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1.2 汽车尾气排放状况对环境污染的影响
汽车的诞生和发展是现代文明和人类进步的重要标志,但是随着汽车数量不断增加,汽车尾气已经成为空气污染的主要来源之一,对人类的生存环境和身体健康造成了严重的威胁。汽车尾气主要是由一氧化碳(CO)、氮氧化合物NOx)和碳氢化合物(HC)构成,有些还有一定含量的硫、磷和铅等有毒有害的物质。CO与人体的血红蛋白的结合能是氧气的250倍左右,从而阻止血红蛋白向人体组织输送氧气,然后造成慢性中毒。烃类化合物在被吸入人体后会破坏掉人体的造血功能,引起贫血、神经衰弱等一系列症状。NOx会导致呼吸困难、哮喘和呼吸道感染等病症,而在太阳光的作用下,NO2会分解成O2和O继而生成臭氧(O3),并继续与烃类反应造成光化学的二次污染,会对人类的健康造成更加大的危害。同时NOx还是形成酸雨和引起其他气候问题的主要原因。因此,汽车(包括摩托车等的其他机动车)的尾气排放己经成为我国乃至全世界范围内城市经济发展的一个重要环境问题。
为了控制汽车尾气对大气污染的影响,世界各国都在不断制定越来越严格的尾气排放法律法规,美国加州大气资源局所提倡的开展低排放和零排放车辆计划;欧洲经济共同体(欧盟)从2000年1月开始执行欧111标准,2005年1月起执行欧IV标准，我国也早在1987年9月就颁布了“中华人民共和国大气污染防治法”,开始全面提高轻型汽车污染的排放标准。
1.3 汽车尾气净化及稀土催化剂的使用
尾气净化一般分成机内净化和机外净化两大类,机内净化是指通过对汽车的发动机、曲轴箱等进行改进和燃油精制等方法来有效降低有害气体的产生。想在这个方面有大的变革比较困难,而且机内净化只是在减少有害物质生成发生煞用,不能根本上来消除有害气体的排放。而机外净化是通过在尾气排放口安装催化净化装置,使有害物质转化为无害物质,从而达到低排放和零排放的目标。这是目前降低机动车尾气排放最有效的方法,也被世界发达国家所广泛采用。
由电子控制燃油喷射技术(EFI)和三效催化转换器(Twc)所组成的闭环控制系统可以较好地控制排放,是目前尾气净化中的主流技术,而催化剂是其中的核心部分。催化剂是由载体、活性组分以及助催化剂三部分共同组成。
催化净化器的原理是在催化剂作用下把汽车尾气中的CO和HC等有害物质氧化成为CO2和H2O。并将NOX还原为N2。因为汽车尾气的组分非常复杂,且反应体系中温度较高,所以在催化剂上的化学反应也相应非常复杂,主要有以下的一些氧化还原反应。
氧化反应：2CO+O2→2CO2
HC+O2→CO2+H2O
2NO+2CO→2CO2+N2
HC+NO→N2+CO2+H2O
6NO+4NH3→5N2+6H2O
2NH3→N2+3H2
还原反应：2NO+2H2→N2+2H2O
NOx+xCO→l/2N2+xCO2
CO+H2O→CO2+H2
20世纪70年代以前,汽车尾气净化主要是使用三效贵金属催化剂,即是把贵金属(Pt、Pd和Rh)制备成溶液作为活性组分均匀浸入催化剂载体中,这样的催化剂的特点是其催化活性高,净化效果好且催化剂寿命也比较长,但是因为贵金属价格昂贵,使得催化剂成本较高。20世纪70年代初,国外学者开始从事研究钙钛矿型稀土复合氧化物在汽车尾气净化中的作用,并指出稀土催化剂比铂催化剂有更高的活性、高温稳定性、化学稳定性和更长的使用寿命。80年代开始,日本和欧洲开始对催化剂技术进行改进,把稀土元素(主要是Ce)加入催化剂中,从而不仅降低了催化剂成本同时也提高了其催化性能,大大地促进了命土催化剂的应用。20世纪80年代末,汽车尾气净化催化剂的需求量迅速扩张，并逐渐成为稀上用量的最大市场。1995年美国市场汽车尾气净化催化剂的稀土用量(主要是Ce和La的氧化物)己经占到全国稀土总用量的44%,远远高于稀土催化剂在石油裂解中的用量。