲۰۲۴ در نشریه علمی Materials Transactions منتشر شده است.
توری استیل معمولاً به‌عنوان یک قطعه فیلتراسیون، محافظ، توری نگهدارنده یا جداساز شناخته می‌شود؛ اما یک پژوهش جدید در ژاپن نشان داده است که می‌توان از توری استیل 316 (SUS316) به‌عنوان پایه یک فیلتر کاتالیستی برای حذف و اکسیداسیون دوده موجود در گازهای خروجی موتور استفاده کرد.
در این پژوهش که توسط پژوهشگران دانشگاه ناگویا و شرکت NICHIDAI FILTER انجام شده، یک فیلتر مشبک از جنس SUS316 با یک لایه کاتالیستی بر پایه نیکل و پالادیم (Ni-Pd) پوشش داده شد.
نتایج آزمایش نشان داد که این ساختار می‌تواند اکسیداسیون ذرات دوده را در دمایی پایین‌تر از حالت عادی آغاز کند و پتانسیل استفاده به‌عنوان جایگزینی فلزی و جمع‌وجور برای برخی ساختارهای متداول فیلترهای ذرات را دارد.
---
دوده موجود در اگزوز چیست؟
در فرآیند احتراق سوخت در موتورهای دیزلی و بنزینی، احتراق کامل همیشه اتفاق نمی‌افتد. یکی از محصولات این احتراق ناقص، ذرات بسیار ریز کربنی یا Particulate Matter (PM) است که بخش مهمی از آن را دوده تشکیل می‌دهد.
برای کاهش انتشار این ذرات، در خودروهای امروزی از فیلترهایی مانند Diesel Particulate Filter (DPF) و Gasoline Particulate Filter (GPF) استفاده می‌شود.
این فیلترها معمولاً ساختار سرامیکی متخلخل و کانال‌های متعدد دارند. ذرات دوده در این ساختار جمع می‌شوند و با افزایش تجمع ذرات، مقاومت در برابر عبور گاز افزایش پیدا می‌کند.
به همین دلیل، فیلتر باید در فواصل مشخص تحت فرآیندی موسوم به Regeneration یا باززایی قرار گیرد؛ یعنی دوده انباشته‌شده اکسید و حذف شود.
---
مشکل اصلی فیلترهای دوده چیست؟
اکسیداسیون دوده با اکسیژن موجود در گاز معمولاً به دمای بالایی نیاز دارد.
پژوهشگران ژاپنی اشاره می‌کنند که برای اکسیداسیون حرارتی کربن با اکسیژن گازی، دما می‌تواند به حدود ۶۰۰ تا ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد یا بیشتر برسد.
افزایش دمای گاز خروجی برای انجام این فرآیند می‌تواند نیازمند مصرف انرژی یا سوخت اضافی باشد و در نتیجه بر راندمان کلی سیستم اثر بگذارد.
به همین دلیل، استفاده از یک کاتالیست اکسیداسیون دوده می‌تواند بسیار مهم باشد؛ زیرا هدف آن کاهش دمای لازم برای شروع و انجام واکنش اکسیداسیون دوده است.
---
ایده ژاپنی: استفاده از توری استیل 316
پژوهشگران به‌جای استفاده از یک ساختار سرامیکی متداول، از SUS316 stainless steel mesh به‌عنوان پایه فیلتر استفاده کردند.
اما نکته مهم این است که توری استیل در این سیستم فقط نقش یک توری مکانیکی برای گرفتن ذرات را ندارد.
سطح توری با یک لایه کاتالیستی Ni-Pd پوشش داده شد.
بنابراین ساختار نهایی دو وظیفه دارد:
۱. گیراندازی ذرات دوده
ساختار مشبک باعث می‌شود بخشی از ذرات PM در سطح و محل تقاطع سیم‌های توری جمع شوند.
۲. کمک به اکسیداسیون دوده
پوشش کاتالیستی Ni-Pd باعث می‌شود ذرات دوده‌ای که با سطح کاتالیستی تماس دارند، در دمای پایین‌تری وارد واکنش اکسیداسیون شوند.
این ترکیب را می‌توان به‌صورت ساده چنین نمایش داد:
توری SUS316 → گیراندازی PM → تماس PM با کاتالیست Ni-Pd → اکسیداسیون دوده → کاهش تجمع دوده
---
ساختار توری مورد استفاده در پژوهش
یکی از قسمت‌های جالب این تحقیق، طراحی خود توری است.
فیلتر مورد آزمایش از ترکیب چند لایه توری SUS316 ساخته شد. در ساختار گزارش‌شده، دو نوع توری با مشخصات زیر به‌صورت متناوب روی یکدیگر قرار گرفتند:
- قطر سیم: 0.29 میلی‌متر
- مش: 30
- قطر سیم: 0.17 میلی‌متر
- مش: 60
این لایه‌ها به یکدیگر متصل شدند تا یک ساختار مشبک چندلایه ایجاد شود.
یکی از تفاوت‌های مهم این ساختار با فیلترهای سرامیکی معمول، ضخامت کم و انعطاف‌پذیری بیشتر در شکل‌دهی است.
پژوهشگران اشاره می‌کنند که این فیلتر به شکل یک صفحه نازک ساخته شده و برخلاف ساختارهای سرامیکی متداول، به یک بخش طولانی و مستقیم نیاز ندارد.
همچنین اندازه منافذ را می‌توان با تغییر ترکیب توری‌ها طراحی کرد و ساختار فلزی را مستقیماً به اجزای فلزی سیستم لوله‌کشی جوش داد.
---
چرا استیل 316 انتخاب شد؟
در این پژوهش، SUS316 به‌عنوان بستر فلزی فیلتر انتخاب شد.
استیل 316 یک فولاد زنگ‌نزن آستنیتی حاوی کروم، نیکل و مولیبدن است و به دلیل مقاومت مناسب در برابر خوردگی و قابلیت استفاده در محیط‌های صنعتی و دماهای نسبتاً بالا، در بسیاری از کاربردهای مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در این تحقیق نیز توری SUS316 نقش substrate یا بستر مکانیکی برای لایه کاتالیستی را بر عهده داشت.
به این ترتیب، توری علاوه بر ایجاد مسیر عبور گاز و محل تجمع ذرات، پایه‌ای برای قرار گرفتن لایه فعال کاتالیستی فراهم می‌کند.
---
پوشش کاتالیستی Ni-Pd چگونه روی توری قرار گرفت؟
یکی از تفاوت‌های مهم این پژوهش با روش‌های معمول، استفاده از Thermal Plasma Spraying یا پاشش پلاسمایی حرارتی برای ایجاد لایه کاتالیستی بود.
در این روش، پودرهای موردنظر وارد جریان پلاسمای داغ می‌شوند و سپس روی سطح توری قرار می‌گیرند.
پژوهشگران در این تحقیق از ترکیبی با نسبت وزنی:
Ni : Pd = 98 : 2
استفاده کردند.
ضخامت متوسط لایه کاتالیستی ایجادشده روی سیم‌های توری حدود:
57.9 ± 4.8 میکرومتر
اندازه‌گیری شد.
وجود پالادیم در نزدیکی سطح لایه اهمیت زیادی دارد، زیرا پالادیم یک فلز شناخته‌شده با فعالیت کاتالیستی بالا در واکنش‌های اکسیداسیون است.
بررسی‌های میکروسکوپی نشان داد که ذرات بسیار ریز Pd درون زمینه Ni پراکنده شده‌اند و بخش قابل توجهی از آن‌ها در نزدیکی سطح قرار گرفته‌اند.
---
توری چگونه دوده را حذف می‌کند؟
مکانیزم کلی را می‌توان در چند مرحله توضیح داد.
مرحله اول: ورود گاز آلوده
گاز خروجی موتور حاوی ذرات PM و دوده وارد فیلتر مشبک می‌شود.
مرحله دوم: تماس ذرات با توری
بخشی از ذرات روی سطح توری و به‌خصوص اطراف محل تقاطع سیم‌ها تجمع پیدا می‌کنند.
تصاویر میکروسکوپی پژوهش نشان دادند که تجمع PM در اطراف محل اتصال سیم‌های توری قابل مشاهده است.
مرحله سوم: تماس با سطح کاتالیستی
ذرات دوده‌ای که با سطح پوشش Ni-Pd تماس پیدا می‌کنند، شرایط مناسبی برای اکسیداسیون در دمای پایین‌تر پیدا می‌کنند.
مرحله چهارم: اکسیداسیون
در حضور اکسیژن، ماده کربنی اکسید شده و عمدتاً به گازهایی مانند CO₂ تبدیل می‌شود.
در نتیجه، بخشی از دوده‌ای که روی فیلتر جمع شده است، به‌جای آنکه دائماً روی فیلتر انباشته شود، در فرآیند باززایی اکسید می‌شود.
---
نتایج آزمایش چه بود؟
مهم‌ترین بخش پژوهش، نتایج آزمایش‌های اکسیداسیون PM است.
در آزمایش‌ها مشخص شد که:
شروع اکسیداسیون PM: حدود 420 تا 430°C
ناحیه اکسیداسیون کاتالیستی: حدود 500 تا 540°C
اکسیداسیون غیرکاتالیستی: حدود 650°C
در مقایسه با دوده بدون کاتالیست، استفاده از فیلتر کاتالیستی باعث کاهش دمای اوج احتراق شد. پژوهشگران کاهش حدود 110 تا 220 درجه سانتی‌گراد را در مقایسه با PM بدون کاتالیست گزارش کردند؛ در بخش نتیجه‌گیری، کاهش حدود 110 تا 120°C برای اکسیداسیون کاتالیستی اصلی ذکر شده است.
این موضوع یکی از مهم‌ترین یافته‌های تحقیق است.
---
آیا توری بعد از چند بار استفاده کارایی خود را از دست می‌دهد؟
برای بررسی پایداری، آزمایش اکسیداسیون PM پنج مرتبه تکرار شد.
در آزمایش اول، دمای اوج واکنش حدود 647°C بود و در آزمایش‌های بعدی به حدود 655 ± 5°C رسید.
با وجود این افزایش جزئی، پژوهشگران مشاهده کردند که شروع اکسیداسیون در دماهای پایین‌تر همچنان زیر 500°C باقی می‌ماند.
این موضوع نشان می‌دهد که اثر کاتالیستی سطح پس از پنج چرخه آزمایش همچنان حفظ شده است.
---
چرا پالادیم اهمیت دارد؟
بررسی‌های انجام‌شده روی سطح فیلتر نشان داد که پالادیم به‌صورت ذرات بسیار ریز در زمینه نیکل پراکنده شده است.
اندازه متوسط این ذرات حدود 120 نانومتر قبل از حرارت‌دهی و حدود 122 نانومتر پس از حرارت‌دهی گزارش شد.
همچنین بررسی عمقی سطح نشان داد که Pd در نزدیکی سطح لایه تجمع بیشتری دارد.
این وضعیت می‌تواند یکی از عوامل اصلی فعالیت کاتالیستی فیلتر باشد؛ زیرا ذرات پالادیم در سطح، محل تماس مستقیم با دوده و گاز خروجی هستند.
---
مزیت جالب توری استیل در برابر فیلترهای سرامیکی
هدف پژوهشگران این نبود که صرفاً یک فیلتر فلزی دیگر بسازند.
آن‌ها به دنبال ساخت ساختاری بودند که بتواند دو وظیفه را هم‌زمان انجام دهد:
«گیراندازی ذرات + کمک به اکسیداسیون و باززایی فیلتر»
ساختار مشبک فلزی چندین ویژگی بالقوه دارد:
- ضخامت کم
- قابلیت شکل‌دهی
- امکان طراحی اندازه منافذ
- امکان ساخت ساختارهای چندلایه
- امکان اتصال مستقیم به قطعات فلزی
- مقاومت حرارتی مناسب
- امکان ایجاد پوشش کاتالیستی روی سطح
- قابلیت استفاده در فضاهای محدود
پژوهشگران در نتیجه‌گیری خود، این ساختار را گزینه‌ای بالقوه برای مواد تصفیه محیطی و جایگزینی برای برخی ساختارهای سرامیکی متداول معرفی کرده‌اند.
---
آیا این فناوری جایگزین قطعی DPF خودرو است؟
خیر؛ حداقل بر اساس این پژوهش نمی‌توان چنین ادعایی کرد.
این نکته برای درک صحیح نتایج مقاله بسیار مهم است.
آزمایش انجام‌شده یک مطالعه آزمایشگاهی برای ارزیابی عملکرد اکسیداسیون PM روی فیلتر توری کاتالیستی بود. پژوهشگران پتانسیل این فناوری را بررسی کرده‌اند، اما مقاله نشان نمی‌دهد که این فیلتر در حال حاضر جایگزین آماده و تأییدشده برای DPF خودروهای تجاری است.
آزمایش اصلی نیز با استفاده از کربن بلک (Printex V) به‌عنوان شبیه‌ساز PM و با روش آنالیز حرارتی انجام شد.
بنابراین بهتر است این فناوری را در حال حاضر به‌عنوان یک راهکار پژوهشی و مهندسی امیدوارکننده برای فیلترهای کاتالیستی PM در نظر گرفت.
---
نکته مهم برای صنعت توری استیل
این پژوهش یک نکته بسیار جالب را نشان می‌دهد:
توری استیل فقط یک ابزار مکانیکی برای جداسازی نیست.
با انتخاب صحیح:
- گرید استیل،
- قطر سیم،
- مش،
- تعداد لایه‌ها،
- شکل هندسی،
- نحوه اتصال لایه‌ها،
- و پوشش سطحی،
می‌توان توری را به یک جزء عملکردی در یک سیستم پیشرفته تبدیل کرد.
در این تحقیق، توری SUS316 هم‌زمان نقش ساختار مکانیکی، سطح گیرانداز ذرات و بستر کاتالیست را ایفا می‌کند.
این دقیقاً یکی از ویژگی‌هایی است که توری‌های فلزی را برای کاربردهای مهندسی پیشرفته جذاب می‌کند.
---
مشخصات فنی توری استفاده‌شده در پژوهش
مشخصه| مقدار
جنس پایه| SUS316
ساختار| چندلایه Wire Mesh
توری اول| Mesh #30
قطر سیم اول| 0.29 mm
توری دوم| Mesh #60
قطر سیم دوم| 0.17 mm
کاتالیست| Ni-Pd
نسبت وزنی Ni:Pd| 98:2
روش پوشش‌دهی| Thermal Plasma Spray
ضخامت متوسط پوشش| حدود 57.9 µm
شروع اکسیداسیون PM| حدود 420–430°C
اکسیداسیون کاتالیستی| حدود 500–540°C
آزمون دوام| 5 چرخه اکسیداسیون
اطلاعات جدول از مقاله منتشرشده در Materials Transactions استخراج شده است.
---
جمع‌بندی
پژوهشگران ژاپنی در سال 2024 یک فیلتر جدید بر پایه توری استیل 316 طراحی و آزمایش کردند که در آن، یک پوشش کاتالیستی Ni-Pd به روش پاشش پلاسمایی روی توری قرار گرفته است.
نتایج نشان داد که این ساختار می‌تواند:
دوده را روی توری جمع‌آوری کند → تماس دوده با کاتالیست را افزایش دهد → اکسیداسیون دوده را در دمای پایین‌تر آغاز کند → و امکان باززایی فیلتر را فراهم کند.
مهم‌ترین نتیجه، مشاهده اکسیداسیون کاتالیستی در محدوده حدود 500 تا 540 درجه سانتی‌گراد و کاهش قابل توجه دمای موردنیاز نسبت به اکسیداسیون دوده بدون کاتالیست بود. همچنین پس از پنج چرخه آزمایش، عملکرد کاتالیستی تا حد زیادی حفظ شد.
این پژوهش نمونه‌ای جالب از یک کاربرد پیشرفته و کمتر شناخته‌شده توری استیل 316 است؛ کاربردی که در آن توری از یک «فیلتر ساده» فراتر رفته و به بخشی فعال از یک سیستم کنترل آلایندگی تبدیل می‌شود.
منبع اصلی مقاله
Maki Nakamura, Takaharu Minami, Masakuni Ozawa
Fabrication and Evaluation of Particulate Matter Purification Filter Using Plasma-Sprayed Catalyst Film on SUS316 Mesh
Materials Transactions, Volume 65, Issue 12, 2024, pp. 1458–1463
DOI: 10.2320/matertrans.MT-Y2024007
