汽車尾氣淨化器的原理是什麼？

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來自百度知道認證團隊 2019-09-08

當高溫的汽車尾氣透過淨化裝置時，三元催化器中的淨化劑將增強CO、HC和NOx三種氣體的活性，促使其進行一定的氧化-還原化學反應，其中CO在高溫下氧化成為無色、無毒的二氧化碳氣體；

HC化合物在高溫下氧化成水(H20)和二氧化碳；NOx還原成氮氣和氧氣。三種有害氣體變成無害氣體，使汽車尾氣得以淨化。由於這種催化器可同時將廢氣中的三種主要有害物質轉化為無害物質，故稱三元。

觸媒轉化器的化學反應中，貴金屬原子產生各種不同的過渡反應，使整體反應活化能降低，進而提高廢氣轉化成一般無害氣體的反應機率，而觸媒本身在化學反應後仍然保持原來的狀態，這是觸媒轉化器和傳統排煙過濾器的最大差異。觸媒轉化器不僅有良好的使用壽命，也避免了長期使用後被阻塞的可能性。

汽車尾氣的危害程度主要取決於汽油的成分。過去，車用汽油通常都用四乙基鉛作為防爆劑，這樣的汽油一1做含鉛汽油。含鉛汽油使汽車排放的尾氣中含有較高濃度的鉛，對人體健康危害嚴重。鑑於此，中國已於2000年開始使用無鉛汽油，相應的四乙基鉛被一系列新型汽油防爆劑所取代。在中國，無鉛汽油是指含鉛量在O.013g／L以下的汽油。所以說無鉛汽油並非鉛含量為零的汽油，因此，汽車尾氣中仍然含有少量的鉛。農村居民，一般從空氣中吸入體內的鉛量每天約為1微克；城市居民，尤其是街道兩旁的居民每天吸入的鉛量會大大超過這個數值。

目前，無鉛汽油中取代四乙基鉛的新型防爆劑主要有：芳香烴類、甲基叔丁基醚(MTBE)、三乙基丁醚、三戊基甲醚、羰基錳(MMT)、醇類等，其中以MTBE用量最大。

廢氣中含有 150～200種不同的化合物，其主要有害成分為：未燃燒或燃燒不完全的CH、NOx、CO、CO2、SO2、H2S以及微量的醛、酚、過氧化物、有機酸和含鉛、磷汽油所形成的鉛、磷汙染等。其中對人危害最大的有一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物、鉛的化合物及顆粒物。有害氣體擴散到空氣中造成空氣汙染。

汽車尾氣的顆粒物中含有強致癌物苯並(a)芘，在一般情況下，1克顆粒物含有約70微克苯並(a)芘，每燃燒1千克汽油可產生30毫克苯並(a)芘。當空氣中的苯並(a)芘濃度達到0.012微克/立方米時，居民中得肺癌的人數就會明顯增加。

汽車尾氣不僅對人產生危害，對植物也有毒害作用，尾氣中的二次汙染物臭氧、過氧乙酯基硝酸脂，可使植物葉片出現壞死病斑和枯斑。乙烯可影響植物的開花結果。汽車尾氣對甜菜、菠菜、西紅柿、菸草的毒害更為嚴重。公路兩側的農作物減產與汽車尾氣的汙染明顯相關。

汽車尾氣的主要有害成分是碳氫化合物(CnHm)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)。這三種物質對人體都有毒害，其中CnHm及NOx在Sunny及其他適宜條件下還會形成光化學煙霧，危害更大。消除汽車尾氣中這些有害成分的方案主要有兩種：一種是改進發動機的燃燒方式以減少有害氣體的排放；另一種是採用催化轉化器將尾氣中的有害氣體淨化。首先，1975年美國在新型車上安裝了催化轉化器，接著日本、西歐等國家也先後採用催化轉化器以滿足自己國家汽車排放法規的要求。汽車催化轉化器有兩種型別，一種是氧化型催化反應器，使尾氣中的CnHm和CO與尾氣中的餘氧反應，生成無害的H2O和CO2，從而達到淨化目的。

由於對NOx等汙染物排放標準的強制化和降低燃料消耗的要求，一方面應儘量控制空燃比在14.6附近運轉，另一方面應採用控制點火時間和廢氣再迴圈等方法，以減少尾氣中的NOx。然而這些方法的缺點是往往會增加尾氣中的CnHm和CO。為了解決這個問題，出現了三效催化劑(英文名為Three-Way Catalyst)，簡稱TWC。這種催化劑的特性是用一種催化劑能同時淨化汽車尾氣中的一氧化碳(CO)、碳氫化合物(CnHm)和氮氧化物(NOx)，但為了發揮其催化效能，必須將空燃比經常控制在14.6±0.1附近，這種催化淨化器具有較高的淨化率，但需要有氧感測器、多點式燃料電子噴射、電子點火等閉路反饋系統相匹配。這種催化淨化器是利用尾氣中的O2、NOx為氧化劑，CO、CnHm（以CH2為代表）和H2為還原劑，在理論空燃比附近可發生如下反應：

2CO+O2=2CO2

2CO+2NO=N2+2CO2

CH2+3nNO=nN2+nCO2+nH2O

2NO+2H2=N2+2H2O

現在應用的三效催化劑大部分是以多孔陶瓷為載體，再附著上所謂的活化塗層(Washcoat)，最後用浸漬的方法吸附活性成分。催化劑的活性成分主要採用貴金屬鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)等。由於貴金屬資源少、價格貴，各國科學家都在致力於研究經濟上和技術上都可行的稀土/鈀三效催化劑。預計這種催化劑將有很好的應用前景。

三效催化淨化器的優點是淨化率與燃料經濟性都比較好，主要問題是成本費用昂貴。由於柴油機排放的氣體中殘留的氧較多，使氧感測器的控制不靈敏，故三效催化淨化器一般不用於柴油機，而只適用於汽油機。