汽车尾气化学处理技术
摘要：汽车作为现代化交通工具，给人们的生产与生活带来十分方便的同时，汽车的副产品—它的尾气排放物，给大气环境所造成污染却日益严重。目前，针对此问题，越来越多的处理技术不断问世。而笔者主要介绍其中的几种化学处理方法—低温等离子体催化法、电晕法、贵金属催化剂法。
关键词：汽车尾气 贵金属催化剂 低温等离子体 电晕法
在现代文明的今天，汽车已经成为人类不可缺少的通运输工具。人、环境与汽车之间的关系也是一个越来清晰的时代话题。自从1886年第一辆汽车诞生以来人们的生活和工作带来了极大的便利，并逐渐发展成为现代物质文明的支柱之一。但是，我们也应该看到，在车产业高速发展、汽车产量和保有量不断增加的同时，车也带来了大气污染，也就是汽车尾气污染。时代的高速发展，我们每个人都与汽车紧密相关，看大街上车水马龙的公交车、私家车，车与人类的生活来越分不开。
尾气污染主要是指柴油、汽油等机动车燃料因含有加剂和杂质，在不完全燃烧时，所排出的一
些有害物质环境及人体的污染和破坏。汽车尾气中的铅微粒直接进人体，碳氢化合物形成的光化学烟雾将扩散到整个城市地区。机动车的油气排放是我国空气污染的主要来源之同时造成能源大量浪费。目前，汽车尾气处理技术层出不穷，各有优缺点，而笔者主要就当前比较前沿的几种化学处理方法进行简单的概述。
1 低温等离子体催化处理汽车尾气
1.1 低温等离子体催化处理简介
低温等离子体催化主要指等离子体多相催化[1],通过置入催化剂,可在等离子体区、等离子体余辉区及产物收集区发生特定的化学反应[2]。低温等离子体和催化剂协同作用技术处理有害气体具有很多优点[3，4],已成为处理低浓度有害气体的重要技术,并能取得良好的污染物去除效果。文[5]对模拟气体在等离子体放电催化中NOx的脱除进行了实验研究,指出介质填充床的存在可使NO去除效率更高。文[18]对选择性催化还原法和低温等离子体结合净化机动车排气进行了研究,指出该法加强了整体反应,在相对低的温度下就能有效去除NOx。文[6,7]也对低温等离子体和催化剂协同作用处理汽车尾气等有害气体进行了积极的研究。上述文献仅从几个不同的侧面探讨了用等离子体-催化技术净化尾气中某一组分的可行性,揭示了其中的一些
规律。但用低温等离子体-催化技术处理实际汽油机尾气时,关于工艺参数对多种主要污染物去除效果影响规律的报道还不多见。赵如金等[8]自制了介质阻挡放电催化反应器（如图1）,采用高压脉冲电源放电在常压下产生低温等离子体,对实际汽油机尾气进行了净化处理,研究了各参数对尾气中主要污染物去除的影响规律。
图1.试验系统示意图
1.2 各种参数对处理效能的影响
a)脉冲放电频率的提高有助于污染物去除率的增加,但其对污染物去除率影响的幅度不大。
b)NO、HC和CO的去除率均随放电电压的增加而增加,NO和HC的去除率明显高于CO,放电电压对HC化合物去除率的影响要大于NO和CO。
c)随φ0(NO)不断增大,NO去除率下降很快,φ0(NO)对HC和CO去除率也有影响,浓度越大2种污染物去除率越低,但影响不大。
d)气体流量越小,尾气在反应器内的停留时间越长,3种物质的去除率就越高;同时,HC去除率随气体流量增加下降的幅度较NO和CO都大;
e)γ-A12O3小球作为催化剂对NO去除有较大作用,而对提高HC和CO去除率作用不太大。
采用低温等离子体-催化处理实际汽油机尾气是可行的,该法增加了等离子体的利用率和尾气中污染物的去除率,对提高车辆排放污染控制水平具有重要的意义。
2 电晕法处理汽车尾气
脉冲电晕等离子体技术反应器结构简单，与风管道和排气管结构相似，就目前研究成果而言，技术对各种污染气体包括脱除空气中的悬浮颗粒物都有良好的净化能力，因此拥有广阔的应用前景。
2.1 高压脉冲电晕净化汽车尾气原理
高压脉冲电晕放电技术的原理和其净化尾气主要污染物机理：电晕放电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。高压脉冲电晕放电技术在长、大隧道空气净化、发动机尾气净化方面拥有经济有效的应用前景。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，产生大量的活性粒裟赫子，使气体中的气体成分发生改变。
2.2电晕净化汽车尾气的关键技
2.2.1 正电晕裂变反应器的研发
电晕电极和裂变反应腔的几何形状与尺寸的设计及其材料的选用；电晕放电电流的计算与调试以及反应器中附加设施的配置与研制。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。汽车尾气电晕净化器安位置如图2所示。汽车尾气处理装置图
图2 汽车尾气电晕净化器安装位置示意图
2.2.2 超高压窄脉冲发生器的研发
正电晕裂变所需要的超高压窄脉冲源的脉幅、脉宽、前沿、后沿及频率等参数的分析和计算以及该脉冲发生器的总体设计与研究。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。
超高压窄脉冲发生器。基于超高压窄脉冲正电晕裂变法可使基态气体获得足够大的能量而发生强烈的辉光放电，并且空气气体迅速成为高浓度等离子体，因此用脉幅为几百千伏，脉宽为几百纳秒，频率为几百赫的脉冲，在电晕极附近发生激烈、快速的脉冲正电晕放电，能使净化器空间电场强度发生突然的巨大变化(由于脉冲陡并且峰值很高)，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，这些具有高能量的活化分子在频
繁碰撞瞬间(纳秒内)将动能转化为内部势能，破坏原有化学键使其断裂，生成新的单一原子气体或单质固体微粒子，即使尾气中的CO、HC、NOX和O2等有害气体分解成单原子气体O2、N2、或单质S和C以及H20，随气流排出，从而达到将汽车尾气净化的目的。
2.2.3．高压脉冲电源的组成
整流部分采用桥式整流电路，其输出的直流电幅值变化大，即为脉冲大的直流电，故利用电容电感双节滤波电路，使输出波形平滑。逆变部分采用带有反馈二极管的晶闸管并联逆变方式，通过对晶闸管的开关控制，满足脉冲电源的调幅、调频要求。倍压整流部分采用多级倍压整流电路，在满足变压器铁心材料耐压能力条件下，实现高压输出。本电路将高压直流输出和变压器二次侧脉冲输出信号迭加，产生脉冲高压信号。如图3所示。
3 贵金属催化剂处理汽车尾气
贵金属催化剂是目前本领域应用最多、性能最好和寿命最长的催化剂。汽车尾气中主要有CO，HC和NOX3种有害成分。Pt和Pd对尾气中的CO和HC的氧化有极好的催化活性，从而使之生成CO2和H2O;Rh和Ru对尾气中的NOX有良好的还原催化作用，反应后生成N2，CO2和H2O。由于Pd对Pb，S，P中毒特别敏感和在还原气氛下易烧结以及它与Rh易生成合金相使Rh活性降低等原因，通常是由Pt-Rh构成三效主催化剂。Rh除对尾气中NOx起还原催化作用之外，还具有作为R的添加剂以提高R的耐高温性能和使用寿命的作用。随着汽油质量的提高，汽油中含Pb，S，P量已很低;又因Pd比R价格便宜，最近几年又主张多用Pd少用Pt，人们在以Pd代R方面做了许多工作。MiyoshiN等人对以La0.09Ce0.1Fe0.6Co0.4O3成分的钙钦矿结构作载体的Pd催化剂做了研究，在空气中950℃寿命试验后的催化活性高于Pd/A12O3催化剂。用X光电子分光法分析结果表明，Pd在钙钦矿晶体中反复固溶、析出，从而确保Pd微粒处于纳米级水准。
贵金属催化剂的不足之处是:价格昂贵;对发动机空燃比要求严格(A/F-14.6士0.1)[9]如图4所示;易发生Pb，S等中毒失效。因此为充分发挥贵金属催化剂的三效催化作用，必须以使用无Pb汽油和电子控制燃料喷射系统为前提。除中毒失效外，贵金属催化剂的热失效是使净化器使用寿命缩短的根本原因，这也是需要从工艺上加以解决的技术关键所在。用TEM对贵金属催化剂的粒径分布所作的观测结果表明:催化活性与贵金属粒径成线性关系[10]粒径越小，催化活性越高。所以应首先从工艺角度确保贵金属催化剂呈纳米级超微粒并且高度弥散化，在此基础上再从工艺上抑制其微粒在高温下的聚集长大，使之尽可能维持在纳米级超微粒水平。添加稀土助催化剂以及在R中加人使A1203稳定性增强、且熔点高于R的Rh，Ir，Ru等其它贵金属均有助于达此目的。由于存在高温氧化气氛下Pt-Ir或Pt-Ru合金易挥发的问题，因而普遍采用的是R-Rh。
贵金属催化剂与载体、助催化剂等的交互作用是不容忽视的。Rh与A12O3的交互作用是Rh劣化的主要原因之一阁。为防止Rh与A12O3固溶造成的催化剂性能下降，应采用与Rh难以发生固溶的ZrO2作为载体与贵金属的隔离层。Rh与CeO2的强交互作用，正是所希望的，它可以提高催化剂的催化效能
图4 CO HC和NOX与转化率、空燃比关系曲线
4 结束语
随着我国经济的不断发展，汽车尾气对大气的污染和治理已经成为人民和政府共同面临的挑战。近些年来，各个领域的学者不断研究，各项处理汽车尾气的技术手段正在不断成熟和运用。第一代汽车尾气催化剂将活性氧化铝制备成球状或丸状的小颗粒，然后在这些小颗粒的
毛细孔中吸附一些贵重金属，从而起到催化作用。第二代产品是将吸附有贵重金属的活性氧化铝涂附于蜂窝陶瓷表面，从而制备出性能优良的汽车尾气催化剂载体。另外，还有一些不太成熟的方法，或目前，仍然不能投入生产，存在生产问题，还需要进一步研究的化学方法！但随着科技的进步，相信不久的将来，更好的化学方法将会问世！
参考文献：
[1]杨小平,黄海涛.低温等离子体和催化剂协同作用处理有害气体[J].化工环保,2005,25(3):204-209.
[2] Ogata Atsushi, Einaga Hisahiro, Kabashima Hajime, et al.Effective combination of nonthermal plasma and catalysts for decomposition of benzene in air[J]. Applied Catalysis B: En-
viromental, 2003, 46:87-95
[3] Oda Tetsuji, Takahahshi Tadashi, Yamaji Kei. Nonthermal plasma processing for dilute VOCSdecomposition[J]. IEEE Transaction on Industry Applications, 2002, 38(3):873-878.
发布评论