CN100503017C

CN100503017C - 光催化协同等离子体作用的一体式机动车尾气净化装置

Info

Publication number: CN100503017C
Application number: CNB2007100192923A
Authority: CN
Inventors: 李佳凤; 杨宏旻
Original assignee: Nanjing Normal University
Current assignee: Nanjing Normal University
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2027-01-12
Also published as: CN101024148A

Abstract

本发明公开了一种光催化协同等离子体作用的一体式机动车尾气净化装置，包括尾气入口混合室和尾气出口混合室，两混合室的端板相对且相互平行；数根陶瓷放电管平行装配在混合室的两个端板之间，将尾气入口混合室和尾气出口混合室连通；陶瓷放电管由陶瓷外管和陶瓷内管构成，内管套装于外管内且两管同轴，两管之间留有间隙；陶瓷管腔体表面负载二氧化钛；内外管形成电极布局。本发明结构简单、光催化作用时间长、尾气净化效果好、对起燃温度没有限制，怠速低温条件下仍具净化作用。本发明采用并联同轴套管的放电结构，气体穿过反应区的阻力小，因此对发动机背压的影响很小，从而降低了空燃比，提高了燃烧效率，可以大幅度节约燃料。

Description

光催化协同等离子体作用的一体式机动车尾气净化装置

技术领域

本发明涉及一种机动车尾气机外净化装置，具体说是一种光催化协同等离子体作用的一体式机动车尾气净化装置。

背景技术

机动车尾气中含有大量的有害物质，主要包括：一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化合物(NOx)。随着国民经济的不断高速发展，目前我国汽车保有量已超过2000万辆，而且每年以12％的速度增长，机动车尾气排放污染已经成为中国大气污染的主要来源之一，严重影响了经济的可持续发展。随着世界范围内环保力度的日益加大，对大气质量的控制越来越严格，污染物排放标准也不断提高，目前我国机动车尾气排放标准基本等同于欧洲II号排放限制标准，但是同欧洲III号和IV号标准还至少差距5-10年。因此大力发展我国的机动车尾气净化技术研究，尽快缩小与发达国家的差距，不仅是改善环境污染现状的客观要求，也是保证我国汽车工业进入全球化市场的迫切要求。

对机动车尾气的净化，主要有机内净化和机外净化两种途径。机内净化是通过改进发动机的结构设计，控制燃烧过程，或改用清洁燃料来实现的；机外净化是在机动车排气管内加装净化装置对尾气进行净化。目前，国外对尾气的机外净化主要是采用空气喷射、氧化型反应器和使用催化剂，其研究方向主要集中在催化净化上，净化效果的关键是催化剂的选择。机外净化具有结构简单，效果显著的特点，成为国外尾气净化的主要方法。

自70年代，世界著名汽车企业已开始着手汽车尾气净化技术的研究。目前比较成熟的尾气的机外净化技术是使用催化剂。常用的三元载体催化剂是把贵金属沉积在惰性载体结构表面，依靠蜂窝状结构多孔陶瓷，使单位体积有足够的表面积，尾气通过催化剂表面产生化学反应，从而降低尾气中有害气体的排放。当尾气通过含有铂、铑、钯三种稀有金属的涂层时，机动车尾气中的有害气体大部分将转化为无害气体。由于采用铂、铑等作催化剂，价格比较昂贵。随后又研制出了稀土复合氧化物代替贵金属催化剂。但无论是贵金属还是稀土催化剂均要求发动机的空燃比保持在14.7附近，才能实现CO、HC、NOx的三效转化。通过利用载体改性技术和多元催化剂活性组份协同复合技术研制的由贵金属增效的稀土复合氧化物三效催化剂，采用蜂窝状青石陶瓷作载体，只含微量贵金属。虽然这种催化剂耐高温性能明显提高，成本有所下降，但仍不能摆脱催化剂所固有的一些弱点，例如：高温热稳定性差，容易铅中毒，催化器在发动机启动、怠速低温条件下不起净化作用，贫燃条件下HC、CO不能完全被氧化，而富氧条件下NO的还原效果差，要求发动机的空燃比保持在14.7附近；催化净化装置增加了机动车排风阻力，降低了发动机功效等。目前寻求少用或不用稀贵金属、价格低廉且性能稳定的净化技术是本领域所追求的目标。

中国实用新型专利ZL200320120485.5(等离子体偶合光催化单元组件及其构成的气体净化器，公告号CN2660374)公开了一种气体净化器，初步解决了上述问题，但是，用该装置处理机动车尾气，气体光催化反映区的时间短，净化效果相对较差，而且，气体要经过一个Z字形转向，增大了气流的阻力，增加了发动机的排气负担。

发明内容

本发明的发明目的在于，克服现有技术存在的技术缺陷，提供一种结构简单、成本低、排气通畅、光催化作用时间长、尾气净化效果好、对起燃温度没有限制，怠速低温条件下仍具净化作用的光催化协同等离子体作用的一体式机动车尾气净化装置。

本发明光催化协同等离子体作用的一体式机动车尾气净化装置，包括尾气入口混合室和尾气出口混合室，两混合室的端板相对且相互平行；其特征是：数根陶瓷放电管平行装配在两混合室的端板之间，将尾气入口混合室和尾气出口混合室连通；

所述陶瓷放电管由陶瓷外管和陶瓷内管构成，内管套装于外管内且两管同轴，两管之间留有间隙；外管和内管的壁厚为1-1.5mm，介电常数不大于45；利用溶胶-凝胶法将纳米尺度的二氧化钛负载于陶瓷外管与陶瓷内管之间的腔体表面；内管插入金属棒，外管包裹金属网，形成筒状同轴线面式电极布局；电极两端分别连接到高压电源上。

所述利用溶胶-凝胶法将纳米尺度的二氧化钛负载于陶瓷外管与陶瓷内管之间的腔体表面，其负载方法，是指顺序式升温形成的完全的锐钛矿型，且TiO₂的平均粒径为15纳米。

所述利用溶胶-凝胶法将纳米尺度的二氧化钛负载于陶瓷外管与陶瓷内管之间的腔体表面，其负载位置在于内管(6)的外表面和外管(5)的内表面，无需球状颗粒的填充。

本发明的基本原理为：在常压下通过介质阻挡放电产生低温等离子体，同时，有效负载于反应器表面的纳米尺度的TiO₂光催化材料，在等离子体放电产生的近紫外光波辐照作用下会生成的氧化能力极强的羟基自由基OH与光生电子，协同低温等离子体中大量高能电子、激发态粒子、原子氧(O)、自由基(OH，HO₂)以及臭氧(O₃)与机动车排气中一氧化碳(CO)、碳氢化合物(CH)、氮氧化物(NOx)等污染物发生一系列的氧化还原化学反应，从而实现通过光电协同增强催化净化尾气污染物的目标。

其基本原理的化学反应方程式为：

NOx的氧化反应：

NO+O→NO₂

NO+2OH→NO₂+H₂O

NO+HO₂→NO₂+OH

NO+O₃→NO₂+O₂

HC的氧化反应：

HC+O→CO₂+H₂O

HC+2OH→CO₂+H₂O

HC+HO₂→CO₂+H₂O

HC+O₃→CO₂+H₂O

CO的氧化反应：

CO+O→CO₂

CO+2OH→CO₂+H₂O

CO+HO₂→CO₂+H₂O

3CO+O₃→3CO₂

NOx的还原：

2NO₂+2e(快)→N₂+2O₂+2e(慢)

NO₂+e(快)→N+O₂+e(慢)

NO+N→N2+O

2CO+2NO→2CO₂+N₂

气体反应净化过程：在当尾气温度小于400℃区间时，将尾气通过尾气入口混合室引入陶瓷放电管；调节变压器输出合适电压，在陶瓷放电管的内外管间隙产生稳定的等离子场。在等离子体放电产生的在波长小于387纳米的紫外光波辐照作用下，负载于陶瓷管壁上的纳米级光催化材料二氧化钛也可以生成氧化能力极强的羟基自由基OH(氧化电位为2.80V)与光生电子，这些活性基团与机动车尾气中的氮氧化物、一氧化碳和碳氢发生物理和化学反应，实现光催化协同净化作用。

本发明结构简单、成本低、光催化作用时间长、尾气净化效果好、对起燃温度没有限制，怠速低温条件下仍具净化作用。由于本发明采用并联同轴套管的放电结构，气体穿过环状反应区的阻力很小，因此对发动机背压的影响很小，从而降低了空燃比，提高了燃烧效率，可以大幅度节约燃料。

附图说明

图1为本发明光催化协同等离子体作用的一体式机动车尾气净化装置结构示意图；

图2为本发明装置的陶瓷放电管结构示意图；

图3为用本发明装置净化模拟机动车尾气的系统流程图；

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。

实施例1、光催化协同等离子体作用的一体式机动车尾气净化装置，包括渐扩式尾气入口混合室1和渐缩式尾气出口混合室2，两混合室的端板3相对且相互平行；其特征是：四根陶瓷放电管4平行装配在两混合室的端板3之间，将尾气入口混合室1和尾气出口混合室2连通；

所述陶瓷放电管4由陶瓷外管5和陶瓷内管6构成，内管6套装于外管5内，且两管同轴，两管之间留有间隙；外管5和内管6的壁厚为1mm，介电常数不大于45；利用溶胶-凝胶法将纳米尺度的二氧化钛有效负载于陶瓷外管与陶瓷内管之间的腔体表面；内管6插入金属棒7，外管包裹金属网8，形成筒状同轴线面式电极布局；电极两端分别连接到高压电源上。

本实施例选用两根直径分别为18和8mm，壁厚小于1.5mm，介电常数不大于45的陶瓷管作外管5和内管6，利用溶胶-凝胶法将纳米尺度的二氧化钛有效负载于陶瓷管的内外壁面。所述负载方法，是指顺序式升温形成的完全的锐钛矿型，且TiO₂的平均粒径为15纳米。其负载位置在于内管6的外表面和外管5的内表面。在外管5外壁面包裹金属丝网8(其材质可以为不锈钢、铜或铝)，在内管中心插入直径为5mm的金属棒7(其材质可以为不锈钢或铜)。将来自高压电源的电极分别连接到这两组电极上，形成一个放电反应模块。电源特性为峰值电压为10KV，脉冲频率为500-800Hz，额定功率小于50W。

1、用本实施例光催化协同等离子体作用的一体式机动车尾气净化装置处理冷态模拟尾气：

测试条件：系统采用冷态模拟尾气，实现方式如图3所示。模拟尾气由钢瓶气混合而成，由减压器和流量计控制各自的流量，在温控恒温预混室内配比出所需浓度的冷态模拟尾气。

主要尾气组分配比均符合机动车尾气的含量要求，即为：CO2(12％)，O2(6％)，H2O(8％)，CO(300ppm)，NO(900-1500ppm)，HC(160-180ppm)，以氮气作为平衡气，测试温度为室温25℃。总气体流量为10L/min，保证气体在陶瓷放电管内停留时间大于0.5s，

测试结果：可以获得净化效率分别达到：NOx≥80％，CO≥78％，HC≥90％；这个结果相对于现有的三元催化装置具有明显的优势，因为三元催化装置在低温条件(如机动车在怠速行驶时)下对尾气的污染物是基本不起作用的，其可以获得的净化效率只有：NOx≥30％，CO≥25％，HC≥21％。

2、用本实施例光催化协同等离子体作用的一体式机动车尾气净化装置处理热态模拟尾气：

测试条件：为采用热态模拟尾气测试，尾气温度分别设定为为150℃、250℃、350℃，同样保证0.5s的反应停留时间。

主要尾气组分配比均符合机动车尾气的含量要求，即为：CO2(12％)，O2(6％)，H2O(8％)，CO(300ppm)，NO(900-1500ppm)，HC(160-180ppm)，以氮气作为平衡气。总气体流量为10L/min。

测试结果：可以获得净化效率分别达到：NOx≥92％，CO≥93％，HC≥95％；这个结果与现有的三元催化装置也有一定的优势，三元催化装置在此温度条件下可以获得的净化效率只有：NOx＝85％，CO＝90％，HC＝90％。

实施例2、与实施例1基本相同，所不同的是，所述外管和内管的壁厚为1.5mm。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。本发明保护范围包括但不限于以上实施例。可以根据机动车排量的大小选择陶瓷放电管的数目。

本发明还可以应用于对燃媒烟气中氮氧化物和二氧化硫，以及室内空气污染物的净化。

Claims

1、一种光催化协同等离子体作用的一体式机动车尾气净化装置，包括尾气入口混合室(1)和尾气出口混合室(2)，两混合室的端板(3)相对且相互平行；其特征是：数根陶瓷放电管(4)平行装配在两混合室的端板(3)之间，将尾气入口混合室(1)和尾气出口混合室(2)连通；

所述陶瓷放电管(4)由陶瓷外管(5)和陶瓷内管(6)构成，内管(6)套装于外管(5)内且两管同轴，两管之间留有间隙；外管和内管的壁厚为1-1.5mm，介电常数不大于45；利用溶胶-凝胶法将纳米尺度的二氧化钛负载于陶瓷外管与陶瓷内管之间的腔体表面；内管(6)插入金属棒(7)，外管包裹金属网(8)，形成筒状同轴线面式电极布局。

2、根据权利要求1所述的一种光催化协同等离子体作用的一体式机动车尾气净化装置，其特征在于：所述利用溶胶-凝胶法将纳米尺度的二氧化钛负载于陶瓷外管与陶瓷内管之间的腔体表面，其负载方法是指顺序式升温形成的完全的锐钛矿型，且TiO₂的平均粒径为15纳米。