朱泉雯， 劉海春

(揚(yáng)州職業(yè)大學(xué), 江蘇 揚(yáng)州　225009)

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汽車尾氣污染及控制對(duì)策淺析

朱泉雯， 劉海春

(揚(yáng)州職業(yè)大學(xué), 江蘇 揚(yáng)州225009)

摘要：隨著我國汽車保有量的不斷增長,汽車尾氣日益成為大氣污染的主要源頭。本文分析了汽車尾氣的幾種主要污染物及其對(duì)環(huán)境帶來的危害,并針對(duì)這些污染物探討了相應(yīng)的控制策略,包括機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈化,還提出改變汽車能源結(jié)構(gòu)、大力發(fā)展無污染的新型能源車以及切實(shí)提高公眾的環(huán)保意識(shí)等解決汽車尾氣污染辦法。

關(guān)鍵詞：汽車尾氣;凈化;技術(shù)

汽車是當(dāng)今社會(huì)的一種重要的交通工具,近年來隨著我國大規(guī)模城市化的高速發(fā)展,對(duì)機(jī)動(dòng)車交通的依賴程度大大增加,汽車的數(shù)量迅速增加,在給我們生活提供便利的同時(shí),汽車尾氣對(duì)人類賴以生存環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。近五年來我國機(jī)動(dòng)車保有量的增長比人口增長快得多[1],截至2014年底,全國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)2.64億輛,其中汽車1.54億輛,與前年相比,增長5.24%,達(dá)歷史最高水平。目前汽車保有量繼續(xù)呈快速增長趨勢(shì),這使得汽車尾氣成為我國大氣污染的重要污染源。

1汽車尾氣污染物及其危害

據(jù)相關(guān)資料顯示,目前我國城市空氣多數(shù)大氣污染指標(biāo)中,機(jī)動(dòng)車尾氣的“貢獻(xiàn)值”已超過60%。[2]如北京機(jī)動(dòng)車所產(chǎn)生的城市空氣污染物排放分別為:NOx占52%,CO占88%,HC占50%,PM10占23%。此外,鉛污染也是機(jī)動(dòng)車排放的主要污染之一,約80%-90%的Pb來源于含鉛汽油的燃燒。機(jī)動(dòng)車按所使用的燃料的不同大體可分為汽油機(jī)和柴油機(jī)。對(duì)于汽油機(jī)而言,NOx、CO和HC是排放的主要污染物;而顆粒物(往往粒徑小于1um)是柴油機(jī)排放的主要污染物。

1.1　一氧化碳

CO是一種毒性極強(qiáng)、無色、無味的氣體,它主要是在燃料不完全燃燒時(shí)產(chǎn)生的,在全球范圍內(nèi),CO的人為源中80%是汽車排放出來的。對(duì)人體而言,CO阻礙了血紅蛋白對(duì)氧的運(yùn)輸,高濃度下,會(huì)使人窒息死亡,當(dāng)然由于外界環(huán)境中的氣體存在擴(kuò)散作用,CO的濃度尚達(dá)不到這種程度。此外,CO能促進(jìn)NO氧化成NO2,參與光化學(xué)煙霧的反應(yīng)。CO自身也是一種重要的溫室氣體,其在大氣中的體積分?jǐn)?shù)在所有溫室氣體中位居第三,且以0.25%的年增長率遞增[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來自汽車等流動(dòng)燃燒源的排放,它是發(fā)動(dòng)機(jī)在一定負(fù)荷下工作產(chǎn)生的一種褐色且有臭味的氣體,其中NO占90%以上,NO2的數(shù)量很少,占0.5%-10%。它們?nèi)苡谒笊蓙喯跛岷拖跛?對(duì)肺組織產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激作用[4]。NO同CO等氣體一樣,也能和血紅蛋白結(jié)合,并減弱血液的輸氧能力。當(dāng)?shù)趸锱cHC共存時(shí),在陽光照射下可發(fā)生光化學(xué)煙霧。

1.3　碳?xì)浠衔?/h2>

碳?xì)浠衔锸谴髿庵械闹匾廴疚?它包括芳香烴、烯烴、烷烴和醛類等共100-200種物質(zhì)。它是燃料不完全燃燒所排放的,還包括供油系統(tǒng)中燃料的蒸發(fā)和滴漏。其中危害性較大的主要是不飽和烴,如甲醛在很低的濃度下就會(huì)刺激人體的眼、喉、鼻等,濃度越高危害越大[5]。此外它們是形成光化學(xué)煙霧的主要參與者。

1.4　碳煙微粒

碳煙顆粒是由烴類燃料在高溫缺氧條件下裂解而形成的黑色煙霧狀的顆粒,以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放為主,其排放量約為汽油機(jī)的30-80倍,其中PM2.5占大多數(shù)[6]。碳煙顆粒能影響大氣能見度造成交通事故,同時(shí)帶有少量特殊味道,吸入后使人感到惡心和頭暈。另一方面,顆粒物的粒徑很小,可以進(jìn)入呼吸系統(tǒng),深入人體的肺部,對(duì)人體肺部造成危害,其成分也比較復(fù)雜,并能吸附空氣中的有害物質(zhì),如強(qiáng)致癌物苯并芘、金屬粉塵、細(xì)菌等,危害人體健康[7]。

2汽車尾氣污染控制對(duì)策

目前主要采用機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈化來解決汽車尾氣污染。

2.1　機(jī)內(nèi)凈化

機(jī)內(nèi)凈化主要研究不斷提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率,從而減少有害污染物在機(jī)內(nèi)生成。主要措施是優(yōu)化燃燒器系統(tǒng)、改善點(diǎn)火系統(tǒng)、提高燃燒過程的壓縮比、引入廢氣再循環(huán)技術(shù)、采用汽油噴射技術(shù)、改善燃料供給系統(tǒng)等,這些是發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)近30多年來持續(xù)進(jìn)步的主要推動(dòng)力,應(yīng)用這些技術(shù)已經(jīng)使得現(xiàn)代的發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)減少60%-70%以上,但這些技術(shù)不同程度地對(duì)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性帶來負(fù)面影響[8]。

2.2　機(jī)外凈化

所謂機(jī)外凈化是在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣裝置中進(jìn)一步削減污染物排放的技術(shù),通常在汽車尾氣排入大氣之前,利用一些物理的、化學(xué)的技術(shù)手段將其轉(zhuǎn)化成為低毒或者無毒的氣體,所以也叫尾氣排放后處理技術(shù)。

2.2.1三效催化劑技術(shù)

三效催化法是目前機(jī)外凈化尾氣的最常用的有效方法,它能同時(shí)使CO、HC和NOx三種成分都得到高度凈化。該技術(shù)是通過安裝在汽車排氣管上的轉(zhuǎn)換器進(jìn)行尾氣凈化的,其內(nèi)部裝有催化劑,所用的催化劑從上世紀(jì)70年代開始開發(fā),經(jīng)歷了四代變革,目前所用的催化劑是在蜂窩狀的惰性載體上負(fù)載活性氧化鋁,將主活性物質(zhì)(Pt、Pd和Rh)浸漬其中而制成[9],排氣管中的污染物進(jìn)入轉(zhuǎn)化器后發(fā)生氧化還原反應(yīng),被轉(zhuǎn)化成為無害物質(zhì)(CO2、H2O和N2),見圖1。由于催化劑一般由貴金屬組成,資源較為緊缺,同時(shí)價(jià)格昂貴,雖然近幾年研究用稀土、過渡氧化物催化劑替代貴金屬,但目前來看,實(shí)際應(yīng)用還比較有限。

圖1　三效催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)

此法應(yīng)用廣泛,但由于催化劑的表面積是有限的,尾氣經(jīng)過催化劑的時(shí)間又很短暫,因此只能凈化一定容量的污染物,過大的負(fù)荷會(huì)使得催化劑失效。另外,該技術(shù)的應(yīng)用需要使用無鉛汽油,鉛會(huì)使得催化劑中毒,大大降低凈化效果。同時(shí)若汽油中的硫含量較高也會(huì)很大程度上影響凈化效率。

2.2.2納米TiO2光催化技術(shù)

納米TiO2光催化技術(shù)是在紫外線的照射下,產(chǎn)生大量的活性自由基,將污染物進(jìn)行催化氧化,使之成為無害的物質(zhì),TiO2作為催化劑本身并不直接參與氧化還原的反應(yīng),本身的效用不隨著時(shí)間的推移而減少,凈化的持久性長,反應(yīng)原理見圖2。此方法主要將納米TiO2光催化材料附著在水泥混凝土材料的表面,將其鋪成路面,也可以將納米材料制成油漆或涂料,直接刷在路面上,這樣可以將機(jī)動(dòng)車排放出的尾氣,迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)人體無害的物質(zhì),從而控制機(jī)動(dòng)車尾氣中污染物質(zhì)的排放[10]。

圖2　光催化反應(yīng)原理

該技術(shù)無二次污染、無毒性、能耗小、持久性強(qiáng),是近年來開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)。

2.2.3低溫等離子體技術(shù)

通過某些手段使發(fā)動(dòng)機(jī)排出的尾氣等離子化[11],以使其中含有充足的活性氧,并處于激發(fā)狀態(tài),容易與HC、碳煙粒子、NOx等發(fā)生氧化還原反應(yīng),進(jìn)而生成無害的N2、CO2和H2O,達(dá)到降低環(huán)境污染的目的。目前很多等離子體技術(shù)都與三效催化技術(shù)聯(lián)合使用,提高了凈化的效率。此外該法也應(yīng)用于機(jī)內(nèi)凈化,使空氣等離子化,增強(qiáng)燃油的燃燒率，節(jié)約了能源,又大大減少有害氣體的生成。

該技術(shù)處理凈化效果好,無二次污染,能同時(shí)凈化多種污染物,是目前廢氣處理領(lǐng)域的一種好方法。

2.2.4尾氣發(fā)電節(jié)油技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)是近年來西方國家開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù),它在汽車排氣管上安裝一種特殊的電鍍金屬裝置,由于汽車尾氣與大氣間存在著較大的溫度差,會(huì)在該裝置中產(chǎn)生熱電效應(yīng)[12],進(jìn)而產(chǎn)生一定的電流,將產(chǎn)生的電流回用到電動(dòng)機(jī)再來驅(qū)動(dòng)汽車,不但降低了尾氣的排放而且大大節(jié)省燃油。小型車安裝這種裝置,節(jié)油的效果會(huì)非常明顯。

2.2.5顆粒捕集技術(shù)

柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的污染物中含有大量的微粒,主要通過顆粒捕集器進(jìn)行過濾凈化,捕集器的內(nèi)部是一些過濾器和收集器,過濾器的孔徑極微小,能捕獲排氣中的細(xì)小微粒,一般過濾效果可達(dá)60%-90%,然后通過清掃或燃燒的辦法去除收集器中的顆粒物,使捕集器再生使用[13]。這是目前對(duì)柴油機(jī)尾氣中顆粒物的有效凈化方法。它主要通過對(duì)尾氣的過濾,利用物理方法捕集顆粒物以控制柴油車尾氣顆粒物的排放。此法遇到的最大問題是要如何對(duì)顆粒物捕集器進(jìn)行再生,目前采用的這種燃燒再生技術(shù),再生的能力有待提高,因此該項(xiàng)技術(shù)只限于少數(shù)特殊的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)使用。

2.3　其他

當(dāng)然以上的這些辦法可有效減輕汽車尾氣中有害物質(zhì)的排放量,還有最直接有效的辦法就是改變汽車能源結(jié)構(gòu),大力發(fā)展無污染的動(dòng)力能源車,使用清潔燃料,如天然氣、液化石油氣、二甲醚、醇類燃料、生物柴油、氫氣及太陽能[14]。再如采用太陽能、風(fēng)能等清潔能源發(fā)電供電動(dòng)汽車使用,將不會(huì)對(duì)空氣造成污染,溫室氣體的排放量幾乎為零。另外以燃料電池發(fā)電作為驅(qū)動(dòng)力的汽車也是一種新型能源車,它對(duì)于環(huán)境的影響是最小的,其缺陷在于成本太高。

此外,提高公眾的環(huán)保意識(shí)，建立健全相應(yīng)的法律體系，大力發(fā)展替代燃料技術(shù)以及加強(qiáng)無鉛汽油的推廣使用等措施都能有效治理機(jī)動(dòng)車尾氣[15，16]。

3結(jié)語

作為大氣環(huán)境污染的一個(gè)重要部分,汽車尾氣排放的控制刻不容緩,而對(duì)日益惡化的城市空氣質(zhì)量,有效控制汽車尾氣的排放,將具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)意義。我國控制汽車尾氣污染的工作還處于起步階段,相關(guān)汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)比較寬松,汽車生產(chǎn)技術(shù)和零配件的質(zhì)量都有待提高,汽車尾氣的凈化是大氣污染防治工作的重點(diǎn)和難點(diǎn),如何有效地應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)和科學(xué)方法已成為全社會(huì)共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

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(責(zé)任編輯：楊潔)

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

中圖分類號(hào):X 511

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1008-3693(2015)04-0052-04

基金項(xiàng)目:揚(yáng)州市科協(xié)軟科學(xué)研究項(xiàng)目(YZ2015177)。

作者簡介：朱泉雯(1982—),女,揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院講師,碩士。

收稿日期：2015-10-10