光催化協同等離子體作用的一體式機動車尾氣淨化裝置的製作方法
2023-09-11 11:14:05
專利名稱：光催化協同等離子體作用的一體式機動車尾氣淨化裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種機動車尾氣機外淨化裝置，具體說是一種光催化協同等離子體作用的一體式機動車尾氣淨化裝置。
背景技術：
機動車尾氣中含有大量的有害物質，主要包括一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)和氮氧化合物(NOx)。隨著國民經濟的不斷高速發展，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，機動車尾氣排放汙染已經成為中國大氣汙染的主要來源之一，嚴重影響了經濟的可持續發展。隨著世界範圍內環保力度的日益加大，對大氣質量的控制越來越嚴格，汙染物排放標準也不斷提高，目前我國機動車尾氣排放標準基本等同於歐洲II號排放限制標準，但是同歐洲III號和IV號標準還至少差距5-10年。因此大力發展我國的機動車尾氣淨化技術研究，儘快縮小與發達國家的差距，不僅是改善環境汙染現狀的客觀要求，也是保證我國汽車工業進入全球化市場的迫切要求。
對機動車尾氣的淨化，主要有機內淨化和機外淨化兩種途徑。機內淨化是通過改進發動機的結構設計，控制燃燒過程，或改用清潔燃料來實現的；機外淨化是在機動車排氣管內加裝淨化裝置對尾氣進行淨化。目前，國外對尾氣的機外淨化主要是採用空氣噴射、氧化型反應器和使用催化劑，其研究方向主要集中在催化淨化上，淨化效果的關鍵是催化劑的選擇。機外淨化具有結構簡單，效果顯著的特點，成為國外尾氣淨化的主要方法。
自70年代，世界著名汽車企業已開始著手汽車尾氣淨化技術的研究。目前比較成熟的尾氣的機外淨化技術是使用催化劑。常用的三元載體催化劑是把貴金屬沉積在惰性載體結構表面，依靠蜂窩狀結構多孔陶瓷，使單位體積有足夠的表面積，尾氣通過催化劑表面產生化學反應，從而降低尾氣中有害氣體的排放。當尾氣通過含有鉑、銠、鈀三種稀有金屬的塗層時，機動車尾氣中的有害氣體大部分將轉化為無害氣體。由於採用鉑、銠等作催化劑，價格比較昂貴。隨後又研製出了稀土複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動機的空燃比保持在14.7附近，才能實現CO、HC、NOx的三效轉化。通過利用載體改性技術和多元催化劑活性組份協同複合技術研製的由貴金屬增效的稀土複合氧化物三效催化劑，採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，例如高溫熱穩定性差，容易鉛中毒，催化器在發動機啟動、怠速低溫條件下不起淨化作用，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，要求發動機的空燃比保持在14.7附近；催化淨化裝置增加了機動車排風阻力，降低了發動機功效等。目前尋求少用或不用稀貴金屬、價格低廉且性能穩定的淨化技術是本領域所追求的目標。
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成的氣體淨化器，公告號CN2660374)公開了一種氣體淨化器，初步解決了上述問題，但是，用該裝置處理機動車尾氣，氣體光催化反映區的時間短，淨化效果相對較差，而且，氣體要經過一個Z字形轉向，增大了氣流的阻力，增加了發動機的排氣負擔。
發明內容
本發明的發明目的在於，克服現有技術存在的技術缺陷，提供一種結構簡單、成本低、排氣通暢、光催化作用時間長、尾氣淨化效果好、對起燃溫度沒有限制，怠速低溫條件下仍具淨化作用的光催化協同等離子體作用的一體式機動車尾氣淨化裝置。
本發明光催化協同等離子體作用的一體式機動車尾氣淨化裝置，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；其特徵是數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管構成，內管套裝於外管內且兩管同軸，兩管之間留有間隙；外管和內管的壁厚為1-1.5mm，介電常數不大於45；利用溶膠-凝膠法將納米尺度的二氧化鈦負載於陶瓷管腔體表面；內管插入金屬棒，外管包裹金屬網，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載於陶瓷管腔體表面，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載於陶瓷管腔體表面，其負載位置在於內管(6)的外表面和外管(5)的內表面，無需球狀顆粒的填充。
本發明的基本原理為在常壓下通過介質阻擋放電產生低溫等離子體，同時，有效負載於反應器表面的納米尺度的TiO2光催化材料，在等離子體放電產生的近紫外光波輻照作用下會生成的氧化能力極強的羥基自由基OH與光生電子，協同低溫等離子體中大量高能電子、激發態粒子、原子氧(0)、自由基(OH，HO2)以及臭氧(O3)與機動車排氣中一氧化碳(CO)、碳氫化合物(CH)、氮氧化物(NOx)等汙染物發生一系列的氧化還原化學反應，從而實現通過光電協同增強催化淨化尾氣汙染物的目標。
其基本原理的化學反應方程式為NOx的氧化反應NO+O→NO2NO+20H→NO2+H2O
NO+HO2→NO2+OHNO+O3→NO2+O2HC的氧化反應HC+O→CO2+H2OHC+20H→CO2+H2OHC+HO2→CO2+H2OHC+O3→CO2+H2OCO的氧化反應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氣體反應淨化過程在當尾氣溫度小於400℃區間時，將尾氣通過尾氣入口混合室引入陶瓷放電管；調節變壓器輸出合適電壓，在陶瓷放電管的內外管間隙產生穩定的等離子場。在等離子體放電產生的在波長小於387納米的紫外光波輻照作用下，負載於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，這些活性基團與機動車尾氣中的氮氧化物、一氧化碳和碳氫發生物理和化學反應，實現光催化協同淨化作用。
本發明結構簡單、成本低、光催化作用時間長、尾氣淨化效果好、對起燃溫度沒有限制，怠速低溫條件下仍具淨化作用。由於本發明採用並聯同軸套管的放電結構，氣體穿過環狀反應區的阻力很小，因此對發動機背壓的影響很小，從而降低了空燃比，提高了燃燒效率，可以大幅度節約燃料。
圖1為本發明光催化協同等離子體作用的一體式機動車尾氣淨化裝置結構示意圖；圖2為本發明裝置的陶瓷放電管結構示意圖；圖3為用本發明裝置淨化模擬機動車尾氣的系統流程圖；具體實施方式
下面結合具體實施例和附圖，對本發明作進一步詳細說明。
實施例1、光催化協同等離子體作用的一體式機動車尾氣淨化裝置，包括漸擴式尾氣入口混合室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；其特徵是四根陶瓷放電管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和陶瓷內管6構成，內管6套裝於外管5內，且兩管同軸，兩管之間留有間隙；外管5和內管6的壁厚為1mm，介電常數不大於45；利用溶膠-凝膠法將納米尺度的二氧化鈦有效負載於陶瓷外管、內管腔體表面；內管6插入金屬棒7，外管包裹金屬網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，壁厚小於1.5mm，介電常數不大於45的陶瓷管作外管5和內管6，利用溶膠-凝膠法將納米尺度的二氧化鈦有效負載於陶瓷管的內外壁面。所述負載方法，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。其負載位置在於內管6的外表面和外管5的內表面。在外管5外壁面包裹金屬絲網4(其材質可以為不鏽鋼、銅或鋁)，在內管中心插入直徑為5mm的金屬棒7(其材質可以為不鏽鋼或銅)。將來自高壓電源的電極分別連接到這兩組電極上，形成一個放電反應模塊。電源特性為峰值電壓為10KV，脈衝頻率為500-800Hz，額定功率小於50W。
1、用本實施例光催化協同等離子體作用的一體式機動車尾氣淨化裝置處理冷態模擬尾氣測試條件系統採用冷態模擬尾氣，實現方式如圖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，在溫控恆溫預混室內配比出所需濃度的冷態模擬尾氣。
主要尾氣組分配比均符合機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)，以氮氣作為平衡氣，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停留時間大於0.5s，測試結果可以獲得淨化效率分別達到NOx≥80％，CO≥78％，HC≥90％；這個結果相對於現有的三元催化裝置具有明顯的優勢，因為三元催化裝置在低溫條件(如機動車在怠速行駛時)下對尾氣的汙染物是基本不起作用的，其可以獲得的淨化效率只有NOx≥30％，CO≥25％，HC≥21％。
2、用本實施例光催化協同等離子體作用的一體式機動車尾氣淨化裝置處理熱態模擬尾氣測試條件為採用熱態模擬尾氣測試，尾氣溫度分別設定為為150℃、250℃、350℃，同樣保證0.5s的反應停留時間。
主要尾氣組分配比均符合機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)，以氮氣作為平衡氣。總氣體流量為10L/min。
測試結果可以獲得淨化效率分別達到NOx≥92％，CO≥93％，HC≥95％；這個結果與現有的三元催化裝置也有一定的優勢，三元催化裝置在此溫度條件下可以獲得的淨化效率只有NOx＝85％，CO＝90％，HC＝90％。
實施例2、與實施例1基本相同，所不同的是，所述外管和內管的壁厚為1.5mm。
最後，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發明的具體實施例。本發明保護範圍包括但不限於以上實施例。可以根據機動車排量的大小選擇陶瓷放電管的數目。
本發明還可以應用於對燃媒煙氣中氮氧化物和二氧化硫，以及室內空氣汙染物的淨化。
權利要求
1.一種光催化協同等離子體作用的一體式機動車尾氣淨化裝置，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；其特徵是數根陶瓷放電管(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)和陶瓷內管(6)構成，內管(6)套裝於外管(5)內且兩管同軸，兩管之間留有間隙；外管和內管的壁厚為1-1.5mm，介電常數不大於45；利用溶膠-凝膠法將納米尺度的二氧化鈦負載於陶瓷管腔體表面；內管(6)插入金屬棒(7)，外管包裹金屬網(8)，形成筒狀同軸線面式電極布局。
2.根據權利要求1所述的一種利用光催化協同等離子體淨化機動車尾氣汙染物的裝置，其特徵在於所述利用溶膠-凝膠法將納米尺度的二氧化鈦負載於陶瓷管腔體表面，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.根據權利要求1所述的一種利用光催化協同等離子體淨化機動車尾氣汙染物的裝置，其特徵在於所述利用溶膠-凝膠法將納米尺度的二氧化鈦負載於陶瓷管腔體表面，其負載位置在於內管(6)的外表面和外管(5)的內表面。
全文摘要
本發明公開了一種光催化協同等離子體作用的一體式機動車尾氣淨化裝置，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管構成，內管套裝於外管內且兩管同軸，兩管之間留有間隙；陶瓷管腔體表面負載二氧化鈦；內外管形成電極布局。本發明結構簡單、光催化作用時間長、尾氣淨化效果好、對起燃溫度沒有限制，怠速低溫條件下仍具淨化作用。本發明採用並聯同軸套管的放電結構，氣體穿過反應區的阻力小，因此對發動機背壓的影響很小，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 優先權日2007年1月12日
發明者李佳鳳, 楊宏旻 申請人:南京師範大學