汽車(chē)尾氣污染的生成機(jī)理以及治理措施研究進(jìn)展

管錫珺，仇模凱，夏麗佳，張明輝，陳修碩，劉曉茹，唐 振

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033)

0 引言

汽車(chē)作為現(xiàn)代化交通的主要工具，給人們的日常生活帶來(lái)了極大便利，與此同時(shí)，汽車(chē)尾氣排放的污染物，對(duì)大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。調(diào)查報(bào)告顯示，汽車(chē)排放的尾氣占大氣污染源總量50%以上，而且汽車(chē)尾氣排放的污染物中一氧化碳占城市空氣中一氧化碳的90%以上、碳?xì)浠衔镎?0%以上、氮氧化物占30%以上[1]。這些含有高污染物的氣體使人類(lèi)的生存環(huán)境受到極大威脅。而且微生物的傳播、有毒化學(xué)污染物的滲入、大氣的光化學(xué)反應(yīng)以及溫室效應(yīng)等都與尾氣污染有關(guān)[2]。因此控制及治理汽車(chē)尾氣排放污染，已經(jīng)成為目前亟待解決的大問(wèn)題。

1 汽車(chē)尾氣污染的生成機(jī)理和危害

1.1 一氧化碳的生成機(jī)理和危害

在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)汽油的燃燒過(guò)程中，混合氣體在氣缸內(nèi)燃燒不夠充分，從而生成了大量的一氧化碳，這主要是因?yàn)檠鯕夂坎蛔悖瑢?dǎo)致氣缸內(nèi)可燃混合氣濃度過(guò)高(化學(xué)反應(yīng)式如式1)，其空燃比低于理論空燃比14.7。

CmHn+O2→CO+H2。

(1)

一氧化碳是一種無(wú)色無(wú)味的有毒氣體，不易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因而成為大氣成分中比較穩(wěn)定的組成部分，能停留2-3年[3]。當(dāng)人吸入空氣中過(guò)多的一氧化碳后，一氧化碳會(huì)迅速融入血液，與血液中的血紅蛋白結(jié)合，阻礙血液吸收和輸送氧氣，嚴(yán)重時(shí)可致人中毒死亡。

1.2 碳?xì)浠衔锏纳蓹C(jī)理和危害

碳?xì)浠衔锷蓹C(jī)理主要是：一方面，因?yàn)槠?chē)氣缸激冷面作用，氣缸的溫度相對(duì)較低，因此其內(nèi)壁上會(huì)附著一層難以燃燒的混合氣，加上活塞壁與氣缸壁之間的距離過(guò)小，導(dǎo)致混合氣無(wú)法有效燃燒，使得活塞壁與氣缸壁之間的未燃混合氣直接排入大氣；另一方面，當(dāng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，若混合氣的濃度太高或者太低，又或者氣缸內(nèi)存在大量的殘存廢氣，都會(huì)影響火焰的正常傳播或者發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，導(dǎo)致汽車(chē)熄火，產(chǎn)生大量的煙氣，使得碳?xì)浠衔锏呐欧帕吭黾印?/p>

汽車(chē)尾氣產(chǎn)生的碳?xì)浠衔飼?huì)在紫外線強(qiáng)烈照射下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生大量的醛類(lèi)、烴類(lèi)、苯類(lèi)和硝酸酯類(lèi)等性質(zhì)復(fù)雜的化合物。其中烴類(lèi)會(huì)阻礙植物的正常生長(zhǎng)；苯類(lèi)對(duì)人體器官功能和思維能力產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致身體不適、頭疼、無(wú)食欲等，嚴(yán)重時(shí)還可引起血液變化，血小板數(shù)量降低，造成人體凝血功能下降與骨髓功能減弱，增加白血病的發(fā)病率[4]。人的眼、鼻和呼吸黏膜等對(duì)空氣中過(guò)量的碳?xì)浠衔锞哂休^強(qiáng)的敏感性，嚴(yán)重威脅人的身體健康。

1.3 氮氧化物的生成機(jī)理和危害

氮氧化物是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷工作時(shí)產(chǎn)生的一種褐色有臭味的廢氣，汽車(chē)尾氣中的氮氧化物大部分是一氧化氮(96%～98%)，二氧化氮的含量很少。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在工作的過(guò)程中，燃料在氣缸內(nèi)部燃燒，產(chǎn)生高溫，氣缸內(nèi)的氧分子分解為氧原子，氧原子與氮分子在高溫條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一氧化氮和氮原子(化學(xué)反應(yīng)式見(jiàn)式2，式3)，氮原子再與氣缸內(nèi)的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，再次生成一氧化氮，進(jìn)而又導(dǎo)致氣缸內(nèi)的氧氣含量降低，造成不良的循環(huán)(化學(xué)反應(yīng)式見(jiàn)式4)。若在低溫環(huán)境條件下，以上反應(yīng)基本上是向著相反的方向進(jìn)行，導(dǎo)致一氧化氮分解比較緩慢。如果氣缸內(nèi)的溫度突然降低，則一氧化氮不能及時(shí)分解，會(huì)隨著部分混合氣排出，與大氣中的臭氧結(jié)合后，生成毒性較強(qiáng)的二氧化氮[5]。

O2→2O，

(2)

O+N2→NO+N，

(3)

N+O2→NO+O。

(4)

大氣中過(guò)量的氮氧化物被人吸入肺部之后，在肺泡中發(fā)生生化反應(yīng)變?yōu)閬喯跛岷拖跛幔瑢?duì)肺組織產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激和傷害。其中的亞硝酸鹽與人體內(nèi)的血紅蛋白結(jié)合，形成變性血紅蛋白，在一定程度上導(dǎo)致人體組織缺氧。空氣中的氮氧化物會(huì)對(duì)人的身體健康產(chǎn)生不同的傷害，比如刺激咽喉、眼角膜、鼻黏膜，導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)失調(diào)，嚴(yán)重時(shí)使人出現(xiàn)肺氣腫而死亡[6]。此外，酸雨和光化學(xué)煙霧的形成也是由大氣中的氮氧化物所致，含有氮氧化物的酸雨和顆粒沉降到水系中會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化[7]。

1.4 顆粒物的生成機(jī)理和危害

顆粒物主要包括炭煙、油霧等。炭煙是指柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不完全和熄火時(shí)所排出的黑色煙霧，炭煙微粒是肉眼可見(jiàn)的，在空氣中與沙塵和霧氣結(jié)合，嚴(yán)重影響大氣、道路的能見(jiàn)度。炭煙含有一定成分的化學(xué)物質(zhì)，比如帶有特殊臭味的乙醛和烯烴等，如果長(zhǎng)時(shí)間生活在這種環(huán)境中，人過(guò)量吸入后會(huì)感到惡心和頭暈；而由炭煙組成的固體懸浮顆粒物漂浮在空氣中，隨著人們的呼吸進(jìn)入肺部，并以擴(kuò)散、碰撞、沉積等方式滯留在呼吸道的不同部位，引起呼吸系統(tǒng)疾病，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致惡性腫瘤[8]。此外，空氣中的固體懸浮顆粒物還能直接接觸皮膚，阻塞皮膚的汗腺和毛囊，引起皮膚病。油霧含有多環(huán)芳烴、苯系物、烯烴等化學(xué)物質(zhì)，這也是形成光化學(xué)煙霧的前體物之一，主要是在汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中燃油箱正常工作時(shí)和在加油站加油過(guò)程中產(chǎn)生的[9]。而其中的苯系物和烯烴是致癌物質(zhì)，嚴(yán)重危害人體健康。

2 汽車(chē)尾氣污染的治理措施

2.1 控制燃燒

依據(jù)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)有害污染物的形成機(jī)理，通過(guò)改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到降低排放的目的；或者通過(guò)改進(jìn)點(diǎn)火和進(jìn)氣系統(tǒng)，采用電控汽油噴射、電控點(diǎn)火和廢氣再循環(huán)技術(shù)等[10]，達(dá)到控制燃燒，減少或抑制污染物生成的目的。

噴油器的質(zhì)量得到改善，通過(guò)控制燃燒條件(空燃比、燃燒溫度、燃燒時(shí)間等)，可使油缸內(nèi)的燃料燃燒完全，一氧化碳、碳?xì)浠衔锛懊簾煹呐欧艜?huì)進(jìn)一步減少；或者通過(guò)調(diào)整噴油泵的供油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率降低，進(jìn)而霧化的燃料有足夠的氧氣進(jìn)行完全燃燒，也可以減少一氧化碳和碳?xì)浠衔锛懊簾煹纳伞?/p>

2.2 尾氣吸收

為了減少汽車(chē)尾氣的排放，科研工作者研發(fā)出了三元催化轉(zhuǎn)化技術(shù)，即當(dāng)高溫的汽車(chē)尾氣通過(guò)三元催化凈化器時(shí)，可將汽車(chē)尾氣排出的一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸锏扔泻怏w通過(guò)化學(xué)作用轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)害的二氧化碳、水和氮?dú)猓瑥亩蛊?chē)尾氣得以?xún)艋痆11]。比如可以利用氧化錳-氧化銅、氧化鉻-氧化鎳-氧化銅等金屬氧化物，在三元催化反應(yīng)器中，將一氧化碳氧化成二氧化碳，碳?xì)浠衔镅趸伤投趸迹趸镞€原為氮?dú)獾龋浠瘜W(xué)反應(yīng)式如式5-8。

HC+O2→CO2+H2O，

(5)

CO+O2→CO2，

(6)

HC+NOx→CO2+H2O+N2，

(7)

CO+NOx→CO2+N2。

(8)

還有一種汽車(chē)尾氣處理方式是對(duì)尾氣進(jìn)行水洗，在尾氣排放口安裝一個(gè)水箱，使汽車(chē)尾氣排出之前通過(guò)水箱，經(jīng)過(guò)過(guò)濾以及蒸汽淋浴，將尾氣中的有毒物質(zhì)粘在碳粒上，使得尾氣中的碳粒膨脹，去除大部分有毒有害物質(zhì)。

2.3 選擇清潔燃油

(1)燃油質(zhì)量是影響汽車(chē)尾氣排放的關(guān)鍵因素，要減少尾氣排放，可以使用綠色燃油或者改進(jìn)燃油品質(zhì)，使油品燃燒時(shí)不產(chǎn)生對(duì)人體和環(huán)境有害的物質(zhì)，或有害物質(zhì)十分微量。通過(guò)在汽油中添加石墨和二硫化鉬等添加劑，不但可以提高氣缸的密封性能，促進(jìn)燃油充分燃燒，而且還可以節(jié)約汽車(chē)燃油，進(jìn)而降低一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸锏呐欧帕浚瑴p少對(duì)大氣環(huán)境的污染。

(2)使用壓縮天然氣(CNG)或液化石油氣燃料。CNG燃料的優(yōu)點(diǎn)之一是熱效率高和清潔無(wú)污染。由于天然氣在氣缸內(nèi)可以同空氣均勻混合，燃料完全燃燒，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率高。天然氣中的辛烷值高達(dá)107以上，抗爆性能非常好，能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)[12]。而且天然氣燃燒過(guò)程中不產(chǎn)生焦油，無(wú)積碳，且燃燒后的產(chǎn)物呈氣態(tài)，無(wú)污染物排放，潤(rùn)滑油不會(huì)被稀釋。

(3)由天然的油脂和甲醇(或乙醇)經(jīng)過(guò)化學(xué)方法加工合成的生物柴油是一種可再生的能源，它對(duì)環(huán)境無(wú)污染，可以直接在柴油機(jī)上使用，或者與柴油以任意比例混合使用。使用生物柴油不但能減少一氧化氮、碳?xì)浠衔锖吞佳趸锏呐欧牛档涂諝馕廴荆疫€是清潔的可再生能源。生產(chǎn)和使用生物柴油對(duì)發(fā)展我國(guó)經(jīng)濟(jì)具有積極的作用，可以減少石油的開(kāi)采和供給，滿(mǎn)足可持續(xù)發(fā)展的要求。

2.4 促進(jìn)高效燃燒

控制汽車(chē)尾氣排放的技術(shù)有很多，但大多數(shù)投資大、見(jiàn)效慢，也不符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的規(guī)律。為了促進(jìn)汽油和柴油的高效燃燒，可以按比例添加適量的燃油催化劑。因?yàn)橐话丬?chē)用燃油中都含有微量的水，而添加適量的燃油催化劑可以把這些水充分細(xì)化和分散，形成數(shù)以萬(wàn)計(jì)的小油包(里面是水)，然后在高溫的作用下，小油包在密封性非常好的燃燒室內(nèi)迅速膨脹汽化發(fā)生“微爆”現(xiàn)象，即二次霧化現(xiàn)象，從而使燃?xì)饣旌细泳鶆颍腿紵映浞滞耆_(dá)到節(jié)約油耗、清除積碳、減少尾氣排放的目的。

研究表明，汽車(chē)尾氣排放過(guò)多的問(wèn)題，90%是因發(fā)動(dòng)機(jī)磨損而引起的。而發(fā)動(dòng)機(jī)磨損會(huì)導(dǎo)致缸筒內(nèi)密封不足、動(dòng)力下降及燒機(jī)油現(xiàn)象，從而增加燃燒室積碳，增加能源消耗，排放出大量汽車(chē)尾氣[13]。可以添加納米微粒潤(rùn)滑添加劑，因?yàn)榧{米微粒潤(rùn)滑添加劑具有特殊的物理化學(xué)性能，在摩擦學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此利用納米微粒尺寸小、活性高的特性將其添加到潤(rùn)滑油中，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)磨損原位修復(fù)，提高燃油效率，從而降低能耗，減少有害氣體的排放。

2.5 嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家燃油標(biāo)準(zhǔn)和汽車(chē)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

采取有效的行政管理手段，加強(qiáng)對(duì)汽車(chē)尾氣污染的管理是非常有必要的，其主要體現(xiàn)在如下方面：①依據(jù)國(guó)家的質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與要求，制定汽油和柴油的標(biāo)準(zhǔn)，不合格燃油不準(zhǔn)出售與使用；②對(duì)未通過(guò)性能檢測(cè)與排氣檢測(cè)的車(chē)輛強(qiáng)制執(zhí)行報(bào)廢制度。

2.6 做好交通建設(shè)與管理

①保障機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)道的暢通；②拓寬道路，合理修建地下通道與立交橋；③擴(kuò)大街道的綠化面積；④采取交通管制措施，有效控制車(chē)流量。

2.7 加強(qiáng)環(huán)保宣傳

加強(qiáng)環(huán)保教育，引導(dǎo)公民樹(shù)立環(huán)保意識(shí)，盡可能選擇綠色出行方式。購(gòu)買(mǎi)汽車(chē)時(shí)，盡量購(gòu)買(mǎi)使用天然氣、乙醇汽油等無(wú)污染或者污染較小的汽車(chē)。教育公民自覺(jué)遵守交通法規(guī)，確保道路的暢通，以減少汽車(chē)尾氣排放污染。

3 汽車(chē)尾氣凈化技術(shù)展望

3.1 磁化凈化技術(shù)

利用磁性原理及磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)，改變汽油和柴油的分子結(jié)構(gòu)，使燃油能夠充分燃燒，提高燃燒率，使不可燃燒的物質(zhì)在高溫的條件下內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而達(dá)到使其完全燃燒的目的，提供更多的熱量，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭力[14]。實(shí)踐證明，利用磁化凈化技術(shù)可使汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放削減60%以上。

3.2 等離子體處理技術(shù)

等離子體是通過(guò)強(qiáng)電離放電產(chǎn)生的，通常利用電暈放電、輝光放電、介電位壘放電、沿面放電或介質(zhì)阻擋放電等產(chǎn)生[15]。而產(chǎn)生的等離子體中含有的大量高能電子、離子、激發(fā)態(tài)粒子，其平均能量高于一般氣體分子分解、分解電離、分解附著等過(guò)程所需的激勵(lì)能量，利用等離子體體系中的活性粒子產(chǎn)生的大量能量強(qiáng)化(催化)氧化還原反應(yīng)，將汽車(chē)尾氣中的有害物質(zhì)通過(guò)氧化、還原或解離從而轉(zhuǎn)化為無(wú)害或低害物質(zhì)，以達(dá)到降低環(huán)境污染的目的。

3.3 納米催化技術(shù)

納米技術(shù)可以制成非常好的催化劑，納米微粒尺寸小，比表面積大，表面原子的活性高，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合，所以納米粒子具有高表面結(jié)合能和很高的化學(xué)活性，作為催化劑材料可顯著提高其吸附和催化性能[16]。納米材料用于汽車(chē)尾氣催化，有極強(qiáng)的氧化還原性能，能夠起到尾氣凈化催化效果。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前汽車(chē)尾氣對(duì)環(huán)境造成的嚴(yán)重污染是非常棘手的問(wèn)題，我國(guó)政府連續(xù)頒布多條法律法規(guī)治理大氣污染，在控制汽車(chē)尾氣排放方面頗有成效。各汽車(chē)生產(chǎn)商積極響應(yīng)政府號(hào)召，進(jìn)行高效、低耗、環(huán)保車(chē)型的研發(fā)，提供高效耐用的尾氣凈化產(chǎn)品。與此同時(shí)，還要繼續(xù)加強(qiáng)宣傳，增強(qiáng)公民節(jié)能減排意識(shí)，自覺(jué)遵守規(guī)章制度，以實(shí)際行動(dòng)為環(huán)境保護(hù)作出貢獻(xiàn)。

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