汽车尾气治理

汽车尾气污染及催化净化处理李雪 0942032243 四川大学化学学院 2009级摘要：本文综合分析当前环境现状，对汽车尾气的成分，危害及处理原理进行简单的分析，对当今主要的汽车净化处理的一些技术作出比较及进行对比分析，着重介绍了当前较前沿的稀土催化剂三元催化技术的原理及进展应用，并对未来的催化技术做出展望。

关键词：汽车尾气；净化催化；处理技术；稀土；三元催化剂。

Pollution and automobile exhaust purification catalystLi xue 0942032243 si chuan university college of chemistry SophomoreAbstract: This comprehensive analysis of the current state of the environment, the composition of automobile exhaust, harm and deal with the simple principle of analysis, purification of today's major car to compare some of the techniques and comparative analysis, focusing on more cutting-edge current ternary rare-earth catalyst The principle and progress of catalytic applications, and the future prospect of catalytic technology to make.Keywords Automobile exhaust; purification catalyst; processing technology; rare earth; ternary catalyst 随着经济的发展，汽车已走进千家万户，随着汽车的增加，汽车尾气对环境的影响也日益显著，汽车尾气中含有多种有害气体，有害颗粒等，对人的身体健康有很大危害，人们的环保呼声越来越高涨。

因此，降低机动车的废气排放成为当今社会的热点之一。

尾气处理有多种方法，使用新能源，改善燃烧装置等，其中汽车尾气净化催化剂是控制汽车尾气排放减少污染的最有效手段。

1、尾气成分及危害汽车排放的尾气，除了空气中的氮和氧以及燃烧产物 CO2水蒸气为无害成分外，其余均为有害成分汽车发动机排放的尾气中的一部分毒性物质，是由于燃料不完全燃烧或燃气温度较低时发生的，尤其是在次序启动喷油器喷雾不良超负荷工作运行中更容易发生燃油不能很好地与氧化合燃烧，必定生成大量的CO， HC 和煤烟而另一部分有毒物质是由于燃烧室内的高温高压而形成的氮氧化物NO（NO 是 NO 和 NO2 的总称）。

（1）一氧化碳（CO） CO 是一种无色无味有毒的气体，它不易与其他物质发生反应而成为大气成分中比较稳定的组成部分，能停留2 3 年当人们吸入过多的CO 后， CO 可与血液中的血红素结合，阻碍血液吸收氧气和输送氧气而使人中毒死亡它引起的公害被称为汽车尾气第一排气公害。

（2）氮氧化物（NO）它是燃烧过程中形成的一种褐色的有臭味的废气 NO是无色气体，只有轻度刺激性，毒性不大，但高浓度时会造成中枢神经系统轻度障碍 NO可以被氧化成NO2， NO2 是一种棕红色强烈刺激性的有毒气体，它对人体健康毒性较大。

（3）碳氢化合物（HC）包括未燃和未完全燃烧的燃油润滑油产物和部分氧化物，具有一定的毒性和易燃易爆的特性，其中的苯类物质又具有致癌作用 HC 在太阳光紫外线作用下，会与氧化氮起光化学反应生成臭氧醛等烟雾状物质，刺激人们的喉眼鼻等黏膜它不仅危害人类与动物，而且使生态环境遭到破坏，严重影响农作物的生长，致使农业减产，同时还具有致癌作用。

（4）二氧化碳（CO2 ）大气中30％的 CO2 来自于汽车排放，因其对红外热辐射的吸收而形成温室效应大气中的 CO2 大幅度增加，导致全球气温上升，破坏人类赖以生存的生态环境。

综上所述，汽车尾气排出的污染物，给人类赖以生存的大气环境带来了严重的污染；在交通干线等人口密集区，其排气高度接近人体呼吸带，给人体健康造成了严重的危害因此，必须采取有效措施，减少或者消除汽车尾气的排污量。

2、尾气污染机理（1）一氧化碳生成机理 CO是一种不完全燃烧的产物，其生成主要受混合气浓度的影响，在过量空气的浓混合气工况时，由于缺氧使燃烧中的碳不能完全氧化生成 CO2，而 CO 作为中间产物生成在λ＞1 的稀混合气工况时，理论上不应有CO 产生，但实际燃烧过程中，由于混合不均匀，部分区域的λ＜1 条件成立，由局部燃烧不完全而生成 CO 或者已成为燃烧产物的 CO2和 H2O 在高温时吸热，产生热离分解反应，由此生成CO。

（2）氮氧化物的生成机理汽车发动机燃烧过程中主要生成 NO，另有少量的 NO2，其中 NO 占绝大多数， NO2 的生成量随过量空气系数λ而变化，对一般汽油机，其λ较小， NO2 占 NO总量的1％。

（3）碳氢化合物的生成机理汽车排放的HC，其成分极为复杂，由于汽油的燃烧很复杂，任何发动机都可能发生不完全燃烧，在排气中都会有少量 HC 存在为了提高发动机的最大功率，常使发动机在λ＜1 （A F＝12 5 13）的浓混合气情况下工作在低负荷时，由于气缸内残余废气较多，为了不使燃烧速度过低，也在λ＜1 的情况下工作由于λ＜1 使空气量不足，所以要发生不完全燃烧。

3、汽车尾气净化技术所谓汽车尾气净化就是采取种种有效措施，减少污染物的排放或使排放废气中 CO HC NOx 等污染物分别被氧化或还原生成无毒的 CO2 H2O 和N2。

为了减少汽车尾气排放采取的途径主要有两种一是在不改变燃料种类的情况下采用清洁燃烧技术即（机内净化）与尾气净化技术即（机外净化）；二是利用绿色环保燃料来减少汽车尾气中有害物的排放。

目前国外已运用的机内净化方法主要有延迟点火法、废气再循环装置、 ECR、控制燃烧装置、CSS、清洁空气装置、 CAP 以及低温等离子体技术。

机内净化只能减少有害气体的生成量，不能除去已生成的有害气体，因此净化效率不高，通常人们更关注的是机外净化技术，催化净化是目前研究与应用最多的机外净化方式。

其中，最有效办法是使用能同时转化CO、HC、NOx的三效催化剂。

三效催化技术使用一种催化剂同时催化和控制排气中的 CO、HC 和 NOx 三效催化剂由 4 个部分组成，载体、高度多孔的活性氧化铝层、活性组分以及助剂。

北京理工大学爆炸与安全科学国家重点实验室用共沉淀技术在室温、pH=10.0的条件下制备出了CexZr1-xO2固溶体，将其用于Pd基三效催化剂的制备，对催化剂的性能进行了评价。

结果表明：和纯CeO2相比，含CexZr1-xO2固溶体的催化剂具有较高的催化性能，其中Pd/Cex0.6Zr0.4O催化剂性能最佳，HC、CO、NOx的转化率在A/F=14.6时分别为97.33%、89.52%、100%；新鲜催化剂的起燃温度分别为186℃、180℃、185℃，高温处理后起燃温度分别为249℃、246℃、241℃。

4、三元催化技术1)三元催化剂三元催化剂必须对浓度在百万分之几到百分之几内变化的CO、NOx、HC起净化作用，同时还要经受短时间内从很低的温度升高到一般排气温度（400–500C）的冷热交换冲击。

因此要求三元催化剂的工作范围广、热稳定性高。

三元催化净化发生的主要化学反应如下：Rh对N2形成具有很好的活性和选择性，是三元催化剂的主要成分,Pt、Pd是除去CO和HC的有效金属。

通常一个净化器用Pt0.9-2.3g、Rh0.18-0.3g,Pd的用量各个厂家差别较大。

空燃比对三元催化剂净化特性的影响如图所示,同时净化CO、HC、NOx最佳空燃比A/F=14.6。

当A/F>14.6即氧气过剩的情况下，CO、HC的净化率较高；当A/F<14.6即富油情况下,NOx的净化率较高。

为了同时保持三种污染物的净化率，要求A/F=14.6+-0.1.2)三元催化剂的组成贵金属：三元催化剂中最重要的活性组分是 Pt、Rh、Pd。

由于Pd对Pb、P、S中毒特别敏感，在还原气氛下易烧结并与Rh生成合金使Rh的活性降低等原因，通常由Pt-Pd构成催化剂，Rh作为添加剂可以提高Pt的耐高温性能和使用寿命。

稀土氧化物：由于稀土资源丰富、价格低廉、抗中毒能力强，因而国内对稀土为主的复合金属氧化物进行了较多研究，主要是ABO3型稀土复合金属氧化物。

单组分的稀土氧化物对NOx 的还原性能不好，低温活性差、易烧结、寿命短。

一般使用复合型的稀土氧化物作为活性组分。

随着各种复合活性组分的加入和制备技术的改进，已使稀土催化剂的性能大为改善。

普通金属氧化物：普通金属氧化物如CuO、MgO 、TiO2、ZrO2、NeO2、Cr2O3因资源丰富曾一度引起人们的重视。

但作为主催化剂使用，其热稳定性差、活性低、起燃温度高、使用寿命短很不理想。

1991年国外发表了Cu-Cr作为三元催化剂的研究报告，除了抗S性能差之外，其它功能与贵金属催化剂已不相上下。

涂层和助剂：涂层通常采用γ-Al2O3其比表面积大、表面吸附能力强。

加入稀土元素、碱金属、碱土金属均可有效抑制Al2O3 的烧结和相变的发生。

CeO2、LaO3等稀土氧化物可显著提高贵金属催化剂的活性。

载体：最早采用的载体是球状活性γ-Al2O3随着对净化器使用寿命和净化率要求的提高，汽车尾气净化广泛使用的是整体型载体。

根据基体材料，可分为陶瓷和金属2种。

陶瓷载体大多采用堇青石(2Al2O3 -2MgO-5SiO2 )，经挤压和烧结后，具有许多薄壁平行直通道，其比表面积大、耐热性能好、热膨胀系数低。

金属载体通常有Ni-Cr等。

最近，又出现了以泡沫金属作载体的催化剂。

3)三元催化净化器三元催化净化器起着对发动机做功产生的废气进行净化的作用，它是利用其滤芯中的钯铂铑 3 种元素，通过氧化法或氧化还原法过滤废气中的碳氢化合物一氧化碳和氮氧化物等3 种污染物，使尾气排放合乎要求。

氧化法： HC＋O2→CO2＋H2O CO＋O2→CO2，通过催化剂使有害物质HC 和 CO 变为无害氧化还原法： HC ＋NOx→CO2＋H2O＋N2 CO＋NOx→CO2＋N2 HC，CO 作为还原剂被氧化， NO 作为氧化剂被还原，称为氧化还原反应。

三元催化净化器安装在汽车发动机的排气装置上，当汽车废气通过净化器的通道时， CO 和 HC 就会在催化剂作用下与空气中的氧发生反应产生无害的水和二氧化碳，而氮氧化物则在催化剂的作用下被还原为无害的氧和氮，其净化效率很高，可以化90％以上的有害物质。