治理汽车尾气化学学习素材

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1985年我国将汽车工业作为重点支柱产业后，汽车工业得到了迅猛发展，汽车拥有量快速增长，汽车尾气排放带来的危害也日趋严重。据估计，一辆轿车一年排出的有害废气比自身重量大3倍。环保部门监测表明，大气中96%的气态碳氢化合物(用HC代表)，86%的CO，56%的NO x(氮氧化物)来自机动车排放。我国定期发布的30个城市的空气质量周报显示，有相当一部分城市的空气呈现中度、重度污染。汽车尾气排放成为一些大中城市雾霾经常出现的重要原因。

汽车发动机将燃油燃烧产生的热能转变成机械能。发动机的一个工作循环包括进气、压缩、做功、排气四个过程：把燃油蒸汽和空气的混合气体引入气缸；然后将进入气缸的可拨混合气压缩，当压缩至接近终点时，发动机的火花塞发火点燃一定比例的恢油蒸汽和空气的混合气(有些发动机是将柴油高压喷入气缸内形成可燃混合气并引燃)；可燃混合气在瞬间燃烧、膨胀，产生巨大的爆炸力，迫使活塞在气缸内向下运动；而后活塞油向上运动，把燃烧后的废气从排气管排出气缸。这个工作循环不断地重复，活塞不断上下运动，通过连杆把力转给曲轴，转化为旋转运动，再通过变速箱、传动轴传递到驱动车轮上，推动汽车前进。发动机利用燃油和空气的混合气在气缸内燃烧，把化学能转化为热能，热能再转化为机械能。

从理论上说，在机动车发动机能正常运转的情况下，使用的碳氢化合物燃料在发动机的燃烧室可以完全燃烧，只产生二氧化碳和水蒸气，不会对大气造成污染。进入发动机气缸的混合气中空气和燃油蒸汽的比(称为空燃比)，是影响发动机工作效率和废气排放成分的主要因素。在理想状况下，燃油中各成分按完全燃烧的化学方程式中的计量比发生反应(以C x H y 代表汽油的组成):

C x H y +(x+y/4)O2=xCO2+y/2H2O

理论上，进入发动机气缸的混合气的空燃比>14.7: 1时，氧气供应充足，排出的废气只有CO，和未参加燃烧的O2，不会含有CO等污染物。各种燃油化学成分并不一致，空燃比在15.5:1左右，燃烧效率最高，HC、CO的含量最低，但此时NO，生成量也最大。混合气空燃比高于或低于这一数值，NO x的生成量都会减少。当空燃比小于14.7: 1时，混合气中燃油蒸汽浓度增大，由于空气量不足引起不完全燃烧，CO、HC气体排放量增大。当空燃比超过16.2: 1时，由于燃料成分过少，用通常的燃烧方式已经不能正常点火，使未燃HC气体大量排出。

发动机将热能转化为机械能的效率，受热源温度和环境温度的影响，热源温度越高，转化率越高。而燃油(主要成分是低沸点的液态碳氢化合物)在气缸内高温燃烧，并不可能百分百完全燃烧，不完全燃烧的产物会污染空气；在内燃机燃烧室的高温环境中，吸进发动机的空气中氮气和氧气会反应生成一氧化氮、二氧化氮等氮的氧化物(统称为NO,),会严重污染大气；燃油中含有的杂质，也会在气缸内燃烧，不少燃烧产物是大气污染物；在高温环境下，发动机气缸表面的金属组分可能存在催化点，还会使燃烧过程发生某些催化反应(包括汽油的催化裂解)；在压燃式内燃机中还会产生碳烟粒子，这些碳烟粒子最终将形成可吸入颗粒物(PM.)；有些汽车发动机的性能不佳、工作状况不好(如点火能量、进气效果、供油和机械状况有问题),造成燃料与氧气混合的均匀程度、燃烧时间不足，燃料也常常无法完全燃烧，会有一氧化碳、各种未完全燃烧的气态碳氢化合物排出。

除了汽车排气管排出的尾气外，发动机曲轴箱窜气，油箱、化油器浮子室以及油管接头等处蒸发的燃油蒸气也会增加汽车排放的废气。此外，发动机的转速和负荷、发动机点火时刻(点燃燃油和空气的压缩混合气体的时刻)都会影响排放废气的成分。这些因素都使汽车排放的废气成分变得十分复杂，而且不恒定。

汽车尾气中的主要污染物

汽车尾气中主要污染物有氮的氧化物、气态碳氢化合物、固体悬浮颗粒、一氧化碳等。它们是怎么形成的，对环境和人体健康会有什么影响呢?

(1)汽车尾气中的气态氧化物大多是一氧化氮(NO)，还有少量的二氧化氮(NO2)。NO是无色气体，本身毒性不大，但在大气中缓慢氧化成NO2，NO2是褐色的、有刺激性气味的气体。气态NO x在地面附近能形成含有臭氧的光化学烟雾。

在发动机工作时，吸入气缸的空气中的氧气主要供燃油燃烧，但是氮气和多余的氧气在足够高的温度(1000℃以上)、足够大的压力下，会反应生成NO和少量NO x。汽油机排出的氨氧化物中，NO占99%，而柴油机排出的氮氧化物中NO:比例稍大。主要反应式如下: N2+O2=2NO

2NO+O2=2NO2

NO x的排放量也受诸多因素影响。当发动机工作时的空燃比>15.5时，NO，的排放量增大。当点火提前过多、冷却水温度过高、燃烧室中的积炭和点火控制系统有故障时，燃烧室内产生爆燃，气虹温度大幅提高，可导致过多的NO x排放。NO的生成随温度的提高，急剧增加。一般认为温度每提高100K，NO的生成速率就翻一倍。当温度低于1800K时，NO 的生成速率极低；但到200时会达到很高的速率。氧含量提高也会使NO生成量增加。由于NO的生成反应比燃料燃烧反应慢，所以只有很少一部分NO生成于火焰反应带中，大部分NO在火焰离开后的已燃气体中生成。如果减少反应物在高温环境中的滞留时间可以减少NO的生成量。

(2)尾气中的HC包含未燃烧的燃料烃、燃油与润滑油及其裂解产物和部分氧化物。据分析，尾气含有200多种复杂成分，包括烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮、酸等，其中烯烃有很强的光化活性。HC和氮氧化物在太阳紫外线的照射下，会发生光化学反应生成二次污染物。一次污染物和二次污染物的混合物产生一种具有刺激性的浅蓝色烟雾(光化学烟雾)，其中包含有臭氧、醛类、硝酸酯类等多种复杂化合物。这种光化学烟雾能降低能见度，刺激眼睛和.上呼吸道黏膜，引起眼睛红肿和喉炎。光化学烟雾对血液、肝脏、眼黏膜、呼吸道和神经系统有害，其中多环芳烃(PHA)及其衍生物有致癌作用。

当混合气过稀或过缸内废气过多时会出现火焰传播不充分，即燃烧室内部分区域由于混合气过稀或缸内残余废气过多而不能燃烧，出现断火。这时排气中的HC浓度会显著增加。

(3)汽车尾气排出的固体悬浮颗粒的成分很复杂，主要是燃油及其氧化裂解生成的各种化合物微粒、燃油不完全燃烧生成的炭小颗粒，含铅汽油燃烧产生的铅化物、含硫汽油燃烧生成的硫酸盐。在压燃式内燃机中，颗粒物的排放量般要比汽油机大几十倍。柴油机排出的颗粒物的组成取决于运转工作状况，尤其是排气温度。当排气温度超过500℃时，基本上是碳贡微球(含有少量氢和其他微量元素)的聚集体，一般称为碳烟:当排气温度较低时，碳烟会吸附和凝聚多种有机物。这些固体悬浮颗粒具有较强的吸附能力，可以吸附各种金属粉尘、强致癌物苯并芘和病原微生物等。悬浮颗粒物直接接触皮肤和眼睛，会阻塞皮肤的毛囊和汗腺，引起皮肤炎和眼结膜炎，甚至还可能损伤角膜。固体悬浮颗粒随呼吸进入人体肺部，以碰撞、扩散、沉积等方式滞留在呼吸道的不同部位，会引起呼吸系统疾病。当悬浮颗粒积累到临界浓度时，便可能会激发恶性肿瘤的形成。

(4)尾气中的一氧化碳(CO)是HC燃料在燃烧过程中的中间产物，它是无色无味的有毒气体。一氧化碳与血液中的血红蛋白结合的速度比氧气快。一氧化碳经呼吸道进入血液循环，与血红蛋白亲和后生成羰基血红蛋白(其亲和力是氧气的200~250倍)，大大削弱血液对人体组织的供氧能力。人体缺氧会危害中枢神经系统，造成人的感觉、反应、理解、记忆力等机能障碍，导致头痛、心慌等中毒症状。中毒严重可危害血液循环系统，导致生命危险。

有许多因素会影响发动机的工作，使部分燃料不能完全燃烧而生成CO。例如，混合气