柴油机尾气危害与化学方法处理初探

买买提明·卡地尔 阿塔吾拉·吐逊

(和田师范专科学校理学院，新疆 和田 848000)

柴油机具有高热效率、大功率等特点，有着良好的经济性和可靠性，在农业机械、工程机械等领域得到了广泛的应用，如装载机、挖掘机、推土机、小中大型拖拉机等都是以柴油机作为动力。在这些机器工作的场合，由于工程机械和运输车辆来往比较频繁，加之通风条件的限制，机械排放的有害气体严重超标且会弥漫于整个工作场所，极大地危害了施工人员的身体健康和施工的正常进行，因此，对柴油机排放的尾气进行控制和净化具有十分重要的意义。

进入21世纪，汽车污染日益成为全球性问题。随着汽车数量越来越多、使用范围越来越广，它对环境产生的负面效应也越来越大，尾气排放已成为城市空气的第一大污染源，同时也是增长最快的温室气体排放源。另外，汽车尾气排放中主要包含的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物等有害气体会严重影响人体健康。其中，一氧化碳与人体血液中的血红蛋白结合速度比氧气快250倍。即使仅吸入微量一氧化碳，也可能给人造成缺氧性伤害。轻者眩晕、头疼，重者脑细胞受到永久性损伤。由于汽车尾气多排放在1.5米以下，儿童吸入量一般是成人的两倍左右，对儿童健康损害尤为严重。特别是北京、广州、上海等大城市，大气中氮氧化物的浓度严重超标，北京和广州氮氧化物空气污染指数已达四级，已成为大气环境中首要的污染因子，这与机动车数量的急剧增长密切相关。汽车排放的铅对大气污染的分担率达到80－90%。从1986－1995年10年间，我国累计约有1500吨铅排入到大气、水体等自然环境中，并且主要集中在大城市，对城市居民的身体健康造成不良影响。下面对燃料燃烧中产生的主要危害尾气污染物进行简单介绍:

一、燃料燃烧中产生的危害尾气的性质和影响

柴油机排放的废气中包含有气态、液态及固态的污染物。气态污染物中含有 CO、CO2、H2、NOx、SO2、HC、氧化物，有机氮化物及含硫混合物等;液态污染物中含有H2SO4、HC、氧化物等;固态污染物(PM)有碳、金属、无机氧化物等。上述污染物中，最主要的是 CO、CO2、HC、NOx以及固体微粒(PM)。研究表明，微粒的成分主要包括碳烟颗粒(占30%)、可溶碳氢有机物(占35%)、硫及水(占35%)。由于排放的微粒表面积大、吸附力强(吸附有多环芳香烃、苯并花等)且微粒直径小(只有0.01－0.05林 m)、质量轻，故能长时间悬浮在大气中，易被人体吸入并沉积在肺胞中，对人类的健康有极大的危害。

我国已于2000年实施了“压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气污染物限值及测试方法(GB17691－1999)”、“压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆可见污染物限制及测试方法(GB3847－1999)”等排放标准来限制柴油发动机微粒的排放。如何减少柴油发动机排放也成了科研人员研究的热门课题。目前常用的减少柴油机排放的措施有机内净化措施和机外净化措施两种。

第一种，机内净化措施。机内净化措施主要提高燃料质量和改善燃烧在发动机内的燃烧条件，尽可能减少污染物的生成，主要措施有:改进燃烧室结构，改进供油系统，改进进气系统，使燃油燃烧更充分，改进点火系统等。

(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)，使燃料燃烧完全，从而可减少CO、HC和煤烟。

(3)调整喷油泵的供油量，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，从而也可以减少CO、CH和煤烟的生成。

机内净化技术只能减少有害气体的生成量，不能净化已生成的有害气体，效率不高。通常研究中更多关注机外净化技术。

第二种，机外净化措施。机外净化是利用发动机外净化反应装置，在尾气排出气缸进入大气之前，将一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物转化为无害气体的过程。

到目前为止出现的或正在研究的机外净化措施有:

(1)加装氧化催化转化器

柴油机PM后处理技术包括催化氧化和过滤。柴油机加装氧化催化转换器是一种有效的机外净化排气中的可燃气体和可溶性SOF有机组分的常用措施。采取此措施(以铂Pt、钯Pd贵重金属作为催化剂)能使HC、CO减少50%，颗粒PM减少50%～70%，其中的多环芳烃和硝基多环芳烃也有明显减少。但是，氧化催化器的缺点是会将排气中的SO2氧化为SO，生成硫酸雾或固态硫酸盐颗粒，额外增加颗粒物质排放量。美国最近针对新型柴油机进行的一项示范研究表明，当使用S的质量分数为368×10－6的柴油时，催化氧化可使瞬态工况条件下的PM排放降低23%～29%，HC降低52% ～58%若改用S的质量分数为54×10－6的柴油，PM可降低13%。所以，柴油机氧化催化器一般适用于含硫量较低的柴油燃料;并要保证催化剂及载体、发动机运行工况、发动机特性、废气的流速和催化转换器的大小以及废气流入转换器的进口温度等正常，使净化效果达到最佳。

(2)采用微粒捕集器

(3)静电式微粒收集器

(4)电压捕集技术

(5)脉冲电晕等离子体化学处理技术

(6)静电旋风技术

上述的这几个后处理技术有的是成本高，有的尚不实用，有的是目前尚处于理论研究和实验室内的应用，还有的是后处理效率不高。

燃料燃烧中产生危害尾气:一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)，一氧化氮(NO)，二氧化氮生成(NO2)，二氧化硫(SO2)，三氧化硫(SO3)，铅，碳氢化合物，氮氧化合物，等危害物质。其中一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)扩散到空气中后污染空气和土壤，这种氧化物与空气中水蒸气溶解后生成酸性物质。这里讲的氧化物，二氧化碳(CO2)、二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、三氧化硫(SO3)等物质在水中溶解度很大，溶于水后生成酸性化合物(或雨酸、碳酸、硝酸、硫酸)。另外碳氢化合物、氮氧化合物、硫氧化合物等危害物质产生，其中主要多含一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)。氧化合物转化过程用化学反应方程式表示如下。

(8)PbO+KI=PbI2(黄色沉淀)+K2O

在反应中生成的碳酸，硝酸，硫酸是腐蚀性氧化剂物质，下雨后与土壤中金属物质反应生成碳酸盐，硝酸盐，硫酸盐等金属盐。这种盐还能使土壤变为碱性土壤。这些主要是汽车尾气所造成的污染。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。氧化合物进入肺泡后能形成亚硝酸和硝酸钠，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，引起脑损伤。当儿童血中铅浓度达0.6～0.8ppm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。废气中含有150～200种不同的化合物，由于汽车废气的排放主要在0.3米～2米之间，正好是人体的呼吸范围，对人体的健康损害非常严重，其中对人危害最大的有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、及固体悬浮颗粒物。

现在，我们来具体分析一下。一氧化碳是烃燃料燃烧的中间产物，主要是在局部缺氧或低温条件下，由于烃不能完全燃烧而产生，混在内燃机废气中排出。当汽车负重过大、慢速行驶时或空挡运转时，燃料不能充分燃烧，废气中一氧化碳含量会明显增加。氮氧化合物的生成原因主要是高温富氧环境，比如燃烧室积碳等因素。从燃烧过程看，排放的氮氧化物95%以上可能是一氧化氮，其余的是二氧化氮。人受一氧化氮毒害的事例尚未发现，但二氧化氮是一种红棕色呼吸道刺激性气体，气味阈值约为空气质量的1.5倍，对人体影响甚大。由于其在水中溶解度低，不易为上呼吸道吸收而深入下呼吸道和肺部，引发支气管炎、肺水肿等疾病。

(一)碳氢化合物的生成过程与影响

汽车尾气的碳氢化合物来自三种排放源。对一般汽油发动机来说，约60%的碳氢化合物来自内燃机废气排放，20% ～25%来自曲轴箱(PCV系统)的泄漏，其余的15% ～20%来自燃料系统(碳罐)的蒸发。甲烷是窒息性气体，其嗅觉阈值是142.8mg，只有高浓度时才对人体健康造成危害。乙烯、丙烯和乙炔则主要是对植物造成伤害，使路边的树木不能正常生长。苯是无色类似汽油味的气体，可引起食欲不振、体重减轻、易倦、头晕、头痛、呕吐、失眠、粘膜出血等症状，也可引起血液变化，红血球减少，出现贫血，还可导致白血病。汽车尾气排放的醛类以甲醛为主，占60%～70%。甲醛是有刺激性的气体，对眼睛有刺激性作用，也会刺激呼吸道，嗅觉阈值为0.06～1.2mg，高浓度时会引起咳嗽、胸痛、恶心和呕吐。乙醛属低毒性物质，高浓度时有麻醉作用。丙烯醛是一种辛辣刺激性气体，对眼睛和呼吸道有强烈刺激，可引起支气管细胞损害，嗅觉阈值为0.48 ～4.1mg。

(二)含铅燃料燃烧的生成危害物和影响汽车尾气排放的含铅颗粒大部分来自内燃机的废气排放。四乙铅是作为抗爆剂加进汽油中的，一般汽油的含铅量在0.08% ～0.13%之间，四乙铅燃烧后生成氧化铅排出。铅主要作用于神经系统、造血系统、消化系统和肝、肾等器官。铅能抑制血红蛋白的合成代谢过程，还能直接作用于成熟的红细胞。经由呼吸系统进入人体的铅粒，颗粒较大者能吸附于呼吸道的粘液上，混于痰中而吐出;颗粒较小者，便沉积于肺的深部组织，它们几乎全被吸收。铅在人体内各器官中积累到一定程度，会对人的心脏、肺等造成损害，使人贫血，行为呆傻，智力下降，注意力不集中，严重的还可能导致不育症以及高血压。根据进入身体的方式，可以有高达60%的摄入总铅量永久留在人体内，成年人血液中混入0.8mg以上称为铅中毒。

二、危害尾气处理方法

我们研究了利用化学溶剂来净化柴油机排除的废气以减少碳粒的排放的方法。主要内容包括:

1.分析柴油机废弃化学成分及机内生成原理。

柴油机排放的废气中包含有气态、液态及固态的污染物。正确分析废弃化学成分和物理学性质是研究的关键。本研究中拟利用取样化验和利用红外线多功能尾气分析仪分析柴油机排除的废气，获取各工况下排除的废气成分数据。特别针对可见污染物(PM)的成分和量的变化进行深入研究。

2.研究碳粒捕捉方法，配置化学溶剂。

3.用多种化学溶剂进行废气过滤实验，以达到最佳捕捉效果。

4.依据国家标准“汽车柴油机全负荷烟度测量法(HB3847－1993)”，测试过滤后的气体的烟度值作为评价标准比较多种方案。利用碳化合物的物理化学性质，采用机外净化即排气后处理，将柴油机排气引人专门的后处理装置中，减少其中的部分微粒后再排入大气。即用一个过滤罐，罐里倒装相应比例调制的氢氧化钙溶液，先把柴油机排放的尾气排入罐里，然后排入的尾气和氢氧化钙溶液做化学反应生成水和碳酸钙。

其化学反应式:Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O;下面是本研究制定的柴油机尾气处理流程图。(见图1)尾气净化处理装置示意图如下图(图2)所示。

图2.柴油机尾气净化处理装置示意图

根据上述尾气处理工作流程，柴油机尾气污染过滤装置整体上分以下3个部分:

1.过滤箱

用于储存过滤溶液，使溶液与发动机尾气发生化学反应，达到净化尾气的目的。

2.发动机尾气冷却装置

用于冷却发动机尾气，使进入到过滤箱的气体温度达到合适的温度。

3.溶液过滤器

是微孔过滤器，在工作过程中通过循环将溶液里一定大小的杂质过滤下来。水泵将过滤箱内的液体送到到过滤器内，过滤器把它过滤完后再送到原来的过滤箱内。此过程循环进行，从而延迟氢氧化钙饱和溶液效率的有效时间，并且过滤过滤箱内的氢氧化钙饱和溶和二氧化碳做化学反应生成的沉淀物碳酸钙。研究中设计制作成功的柴油机尾气净化处理装置三维组装图如图3所示。

我们研制成功的柴油机尾气净化处理装置有以下优点:

(1)成本低。过滤箱和所使用的化学试剂等价格低，安全，容易制作。

(2)结构简单。没有复杂的机械结构，机构简单，工作可靠。

(3)效率高。处理废弃过程中在过滤罐里发生化学反应产生沉淀物，同时过滤器在水泵的作用下把产生的沉淀物过滤下来，并且延迟氢氧化钙饱和溶液的效率，从而提高过滤效率。

根据实验结果，通过将污染环境的气体加入到我们所准备的回收尾气溶液石灰水(碱性溶液)中，然后通过化学反应生成沉淀或使溶液吸收污染物。这种回收尾气废杂的溶液的作用是先生成沉淀反应，然后发生中性反应，在第三个阶段能起溶解沉淀反应，三个阶段完全溶解沉淀。最后回收尾气溶液完毕。所以回收尾气溶液的工作效率升高(或者处理时间强)。制取完毕后，换用新配制的溶液回收尾气。注意:在这里说废溶液是化肥的主要材料。

№药品名单浓度体积比

1.氢氧化钙饱和溶液 1

2.浓氨水浓 2

3.氢氧化钠饱和 1

4.氢氧化钾饱和 1

5.碘化钾 0.1mol∕L

6.硝酸 6mol∕ L

7.盐酸 6mol∕ L

三、危害尾气回收溶液的化学原理

毒性气体水溶解后生成主要酸是碳酸、硝酸、硫酸等。它们具有以下的化学原理:

反应中先生成碳酸钙沉淀，然后回收尾气，溶液中完成氢氧化钙的碱性作用后回收液的酸性越来越大，生成沉淀开始溶解，这时候能起中和反应如下:

其他盐与氨水反应生成铵盐(NH4NO2，NH4NO3，NH4SO4NH4CO3)等铵盐是化肥的主要成分(组成).

四、汽车尾气处理的重要意义

在汽车中装入我们研制的对汽车尾气排放的净化装置，这个研究主要是把汽车所排放的一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、一氧化氮、二氧化氮、氮氧化合物、二氧化硫、三氧化硫和氧化铅等，先用水蒸气溶解然后再用 Ca(OH)2、NaOH、KOH、NH4OH等进行处理，生成农业中使用的化肥，对农作物有促进生长的作用。种植树木来净化和美化环境，将污染环境的气体加入到我们所准备的石灰水中，实验证明有60%的污染物被回收。将回收的废弃物处理后放入土壤中，它还会在一定的程度上污染土壤，因此我们就将其成分进行了分析，最后把它变成有助于植物生长的化肥，生产出既有益于环境，又有益于农业的绿色产品。比如，所有的燃烧物在燃烧后产生的是二氧化碳和一氧化碳，二氧化碳溶解于水中产生碳酸，这种酸进入土壤后使土壤碱化导致植物枯死。与金属作反应时使其腐蚀。总之它是有害于环境的废物。但经过我们的处理后，可以使其变成有益的有机肥，生产出创造经济效益的产品，同时还能有效的防止环境污染。比如，所有的植物吸收阳光后进行光合作用，通过光合作用吸收空气中的二氧化碳和一氧化碳作为养分，释放出净化的氧气，从而达到提供植物养料和净化空气的双重作用。这个科学规律早已证明植物具有净化空气的作用，所以我们的祖先非常注重绿化庭院，通过植树造林的方法来绿化环境，减少耕地面积，扩大植被面积来保护环境的污染，而如今，随着社会的发展，城市的汽车日益增多，环境也随着汽车的增加而污染严重。在往后的时间里随着科技的发展，汽车的数目会继续增加，而环境的污染也会继续加重，所以通过长时间的钻研，研究出这个装置来净化汽车尾气的污染物、改善空气的污染指数，为人类造就一个比较健康的环境。

［1］将碧如，潘润身编.无机化学实验［M］.高等教育出版社，2003.

［2］王红云，赵连等主编.环境化学［M］.教育部高级高专规划教育，2012.

［3］有机化学实验［M］.全国高等师范专科学校教材高等教育出版社，2001.