汽車尾氣凈化催化技術(shù)

汽車尾氣凈化催化技術(shù)概述汽車尾氣的主要成分包括一氧化碳，碳?xì)浠衔?、氮氧化物、硫氧化物、顆粒物、臭氣等，其中CO、HC及NOx是汽車污染控制所涉及的主要大氣污染成分。汽車尾氣凈化技術(shù)主要包括兩個方面：機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈化。機(jī)內(nèi)凈化主要是改善發(fā)動機(jī)燃燒狀況，以降低有害物質(zhì)的生成。如改進(jìn)進(jìn)氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)和燃燒室結(jié)構(gòu)等。機(jī)內(nèi)凈化只能減少有害氣體的生成，而不能除去有害氣體。機(jī)外凈化是在尾氣排出氣缸進(jìn)入大氣之前，利用轉(zhuǎn)化裝置將其中的有害部分轉(zhuǎn)化為無害氣體。尾氣轉(zhuǎn)化裝置包括：1，熱反應(yīng)器。向排氣口噴入新鮮空氣，并加強(qiáng)排氣管保溫，利用尾氣本身的熱量使CO、HC繼續(xù)氧化，轉(zhuǎn)化為無害的CO和HO；2，催化反應(yīng)器。利用催化劑將CO、HC和NOx轉(zhuǎn)化為CO、HO2 2 2 2和N2。汽車尾氣凈化催化劑的研究開始于20世紀(jì)60年代。70年代首先得到應(yīng)用的催化劑主要是以Pt、Pd為活性組分的氧化型催化劑，這種催化劑主要是將尾氣中的CO和HC氧化為CO2何H*。進(jìn)入80年代之后，排放法規(guī)也對NOx的排放進(jìn)行了限量，Pt-Pd催化劑已經(jīng)不能滿足NOx的控制要求。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，貴金屬銠對NOx還原反應(yīng)有很好的催化活性，在原來的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了某些改進(jìn)，引入銠金屬，這就是三效催化劑。1三效催化劑的組成貴金屬三效催化劑由四部分組成：載體、涂層、活性組分和助劑。1.1載體載體主要是用來承載有催化活性的材料。貴金屬三效催化劑載體作用是：提供有效表面和合適孔結(jié)構(gòu)；使催化劑獲得一定的機(jī)械強(qiáng)度；提高催化劑的熱穩(wěn)定性能；與活性組分和助劑作用而形成新化合物；節(jié)省貴金屬的用量，這對貴金屬催化劑是非常重要的。1.2涂層涂層附著于載體的表面，可以提供較大的比表面來附著貴金屬并為其創(chuàng)造的良好催化環(huán)境。涂層漿液物性、pH、粒子大小、固含量及粘度都影響涂層性質(zhì)并間接影響催化活性。由于涂層是附著在載體的表面，所以要求它對載體附著性能要好且附著均勻，比表面大，高溫穩(wěn)定性好。1.3活性組分貴金屬鉑(Pt)、銠(Rh)、鈀(Pd)因其優(yōu)異的三效催化性能而在國內(nèi)外被廣泛用作三效催化劑的活性成分。1.4助劑稀土金屬十分活潑，將其加入催化劑活性組分中，能提高催化劑的抗鉛、硫中毒性能和耐高溫穩(wěn)定性，并能改善催化劑的空燃比工作特性。2、 車用三效催化劑的原理三效催化劑的工作原理是：當(dāng)高溫的汽車尾氣通過凈化裝置時，三元催化器中的凈化劑將增強(qiáng)CO、碳?xì)浠衔锖蚇Ox三種氣體的活性，促使其進(jìn)行一定的氧化-還原化學(xué)反應(yīng)，其中CO在高溫下氧化成為無色、無毒的二氧化碳?xì)怏w；碳?xì)浠衔镌诟邷叵卵趸伤?史0)和二氧化碳；NOx還原成氮?dú)夂脱鯕?。三種有害氣體變成無害氣體，使汽車尾氣得以凈化。氧化反應(yīng)(氧化催化劑):2CO+O2-2CO24HmCn+(m+4n)O2-2mH2O+4nCO2(8n+2m)NO+4HmCn-(4n+m)N2+2mH2O+4nCO2三元反應(yīng)(三效催化劑)：2NO+2CO—N+CO2 24NH+5O-4NO+6HO3 2 23、 三效催化劑的制備三效催化劑制法通常有浸漬法、溶膠一凝膠法和共沉淀法、微乳化技術(shù)等。不同的制備方法在很大程度上影響催化劑性能。下面就幾種主要的方法作如下介紹。3.1浸漬法浸漬法是利用毛細(xì)管作用使溶液被吸附到載體的多孔結(jié)構(gòu)中。摧化劑的制備過程中浸漬和干燥是重要步驟。浸漬法制備的催化劑，活性組分多數(shù)情況下僅僅分布在載體表面上，利用率高、用量少、成本低，適于制備單、雙或多金屬負(fù)載型催化劑。缺點(diǎn)是浸漬法制備催化劑的過程中影響因素較多，其中主要有載體的選擇、浸漬液的配制、浸漬時間、干燥、焙燒、還原等對催化劑的性能均有影響.房師平等以共浸漬法制得的氧化鋁負(fù)載缽錯固溶體為載體，并浸漬貴金屬Pd得到了Pd/CZ/A1203催化劑，該催化劑在老化前后都能表現(xiàn)出良好的三效催化活性，新鮮Pd/CZ/A1203活性與Pd/CZ相當(dāng)。3.2溶膠一凝膠法溶膠一凝膠法是將金屬醇鹽或無機(jī)鹽經(jīng)水解形成溶膠，然后溶膠由其他因素誘導(dǎo)聚成以網(wǎng)狀力式交連的凝膠，.而后再經(jīng)過洗滌、干燥、焙燒等過程制得催化劑。溶膠一凝膠法可以使把金屬微粒均勻地分布并錨定在載體及其他助劑所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，這種結(jié)構(gòu)可以減弱高溫條件下把金屬微粒的活動性，提高其抗燒結(jié)能力，而且具有很高的反應(yīng)活性，具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和較高的抗失活能力。但是該法所制的催化劑中部分金屬把粒徑較大，可能還有部分顆粒被載體包埋，所以催化劑活性比浸漬法制備的催化劑略低一些。3.3共沉淀法將過量的沉淀劑加人混合后的金屬鹽溶液中，使各組分均勻混合沉淀，然后將沉淀物多次洗滌，脫水或烘干得前驅(qū)物，再將前驅(qū)物焙燒即可制的樣品。該法制的的催化劑具有比常規(guī)制備方法更大的比表面積，表現(xiàn)了更好的活性及選擇性:但該法也有缺點(diǎn)，在形成沉淀過程中，沉淀劑的加人可能導(dǎo)致局部濃度過高而產(chǎn)生團(tuán)聚，或由于沉淀的不同順序而導(dǎo)致組成不夠均勻。3.4微乳化技術(shù)微乳化技術(shù)是一種全新的技術(shù)。根據(jù)表面活性劑性質(zhì)和微乳液組成的不同，微乳液可呈現(xiàn)為水包油和油包水兩種類型。微乳化技術(shù)由于反應(yīng)區(qū)被局限于回流反應(yīng)器中，可獲得粒子分布范圍更窄、更加超細(xì)、分布均一的催化活性粒子。浸漬法是常用的催化劑制備方法，但該方法的影響因索較多;溶膠一凝膠法可制得更穩(wěn)定、更均勻、熱穩(wěn)定性較好的三效催化劑;采用共沉淀法制得的催化劑具有較高的活性和選擇性。4、三效催化劑的特點(diǎn)、不足及改進(jìn)措施4.1三效催化劑的特性三效催化劑的特性主要有空燃比特性和起燃溫度特性，介紹如下。三效催化劑的空燃比特性供給發(fā)動機(jī)的空氣與汽油的混合比稱為空燃比，三效催化劑的催化活性在很大程度上與空燃比有關(guān)。三效催化劑要求發(fā)動機(jī)空燃比必須經(jīng)常保持在理論空燃比(14.63±10.25)的范圍內(nèi)工作才能發(fā)揮最大效率，操作窗口越寬，催化劑的三效性能越好.三效催化劑的起燃溫度特性溫度特性指某一有害成分在一定的濃度和空速條件下，凈化率隨溫度的變化情況。起燃溫度是指轉(zhuǎn)化率為50%時的溫度.三效催化劑的起燃特性是三效催化劑性能評價的重要指標(biāo)。起燃溫度越低，說明此三效催化劑的催化性能越好。特別是發(fā)動機(jī)處于冷啟動狀態(tài)時，此時的工作溫度較低，而排放的尾氣較多，只有二效催化劑的起燃溫度較低，才能有效地將尾氣轉(zhuǎn)化.4.2三效催化劑的失活催化劑失活的主要原因是催化劑表面的活性位減少，引起催化活性的卜降。三效催化劑的失活主要類型有:機(jī)械失活、熱失活和化學(xué)失活。機(jī)械失活機(jī)械失活主要是由于汽車在行駛的過程中催化轉(zhuǎn)換器受到?jīng)_擊等機(jī)械作用而引起的催化劑的損壞。目前使用最多的汽車催化劑載體陶瓷蜂窩狀載體也經(jīng)常會發(fā)生失活現(xiàn)象。而金屬蜂窩載體由于具有機(jī)械強(qiáng)度高，防震性能好等優(yōu)點(diǎn)不易發(fā)生機(jī)械失活，仁I其成型工藝較復(fù)雜、附著力較弱、成本較高，阻礙其普遍應(yīng)用.熱失活當(dāng)溫度達(dá)到850°C以上易發(fā)生熱失活現(xiàn)象。緊密藕合催化劑能有效降低冷起動排放，但易引起了催化劑的結(jié)構(gòu)和性能的變化，導(dǎo)致三效催化劑失活。主要現(xiàn)象有貴金屬顆粒燒結(jié)，小的貴金屬微品形成大的品粒;氧化鋁、稀土氧化物、非貴金屬燒結(jié)，使氧化鋁及活性涂層的孔結(jié)構(gòu)遭到破壞，稀土及非貴金屬的助催化效果也大幅降低?；瘜W(xué)失活催化劑的化學(xué)失活主要是化學(xué)中毒，催化劑中毒一方面是毒物占據(jù)催化劑活性位，另一方面是毒物與活性組份、載體或助劑相互反應(yīng)，生成無催化活性的其它物質(zhì)。催化劑的中毒可分為可逆和不可逆的。焦炭的生成是最常見的可逆的失活方式。這種失活可通過去除吸附在催化劑上的碳而恢復(fù)催化劑活性。4.3催化劑的改性為了延長催化劑的使用壽命，科技工作者研究如何對其進(jìn)行改性。目前對三效催化劑改性的研究主要集中于提高其催化活性、水熱穩(wěn)定性和儲放氧能力，一般用堿土金屬、過渡金屬和稀土元素等對其進(jìn)行摻雜或浸漬改性。4.4催化劑的主要問題1，催化轉(zhuǎn)化率不能滿足更苛刻的要求；催化劑易熱失效、中毒失效；催化劑中毒失效可以分為化學(xué)中毒和機(jī)械中毒；4，冷啟動問