尾氣催化凈化基礎(chǔ)化學(xué)研究助柴油車改善"黑大粗"
長期以來，柴油車在人們腦海里留下的都是冒著滾滾黑煙、噪音震天的“黑大粗”形象。盡管和汽油車相比，柴油車更省油，但考慮到環(huán)保問題，目前在我國燒柴油的轎車還非常少，SUV也屈指可數(shù)。柴油車自身存在的問題和政策上的限制讓柴油車成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的弱勢群體。
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在能源日趨緊張的今天，如何解決柴油動力車存在的“黑大粗”問題日益受到關(guān)注。在國家自然科學(xué)基金的持續(xù)資助下，中國石油大學(xué)教授趙震課題組正著手解決柴油車尾氣催化凈化過程中的重要基礎(chǔ)化學(xué)問題，并在這一領(lǐng)域取得不錯(cuò)的成績。
沒有發(fā)揮出的優(yōu)勢
柴油的能量熱效率比汽油車高出15％，所以柴油發(fā)動機(jī)比汽油發(fā)動機(jī)平均省油30％，和汽油車相比，柴油車最大的優(yōu)點(diǎn)是更省油。同時(shí)，柴油機(jī)的壓燃式點(diǎn)火方式，讓它在低轉(zhuǎn)速時(shí)就得到更大動力，非常適合市區(qū)道路和負(fù)重條件下行駛。
柴油的自燃溫度高，為了達(dá)到柴油的自燃溫度，柴油發(fā)動機(jī)需要比汽油發(fā)動機(jī)更高的壓縮比，因此，柴油發(fā)動機(jī)的“勁”一般會比汽油發(fā)動機(jī)的大。也正是因?yàn)?ldquo;勁”大，所以要求各有關(guān)零件具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，所以柴油機(jī)比較笨重，振動噪聲大。柴油車冬季冷車時(shí)啟動困難，它的噴油泵與噴油嘴制造精度要求高，所以生產(chǎn)成本較高，同類型、同配置的柴油車要比汽油車價(jià)格高出不少。目前，新技術(shù)的出現(xiàn)在這方面已有了較大的改進(jìn)，一些柴油轎車和SUV已經(jīng)采用了較為先進(jìn)的噴油系統(tǒng)，這樣會在噪聲控制方面和汽油車更為接近，因此車主不要過于擔(dān)心柴油車的噪聲。
中國環(huán)境新聞工作者協(xié)會秘書長楊明森認(rèn)為，從排放的五個(gè)主要化學(xué)物質(zhì)來看，柴油車二氧化碳排放比汽油車少40%，一氧化碳、二氧化硫、碳?xì)浠衔锏呐欧疟绕蜋C(jī)少10%，但在啟動和怠速時(shí)，顆粒排放物高于汽油機(jī)，然而顆粒物的超標(biāo)排放正是造成環(huán)境污染的大敵，也是環(huán)保部門長期擔(dān)心柴油轎車不能達(dá)到現(xiàn)行環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的最主要因素。
國際上提高柴油環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的努力一直沒有停止過，歐洲國家從1989年開始就越來越多地采用技術(shù)有效解決可能面臨的環(huán)保問題，例如采用尾氣處理器。同時(shí)，為了不斷滿足越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)，高壓共軌噴射系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)、增壓中冷技術(shù)、微粒捕集器、催化凈化裝置應(yīng)運(yùn)而生。雖然柴油機(jī)的排氣后處理技術(shù)比汽油機(jī)困難，但是國外在微顆粒過濾及其再生技術(shù)與氮氧化物催化還原技術(shù)方面，已取得了很大的進(jìn)步，但柴油車尾氣排放所引起的環(huán)境問題仍未完全解決。
何日縛住“黑龍”
“柴油車的排放問題就世界范圍來說現(xiàn)在依然沒有很好地解決。這里面涉及很多基礎(chǔ)科學(xué)問題。比如燃料的問題、機(jī)械方面的問題和后處理的問題。”趙震說，“我們目前正在進(jìn)行一個(gè)柴油車尾氣排放催化凈化的科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目。2007年準(zhǔn)備申請立項(xiàng)時(shí)，環(huán)境催化是科學(xué)基金重點(diǎn)資助的一個(gè)大方向，我們選擇了其中柴油車的問題。”
影響柴油車尾氣排放的因素有三個(gè)：燃料問題、燃燒過程和后處理。燃料中氮的含量、芳烴的含量都會影響后面的排放。如果燃料含硫量大，就會把后面的催化劑活性物質(zhì)覆蓋，很難做到尾氣排放達(dá)標(biāo)。同時(shí)，因?yàn)榭諝庵杏醒鹾偷园l(fā)動機(jī)工作時(shí)，燃料燃燒中不可避免地會產(chǎn)生氧化氮。
“所以燃料再潔凈、后處理過程也是必不可少的。”趙震說，“汽油車尾氣要解決一氧化碳、氧化氮、烴類問題。柴油車除了要解決這些問題外，還有碳黑的問題。柴油車后面冒的黑煙，就是碳顆粒物。我們現(xiàn)在做的四效催化凈化技術(shù)，就是要除掉前面三種，同時(shí)少排放顆粒物。改善燃燒條件。”
汽車尾氣凈化有很多方法，如吸附凈化、催化凈化法等。但目前催化凈化還是主要的凈化技術(shù)，柴油車尾氣的后處理過程就采用催化凈化法。比如，將有毒的一氧化氮、氮氧化物變成無毒的氮?dú)狻⒂卸镜囊谎趸細(xì)怏w轉(zhuǎn)化為無毒的二氧化碳，將烴類充分燃燒變成二氧化碳和水等。
據(jù)介紹，在柴油車尾氣的顆粒物中，有碳、烴類、硅酸鹽等，但主要是碳。目前對付顆粒物的主要手段是過濾，但過濾到一定程度后就會堵塞過濾器，影響發(fā)動機(jī)的工作。所以就要在堵塞前將這些過濾物清除掉，而清除的辦法就是將碳燒掉。在柴油車尾氣的溫度條件下將顆粒燃燒掉并不是件容易的事，因?yàn)橐话悴裼蛙囄矚獾臏囟仍?50K至675K之間。而碳黑顆粒的熱氧化溫度高達(dá)825K至875K。
其本質(zhì)是一個(gè)基礎(chǔ)化學(xué)問題
順著這一思路，該課題組首先要設(shè)計(jì)出一種活性較強(qiáng)的催化劑，即需要氧化活性強(qiáng)的成分。
“這實(shí)際上是一個(gè)化學(xué)的基礎(chǔ)問題，它的本質(zhì)是一個(gè)氧化還原的化學(xué)反應(yīng)。我們需要一種催化活性高的催化劑來降低碳黑顆粒的氧化溫度。這需要設(shè)計(jì)好的催化劑，提高催化劑的效率，這就帶出很多的基礎(chǔ)科學(xué)問題，其中還有很多工作要做。”趙震說，“另外還有一個(gè)問題是顆粒物和催化劑都是固體物質(zhì)，固體物質(zhì)和固體物質(zhì)通常很難反應(yīng)，怎樣解決它的接觸問題也是我們設(shè)計(jì)催化劑時(shí)要考慮的。”
實(shí)驗(yàn)室研究碳黑顆粒和催化劑的接觸有兩種，一種是緊密接觸，另一種是松散接觸。催化劑在松散接觸時(shí)的活性會低于緊密接觸時(shí)的活性。但松散接觸更接近柴油車排氣的實(shí)際條件。
針對這一問題，該課題組在國家自然科學(xué)基金和“863”計(jì)劃的資助下，也找到了一些解決辦法。比如，用提高催化劑粒子的流動性來增加反應(yīng)接觸等。
研究人員先用催化劑將尾氣中的一氧化氮轉(zhuǎn)化為二氧化氮，二氧化氮是氣體，氣體分子很容易和顆粒物接觸。用它來氧化尾氣中的顆粒物——碳黑效果就好多了。
該課題組還在納米催化劑方面取得不錯(cuò)的成績。納米催化劑顆粒小，表面大，容易和顆粒物接觸。同時(shí)納米催化劑自由能高，活動性強(qiáng)。
“我們目前制備了一些納米催化劑，效果確實(shí)很好。我們制備的有單載的（活性成分是納米的，載體不是納米的），后來又制備出一些復(fù)合的（載體和活性成分都是納米的）。我們還做出一些大孔的納米催化劑，以進(jìn)一步提高催化效果。”趙震說，“大的方向雖然清楚了，但還有很多具體科學(xué)問題要解決。目前我們承擔(dān)的‘863’項(xiàng)目也得到了滾動支持，這和我們此前承擔(dān)過一個(gè)科學(xué)基金面上項(xiàng)目，打下良好的基礎(chǔ)關(guān)系很大。非常感謝科學(xué)基金對我們的支持。”
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