鄧 莎，周 鍵

（云南省生態(tài)環(huán)境工程評估中心，云南昆明 650032)

1 概述

隨著社會發(fā)展及人們生活質量的提高，我國汽車保有量逐步增加，2013—2018年，我國汽車保有量由12 572.4萬輛增加到23 121.8萬輛，年均增長13%，2018年汽車保有量中新能源車僅占1.1%，汽油車和柴油車占比達到97.8%，汽車尾氣排放污染成為大氣污染的重要來源，同時也給人體健康帶來威脅。

汽車尾氣主要污染物包括一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物、顆粒物（含鉛、炭煙顆粒等）。一氧化碳、炭煙顆粒主要來源于燃料不完全燃燒，碳氫化合物主要來源于燃料未燃燒部分，氮氧化物主要來源于燃料高溫燃燒過程，鉛類主要來源于燃料及潤滑油添加物。為控制汽車尾氣污染排放，打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，需進一步做好汽車尾氣污染控制技術研究。

2 汽車尾氣污染控制技術

汽車尾氣污染控制技術主要分為兩大類。

1）采用清潔燃燒技術進行前端機內(nèi)凈化，減少尾氣污染物的產(chǎn)生量；

2）利用凈化設備對尾氣進行末端機外凈化，減少尾氣污染物的排放量。

2.1 機內(nèi)凈化技術

在不改變?nèi)剂系那闆r下，機內(nèi)凈化主要是通過在前端控制燃燒過程，使燃料接近理想燃燒。主要采取措施如下：

（1）對燃燒室、燃油供給系統(tǒng)和進氣系統(tǒng)進行改進。如升高第一道活塞，減小活塞環(huán)與氣缸壁間的容積，從而減少未燃碳氫化合物的排放；采用電子控制可變定時高效燃油噴射技術，燃油多次噴射，實現(xiàn)柔和燃燒；采用廢氣渦輪增壓與中冷技術，增壓提高進氣溫度、縮短滯燃期，降低一氧化碳和碳氫化合物產(chǎn)生，經(jīng)中冷降低增壓空氣溫度，加大循環(huán)進氣量，從而降低氮氧化物排放；在進氣口內(nèi)設置渦流控制閥，提高充氣效率，進行稀薄燃燒。通過廢氣再循環(huán)技術，引入適量廢氣與新鮮氣一同進入燃燒室，降低發(fā)動機燃燒的最高溫度，同時再循環(huán)的廢氣相應減低了氧的濃度，抑制氮氧化物生成。

（2）點火系統(tǒng)改進。如采用電控點火系統(tǒng)控制以改善發(fā)動機的燃燒過程。

（3）采取機內(nèi)凈化低溫等離子體技術。利用低溫等離子體將空氣中的氧轉化為臭氧，臭氧進入燃燒室時分解為氧負離子，進而提高燃燒反應速率。相關資料表明，使用該技術可以有效節(jié)能20%，降低污染物排放約50%。

2.2 機外凈化技術

在實際運行中，理想燃燒狀態(tài)反應條件很難達到，僅靠機內(nèi)凈化無法高效控制汽車尾氣污染，需要進一步采取機外凈化技術。

2.2.1 催化凈化技術

汽車尾氣催化凈化就是通過在發(fā)動機之后的尾氣排氣系統(tǒng)上安裝催化凈化器進行尾氣污染物凈化。早期催化凈化器多為氧化型，主要以活性氧化鋁、蜂窩陶瓷載體、金屬為載體，以鉑、鈀等貴金屬為活性組分，用以凈化尾氣中的一氧化碳和碳氫化合物等，但該技術的缺點是不能同時凈化氮氧化物。

目前最常用的排氣催化凈化主流技術是可同時凈化尾氣中的一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化物的三效催化技術。三效催化劑主要由載體、高度多孔的氧化鋁層，活性組分以及助劑組成，目前主要是在蜂窩堇青石陶瓷載體或陶瓷載體上負載活性氧化鋁和氧化鈰，噴涂貴金屬銠、鉑和鈀等活性組分作為催化劑，將汽車排放中的一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化物實現(xiàn)同時轉化，使三種污染物排放量大幅降低。由于催化凈化效果受環(huán)境溫度影響較大，高溫催化劑失活，低溫催化效率降低，加上貴金屬成本高且資源少，制約其廣泛應用。

為降低催化成本，許多學者對稀土用于汽車尾氣催化劑中進行了研究。因稀土氧化物對硫化物的轉化作用可提高催化劑的抗中毒能力，可以完全或部分代替貴金屬作為活性組分。據(jù)研究，在催化劑載體涂層氧化鋁中加入稀土氧化物可以抑制氧化鋁向無活性相轉變而提高催化劑熱穩(wěn)定性；摻雜堿金屬K的La0.85K0.15CoO3在414℃條件下對一氧化氮及一氧化碳的催化轉化效率分別達到98%和80.3%；鈣鈦礦型稀土氧化物La0.9Ce0.1NiO3催化劑可同時消除柴油汽車尾氣排放的炭煙、一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化物，在400℃條件下反應2h的炭煙轉化效率可達100%。

2.2.2 納米技術

隨著納米技術的出現(xiàn)，汽車尾氣污染控制開始與納米技術研究結合。

2.2.2.1 納米結構載體催化

研究發(fā)現(xiàn)，將汽車尾氣催化凈化使用蜂窩載體的表面涂層三氧化二鋁制成納米級，增加其比表面積，可以較大提升涂層負載量，改善催化效率和催化穩(wěn)定性，減少貴金屬催化劑和助劑的用量，延長使用壽命。

三維有序大孔材料是一類孔徑大于50nm的材料，三維有序大孔鈣鈦礦LaFeO3催化劑在炭煙顆粒燃燒性能催化方面的研究表明，將催化劑載體設計為三維有序大孔，可降低炭煙顆粒的擴散阻力并提高催化劑的可利用表面積，從而提高活性，改善催化劑與炭煙顆粒的接觸效果。

2.2.2.2 納米稀土催化

納米稀土粒子具有強氧化還原性能，用于三效催化劑中可提高催化轉化率。CeO2是三效催化常用助劑，CeO2微粒增大將導致其上貴金屬微粒增大而降低其貯氧性能，要提高三效催化劑的耐熱性能就必須控制助催化劑納米級組分。將納米La2O3和CeO2用作汽車尾氣凈化劑涂層的添加劑可提高催化活性，溫度降低近40℃即可使CO轉化達到50%。

2.2.2.3 納米貴金屬催化

貴金屬作為催化劑，隨著微粒的增大其催化活性會隨之降低。鉑、鈀及銠等貴金屬構成的三效催化劑中貴金屬顆粒呈超微粒狀且分散在三氧化二鋁上，由于納米級的貴金屬超微粒分布，催化劑才具有很高的催化活性。

將納米級氧化鈀應用到催化劑涂層工藝中，可大幅提升催化劑活性。以納米氧化鈀作為主要催化元素制作氧化劑載體進行整車排放實驗，與傳統(tǒng)催化轉換器相比，納米催化劑在使用較少貴金屬的情況下，催化性能與傳統(tǒng)催化劑相當，在滿足排放要求的同時，整體成本降低了12%～15%。

2.2.3 等離子體技術

低溫等離子技術被廣泛應用于環(huán)境保護領域處理廢氣廢水污染物，也開始用于汽車尾氣污染控制研究。低溫等離子體電子溫度遠高于重粒子，在使反應物分子激發(fā)、離解和電離的同時得以保持反應體系低溫。研究表明，采用高壓超窄脈沖流柱電暈放電等離子體技術可使一氧化碳的氧化脫除率達80%以上。張春潤等結合汽車排氣特征，進行了低溫等離子體汽車排氣凈化模擬實驗研究，在室溫、放電電壓16kV時，低溫等離子體對碳氫化合物凈化率達 96.54%、對一氧化氮凈化率為55.42%。

低溫等離子體技術機外凈化主要是通過反應器將尾氣等離子化，激發(fā)活性原子氧等元素，與一氧化碳、碳氫化合物反應，同時利用尾氣中的碳元素作為還原劑，將氮氧化物生成無害的水、氮氣、二氧化碳。

王迎輝等將低溫等離子體技術與鈣鈦礦型催化劑技術相結合，設計了等離子四效汽車尾氣凈化器，可實現(xiàn)對一氧化氮、碳氫化合物、氮氧化物和炭煙顆粒的同時凈化，并通過發(fā)動機臺架實驗進行了驗證。

低溫等離子體技術對汽車尾氣中的一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物等有顯著去除作用，但實際應用中如何通過控制放電參數(shù)、電子溫度等降低能耗和進一步提高污染物脫除效率，如何適應反應條件變化使系統(tǒng)更加長期可靠運行等，都還需要進一步研究。

2.2.4 微波輔助催化技術

唐軍旺等對常規(guī)模式和微波加熱模式下催化劑反應活性進行比較，微波加熱模式下催化活性基本都高于常規(guī)加熱下的活性，并降低了催化劑起活溫度，對冷啟動階段汽車尾氣凈化意義重大。Yang Zhenming等提出通過微波加熱三效催化劑提高汽車尾氣的催化處理效率，在進氣溫度低、貧燃、富氧、高空速條件下均可獲得較高的凈化效率。但如何將微波輔助與尾氣催化結合形成可產(chǎn)業(yè)化的車載裝置還有待進一步研究。

3 結束語

打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)是打好污染防治攻堅戰(zhàn)的重要一環(huán)。享受汽車帶來的便利同時，要重視汽車尾氣污染的控制。在汽車尾氣治理領域，新技術、新理論更是層出不窮，目前汽車尾氣污染控制技術在以下幾個方面還有待進一步研究發(fā)展：

1）結合我國稀土的資源優(yōu)勢和納米材料特點，開發(fā)成本低、催化效果好的新型催化劑，進一步降低貴金屬用量。

2）將催化凈化、低溫等離子體技術、微波輔助催化、納米技術等多種處理技術相結合，研究開發(fā)新的集成凈化處理技術，降低汽車尾氣污染控制成本，提高汽車尾氣污染控制綜合水平。

3）強化汽車尾氣污染控制技術研究與實際應用的結合，實現(xiàn)汽車尾氣污染控制裝置的車載化，推進實現(xiàn)高效控制技術的產(chǎn)業(yè)化。