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1、大气污染控制工程论文 论文题目：汽车尾气污染控制技术研究现状及发展趋势 学 院：环 境 科 学 与 工 程学 院 指导老师：路 培 姓 名：黄 维学 号：20080320106班 级：环 境 科 学 0801 目 录1.前言32.汽车尾气概述32.1汽车排放污染物及其危害32.1.1一氧化碳32.1.2氮氧化物32.1.3碳氢化合物42.1.4硫氧化物42.1.5挥发性有机物42.1.6臭氧42.1.7铅42.1.8碳烟微粒42.2汽车尾气污染现状53汽车尾气处理技术现状53.1机内净化技术53.2机外净化技术63.2.1贵金属催化剂63.2.2非贵金属催化剂63.3提高燃油品质73.4替代原
2、料技术73.4.1燃料电池73.4.2燃气（天然气、液化石油气）73.4.3乙醇汽油83.4.4生物柴油84.汽车尾气处理技术发展趋势84.1低温等离子技术84.2光催化降解技术94.3汽车尾气新型净化催化剂94.4利用尾气发电驱动104.5磁驱动技术105.结语10参考文献10汽车尾气污染控制技术研究现状及发展趋势 黄维 20080320106 环科0801 1.前言 随着汽车工业的飞速发展，人们的出行条件得到了极大的改善，同时在很大程度上也推进了社会经济的发展，呈现出一片繁荣的景象，出行变的舒适而便利。无论在发达国家还是发展中国家，汽车都具有巨大的市场空间，尤其是中国。城市汽车保有量迅速递
3、增，汽车排污负荷幅度加大，直接影响到空气环境质量及人们的健康。 对汽车尾气污染控制技术的研究无疑是当今的一个重要课题1。2.汽车尾气概述2.1汽车排放污染物及其危害尾气污染主要是指柴油、汽油等机动车燃料因含有添加剂和杂质，在不完全燃烧时，所排出的一些有害物质对环境及人体的污染和破坏。汽车发动机排放的尾气中有一部分毒性物质在燃料不完全燃烧或燃气温度较低时产生较多。尤其是在次序起动、喷油器喷雾不良、超负荷工作运行时，燃油不能很好地与氧化合燃烧。另一部分有毒物质，是由于燃烧室内的高温、高压而形成的。汽车排放的尾气中含有上千种化学物质，除空气中的氮、氧和水蒸汽为无害成份外，其余均为有害成份。这些有害物
4、质可分为气体和颗粒物两大类。气体包括：一氧化碳、二氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物、硫氧化合物、挥发性有机物和臭氧等。颗粒物包括：碳黑、焦油和重金属等2。2.1.1一氧化碳汽车发动机若进气不足或燃油喷射时间过长，使得气缸内燃油不能完全燃烧，则汽车尾气中将产生CO。CO与血液中的血红蛋白结合的速度比O2快250倍。CO经呼吸道进入血液循环，与血红蛋白亲合后生成碳氧血红蛋白，从而削弱血液向各组织输送氧的功能，导致人体缺氧，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，引起头晕、头痛、呕吐等中毒症。重者危害血液循环系统，导致生命危险。即使是微量吸入CO，也可能给人造成可怕的缺氧性伤害。
5、交通高峰时段常常出现CO的污染峰值，汽车内浓度有时比车外更高3。 2.1.2氮氧化物 氮氧化合物主要是指一氧化氮和二氧化氮，它是发动机大负荷工作时，在燃烧室高温富氧的环境中产生的一种褐色且有臭味的气体。氮氧化合物吸入肺部后能形成亚硝酸和硝酸，对肺组织产生强烈的刺激和伤害，以致引起肺部病变。当空气中氮氧化合物含量达1020ppm时，可刺激鼻粘膜、咽喂、气管、眼角膜等，引起呼吸道干涩不适，流泪及红眼病等病症；当氮氧化合物超过500ppm时，几分钟内就可使人出现肺气肿而死亡。在二氧化氮浓度为9.4mg/m3的空气中暴露10 min，即可造成人的呼吸系统功能失调。此外，氮氧化物还会导致酸雨和光化学烟雾
6、污染，在水系中的沉降会造成富营养化。2.1.3碳氢化合物碳氢化合物是不完全燃烧的排放物，包括未燃和未完全燃烧的燃油和机油蒸汽，气态时是VOCs，固态则为颗粒物。单独的碳氢化合物只有在浓度相当高的情况下，才对人体产生伤害，一般影响不大。但碳氢化合物和氮氧化合物在阳光紫外线照射下发生化学反应，形成光化学烟雾。当光化学烟雾中的化学氧化剂超过一定浓度时，即对人体产生较强刺激性，人体吸人后可明显感觉到呼吸系统不适，引起急性喘息症。2.1.4硫氧化物主要是指SO2，它是形成酸雨的主要成分，严重污染河流、湖泊等水系，殃及野生动植物的生存安全，破坏生态系统的自然酸碱平衡，并严重腐蚀建筑物。对人类会造成气管壁绷
7、紧，使呼吸道疾病加重，患有心肺疾病和哮喘病的人尤其敏感。汽车尾气中SO2主要来源于柴油车的排放。2.1.5挥发性有机物包括多环芳烃(PAH)、苯系物、烯烃等，是光化学烟雾形成的前体物。苯已被证明是致癌物质，WHO（世界卫生组织）认为即使微量的苯，对人体健康也是有害的。除尾气排放外，汽车燃油箱和加油过程中也会排放挥发性有机物。2.1.6臭氧光化学烟雾主要的生成物是臭氧，具有强氧化性，可使空气能见度降低，橡胶制品开裂损坏，植物受害。臭氧刺激呼吸系统的黏膜，导致咳嗽、呼吸困难，削弱肺功能，对室外锻炼的人特别有害。臭氧还引起一些常见症状，如头疼、眼鼻喉刺痒、深呼吸时胸部不适等。臭氧会增加人对过敏源如花
8、粉的敏感性，也降低人体对细菌和病毒的抵抗力，如易引起感冒、肺炎等。2.1.7铅铅是有毒的重金属元素，为了改善燃油的抗爆性，人们在汽油中添加含铅物质四乙基铅或甲基铅，导致汽车尾气排放时产生含铅化合物。城市大气中的铅60以上来自汽车含铅汽油的燃烧。铅化合物以颗粒状排人大气中，是污染大气的有害物质。人体长期吸入含铅颗粒浓度较高的空气后，铅会逐渐在体内积累。当达到一定程度时，铅阻碍血液中红血球的生长，致使人体正常造血功能降低，血液、心肺器官等发生病变4。而铅对脑细胞和中枢神经的损害更是不可逆转的，铅侵入人体大脑时会引起头疼、精神恍惚，严重时甚至会出现昏迷、惊厥等铅中毒症状。由于铅尘比重大，通常积聚在1
9、m左右高度的空气中，因此对儿童的威胁最大，直接影响儿童的智力发育。2.1.8碳烟微粒是指柴油发动机燃烧不完全所排出的黑色烟雾状的炭烟颗粒。炭烟微粒能影响大气、道路的能见度，并含有少量带有特殊臭味的乙醛，吸入后使人感到恶心和头晕。微粒表面吸附的可溶性有机物对人的呼吸道也有较大伤害。固体悬浮颗粒的成分很复杂，并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。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，引起呼吸系统疾病。当悬浮颗粒积累到临界浓度时，便会激发形成恶性肿瘤。此外，悬浮颗粒物还能直接接触皮肤和眼睛，阻塞皮肤的毛囊和汗腺引起皮肤炎和
10、眼结膜炎，甚至造成角膜损伤5,6。2.2汽车尾气污染现状随着汽车社会拥有率的大幅增加，汽车尾气对大气造成的污染也日益加重。从全国来看汽车尾气污染分担率已经上升到了95，年排放一氧化碳为3500万吨，碳氢化合物为500万吨，氮氧化合物为380万吨6。我国定期发布空气质量周报的30个城市的资料显示，有相当一部分城市的空气呈现中度、重度污染。环保部门监测表明：大气中HC的96，CO的86，NO。的56来自机动车排放，北京、上海、广州等10余个城市已经出现最为严重的光化学烟雾的先兆。上海1993-1994年监测结果表明：主要交通路口和路段大气中的CO平均浓度超标率达27，最大超标倍数为2.1倍，NOx
11、平均浓度超标率为85，最高日均浓度超标倍数达9倍；广州1994年大气环境监测结果表明：NOx、CO及总悬浮颗粒物(TSP)污染严重，其中以NOx污染最为严重，在繁忙区域，NOx日均值超标率达80.4；其他城市主要交通道路上大气污染物超标现象亦很严重，有资料表明，这些区域的汽车尾气污染都很严重。而且，近年来随着我国汽车产销量的迅速增长，我国的汽车保有量越来越多，都集中在大城市，而且车况差，都集中在大城市，原油质量低，单车的排污往往高出国外同类车的几倍，因此汽车尾气已对我国城市空气质量造成巨大的威胁7-10。3汽车尾气处理技术现状3.1机内净化技术机内治理技术是通过对发动机的调整和改造，改善燃烧过
12、程，以防止或减少有害污染物在机内生成。机内净化的主要方式是改进发动机的燃烧方法，即利用所谓稀薄燃烧方式来接近理想燃烧方式，以在较好的条件下使混合气体燃烧，减少污染物的发生量。由于一氧化碳的生成主要取决于空燃比，氮氧化物的生成主要取决于燃气的最高温度、在高温下停留时间和燃气中的含氧量，根据他们生成的特点，科学家有针对性地进行了治理技术研究。其措施有：一是改进燃烧室结构，如采用复合涡流控制燃烧，MCA-JET三门发动机；二是改进点火系统，如在化油器上设置断油装置和稀混合气供给装置，采用延迟点火装置和晶体管点火装置等11。目前国外已运用的机内净化方法有：延迟点火法、废气再循环装置(EGR)、控制燃烧
13、装置（CCS）、清洁空气装置（CAP）、电子控制汽油喷射系统装置等，都能有效的降低一氧化碳、碳氢化合物的排放量，抑制氮氧化物的生成。3.2机外净化技术机内净化能减少有害气体的生成，但不能除去已生成的有害气体。通常人们更关注的是机外净化。催化净化是目前研究与应用最多的机外净化方式。70 年代以来，许多国家都进行了汽车尾气净化催化剂的研究。目前已投入使用的催化剂主要有贵金属催化剂和非贵金属催化剂两种。目前已投入使用的催化剂主要有贵金属催化剂和非贵金属催化剂两种。3.2.1贵金属催化剂1978年美国Engelhard公司首先推出了同时有效地处理汽车尾气中的CO、HC和NOx三种气体的贵金属三效催化剂
14、TWC。80年代中期，TWC的制备和应用已趋成熟，它以蜂窝状堇青石为第一载体，以-Al2O3为第二载体，Pt、Pd和Rh为活性组分，Ce、La等稀土元素作为助剂。贵金属催化剂TWC具有机械强度高，比表面积大，气阻小和活性高等优点，在105r/h的高速和300650条件下对3种污染物的转化率均高于80%，且行车10104km无明显失活，但它也有自身的不足。首先，它的转化率受空燃比（A/F）影响较大。只有在发动机A/F达14.6的条件下操作时，催化剂对HC、CO及NOx的净化才可同时达到最佳值。因此，2等发达国家的汽车排气管中普遍安装了具有氧探头的燃料喷射电子控制系统，以控制A/F比在理想的状态。
15、其次，Pt、Rh、Pd等贵金属价格昂贵，资源有限，且抗SO2和Pb中毒性能差，限制了它的普遍使用12。因此，国内外科研工作者开始致力于非贵金属催化剂方面的探索。3.2.2非贵金属催化剂近年来，过渡金属和稀土元素的氧化物型和复合氧化物型催化剂一直受到人们的重视。已有一些过渡金属氧化物型、钙钛矿型的催化剂研制成功并投入使用。对于稀土资源丰富的我国来说，开发非贵金属催化剂具有广阔的前景。谭宇新等以稀土元素La、Ce 和过渡元素Cu、Ca、Mn 为主添加少量Pd作为活性组分，研制出La-Co-Cu-Mn-Ce-Pd等稀土催化剂具有高活性，高热稳定性和和低起燃温度，操作弹性好等特点。有的研究者以Fe2O
16、3为载体，经高温焙烧制成一种新型复合金属氧化物催化剂WCX-1（Re-Ni-Co-Cu-Ox/Fe2O3），该催化剂具有较好的高温活性及很强的抗SO2中毒和抗积炭性能。3.3提高燃油品质燃油品质与汽车尾气也有着重要的关系，为此世界各国，特别是发达国家不断对汽油质量做出越来越严格的规定。通常，降低汽油中苯、硫、芳烃、烯烃含量，降低雷德蒸汽压，并在汽油中添加含氧化合物，可以减少汽车尾气中污染物的排放。此外，世界各著名机构研究的固体酸烷基化技术都能有效减少汽油中的烯烃含量，降低汽油的蒸汽压此外，采用吸附脱硫技术、催化蒸馏脱硫技术、选择性加氢脱硫工艺、在重整装置中增加苯抽提工艺等都能有效减少汽油中硫、
17、苯、芳烃的含量，提高汽油的品质，改善汽油的质量，从而降低汽车尾气中有害物质的排放量，减轻汽车尾气的危害。3.4替代原料技术3.4.1燃料电池燃料电池是一种新型的无污染、无噪声的汽车动力源，它可不经过燃烧而直接将燃料的化学能转化为电能。其可靠性高，适用性强，能量转换效率高，污染小，噪声低。按电解质划分，燃料电池大致分为五类：碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、质子交换膜燃料电池（ PEMFC）。以PEMFC 为例，其反应原理如图(1)所示。氢气（为了保持膜湿润，一般在进入电池前进行湿化处理）进入电池扩散至阳极催化层与
18、膜的界面，在铂催化剂的作用下失去电子，形成质子，质子由膜导通，在阴极与膜的界面，在铂催化剂的作用下与氧结合生成水，形成的水以蒸汽或冷凝水的形式由过剩的反应气从阴极气室排走。3.4.2燃气（天然气、液化石油气）采用清洁燃料治理汽车尾气污染，天然气、液化石油气是汽车燃料的理想替代物。它们在发动机内可以充分燃烧，汽车发动机不必作大的改动就可直接使用，使汽车所排放的污染成分大大低于汽油发动机和柴油车。近年来由于环境保护的压力和能源危机的影响，燃气汽车得到世界上大多数国家政府的重视支持。日本已决定从2000年开始，在国内大量推广燃气汽车。其它燃气汽车生产大国，如德国、法国等也不甘落后，纷纷投入研制开发新
19、型的燃气汽车。大量的研究表明，汽车采用燃气后，尾气排放污染会显著降低，且成本费用低，安全性高，使用性能好。在我国燃气汽车的推广活动已于上世纪末，本世纪初在全国范围内蓬勃展开。北京、上海、四川川东地区等12个城市和地区被国家确认为清洁汽车试点示范城市（ 地区），在全面加强对汽车排放控制管理的同时，重点开展压缩天然气（CNG）和液化石油气（LPG）汽车推广工作。截至2002年6月底的统计，12个城市（地区）共建成加气站360余座，改装燃气汽车13余万辆。上海市的LPG加气站达80余座，遍布全市区，80%的出租汽车燃用LPG。北京市的单一燃料CNG公交车已达到2000余辆，成为世界拥有CNG公交车最
20、多的城市。四川充分利用天然气资源的优势，成都、德阳、绵阳等城市共建成CNG加气站60余座，改装CNG汽车17000余辆。这些成绩为我国替代燃料汽车的推广应用积累了极为宝贵的经验和打下了重要的基础。3.4.3乙醇汽油将乙醇进一步脱水再加上变性剂后生成变性燃料乙醇。所谓车用乙醇汽油就是把变性燃料乙醇和汽油以一定比例混配制成的一种汽车燃料。用乙醇汽油作为燃料的汽车早在上世纪已在巴西、印度等国家出现。在我国使用乙醇汽油作为汽车燃料在技术上已非常成熟，部分地方开始推广使用，但成本较高，经济效益不如汽油车。乙醇可以有效改善油品的性能和质量，降低一氧化碳、碳氢化合物等主要污染物排放。它不影响汽车的 行驶性能
21、，还减少有害气体的排放量。乙醇汽油作为一种新型清洁燃料，是目前世界上可再生能源的发展重点，符合我国能源替代战略和可再生能源发展方向，技术上成熟安全可靠，在我国完全适用，具有较好的经济效益和社会效益。 中国最早生产乙醇燃料的企业是河南南阳的天冠集团，也是国家重点试点企业，乙醇燃料最早试点地也是河南的郑州，洛阳，南阳三地。现在主要是以甜高粱乙醇为主，甜高粱的低投入和高产出，是所有生物质中效益和发展潜力最大的。3.4.4生物柴油生物柴油是一种可再生的能源，它是由任何天然的油脂和甲醇（或乙醇）经过化学方法加工而成，它可以直接在柴油机上使用（B100）或与柴油以任意比例混合使用（B20）。使用生物柴油能
22、减少温室气体排放，降低空气污染另外生产和使用生物柴油对发展国内经济，减少石油供给的需求，实现可持续发展等方面都有积极作用。美国最初的兴趣是以大豆油作为生物柴油的原料，许多欧洲国家关注的是菜籽油。赤道气候国家对可可脂和棕榈油更感兴趣。日本则以废食用油作为生物柴油的原料。美国、德国和澳大利亚等已制定了生物柴油的品质标准13,14。4.汽车尾气处理技术发展趋势目前汽车尾气处理的新技术有低温等离子技术、光催化降解技术、汽车尾气新型净化剂、利用尾气发电驱动和磁驱动技术。4.1低温等离子技术等离子体技术由于其净化效率高，能同时处理多种污染物以及无二次污染等优点，在汽车尾气净化领域的应用中引起人们的特别关注
23、。低温等离子技术用于机内净化主要是使空气在送入内燃机燃烧室之前等离子化，通过等离子体发生器将空气等离子化使得空气中含有富足的原子氧和臭氧及其它激发态的氧，从而大大提高燃料的燃烧速率；同时等离子化的空气中含有的氧粒子参与反应的能力比中性的氧气分子更强，可以使HC、CO得到充分氧化而大大减少有害物气体的生成，这样不仅可以节约能量，且能在一定程度上降低污染物的排放量15。等离子体技术在机外净化中的应用包括低温等离子体的直接氧化还原法和低温等离子体辅助催化还原法。前者主要是通过沿面放电或介质阻挡放电(机外净化的低温等离子体技术一般情况下主要采用这两种方式)使得由发动机排出的尾气等离子化，由于等离子化后
24、的尾气中含有足够的激发态的活性氧，极易与CO、HC发生反应；同时尾气中含有的HC和炭黑粒子又可以直接作为还原剂，在等离子区域与NOx化合，生成无害的N2、CO2和H2O。后者是一种将低温等离子体技术与三效催化技术结合使用的一种方法，是低温等离子体辅助HC的选择性催化还原系统降低NOx的排放。此外，低温等离子体技术通过静电捕集的方法可以去除尾气中的颗粒物16。4.2光催化降解技术近年来，国内外对以二氧化钛(TiO2)为代表性催化剂的多相光催化进行了很多研究。随着科学的发展，光催化纳米材料被称为21世纪最有前途的材料，光催化技术也随之应用到降解汽车尾气的问题当中。光催化降解技术是一种利用光触媒进行
25、催化降解反应的应用技术。通常所说的光触媒是一类以TiO2为代表的具有光催化功能的光半导体材料的总称。日本科学家Fujishima和Honda于1972年首次发现在近紫外光(380nm波长的光)的作用下，金红石型TiO2单晶电极能使水在常温常压下分解为氢气和氧气。如何将这种光催化材料安全、高效地喷洒到道路表面，以降解汽车尾气保护生态环境是国内外相关研究领域十分关注的问题。光催化降解材料在紫外线的照射下，其中的TiO2，可产生游离电子及空穴，因而具有很强的光氧化还原能力，可氧化分解汽车尾气中的有机化合物和部分无机物。同时，TiO2受光后生成的氢氧自由基能对有机物质和有害气体进行氧化还原反应，将其转
26、化为无害的水、一氧化碳和盐等。反应过程中，TiO2作为催化剂本身并不直接参与氧化还原的反应，而只是扮演发生反应所需要的媒介，本身的能力并不随时间而消耗衰减，所以，在理论上具有永久性，可以随时随地处理和净化各种有害气体，使周围空气保持清新健康的状态。同时，降解反应生成的粘附到路面的附属产物，下雨时会被雨水冲洗掉17。4.3汽车尾气新型净化催化剂纳米材料作为汽车尾气催化转化剂不仅减少了贵金属的用量，而且由于纳米级粉体具有极强的氧化还原能力，用纳米级稀土化合物代替贵金属作催化剂，可以更有效地解决汽车尾气中一氧化碳和氮氧化物的污染问题。我国位于江苏无锡国家高新区内的威孚力达催化净化器有限责任公司，自主
27、研发国排放标准汽车尾气纳米稀土催化剂，已成功在奇瑞、沈阳金杯、海马、北汽福田、吉利美日等车型上通过了国匹配试验，综合性能在冈内处于领先地位。2008年起全面配套在国内主要机动整车上。钙钛矿型催化剂的化学式一般以ABO3，表示，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则是离子半径较小的过渡金属，如Co、Mn、Cu、Ni等。此类催化剂，性能较优，在中温区和中等空速时，具有与贵金属催化剂相近的催化活性，且高温下稳定，抗S、P等中毒能力强等，与贵金属催化剂十分接近18。贵金属取代或掺杂的钙钛矿型复合氧化物催化剂对处理汽车尾气也非常有效，这都是三效催化剂的发展方向。4.4利用尾气发电驱动美
28、国科学家研发的一项新技术可利用尾气发电驱动汽车，从而节省燃油。据美国媒体报道，美国能源部资助的这项研究，由通用汽车公司与俄亥俄州州立大学合作进行。研究人员将一种特殊的电镀金属装置安装在汽车排气管上，利用尾气与空气间温差导致的热电效应形成电流，通过电动机驱动汽车。专家解释，在由两种金属组成的回路中，如果两个接触点之间产生温度差，金属电子的状态会发生变化形成电流。这种热电转换现象即为热电效应。研究人员指出，这一装置可使一辆雪佛兰越野车的燃油利用率提高5，相当于每升燃油多跑0.43km。小型车如果安装这种装置，节油效果会更明显19-21。4.5磁驱动技术一项可以有效降低尾气排放量的新技术近日在天津研
29、发成功，通过了天津市科委组织的专家鉴定。天津市科委有关专家介绍说，这项由天津帅洁科技发展有限公司自主研发的新型机动车尾气净化技术，利用磁性原理及磁驱动技术，改变了燃油的分子结构，使燃油能充分燃烧，形成高燃烧率，使不可燃烧的物质达到可燃烧的程度，增加了发动机的旋转扭力，具体表现为可使发动机尾气排放削减率在60以上，柴油发动机尾气削减率在55以上。专家表示，这项技术不但体现绿色环保功能，还起到了不同程度的节油作用，能使汽油节省29，柴油节省2322-29。5.结语汽车尾气的排放是大气环境污染的一个重要组成部分，有效地控制汽车尾气排放，对改善城市日益恶化的大气质量意义十分重大。防治和减少汽车尾气污染
30、是一个复杂的技术问题和广泛的社会问题，它需要从提高燃油质量、尾气治理、定期保养和维修、研制新型发动机、完善相关政策等诸多方面综合考虑，全面治理。对于汽车的环保问题，应该引起社会各界的重视，也需要社会各界的共同努力。控制汽车尾气污染的对策很多，为了更好地控制污染，改善城市的大气质量，各地区、各城市应结合自身的实际情况，选择合适的控制对策，走综合治理的道路30-34。参考文献1 李琳.汽车尾气与与四种最新控制方法的介绍J.科技信息，2010，(30)：125-125.2 耿永生.汽车尾气污染及控制技术J.环境科学导刊，2010，29(6)：62-69.3 吴国正，马丽萍，贺克雕.汽车尾气的污染与防
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