汽车尾气的净化与治理研究.doc

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1、学号：师范大学学士学位论文题 目 汽车尾气的净化与治理研究学 生 指导教师 教授年 级 级 班专 业 化学系 别 化学系学 院 化学化工学院师 范 大 学学士学位论文开题报告论文题目 汽车尾气的净化与治理研究学生姓名 指导教师 年 级 级专 业 化学2014年 3月说 明本表需在指导教师和有关领导审查批准的情况下，要求学生认真填写。说明课题的来源（自拟题目或指导教师承担的科研任务）、课题研究的目的和意义、课题在国内外研究现状和发展趋势。若课题因故变动时，应向指导教师提出申请，提交题目变动论证报告。课题来源：指导老师指定课题研究的目的和意义：我国汽车尾气净化研究工作起步较晚，但是随着经济的高速发

2、展，我国汽车的数量急剧增加，汽车尾气的排放量也快速上升，导致尾气污染问题日益突出，随着新的排放法规的提出，必将是不断采用新产品、新技术、淘汰落后产品的过程。汽车工业正处在给汽车安装尾气净化装置的关口，研究和开发汽车尾气的净化催化剂技术和材料具有非常光明的前景。国内外同类课题研究现状及发展趋势：西方工业发达国家制定了严厉的汽车尾气排放标准，迫使汽车制造商在汽车上采用尾气净化装置，这极大的减轻了城市大气污染；我国汽车尾气净化的研究起步比较晚，现在也正处于给汽车实际安装尾气净化装置的关口。越来越严格的的汽车尾气排放标准给汽车尾气净化技术带来了巨大的机遇和挑战，提出越来越高的要求，自汽车尾气催化剂问世

3、20多年来，汽车尾气的催化技术取得了巨大的发展。但是随着汽车工业的飞速发展，为保护我们绿色的地球生存环境，汽车尾气的净化研究仍然任重而道远。课题研究的主要内容和方法，研究过程中的主要问题和解决办法：主要是通过对汽车尾气净化方法进行研究,同时结合市场需求、资源供应、建设规模、工艺路线、设备选型、环境影响、资金筹措、盈利能力等，将这些净化方法分析比较。其中汽车尾气净化催化剂技术是很重要的技术。从技术、经济、工程等方面进行调查研究和分析比较、并对汽车尾气净化催化剂项目建成以后可以取得的财务、经济效益及社会影响进行预测，从而提出该汽车尾气净化催化剂项目是否值得投资和如何进行改进，可行性研究具有遇见性、

4、公正性、可靠性、科学性的特点。遇到的问题：主观原因：知识结构不完善，对所研究的知识掌握的局限性；外文文献翻译困难，不能准确把握其中的概念。客观原因：资料不完善，查找不方便。解决方法：查找资料与学习相结合，阅读图书，上网查找资料，与同学讨论，请教老师。课题研究起止时间和进度安排：2014.03.01-2014.03.15 确定论文题目，查找资料，撰写开题报告2014.03.16-2014.03.20查找资料，进一步分析题目，研究内容2014.03.21-2014.04.10资料归纳，整理分析，收集与数据统计2014.04.11-2014.04.30提交论文，指导老师审批，反复修改2014.05.

5、01-2014.05.07定稿，准备论文2014.05.08交论文，答辩课题研究所需主要设备、仪器及药品：无外出调研主要单位，访问学者姓名：无指导教师审查意见：同学通过查阅大量的外文文献，确定毕业论文的研究内容。选题新颖合理，思路清晰，时间安排较合理，作为指导老师，我同意该同学开题。指导教师 （签字） 年 月 教研室（研究室）评审意见：同意开题物理化学 教研室（研究室）主任 （签字）年 月 院（系）审查意见：同意开题化学化工 院（系）主任 （签字） 年 月 学 士 学 位 论 文题 目 汽车尾气的净化与治理研究学 生 指导教师 教授年 级 级专 业 化学系 别 化学系学 院 化学化工学院哈尔滨

6、师范大学2014年5月word文档 可自由复制编辑汽车尾气的净化与治理研究天天摘要：本文介绍了汽车尾气的成分及危害，汽车尾气净化的方法，重点介绍了汽车尾气催化剂净化的方法。对汽车尾气的产生机理及其主要有害组分进行了阐述,指出了汽车尾气净化技术研究的必要性和汽车尾气净化的方法,最后还对汽车尾气净化未来发展方向做出了预测。关键词：汽车尾气 城市污染 净化治理全球环境污染的日趋严重威胁到人类的生存及社会的发展。环境问题被公认为当今社会所面临的最严重的挑战，必须引起高度重视。从汽车的诞生到现在已有一百多年的历史，汽车在带给人类巨大效益的同时也带来了严重的污染，汽车排放污染在世界各国引起越来越多的关注。

7、学者们警告说：“人类受到大气污染的威胁，其中汽车尾气污染危害最大”1。近年来，随着我国汽车工业的迅猛发展，汽车持有量持续增长，其排放的污染物对大气的污染也日益加剧，是造成我国城市大气环境质量恶化的主要原因之一。汽车尾气严重危害人体健康，还导致酸雨和城市光化学烟雾，破坏生态环境2。为了消除汽车尾气的危害，达到日益严格的排放标准，国内外科技工作者对汽车尾气治理进行了大量的研究，汽车尾气催化净化是目前解决尾气污染的一条有效途径。传统的稀有贵金属催化剂虽然具有较好的催化性能，但其价格昂贵，易受 S、P、Pb 等有害元素影响而引发催化剂中毒。而稀土催化剂具有价格低廉，不易受有害元素影响等优点，且我国稀土

8、资源储量巨大，因此研发稀土、碱土、贱金属复合氧化物的三效催化剂是未来解决我国汽车工业尾气污染的重要途径。1、汽车尾气的主要成分及危害汽车尾气污染物主要包括：一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、烟尘微粒（某些重金属化合物、铅化合物、黑烟及油雾）、臭气（甲醛等）。据统计，每千辆汽车每天排出一氧化碳约3000kg，碳氢化合物200400kg，氮氧化合物50150kg；美国洛杉矶市汽车等流动污染源排放的污染物已占大气污染物总量的90%。汽车尾气可谓大气污染的“元凶”。 汽车尾气最主要的危害是形成光化学烟雾。汽车尾气中的碳氢化合物和氮氧化合物在阳光作用下发生化学反应，生成臭氧，它和大气中的其它成

9、份结合就形成光化学烟雾。其对健康的危害主要表现为刺激眼睛，引起红眼病；刺激鼻、咽喉、气管和肺部，引起慢性呼吸系统疾病。光化学烟雾能使树木枯死，农作物大量减产；能降低大气的能见度，妨碍交通。汽车尾气中一氧化碳的含量最高，它可经呼吸道进入肺泡，被血液吸收，与血红蛋白相结合，形成碳氧血红蛋白，降低血液的载氧能力，削弱血液对人体组织的供氧量，导致组织缺氧，从而引起头痛等症状，重者窒息死亡。汽车尾气中的氮氧化合物含量较少，但毒性很大，其毒性是含硫氧化物的3倍。氮氧化合物进入肺泡后，能形成亚硝酸和硝酸，对肺组织产生剧烈的刺激作用，增加肺毛细管的通透性，最后造成肺气肿。亚硝酸盐则与血红蛋白结合，形成高铁血红

10、蛋白，引起组织缺氧。汽车尾气中的碳氢化合物有200多种，其中C2H4在大气中的浓度达0.5ppm（十万分之一）时，能使一些植物发育异常。汽车尾气中还发现有32种多环芳烃，包括3,4-苯并芘等致癌物质。当苯并芘在空气中的浓度达到0.012ug/m3时，居民中得肺癌的人数会明显增加。离公路越近，公路上汽车流量越大，肺癌死亡率越高。汽车尾气中的二氧化硫和悬浮颗粒物，会增加慢性呼吸道疾病的发病率，损害肺功能。二氧化硫在大气中含量过高时，会随降水形成“酸雨”。汽车尾气中的铅化合物可随呼吸进入血液，并迅速地蓄积到人体的骨骼和牙齿中，它们干扰血红素的合成、侵袭红细胞，引起贫血；损害神经系统，严重时损害脑细胞

11、，引起脑损伤。当儿童血中铅浓度达0.60.8ppm时，会影响儿童的生长和智力发育，甚至出现痴呆症状。铅还能透过母体进入胎盘，危及胎儿。为了降低大气污染程度，提高人民的健康水平，从2000年开始，国家环保总局在全国范围内推广无铅汽油，实现了汽油无铅化，从根本上解决了汽车尾气中的铅污染问题。但是，很多人却误将无铅汽油当作无害绿色汽油，在生活中放松了对汽车尾气的防范。事实上，无铅汽油仍存在不少污染问题。目前汽车尾气的净化处理技术有改变汽车使用的能源、改变汽车燃烧系统结构、使用车用选择性催化还原排气后处理系统、使用高压脉冲电晕放电技术净化汽车尾气、汽车催化剂技术在减少汽车尾气上的应用、柴油机尾气微粒净

12、化处理技术。2、汽车尾气的净化处理技术2.1改变汽车使用的能源2.1.1选用恰当的润滑添加剂机械摩擦改进剂 在机油中添加一定量（比例为3%5%）石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯粉末等固体添加剂，加入到引擎的机油箱中，可节约发动机燃油5%左右。此外，采用上述固体润滑剂可使汽车发动机汽缸密封性能大大改善，汽缸压力增加，燃烧完全。尾气排放中，CO 和碳氢含量随之下降，可减轻对大气环境的污染。2.1.2使用无铅汽油，严禁使用有铅汽油 为了能够有效地提高汽车燃油的抗爆性，一般加入四乙基铅。它具有很高的挥发性，甚至在0 摄氏度时就开始挥发，而挥发出的铅粉末，以蒸气及烟的形态存在于空气中，或以固体铅的形式存在于土

13、壤中，最终通过食物链到达人体，影响人体的健康，侵蚀造血系统、神经系统以及肾脏等。实验证明，甲醛树丁醚同样具有良好的抗爆性，汽油中用甲醛树丁醚作渗合剂，不仅不含铅，还能降低汽车尾气排出的一氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物含量。2.1.3掺入添加剂，改变燃料成分向汽油中掺入15%以下的甲醇或乙醇燃料，能在一定程度上减少或者消除CO、NOx、CH的污染效果，提高燃料的利用率。若采用“甲醇燃料”，当醇类的比重占30%40%时，汽车尾气排出的污染物可基本上消除。采用含10%水份的水汽油燃料亦有一定的效果。将汽车燃料改为天然气，也能够有效降低尾气中污染物的比重。目前世界各国在天然气作燃料方面技术比较成熟，我

14、国也有大量使用天然气的汽车。2.1.4采用生物燃料等可再生能源有关专家指出，开发乙醇代替汽油，既节约能源，又可消化陈粮，使汽车排出的有害气体减少，是一项有利于保护环境和资源的新课题。如果按照19 的乙醇汽油配比，用20 万吨乙醇，可配出约200 万吨的乙醇汽油，200 万吨的乙醇只消耗粮食70 万吨。因此，发展、开发使用专用乙醇汽油既可缓解汽车尾气污染问题，又可缓解原油供应的紧张状况。 随着太阳能电池的改进，太阳能转化效率不断提高，使用太阳能作动力已经成为现实。事实上，美国和欧洲都以开发出自己的太阳能汽车，相信太阳能作为动力将是今后研究的热门之一。2.1.5使用电能作为动力，研制电动汽车电能是

15、清洁能源，汽车使用电能作为能源的瓶颈技术已经解决，蓄电池技术的发展将电动汽车的研制推向了高潮。目前已经有不少的电动汽车投入使用，它不产生任何尾气，完全解决了汽车因尾气产生的污染。电动汽车是未来汽车技术研发的主题。2.2改变汽车燃烧系统结构2.2.1优化发动机内部系统设置，降低尾气污染物含量(1)减少喷油提前角。减少喷油提前角，可降低发动机工作的最高温（1500 摄氏度），使NOx 的生成量减少。(2)改善喷油器的质量，控制燃烧条件（燃比、燃烧温度、燃烧时间），可使燃料燃烧完全，从而可减少CO、CH 的煤烟。(3)调整喷油器的质量，可降低发动机的功率，使雾化的燃料有足够的氧气进行完全燃烧，从而也

16、可以减少CO、CH 和煤烟的生成。2.2.2设计循环系统，进行尾气再利用(1)正曲轴箱通气系统的设计:把从汽缸窜入曲轴箱的气体(主要是未燃体)再循环进入进气歧管,使其再次燃烧,改变了过去将其直接排入大气所造成的污染。(2)排气再循环设计:发动机排气口用控制阀与进气歧管相连接,使排出的气体经过再次循环,以降低氮氧化物的排放量。(3)蒸发排放控制系统的设计:将化油器浮子室中的汽油蒸发汽引入进气系统,而将油箱中的蒸发汽引入储存系统,可大大减少污染物的排放。2.3使用车用选择性催化还原排气后处理系统车用选择性催化还原排气后处理系统工作原理:车用选择性催化还原排气后处理(SCR)是通过尿素反应产生的氨再

17、与汽车尾气进行反应的一种技术，是被认证为满足欧法规的综合排放控制系统。是一项控制柴油发动机排气中NOx 的技术。系统使用尿素与水混合成32.5% 的溶液。这种溶液公认的工业商品名称是AdBlue。其成分在DIN 标准No.70070 中有规定。固体或水溶液中的尿素（AdBlue）被分类为非危险品。AdBlue 是一种透明液体，有淡淡的氨水气味。如果溅出，水分蒸发，形成结晶。该系统结构图如下，AdBlue 存储在一个安装在底盘上的尿素罐中。尿素罐向安装在底盘上的定量给料单元(DU) 供应溶液。DU 由发动机控制模块(ECM) 控制。DU 使用来自车辆系统的压缩空气来产生AdBlue喷雾，通过非常

18、精确的计量和泵送系统输送到发动机排气系统内的喷嘴处。喷入排气中的AdBlue 数量由ECM 控制，在任意转速和负载状况下都能与发动机的NOx 输出相匹配。当与高温排气接触时，水迅速蒸发，尿素变成氨。氨与NOx 在催化器内反应，这一过程的结果就是从排气管中排放出无害的N2 和H2O。图 1 车用选择性催化还原排气后处理系统该系统中能够有效地减少汽车尾气中的含量，降低由于NOx所引起的污染。但是SCR系统存在不少的不足之处，导致其普及率不高。(1)SCR系统安装复杂，设备成本较高，而且必须在汽车出厂前进行安装；(2)SCR系统需要消耗由尿素配成的AdBlue溶液，使得汽车使用成本大大 上升，尿素的

19、生产消耗也会引起二级污染；(3)SCR系统对于汽车尾气中的CO、CH、微粒等污染物没有效果，必须加 装其它净化设备；(4)SCR系统对汽车智能要求较高，容易引起发动机无法点火。2.4使用高压脉冲电晕放电技术净化汽车尾气2.4.1高压脉冲电晕放电技术净化汽车尾气的理论依据 高压脉冲电晕放电技术利用等离子体体系中的活性物种强化(催化)氧化还原反应，将汽车尾气中的有害物质通过氧化、还原或离解而转化为无害或低害物质以达到降低环境污染的目的。通常认为，高压脉冲放电是由高压电场中电子雪崩产生的流柱在电场中的运动现象，流柱理论是被广泛接受的一种理论。该理论认为，在流柱头部包含大量由电场加速的高能电子，它们碰

20、撞气体分子而使得气体分子化学键断裂，从而达到减少反应气体中有害成分的目的。高频率的脉冲电压能够在不发生火花和弧光放电的前提下，达到更高的脉冲峰值电压，同时，在时间上产生更多的流柱，从而提供更多的高能电子。这些高能量的电子高速碰撞气体分子，打开气体分子的化学键，产生大量的活性粒子，使气体中的气体成分发生改变。2.4.2高压脉冲电晕放电技术净化汽车尾气的技术实现图 2 汽车尾气电晕净化器安装位置在汽车尾气排放管后加装一个正电晕裂变反应器，就能将高压脉冲电晕放电技术用于尾气处理。所谓“正电晕裂变”是指电晕净化器中的尾气分子突然得到“爆炸式”的巨大能量时成为活化分子，发生频繁碰撞，在纳秒级的有效碰撞瞬

21、间，将动能转化为分子内部势能，使其化学键破坏，将CO、HC、NOx 和SO2 等分解成单质固体微粒子S、C 和单原子气体分子O2、N2 以及H2O的电离过程。2.4.3净化汽车尾气的技术难点正电晕裂变需要的超高压窄脉冲激活。所谓“超高压窄脉冲”是指脉冲幅值为几百千伏，半幅值脉宽为几百纳秒，频率为几百赫的脉冲。它由于脉冲陡并且峰值很高，能使净化器空间电场强度发生突然的巨大变化，从而使汽车尾气分子突然获得裂变的巨大能量，在纳秒间成为活化分子。目前为了产生超高压窄脉冲，广泛使用的手段有两种：一是在直流电压上叠加脉冲；二是用特殊造型的脉冲变压器及其关联装置直接生成脉冲。不管使用那种手段，都必须保证脉冲

22、本身内耗应足够小，同时保证使脉冲电压峰值尽量高，以降低能耗。尽管如此，正电晕裂变仍然需要消耗大量的电能，并且现有的的超高压窄脉冲发生器发生器体积较大。高压脉冲电晕放电技术在汽车上的应用仍然需要进一步的研究，但是该技术在长、大隧道空气净化方面拥有经济有效的应用前景。2.5汽车催化剂技术在减少汽车尾气上的应用2.5.1早期发展人们很早就知道,一些材料,尤其是贵金属元素或某种非贵金属化合物,在温度足够高的气流和多余的氧气存在的条件下,可以产生适当的活性。于是有人考虑把这种性质应用于汽车发动机下游的催化剂, 将不完全燃烧的CH、CO等氧化。由于对催化剂的毒性,铅被从汽车燃料中脱除出来。为了消除由于铅的

23、脱除带来的不良影响,采用了改进的内燃机工艺,汽车燃料的辛烷值也没有因此减小。具有适当活性,可用于催化剂的金属太少,仅限于贵金属元素,金属冶炼代价很大。后来的废汽车上的催化转化器循环利用技术又使这一问题得以解决。压缩环境、高气流率和低反作用压力的综合因素使汽车催化剂采用整体式,这和许多工业和石化废气催化剂的集成结构有很大不同。整体结构是多孔的陶瓷晶体,这些小孔的壁上有比表面很大的涂层,涂层中分布着贵金属固体颗粒,废气从小孔中通过。目前,整体式催化剂广泛应用于汽车尾气催化剂,而且,这种技术已经应用于处理工业废气的工业催化剂。2.5.2催化剂用贵金属的选择选择用贵金属作为汽车尾气催化剂的原因主要有:

24、 (1)由于催化剂容量很小,而废气的流量很大,这需要催化剂能在很短时间将污染物转化,只有贵金属能有如此高的活性; (2)只有贵金属对废气中残留的硫氧化物有足够的抗毒性; (3)贵金属最不易在高温下与Al, Ce, Zr等反应而失活。因此,最初的催化剂采用Pt和Rh的不同比例混合;后来, Pd被应用于三效催化剂中用于增强催化剂对氮氧化物的还原作用。现在, 三效催化剂中各金属的使用配比如Pt/Rh, Pt/Pd /Rh和Pd /Rh贵金属催化剂都有商业上的价值。2.5.3现代催化技术化学反应和电子控制设备的结合80年代初期,美国出台了NOX排放标准,对汽车尾气的排放做了更加严格的限制,这就要求有一

25、种除了能够处理CO 和CH之外还能处理NOx的新型催化剂。随着三效催化剂的发展,化学反应和电子控制设备越来越受到重视。CO和CH的处理是在氧化条件下进行,而NOx的处理则是在富余燃料的还原条件下进行的。一开始,这个矛盾是通过采用双反应床转化器来解决的。首先在还原条件下的第一个催化转换器中NOx被还原;在第一个催化剂后加入更多氧气,这样充足的氧气进入第二个催化转换器,在这里CO和CH被氧化处理。双反应床转化器远不是理想处理手段,因为低的空燃比大大影响了燃料的利用率,并且限制了发动机的使用范围。而且在低的空燃比造成的还原环境下可能是把NOx转换为NH3 ,而不是所期望的N2。这样在后续的氧化环境中

26、,NH3又被转化为NOx ,降低了尾气处理能力。研究发现,将空燃比控制在合适的范围内,三种污染物都可以在一个催化反应器中有效地去除。这就需要电子控制系统对发动机中的气体反应环境进行实时控制。这项技术的基本思路是采用一种氧气含量传感器,传感器探测还原环境或者氧化环境并将信号传递给发动机电子控制系统。控制系统将信号反馈到燃料注射系统,从而决定加料的程度,这样可以将空燃比控制在合适的范围。此外,通过引入储氧材料也可以削弱空燃比在最佳点附近的摆动。最近的进展是在催化剂之后添加第二个氧含量探测器,下游的探测器对热老化和污染物不敏感,而且传感比上游探测器更加平衡的气体组成。这种情况下,即使是在汽车突然加速

27、或减速时也可保持合适的空燃比。化学反应和电子控制设备的结合使用是一个很有前途的发展领域。随着机载计算机技术的发展,将会采用更加合适的空燃比以降低污染物的数量。2.5.4冷启动后短时间内催化剂效率提升汽车尾气催化剂应用过程中的另外一个事实是:决定催化剂处理效果的关键是对冷启动后的很短时间内尾气处理的效果的好坏。早期人们开发了一些措施来改进对尾气、尤其是CH的利用。通过采用不锈钢来代替传统的管材料可以减少尾气热量的散失。尽管这样可以使催化剂很快达到最佳催化温度,但这也意味着催化剂必须承受更高的温度。现在广泛采用的减少冷启动期间尾气排放的措施是减缓汽车发动机的运作,这样可以使尾气带来更多的热量。例如

28、,可以通过推迟点火时间来达到这样的效果:推迟了燃烧,并且可以使尾气得到更充分的处理。除了对汽车发动机和尾气排放系统的改进,人们通过改进催化剂的整体式布局,使点火行为得到了改善。通过开发新的薄壁和更大的比表面积的催化剂载体,使催化剂更快地达到使用温度并且有合适的面积使催化反应顺利进行。相应的,催化剂形式的改变也使得其点火性质得到改进,高含量的Pd催化剂正是这类催化剂的代表。目前解决冷启动问题的主要措施有紧密耦合催化剂、前置小体积催化剂、电加热和燃烧尾气等技术。2.5.5尾气中颗粒物的净化处理解决这一问题主要采取两种技术。第一种是颗粒物催化燃烧,其实现分为两个步骤:首先,颗粒物的捕集,这可以通过催

29、化过滤装置完成;然后是颗粒物的催化燃烧,以可控方式在较低温度下完成这一步骤是困难的。第二种技术是采用持续性可再生捕集催化剂,这种技术是在第一种技术之前添加了氧化催化剂以氧化颗粒物中的可挥发组分,同时将NO转化为NO2 , NO2比O2有更高的氧化性能,可以更加有效的推动颗粒物的氧化。2.5.6汽车催化剂的发展方向未来十年值得关注的研究方向大致有以下几点:(1)净化在贫燃条件下产生的氮氧化合物处理的催化剂的开发;(2)在硫氧化合物存在情况下对含氮化合物能有效氧化催化剂的开发;(3)催化剂中可以吸附HC和NOX的材料的开发;(4)对含碳颗粒物能有效燃烧的催化剂以及反应器的开发;(5)在尾气产生的高

30、温下催化剂的稳定性问题;(6)起火温度低的催化剂的开发;(7)抗硫毒性的催化剂的开发;(8)低温还原环境中能对CO有效氧化的催化剂的开发;(9)抗CO的毒性的电催化剂的开发;(10)燃料电池电催化剂的开发。 2.6柴油机尾气微粒净化处理技术柴油机尾气中含有的大量固体微粒，是当今柴油机汽车行业所面临的难题之一, 至今未有良好的解决办法。柴油机中, 微粒和炭烟的生成源于高温和局部混合气过浓。混合气越浓, 其中碳成分就越多。混合气在高于一定温度条件下, 某些燃料分子会产生热裂解而分解成许多分子量低而碳比例高的碳氢化合物, 如乙炔、乙烯等, 其中也有自由碳。以这些裂解产物为核心, 会不断使表面增长和凝

31、聚, 尺寸不断扩大, 形成球形粒子。到一定尺寸后, 多个粒子又会聚成键状的集合体。当燃烧进行到末期, 缸内温度下降, 一些未燃CH 和有机、无机物凝结和粘附在这些集合体表面, 这就成为柴油机排气中的微粒。目前净化排气炭烟颗粒措施可采用:(1)设置排气净化燃烧室以烧掉炭烟颗粒为目的。(2)颗粒过滤装置。水洗净化或蒸气淋浴等净化废气中有害物质和颗粒3、汽车尾气净化催化剂的研究3.1催化剂的种类3.1.1氧化催化剂 ( 两效催化剂 )和 三效 催化剂( TW C )( 1)氧化催化剂: 作为第一代催化剂, 国外是 P 、Pd 氧化型催化剂。但此类的催化剂只能控制一氧化碳和碳氢化合物的排放量, 因此称

32、其为两效催化剂。但其只适用于早期的达标排污的汽车。从上个世纪 80年代起, 美国联邦政府提高了车辆NOx的排放标准, 使此类催化剂不能达到标准而慢慢被淘汰。也促进了新型催化剂的产生和发展。(2)三效 催化剂: 作为目前汽车尾气净化的主流技术, 它的发展经过了三个阶段。由于对 NOx的排放的标准提高了, 所以应运而生了 Pt、Rh催化剂, 该催化剂可以同时净化一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物, 故称为 三效 催化剂。这是 三效 催化剂的研究的第一阶段。但此催化剂需要大量的 Pt、Rh等贵金属; 价格昂贵又容易受铅中毒。因此不适合使用含铅汽油的汽车使用。第二阶段: 用 Pd来部分替代 Pt、Rh,

33、以降低催化剂的成本。制备以 Pt、Rh、Pd为主体的 三效 催化剂。第三阶段: 全钯催化剂 3。Pd比 Pt、Rh资源丰富, 价格便宜且耐热性能好。但在实际应用中,三效催化剂仍有一些问题需要解决。如: 空燃比匹配对催化剂催化特性的影响, 催化剂失活等。3.1.2 贵金属型催化剂、非贵金属型催化剂、贵金属与稀土复合型催化剂根据所使用的主催化组分不同, 可把催化剂分为三类: 贵金属型催化剂、非贵金属型催化剂、贵金属与稀土复合型催化剂。汽车尾气中既存在还原性的 CO和 HC气体, 又存在氧化性的NOx气体。汽车尾气在这些三效催化转化器主要发生如下反应4 NOx的直接消除有 2种途径 5: 一是选择性

34、催化还原 ( Se lective ca talytic reduc tion); 二是直接催化分解 ( Decomposition o fNOx)。目前所使用的材料主要为日本大学于 1990年发现的 Cu交换和过交换的 Cu- ZSM - 5的选择性和活性最好。为了能有效地净化稀燃烧汽车尾气中的 NOx, 人们提出了所谓的 NOx吸附还原法图 3 NOX吸附还原法原理图当发动机在稀燃烧状态下工作时, 即在过量氧的情况下, 将 NO 与 O2在 Pt作用下氧化生成NO2, 在 M (NOx吸附材料 )上先将 NOx用吸附剂储存起来,这时 CO 和 HC生CO2和 H2O 排出外界, 当发动机在

35、富燃而贫氧的条件下工作时, 硝酸盐分解释放出 NOx, 在催化剂上与 CO、HC和 H2反应生成 CO2、H2O 和 N2, 同时使得碱土金属得以再生。(1)贵金属型催化剂贵金属对 CO的氧化都具有很高的活性, 但对 HC的氧化反应只有 Pt、Pd具有高活性, 而 Rh则是控制 NOx的主要成分, 贵金属Pt、R h、Pd是目前汽车尾气净化三效催化剂的最常用的活性组分。Pt是最早应用于汽车尾气净化的催化活性组分, 在三效催化剂中主要贡献是转化一氧化碳和碳氢化合物。当在还原性气氛中 Pt对 NOx的还原反应有良好的催化活性。Rh是三效催化剂中控制氮氧化物的主要成分。此外, R h对一氧化碳以及碳

36、氢化合物的氧化反应也有重要的作用。Pd如同 Pt一样用来转化一氧化碳和碳氢化合物, 但价格远低于 Rh和 Pt, 且资源丰富, 耐热性好, 使用 Pd催化剂有利于低成本, 提高催化剂的使用寿命。在整个三效催化剂中, 不同贵金属的作用绝不是完全独立的, 而是相互关联的, 要注意它们之间的协同作用。这种协同作用 2对催化剂的整体行为是非常重要的。贵金属催化剂也有不足之处6: ( 1)成本高。贵金属是战略物资, 资源稀少, 价格昂贵, 尤其是 Rh。 ( 2)高温性能不太理想。贵金属在高温下会发生晶粒长大和烧结现象, 结果使催化剂活性大大降低, 甚至完全丧失。 ( 3)易中毒。贵金属催化剂易受铅、硫

37、、磷等腐蚀, 尤其是铅对贵金属催化剂的催化活性影响很大, 因此, 使用贵金属催化剂的一个前提条件是使用无铅汽油。( 4)贵金属催化剂的催化活性受空燃比的影响很大。贵金属催化剂必须和空气燃料喷射系统一起配合使用, 增加了系统的复杂性, 提高了成本。(2)非贵金属型催化剂由于贵金属资源短缺, 价格昂贵。人们在开发具有更高性能催化剂的同时, 也将如何降低成本作为考虑的条件。为此非贵金属催化剂成为人们的研究热点。如, 以 ABO3型钙钛矿结构 7的复合氧化物为代表的非贵金属型催化剂。其中 A 通常是碱金属、碱土金属或稀土等离子半径较大的金属, B是离子半径较小的过渡金属, 如: Co、Mn、Cu、Ni

38、等。但非贵金属催化剂无论在起燃特性、空燃比特性还是抗中毒能力等方面都难以与贵金属催化剂相媲美。因此贵金属催化剂在汽车净化中仍占主导地位。将贵金属与钙钛矿型化合物结合起来可以对贵金属起到很好的稳定作用, 可以防止贵金属高温烧结或高温蒸发, 防止贵金属与载体反应。加入少量的贵金属同样可以提高钙钛型氧化物的活性。2002年日本 Daihastsu 公司在催化剂的设计和调制方面运用了纳米技术, 开发了在特殊的钙钛矿型晶体中让 Pt、Rh、Pd以离子形式按原子级规则排列的技术。利用该技术, Pt、Rh、Pd在高温的氧化状态下 (过氧状态 ), 作为金属离子进入钙钛矿型晶体中: 在还原状态下 (缺氧状 )

39、, 从晶体中出来成为金属微粒。这样反复进行自我再生, 从而抑金属微粒的长大。与以前的三元催化剂相比, 可保持更优异的净化活性和耐久性，贵金属的消耗量可减少 75% 。高爱梅等8用溶胶 - 凝胶法制备了钙钛矿型 BaZrO3催化剂, 再用等量浸渍法制备了其它的催化剂, 并进行了研究, 表明BaZrO3催化剂具有良好的储氮量及其抗硫性能, 直接添加贵金属到 BaZrO3中会使 NOX储存量降低, 而混合了 - A l2O3后添加 Pt或 Rh可以大大提高 NOx储存量。从多年的研究成果看, 钙钛矿型化合物很有可能在 NO催化分解方面产生不可替代的作用。(3)贵金属与稀土复合型催化剂其中最具代表性的

40、为稀土含钯催化剂9。单钯汽车尾气催化剂一般用稀土金属、碱土金属和过度金属的氧化物作为助剂。稀土元素因其独特的次外层电子层结构和相应的催化活性而被广泛应用于 三效催化剂 中, 以提高其热稳定性、储氧能力和抗中毒能力。加入适量的助剂可以大大改善催化剂的性能, 提高催化剂的低温活性、高温热稳定性、催化选择性和使用寿命; 影响催化反应的起燃温度、空燃比特性等; 并能有效的减少主催化剂的用量, 降低催化剂的成本。3.2汽车尾气净化催化剂的载体3.2.1净化催化剂载体的特点：催化剂载体的性能的好坏对催化剂的活性和使用寿命影响极大。因此理想的催化剂载体应具备如下特点 10:( 1) 足够的机械强度; 催化剂

41、载体工作时要承受调整气流的热冲击, 以及路面不平整和汽缸振动引起的剧烈振动。( 2) 足够的耐热性; 以适应汽车发动机较宽的排气温度范围。( 3) 合适的孔隙结构或开孔率。( 4) 具备低的热容量和高的导热率。载体材料的热容量低, 热导率高则可使其达到催化反应所需温度的时间缩短, 提高催化净化效率。( 5) 较大的比表面积。催化剂的有效活性成分多为贵金属且都分布在载体表面上。载体比表面积大, 活性成分分布均匀,有利于提高活性成分的利用率, 降低成本。( 6) 不含有使催化剂中毒的物质, 且不能与催化剂发生相互作用而影响催化剂的催化作用。( 7) 适当的吸水率 , 便宜的价格。3.2.2汽车尾气

42、净化催化剂载体的种类汽车用催化剂载体由载体骨架和骨架表面的活性涂层两部分组成。国内外车用载体骨架的材料主要有陶瓷 和金属两种11。在结构形式上分为颗粒载体、蜂窝状载体和 SiC泡沫陶瓷载体。（1）颗粒型载体颗粒型载体 12是汽车尾气催化净化器载体最早的形式。它是由直径为 3 4mm的活性氧化铝 ( Al2O3) 小球堆积而成。贵金属催化剂活性物质沉积在比表面积为 ( 70 350 cm2/g ) 的氧化铝上。氧化铝的作用是稀释、支撑和分散催化剂。这种载体具有比表面积大, 机械强度高, 制造简单, 价格低廉, 装填容易与活性组分的亲和力好等优点。但这种载体的孔结构在纵向上没有连续不受阻挡的流动通

43、道。因此会导致发动机排气阻力和背压大, 油耗上升, 功率下降。同时在高温腐蚀性气流的冲刷下易损粉化, 造成二次污染和载体寿命缩短。因此目前已被其他催化剂载体所取代。（2）蜂窝状载体蜂窝状载体取代了颗粒型载体是因为其气体阻力小, 只有球状的 1/20, 气氛流畅均匀, 机械强度高, 热稳定性好, 催化活性涂层薄且比表面积大。目前此种载体已得到广泛地应用。常用的蜂窝状载体大部分是陶瓷材料制成的, 近年来由于科学的进步及不断的探索, 开发了金属蜂窝状载体。图 4 蜂窝陶瓷载体的截面结构陶瓷蜂窝状载体: 蜂窝陶瓷的孔型结构有两种即正方孔和三角孔型。正方孔型比三角孔型的比表面积小 10% 左右。从实际烧

44、制也可以观察到三角形孔的蜂窝陶瓷收缩机应较小, 但强度较正方孔形的蜂窝陶瓷欠佳13。右图即为蜂窝陶瓷的截面结构图11。陶瓷的主要原料一般为堇青石 ( 2MgO2。A l2O3。5SiO2), 通过挤压成型烧制而成。堇青石不仅有低的膨胀系数, 良好的耐化学性能及良好的耐热行。而且本身气孔率较高。为了固定催化剂。蜂窝陶瓷载体表面通常涂覆一层均匀的高比表面积的涂层, 然后把贵金属活性组分负载在其表面。组成效率高的实用汽车尾气净化催化剂。堇青石蜂窝陶瓷一般由挤压制得, 其步骤为: 混合原料和粘结剂 用水和其他添加剂塑化 挤压成形 干燥 烧成。目前广泛采用的堇青石蜂窝载体的孔结构表面通是相当平滑的, 难

45、以固定催化组分, 因此需要在其表面涂上一层高比表面积Al2O3涂层, 然后在其表面负载活性催化剂组分。但涂层与堇青石基本的热膨胀系数又有较大的差异, 易使涂层和催化剂从载体上脱落, 导致催化转化器工作失效, 加上堇青石热容大、导热率不足, 存在催化剂起燃慢的问题, 必须采用其他措施才能使汽车冷启动时的污染物排放得到有效的控制。因此这种载体的催化净化效率存在一定的局限性14。金属蜂窝状载体: 金属载体与陶瓷载体相比有自己的优点: 金属载体几何比表面积、开孔率均比陶瓷载体高。这有利于催化剂活性物质的吸附, 并减少排气阻力; 此外, 金属载体热传导系数、热膨胀系数也高于陶瓷材料。可以与催化净化器的壳

46、体实现很好的热膨胀匹配; 而且它的热容量比陶瓷载体低, 可以缩短达到催化反应的温度的时间; 机械强度高, 可避免因催化剂破碎而引起的二次污染。目前被认可的可用作汽车尾气净化器的金属载体材料主要是: Fe- Cr- Al Ni- Cr, Fe- Mo-W 等三类合金。其中F e- Cr- A l最具应用前景。图 5为蜂窝体的俯视图15 金属载体的成型采用如下工艺: 先把合金加工成薄带, 然后将薄带加工成纹形片, 交替放置波纹片与平片。之后绕成圆柱状蜂窝体, 最后进行预氧化使其表面形成一层均匀连续的Al2O3膜。但这种合金的抗氧化性和加工性之间存在着矛盾: 为了提高材料的抗氧化性, 应增加合金中 A l的含量, 但其加工脆性会增加。在保证材料抗氧化性的前提下, 如何成型金属载体成为许多材料工作者研究的热点。金属载体性能较陶瓷载体优越, 但金属载体的研究较陶瓷载体的研究要晚得多, 目前还有许多急需解决的问题: 载体材料的抗高温氧化性不佳; 成型工艺过于复杂; 载体与催化剂的活性表面层结