CN108825365B - 基于削减pM2.5的纳米汽油添加剂分子缓释前置装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于削减pM2.5的纳米汽油添加剂分子缓释前置装置，以有序介孔纳米氧化铝为骨架，利用A1₂O₃的晶体结构和表面裸露的活性羟基和氧基，吸附稀土元素做载体复合成的亚稳态的纳米复合材料，烧结后制备成具有分子自缓释功能的添加剂滤网固化在汽车进气口的内部。经过分子缓释方式，“稀土‑铝”纳米复合添加剂被添加入汽油中，形成以稀土纳米颗粒为核心的“微型反应器”，催化助燃，促进燃烧充分进行。不仅确保了纳米稀土添加剂的缓释有效可控添加，而且还避免了直接添加导致的纳米颗粒在油箱内的沉积和过量问题以及由于过量导致的油箱爆震现象的发生，有效提高了燃料利用率，从燃烧源头上根治pM2.5的产生。

Description

基于削减pM2.5的纳米汽油添加剂分子缓释前置装置

技术领域

本发明涉及一种汽车尾气前置处理装置，尤其涉及一种基于削减pM2.5的纳米汽油添加剂分子缓释前置装置。

背景技术

随着汽车工业的高速发展，汽车产销量和保有量在不断地攀升，伴随而来的问题则是汽车尾气污染日益严重。汽车尾气排放已成为了主要的大气污染源，其中含量最高的当属pM2.5，这是一种直径小于2.5微米的细颗粒物，能较长时间悬浮于空气中，当我们吸入后，pM2.5能够穿透人体的防御系统直接进入肺沉积并诱发肺癌，有些则会渗进血液从而引发哮喘、心血管疾病、支气管炎等。pM2.5也是传播流行病菌的载体，极容易导致非典、禽流感的肆虐；pM2.5还会损伤大脑神经元，危及生殖健康，因此治理pM2.5必须从治理汽车尾气开始。

目前，广泛使用的尾气净化措施是采用汽车尾气“后处理”装置，这种“后处理装置”只能被动地处理已生成的尾气，无法从源头上防治可吸入污染物pM2.5的产生。为避免这种局限性，直接添加纳米颗粒的汽车尾气“前处理装置”应运而生，但是这种简单而粗糙的“前处理装置”存在寿命短、易沉积等问题。

现有技术中，汽车尾气“前置装置”，是设置在汽车汽油进气口的一种能提高燃油效率，使燃油尽可能充分燃烧的装置。将可溶于油的金属或陶瓷蜂窝为载体，使用贵金属(Pt、Pd、Rh)为活性组分，过渡金属元素和碱土金属为助活性组分直接添加于净化器壳体之中，内部呈松散结构。

上述现有技术“前置装置”的缺点是：

添加剂易沉积，易发生阻塞；催化剂寿命短；易产生添加过量的现象反而引起反效果；催化剂在长期高温或低温情况下会降低催化效果；在正常工作下，当露出的催化剂含有一定化合物时会使催化剂中毒。中毒会妨碍催化剂的化学或物理作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于削减pM2.5的纳米汽油添加剂分子缓释前置装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于削减pM2.5的纳米汽油添加剂分子缓释前置装置，以有序介孔纳米氧化铝为骨架，利用A1₂O₃的晶体结构和表面裸露的活性羟基和氧基，吸附稀土元素做载体复合成的亚稳态的纳米复合材料，烧结后制备成具有分子自缓释功能的添加剂滤网固化在汽车进气口的内部。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于削减pM2.5的纳米汽油添加剂分子缓释前置装置，在进气管道上设置一个“稀土-铝”纳米复合添加剂“前置装置”，经过分子缓释方式，“稀土-铝”纳米复合添加剂被添加入汽油中，形成以稀土纳米颗粒为核心的“微型反应器”，催化助燃，促进燃烧充分进行。不仅确保了纳米稀土添加剂的缓释有效可控添加，而且还避免了直接添加导致的纳米颗粒在油箱内的沉积和过量问题以及由于过量导致的油箱爆震现象的发生，有效提高了燃料利用率，化被动为主动，真正从燃烧源头上根治pM2.5的产生。

附图说明

图1为本发明实施例中“双聚体”“三聚体”“生长基元”及“生长基元运动”示意图。图1中：(a)为单聚体结合为双聚体运动过程；(b)为双聚体结合为三聚体运动过程。

图2为本发明实施例中双聚体生长基元运动及有序介孔形成过程示意图。

图3a、图3b分别为本发明实施例中自组装后的“稀土铝”分子的侧视和正视示意图。图3a、图3b中：

图4为本发明实施例中前置装置的内部结构示意图。

图5至图8分别为图4的A、B、C、D四个剖面示意图。

图9a、图9b分别为本发明实施例中单片蜂窝状介孔材料和环状介孔材料示意图。

图10a、图10b分别为本发明实施例中介孔材料重叠效果图和重叠形成可调的螺旋形分子微观效果图。

图4至图8中：

1.橡胶套管，2.耐高温合金外壳(1mm厚)，3.单片滤网，4.气压调节装置，5.进气孔一，6.固定螺栓，7.金属网格式滤网，8.保护层，9.“稀土-铝”纳米复合添加剂(填充不充满)，10.进气孔二，11.滤孔，12.滤孔，13.滤孔。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的基于削减pM2.5的纳米汽油添加剂分子缓释前置装置，其较佳的具体实施方式是：

以有序介孔纳米氧化铝为骨架，利用A1₂O₃的晶体结构和表面裸露的活性羟基和氧基，吸附稀土元素做载体复合成的亚稳态的纳米复合材料，烧结后制备成具有分子自缓释功能的添加剂滤网固化在汽车进气口的内部。

所述分子缓释前置装置的制作步骤包括：

制造适合稀土-氧化铝双聚体形成及其有利生长基元运动的外部环境，促进有序化结构形成；

构建适合稀土氧化物的亚稳空间，通过分子嫁接组装成具有分子缓释功能的有序介孔材料；

通过构建模型实现稀土元素在氧化铝骨架中的位置与排列。

所述分子缓释前置装置的截面为蜂窝状的有序介孔结构。

所述分子缓释前置装置为片状结构或环状结构。

所述分子缓释前置装置由多个所述片状结构叠加而成。

多个所述片状结构叠加后形成螺旋状介孔孔道。

所述分子缓释前置装置设于由耐高温的合金钢材料制作的外壳中。

所述外壳的前端设有气压调节装置和金属网格式滤网，所述外壳的后端设有橡胶套管，所述外壳内壁设有保护层，所述外壳内部空腔的后部设置所述分子缓释前置装置，空腔的前部填充有稀土-铝纳米复合添加剂。

所述分子缓释前置装置的滤孔直径自前向后由1000nm逐渐减少至100nm，所述气压调节装置中心孔的孔径为0.5毫米。

本发明的基于削减pM2.5的纳米汽油添加剂分子缓释前置装置，在进气管道上设置一个“稀土-铝”纳米复合添加剂“前置装置”，纳米复合添加剂堆叠形成片状，截面为蜂窝状的有序介孔材料。有序介孔材料叠加成为螺旋状介孔孔道，经过分子缓释方式，“稀土-铝”纳米复合添加剂被添加入汽油中，形成以稀土纳米颗粒为核心的“微型反应器”，催化助燃，促进燃烧充分进行。本前置装置的使用，不仅确保了纳米稀土添加剂的缓释有效可控添加，而且还避免了直接添加导致的纳米颗粒在油箱内的沉积和过量问题以及由于过量导致的油箱爆震现象的发生，有效提高了燃料利用率，化被动为主动，真正从燃烧源头上根治pM2.5的产生。

本发明的核心发明点是构建稀土-氧化铝分子模型，根据三氧化二铝及氧化铈的晶体结构特点，创建稀土-氧化铝存在的亚稳空间，促进亚稳态的稀土氧化铝的“有利生长基元”形成，使之在作为“前置分子缓释装置”时，可以自发地实现由亚稳态向稳态的“分子缓释”，从而达到将纳米稀土氧化铝定量添加到汽油中的目的。

本发明提出了使用“前置分子缓释装置”的创新思路，在进气口处设置一个“含有纳米添加剂的”“前置装置”，通过分子缓释的方式，添加“稀土-铝”纳米复合材料到汽油中,利用纳米颗粒的奇异特性及“螺旋形”通道设计，使汽油油滴在点滴装置中，在汽油燃烧过程中催化助燃，促使燃烧充分进行,有效降低尾气中可吸入污染物的排放,真正从燃烧源头上根治pM2.5的产生。将“节能、减排、环保”融为一体,一举多得地解决燃油效率低下，尾气超标的诸多问题。“三位一体”地解决时下亟待解决的诸多交叉学科问题。汽车工业是现代工业的重要标志，纳米技术应用于未来汽车技术的发展将是一个必然趋势，也定成为汽车技术升级的重要保证。对我国新形势下大力推行“低碳经济”和完成节能减排历史任务具有重大而深远的意义。

具体实施例：

汽车添加剂催化助燃“前置分子缓释装置”的设计，一方面包括汽车油路添加剂体系设计，另一方面包括“前置装置”本身结构的设计。前者属于机械结构设计，后者属于微观分子结构设计。本发明的重心在后者。即：研究汽油添加剂分子缓释结构体系及进入燃烧过程中的催化助燃过程体系。

具体地讲就是：

以有序介孔纳米氧化铝为“骨架”，利用A1₂O₃的特殊晶体结构和表面裸露的丰富的活性羟基和氧基，吸附稀土元素做载体复合成的亚稳态的纳米复合材料，通过一定的烧结方法，制备成具有分子自缓释功能的添加剂“滤网”固化在进气口内部。当启动汽车时，通过进气管将纳米颗粒带入到油箱中。相当于给汽油做自发定量地“滴灌”，使经由孔道的亲油的稀土元素及部分铝氧化物与汽油分子自发性地进行物质分子交换,参与到汽油燃烧过程中，达到从燃烧源头上杜绝或降低可吸入污染物pM2.5尾气排放的目标，取得“节能减排”的多重功效。

原理是：

通过选择进气管上的四个阀门，优化出合理的“前置装置”介孔孔道，并利用“稀土-铝”高能亚稳的有序介孔复合特性，实现了新型“稀土-铝”纳米复合汽油尾气净化剂的安全有效定量缓释添加。

1、微观分子结构设计

“双聚体”“三聚体”“生长基元”及“生长基元运动”如图1、图2所示。

制造适合稀土-氧化铝“双聚体”形成及其“有利生长基元”运动的外部环境，促进有序化结构形成。

2、分子自组装

构建适合稀土氧化物的亚稳空间，通过“分子嫁接”“组装”成具有分子缓释功能的有序介孔材料。

通过构建模型，解决了稀土元素在氧化铝骨架中的位置与排列问题。

自组装后的稀土氧化物分子如图3a、图3b所示。

3、前置装置内部结构设计与工作过程

机械部分设计如图4所示，因汽车内部汽箱温度较高，外壳采用耐高温的合金钢材料。机械部分设计如图4所示，因汽车内部汽箱温度较高，外壳采用耐高温的合金钢材料。为长10cm，半径2cm的圆筒形结构，进气方向为右端，出气方向左端。

设计时考虑的主要问题：1.滤网更换的快捷和方便性，2.滤孔大小的选择，3.如何达到循环通气，4.外壳耐高温材料选择。

关键构件包括：橡胶套管1、耐高温合金外壳(1mm厚)2、单片滤网3、、气压调节装置4、进气孔一5、固定螺栓6、金属网格式滤网7、保护层8、“稀土-铝”纳米复合添加剂(填充不充满)9、进气孔二10。

将图4前置装置内部结构图如图剖开4个面，剖面A，剖面B，剖面C，剖面D(图中孔径大小为放大之后的效果)，如图5、图6、图7、图8所示。

其中剖面A为装置左端滤网剖面，剖面B为装置中间滤网剖面，剖面C为装置右端滤网剖面，剖面D为气压调节装置剖面。根据“稀土铝”纳米分子团聚物的大小确定滤网孔径大小。油气从右端进入，故最右端孔径最大，约为1000nm，均匀分布于滤网内部。滤网孔径从右至左逐渐减小，起到纳米添加剂定量缓释的作用，中间滤网孔径约为500nm，最左端为出气方向，故孔径最小，约为100nm。剖面D孔径为0.5毫米。

工作过程：当汽车启动，油气从右端进入经过气压调节装置(当气压达到定值进入装置)，通过纳米添加剂通道充分与“稀土铝”纳米添加剂充分混合(为考虑通气性，纳米添加剂通道中间为中空，可使达到气体循环效果)，接下来气体进入滤网螺旋形孔道，孔道从大到小，形成由大到小螺旋形通道，引起涡流效应，使纳米添加剂与油气充分混合，最后从左端出气。

设计时考虑的主要问题：1.滤网更换的快捷和方便性2.滤孔大小的选择3.如何达到循环通气4.外壳耐高温材料选择

4、工作原理与整体性能分析

缓释机理实际上就是遵循自由能最低原则及晶体亚稳态自发向稳态转换的规律，在汽油通过分子前置装置滤网时，能够将吸附在氧化铝“载体”上的稀土元素释放出来。

如图9a、图9b所示，考虑到一次性添加会造成在油箱内的堆积会造成汽油的自燃及催化助燃的不均匀性，本添加剂系统采用由分子缓释功能组成的截面如同蜂窝状的有序介孔材料。

将其单片叠加，重叠成可调节的前置装置，使汽油油滴通过装置产生涡流效果，其装置内部示意如图10a、图10b所示。

本发明的创新点及应用：

1)首次提出汽油纳米添加剂“分子缓释装置”。

2)首次构建“稀土-氧化铝”分子缓释模型。

3)首次提出从燃烧源头上节能减排的思路。

4)适用于不同类型机动车使用。

5)安装方式轻便，价钱相对便宜。

在众多的汽车用户市场，众多的渴求节能减排的渴望和呼声中，其应用前景很广。纳米汽油添加剂点滴装置的使用，必将给汽油行业带来巨大冲击，也为全球性的环保问题奠定一个良好的研究基础。

本发明的有益效果：

目前广泛使用的尾气净化措施是采用“后处理装置”，这种“后处理装置”只能被动地处理已生成的尾气，无法从源头上防治可吸入污染物pM2.5的产生。

而纳米汽油添加剂“点滴装置”的设计相对于“后置装置”，克服了以往单纯依靠“后处理”装置无法从源头上防治pM2.5产生的局限性。

从添加剂方面来说：通过缓释渗透的方式解决了纳米添加剂的定量添加难的自身问题；提高了添加剂的活性，避免了其它此类添加剂“一遇高温就失效”的问题。从油箱方面来说：不会造成纳米添加剂在油箱内的积存与堵塞；纳米添加剂与汽油油滴的汽油缓释接触，使汽油得到催化助燃；可以应需而动地“激活”汽油油滴的“活化能”，不会引爆汽车油箱内的汽油或引起爆震现象；节省汽油使用。

汽油的充分燃烧使得能源得到高效利用，随之pM2.5及有毒有害气体排放减少，达到“节能减排”的效果。且添加剂以三氧化铝为载体，以廉价的稀土元素为内容，以缓释的方式添加到汽油中，降低了添加剂的使用成本，体现了经济性原则，符合了“向前一小步，文明一大步”的可持续发展环保理念。即：只需进气管做一个微小的改变，就可防治大量pM2.5污染一大片,真正体现出纳米科技应急应时应景的时代效应。

本发明的关键技术是构建稀土-氧化铝分子模型，根据三氧化二铝及氧化铈的晶体结构特点，创建稀土-氧化铝存在的亚稳空间，促进亚稳态的稀土氧化铝的“有利生长基元”形成，使之在作为“前置分子缓释装置”时，可以自发地实现由亚稳态向稳态的“分子缓释”，从而达到将纳米稀土氧化铝定量添加到汽油中的目的。

具体实施中，稀土元素的选择可以有多样性，混合添加二氧化铈、三氧化二钇及三氧化二铝同样能起到催化净化效果；前置装置内部有序介孔材料可以呈蜂窝状结构同样可以起到涡流效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于削减pM2.5的纳米汽油添加剂分子缓释前置装置，其特征在于，以有序介孔纳米氧化铝为骨架，利用A1₂O₃的晶体结构和表面裸露的活性羟基和氧基，吸附稀土元素做载体复合成的亚稳态的纳米复合材料，烧结后制备成具有分子自缓释功能的添加剂滤网固化在汽车进气口的内部；

所述分子缓释前置装置的制作步骤包括：

制造适合稀土-氧化铝双聚体形成及其有利生长基元运动的外部环境，促进有序化结构形成；

构建适合稀土氧化物的亚稳空间，通过分子嫁接组装成具有分子缓释功能的有序介孔材料；

通过构建模型实现稀土元素在氧化铝骨架中的位置与排列；

所述分子缓释前置装置的截面为蜂窝状的有序介孔结构；

所述分子缓释前置装置为片状结构或环状结构；

所述分子缓释前置装置由多个所述片状结构叠加而成；

多个所述片状结构叠加后形成螺旋状介孔孔道；

所述分子缓释前置装置设于由耐高温的合金钢材料制作的外壳内；

所述外壳的前端设有气压调节装置和金属网格式滤网，所述外壳的后端设有橡胶套管，所述外壳内壁设有保护层，所述外壳内部空腔的后部设置所述分子缓释前置装置，空腔的前部填充有稀土-铝纳米复合添加剂；

所述分子缓释前置装置的滤孔直径自前向后由1000nm逐渐减少至100nm，所述气压调节装置中心孔的孔径为0.5毫米。

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