汽车尾气与防治
关键字:汽车、尾气、污染、二氧化碳、催化剂、燃料、技术、大气、防治、工业、环境、清洁
摘要：汽车作为现代化的交通工具，在给予了人们的生产与生活带来方便的同时，它排放的尾气也给大气环境造成严重污染，对人类的健康造成一定的危害.因此，控制汽车排放污染，加强汽车尾气污染防治技术研究，成为城市环境保护迫在眉睫的工作。
在现代文明的今天，汽车已经成为人类不可缺少的交通运输工具。自从1886年第一辆汽车诞生以来，它给人们的生活和工作带来了极大的便利，并经发展成为近现代物质文明的支柱之一。但是，我们也应该看到，在汽车产业高速发展、汽车产量和保有量不断增加的同时，汽车也带来了大气污染，即汽车尾气污染
所谓尾气污染，主要是指柴油、汽油等机动车燃料因含有添加剂和杂质，在不完全燃烧时，所排出的一些有害物质对环境及人体的污染和破坏。
据研究表明，汽车尾气成分非常复杂，有一百种以上，其主要污染物包括：一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、碳氢化合物（HC）、铅（Pb）、苯并芘（BaP）等，这些污染物不仅污染环境，对人体也有巨大危害。
因为汽车中的CO与血液中的血红蛋白结合的速度比氧气快250倍，所以当人体吸入含有CO的气体时人体血液中的血红蛋白（Hb）便立即同CO结合，生成碳合血红蛋白（COHb），使这部分Hb不能与O2结合生成氧合血红蛋白（O2Hb），而失去输送O2的功能，就会导致人体的各部分组织缺氧，特别是人脑组织和心脏缺氧，所以，即使有微量的一氧化碳吸入，也可能给人造成可怕的缺氧性伤害。由于汽车尾气多排放在1.5米以下，因此儿童吸入的汽车尾气为成人的两倍！
氮氧化物（NOx）的破坏力也很强。汽车排放的主要是NO，但NO在空气中很快被氧化成NO2。NO2是一种毒性很强的腐蚀剂，当空气中的NO2被吸入肺内，就会在肺泡内形成亚硝酸和硝酸，由于这两种酸具有较强的刺激作用，就会增加肺毛细血管的通透性，导致胸闷、咳嗽、气喘甚至肺气肿等症状的疾病。
而碳氢化合物（HC），尽管目前人类还不清楚它对人体健康的直接危害，但HC和NOx在大气环境中受强烈太阳光紫外线照射后，会产生一种复杂的光化学反应，生成一种新的污染物——光化学烟雾。
1943年，在美国加利福尼亚州的洛杉矶市，250万辆汽车每天燃烧掉1100吨汽油。汽油燃烧后产生的碳氢化合物等在太阳紫外光线照射下发生化学反应，形成浅蓝色烟雾，使该市大多市民患了眼红、头疼病。后来人们称这种污染为光化学烟雾。1955年和1970年洛杉矶又两度发生光化学烟雾事件，前者有400多人因五官中毒、呼吸衰竭而死亡，后者使全市四分之三的人患病。且产生的白色烟雾对家畜、水果及橡胶制品和建筑物均有损坏，这就是在历史上被称为“世界八大公害”和“20世纪十大环境公害”之一的洛杉矶光化学烟雾事件。也正是这些事件使人们深刻认识到了汽车尾气的危害性。
汽车用的汽油中，通常加有四乙（基）铅或四甲（基）铅作抗爆剂，这些铅的70%随尾气排入大气。铅在废气中呈微粒状态，随风扩散。农村居民，一般从空气中吸入体内的铅量每天约为一微克；城市居民，尤其是街道两旁的居民会大大超过农村居民。铅进入人体后，主要分布于肝、肾、脾、胆、脑中，以肝、肾中的浓度最高。几周后，铅由以上组织转移到骨骼，以不溶性磷酸铅形式沉积下来。人体内约90％～95％的铅积存于骨骼中，只有少量铅存在于肝、脾等脏器中。骨中的铅一般较稳定，当食物中缺钙或有感染、外伤、饮酒、服用酸碱类药物而破坏了酸碱平衡时，铅便由骨中转移到血液，引起铅中毒的症状。铅中毒的症状表现很广泛，如头晕、头痛、失眠、多梦、记忆力减退、乏力、食欲不振、上腹胀满、恶心、腹泻、便秘、贫血、周围神经炎等；重症中毒者有明显的肝脏损害，会出现黄疸、肝脏肿大、肝功能异常等症状。此外，长期慢性铅中毒者，心脏和肺将受到不同程度的损害，严重者智力下降，注意力不集中、甚至成为呆傻。据我们了解，若儿童铅中毒，不仅智商将降低，还会出现捣乱和过失行为。铅还具有高度的潜在制癌性，其潜伏期长达20-30年。
而对于柴油机排出废气中所含的苯并芘等成分来说，它不但可破坏实验动物的肺组织、引起哮喘等危害，同时也具有致癌性。
因此，汽车尾气污染可总结为以下两点：
1、城市气温急速增高。二氧化碳二氧化硫这些气体被称为温室气体，一旦进入空气中，一方面可产生温室效应，促进气温升高；另一方面破坏地球的保护层———臭氧层，让阳光直接照射地球表面，加速气温升高。
2、危害人体健康。氮氧化物、铅化物进入肺部和血液，极大地损害了呼吸系统，造成各种疾病。
所谓汽车尾气净化就是采取种种有效措施，减少污染物的排放和使排放废气中的CO，HC，NOx分别被氧化或还原，生成无毒的CO2，H2O，N2。为了减少汽车尾气排放，采取的途径主要有两种，一是在不改变燃料种类的情况下采用清洁燃烧技术(即机内净化)与尾气净化技术(即机外净化)；二是采用清洁燃料，利用绿色替代燃料来减少汽车尾气有害物的排放。
1 机内净化技术
机内净化的主要方式是改进发动机的燃烧方法，即利用所谓稀薄燃烧方式来接近理想燃烧方式，以在较好的条件下使混合气体充分燃烧，减少污染物的发生量。其措施有，(1)改进燃烧室结构、改进供油系统、改进进气系统，使燃油燃烧更充分，(2)改进点火系统，如在化油器上设置断油装置和稀混合气体供给装置，采用延迟点火装置和晶体管点火装置等。
2 机外净化技术——催化净化
机内净化技术能减少有害气体的生成，但不能除去已生成的有害气体。通常人们更关注的是机外净化。
2．1三元催化技术
三元催化剂由4个部分组成：载体、高度多孔的活性氧化铝层，活性组分以及助剂。载体在催化剂中的作用是提供有效表面有合适的孔结构，并获得良好机械强度及热稳定性，起活性中心和节省活性组分用量的作用，目前广泛采用的是堇青石蜂窝体。这种类型的载体有一定的机械强度，同时耐高温、耐腐蚀。但是由于是在高温下烧制而成，其比表面积甚小，且与催化剂的有效成分等不易粘结，为此必须在其内外壁上涂敷一层高度多孔的氧化铝层进行修饰。基质堇青石上的活性氧化铝(r－Al2O3)层，厚度约为20μm～40μm，容易与载体粘结，有较大的比表面积，这样就有利于催化剂的有效活性组分在其上负载，且呈高度分散状态。活性组分是指催化中起主要作用的物质如贵金属铂(Pt)、铑(Rh)等，铂主要用来加快CO和HC转变为CO2和H2O，而铑主要用来加快NOx转化为N2。助剂存在于氧化铝层中，可以增强催化剂的热稳定性、稳定贵金属的高度分散状态、提高CO、HC及NOx的转化率等。氧化铈(CeO2)是应用最广泛的稀土氧化物添加剂。
在三元催化剂法效率不断得到提高，但仍有一些问题还没能很好的解决，如空燃比匹配对催化剂催化特性的影响、催化剂失活等。在富氧条件，贵金属催化剂下易于氧化HC和CO，而抑制NOx还原；贫氧条件下，易于还原NOx，但由于没有足够的氧，HC和CO不能被完全氧化。催化剂的性能与运行条件密切相关，高温和催化剂中毒是造成催化剂失活的两个主要原因。另外催化净化器增加了汽车的排气阻力使有效功率下降、汽车刚刚启动时排气温度比较低不能起催化作用等，这些问题都有待于进一步的研究解决。
2．2非平衡等离子体处理技术
目前最具活力的汽车尾气处理技术当数非平衡等离子体技术。非平衡等离子通常采用辉光放电、电晕放电、沿面放电或介质阻挡放电产生。强电离放电所形成的非平衡等离子体中含有的大量高能电子、离子、激发态粒子其平均能量高于一般气体分子分解、分解电离、分解附着等过程所需的激励能量。这些活性粒子和有害分子NOx、CO、CH等相互碰撞使得气体分子键被打开生成一些单原子分子和固体微粒如c等；同时产生大量•OH、•O等自由基。由这些单原子、分子和自由基等组成的活性粒子所引起的化学反应最终将废气中的有害物质变成无害物质。据非平衡等离子体的性质，人们对其在尾气治理上的应用进行了研究探索。
2．3纳米技术
上世纪末随着纳米技术的出现和纳米材料的合成，鉴于纳米材料的特殊性能，科学家对纳米材料在汽车尾气净化中的应用进行探索，并取得了一些成果。有资料表明，纳米技术可以制成非常好的催化剂，其催化效率极高。纳米用于汽车尾气催化，有极强的氧化还原性能，是其他任何汽车尾气净化催化剂所不能比拟的，它在发动机汽车缸里发挥催化作用，使汽车燃烧时不再产生氮氧化物等，根本无需进行尾气净化处理。
3 采用清洁燃料
为了解决由汽车尾气造成的环境污染问题，除开发高效尾气催化净化装置外，开发和采用清洁燃料成为近年来科技工作者关注的课题。
3．1采用符合清洁汽油标准的燃料实践证明，汽油中的铅、苯、芳烃、硫化物和烯烃是影响尾气中有毒有害物质含量的重要因素。例如，当芳烃含量从45％降到20％时，尾气排放中总的有毒物排放降低了28％；汽油中的芳烃含量对尾气中二氧化碳的排放也有直接影响，如把燃料中的芳烃含量从50％减少到20％时，汽车排放中的二氧化碳可减少5％。汽油中的硫化物能明显地降低催化转换器中催化剂的功效，硫同样对加热尾气的氧传感器造成不良影响，降低燃料中的硫含量可使带催化转换器装置汽车的污染物排放明显降低。
3．2采用绿色燃料面对由于燃烧汽油和柴油汽车尾气对大气环境污染越来越严重的状况，各国科学家正积极研究替代或部分替代汽油和柴油的绿色燃料能源。目前所研究的替代燃料主要有天然气、含氧化合物及氢能等。
3．2．1天然气
天然气是一种高辛烷值、高燃烧值、低污染的清洁能源，相对石油来说，储量较为丰富，有人预测21世纪天然气将取代石油成为主要能源。因此是替代汽油、柴油作为汽车燃料的可行选择。
3．2．2含氧化合物作汽车燃料
(1)甲醇燃料。甲醇是一种很有前途的替代燃料，它具有辛烷值高、抗暴性能好、储存运输方便等特点。目前甲醇作燃料包括三种形式：一是用于生产MTBE作汽油添加剂；二是与汽油混合掺烧；三是纯甲醇作燃料。其中MTBE是甲醇作燃料的主要形式。但甲醇也存在十六烷值低，腐蚀性、毒性大，低温启动性差等缺点。
(2)乙醇燃料。乙醇燃料具有辛烷值高、消耗比甲醇低、排污少等优点。也是一种很有前途的替代燃料，目前使用最多的国家是巴西。
(3)氢作为一种热值高、来源广、品质清洁的燃料越来越受到人们的关注。目前氢能研究的热点是制氢技术、储氢技术和氢能应用技术。氢能作为汽车替代燃料的最大应用可能是氢氧燃料电池发电，国外已研制出陶瓷型燃料电池，钙钛矿型氧化物燃料电池、高分子型燃料电池等高效的燃料电池。
随着汽车工业的迅猛发展，防治汽车尾气污染，保护大气环境成为环境工作者刻不容缓的任务。为了我们共同的生存环境，各国科技工作者应携起手来，共同努力，开辟新的技术领域，研究新的汽车尾气治理方法，对汽车尾气进行彻底治理，同时各国政府也应不断加强汽车排污的管理，让我们共同为后代留一方晴朗的天空。
