CN1075867C

CN1075867C - 提增摩托车用触媒净化一氧化碳浓度的方法

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Publication number: CN1075867C
Application number: CN98123144A
Authority: CN
Inventors: 黄钊辉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-12-09
Filing date: 1998-12-09
Publication date: 2001-12-05
Anticipated expiration: 2018-12-09
Also published as: CN1256353A

Abstract

一种提增摩托车用触媒净化一氧化碳浓度的方法，主要是在触媒中添加镁(Mg)或钾(K)，使于转化摩托车排放废气的作用环境下，有效的降低废气中有害的一氧化碳(CO)，进而与原本即较易被转化的有害碳氢化合物(HC)，一同被氧化还原成无害的水(H₂O)、氮(N₂)及二氧化碳(CO₂)。本发明的方法利于供给排气量小废油气浓的摩托车引擎排气管的触媒转化器披覆使用。

Description

提增摩托车用触媒净化一氧化碳浓度的方法

本发明涉及降低摩托车引擎燃烧排放的废气中有害气体的方法，尤指一种提增摩托车用触媒净化一氧化碳浓度的方法。

摩托车引擎所排放出的废气污染是有目共睹的，其污染源主要是由引擎排出的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)以及氮氧化合物(NO_x)所造成。其间在汽油引擎中形成HC及CO，主要是由于汽油注入引擎时雾化程度不佳、汽油与空气的混合不均或空气不足等原因，造成燃烧不完全及部分氧化反应，迫使生成HC及CO的排放。另有关NO_x的形成，主要是氮气在高温下与氧反应生成NO_x。其中四行程摩托车引擎因多采用浓油燃烧，所以HC及NO_x的产量不大，但CO的含量却很高；至于二行程摩托车引擎除了燃烧不完全的问题外，引擎排放废气中具有高HC的排放量亦是其问题点。

要减少小排气量的摩托车引擎排放污染有两种途径，一为针对引擎的设计着手，另一为在排气管内加装排气的后处理系统，即通称的触媒转化器；其中采针对引擎的设计着手途径，是必须要提高引擎的燃烧效率，如采用喷油系统，提高汽油雾化程度与空气混合均匀度，使汽油燃烧更完全，降低污染物的生成，此为最直接的改善方法，但由于现阶段产业技术问题仍无法得到一理想的改善。所以，为了降低车辆的排放污染，最直接的方法为于排气管上加装一触媒转化器，利用触媒床上的催化反应，同时进行氧化和还原反应，将HC、CO及NO_x转化成对人体无害的H₂O、N₂及CO₂。

再者，关于二行程摩托车引擎的燃烧具有偏向油气浓、供氧不足及排气温度较低等问题，会因燃烧不完全而造成高碳氢化合物的排放污染，所以其触媒转化器需要氧化型触媒，针对CO及HC氧化反应，因其排气温度低，所以需有低的起燃温度。况且，摩托车引擎对于空燃比的控制没有汽车引擎来的好，会因剧烈的操作或因间断性的回油而造成引擎燃烧不完全，因而产生有害的CO及HC，其中采用触媒转化器进行净化处理时，该CO是较难处理，理由为在触媒作用的高温环境下，该较有利于HC的转化，但却不利于CO的转化。

且知，一般触媒转化器大致上是可分成载体(substrate)、担体(support)、贵重金属(precious metal；PM)及二氧化铈；

其中该载体，为了要使用在摩托车的排气管上，且需考虑排气流通的问题后，将触媒披覆于载体上，且为了要能负荷触媒，使其能在排气状况下进行催化反应，因此必须具备高几何表面积、低的背压、耐热冲击、耐腐蚀、机械强度大、价格低以及和触媒有良好的结合能力等条件。

该担体，在相异催化反应的触媒中，通常需有足够的表面积供反应所需；且于触媒转化器上，由于常需在高温下与废气进行反应，因此担体的耐热性也是选择的重点之一。且知，氧化铝为最常使用在触媒转化器上作为担体的材料之一，另外氧化硅及氧化铈也有人使用。其中氧化铝之所以适用，是因其价格便宜、容易取得，且有高表面积及适当的孔洞结构，因此适用于废气处理的需求。

该贵重金属(又称活性金属)，在触媒转化器上主要的功能是形成反应活性基，以利催化反应的进行。触媒转化器上添加的活性金属大多是Pt(铂)、Pd(钯)及Rh(铑)，由于价格昂贵，故添加的量不多，为了有效利用所添加的贵重金属，需要良好的分散来增加其效能；因此具有大表面积的担体，可使贵重金属有足够的表面积分散，但贵重金属会在高温老化后聚集成大颗粒，减小其分散度，因此添加Ce(铈)可使贵重金属与Ce(铈)间产生交互作用，以促进贵重金属的分散。

然而，一般在触媒转化器上最常使用的贵重金属为是Pt及Rh，其中Rh对废气的氧化还原的催化具有不错的效果，对氮氧化物的还原性更是Pt与Pd所不及，且具有促进水合反应及抑制烧结的功能；至于Pt对碳氢化合物的氧化具有极佳的活性，所以采用Pt及Rh做为触媒的活性金属，在触媒转化器可以说是极佳的组合。但知，Pt及Rh易于形成合金，因此可于制备的程序上去改良，而采用逐次含浸的方法来减低Pt-Rh合金的生成。

该二氧化铈(CeO₂)，在最近几年来已广泛的被利用在触媒上，做为结构及电子促进剂，尤其是在触媒转化器上，更是不可或缺的一项原料，其功能有：和贵重金属间产生有利的交互作用，以及在不同的气体条件下，Ce的价位在3价及4间变换，促进反应活性。另外，二氧化铈影响触媒的特性有：促进贵重金属的分散、氧化、还原及水移反应的进行，并能增进担体的热稳定性，且具有储存和释放氧的功能，同时并能产生本体和表面氧的空位，以及产生贵重金属的铈化合物。

又，一般使用触媒于其转化器上进行反应的方程式主要有：

(一)CO和HC氧化成CO₂及H₂O：

(二)NO/NO₂还原成N₂：

本发明的目的是提供一种提增摩托车用触媒净化一氧化碳浓度的方法，特别是指在触媒中加入钾(K)或镁(Mg)元素，能够降低排放废气中的一氧化碳(CO)浓度的构思。

针对以上触媒转化器的已知特性要点，本发明特于触媒中添加钾K或镁Mg，使能更加有效的降低CO的浓度，其所采取的技术方案是：一种提增摩托车用触媒净化一氧化碳浓度的方法，其特征是：在以Al₂O₃做为担体，并披覆有Pt(铂)及Rh(铑)的触媒中，将K(钾)或Mg(镁)以含浸的方式添加到Al₂O₃上，作为促进剂，其添加量为K或Mg/Al=1～5mole(摩尔)％，以降低摩托车引擎燃烧排放废气中的CO浓度。

以下将以实验所得的图表，详加阐述本发明如后：

附图简单说明：

图1：是本发明在S=1及水不存在的反应条件下对一氧化碳的转化率显示图；

图2：是本发明在S=1及水不存在的反应条件下对丙烯的转化率显示图；

图3：是本发明在S=0.17及水不存在的反应条件下对一氧化碳的转化率显示图；

图4：是本发明在S=0.17及水不存在的反应条件下对丙烯的转化率显示图；

图5：是本发明在S=0.17及水存在的反应条件下对一氧化碳的转化率显示图；

图6：是本发明在S=0.17及水存在的反应条件下对丙烯的转化率显示图；

图7：是本发明在S=0.17及550℃的反应条件下显示一氧化碳及丙烯对水存在与不存在的转化率统计图。

首先以模拟气体进行，添加钾(以下用K表示)及镁(以下用Mg表示)的反应性能测试，其中：

反应模拟气体的成份有(如表一所示)：一氧化碳(CO)、丙烯(C₃H₆)、氧(O₂)、二氧化碳(CO₂)、氢(H₂)、水(H₂O)及氮(N₂)，其S所表示的意义为：

S = \frac{2 [O_{2}]}{[CO] + 9 [C_{3} H_{6}] + [H_{2}]}

因此能从表一中见悉所含模拟气体的成份。

在此情况下，于触媒中添加K或Mg(以氧化物形式)，使与添加Ce(氧化物)及不添加任何促进剂的Pt/Al₂O₃进行反应性能测试及物理性能比较，如表二所示，得知以Al₂O₃制成的担体上添加K或Mg，其表面积比值、孔洞体积及铂(Pt)的分散度皆优于添加Ce，同时在转化率达50％(T50)时对CO及HC的起燃温度℃影响，亦低于添加与不添加Ce，显见有添加K或Mg的触媒担体，其促进反应以及物理性能皆优于已有技术。

并经由表三显示，当S=0.17时添加H₂O及不添加H₂O，其反应温度中的最大转化率，结果显示添加K或Mg的触媒均高于Ce与不添加促进剂的触媒。

另以图1及图2分别表示，在当量点S=1及H₂O(水)不存在的反应条件下，其CO及C₃H₆(丙烯)的转化率，得知当在S=1时，CO及HC是随温度而产生转化率的变化，可明显从中发现添加K或Mg的配方，在CO的转化率上皆优于Ce与不添加促进剂的Pt/Al₂O₃触媒；

同时，图3及图4是分别表示，在S=0.17和H₂O不存在的反应条件下，其CO及C₃H₆(丙烯)的转化率，亦不难从中发现添加K或Mg的配方，在CO的转化率上皆优于Ce与不添加促进剂的Pt/Al₂O₃触媒；

且，图5及图6又分别表示，在S=0.17和存在有H₂O的反应条件下，其CO及C₃H₆(丙烯)的转化率，亦显示添加K或Mg的配方，在CO的转化率上皆优于Ce与不添加促进剂的Pt/Al₂O₃触媒。

另可从图7的图表中发现，在550℃下，S=0.17时，□表示H₂O不存在于反应气体中，表示H₂O存在于反应气体中，在CO的转化率上，仍以添加K或Mg的配方，优于添加Ce与不添加促进剂的Pt/Al₂O₃触媒。

经由以上的分析不难得知，本发明利用在触媒中添加K或Mg，皆足以在既定的转化温度下提增对CO的转化效率；况且，于制备成触媒转化器后，在摩托车排气污染法规规定的测试程序(ECE-R40)下，进行实车上的测试评价，亦于表四及表五中显示：在Pt/Rh=5/1的A组披覆层种类下，以及在Pt/Rh=10/1的B组披覆层种类下，其分别对CO及HC所能减低的污染值(如表5所示)，其中以不添加触媒的污染值最高，其次为不添加促进剂的A1及B1，再其次为仅添加Ce的A2及B2，至于本发明所表征添加有Mg的A3与B3，以及添加有K的A4与B4，其对于降低CO浓度的污染值的指数皆低于上述；因此，亦再次证明于触媒中添加K，或Mg，确实能够净化废气中有害且较难转化的CO浓度。

附件：

表一：是本发明采用反应气体模拟成份的指数表；

表二：是本发明在触媒物理特性及起燃温度下所显示的比较表；

表三：是本发明在触媒的不同条件下对一氧化碳的最高转化率比较表：

表四：是本发明制备成触媒转化器进行实车测试时显示的披覆层含量及样态款式表；

表五：是本发明表四数值经测试后所显示的污染值比较表。

表一

S=0.17

S=1 S=0.17 水存在CO,％ 1.0 4.14 4.14C₃H₆,ppm 800 7000 7000O₂,％ 0.95 0.9 0.9CO₂,％ 10 10 10H₂,％ 0.2 0.2 0.2H₂O,％ 0 0 10N₂ 平均值平均值平均值表二

BET比 Pt(铂)

表面积孔洞体积分散度 T₅₀ ^α,℃触媒 m²/g cm³/g ％ CO HC0.4％Pt/Al₂O₃ 194 0.74 59.5 278 3020.4％Pt-CeO₂/Al₂O₃ 160 0.61 63.0 188 2730.4％Pt-MgO/Al₂O₃ 166 0.63 67.3 203 2270.4％Pt-K₂O/Al₂O₃ 164 0.61 54.1 188 193表三

CO最高转化率

S=0.17 S=0.17触煤水不存在水存在0.4％Pt/Al₂O₃ 15 220.4％Pt-CeO₂/Al₂O₃ 33 460.4％Pt-MgO/Al₂O₃ 35 630.4％Pt-K₂O/Al₂O₃ 37 70表四

编号	披覆层	Pt/Rh	贵重金属浓度	单位尺寸
编号	披覆层	Pt/Rh	贵重金属浓度	单位尺寸	A1	100％,r-Al₂O₃	5/1	50f/ft³	φ60×40mm
A2	99％r-Al₂O₃,1％CeO₂				A1	100％,r-Al₂O₃
A2	99％r-Al₂O₃,1％CeO₂	A3	99％r-Al₂O₃,1％MgO
A4	99％r-Al₂O₃,1％K₂O	A3	99％r-Al₂O₃,1％MgO
A4	99％r-Al₂O₃,1％K₂O	B1	100％,r-Ai₂O₃	10/1	50f/ft³	φ60×40mm
B2	99％r-Al₂O₃,1％CeO₂	B1	100％,r-Ai₂O₃
B2	99％r-Al₂O₃,1％CeO₂	B3	99％r-Al₂O₃,1％MgO
B4	99％r-Al₂O₃,1％K₂O	B3	99％r-Al₂O₃,1％MgO

表五测试模式：ECE-R40

编号	COg/km	HCg/km
编号	COg/km	HCg/km	A1	5.72	4.04
A2	4.50	0.67	A1	5.72	4.04
A2	4.50	0.67	A3	4.03	1.06
A4	3.58	1.24	A3	4.03	1.06
A4	3.58	1.24	B1	5.61	0.61
B2	5.05	0.74	B1	5.61	0.61
B2	5.05	0.74	B3	4.36	0.89
B4	3.92	1.07	B3	4.36	0.89
B4	3.92	1.07	不加触媒	5.72	4.04

Claims

一种提增摩托车用触媒净化一氧化碳浓度的方法，其特征是：在以Al₂O₃做为担体，并披覆有Pt(铂)及Rh(铑)的触媒中，将K(钾)或Mg(镁)以含浸的方式添加到Al₂O₃上，作为促进剂，其添加量为K或Mg/Al=1～5mole(摩尔)％，以降低摩托车引擎燃烧排放废气中的CO浓度。