汽车尾气污染及控制对策浅析

朱泉雯， 刘海春

(扬州职业大学, 江苏 扬州　225009)



汽车尾气污染及控制对策浅析

朱泉雯， 刘海春

(扬州职业大学, 江苏 扬州225009)

摘要：随着我国汽车保有量的不断增长,汽车尾气日益成为大气污染的主要源头。本文分析了汽车尾气的几种主要污染物及其对环境带来的危害,并针对这些污染物探讨了相应的控制策略,包括机内净化和机外净化,还提出改变汽车能源结构、大力发展无污染的新型能源车以及切实提高公众的环保意识等解决汽车尾气污染办法。

关键词：汽车尾气;净化;技术

汽车是当今社会的一种重要的交通工具,近年来随着我国大规模城市化的高速发展,对机动车交通的依赖程度大大增加,汽车的数量迅速增加,在给我们生活提供便利的同时,汽车尾气对人类赖以生存环境造成了严重污染。近五年来我国机动车保有量的增长比人口增长快得多[1],截至2014年底,全国机动车保有量达2.64亿辆,其中汽车1.54亿辆,与前年相比,增长5.24%,达历史最高水平。目前汽车保有量继续呈快速增长趋势,这使得汽车尾气成为我国大气污染的重要污染源。

1汽车尾气污染物及其危害

据相关资料显示,目前我国城市空气多数大气污染指标中,机动车尾气的“贡献值”已超过60%。[2]如北京机动车所产生的城市空气污染物排放分别为:NOx占52%,CO占88%,HC占50%,PM10占23%。此外,铅污染也是机动车排放的主要污染之一,约80%-90%的Pb来源于含铅汽油的燃烧。机动车按所使用的燃料的不同大体可分为汽油机和柴油机。对于汽油机而言,NOx、CO和HC是排放的主要污染物;而颗粒物(往往粒径小于1um)是柴油机排放的主要污染物。

1.1　一氧化碳

CO是一种毒性极强、无色、无味的气体,它主要是在燃料不完全燃烧时产生的,在全球范围内,CO的人为源中80%是汽车排放出来的。对人体而言,CO阻碍了血红蛋白对氧的运输,高浓度下,会使人窒息死亡,当然由于外界环境中的气体存在扩散作用,CO的浓度尚达不到这种程度。此外,CO能促进NO氧化成NO2,参与光化学烟雾的反应。CO自身也是一种重要的温室气体,其在大气中的体积分数在所有温室气体中位居第三,且以0.25%的年增长率递增[3]。

1.2　氮氧化物

氮氧化物主要指NO和NO2,城市中的NOx一般有2/3来自汽车等流动燃烧源的排放,它是发动机在一定负荷下工作产生的一种褐色且有臭味的气体,其中NO占90%以上,NO2的数量很少,占0.5%-10%。它们溶于水后生成亚硝酸和硝酸,对肺组织产生强烈的刺激作用[4]。NO同CO等气体一样,也能和血红蛋白结合,并减弱血液的输氧能力。当氮氧化物与HC共存时,在阳光照射下可发生光化学烟雾。

1.3　碳氢化合物

碳氢化合物是大气中的重要污染物,它包括芳香烃、烯烃、烷烃和醛类等共100-200种物质。它是燃料不完全燃烧所排放的,还包括供油系统中燃料的蒸发和滴漏。其中危害性较大的主要是不饱和烃,如甲醛在很低的浓度下就会刺激人体的眼、喉、鼻等,浓度越高危害越大[5]。此外它们是形成光化学烟雾的主要参与者。

1.4　碳烟微粒

碳烟颗粒是由烃类燃料在高温缺氧条件下裂解而形成的黑色烟雾状的颗粒,以柴油发动机排放为主,其排放量约为汽油机的30-80倍,其中PM2.5占大多数[6]。碳烟颗粒能影响大气能见度造成交通事故,同时带有少量特殊味道,吸入后使人感到恶心和头晕。另一方面,颗粒物的粒径很小,可以进入呼吸系统,深入人体的肺部,对人体肺部造成危害,其成分也比较复杂,并能吸附空气中的有害物质,如强致癌物苯并芘、金属粉尘、细菌等,危害人体健康[7]。

2汽车尾气污染控制对策

目前主要采用机内净化和机外净化来解决汽车尾气污染。

2.1　机内净化

机内净化主要研究不断提高发动机的燃烧效率,从而减少有害污染物在机内生成。主要措施是优化燃烧器系统、改善点火系统、提高燃烧过程的压缩比、引入废气再循环技术、采用汽油喷射技术、改善燃料供给系统等,这些是发动机技术近30多年来持续进步的主要推动力,应用这些技术已经使得现代的发动机污染物排放比传统发动机减少60%-70%以上,但这些技术不同程度地对汽车的动力性和经济性带来负面影响[8]。

2.2　机外净化

所谓机外净化是在发动机的排气装置中进一步削减污染物排放的技术,通常在汽车尾气排入大气之前,利用一些物理的、化学的技术手段将其转化成为低毒或者无毒的气体,所以也叫尾气排放后处理技术。

2.2.1三效催化剂技术

三效催化法是目前机外净化尾气的最常用的有效方法,它能同时使CO、HC和NOx三种成分都得到高度净化。该技术是通过安装在汽车排气管上的转换器进行尾气净化的,其内部装有催化剂,所用的催化剂从上世纪70年代开始开发,经历了四代变革,目前所用的催化剂是在蜂窝状的惰性载体上负载活性氧化铝,将主活性物质(Pt、Pd和Rh)浸渍其中而制成[9],排气管中的污染物进入转化器后发生氧化还原反应,被转化成为无害物质(CO2、H2O和N2),见图1。由于催化剂一般由贵金属组成,资源较为紧缺,同时价格昂贵,虽然近几年研究用稀土、过渡氧化物催化剂替代贵金属,但目前来看,实际应用还比较有限。

图1　三效催化转化器结构

此法应用广泛,但由于催化剂的表面积是有限的,尾气经过催化剂的时间又很短暂,因此只能净化一定容量的污染物,过大的负荷会使得催化剂失效。另外,该技术的应用需要使用无铅汽油,铅会使得催化剂中毒,大大降低净化效果。同时若汽油中的硫含量较高也会很大程度上影响净化效率。

2.2.2纳米TiO2光催化技术

纳米TiO2光催化技术是在紫外线的照射下,产生大量的活性自由基,将污染物进行催化氧化,使之成为无害的物质,TiO2作为催化剂本身并不直接参与氧化还原的反应,本身的效用不随着时间的推移而减少,净化的持久性长,反应原理见图2。此方法主要将纳米TiO2光催化材料附着在水泥混凝土材料的表面,将其铺成路面,也可以将纳米材料制成油漆或涂料,直接刷在路面上,这样可以将机动车排放出的尾气,迅速转变为对人体无害的物质,从而控制机动车尾气中污染物质的排放[10]。

图2　光催化反应原理

该技术无二次污染、无毒性、能耗小、持久性强,是近年来开发的一项新技术。

2.2.3低温等离子体技术

通过某些手段使发动机排出的尾气等离子化[11],以使其中含有充足的活性氧,并处于激发状态,容易与HC、碳烟粒子、NOx等发生氧化还原反应,进而生成无害的N2、CO2和H2O,达到降低环境污染的目的。目前很多等离子体技术都与三效催化技术联合使用,提高了净化的效率。此外该法也应用于机内净化,使空气等离子化,增强燃油的燃烧率，节约了能源,又大大减少有害气体的生成。

该技术处理净化效果好,无二次污染,能同时净化多种污染物,是目前废气处理领域的一种好方法。

2.2.4尾气发电节油技术

该项技术是近年来西方国家开发的一项新技术,它在汽车排气管上安装一种特殊的电镀金属装置,由于汽车尾气与大气间存在着较大的温度差,会在该装置中产生热电效应[12],进而产生一定的电流,将产生的电流回用到电动机再来驱动汽车,不但降低了尾气的排放而且大大节省燃油。小型车安装这种装置,节油的效果会非常明显。

2.2.5颗粒捕集技术

柴油机发动机排放的污染物中含有大量的微粒,主要通过颗粒捕集器进行过滤净化,捕集器的内部是一些过滤器和收集器,过滤器的孔径极微小,能捕获排气中的细小微粒,一般过滤效果可达60%-90%,然后通过清扫或燃烧的办法去除收集器中的颗粒物,使捕集器再生使用[13]。这是目前对柴油机尾气中颗粒物的有效净化方法。它主要通过对尾气的过滤,利用物理方法捕集颗粒物以控制柴油车尾气颗粒物的排放。此法遇到的最大问题是要如何对颗粒物捕集器进行再生,目前采用的这种燃烧再生技术,再生的能力有待提高,因此该项技术只限于少数特殊的柴油发动机使用。

2.3　其他

当然以上的这些办法可有效减轻汽车尾气中有害物质的排放量,还有最直接有效的办法就是改变汽车能源结构,大力发展无污染的动力能源车,使用清洁燃料,如天然气、液化石油气、二甲醚、醇类燃料、生物柴油、氢气及太阳能[14]。再如采用太阳能、风能等清洁能源发电供电动汽车使用,将不会对空气造成污染,温室气体的排放量几乎为零。另外以燃料电池发电作为驱动力的汽车也是一种新型能源车,它对于环境的影响是最小的,其缺陷在于成本太高。

此外,提高公众的环保意识，建立健全相应的法律体系，大力发展替代燃料技术以及加强无铅汽油的推广使用等措施都能有效治理机动车尾气[15，16]。

3结语

作为大气环境污染的一个重要部分,汽车尾气排放的控制刻不容缓,而对日益恶化的城市空气质量,有效控制汽车尾气的排放,将具有重大的现实意义和社会意义。我国控制汽车尾气污染的工作还处于起步阶段,相关汽车尾气排放标准比较宽松,汽车生产技术和零配件的质量都有待提高,汽车尾气的净化是大气污染防治工作的重点和难点,如何有效地应用先进技术和科学方法已成为全社会共同关注的热点问题。

参考文献：

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[4]SHU Y, SUNG H, QUAN X.Improvement of water-,sulfur dioxide-,and dust-resistance in selective catalytic reduction of NOxwith NH3using a wire-mesh honeycomb catalyst[J].Ind Eng Chem Res,2012(23):7867-7873.

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(责任编辑：杨洁)

A Brief Analysis on Pollution of Auto Exhausts and Its Control Methods

ZHU Quan-wen, LIU Hai-chun

(Yangzhou Polytechnic College, Yangzhou 225009, China)

Abstract:With the increasing of car ownenship in China, the automobile exhaust has increasingly become the main source of air pollution. This paper analyses main pollutants from auto exhaust and the adverse effects on the environment. Meanwhile, it disusses the corresponding strategies to control these pollutants, including in-engine purification and outside purification. In addition, it presents the ultimate solutions to auto exhaust such as changing the automobile energy structure, developing pollution-free new energy vehicles and effectively improving environmental protection awareness of the public.

Key words:auto exhaust; purification; technology

中图分类号:X 511

文献标识码:A

文章编号:1008-3693(2015)04-0052-04

基金项目:扬州市科协软科学研究项目(YZ2015177)。

作者简介：朱泉雯(1982—),女,扬州职业大学资源与环境工程学院讲师,硕士。

收稿日期：2015-10-10