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汽车尾气净化催化剂 ——现状与发展 茂名学院院长 王乐夫教授 2005.12.16 汽车带来了现代生活 汽车带来了环境污染 汽车的方便与困扰 　　 　　 汽车是现代生活的工具 汽车是动态污染源 汽车污染必须治理 汽车尾气的危害 HC + NOx ? 光化学烟雾 CO — 可使人窒息的致命性气体 微粒 — 可形成“阴霾”天气 汽车尾气净化的立法 1970年 美国 清洁空气法 1990年 美国 清洁空气法修正案 汽车催化剂的商业化使用 1975年　美国 1986年　日本和欧洲 1993年　中国汽车尾气排放标准 (GB14761-93) 催化剂和汽车的结合是过去30年来多相催化最大的成功 轻型汽车排放标准 (g/km) 机动车排放污染物净化的对象 未燃烧的碳氢化合物(HC)； 部分燃烧产物一氧化碳(CO)； 燃烧时大气中的氮形成的氮氧化物(NOx)； 微粒物质(PM)；(尤其柴油发动机) 对完全燃烧产物二氧化碳(CO2)的关注 汽车尾气组成图 汽车催化剂早期的发展 　将催化剂置于汽车上的决定经历了很长时期的酝酿，这期间要克服一系列障碍： 经济因素方面的：（1）消费者，（2）汽车工业界 ，（3）燃料生产者 ，（环境-经济的概念） 催化剂技术方面的：(1)催化剂能够适应尾气的苛刻环境吗？(2)如果因为铅中毒而不能承受的话，能够不在汽油中使用含铅化合物的抗爆剂吗？(3)如果贱金属由于没有足够的活性或易受硫中毒而失活，因而不能胜任工作的话，有足够的贵金属资源吗？ 早期努力的结果 已通过立法，在汽车燃料中不能使用铅，这是基于它与催化转化器不相容的原因。汽车燃料的辛烷值没有恶化，因为采用了改良的炼制方法，可以补偿除去铅后的影响。 关于不可补救地浪费紧缺自然资源的担忧，很大程度上因可从汽车上使用过的废催化转化器再生贵金属而被减轻。 催化剂的可靠性可与汽车其他组件的可靠性相匹配。这是一个重要的结果，因为政府的规定要求尾气排放控制系统的功效要能保持运行10万英里(卡车运行12万英里)。 影响尾气组成的重要概念------空/燃比 尾气组成之间的反应 典型的主反应： （1）与氧的反应（氧化）： CmHn+(m+0.25n)O2 = mCO2+0.5nH2O CO+0.5O2 = CO2 H2+0.5O2 = H2O 对于化学计量的和贫燃的尾气组成来说，这些反应较易发生。 (2) 与氮氧化物的反应(氧化/还原) CO+NO = 0.5N2+CO2 CmHn+2(m+0.25n)NO = (m+0.25n)N2+0.5nH2O+mCO2 H2+NO = 0.5N2+H2O 这些反应对于化学计量的和富燃的尾气组成较易发生。 （3）对于富燃尾气组成 水煤气变换反应： CO+H2O = CO2+H2 水蒸气重整反应： CmHn+2mH2O = mCO2+(2m+0.5n)H2 可能对消除一氧化碳和烃类有贡献。 典型的副反应（二次排放） （1）与SO2的反应： SO2+0.5O2 = SO3 SO2+3H2 = H2S+2H2O （2）与NO的反应： NO+0.5O2 = NO2 NO+2.5H2 = NH3+H2O 2NO+CO = N2O+CO2 汽车尾气净化催化剂 要选择性地促进所需要的主反应，而防止二次反应的发生，是排放控制系统设计者的技巧。 哪一个主反应对消除一氧化碳、烃类和氮氧化物起作用取决于催化剂配方和催化剂操作条件。 （1）颗粒状催化剂 （2） 颗粒状催化反应器与整体结构催化反应器的优缺点比较 颗粒状催化反应器：尾气的流动是湍流的，传质速率高；中毒元素的沉积较均匀；抗热冲击能力强。但是：压降较高；结构较复杂；催化剂抗磨损能力较差。 整体结构催化反应器：结构紧凑；高体积流速；低背压。 目前，在汽车催化中普遍采用整体结构的催化剂（大多数是陶瓷的，但在某些特殊场合也有金属的）。 整体结构催化剂的构造 整体结构载体-基面涂层-贵金属 贵金属催化剂的主导地位 贵金属：Pt、Rh、Pd 贱金属：Cu、Cr、Fe、Co、Ni 贵金属与贱金属相比： 活性高 分散性好