随着各项事业的发展,我国大城市中汽车逐年增加,汽车排气对大气的污染问题，已引起有关方面重视。

    汽车排气中主要含有烃类、CO和NOx有害物质,这些物质是污染城市空气的重要成份。

    解决汽车排气对大气的污染问题,可从两方面进行工作。一方面是改进内燃机的结构和燃烧,使燃料在最有利的条件下燃烧,减少有害物质的排放;另一方面是用催化剂将排气中的有害物质除去。

    本节叙述汽车尾气净化催化剂必须具有的性能、排气净化转化器和催化剂。

    以上各节叙述了来自各种固定发生源的有害物质净化催化剂。已经可以看到,对这些催化剂的性能要求,比一般工业用催化剂的要求要严格的多。然而,用于移动发生源的汽车尾气净化催化剂,又比上述各节叙述的催化剂,要求更加苛刻。所以这样,是由于汽车内燃机的特殊工作条件和工作状况引起的。这些苛刻条件要求催化剂具有下列性能:

    1.催化剂的性能必须适于在内燃机旁安装的各种条件。这和用于固定发生源的催化剂不同,在那里,除催化剂的一般要求外,通常没有其他的要求。

    2.催化剂的性能必须适应于经常的、大幅度的气体流量、组成和温度的变化。而不像固定发生源那样,这些参数通常可以控制在一个比较窄的范围内变化。

    3.催化剂必须具有足够的机械强度,以防由于反应器随汽车行驶的振动和僵化剂忽冷忽热而破醉,致使僵化剂的活性降低和堵塞管路。而不像用于一般固定发生源的固定床那样,通常都是固定不动的。

    4.催化剂必须同时具有在高逼(800~-1000C)和在低温(150~200℃C)的足够话性,而不像用于固定发生源的催化剂那释,通常不必要求僵化剂的话性适应很宽的温度范围。

    5.催化剂的话性要高,用量买少。因而反应器的体积小,重量轻,可以安装在合适的地方。

    6.催化剂必须具有合适的孔隙结构和颗粒结构,以使尾气疏过时的阻力最小。

    7.希望催化剂在除去尾气中的烃类和一氧化碳时,也能除去氧化氮。

    上述条件有不少是互相制约的,要同时满足这些条件,就需要进行大量的实验工作。直到目前为止,在脱除烃类和CO的同时,将NO还原为氮和氛,还在试验研究中。

    当净化催化剂选定以后,净化转化器的设计是一个重要问题。为了使净化转化器适应催化剂性能的要求,并且结构简单,重量轻,价格便宜,因而它有各种不同的设计。

    汽车排气的三类有害物质中,碳氢化合物和一氧化碳气体可用完全燃烧的方法除去,氧化氮则用还原方法除去。因此,如果要净化这三种气体,就需要用两段转化的方法。由于排气中含有还原性气体、碳氢化合物和一氧化碳,所以首先进行还原反应,然后再进行完全燃烧反应。就是说,需要采用两段串联的流程。

    当仅消除排气中的碳氢化合物和一氧化碳时,在原理上可采用第四章中叙述的固定床反应器的形式,详细结构,有各式各样的设计。图11-10为一段转化器的示意图。引入二次空气的目的,是为了使燃饶反应进行完全。当消除排气中的三类有害物质时,可采用两段串联的流程。转化器的装配如图11-11所斤示。由发动机排出的气体送至转化器4,在催化剂存在下,排气中的NOx被其自身含有的CO还原。为了调节转化器4中的温度,由自动调节阀2供应冷空气。从转化器4出来的气体送至转化器5,由空气系3供给足够的空气,以便进行催化完全燃烧反应。为了减少氧化氯的生成,可将一部分净化后的气体循环。

    汽车排气中各种烃类和一氧化碳可用催化完全燃烧变为无害的二氧化碳和水的方法除去,而氧化氨只能用催化还原或分解为氮和氧的方法除去。因此,在排气中存在着未反应的氧的情况下,这三类有害物质的去除,属于两种类型的反应。所以可用两种催化剂分别在不同的反应条件下进行处理,当然,如果能找到合适的催化剂,一次处理则更好。

1.烃类和一氧化碳完全氧化催化剂

    这类催化剂与经类净化催化剂相似。即贵金属和非贵金属氧化物或其尖品石类催化剂。作为例子,对于甲烷氧化活性顺序如下:

Pd>Pt>Co3O4>PdO>Cr2O3>Mn2O3>CuO>CuO2>Fe2O3>V2O5>NiO>Mo2O3>TiO2

    对于其他碳氢化合物和一氧化碳的完全氧化反应,也存在着大体类似的顺序。

    图11-12为无铅汽油完全氧化时某些催化剂的活性比较,其中钯催化剂的活性最高。其余的Pt-Al2O3,MnO2-Co3O4、MnO2-Fe3O4和尖晶石CuCr2O4的活性也很好。

    实际使用的催化剂,通常都是多组份的。美国Cyanamid公司制造的,牌号为Aero-Ban的催化剂,组成和物性如表11-11所示。

    上述催化剂曾进行实车试验。实验时,用六种不同发动机燃料(其中只有一种不含烷基铝),十辆不同汽车,各行驶1200英里。

    从十辆东的试验结果取其平均值。结果表明,排气中经类含量从开始时的118ppm到行本终了为358ppm, CO从0.5%增加到1.3%,并且燃料中含铅量愈高,催化剂由手中毒而活性下降也越快。这种催化剂也不能脱除氧化剂。

    贵金属中铂是常用的伽化活性组份。例如,美国福特汽车公司使用的牌号为PTX的催化剂,据报导为0.15%Pt-A1203。将催化剂载在韩窝状结构的陶密质基体上。

    PTX催化剂如浸渍一定量的铜时,可以大幅度降低反应温度,同时降低CO的氧化活性,见图11-13,但却增强了乙烯氧化反应的抗琉能力。

    用贵金属包复的陶瓷制的蜂窝状载体有许多优点:结实、耐振,强度大,耐热性好和气流阻力小,有实际应用的趋势。但这种载体也有明显的缺点,即比表面小(约0.1米/克), 制成的催化剂活性低。如用高比表面物质,例如氧化铝,在陶瓷表面上包复一层,然后用浸溃法将活性物质载于氧化铝的表面上(当然包括内表面),会大大提高催化剂的活性。

2.氧化氮还原催化剂

    汽车排气中的NOx除用催化剂还原为N2和CO2或H2O外,不宜于用其他方法脱去。由于排气中共存着NOx烃类和co,故可利用气体本身含有还原性气体CO来还原NOx。

    前述的有载体的贵金属催化剂、金属氧化物催化剂和合金備化剂都是有效的。

销一铑蜂窝式载体催化剂低温活性高,耐热性好。也有人建议用钉或依催化剂。这种催化剂中含钉或铱为0.01%,余为Al2O3。

    金属氧化物催化剂多由氧化铜、氧化铁、三氧化二铬、三氧化二锰等两种以上的氧化物载于载体上制成。铅对Cu-A12O3催化剂起促进作用，增加选择性。

    铜合金催化剂近来引起人们注意。这类催化剂统称为蒙乃尔合金催化剂。据报道当Cu-Ni比表面约为0.03米/克,平均孔径约为20u,空速为150000时,在温度高于700℃时,可除去90%以上的与水蒸汽共存的NO,。但这类催化剂在使用中有增加压力降和生成氨的问题。

    有载体的Cu-Ni催化剂,可在很宽的温度范围内,有效的脱除NO,而不生成氨。

    日本宫部等提出的Cu-Ni系催化剂,在600℃可净化排气中N0x98%,同时能净化相当量的CO和烃类。也可用于加铅汽油。

    目前研制以钴的氧化物为主的多组份催化剂,同时除去排气中的烃类、CO和NOx,是一个重要方向。

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