催化转化法在大气污染治理中的应用

催化转化法在大气污染治理中的应用
——汽车尾气的催化转化摘要：本文以汽车尾气的催化转化来说明催化转化法在大气污染治理中的运用，
并着重介绍了汽车三元催化转化器的结构、催化原理及工艺流程。

三元催化转化器所运用的催化剂主要是经典的贵金属催化剂，其他催化剂还有分子筛催化剂、稀土催化剂、钙钛矿型催化剂等。

关键词：汽车尾气（CO2,HC,NOx）、三元催化转化器、催化剂
The application of Catalytic Conversion T echnology in air pollution ——the Catalytic Conversion Technology for tail gas of vehicles
Liu Sijing
Department of Environmental Science in BJUT
Abstract: This article discusses the the application of Catalytic Conversion Technology in air pollution via the Catalytic Conversion Technology for tail gas
of vehicles,concentrating on the structure, principle and process of the catalytic converters.The Catalyzer used in the Catalytic Conversion Technology for tail gas of vehicles is Precious Metals catalyst ,and there are other catalysts used such as Perovskite Oxide catalyst,Rare Earth Mental catalyst, the Molecular Sieve catalyst replaced by metal ions.
Key words: Tail gas of vehicles、Catalyzer converter、Catalyzer
前言：
净化大气污染的主要任务是控制汽车尾气的排放，而其中开发新型高效的净化汽车尾气催化剂，安装汽车尾气净化装置是一种行之有效的方法。

汽车尾气净化属于环境友好技术，是新兴的绿色化学研究的重要领域。

研究开发新型和高效汽车尾气催化剂是绿色化学的核心技术。

因为，催化剂能加快汽车尾气的有害物质转变为无害物质的反应速度，而自身不改变性质或消耗物质，它的高度选择性反应更能净化汽车尾气的主要污染物。

因此，目前全世界都十分关注汽车尾气催化剂的研究与发展。

汽车三元催化器的结构和原理：
三元催化转化器主要由外壳、隔热保护罩、中间段、入口和出口锥段、弹性夹紧材料、防直通密封催化剂等几部份组成，其中催化剂作为三元催化转化器的技术核心包括载体、涂层两部分。

1、壳体
催化器壳体由不锈钢材料制成，为了保证催化剂的反应温度，催化器的壳体
多做成双层结构，为了防止高温辐射，壳体外表面还装有隔热罩。

2、弹性夹紧层
弹性夹紧层一般是膨胀垫片或钢丝网垫，起密封、保温和固定载体的作用，同时可以防止壳体受热变形造成对载体的伤害。

膨胀垫片在第一次受热时体积明显膨胀，而冷却时却只部分收缩，这样就可使壳体与载体之间的缝隙完全涨死，起到优良的密封和固定作用。

3、载体
基本材料为陶瓷(Mg02,03Al2,SiO2)，也有少数采用金属材料为载体的三元催化转化器。

载体使用的目的是提供承载催化剂涂层的惰性物理结构。

为了在较小的体积内有较大的催化表面，载体表面制成蜂窝状。

4、涂层
在载体表面涂敷有一层极松散的活性层，它以金属氧化物，γ-AL03为主。

由于表面十分粗糙，这使壁面的实际面积增大了约7000倍，大大的增加了三元催化转化器催化转化器的活性表面和储存氧的能力。

在活性层外部涂敷有含锆Zr 和铈Ce等元素的助催剂，含有铑Rh,钯Pd，铂Pt等贵金属的主催化剂。

三元催化转化器的工作原理:
发动机尾气中主要的三种污染物为CO2,HC,NOx,。

三元催化转化器的作用就是利用转化器上的重金属作催化剂，使CO2,HC,NOx,O2各气体间相互之间发生氧化与还原的化学反应，生成N2，C02,H2O等无害气体。

1、反应的三个步骤:
（1）外部物质交换阶段；（2）微孔扩散阶段；（3）氧化反应阶段
主要反应步骤：
（1）CO和O2扩散进入多孔的催化剂活性涂层；
（2）O2吸附在催化剂活性位上，然后分解成O原子；
（3）CO与O2原子发生化学反应生成CO2；
（4）CO2再脱附回到尾气流中；
（5）NO x分子扩散进入活性涂层，并化学吸附在活性位上；
（6）N—O键断裂形成N原子和O原子；
（7）二个N原子结合成N2,脱附；O原子停留在催化剂上；
（8）CO分子与O原子结合成CO2，脱附；
（9）反应循环往复。

三效催化转化器的主要化学反应：
（1）CO和碳氢化合物的氧化反应
CO + 1/202——CO2
CO + H2O——CO2 + H2
C m H n + (m+n/4)O2——mCO2 + N/2H20
（2）NO x的还原反应：
CO + NO——1/2N2 + CO2
H2 + NO——1/2N2 + H20
CmHn + 2(m+n/4)NO——(m+n/4)N2 + n/2H2O + mCO2
（3）其它反应：
H2 + 1/2O2——1/2H2O;
5/2 H2 + NO——NH3 + H2O
其中，氨的形成是不希望的，应通过催化材料的合理选择，加以避免。

催化剂：
1、贵金属催化剂：
尾气中的CO和CH采取催化燃烧，通过多余空气将其氧化除去，一般采用载体型的贵金属铂或铂—钯催化剂，经典的三效催化剂Pt—Rh/CeO2—γAl2O3在氧化CO和CH同时将NOx还原除去。

2、分子筛催化剂
Cu-ZSM-5 是典型的金属离子置换后的分子筛催化剂。

由于NO在Cu一ZSM-5
上可以被选择性地还原为N02，且Cu一ZSM-5较传统的催化剂具有更高的活性和更宽的空燃比范围，所以研究者们对这一类型的催化剂开展了新的研究。

研究发现，经该类催化剂催化，NO通常转化成N2或N2O,HC则被转化为H2O和CO或C02，同时，过量的O2会对反应起促进作用。

3、稀土催化剂
为了提高催化剂的机械强度、热稳定性、活性以及抗硫抗铅的能力，学者们又研究了把稀土元素添加到钙钦矿型催化剂中。

此时，在ABO3结构中，A位一般被稀土金属离子取代，B位一般被过渡金属离子取代。

4、钙钛矿型催化剂
一直以来在汽车尾气净化催化研究中都认为最有效的催化剂是以贵金属的
为活性组分的催化剂。

但由于缺乏资源，高价格和高温易烧结、挥发等问题的存在，使得贵金属催化剂难以进一步推广使用。

钙钛型催化剂能克服这方面的缺点，故日渐受到研究者的关注。

钙钛型催化剂的化学式一般以ABO3表示。

工艺流程：
以下为汽车内三元催化转化器的工作流程图。

结论：
汽车尾气催化转化器是利用尾气中残余的氧和排气温度，在催化剂表面进行氧化还原反应，使有害物质CO、HC和NOx等加快化学反应速度，转变成CO2、H2O 和N2,从而减少废气对环境的污染。

鉴于各国对汽车排放法规限制越来越严格，人们对汽车尾气排放物的控制进行了深入的研究。

由于发动机工作的特殊性，仅仅采用发动机机前处理、机内净化及改进燃烧等措施，已不能满足排放的要求。

三效催化转化器技术作为降低汽车排气污染机外净化的有效措施之一，已经得到越来越广泛的应用。

美国和日本于1978年先后在小轿车上安装了三效催化转化器。

欧盟从1993年1月起，规定所有新车都必须装催化转化器。

新加坡、泰国、韩国、香港、台湾等亚洲国家和地区也都要求新出厂的轿车必须安装催化转化器。

目前全世界已有1亿多辆汽车装有催化转化器，大大降低了汽车排放对大气环境造成的污染。

随着我国汽车保有量的迅速增加和各地方排放法规的日益严格，在今后相当一段时期，催化转化器对尾气净化将发挥重要的作用，并得到迅速发展。

参考文献
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