專利名稱：光催化協(xié)同等離子體作用的一體式機(jī)動車尾氣凈化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)動車尾氣機(jī)外凈化裝置，具體說是一種光催化協(xié)同等離子體作用的一體式機(jī)動車尾氣凈化裝置。
背景技術(shù)：
機(jī)動車尾氣中含有大量的有害物質(zhì)，主要包括一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)和氮氧化合物(NOx)。隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷高速發(fā)展，目前我國汽車保有量已超過2000萬輛，而且每年以12％的速度增長，機(jī)動車尾氣排放污染已經(jīng)成為中國大氣污染的主要來源之一，嚴(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。隨著世界范圍內(nèi)環(huán)保力度的日益加大，對大氣質(zhì)量的控制越來越嚴(yán)格，污染物排放標(biāo)準(zhǔn)也不斷提高，目前我國機(jī)動車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)基本等同于歐洲II號排放限制標(biāo)準(zhǔn)，但是同歐洲III號和IV號標(biāo)準(zhǔn)還至少差距5-10年。因此大力發(fā)展我國的機(jī)動車尾氣凈化技術(shù)研究，盡快縮小與發(fā)達(dá)國家的差距，不僅是改善環(huán)境污染現(xiàn)狀的客觀要求，也是保證我國汽車工業(yè)進(jìn)入全球化市場的迫切要求。
對機(jī)動車尾氣的凈化，主要有機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈化兩種途徑。機(jī)內(nèi)凈化是通過改進(jìn)發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，控制燃燒過程，或改用清潔燃料來實現(xiàn)的；機(jī)外凈化是在機(jī)動車排氣管內(nèi)加裝凈化裝置對尾氣進(jìn)行凈化。目前，國外對尾氣的機(jī)外凈化主要是采用空氣噴射、氧化型反應(yīng)器和使用催化劑，其研究方向主要集中在催化凈化上，凈化效果的關(guān)鍵是催化劑的選擇。機(jī)外凈化具有結(jié)構(gòu)簡單，效果顯著的特點(diǎn)，成為國外尾氣凈化的主要方法。
自70年代，世界著名汽車企業(yè)已開始著手汽車尾氣凈化技術(shù)的研究。目前比較成熟的尾氣的機(jī)外凈化技術(shù)是使用催化劑。常用的三元載體催化劑是把貴金屬沉積在惰性載體結(jié)構(gòu)表面，依靠蜂窩狀結(jié)構(gòu)多孔陶瓷，使單位體積有足夠的表面積，尾氣通過催化劑表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而降低尾氣中有害氣體的排放。當(dāng)尾氣通過含有鉑、銠、鈀三種稀有金屬的涂層時，機(jī)動車尾氣中的有害氣體大部分將轉(zhuǎn)化為無害氣體。由于采用鉑、銠等作催化劑，價格比較昂貴。隨后又研制出了稀土復(fù)合氧化物代替貴金屬催化劑。但無論是貴金屬還是稀土催化劑均要求發(fā)動機(jī)的空燃比保持在14.7附近，才能實現(xiàn)CO、HC、NOx的三效轉(zhuǎn)化。通過利用載體改性技術(shù)和多元催化劑活性組份協(xié)同復(fù)合技術(shù)研制的由貴金屬增效的稀土復(fù)合氧化物三效催化劑，采用蜂窩狀青石陶瓷作載體，只含微量貴金屬。雖然這種催化劑耐高溫性能明顯提高，成本有所下降，但仍不能擺脫催化劑所固有的一些弱點(diǎn)，例如高溫?zé)岱€(wěn)定性差，容易鉛中毒，催化器在發(fā)動機(jī)啟動、怠速低溫條件下不起凈化作用，貧燃條件下HC、CO不能完全被氧化，而富氧條件下NO的還原效果差，要求發(fā)動機(jī)的空燃比保持在14.7附近；催化凈化裝置增加了機(jī)動車排風(fēng)阻力，降低了發(fā)動機(jī)功效等。目前尋求少用或不用稀貴金屬、價格低廉且性能穩(wěn)定的凈化技術(shù)是本領(lǐng)域所追求的目標(biāo)。
中國實用新型專利ZL200320120485.5(等離子體偶合光催化單元組件及其構(gòu)成的氣體凈化器，公告號CN2660374)公開了一種氣體凈化器，初步解決了上述問題，但是，用該裝置處理機(jī)動車尾氣，氣體光催化反映區(qū)的時間短，凈化效果相對較差，而且，氣體要經(jīng)過一個Z字形轉(zhuǎn)向，增大了氣流的阻力，增加了發(fā)動機(jī)的排氣負(fù)擔(dān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低、排氣通暢、光催化作用時間長、尾氣凈化效果好、對起燃溫度沒有限制，怠速低溫條件下仍具凈化作用的光催化協(xié)同等離子體作用的一體式機(jī)動車尾氣凈化裝置。
本發(fā)明光催化協(xié)同等離子體作用的一體式機(jī)動車尾氣凈化裝置，包括尾氣入口混合室和尾氣出口混合室，兩混合室的端板相對且相互平行；其特征是數(shù)根陶瓷放電管平行裝配在混合室的兩個端板之間，將尾氣入口混合室和尾氣出口混合室連通；所述陶瓷放電管由陶瓷外管和陶瓷內(nèi)管構(gòu)成，內(nèi)管套裝于外管內(nèi)且兩管同軸，兩管之間留有間隙；外管和內(nèi)管的壁厚為1-1.5mm，介電常數(shù)不大于45；利用溶膠-凝膠法將納米尺度的二氧化鈦負(fù)載于陶瓷管腔體表面；內(nèi)管插入金屬棒，外管包裹金屬網(wǎng)，形成筒狀同軸線面式電極布局；電極兩端分別連接到高壓電源上。
所述利用溶膠-凝膠法將納米尺度的二氧化鈦負(fù)載于陶瓷管腔體表面，是指順序式升溫形成的完全的銳鈦礦型，且TiO2的平均粒徑為15納米。
所述利用溶膠-凝膠法將納米尺度的二氧化鈦負(fù)載于陶瓷管腔體表面，其負(fù)載位置在于內(nèi)管(6)的外表面和外管(5)的內(nèi)表面，無需球狀顆粒的填充。
本發(fā)明的基本原理為在常壓下通過介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生低溫等離子體，同時，有效負(fù)載于反應(yīng)器表面的納米尺度的TiO2光催化材料，在等離子體放電產(chǎn)生的近紫外光波輻照作用下會生成的氧化能力極強(qiáng)的羥基自由基OH與光生電子，協(xié)同低溫等離子體中大量高能電子、激發(fā)態(tài)粒子、原子氧(0)、自由基(OH，HO2)以及臭氧(O3)與機(jī)動車排氣中一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?CH)、氮氧化物(NOx)等污染物發(fā)生一系列的氧化還原化學(xué)反應(yīng)，從而實現(xiàn)通過光電協(xié)同增強(qiáng)催化凈化尾氣污染物的目標(biāo)。
其基本原理的化學(xué)反應(yīng)方程式為NOx的氧化反應(yīng)NO+O→NO2NO+20H→NO2+H2O
NO+HO2→NO2+OHNO+O3→NO2+O2HC的氧化反應(yīng)HC+O→CO2+H2OHC+20H→CO2+H2OHC+HO2→CO2+H2OHC+O3→CO2+H2OCO的氧化反應(yīng)CO+O→CO2CO+20H→CO2+H2OCO+HO2→CO2+H2O3CO+O3→3CO2NOx的還原2NO2+2e(快)→N2+2O2+2e(慢)NO2+e(快)→N+O2+e(慢)NO+N→N2+O2CO+2NO→2CO2+N2氣體反應(yīng)凈化過程在當(dāng)尾氣溫度小于400℃區(qū)間時，將尾氣通過尾氣入口混合室引入陶瓷放電管；調(diào)節(jié)變壓器輸出合適電壓，在陶瓷放電管的內(nèi)外管間隙產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子場。在等離子體放電產(chǎn)生的在波長小于387納米的紫外光波輻照作用下，負(fù)載于陶瓷管壁上的納米級光催化材料二氧化鈦也可以生成氧化能力極強(qiáng)的羥基自由基OH(氧化電位為2.80V)與光生電子，這些活性基團(tuán)與機(jī)動車尾氣中的氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浒l(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)光催化協(xié)同凈化作用。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、成本低、光催化作用時間長、尾氣凈化效果好、對起燃溫度沒有限制，怠速低溫條件下仍具凈化作用。由于本發(fā)明采用并聯(lián)同軸套管的放電結(jié)構(gòu)，氣體穿過環(huán)狀反應(yīng)區(qū)的阻力很小，因此對發(fā)動機(jī)背壓的影響很小，從而降低了空燃比，提高了燃燒效率，可以大幅度節(jié)約燃料。


圖1為本發(fā)明光催化協(xié)同等離子體作用的一體式機(jī)動車尾氣凈化裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明裝置的陶瓷放電管結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為用本發(fā)明裝置凈化模擬機(jī)動車尾氣的系統(tǒng)流程圖；具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例和附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實施例1、光催化協(xié)同等離子體作用的一體式機(jī)動車尾氣凈化裝置，包括漸擴(kuò)式尾氣入口混合室1和漸縮式尾氣出口混合室2，兩混合室的端板3相對且相互平行；其特征是四根陶瓷放電管4平行裝配在混合室的兩個端板3之間，將尾氣入口混合室1和尾氣出口混合室2連通；所述陶瓷放電管4由陶瓷外管5和陶瓷內(nèi)管6構(gòu)成，內(nèi)管6套裝于外管5內(nèi)，且兩管同軸，兩管之間留有間隙；外管5和內(nèi)管6的壁厚為1mm，介電常數(shù)不大于45；利用溶膠-凝膠法將納米尺度的二氧化鈦有效負(fù)載于陶瓷外管、內(nèi)管腔體表面；內(nèi)管6插入金屬棒7，外管包裹金屬網(wǎng)8，形成筒狀同軸線面式電極布局；電極兩端分別連接到高壓電源上。
本實施例選用兩根直徑分別為18和8mm，壁厚小于1.5mm，介電常數(shù)不大于45的陶瓷管作外管5和內(nèi)管6，利用溶膠-凝膠法將納米尺度的二氧化鈦有效負(fù)載于陶瓷管的內(nèi)外壁面。所述負(fù)載方法，是指順序式升溫形成的完全的銳鈦礦型，且TiO2的平均粒徑為15納米。其負(fù)載位置在于內(nèi)管6的外表面和外管5的內(nèi)表面。在外管5外壁面包裹金屬絲網(wǎng)4(其材質(zhì)可以為不銹鋼、銅或鋁)，在內(nèi)管中心插入直徑為5mm的金屬棒7(其材質(zhì)可以為不銹鋼或銅)。將來自高壓電源的電極分別連接到這兩組電極上，形成一個放電反應(yīng)模塊。電源特性為峰值電壓為10KV，脈沖頻率為500-800Hz，額定功率小于50W。
1、用本實施例光催化協(xié)同等離子體作用的一體式機(jī)動車尾氣凈化裝置處理冷態(tài)模擬尾氣測試條件系統(tǒng)采用冷態(tài)模擬尾氣，實現(xiàn)方式如圖3所示。模擬尾氣由鋼瓶氣混合而成，由減壓器和流量計控制各自的流量，在溫控恒溫預(yù)混室內(nèi)配比出所需濃度的冷態(tài)模擬尾氣。
主要尾氣組分配比均符合機(jī)動車尾氣的含量要求，即為CO2(12％)，O2(6％)，H20(8％)，CO(300ppm)，NO(900-1500ppm)，HC(160-180ppm)，以氮?dú)庾鳛槠胶鈿?，測試溫度為室溫25℃。總氣體流量為10L/mi n，保證氣體在陶瓷放電管內(nèi)停留時間大于0.5s，測試結(jié)果可以獲得凈化效率分別達(dá)到NOx≥80％，CO≥78％，HC≥90％；這個結(jié)果相對于現(xiàn)有的三元催化裝置具有明顯的優(yōu)勢，因為三元催化裝置在低溫條件(如機(jī)動車在怠速行駛時)下對尾氣的污染物是基本不起作用的，其可以獲得的凈化效率只有NOx≥30％，CO≥25％，HC≥21％。
2、用本實施例光催化協(xié)同等離子體作用的一體式機(jī)動車尾氣凈化裝置處理熱態(tài)模擬尾氣測試條件為采用熱態(tài)模擬尾氣測試，尾氣溫度分別設(shè)定為為150℃、250℃、350℃，同樣保證0.5s的反應(yīng)停留時間。
主要尾氣組分配比均符合機(jī)動車尾氣的含量要求，即為CO2(12％)，O2(6％)，H2O(8％)，CO(300ppm)，NO(900-1500ppm)，HC(160-180ppm)，以氮?dú)庾鳛槠胶鈿狻？倸怏w流量為10L/min。
測試結(jié)果可以獲得凈化效率分別達(dá)到NOx≥92％，CO≥93％，HC≥95％；這個結(jié)果與現(xiàn)有的三元催化裝置也有一定的優(yōu)勢，三元催化裝置在此溫度條件下可以獲得的凈化效率只有NOx＝85％，CO＝90％，HC＝90％。
實施例2、與實施例1基本相同，所不同的是，所述外管和內(nèi)管的壁厚為1.5mm。
最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實施例。本發(fā)明保護(hù)范圍包括但不限于以上實施例?？梢愿鶕?jù)機(jī)動車排量的大小選擇陶瓷放電管的數(shù)目。
本發(fā)明還可以應(yīng)用于對燃媒煙氣中氮氧化物和二氧化硫，以及室內(nèi)空氣污染物的凈化。
權(quán)利要求
1.一種光催化協(xié)同等離子體作用的一體式機(jī)動車尾氣凈化裝置，包括尾氣入口混合室(1)和尾氣出口混合室(2)，兩混合室的端板(3)相對且相互平行；其特征是數(shù)根陶瓷放電管(4)平行裝配在混合室的兩個端板(3)之間，將尾氣入口混合室(1)和尾氣出口混合室(2)連通；所述陶瓷放電管(4)由陶瓷外管(5)和陶瓷內(nèi)管(6)構(gòu)成，內(nèi)管(6)套裝于外管(5)內(nèi)且兩管同軸，兩管之間留有間隙；外管和內(nèi)管的壁厚為1-1.5mm，介電常數(shù)不大于45；利用溶膠-凝膠法將納米尺度的二氧化鈦負(fù)載于陶瓷管腔體表面；內(nèi)管(6)插入金屬棒(7)，外管包裹金屬網(wǎng)(8)，形成筒狀同軸線面式電極布局。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用光催化協(xié)同等離子體凈化機(jī)動車尾氣污染物的裝置，其特征在于所述利用溶膠-凝膠法將納米尺度的二氧化鈦負(fù)載于陶瓷管腔體表面，是指順序式升溫形成的完全的銳鈦礦型，且TiO2的平均粒徑為15納米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用光催化協(xié)同等離子體凈化機(jī)動車尾氣污染物的裝置，其特征在于所述利用溶膠-凝膠法將納米尺度的二氧化鈦負(fù)載于陶瓷管腔體表面，其負(fù)載位置在于內(nèi)管(6)的外表面和外管(5)的內(nèi)表面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光催化協(xié)同等離子體作用的一體式機(jī)動車尾氣凈化裝置，包括尾氣入口混合室和尾氣出口混合室，兩混合室的端板相對且相互平行；數(shù)根陶瓷放電管平行裝配在混合室的兩個端板之間，將尾氣入口混合室和尾氣出口混合室連通；陶瓷放電管由陶瓷外管和陶瓷內(nèi)管構(gòu)成，內(nèi)管套裝于外管內(nèi)且兩管同軸，兩管之間留有間隙；陶瓷管腔體表面負(fù)載二氧化鈦；內(nèi)外管形成電極布局。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、光催化作用時間長、尾氣凈化效果好、對起燃溫度沒有限制，怠速低溫條件下仍具凈化作用。本發(fā)明采用并聯(lián)同軸套管的放電結(jié)構(gòu)，氣體穿過反應(yīng)區(qū)的阻力小，因此對發(fā)動機(jī)背壓的影響很小，從而降低了空燃比，提高了燃燒效率，可以大幅度節(jié)約燃料。
文檔編號F01N3/24GK101024148SQ20071001929
公開日2007年8月29日 申請日期2007年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月12日
發(fā)明者李佳鳳, 楊宏旻 申請人:南京師范大學(xué)