CN102226420B - 一种汽车尾气二氧化碳分离器及其分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种属于大气污染治理技术领域的汽车尾气二氧化碳分离器及其分离方法。该分离器由三元催化器和二氧化碳吸收装置构成；二氧化碳吸收装置由尾气分离装置、二氧化碳吸收器、混合器构成；尾气分离装置的一条外接管道与二氧化碳吸收器相连通；尾气分离装置的另一条外接管道和二氧化碳吸收装置的外接管道汇合与混合器相连通。本发明采用廉价的活性炭纤维作为填充材料，提高了对汽车尾气中二氧化碳的吸附能力，并且降低了成本。本发明方法可从源头上减少二氧化碳的排放，缓解了汽车尾气对温室效应的加剧影响。

Description

一种汽车尾气二氧化碳分离器及其分离方法

技术领域

本发明属于大气污染治理技术领域，具体涉及一种汽车尾气二氧化碳分离器及其分离方法。

背景技术

我国二氧化碳排放量居世界第二位，仅次于美国。据国际能源署(IEA)估算，我国2000年二氧化碳排放量为30.5亿吨，其中约75％是电站和工业部门排放的，交通运输部门排放的二氧化碳的分担率从1990年的6％上升到2000年的8％。预计未来20年内，电站和工业部门的分担率将保持2000年水平，而交通运输部门的分担率将上升到12％。随着我国经济实力的增强，国际社会要求我国减排的压力将愈来愈大。汽车尾气中二氧化碳排放量虽然占总排放量的1/5，但全世界的汽车保有量以每年3000万辆的速度递增着，2010年全球汽车量已增到10亿辆。中国的汽车保有量已超过1000万辆，并以每年5％的基数上升。因此，汽车尾气中二氧化碳的减排对遏止温室效应同样有着非常重大的意义。

为减少汽车尾气二氧化碳排放，主要经过以下三条途径。第一，也是最根本和最终的途径，改变汽车的动力。如开发电动汽车及代用燃料汽车。此途径使汽车根本不产生或只产生很少的污染气体。第二，改善现有的汽车动力装置和燃油质量。采用设计优良的发动机、改善燃烧室结构、采用新材料、提高燃油质量等都能使汽车排气污染减少，但是不能达到“零排放”。第三，也是目前广泛采用的适用于大量在用车和新车的净化技术，即机外净化技术，也就是在汽车的排气系统中安装各种净化装置，采用物理的、化学的方法减少排气中的污染物。此途径无法达到“零污染”，但相对于前两种方法，其成本低，且可实现减排的效果。

目前，温室效应气体二氧化碳的回收和利用主要有以下方法：吸收法、吸附法、膜分离法、空气分离/烟气循环法等，但是这些方法去除汽车尾气二氧化碳的效率都不高。

纳米材料吸附分离二氧化碳的具有如下优点：纳米材料具有较大的化学活性和表面能，很容易与外来的原子结合，形成稳定的结构。作为吸附剂，纳米材料具有超强的吸附能力；pH适用范围宽；选择性高；且可以再生。近年来，微孔材料和中孔材料在环境保护，化工，石油，天然气，食品和制药工业中得到广泛应用。对于二氧化碳和甲烷等非极性气体，以活性炭纤维或碳纳米管作为吸附材料的理论和实验研究均有大量的报道。尤其是活性炭纤维，其价格相对于碳纳米管低廉许多，但性价比较高；相对于化学吸收法，该方法不会引起二次污染，分离效果好，动力和能源费用少，设备占地面积少，操作简便且可实现再生，有望在二氧化碳和二氧化硫等有害气体的分离方面得到工业应用。

多孔的碳材料对非极性气体具有较强的吸附能力。一般而言，吸附能力取决于多孔碳材的平均孔径。在微孔中，由于碳壁对二氧化碳吸引力很强，在整个孔中，二氧化碳的密度均很高。但随着孔径的增大，碳壁对远离的二氧化碳分子的吸引力快速衰减，因此仅在碳壁附近，二氧化碳的密度较高。当孔径很大时(如大孔，孔径＞100nm)，孔中大部分位置，二氧化碳的密度与本体中的二氧化碳的密度大致相当，从而导致吸附能力下降。常见的多孔碳材，如活性炭，活性炭纤维和碳纳米管，其平均孔径相距较大，活性炭具有大量的大孔，少量的中孔以及很少量的微孔，故吸附能力不强；碳纳米管则相反，大部分的孔均为微孔，故吸附能力很强。介于两者之间的活性炭纤维具有相当大量的微孔，但同时又有一定量的中孔和大孔，故吸附能力比远高于活性炭。

活性炭纤维的灰份低，其主要元素是碳，碳原子在活性炭纤维中以类石墨微晶的乱层堆叠形式存在，三维空间有序性较差，经活化后生成的孔隙中，90％以上为微孔，构成了活性炭纤维的大量内表面。活性炭纤维具有较大的外表面积，而且大量微孔都开口在纤维表面，在吸附和解吸过程中，分子吸附的途径短，吸附质可以直接进入微孔，这为活性炭纤维的快速吸附，有效地利用微孔提供了条件。活性炭纤维孔隙结构另一个特点是孔径分布狭窄，孔径比较均匀，暴露在纤维表面的大部分是2nm左右的微孔。其比表面积较大，可吸附处理低浓度废气或具有高活性物质。活性炭纤维因具有发达的微孔结构，故对CO₂有很好的吸附能力，比活性炭大几倍至几十倍。其不仅吸附量大，且吸附速度快、脱附速度快、吸附层薄，对低浓度CO₂亦有很好的吸附能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车尾气二氧化碳分离器。

本发明的目的还在于提供一种汽车尾气二氧化碳分离方法。

一种汽车尾气二氧化碳分离器，其特征在于，该分离器由三元催化器1和二氧化碳吸收装置2构成；二氧化碳吸收装置由尾气分离装置3、二氧化碳吸收器4、混合器5构成；尾气分离装置3一条外接管道与二氧化碳吸收器4相连通；尾气分离装置3另一条外接管道和二氧化碳吸收装置2的外接管道汇合与混合器5相连通。

所述二氧化碳吸收装置2由金属外壳6、陶瓷格栅底板7和活性炭纤维8构成。

一种汽车尾气二氧化碳分离方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

a、在汽车二氧化碳吸收器4填充活性炭纤维；

b、开动汽车，产生的汽车尾气先进入三元催化剂经还原反应去除氧气；

c、还原后的汽车尾气进入尾气分离装置3，将气体分为二氧化碳气体和其他气体；

d、二氧化碳气体进入二氧化碳吸收器4被吸附，其他气体进入混合器5处理，经二氧化碳吸收器4吸附后剩余的二氧化碳气体进入混合器5处理；

e、经混合器5处理后的气体排入大气。

本发明的有益效果：本发明的汽车尾气二氧化碳分离器，结构简单，采用廉价的活性炭纤维作为填充材料，提高了对汽车尾气中二氧化碳的吸附能力，降低了成本。本发明的方法从源头上减少二氧化碳的排放，缓解了汽车尾气对温室效应的加剧影响。

附图说明

图1为活性炭纤维和活性炭的吸附曲线；

图2活性炭纤维和活性炭的吸附效率曲线；

图3为二氧化碳分离器安装位置示意图；

图4为二氧化碳吸收装置示意图；

图5为二氧化碳吸收器剖视图；

图中，1-三元催化器、2-二氧化碳吸收装置构成、3-尾气分离装置、4-二氧化碳吸收器、5-混合器、6-金属外壳、7-陶瓷格栅底板、8-活性炭纤维。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1活性炭纤维和活性炭吸附效率和吸附量的对比

通过实验室模拟，对活性炭纤维和活性炭的吸附能力做了对比。实验条件是：纯CO₂气体；活性炭纤维；活性炭；直径100mm长800mm的玻璃管；氢氧化钙溶液(吸附残余的CO₂气体)。

一、预处理(活性炭纤维可能已被污染或已经吸附了CO₂气体，需要在实验之前进行处理)。将活性炭纤维放入真空烘箱(本实验使用的为ZDF-5060型烘箱)中在150℃下烘烤或用沸水煮沸清洗3次。

二、测定常温下活性炭纤维对纯CO₂的饱和吸附量。

1.称取活性炭纤维2kg。

2.将活性炭纤维均匀塞于玻璃管中，将其置于天平上。称量其总重量，记录数据。开始通气，每5min记录一次重量值，一小时后，每10min记录一次。

3.持续通气，直至数据恒定，此时活性炭纤维达到饱和吸附。

4.取出活性炭纤维并再次称重。

5.活性炭纤维再生

活性炭纤维的再生方法主要有热分解法、湿式氧化再生、溶解再生法、电化学再生法，微波辐照再生法等。

三、测定常温下活性炭对纯CO₂的饱和吸附量，实验步骤同二中1-3。

根据记录的数据分别绘制出活性炭纤维和活性炭的吸附曲线，如图1所示。其中曲线A为活性炭纤维的吸附曲线；曲线B为活性炭的吸附曲线。

由图1可以得出，曲线A的斜率明显大于曲线B的斜率，这说明活性炭纤维对二氧化碳气体的吸附速率更大，效率更高；曲线A总体高于曲线B，说明活性炭纤维的吸附饱和量大于活性炭的吸附饱和量；曲线A和曲线B的大致趋势一致，但相比曲线B，曲线A达到最大吸附量所需的时间更长，这说明活性炭纤维的使用寿命要长于活性炭。以上实验结果说明，活性炭纤维在实用性、性能和经济性方面，均要优于活性炭，对二氧化碳气体具有更好的吸附能力。

根据记录的数据，计算出活性炭纤维和活性炭对二氧化碳气体的吸附效率，绘制吸附效率曲线如图2所示。其中曲线A为活性炭纤维的吸附效率曲线；曲线B为活性炭的吸附效率曲线。

由图2可得，曲线A明显高于曲线B，说明活性炭纤维的吸附效率高于活性炭的吸附效率。相对于曲线B，曲线A更快到达最高值，且保持不变，说明活性炭纤维的吸附效率更恒定。以上实验结果可进一步论证，活性炭纤维在性能和经济性方面均要优于活性炭，对二氧化碳气体具有更好的吸附能力，采用活性炭纤维作吸附剂的二氧化碳吸收器将有广大的应用前景。

实施例2汽车尾气二氧化碳分离器及其分离方法

本实施例汽车尾气二氧化碳分离器结构如图1-3所示，该分离器由三元催化器1和二氧化碳吸收装置2构成；二氧化碳吸收装置由尾气分离装置3、二氧化碳吸收器4、混合器5构成；尾气分离装置3一条外接管道与二氧化碳吸收器4相连通；尾气分离装置3另一条外接管道和二氧化碳吸收装置2的外接管道汇合与混合器5相连通；二氧化碳吸收装置2由金属外壳6、陶瓷格栅底板7和活性炭纤维8构成。

活性炭纤维对二氧化碳的吸附量约为200～300mg·g^-1，经过实验论证，1g活性炭纤维可吸附0.2g CO₂气体。在汽车尾气吸收装置中填充30kg活性炭纤维时，可以吸收6kg CO₂气体。按每公里汽车尾气中含有170g CO₂计算，达到饱和吸附，可以行驶2000公里以上，满足减排要求(1.5％)。分离器对二氧化碳的吸附能力达到饱和后，可采用抽真空和加热等措施对分离器进行再生。

计算公式如下：

$\frac{0.2\×30\mathrm{kg}}{170g\×2000\mathrm{km}}=1.8\%>1.5\%$

汽车尾气二氧化碳分离方法，按照如下步骤进行：

a、在汽车二氧化碳吸收器4填充活性炭纤维；

b、开动汽车，产生的汽车尾气先进入三元催化剂经还原反应去除氧气；

c、还原后的汽车尾气进入尾气分离装置3，将气体分为二氧化碳气体和其他气体；

d、二氧化碳气体进入二氧化碳吸收器4被吸附，其他气体进入混合器5处理，经二氧化碳吸收器4吸附后剩余的二氧化碳气体进入混合器5处理；

e、经混合器5处理后的气体排入大气。

Claims (3)

1.一种汽车尾气二氧化碳分离器，其特征在于，该分离器由三元催化器（1）和二氧化碳吸收装置（2）构成；二氧化碳吸收装置（2）由尾气分离装置（3）、二氧化碳吸收器（4）、混合器（5）构成，其中二氧化碳吸收器（4）以活性炭纤维作为吸收材料；尾气分离装置（3）一条外接管道与二氧化碳吸收器（4）相连通；尾气分离装置（3）另一条外接管道和二氧化碳吸收装置（2）的外接管道汇合与混合器（5）相连通。

2.根据权利要求1所述一种汽车尾气二氧化碳分离器，其特征在于，所述二氧化碳吸收器（4）由金属外壳（6）、陶瓷格栅底板（7）和活性炭纤维（8）构成。

3.一种汽车尾气二氧化碳分离方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

a、在汽车二氧化碳吸收器（4）填充活性炭纤维；

b、开动汽车，产生的汽车尾气先进入三元催化剂经还原反应去除氧气；

c、还原后的汽车尾气进入尾气分离装置（3），分离为二氧化碳气体和其他气体；

d、二氧化碳气体进入二氧化碳吸收器（4）被吸附，其他气体进入混合器（5）处理，经二氧化碳吸收器（4）吸附后剩余的二氧化碳气体进入混合器（5）处理；

e、经混合器（5）处理后的气体排入大气。

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