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1、工业催化课程设计-汽车尾气净化催化剂 学 院：化学与化工专 业：应用化学班 级：0901班姓 名： 乐 宁 0915020122 施妍婧 0915020116汽车尾气净化催化剂一、研究背景随着空气污染问题的日益突出和汽车数量的迅速增加,汽车排放的废气已成为城市大气环境污染的主要污染源之一。汽车尾气中的有害物质主要有CO、NOx和HC,多环芳烃(PAH)以及悬浮物 ( SPM)等。NOx和HC在大气中经过一系列的光化学反应,易生成臭氧等多种氧化性很强的物质,形成光化学烟雾。光化学烟雾不仅严重危害人的健康,而且会对动植物和各种材料造成严重破坏。，随着国家环保法规的日益严格和完善，对汽车尾气排放的要
2、求越来越高，对汽车尾气污染物进行净化并且大大降低污染物排放已是法规的强制要求。整车排放满足排放限值，需要机内净化和机外净化相结合【1】。机内净化主要通过提高发动机燃油燃烧效率降低污染物排放，机外净化广泛使用的是安装催化净化装置，它可以有效地将尾气中的有害物质CO、HC、NOx转化成无害的C02、H20、及N2。 净化催化剂是催化净化装置的核心部分，被封装后应用在闭环电喷车上，对排放的污染物实现催化净化。匹配筛选合适的催化剂需要根据汽车发动机排量、污染物排放特性以及催化净化器的预留位置或安装位置、离发动机的距离等参数来进行。本文选择的阐述目标是三效催化剂，选用了耐高温、高比表面的活性氧化铝载体和
3、耐高温、高储氧性能的稀土复合氧化物作为生产原材料。其次对贵金属Pd、Rh、Pt活性组分的配比和含量进行优化筛选，并使用了双涂层双分散的制备工艺来提高催化剂的性能。【2】二、三效催化剂的催化作用原理及反应机理2.1 三效催化剂的反应机理汽车尾气主要成分为：HC（750 ppm）、NOx（1050 ppm）、CO（0.68% vol）、H2 (0.23% vol)、H20（12.5% vol）、CO2 (13.5% vol)。2.1. 1一氧化碳氧化反应及反应机理CO氧化反应：2C O+ O2 2C O2 ( 1 ) CO+H 2OCO2+H2 ( 2 )就CO氧化反应，在不同的催化反应体系中可以
4、提出不同的反应机理。但是可以发现他们共同的结论是晶格氧或吸附氧参与CO的氧化，气相氧在催化剂表面吸附形成吸附氧或补充消耗的晶格氧。32.1. 2氮氧化物的还原反应及反应机理汽车排放的尾气中，除了含有一氧化碳、未燃烧的烃类外，还含有氮氧化合物(NOx)，其浓度可达1000ppm，其中主要是NO，也会有少量的NO2。尾气中的氮氧化物是摄入空气中的氮气和氧气在高温高压下反应以及燃油中含氮化合物氧化生成的。在NO低温还原中(尤其在冷起动后)，PtRh催化剂会产生一些NO，但在较高温度时，主要生成NO2。NO与CO反应中很重要的副反应。NO、NO2都是有毒物质，其净化有两个途径，一个是NOx的分解，另一
5、个是NOx的还原。2.2添加稀土复合氧化物的作用【3】(1)储氧释氧：汽车发动机空燃比的控制精度使尾气中氧含量在一定范围内波动，这种波动对催化剂中同时高效发生氧化反应(HC、CO)和还原反应 (NOx)的气氛有一定的影响。为消除或减缓这种影响，催化剂组成中需加入一种储氧释氧材料，利用这种储氧材料在氧过量时吸收氧及氧不足时释放氧的特性，能显著提高催化剂抵制发动机空燃比波动所造成的反应条件恶化的能力，提高催化剂的最终净化效果。(2)提高催化剂载体的热稳定性：活性氧化铝载体是一种非稳态产物，它在高温下慢慢向无活性相态转变，久而久之使催化剂失去活性。稀土复合氧化的添加可以抑制这种相变的发生。(3)提高
6、催化剂抗毒能力：车用汽油中含有多种有毒物质，如S、P、Pb等。这些物质可以造成催化剂失活。而稀土复合氧化物在抗毒方面有一定作用，如三氧化二铈与硫化物生成稳定的硫酸铈，它在还原气氛中又释放出硫化物，在催化剂上转化成硫化氢同尾气一同排放，防止硫使得催化剂永久中毒。三、三效催化剂制备的工艺技术路线31三效催化剂的组成 三效催化剂是目前汽车尾气净化催化剂所采用的普遍形式，它可以同时将尾气中的主要有害气体HC、NOx、CO转化成无害气体。三效催化剂应用于闭环电喷系统中，通过对发动机空燃比的精确控制为三效催化剂中同时发生氧化和还原反应创造反应条件。不管三效催化剂的形式如何变换，它的主体结构都是由基体、活性
7、涂层、活性组分三部分组成。活性组分负载在活性涂层中，涂层被涂附在基体上，经过处理后与基体牢固的结合在一起形成整体式催化剂。这里介绍的催化剂的活性涂层主要由活性氧化铝、稀土复合氧化物、碱土金属、无机粘合剂等组成。3.11主要活性组分催化过程发生在陶瓷蜂窝孔道内壁上所涂的薄层多孔材料上。涂层中含有少量的贵金属Pt、Pd、和Rh，它们是催化剂的活性组分。有些催化剂含有三种金属，有些含Rh和其它两种金属之一。其中，n、Pd对CO、HC的催化氧化作用要比Rh更大，但对NOx的催化还原作用比Rh差的多。32三效催化剂的制备工艺【4】目前国内外三效催化剂的制备工艺普遍采用的还是先在蜂窝基体上形成氧化铝涂层，
8、再将含有贵金属的浆液涂附在上面，或在蜂窝基体表面涂上一层不含贵金属的涂层，再将贵金属溶液浸渍在上面，或将贵金属活性组分负载到氧化铝载体上，再制备成浆液，然后再进行研磨、涂附及热处理的工艺方法。无论采用何种催化剂制备工艺技术路线，其目的都是通过调整催化剂制备工艺参数，使活性组分分散更加均匀，各组成部分及陶瓷蜂窝基体达到良好匹配，催化剂涂层的牢固性和附着能力得到提高，以使催化剂能够在剧烈温度变化和剧烈机械振动和热气流冲击下有很好的活性，并能有很长的使用寿命。这里介绍的主要生产工艺流程图如下：稀土复合氧化物、氧化铝、贵金属盐、碱金属助剂干混预研磨 制浆蜂窝基体 涂覆Pd干燥煅烧涂覆Rh 干燥 煅烧
9、催化剂3.2.1催化剂浆液的制备 首先在实验室中制备了少量欧催化剂性能浆液。具体过程为分别取适量的氯铂酸、硝酸钯溶液、硝酸铑溶液加入适量的蒸馏水配置为合适的浓度，然后逐步将这些贵金属溶液通过等量干浸渍的方法加入到经过预处理的氧化铝和稀土复合氧化物中分散均匀，并加入适量的醋酸进行PH值的调节，加入的过程中要充分搅拌，经干燥、焙烧后得到各种催化剂粉末备用。将所得的催化剂粉末和助剂(包括ZrO(AC)2、Ba(AC) 2、Ba(N03)2、Sr(N03)2、Ni(N03)2、Y(N03)3等)混合，最后加入适量的蒸馏水、醋酸、碱土金属氧化物、无机粘合剂等球磨后制成浆液。双涂层双分散所使用的浆液是分别
10、使用不同的贵金属盐溶液各自制备成浆液分层涂附制成催化剂小样。最后，利用实验室筛选后的配方以及相同的方法在生产线上制备了浆液用于涂附实际尺寸催化剂。3.2.2催化剂的涂覆 本研究开发的三效催化剂的双涂层双分散和单涂层双分散的涂附技术，为创新之处。体现在催化剂涂层的控制，尤其是双分散双涂层技术，需要控制各个涂层各种组成部分的分配、比例、含量以及负载的先后顺序等均根据催化剂的配方而改变。同时，每一个涂层的负载均需要使用相应的浆液完成涂附过程。对不同涂附层的实施过程之间均需要进行各种热处理，包括涂附之后的干燥处理和煅烧活化处理。而期间的热处理条件又与催化剂配方有关，也与制备的浆液性质有关。考虑到不同的
11、浆液，其在陶瓷蜂窝载体上的附着性能是不同的，因此涂附过程中采用的工艺条件有很大的区别。对不易附着的浆液，可采取先在陶瓷蜂窝载体上涂附一层活性氧化铝涂层，然后直接涂附贵金属溶液或含有贵金属的浆液，再通过过干燥煅烧等热处理过程：对容易附着的浆液，可采取直接涂附的方法直接涂附到陶瓷蜂窝载体上。第一层应具有很好的附着性能和含有容易中毒的贵金属成分，而第二层含有不易中毒的贵金属成分，同时催化剂中其它成分的含量和比例也要与贵金属的成分和比例等相匹配。参考文献：1郭家秀，高性能低贵金属PtRh型三效催化剂的研究，硕士学位论文，四川大学，20052许健民，李岳林等，车用汽油发动机排放控制技术浅谈，汽车运用，2
12、005(5)： 293l3许拔民，欧洲轻型车(总质量不超过35t车辆)的排放法规和指令(欧I、欧II、欧、欧IV)，汽车情报，2002(34)4姚青，碱金属助剂对三效催化剂的性能影响研究，硕士学位论文，中国科学院生态环境研究中心，200心得体会：其实，一直对催化剂十分感兴趣，觉得很神奇。就像魔术师一样，在化学反应中，催化剂可以化腐朽为神奇。对于这次催化剂的设计却是有点遗憾，我能做的工作只有在图书馆的数据库里找寻相关资料，看到资料上面的描述，往往是两眼摸黑，不知所云。因为化学是实实在在一门实践课程，设计只能达到了解的目的。还有老师要求的创新点，也是很为难，短短的一个周时间里，且不说只是查询资料，就是实验也是有难度的，所以这次作业完成的很糟糕，大多是复制粘贴的前辈论文信息。但是，还是有收获的，通过查询资料，对汽车尾气处理催化剂有了一定的了解。最后，新年即将到来，祝愿老师身体安康，新年快乐！
