Thành phần khí thải phương tiện giao thông và quá trình trung hòa xúc tác

Sự gia tăng không ngừng về số lượng ô tô là một trong những nguyên nhân khiến tình hình sinh thái ở các thành phố và các khu định cư lớn ngày càng xấu đi. Thực tế, ở một số quốc gia, tỉ lệ phương tiện cơ giới trong tổng lượng phát thải các chất ô nhiễm vào khí quyển của tất cả các nguồn công nghệ đạt trung bình 40%, trong khối lượng chất thải công nghiệp – 2%. Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải của động cơ diesel và động cơ xăng khác nhau và phụ thuộc vào loại động cơ và phương thức vận hành, cũng như chất lượng của nhiên liệu, thành phần của hỗn hợp dễ cháy trong xi lanh động cơ, tốc độ và cách lái xe. điều kiện, hệ thống đánh lửa và kiểm soát nhiên liệu. Số lượng tất cả các thành phần độc hại trong khí thải vượt quá tiêu chuẩn tối đa cho phép hàng chục, hàng trăm lần. Một trong những cách đáng tin cậy nhất để giảm độc tính của khí thải xe và loại bỏ các chất độc hại là quá trình oxy hóa hoàn toàn các thành phần khí thải bằng cách sử dụng các chế phẩm xúc tác trên chất mang khối kim loại hoặc gốm.

Thực trạng về khí thải phương tiện giao thông

Số lượng ô tô trên Trái đất vượt quá 1 tỷ chiếc. Mối nguy hiểm chính của các thành phần hóa học có trong khí thải là các thành phần này rất nhỏ nên chúng được hấp thụ vào máu qua mô phổi và có tác hại đến các cơ quan khác nhau của con người. Ô nhiễm bầu khí quyển dẫn đến giảm oxy và tăng carbon dioxide, kéo theo một số thay đổi thời tiết ổn định. Nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy, từ năm này qua năm khác, việc duy trì khí cacbonic trong khí quyển tăng lên. Điều này dẫn đến cái gọi là “hiệu ứng nhà kính”, tức là sự gia tăng nhiệt độ trung bình hàng năm trên hành tinh lên trung bình 0,8-3%, do đó sẽ dẫn đến những thay đổi khí hậu đáng kể.

Ô nhiễm lưu vực không khí tạo ra mối nguy hiểm thực sự đối với sức khỏe con người. Các triệu chứng chủ yếu là kích ứng đường hô hấp trên và mắt, hen suyễn hoặc viêm mũi dị ứng, viêm phế quản, ung thư phổi, ung thư đường hô hấp, dẫn đến gia tăng viêm mũi họng và làm trẻ chậm phát triển bình thường. Trước hết, hệ thống thần kinh trung ương của một người bị ảnh hưởng. Không giống như các yếu tố môi trường khác, không khí tiếp xúc trực tiếp và nhanh chóng với các bề mặt hoạt động sinh lý rất lớn của cơ thể con người. Mỗi ngày một người hít phải 15.000-20.000 L không khí, do đó, dù là một lượng tương đối nhỏ của bất kỳ chất độc hại nào, hít thở lâu trong không khí bị ô nhiễm, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe và thường gây ra nhiều bệnh khác nhau. Đến nay,

Nói chung, phát thải các chất ô nhiễm và khí nhà kính vào khí quyển từ các hoạt động công nghiệp và giao thông được hình thành từ sự phát thải của các nguồn cố định và di động. Nhiên liệu dầu là một trong những nguồn chính gây ô nhiễm môi trường. Phát thải giao thông đường bộ liên quan đến phát thải từ các nguồn di động và được xác định bằng phát thải các chất ô nhiễm của phương tiện giao thông trong quá trình hoạt động vận tải của chúng.

Các thành phần chính của khí thải phương tiện giao thông

Khí thải (khí thải) là các chất thải có trong động cơ, chúng là sản phẩm của quá trình oxy hóa và đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu hydrocacbon. Việc phát thải khí thải là nguyên nhân chính dẫn đến việc vượt quá nồng độ cho phép của các chất độc hại và chất gây ung thư trong bầu khí quyển của các thành phố lớn, hình thành các đám khói là lý do thường xuyên gây ngộ độc trong các không gian tự túc. Lượng chất ô nhiễm do các phương tiện giao thông thải vào khí quyển được xác định bằng khối lượng khí thải và thành phần của khí thải.

Cần lưu ý 3 nguồn ô nhiễm không khí chính với các chất độc hại do ô tô thải ra :

  • Các khí đã hoàn thành sẽ đi ra khỏi bộ giảm thanh;
  • Các khí đi ra khí quyển từ hệ thống thông gió của hộp động cơ;
  • Nhiên liệu bay hơi đi đến môi trường xung quanh từ hệ thống nhiên liệu của động cơ và thùng nhiên liệu.

Việc áp dụng hình ảnh vệ tinh cho thấy sự không đồng nhất đáng kể trong sự phân bố của NO trong khí quyển, với NO2 nặng hơn tập trung ở tầng dưới và NO ở tầng trên của khí quyển. Các hậu quả nguy hiểm nhất theo quan điểm sinh thái đối với con người và thiên nhiên do một số sản phẩm của quá trình đốt cháy nhiên liệu gây ra được nêu trong bảng.1.

Các chỉ tiêu định tính và định lượng của việc thải các chất ô nhiễm có hại trong khí thải của các phương tiện giao thông trong quá trình vận chuyển là không rõ ràng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

  • Về loại nhiên liệu được sử dụng;
  • Từ thiết kế, điều kiện và điều kiện hoạt động của động cơ;
  • Về khối lượng công việc đã hoàn thành;
  • Về dạng và đặc điểm chuyển động của ô tô.

Do đó, đánh giá định lượng thực sự phát thải các chất ô nhiễm và khí nhà kính trong khí quyển từ các phương tiện giao thông cơ giới là một nhiệm vụ khó khăn.

Bảng 1: Sản phẩm đốt của nhiên liệu và tác hại của chúng đối với môi trường

STT

Tên

Hậu quả có hại về mặt sinh thái

Giải pháp kỹ thuật

1

Ôxít cacbon Tác dụng độc đối với người và động vật Tối ưu hóa quá trình đốt cháy nhiên liệu. Ứng dụng của phụ gia

2

Ôxít lưu huỳnh Kích ứng hệ hô hấp; sự hình thành mưa axit; phá hủy bộ chuyển đổi xúc tác Phát triển nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh giảm

3

Ni-tơ ô-xít Kích ứng hệ hô hấp; sự hình thành của mưa axit và sương mù; tham gia vào việc phá hủy màn hình ôzôn Xúc tác khử oxit nitơ trong sản phẩm cháy

4

Hydrocacbon Hành động gây ung thư; tham gia vào việc tạo ra hiệu ứng nhà kính, hình thành ôzôn và khói bụi Giảm áp suất hơi bão hòa của nhiên liệu; tối ưu hóa quá trình đốt cháy, sử dụng các chất phụ gia

5

Ozone Tác dụng độc đối với động thực vật; tham gia vào quá trình hình thành sương mù Giảm phát thải các chất tạo ôzôn: hydrocacbon và nitơ oxit

6

Anđehit Tác dụng kích thích đối với sinh vật; tham gia vào sự hình thành của sương khói Cải thiện quá trình đốt cháy

7

Hợp chất của chì và các kim loại khác Tác dụng độc đối với động thực vật; vi phạm sự cân bằng của các nguyên tố vi lượng trong nước và đất; ngộ độc chất xúc tác sau nung Phát triển nhiên liệu không chứa hợp chất kim loại

8

Vật chất dạng hạt và muội than Hành động gây ung thư, tham gia vào quá trình hình thành sương khói và mưa axit Giảm hàm lượng tro của nhiên liệu, giảm hàm lượng lưu huỳnh và hydrocacbon thơm

Đối tượng tiêu thụ chính của nhiên liệu động cơ (loại sản phẩm dầu mỏ phổ biến nhất) là vận tải đường bộ. Sự khác biệt của các chất ô nhiễm thải ra từ các phương thức giao thông khác nhau ở các nước thuộc khối thịnh vượng chung Châu Âu được thể hiện trong Bảng 2 và Bảng 3.

Bảng 2: Số lượng chất ô nhiễm do vận chuyển hành khách (g / người-km) và hàng hóa (g / tấn-km) thải ra

STT Loại hình vận tải

SOx

NO x

Vật chất dạng hạt

CO

CH

CO2

1 Vận tải hành khách:
a Đường sắt

0,27

0,15

0,09

0,009

0,005

60,9

b Đường sắt cao tốc

0,16

0,09

0,05

0,005

0,003

35,8

c Động cơ vận tải

0,14

3,35

0,07

5,01

0,77

160.3

d giao thông đường hàng không

0,09

0,66

0,03

1,42

0,23

234,1

2 Vận tải hàng hóa:
a Đường sắt 0,40

0,08

0,06

0,02

b Động cơ vận tải

1,96

0,04

2,2

0,97

c Vận chuyển nước

0,58

0,04

0,2

0,08

Bảng 3: Cơ cấu các nguồn ô nhiễm không khí

STT Nguồn ô nhiễm

Chia sẻ tổng lượng phát thải,% vol.

Hoa Kỳ

GB

nước Đức

Nước pháp

Nước Ý

Nhật Bản

1 Ngành công nghiệp

17

13

35

35

30

40

2 Chuyên chở

60

60

50

23

25

25

3 Kỹ thuật nhiệt điện

14

12

12

23

15

20

4 Nhà máy đốt nhiên liệu

3-5

1-2

1-3

1-2

2-5

1-2

5 Khác

6-4

14-13

2

18-17

28-25

4-3

Theo quy định, từ tất cả các loại khí thải độc hại của các phương tiện giao thông khác nhau, 80-90% rơi vào ô tô, 5-8% ở đường sắt, 1-2% đối với vận tải hàng không và 1% đối với giao thông đường thủy (số liệu có thể khác nhau đối với các quốc gia khác nhau). Mặc dù động cơ không ngừng được cải tiến và mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể giảm đáng kể (gần 2 lần), mức tiêu thụ nhiên liệu động cơ trong 20-30 năm qua đã tăng lên nhiều lần.

Hậu quả của ô nhiễm không khí do khí thải ô tô gây ra chủ yếu ở cấp địa phương. Điều này là do phương tiện giao thông cơ giới là một nguồn ô nhiễm cụ thể, được đặc trưng bởi các đặc điểm sau:

  • Phát thải các chất độc hại ở độ cao thấp, dẫn đến tiếp xúc trực tiếp và ảnh hưởng trực tiếp đến con người;
  • Mức độ phân tán và loại bỏ các chất độc hại ra khỏi nguồn tương đối thấp;
  • Mức độ nội địa hóa và nồng độ các chất ô nhiễm cao hơn so với các nguồn khác;
  • Vị trí tại khu vực tập trung đông dân cư và mức độ tập trung sản xuất công nghiệp;
  • Đa thành phần và độc tính phát thải cao;
  • Lười vận động, làm phức tạp và tăng cường ảnh hưởng của việc tiếp xúc với các chất độc hại;
  • Sự phụ thuộc của thành phần khí thải không chỉ vào chất lượng nhiên liệu, chế độ vận hành của động cơ mà còn phụ thuộc vào các thông số của môi trường (nhiệt độ không khí, độ cao so với mực nước biển);
  • Khả năng biến đổi các thành phần của khí thải và hình thành các sản phẩm thứ cấp, độc hại hơn.

Việc chống lại các nguồn phát thải công nghiệp khá dễ dàng hơn vì chúng ở trạng thái tĩnh, đặc trưng bởi nồng độ chất độc hại cao và số lượng thiết bị nhỏ để loại bỏ các chất độc hại ra môi trường được thực hiện. Nó cho phép tổ chức các biện pháp hiệu quả hơn để giảm và trung hòa khí thải, hơn là từ nhiều nguồn di động.

Kết quả là, tỷ lệ ô nhiễm của các phương tiện giao thông đối với lớp bề mặt của không khí khí quyển, thành phần quan trọng nhất của sinh quyển, cao hơn đáng kể so với các nguồn khác. Nguồn các chất độc hại xâm nhập vào không khí từ các tập hợp và hệ thống xe là khí cacte đã qua sử dụng và khói nhiên liệu. Thành phần của khí thải độc hại từ các nguồn khác nhau sử dụng nhiên liệu dầu mỏ được trình bày trong bảng 4.

Phần lớn các chất ô nhiễm (ngoại trừ ôxit lưu huỳnh) được thải ra khi động cơ đốt trong (ICE) hoạt động. Trong khí thải của động cơ có chứa hơn 200 hợp chất hóa học độc hại. Trong số này, các chất có hại nhất sau đây được tính đến:

  • Carbon monoxide, CO, chất gây ô nhiễm có hại có trong khí thải của động cơ ở nồng độ cao nhất;
  • Hydrocacbon (HC), các chất ô nhiễm có hại và các chất tạo khói có trong khí thải của động cơ và trong quá trình bay hơi nhiên liệu của ô tô;
  • Ôxít nitơ, NOx , các chất ô nhiễm có hại và các chất tạo khói có trong khí thải của động cơ;
  • Ôxít lưu huỳnh, các chất ô nhiễm có hại có trong khí thải của động cơ;
  • Các hạt rắn và muội than (C), các hạt lơ lửng gây ô nhiễm có hại có trong khí thải của động cơ;
  • Các hợp chất chì, Pb, các chất ô nhiễm có hại có trong khí thải động cơ khi sử dụng xăng pha chì;
  • Anđehit (RCHO), chất ô nhiễm có hại có trong khí thải của động cơ;
  • Benz (a) pyrene, một chất gây ung thư có hại có trong thành phần của muội than trong khí thải của động cơ. Ở các thành phố của CIS, nồng độ benz (a) pyrene trong không khí cao hơn khoảng 10 lần so với ở Anh và Mỹ. Mối liên hệ giữa ô nhiễm khí quyển với benz (a) pyrene ở các thành phố lớn với số lượng bệnh ung thư phổi ngày càng gia tăng được ghi nhận.

Thành phần của khí thải của động cơ đốt trong được cho trong bảng 5.

Bảng 4: Lượng phát thải từ các nguồn khác nhau sử dụng nhiên liệu dầu mỏ, kg / tấn nhiên liệu

Tên

Động cơ chế hòa khí

Động cơ diesel 

Trạm nhiệt 

CO

40

9

0,05

NO (NО2 )

20

33

14

SO

1,5

6

21

Hydrocacbon (HC)

24

20

0,4

Anđehit, axit hữu cơ

1,4

6

0,08

Vật chất hạt (PM)

2

16

1,3

Bảng 5: Thành phần khí thải của động cơ đốt trong, vol. %

Các thành phần

Động cơ xăng

Động cơ diesel 

Nitơ

74-77

76-78

Ôxy

0,3-8

2-18

Nước uống

3,55

0,5-4

Cạc-bon đi-ô-xít

5-12

1-10

VÌ THẾ

1-10

0,01-0,5

KHÔNG x

0,1-0,5

0,001-0,4

VẬY x

0-0,002

0-0.03

Hydrocacbon

0,01-0,1

0,01-0,5

Anđehit

0-0,2

0-0,009

Muội, g / m 3

0-0.04

0,01-1,1

Benz (a) pyren

đến 0,00002

đến 0,00001

Ngoại trừ tác động tiêu cực trực tiếp đến sức khỏe của con người, khí thải của các phương tiện giao thông cơ giới có tác dụng gây hiệu ứng nhà kính và phá hủy tầng ôzôn đối với bầu khí quyển của trái đất.  Nó được liên kết với nội dung trong các khí hoàn thành của động cơ của các chất sau:

  • Carbon dioxide CO 2 , thành phần chính trong khí thải của động cơ, tạo ra hiệu ứng nhà kính trong khí quyển (khí nhà kính);
  • Mêtan CH 4 ,
  • Amoniac NH 3 ,
  • Nitơ oxit N 2 O – chất gây hiệu ứng nhà kính và làm suy giảm tầng ôzôn có trong khí thải của động cơ.

Sulfur Dioxide, Carbon Monoxide, Hydrocacbon

Lưu huỳnh đioxit được tạo thành khi đốt cháy nhiên liệu chứa lưu huỳnh ở nồng độ nhỏ tạo ra mùi khó chịu trong miệng và gây kích ứng niêm mạc mũi, vòm họng, khí quản và ống phế quản, biểu hiện bằng các cơn ho khan, khàn giọng, v.v. Việc hít phải một lượng khí lưu huỳnh điôxít ở nồng độ rất cao sẽ dẫn đến cơn gió ngắn và nhanh chóng bị rối loạn ý thức. Kích ứng niêm mạc mắt, nồng độ ho gây ra 0,05 mg / l. Nồng độ lưu huỳnh đioxit có thể chấp nhận cao nhất trong không khí của các xí nghiệp sản xuất là 0,02 mg / l.

Một thành phần khác, không kém phần nguy hiểm và nhiều nhất trong khí thải ô tô là carbon monoxide. Do đó, ở hầu hết các thành phố lớn của Hoa Kỳ, phương tiện giao thông cơ giới chiếm 85-97% tổng lượng khí thải carbon monoxide, và nồng độ của nó trong khí thải ô tô là 7%. Sự gia tăng lượng khí thải carbon monoxide được quan sát bằng sự giảm tỷ lệ không khí dư thừa, tốc độ thấp và tốc độ chạy không tải của động cơ, sự gia tăng tỷ lệ các phần nặng trong thành phần nhiên liệu động cơ. Khí carbon monoxide cực độc, thiếu mùi và màu khiến loại khí này trở nên đặc biệt nguy hiểm. Khả năng thay thế oxy từ các hợp chất với hemoglobin được giải thích là do ái lực của hemoglobin với carbon monoxide tăng lên (lớn hơn 200-300 lần so với oxy), dẫn đến sự hình thành carboxyhemoglobin. Carbon monoxide ảnh hưởng đến hệ thần kinh và tim mạch. MAC (MPC) của carbon monoxide trong không khí của các xí nghiệp công nghiệp là 0,0016% (0,02 mg / l). Với hàm lượng 0,1% carbon monoxide trong không khí hứng chịu, tử vong xảy ra trong 30-60 phút, với 1% hoặc hơn – ngay lập tức.

Thành phần nhiều nhất, lớn và nguy hiểm nhất của khí thải ô tô là hydrocacbon, trong đó hơn 200:> 32% là hydrocacbon no; ~ 27% – hydrocacbon không no; – lên đến 4% – hydrocacbon thơm; ~ 2% – andehit. 33-35

Những chất không thuộc về hiđrocacbon thơm có tác dụng gây khó chịu cho cơ thể, và hiđrocacbon thơm là chất gây ung thư. Các hydrocacbon đi vào môi trường do quá trình bay hơi và đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu và trong quá trình hình thành các hợp chất mới trong quá trình đốt cháy nhiên liệu. Sự hình thành một số trong số chúng, ví dụ, hydrocacbon đa vòng, hydrocacbon thơm, phần lớn phụ thuộc vào các yếu tố sau:

  • Đặc điểm và chế độ hoạt động của động cơ;
  • Khối lượng nhiên liệu tiêu hao;
  • Thông số môi trường,
  • Loại và chất lượng của nhiên liệu được sử dụng.
  • Sự bay hơi và đi vào vùng cháy của nhiên liệu dầu bôi trơn.
  • Tổng lượng khí thải hydrocacbon bằng đường bộ chiếm một phần đáng kể trong tình trạng ô nhiễm ở nhiều quốc gia trên thế giới. Chúng chiếm 55-75% tổng lượng hydrocacbon từ các nguồn khác nhau vào khí quyển.

Mối nguy hiểm đặc biệt đối với con người và môi trường được thể hiện bằng chì và các hợp chất của nó có trong khí thải ô tô. Các hợp chất của chì, chủ yếu là chì tetraetyl (nhà máy nhiệt điện), thêm vào gasoline với mục đích tăng trị số octan. Chì và các hợp chất của nó, xâm nhập vào một sinh vật, gây ra bệnh nghiêm trọng nhất (trí tuệ lạc hậu, thay đổi chức năng hành vi của sinh vật, v.v.).

Với khí thải của các phương tiện cơ giới, 37-85% lượng chì và các hợp chất của nó có trong các chất khí pha chì đi vào khí quyển, và nồng độ của chúng trong khí thải là 50-1.000 μg / m. Một số lượng đáng kể các hợp chất này rơi vào môi trường do sự bay hơi của các chất khí. Tổng tỷ lệ các hợp chất chì và carbon monoxide trong khí thải ô tô vượt quá 75%.

Người ta cũng thấy rằng khi loại bỏ hoàn toàn chì, lượng khí thải hydrocacbon và nitơ oxit sẽ giảm đi 30%. Do đó, việc loại bỏ chì khỏi xăng thương mại cho phép tiến tới giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường và tăng đáng kể tuổi thọ của động cơ.

Để đánh giá mức độ độc hại (cùng với ước tính MAC), người ta sử dụng chỉ số nồng độ, một đại lượng không thứ nguyên có tính đến lượng khí thải độc hại và mức độ độc hại của nó. Về mặt số học, chỉ số nồng độ bằng bội số độ pha loãng của khí thải (EG) có chứa thành phần độc hại trong không khí trước khi đạt đến MPC.

Ôxít nitơ

Một trong những thành phần phổ biến nhất của khí thải xe cơ giới là các oxit nitơ. Tỷ lệ của họ, ví dụ, ở các thành phố lớn của các nước phát triển, chiếm 48-63% tổng lượng phát thải từ tất cả các nguồn sẵn có.

Ôxít nitơ là một mối nguy hiểm cụ thể:

  • Chúng phá hủy tầng ôzôn ở tầng trên của bầu khí quyển;
  • Chúng có tác dụng độc hại mạnh đối với tất cả các sinh vật;
  • Chúng cùng với các hydrocacbon tham gia vào quá trình hình thành sương mù quang hóa.

Khi có các oxit nitơ trong không khí, độc tính của cacbon monoxit tăng lên và chỉ tiêu cho hàm lượng của nó trong không khí phải giảm đi một hệ số 1,5, vì sự hiện diện kết hợp của chúng làm trầm trọng thêm tác dụng của khí.

Theo mức độ ảnh hưởng độc hại đối với cơ thể con người, các oxit nitơ được xếp vào loại nguy hiểm 3 (các chất độc hại vừa phải).

Nitrogen monoxide là chất khí không màu, không mùi, vị. Khi hít vào, NO, giống như CO, liên kết với hemoglobin, thúc đẩy sự hình thành metahemoglobin và ngăn chặn quá trình vận chuyển oxy từ phổi đến các mô. Nitrogen monoxide dễ bị oxy hóa trong không khí (đặc biệt là ở nhiệt độ thấp) thành NO 2 , một chất khí màu nâu đỏ, mùi hắc, hít phải chất này làm suy yếu khứu giác, giảm khả năng thích ứng với bóng tối của mắt và khiến người bệnh dễ bị nhiễm các mầm bệnh gây ra các bệnh về đường hô hấp. 10,36

Kết hợp với độ ẩm trong khí quyển, NOx tạo thành các dung dịch axit nitơ và nitric yếu, dẫn đến sự kết tủa của cái gọi là “mưa axit”. Dưới tác động của mưa axit, đất bị chua hóa và cạn kiệt chất dinh dưỡng, axit hóa các nguồn nước mặt, làm suy thoái và tàn phá hoàn toàn diện tích rừng. Ngoài ra, các oxit nitơ góp phần làm tăng nồng độ ôzôn trong lớp bề mặt, và cũng tham gia vào quá trình hình thành sương mù quang hóa. Các oxit axit trong không khí lớp mặt đất là chất oxi hóa mạnh, ảnh hưởng xấu đến hệ hô hấp của sinh vật và sự phát triển của thực vật, gây ra mưa axit. Do đó, thiệt hại hàng năm đối với nông nghiệp Hoa Kỳ do nồng độ ôxít tăng lên ước tính khoảng 1,9-4,3 tỷ USD. Khoảng 30% lượng mưa axit ở Anh là do axit nitric có trong chúng. Do đó, ở phần lớn các nước phát triển, việc phát thải các chất này bị hạn chế và được giám sát chặt chẽ để giảm thiểu.

Việc giảm phát thải oxit nitơ đạt được chủ yếu bằng cách cải tiến thiết kế buồng đốt, giảm tỷ số nén và hệ số không khí thừa, tối ưu hóa thành phần của nhiên liệu bằng cách giảm hàm lượng các hợp chất thơm.

Ôxít nitơ có trong thành phần của khí thải ở dạng oxit và nitơ đioxit. Chúng được hình thành do phản ứng giữa nitơ trong khí quyển với oxy hoặc hơi nước ở áp suất cao (28-35 atm) và nhiệt độ 540-650 °C trong mỗi lần nén trong các xi lanh. Nhiên liệu không tham gia trực tiếp vào phản ứng này. Các oxit của nitơ rất độc. Trong những trường hợp điển hình nhất, ngộ độc nitơ oxit bắt đầu bằng một cơn ho nhẹ, sau một thời gian sẽ hết. Ở nồng độ tương đối cao, kích thích đường hô hấp tăng lên: ho nhiều, đôi khi nhức đầu, nôn mửa, … Khi ngộ độc nitơ oxit, ngoài các triệu chứng chung là chóng mặt, suy nhược, sắc mặt tái nhợt, huyết áp giảm. Sau khi hít vào 6-8 phút. không khí chứa khoảng 6 mg / l nitơ oxit và 3 mg / l trong 12 phút, cái chết xảy ra. Ngộ độc nitơ điôxít được đặc trưng bởi phù phổi, sau đó là viêm phế quản phổi. Nồng độ gây chết người là 0,1 mg / l khi hít vào trong một giờ. MAC (MPC) của nitơ oxit trong không khí của các xí nghiệp công nghiệp là 0,005 mg / l. Trong một số điều kiện thời tiết nhất định có thể xảy ra phản ứng quang hóa, góp phần hình thành các chất oxit nitơ gây hại cho màng nhầy của mắt cũng như thực vật và thậm chí cả cao su. Theo các nhà nghiên cứu Mỹ, hàm lượng tối đa của các oxit nitơ trong khí quyển là (tính theo nitơ đioxit) 0,025 mg theo thể tích. Nồng độ gây chết người là 0,1 mg / l khi hít vào trong một giờ. MAC (MPC) của nitơ oxit trong không khí của các xí nghiệp công nghiệp là 0,005 mg / l. Trong một số điều kiện thời tiết nhất định có thể xảy ra phản ứng quang hóa, góp phần hình thành các chất oxit nitơ gây hại cho màng nhầy của mắt cũng như thực vật và thậm chí cả cao su. Theo các nhà nghiên cứu Mỹ, hàm lượng tối đa của các oxit nitơ trong khí quyển là (tính theo nitơ đioxit) 0,025 mg theo thể tích. Nồng độ gây chết người là 0,1 mg / l khi hít vào trong một giờ. MAC (MPC) của nitơ oxit trong không khí của các xí nghiệp công nghiệp là 0,005 mg / l. Trong một số điều kiện thời tiết nhất định có thể xảy ra phản ứng quang hóa, góp phần hình thành các chất oxit nitơ gây hại cho màng nhầy của mắt cũng như thực vật và thậm chí cả cao su. Theo các nhà nghiên cứu Mỹ, hàm lượng tối đa của các oxit nitơ trong khí quyển là (tính theo nitơ đioxit) 0,025 mg theo thể tích.

Các oxit nitơ do tác động lên cơ thể con người là thành phần độc hại nhất của khí thải, và việc trung hòa chúng bằng cách phân hủy hoặc khử xúc tác trở nên đặc biệt quan trọng.

Sự góp phần chính vào việc hình thành các oxit nitơ là do quá trình nhiệt độ cao (T> 1.100 °C) của quá trình oxy hóa nitơ không khí theo cơ chế Ya. B. Zel’dovich (“nhiệt” NOx ), phản ứng (1) – (2). Theo cơ chế này, O 2 phân ly thành nguyên tử ở nhiệt độ cao và tương tác với N 2 theo chuỗi phản ứng thuận nghịch sau đây:

O + N 2 ↔ NO + N (1)

N + O 2 ↔ NO + O (2)

Phần “nhiệt” NOx xấp xỉ 20-40% (tùy thuộc vào loại nhiên liệu) trong tổng lượng nitơ oxit thải ra khí quyển hàng năm, phần còn lại là N x “nhanh” và “nhiên liệu” .

Các phản ứng liên quan đến các thành phần hydrocacbon cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành NO. Gốc CH tồn tại ở mặt trước ngọn lửa có thể phản ứng với nitơ trong khí quyển để tạo thành axit xianua, sau đó phản ứng theo sơ đồ:

CH + N2 ↔ HCN + N         (3)

N + OH ↔ H + NO (4)

Không giống như “nhiệt”, NOx “nhanh” có thể hình thành ở nhiệt độ thấp hơn (~ 700 ° C).

Hàng năm trong không khí khí quyển thải ra khoảng 180 triệu tấn nitơ oxit. Khoảng 120 triệu tấn NO x được hình thành tự nhiên (cháy rừng, hoạt động quan trọng của vi khuẩn trong đất, hoạt động núi lửa, phóng điện sét, v.v.) và được phân bổ đồng đều trên toàn cầu. Nồng độ nền của NO2 trên các lục địa nằm trong khoảng từ 0,4 đến 9,4 μg / m3 và đối với NO, chúng nằm trong khoảng từ 0 đến 7,4 μg / m3

Nguồn phát sinh NO không chỉ có thể là N2 trong khí quyển mà còn là nitơ, là một phần của các thành phần nhiên liệu (“nhiên liệu” NO x ). Cơ chế hình thành nitơ monoxit từ nitơ liên kết được trình bày trong hình 1.Theo sơ đồ này, sự hình thành NO diễn ra trước sự chuyển hóa nitơ nhiên liệu thành amoniac và axit hyđro xianua.

Cơ chế sản xuất NO từ nitơ nhiên liệu

Không giống như các oxit nitơ tự nhiên, phát thải do con người gây ra (60 triệu tấn NO x mỗi năm 40 ) tập trung chủ yếu trong các lĩnh vực hoạt động kinh tế của con người. Về vấn đề này, nồng độ NO x trong các khu định cư lớn thường cao hơn nhiều lần so với giá trị nền tự nhiên.

Các nguồn nitơ oxit chính do con người cung cấp là:

  • Phương tiện chuyên chở;
  • Nhà máy điện;
  • Sản xuất axit nitric;
  • Thuốc nổ;
  • Phân bón;
  • Nông nghiệp, v.v.

Trong số các nguồn do con người gây ra, phương tiện giao thông cơ giới góp phần nhiều nhất vào việc ô nhiễm không khí trong khí quyển với các oxit nitơ. Con số cao như vậy chủ yếu liên quan đến sự mở rộng không ngừng của đội xe ô tô trên thế giới, ngày nay có khoảng 1,5 tỷ chiếc và đến năm 2030 có thể đạt 2,7 tỷ chiếc. Điều này được chứng minh bằng số liệu thống kê: trong 15 năm qua, doanh số bán xe ô tô đã tăng 40,5% (từ 51,55 triệu chiếc năm 2000 lên 72,41 triệu chiếc năm 2015).

Khí thải của các loại xe, tùy thuộc vào loại động cơ (hai hoặc bốn kỳ, xăng hoặc dầu diesel), điều kiện vận hành, tốc độ phát triển của chúng, v.v. trung bình chứa từ 11 đến 13 g NOx trên 1 lít nhiên liệu (hình 6). Như vậy, trung bình một chiếc ô tô có quãng đường đi được hàng năm là 16,7 nghìn km và tiêu thụ nhiên liệu 10 lít cho mỗi 100 km đường đi sẽ thải ra khí quyển khoảng 20 kg NOx .

Bảng 6: Thành phần của khí thải động cơ xăng và động cơ điêzen (khi không có chất xúc tác)

Các thành phần  của khí thải

Máy chạy bằng xăng

Động cơ diesel

kg / l nhiên liệu

% wt.

kg / l nhiên liệu

% wt.

Điều kiện

Nhiệt độ, ° С

với – 1.100

với -650 (T với -420)

Tốc độ thể tích, h -1

30.000 – 100.000

30.000 – 100.000

(nước / nhiên liệu)

1 (14,7)

1,8 (26)

CO 2

2.019

17.0

2,612

7.1

2 O

0,990

8,3

0,917

2,6

Khoảng 2

0,13

1.1

5.554

15.0

2

8.568

7.2

27.838

75,2

2

42 · 10 -3

3,5 · 10 -2

7,0 · 10 -4

2.0 · 10 -3

Tổng

98.4

99,9

CO

0,167

1,4

1,1 · 10 -2

3.0 · 10 -2

HC

1,5 · 10 -2

0,13

2,5 · 10 -3

7,0 · 10 -3

KHÔNG x

1,3 · 10 -2

0,11

1,1 · 10 -2

3.0 · 10 -2

Tổng

1,64

0,074

VẬY 2

2,4 · 10 -4

2.0 · 10 -3

3,7 · 10 -3

1 · 10 -2

Các hạt rắn

2,1 · 10 -3

6,0 · 10 -3

Ghi chú : T amb – Nhiệt độ môi trường, ° С; λ – hệ số dư không khí, biểu thị tỷ lệ giữa lượng không khí cần thiết thực tế và lý thuyết.

Tiêu chuẩn khí thải đối với oxit nitơ áp dụng cho giao thông đường bộ lần đầu tiên được áp dụng tại Liên minh Châu Âu vào năm 1992 (Euro-1).

Mặc dù thực tế là các công nghệ ô tô hiện đại có thể giảm đáng kể lượng khí thải nitơ oxit bằng cách cải tiến thiết kế động cơ và điều chỉnh tối ưu của nó, mức NOx vẫn vượt quá tiêu chuẩn pháp luật. Vì lý do này, nhiệm vụ ngày càng cấp bách là phát triển các phương pháp mới để thanh lọc bổ sung. Vì quá trình khử oxit nitơ thành nitơ phân tử thân thiện với môi trường là một quá trình có lợi về mặt nhiệt động lực học, nên việc làm sạch khí thải của ô tô về cơ bản là một vấn đề động học, và do đó phương pháp chính để trung hòa NO x là lắp đặt hệ thống xúc tác. Việc lựa chọn chất xúc tác phụ thuộc trực tiếp vào tỷ lệ không khí / nhiên liệu, thành phần và nhiệt độ của khí thải, và do đó, các phương án làm sạch chất xúc tác cho ô tô với động cơ xăng và động cơ diesel khác nhau đáng kể.

Nguồn tin: http://www.orientjchem.org/

Đăng kí tư vấn sản phẩm & hệ thống

Kỹ thuật & chuyên viên sẵn sàng hỗ trợ mọi câu hỏi. Điền số điện thoại để được tư vấn ngay.