買買提明·卡地爾 阿塔吾拉·吐遜

(和田師范?？茖W校理學院，新疆 和田 848000)

柴油機具有高熱效率、大功率等特點，有著良好的經(jīng)濟性和可靠性，在農(nóng)業(yè)機械、工程機械等領域得到了廣泛的應用，如裝載機、挖掘機、推土機、小中大型拖拉機等都是以柴油機作為動力。在這些機器工作的場合，由于工程機械和運輸車輛來往比較頻繁，加之通風條件的限制，機械排放的有害氣體嚴重超標且會彌漫于整個工作場所，極大地危害了施工人員的身體健康和施工的正常進行，因此，對柴油機排放的尾氣進行控制和凈化具有十分重要的意義。

進入21世紀，汽車污染日益成為全球性問題。隨著汽車數(shù)量越來越多、使用范圍越來越廣，它對環(huán)境產(chǎn)生的負面效應也越來越大，尾氣排放已成為城市空氣的第一大污染源，同時也是增長最快的溫室氣體排放源。另外，汽車尾氣排放中主要包含的一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物等有害氣體會嚴重影響人體健康。其中，一氧化碳與人體血液中的血紅蛋白結合速度比氧氣快250倍。即使僅吸入微量一氧化碳，也可能給人造成缺氧性傷害。輕者眩暈、頭疼，重者腦細胞受到永久性損傷。由于汽車尾氣多排放在1.5米以下，兒童吸入量一般是成人的兩倍左右，對兒童健康損害尤為嚴重。特別是北京、廣州、上海等大城市，大氣中氮氧化物的濃度嚴重超標，北京和廣州氮氧化物空氣污染指數(shù)已達四級，已成為大氣環(huán)境中首要的污染因子，這與機動車數(shù)量的急劇增長密切相關。汽車排放的鉛對大氣污染的分擔率達到80－90%。從1986－1995年10年間，我國累計約有1500噸鉛排入到大氣、水體等自然環(huán)境中，并且主要集中在大城市，對城市居民的身體健康造成不良影響。下面對燃料燃燒中產(chǎn)生的主要危害尾氣污染物進行簡單介紹:

一、燃料燃燒中產(chǎn)生的危害尾氣的性質和影響

柴油機排放的廢氣中包含有氣態(tài)、液態(tài)及固態(tài)的污染物。氣態(tài)污染物中含有 CO、CO2、H2、NOx、SO2、HC、氧化物，有機氮化物及含硫混合物等;液態(tài)污染物中含有H2SO4、HC、氧化物等;固態(tài)污染物(PM)有碳、金屬、無機氧化物等。上述污染物中，最主要的是 CO、CO2、HC、NOx以及固體微粒(PM)。研究表明，微粒的成分主要包括碳煙顆粒(占30%)、可溶碳氫有機物(占35%)、硫及水(占35%)。由于排放的微粒表面積大、吸附力強(吸附有多環(huán)芳香烴、苯并花等)且微粒直徑小(只有0.01－0.05林 m)、質量輕，故能長時間懸浮在大氣中，易被人體吸入并沉積在肺胞中，對人類的健康有極大的危害。

我國已于2000年實施了“壓燃式發(fā)動機和裝用壓燃式發(fā)動機的車輛排氣污染物限值及測試方法(GB17691－1999)”、“壓燃式發(fā)動機和裝用壓燃式發(fā)動機的車輛可見污染物限制及測試方法(GB3847－1999)”等排放標準來限制柴油發(fā)動機微粒的排放。如何減少柴油發(fā)動機排放也成了科研人員研究的熱門課題。目前常用的減少柴油機排放的措施有機內(nèi)凈化措施和機外凈化措施兩種。

第一種，機內(nèi)凈化措施。機內(nèi)凈化措施主要提高燃料質量和改善燃燒在發(fā)動機內(nèi)的燃燒條件，盡可能減少污染物的生成，主要措施有:改進燃燒室結構，改進供油系統(tǒng)，改進進氣系統(tǒng)，使燃油燃燒更充分，改進點火系統(tǒng)等。

(1)減少噴油提前角。減少噴油提前角，可降低發(fā)動機工作的最高溫度，使NOx的生成量減少。

(2)改善噴油器的質量，控制燃燒條件(燃比、燃燒溫度、燃燒時間)，使燃料燃燒完全，從而可減少CO、HC和煤煙。

(3)調(diào)整噴油泵的供油量，降低發(fā)動機的功率，使霧化的燃料有足夠的氧氣進行完全燃燒，從而也可以減少CO、CH和煤煙的生成。

機內(nèi)凈化技術只能減少有害氣體的生成量，不能凈化已生成的有害氣體，效率不高。通常研究中更多關注機外凈化技術。

第二種，機外凈化措施。機外凈化是利用發(fā)動機外凈化反應裝置，在尾氣排出氣缸進入大氣之前，將一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物轉化為無害氣體的過程。

到目前為止出現(xiàn)的或正在研究的機外凈化措施有:

(1)加裝氧化催化轉化器

柴油機PM后處理技術包括催化氧化和過濾。柴油機加裝氧化催化轉換器是一種有效的機外凈化排氣中的可燃氣體和可溶性SOF有機組分的常用措施。采取此措施(以鉑Pt、鈀Pd貴重金屬作為催化劑)能使HC、CO減少50%，顆粒PM減少50%～70%，其中的多環(huán)芳烴和硝基多環(huán)芳烴也有明顯減少。但是，氧化催化器的缺點是會將排氣中的SO2氧化為SO，生成硫酸霧或固態(tài)硫酸鹽顆粒，額外增加顆粒物質排放量。美國最近針對新型柴油機進行的一項示范研究表明，當使用S的質量分數(shù)為368×10－6的柴油時，催化氧化可使瞬態(tài)工況條件下的PM排放降低23%～29%，HC降低52% ～58%若改用S的質量分數(shù)為54×10－6的柴油，PM可降低13%。所以，柴油機氧化催化器一般適用于含硫量較低的柴油燃料;并要保證催化劑及載體、發(fā)動機運行工況、發(fā)動機特性、廢氣的流速和催化轉換器的大小以及廢氣流入轉換器的進口溫度等正常，使凈化效果達到最佳。

(2)采用微粒捕集器

(3)靜電式微粒收集器

(4)電壓捕集技術

(5)脈沖電暈等離子體化學處理技術

(6)靜電旋風技術

上述的這幾個后處理技術有的是成本高，有的尚不實用，有的是目前尚處于理論研究和實驗室內(nèi)的應用，還有的是后處理效率不高。

燃料燃燒中產(chǎn)生危害尾氣:一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)，一氧化氮(NO)，二氧化氮生成(NO2)，二氧化硫(SO2)，三氧化硫(SO3)，鉛，碳氫化合物，氮氧化合物，等危害物質。其中一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)擴散到空氣中后污染空氣和土壤，這種氧化物與空氣中水蒸氣溶解后生成酸性物質。這里講的氧化物，二氧化碳(CO2)、二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、三氧化硫(SO3)等物質在水中溶解度很大，溶于水后生成酸性化合物(或雨酸、碳酸、硝酸、硫酸)。另外碳氫化合物、氮氧化合物、硫氧化合物等危害物質產(chǎn)生，其中主要多含一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)。氧化合物轉化過程用化學反應方程式表示如下。

(8)PbO+KI=PbI2(黃色沉淀)+K2O

在反應中生成的碳酸，硝酸，硫酸是腐蝕性氧化劑物質，下雨后與土壤中金屬物質反應生成碳酸鹽，硝酸鹽，硫酸鹽等金屬鹽。這種鹽還能使土壤變?yōu)閴A性土壤。這些主要是汽車尾氣所造成的污染。汽車尾氣最主要的危害是形成光化學煙霧。汽車尾氣中的碳氫化合物和氮氧化合物在陽光作用下發(fā)生化學反應，生成臭氧，它和大氣中的其它成份結合就形成光化學煙霧。其對健康的危害主要表現(xiàn)為刺激眼睛，引起紅眼病;刺激鼻、咽喉、氣管和肺部，引起慢性呼吸系統(tǒng)疾病。光化學煙霧能使樹木枯死，農(nóng)作物大量減產(chǎn);能降低大氣的能見度，妨礙交通。汽車尾氣中一氧化碳的含量最高，它可經(jīng)呼吸道進入肺泡，被血液吸收，與血紅蛋白相結合，形成碳氧血紅蛋白，降低血液的載氧能力，削弱血液對人體組織的供氧量，導致組織缺氧，從而引起頭痛等癥狀，重者窒息死亡。汽車尾氣中的氮氧化合物含量較少，但毒性很大，其毒性是含硫氧化物的3倍。氧化合物進入肺泡后能形成亞硝酸和硝酸鈉，對肺組織產(chǎn)生劇烈的刺激作用，增加肺毛細管的通透性，最后造成肺氣腫。亞硝酸鹽則與血紅蛋白結合，形成高鐵血紅蛋白，引起組織缺氧。汽車尾氣中的碳氫化合物有200多種，其中C2H4在大氣中的濃度達0.5ppm(十萬分之一)時，能使一些植物發(fā)育異常。汽車尾氣中還發(fā)現(xiàn)有32種多環(huán)芳烴，包括3，4－苯并芘等致癌物質。當苯并芘在空氣中的濃度達到0.012ug/m3時，居民中得肺癌的人數(shù)會明顯增加。離公路越近，公路上汽車流量越大，肺癌死亡率越高。汽車尾氣中的鉛化合物可隨呼吸進入血液，并迅速地蓄積到人體的骨骼和牙齒中，它們干擾血紅素的合成、侵襲紅細胞，引起貧血;損害神經(jīng)系統(tǒng)，嚴重時損害腦細胞，引起腦損傷。當兒童血中鉛濃度達0.6～0.8ppm時，會影響兒童的生長和智力發(fā)育，甚至出現(xiàn)癡呆癥狀。鉛還能透過母體進入胎盤，危及胎兒。廢氣中含有150～200種不同的化合物，由于汽車廢氣的排放主要在0.3米～2米之間，正好是人體的呼吸范圍，對人體的健康損害非常嚴重，其中對人危害最大的有一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物、及固體懸浮顆粒物。

現(xiàn)在，我們來具體分析一下。一氧化碳是烴燃料燃燒的中間產(chǎn)物，主要是在局部缺氧或低溫條件下，由于烴不能完全燃燒而產(chǎn)生，混在內(nèi)燃機廢氣中排出。當汽車負重過大、慢速行駛時或空擋運轉時，燃料不能充分燃燒，廢氣中一氧化碳含量會明顯增加。氮氧化合物的生成原因主要是高溫富氧環(huán)境，比如燃燒室積碳等因素。從燃燒過程看，排放的氮氧化物95%以上可能是一氧化氮，其余的是二氧化氮。人受一氧化氮毒害的事例尚未發(fā)現(xiàn)，但二氧化氮是一種紅棕色呼吸道刺激性氣體，氣味閾值約為空氣質量的1.5倍，對人體影響甚大。由于其在水中溶解度低，不易為上呼吸道吸收而深入下呼吸道和肺部，引發(fā)支氣管炎、肺水腫等疾病。

(一)碳氫化合物的生成過程與影響

汽車尾氣的碳氫化合物來自三種排放源。對一般汽油發(fā)動機來說，約60%的碳氫化合物來自內(nèi)燃機廢氣排放，20% ～25%來自曲軸箱(PCV系統(tǒng))的泄漏，其余的15% ～20%來自燃料系統(tǒng)(碳罐)的蒸發(fā)。甲烷是窒息性氣體，其嗅覺閾值是142.8mg，只有高濃度時才對人體健康造成危害。乙烯、丙烯和乙炔則主要是對植物造成傷害，使路邊的樹木不能正常生長。苯是無色類似汽油味的氣體，可引起食欲不振、體重減輕、易倦、頭暈、頭痛、嘔吐、失眠、粘膜出血等癥狀，也可引起血液變化，紅血球減少，出現(xiàn)貧血，還可導致白血病。汽車尾氣排放的醛類以甲醛為主，占60%～70%。甲醛是有刺激性的氣體，對眼睛有刺激性作用，也會刺激呼吸道，嗅覺閾值為0.06～1.2mg，高濃度時會引起咳嗽、胸痛、惡心和嘔吐。乙醛屬低毒性物質，高濃度時有麻醉作用。丙烯醛是一種辛辣刺激性氣體，對眼睛和呼吸道有強烈刺激，可引起支氣管細胞損害，嗅覺閾值為0.48 ～4.1mg。

(二)含鉛燃料燃燒的生成危害物和影響汽車尾氣排放的含鉛顆粒大部分來自內(nèi)燃機的廢氣排放。四乙鉛是作為抗爆劑加進汽油中的，一般汽油的含鉛量在0.08% ～0.13%之間，四乙鉛燃燒后生成氧化鉛排出。鉛主要作用于神經(jīng)系統(tǒng)、造血系統(tǒng)、消化系統(tǒng)和肝、腎等器官。鉛能抑制血紅蛋白的合成代謝過程，還能直接作用于成熟的紅細胞。經(jīng)由呼吸系統(tǒng)進入人體的鉛粒，顆粒較大者能吸附于呼吸道的粘液上，混于痰中而吐出;顆粒較小者，便沉積于肺的深部組織，它們幾乎全被吸收。鉛在人體內(nèi)各器官中積累到一定程度，會對人的心臟、肺等造成損害，使人貧血，行為呆傻，智力下降，注意力不集中，嚴重的還可能導致不育癥以及高血壓。根據(jù)進入身體的方式，可以有高達60%的攝入總鉛量永久留在人體內(nèi)，成年人血液中混入0.8mg以上稱為鉛中毒。

二、危害尾氣處理方法

我們研究了利用化學溶劑來凈化柴油機排除的廢氣以減少碳粒的排放的方法。主要內(nèi)容包括:

1.分析柴油機廢棄化學成分及機內(nèi)生成原理。

柴油機排放的廢氣中包含有氣態(tài)、液態(tài)及固態(tài)的污染物。正確分析廢棄化學成分和物理學性質是研究的關鍵。本研究中擬利用取樣化驗和利用紅外線多功能尾氣分析儀分析柴油機排除的廢氣，獲取各工況下排除的廢氣成分數(shù)據(jù)。特別針對可見污染物(PM)的成分和量的變化進行深入研究。

2.研究碳粒捕捉方法，配置化學溶劑。

3.用多種化學溶劑進行廢氣過濾實驗，以達到最佳捕捉效果。

4.依據(jù)國家標準“汽車柴油機全負荷煙度測量法(HB3847－1993)”，測試過濾后的氣體的煙度值作為評價標準比較多種方案。利用碳化合物的物理化學性質，采用機外凈化即排氣后處理，將柴油機排氣引人專門的后處理裝置中，減少其中的部分微粒后再排入大氣。即用一個過濾罐，罐里倒裝相應比例調(diào)制的氫氧化鈣溶液，先把柴油機排放的尾氣排入罐里，然后排入的尾氣和氫氧化鈣溶液做化學反應生成水和碳酸鈣。

其化學反應式:Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O;下面是本研究制定的柴油機尾氣處理流程圖。(見圖1)尾氣凈化處理裝置示意圖如下圖(圖2)所示。

圖2.柴油機尾氣凈化處理裝置示意圖

根據(jù)上述尾氣處理工作流程，柴油機尾氣污染過濾裝置整體上分以下3個部分:

1.過濾箱

用于儲存過濾溶液，使溶液與發(fā)動機尾氣發(fā)生化學反應，達到凈化尾氣的目的。

2.發(fā)動機尾氣冷卻裝置

用于冷卻發(fā)動機尾氣，使進入到過濾箱的氣體溫度達到合適的溫度。

3.溶液過濾器

是微孔過濾器，在工作過程中通過循環(huán)將溶液里一定大小的雜質過濾下來。水泵將過濾箱內(nèi)的液體送到到過濾器內(nèi)，過濾器把它過濾完后再送到原來的過濾箱內(nèi)。此過程循環(huán)進行，從而延遲氫氧化鈣飽和溶液效率的有效時間，并且過濾過濾箱內(nèi)的氫氧化鈣飽和溶和二氧化碳做化學反應生成的沉淀物碳酸鈣。研究中設計制作成功的柴油機尾氣凈化處理裝置三維組裝圖如圖3所示。

我們研制成功的柴油機尾氣凈化處理裝置有以下優(yōu)點:

(1)成本低。過濾箱和所使用的化學試劑等價格低，安全，容易制作。

(2)結構簡單。沒有復雜的機械結構，機構簡單，工作可靠。

(3)效率高。處理廢棄過程中在過濾罐里發(fā)生化學反應產(chǎn)生沉淀物，同時過濾器在水泵的作用下把產(chǎn)生的沉淀物過濾下來，并且延遲氫氧化鈣飽和溶液的效率，從而提高過濾效率。

根據(jù)實驗結果，通過將污染環(huán)境的氣體加入到我們所準備的回收尾氣溶液石灰水(堿性溶液)中，然后通過化學反應生成沉淀或使溶液吸收污染物。這種回收尾氣廢雜的溶液的作用是先生成沉淀反應，然后發(fā)生中性反應，在第三個階段能起溶解沉淀反應，三個階段完全溶解沉淀。最后回收尾氣溶液完畢。所以回收尾氣溶液的工作效率升高(或者處理時間強)。制取完畢后，換用新配制的溶液回收尾氣。注意:在這里說廢溶液是化肥的主要材料。

№藥品名單濃度體積比

1.氫氧化鈣飽和溶液 1

2.濃氨水濃 2

3.氫氧化鈉飽和 1

4.氫氧化鉀飽和 1

5.碘化鉀 0.1mol∕L

6.硝酸 6mol∕ L

7.鹽酸 6mol∕ L

三、危害尾氣回收溶液的化學原理

毒性氣體水溶解后生成主要酸是碳酸、硝酸、硫酸等。它們具有以下的化學原理:

反應中先生成碳酸鈣沉淀，然后回收尾氣，溶液中完成氫氧化鈣的堿性作用后回收液的酸性越來越大，生成沉淀開始溶解，這時候能起中和反應如下:

其他鹽與氨水反應生成銨鹽(NH4NO2，NH4NO3，NH4SO4NH4CO3)等銨鹽是化肥的主要成分(組成).

四、汽車尾氣處理的重要意義

在汽車中裝入我們研制的對汽車尾氣排放的凈化裝置，這個研究主要是把汽車所排放的一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、一氧化氮、二氧化氮、氮氧化合物、二氧化硫、三氧化硫和氧化鉛等，先用水蒸氣溶解然后再用 Ca(OH)2、NaOH、KOH、NH4OH等進行處理，生成農(nóng)業(yè)中使用的化肥，對農(nóng)作物有促進生長的作用。種植樹木來凈化和美化環(huán)境，將污染環(huán)境的氣體加入到我們所準備的石灰水中，實驗證明有60%的污染物被回收。將回收的廢棄物處理后放入土壤中，它還會在一定的程度上污染土壤，因此我們就將其成分進行了分析，最后把它變成有助于植物生長的化肥，生產(chǎn)出既有益于環(huán)境，又有益于農(nóng)業(yè)的綠色產(chǎn)品。比如，所有的燃燒物在燃燒后產(chǎn)生的是二氧化碳和一氧化碳，二氧化碳溶解于水中產(chǎn)生碳酸，這種酸進入土壤后使土壤堿化導致植物枯死。與金屬作反應時使其腐蝕。總之它是有害于環(huán)境的廢物。但經(jīng)過我們的處理后，可以使其變成有益的有機肥，生產(chǎn)出創(chuàng)造經(jīng)濟效益的產(chǎn)品，同時還能有效的防止環(huán)境污染。比如，所有的植物吸收陽光后進行光合作用，通過光合作用吸收空氣中的二氧化碳和一氧化碳作為養(yǎng)分，釋放出凈化的氧氣，從而達到提供植物養(yǎng)料和凈化空氣的雙重作用。這個科學規(guī)律早已證明植物具有凈化空氣的作用，所以我們的祖先非常注重綠化庭院，通過植樹造林的方法來綠化環(huán)境，減少耕地面積，擴大植被面積來保護環(huán)境的污染，而如今，隨著社會的發(fā)展，城市的汽車日益增多，環(huán)境也隨著汽車的增加而污染嚴重。在往后的時間里隨著科技的發(fā)展，汽車的數(shù)目會繼續(xù)增加，而環(huán)境的污染也會繼續(xù)加重，所以通過長時間的鉆研，研究出這個裝置來凈化汽車尾氣的污染物、改善空氣的污染指數(shù)，為人類造就一個比較健康的環(huán)境。

［1］將碧如，潘潤身編.無機化學實驗［M］.高等教育出版社，2003.

［2］王紅云，趙連等主編.環(huán)境化學［M］.教育部高級高專規(guī)劃教育，2012.

［3］有機化學實驗［M］.全國高等師范?？茖W校教材高等教育出版社，2001.