柴油车尾气微粒消除的新型催化剂研究

摘要：柴油机尾气排放控制研究是目前内燃机研究领域内的一个重要课题。通过对当前我国柴油车尾气微粒消除研究现状分析，提出了柴油机尾气微粒消除新型催化剂的制备和实验方法研究。

关键词：柴油机车 尾气处理 催化剂

为了满足日益苛刻的汽油车和柴油车的尾气排放标准，世界各国加大了处理汽车尾气的研究力度，其中后处理技术在近些年得到了飞速的发展。在众多的尾气处理中，公认尾气过滤技术是比较实用且成熟的尾气处理技术，其主要技术难点在过滤体的再生和在富氧条件下NOX的消除上。

1.柴油车尾气微粒消除研究现状分析

国内对催化剂的研究能真正达到实用要求的仍是贵金属催化剂，活性成分主要是贵金属Pt和Rh，含量在1.5g/L以上。非贵金属催化剂和低含量贵金属催化剂质量尚未完全过关，因此，迫切需要加强这方面的研究。在柴油机尾气中，炭烟颗粒（PM）和NOX是主要控制对象，并且与汽油机相比，柴油机具有硫化物含量高、氧气浓度通常偏高、排气温度在高温区域和存在粒子状物质等特点，所以，现在通常使用的适合于净化汽车尾气的催化剂并不能满足我们的要求。采用壁流式蜂窝陶瓷作为催化剂的载体，用复合金属氧化物作为催化剂的活性组分，更适合我国使用的柴油车尾气净化催化剂。与汽油机相比，柴油机尾气中的炭烟颗粒的含量比较高。这种炭烟颗粒粘性很大，当它附着在催化剂的表面的时候不容易脱落。当一定量的炭烟颗粒沉积到催化剂表面的时候，很容易覆盖住催化剂的活性位，使催化剂失活。所以，炭烟颗粒的氧化是净化柴油机尾气的最重要的任务。

2.柴油机尾气微粒消除实验研究

2.1.催化剂的制备

试验所用的过滤体为美国 Corning 公司生产的壁流式蜂窝陶瓷，成分为堇青石。以堇青石为主要成分的壁流式蜂窝陶瓷为载体，取一定质量的Ce（NO3）3配成指定浓度的盐溶液。将空白的过滤体浸入该溶液8小时，然后在空气中阴干5小时，接着放入烘箱中在150℃的温度下干燥0.5小时，最后在400℃的温度下焙烧1.5小时。再取一定质量的Cu（NO3）2和Mn（NO3）2配成指定浓度的盐混和溶液。把负载有CeO2的过滤体放入该溶液，用同样的方法浸泡、阴干、干燥和焙烧，最后得到催化剂活性组分含量约为5%～10%的样品，其中Ce、Cu和Mn的含量分别约为1%、5%和2.5%（W）。

2.2.试验方法与条件

利用试验台架对以堇青石为过滤材料的过滤体（上面负载有上述的催化剂）进行再生试验，试验使用一部12马力单缸柴油发动机，在相同的转速负荷下对过滤体进行挂烟，由过滤体在挂烟前后的质量差来计算过滤体积炭量多少，当过滤体的积炭量达到一定值后，对过滤体进行再生。

2.2.1.取两个相同的空白过滤体（未负载催化剂），再使一个过滤体样品上面负载有一定含量的催化剂，记为1号样品，另外一个空白过滤体记为2号样品。两个样品分别挂烟4分钟，然后在相同的条件下进行微波再生试验，用来考察催化剂对炭烟燃烧的催化作用。

2.2.2.取一个负载有催化剂的过滤体3号，挂烟5分钟，然后在微波作用下进行再生试验，考察尾气的基础温度对过滤体的微波再生的影响。

2.2.3.取一个负载有催化剂的过滤体4号，挂烟5分钟，然后在微波作用下进行再生试验，用来考察贫氧对过滤体的微波再生的影响。

2.3.实验结果

负载有催化剂的过滤体和没有负载催化剂的过滤体再生数据对比测试结果见表1，可以看出在微波作用下催化剂对炭烟的燃烧起着很好的催化作用。催化剂不但可以降低炭烟的起燃温度，缩短起燃时间，而且还大幅度的提高再生效率。这样以来，使用催化剂就大大缩短了过滤体再生的时间，节约了近60%的能量，有很高的实用价值。

取3号过滤体进行微波再生实验。加微波40秒钟后，过滤体中心温度达到275℃，这时过滤体表面的炭开始燃烧，可以看到暗红色。再生前后过滤体失重3.0g，再生效率约为80%。从实验现象可以看到，过滤体再生时如果是在有一定基础温度的气体中进行时炭烟燃烧的效果比较好，燃烧的比较平稳，这样对延长过滤体的寿命有好处。通常情况，柴油车尾气都是在150℃以上，这个实验进一步证实了微波加热催化再生系统的可行性。

取4号样品进行微波再生实验。加微波90秒钟后，过滤体表面的碳开始燃烧，可以看到暗红色，之后最高温度可以达到 850℃。再生前后过滤体的失重是 2.7g，再生效率约为 78%。从这个实验可以得出，即使在尾气贫氧（柴油发动机的尾气中氧含量在 5%-15%之间）的情况下，过滤体仍然可以得到再生。

3.结束语

通过对差有车尾气微粒消除催化剂的实验研究，制备的负载有催化剂的过滤体在微波场中可以得到有效的再生。首先，催化剂可以有效地降低炭烟颗粒的起燃点，缩短起燃时间，提高再生效率；其次，在尾气具有一定基础温度的情况下，过滤体的再生可以更平稳地进行，可有效地降低了对过滤体的热冲击；再次，在贫氧的条件下，结合微波作用过滤体也可以得到有效的再生，这就解决了以往微波再生技术的诸多难题，为下一步的实际应用提供了可靠的技术依据。

参考文献：

[1] 贺泓，翁端，资新运.柴油车尾气排放污染控制技术综述.环境科学，2007，28（6）

[2] 刘坚，赵震，徐春明等. Mn1-x（Li Ti）xCO2O4尖晶石型复合氧化物的制备、表征与催化性能.无机化学学报，2005，21（9）

[3] Ming Caibing，Ye Daiqi，Liang Hong.The study of action mechanism of active surface oxygen on exhaust purification catalysts[J].Vehicle Engine，2008，173（1）：14

作者简介：

徐龙华（197912-），男，江西九江人，助理工程师，主要从事共轨上的零件机械加工和发动机尾气排放的研究。

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