汽車尾氣污染的生成機理以及治理措施研究進展

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 環(huán)境與市政工程學院，山東 青島 266033)

0 引言

汽車作為現(xiàn)代化交通的主要工具，給人們的日常生活帶來了極大便利，與此同時，汽車尾氣排放的污染物，對大氣環(huán)境造成了嚴重污染。調(diào)查報告顯示，汽車排放的尾氣占大氣污染源總量50%以上，而且汽車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、碳氫化合物占60%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的生存環(huán)境受到極大威脅。而且微生物的傳播、有毒化學污染物的滲入、大氣的光化學反應以及溫室效應等都與尾氣污染有關[2]。因此控制及治理汽車尾氣排放污染，已經(jīng)成為目前亟待解決的大問題。

1 汽車尾氣污染的生成機理和危害

1.1 一氧化碳的生成機理和危害

在汽車發(fā)動機汽油的燃燒過程中，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，這主要是因為氧氣含量不足，導致氣缸內(nèi)可燃混合氣濃度過高(化學反應式如式1)，其空燃比低于理論空燃比14.7。

CmHn+O2→CO+H2。

(1)

一氧化碳是一種無色無味的有毒氣體，不易與其他物質(zhì)發(fā)生反應，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]。當人吸入空氣中過多的一氧化碳后，一氧化碳會迅速融入血液，與血液中的血紅蛋白結合，阻礙血液吸收和輸送氧氣，嚴重時可致人中毒死亡。

1.2 碳氫化合物的生成機理和危害

碳氫化合物生成機理主要是：一方面，因為汽車氣缸激冷面作用，氣缸的溫度相對較低，因此其內(nèi)壁上會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小，導致混合氣無法有效燃燒，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，當汽車發(fā)動機工作時，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，都會影響火焰的正常傳播或者發(fā)動機停轉(zhuǎn)，導致汽車熄火，產(chǎn)生大量的煙氣，使得碳氫化合物的排放量增加。

汽車尾氣產(chǎn)生的碳氫化合物會在紫外線強烈照射下發(fā)生光化學反應，進而產(chǎn)生大量的醛類、烴類、苯類和硝酸酯類等性質(zhì)復雜的化合物。其中烴類會阻礙植物的正常生長；苯類對人體器官功能和思維能力產(chǎn)生干擾，導致身體不適、頭疼、無食欲等，嚴重時還可引起血液變化，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、鼻和呼吸黏膜等對空氣中過量的碳氫化合物具有較強的敏感性，嚴重威脅人的身體健康。

1.3 氮氧化物的生成機理和危害

氮氧化物是汽車發(fā)動機大負荷工作時產(chǎn)生的一種褐色有臭味的廢氣，汽車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。因為發(fā)動機在工作的過程中，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)生化學反應，生成一氧化氮和氮原子(化學反應式見式2，式3)，氮原子再與氣缸內(nèi)的氧氣發(fā)生化學反應，再次生成一氧化氮，進而又導致氣缸內(nèi)的氧氣含量降低，造成不良的循環(huán)(化學反應式見式4)。若在低溫環(huán)境條件下，以上反應基本上是向著相反的方向進行，導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分解，會隨著部分混合氣排出，與大氣中的臭氧結合后，生成毒性較強的二氧化氮[5]。

O2→2O，

(2)

O+N2→NO+N，

(3)

N+O2→NO+O。

(4)

大氣中過量的氮氧化物被人吸入肺部之后，在肺泡中發(fā)生生化反應變?yōu)閬喯跛岷拖跛?，對肺組織產(chǎn)生強烈的刺激和傷害。其中的亞硝酸鹽與人體內(nèi)的血紅蛋白結合，形成變性血紅蛋白，在一定程度上導致人體組織缺氧?？諝庵械牡趸飼θ说纳眢w健康產(chǎn)生不同的傷害，比如刺激咽喉、眼角膜、鼻黏膜，導致呼吸系統(tǒng)失調(diào)，嚴重時使人出現(xiàn)肺氣腫而死亡[6]。此外，酸雨和光化學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造成水體富營養(yǎng)化[7]。

1.4 顆粒物的生成機理和危害

顆粒物主要包括炭煙、油霧等。炭煙是指柴油發(fā)動機燃燒不完全和熄火時所排出的黑色煙霧，炭煙微粒是肉眼可見的，在空氣中與沙塵和霧氣結合，嚴重影響大氣、道路的能見度。炭煙含有一定成分的化學物質(zhì)，比如帶有特殊臭味的乙醛和烯烴等，如果長時間生活在這種環(huán)境中，人過量吸入后會感到惡心和頭暈；而由炭煙組成的固體懸浮顆粒物漂浮在空氣中，隨著人們的呼吸進入肺部，并以擴散、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，嚴重時導致惡性腫瘤[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、烯烴等化學物質(zhì)，這也是形成光化學煙霧的前體物之一，主要是在汽車運行過程中燃油箱正常工作時和在加油站加油過程中產(chǎn)生的[9]。而其中的苯系物和烯烴是致癌物質(zhì)，嚴重危害人體健康。

2 汽車尾氣污染的治理措施

2.1 控制燃燒

依據(jù)汽車發(fā)動機有害污染物的形成機理，通過改進發(fā)動機燃燒室結構，對發(fā)動機的燃燒過程進行優(yōu)化，以達到降低排放的目的；或者通過改進點火和進氣系統(tǒng)，采用電控汽油噴射、電控點火和廢氣再循環(huán)技術等[10]，達到控制燃燒，減少或抑制污染物生成的目的。

噴油器的質(zhì)量得到改善，通過控制燃燒條件(空燃比、燃燒溫度、燃燒時間等)，可使油缸內(nèi)的燃料燃燒完全，一氧化碳、碳氫化合物及煤煙的排放會進一步減少；或者通過調(diào)整噴油泵的供油量，使發(fā)動機的功率降低，進而霧化的燃料有足夠的氧氣進行完全燃燒，也可以減少一氧化碳和碳氫化合物及煤煙的生成。

2.2 尾氣吸收

為了減少汽車尾氣的排放，科研工作者研發(fā)出了三元催化轉(zhuǎn)化技術，即當高溫的汽車尾氣通過三元催化凈化器時，可將汽車尾氣排出的一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化物等有害氣體通過化學作用轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的二氧化碳、水和氮氣，從而使汽車尾氣得以凈化[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，在三元催化反應器中，將一氧化碳氧化成二氧化碳，碳氫化合物氧化成水和二氧化碳，氮氧化物還原為氮氣等，其化學反應式如式5-8。

HC+O2→CO2+H2O，

(5)

CO+O2→CO2，

(6)

HC+NOx→CO2+H2O+N2，

(7)

CO+NOx→CO2+N2。

(8)

還有一種汽車尾氣處理方式是對尾氣進行水洗，在尾氣排放口安裝一個水箱，使汽車尾氣排出之前通過水箱，經(jīng)過過濾以及蒸汽淋浴，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)量是影響汽車尾氣排放的關鍵因素，要減少尾氣排放，可以使用綠色燃油或者改進燃油品質(zhì)，使油品燃燒時不產(chǎn)生對人體和環(huán)境有害的物質(zhì)，或有害物質(zhì)十分微量。通過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，促進燃油充分燃燒，而且還可以節(jié)約汽車燃油，進而降低一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化物的排放量，減少對大氣環(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)點之一是熱效率高和清潔無污染。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)動機的熱效率高。天然氣中的辛烷值高達107以上，抗爆性能非常好，能提高發(fā)動機的熱效率，使發(fā)動機運轉(zhuǎn)更平穩(wěn)[12]。而且天然氣燃燒過程中不產(chǎn)生焦油，無積碳，且燃燒后的產(chǎn)物呈氣態(tài)，無污染物排放，潤滑油不會被稀釋。

(3)由天然的油脂和甲醇(或乙醇)經(jīng)過化學方法加工合成的生物柴油是一種可再生的能源，它對環(huán)境無污染，可以直接在柴油機上使用，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、碳氫化合物和碳氧化物的排放，降低空氣污染，而且還是清潔的可再生能源。生產(chǎn)和使用生物柴油對發(fā)展我國經(jīng)濟具有積極的作用，可以減少石油的開采和供給，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。

2.4 促進高效燃燒

控制汽車尾氣排放的技術有很多，但大多數(shù)投資大、見效慢，也不符合循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的規(guī)律。為了促進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。因為一般車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化和分散，形成數(shù)以萬計的小油包(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，從而使燃氣混合更加均勻，汽油燃燒更加充分完全，達到節(jié)約油耗、清除積碳、減少尾氣排放的目的。

研究表明，汽車尾氣排放過多的問題，90%是因發(fā)動機磨損而引起的。而發(fā)動機磨損會導致缸筒內(nèi)密封不足、動力下降及燒機油現(xiàn)象，從而增加燃燒室積碳，增加能源消耗，排放出大量汽車尾氣[13]?？梢蕴砑蛹{米微粒潤滑添加劑，因為納米微粒潤滑添加劑具有特殊的物理化學性能，在摩擦學領域表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，因此利用納米微粒尺寸小、活性高的特性將其添加到潤滑油中，可以實現(xiàn)發(fā)動機磨損原位修復，提高燃油效率，從而降低能耗，減少有害氣體的排放。

2.5 嚴格執(zhí)行國家燃油標準和汽車檢測標準

采取有效的行政管理手段，加強對汽車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)國家的質(zhì)量技術標準與要求，制定汽油和柴油的標準，不合格燃油不準出售與使用；②對未通過性能檢測與排氣檢測的車輛強制執(zhí)行報廢制度。

2.6 做好交通建設與管理

①保障機動車車道的暢通；②拓寬道路，合理修建地下通道與立交橋；③擴大街道的綠化面積；④采取交通管制措施，有效控制車流量。

2.7 加強環(huán)保宣傳

加強環(huán)保教育，引導公民樹立環(huán)保意識，盡可能選擇綠色出行方式。購買汽車時，盡量購買使用天然氣、乙醇汽油等無污染或者污染較小的汽車。教育公民自覺遵守交通法規(guī)，確保道路的暢通，以減少汽車尾氣排放污染。

3 汽車尾氣凈化技術展望

3.1 磁化凈化技術

利用磁性原理及磁驅(qū)動技術，改變汽油和柴油的分子結構，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)部分子結構發(fā)生改變，進而達到使其完全燃燒的目的，提供更多的熱量，增加發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)扭力[14]。實踐證明，利用磁化凈化技術可使汽車發(fā)動機尾氣排放削減60%以上。

3.2 等離子體處理技術

等離子體是通過強電離放電產(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、分解附著等過程所需的激勵能量，利用等離子體體系中的活性粒子產(chǎn)生的大量能量強化(催化)氧化還原反應，將汽車尾氣中的有害物質(zhì)通過氧化、還原或解離從而轉(zhuǎn)化為無害或低害物質(zhì)，以達到降低環(huán)境污染的目的。

3.3 納米催化技術

納米技術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合，所以納米粒子具有高表面結合能和很高的化學活性，作為催化劑材料可顯著提高其吸附和催化性能[16]。納米材料用于汽車尾氣催化，有極強的氧化還原性能，能夠起到尾氣凈化催化效果。

4 結語

當前汽車尾氣對環(huán)境造成的嚴重污染是非常棘手的問題，我國政府連續(xù)頒布多條法律法規(guī)治理大氣污染，在控制汽車尾氣排放方面頗有成效。各汽車生產(chǎn)商積極響應政府號召，進行高效、低耗、環(huán)保車型的研發(fā)，提供高效耐用的尾氣凈化產(chǎn)品。與此同時，還要繼續(xù)加強宣傳，增強公民節(jié)能減排意識，自覺遵守規(guī)章制度，以實際行動為環(huán)境保護作出貢獻。

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