NGHIÊN CỨU XÚC TÁC TRONG XỬ LÝ KHÍ THẢI CỦA PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG CƠ GIỚI – BỘ XÚC TÁC XỬ LÝ 3 THÀNH PHẦN

MỞ ĐẦU 3I, CÁC CHẤT GÂY Ô NHIỄM CHỦ YẾU TỪ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ 6II, HỘP XÚC TÁC XỬ LÝ KHÍ THẢI 3 THÀNH PHẦN 71, Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm hoạt động 72, Các dạng bộ xúc tác xử lý 3 thành phần hiện nay 103, Một số phản ứng chính diễn ra trong bộ xúc tác 12III, Bộ xúc tác xử lý 3 thành phần trong động cơ xăng và động cơ diesel 141, Bộ xúc tác xử lý 3 thành phần trong động cơ xăng 14Vai trò của bộ cảm biến oxi. 152, Bộ xúc tác xử lý 3 thành phần trong động cơ diesel. 17Giới thiệu bộ lọc khí xả trên động cơ diesel của Bosch. 183, Ưu nhược điểm của bộ xúc tác xử lý 3 thành phần. 19IV, KẾT LUẬN 20TÀI LIỆU THAM KHẢO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC

- -TIỂU LUẬN MÔN ĐỘNG HÓA HỌC VÀ XÚC TÁC

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU XÚC TÁC TRONG XỬ LÝ KHÍ THẢI CỦA

PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG CƠ GIỚI – BỘ XÚC TÁC

XỬ LÝ 3 THÀNH PHẦN

GVHD: TS.Nguyễn Ngọc Tuệ

Học viên:

1/Nguyễn Quốc Thắng MSV: CB150011 2/ Lê Quốc Khánh - NCS

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

I, CÁC CHẤT GÂY Ô NHIỄM CHỦ YẾU TỪ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ 6

II, HỘP XÚC TÁC XỬ LÝ KHÍ THẢI 3 THÀNH PHẦN 7

1, Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm hoạt động 7

2, Các dạng bộ xúc tác xử lý 3 thành phần hiện nay 10

3, Một số phản ứng chính diễn ra trong bộ xúc tác 12

III, Bộ xúc tác xử lý 3 thành phần trong động cơ xăng và động cơ diesel 14

1, Bộ xúc tác xử lý 3 thành phần trong động cơ xăng 14

Vai trò của bộ cảm biến oxi 15

2, Bộ xúc tác xử lý 3 thành phần trong động cơ diesel 17

Giới thiệu bộ lọc khí xả trên động cơ diesel của Bosch 18

3, Ưu nhược điểm của bộ xúc tác xử lý 3 thành phần 19

IV, KẾT LUẬN 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của kinh tế xã hội, trong nhiều năm trở lại đây, số lượng phương tiện cá nhân gia tăng nhanh chóng đã khiến cho mức độ ô nhiễm không khí tại Hà Nội nói riêng và các thành phố lớn tại Việt Nam ngày càng tăng Hiện cả nước

có khoảng 1,5 triệu ô tô và 40 triệu phương tiện xe máy tham gia giao thông Trong

đó, chỉ tính riêng Hà Nội có khoảng hơn 6 triệu xe máy và Tp.HCM có hơn 8 triệu xe máy đang lưu thông Nhiều phương tiện cá nhân không thực hiện nghiêm túc chế độ bảo hành bảo dưỡng định kỳ là nguyên nhân làm tăng lượng khí phát thải ra môi trường với mức độ độc hại ngày càng lớn, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng không khí của các đô thị, đe dọa đến sức khỏe và cuộc sống của người dân thủ

đô Khí thải từ các phương tiện giao thông là thủ phạm chính gây ra ô nhiễm không khí tại đô thị Theo các chuyên gia giao thông, khí thải ô nhiễm môi trường có tới 70% bắt nguồn từ các phương tiện giao thông Khi các phương tiện sử dụng nhiên liệu để vận hành, động cơ sẽ phát thải một lượng lớn các chất khí có thành phần độc hại gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khỏe con người

Xe ô tô luôn được xem là một tác nhân rất lớn ảnh hưởng đến môi trường và bộ chuyển đổi khí thải xúc tác (Catalytic Converter) chính là một "anh hùng" thầm lặng

mà không phải ai cũng biết đến Theo một con số thống kê của Mỹ vào năm 2010, toàn thế giới có 1,015 tỷ chiếc xe đang lưu thông trên đường Đến nay là tháng 10/2013, con số này chắc chắn đã tăng lên khá nhiều, theo dự đoán thì đến năm 2050

sẽ có khoảng 2.5 tỷ chiếc Ví dụ như chúng ta hiện nay có 1 tỷ chiếc xe , mỗi chiếc chỉ chạy 10km/ngày và thải ra trung bình 250g CO2/km Như vậy, một ngày sẽ có khoảng 2,5 triệu tấn CO2 thải ra từ xe hơi, một con số vô cùng khủng khiếp Đây là nguyên nhân chính gây lên hiệu ứng nhà kính

Ngoài ra trong khí thải có rất nhiều thành phần độc hại như NOx, khí CxHy, khí CO… Những khí này, đặc biệt là khí CO khi ra môi trường, xảy ra phản ứng hóa học tạo ra khí nitrat, các HC tạo ra khí độc hại môi trường, gây độc hại làm cho con người bị ngộ độc, thậm chí ngạt thở Đối với động cơ diesel gây ra bụi hóa học khi hít thở vào trong người gây rất độc cho phổi và các bệnh tim mạch

Để khắc phục vấn đề này, trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đã nghiên cứu và chế tạo bộ xử lý khí thải bằng xúc tác, công nghệ này đã xuất hiện trên thế giới từ 26 năm trước và đã được thương mại hóa đại trà với giá từ 50 – 200USD

nhưng tại Việt Nam việc triển khai vẫn còn chậm và chưa tham gia sâu vào công cuộc giảm thiểu lượng khí thải do phương tiện giao thông

Trong khuôn khổ tiểu luận này nhóm em xin trình bày ứng dụng công nghệ xúc tác khí thải và lọc bụi khói giảm thiểu khí thải xe cơ giới nhằm cải thiện chất lượng môi trường không khí, cụ thể là hộp xúc tác xử lý khí thải 3 thành phần

Hình 1: Thiết bị xử lý khí thải của công ty Emitec, Đức

I CÁC CHẤT GÂY Ô NHIỄM CHỦ YẾU TỪ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ: [1,2,3,5]

1 Monoxyde Carbon (CO)

- Cơ chế hình thành: do quá trình oxi hóa không hoàn toàn nhiên liệu

- Tác hại: CO ngăn cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm các bộ phận trong cơ thể thiếu oxi, hít nhiều gây tình trạng mệt mỏi, ngạt thở…

2 Họ các oxit nito (NO x )

- Cơ chế hình thành: NOx được hình thành do N2 tác dụng với oxi ở nhiệt độ cao (trên 1100oC)

- Tác hại: Theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm và hủy hoại các tế bào của cơ quan hô hấp

3 Hydro cacbur (HC)

- Cơ chế hình thành: do quá trình cháy không hoàn toàn hoặc do các hiện tượng cháy không bình thường

- Tác hại: gây tác hại đến sức khỏe con người, chủ yếu là do các hydro cacbon thơm gây ung thư, rối loạn hệ tiêu hóa, hệ thần kinh, ảnh hưởng đến gan…

4 Oxit lưu huỳnh

- Cơ chế hình thành: hình thành từ lưu huỳnh có sẵn trong nhiên liệu

- Tác hại: làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cường độ độc hại của các chất ô nhiễm khác

5 Bồ hóng

- Là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ diesel Nó tồn tại dưới dạng những hạt rắn có kích thước trung bình 0,3mm nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi gây trở ngại cho cơ quan hô hấp, là nguyên nhân gây ra căn bệnh ung thư do các hydro cacbon thơm hấp thụ trên bề mặt của chúng trong quá trình hình thành

6 Chì

- Có mặt trong khí xả do Pb(C2H5)4 được pha vào trong xăng để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu

- Tồn tại dưới dạng hạt có đường kính cực bé nên rất dễ xâm nhập vào cơ thể qua da hoặc theo đường hô hấp gây xáo trộn trao đổi ion ở não, gây trở ngại cho sự tổng hợp enzyme để hình thành hồng cầu

• Khí thải của động cơ tác động đến môi trường sinh thái

Ngoài những tác hại đối với con người như đã nêu trên các chất ô nhiễm trong khí thải của động cơ còn có những tác động đến môi trường sinh thái:

- Thay đổi nhiệt độ khí quyển, gây hiệu ứng nhà kính

- Sự gia tăng NOx đặc biệt là NO2 làm gia tăng sự hủy hoại tầng Ozone ở thượng tầng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời Tia cực tím gây ung thư da và gây đột biến sinh học, đặc biệt là đột biến sinh ra các vi trùng có khả năng làm lây lan các bệnh lạ dẫn đến sự hủy hoại các sinh vật

- Các chất khí có tính axit như SO2, NO2, … bị oxi hóa là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng thời tiết cực đoan như mưa axit, hủy hoại thảm thực vật, gây ăn mòn các công trình kim loại

II, HỘP XÚC TÁC XỬ LÝ KHÍ THẢI 3 THÀNH PHẦN[3, 6,7]

1, Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động.

Hộp xúc tác xử lý khí thải 3 thành phần được hiểu là bộ xử lý đồng thời 3 thành phần chất gây ô nhiễm CO, HC, NOx Ưu điểm của nó là có thể xử lý gần như hoàn toàn các thành phần chất ô nhiễm nói trên bằng các phản ứng hóa học và chuyển hóa thành các khí Cacbonic, nito, hơi nước Hộp xúc tác xử lý khí thải 3 thành phần bắt đầu được lắp đặt trên động cơ xe cơ giới từ năm 1975 và ngày nay nó trở nên phổ biến trên các phương tiện giao thông đường bộ

Hình 2: Động cơ sử dụng xúc tác 3 thành phần

Hình 3: Bên dưới khung gầm của một chiếc Mitsubishi Lancer Evolution đời

2010

Hình 4: Sơ đồ mô tả thiết bị sử dụng xúc tác 3 thành phần

Hình 5 Cấu tạo thiết bị sử dụng xúc tác 3 thành phần

Do các phản ứng nói trên phải mất thời gian dài để có thể chuyển hóa được hoàn toàn, thời điểm kết thúc các phản ứng là rất khác nhau dẫn đến tỷ lệ thành phần các chất ô nhiễm trong khí thải vẫn còn khá cao khi đi ra khỏi đường khí thải Để tăng tốc

độ phản ứng, người ta đã sử dụng các chất xúc tác là kim loại quý: Pt, Pd, Rh

Lớp hoạt tính là nơi diễn ra các phản ứng xúc tác được chế tạo bằng những kim loại quý mạ thành lớp rất mỏng trên vật liệu nền (wash-coat)

Vật liệu nền chủ yếu là một lớp nhôm gamma, bề dày khoảng 20-50 micron được tráng trên bề mặt của rãnh gộp Có tác dụng làm tăng bề mặt riêng của rãnh gộp do đó thuận lợi cho hoạt tính xúc tác của kim loại quý

Có 3 loại kim loại quý thường được dùng để tráng trên bề mặt của vật liệu nền: Platine, Palladium, Rhodium Hai chất đầu tiên (Pt, Pd) dùng cho các phản ứng xúc tác oxy hóa, trong khi đó Rh cần thiết cho phản ứng xúc tác khử NOx thành N2 Ngoài ra còn có một số kim loại như Ni, Fe, Si, Ba, K,

Zr, La với hàm lượng nhỏ để tăng tính xúc tác, tính ổn định và chống sự lão hóa

Bộ xúc tác ba chức năng chỉ phát huy tác dụng khi nhiệt độ làm việc lớn hơn 250°C Khi vượt qua ngưỡng nhiệt độ này, tỉ số biến đổi những chất ô nhiễm của bộ xúc tác tăng rất nhanh, đạt tỉ lệ lớn hơn 90%

Hộp xúc tác xử lý khí thải 3 thành phần được bố trí nằm giữa đường ống thải động cơ và bộ giảm âm, nằm gần về phía đường ống thải hơn để tận dụng nhiệt lượng cho các phản ứng hóa học (200 – 300oC), vật liệu chế tạo là thép không gỉ, hình trụ tròn hoặc ô van, ở hai đầu có lắp mặt bích để nối với các đường ống trung gian trong

hệ thống thải Cấu tạo bên trong hộp xúc tác xử lý gồm phần lõi và các lớp phủ chất xúc tác

2, Các dạng của bộ xúc tác xử lý 3 thành phần hiện nay

Bộ phận quan trọng nhất của bộ xúc tác xử lý khí thải 3 thành phần là phần lõi của nó Hiện nay có 3 dạng lõi khác nhau là lõi dạng viên gốm, lõi gốm nguyên khối

và lõi bằng kim loại

-Lõi dạng viên gốm gồm các lớp viên gốm hình cầu Vật liệu chế tạo được làm

từ gốm chịu nhiệt cao (cordierite: 2MgO.2Al2.5SiO2), có hệ số hấp thụ nhiệt thấp và nhiệt độ nóng chảy cao (1400oC) Các viên gốm có đường kính khoảng 2 – 3mm được phủ bề mặt bằng Al2O3, chúng có khả năng chống mòn và ma sát tốt sau khi được nhiệt luyện ở nhiệt độ khoảng 1000oC và được gọi là lớp nền Sau khi được phủ

bề mặt ngoài, các vật liệu quý Pt, Pd, Rh sẽ được thấm trực tiếp trên bề mặt của các viên gốm

Hình 6: Phần lõi gốm của bộ xúc tác xử lý khí thải.

-Dạng lõi gốm nguyên khối thường có cấu trúc tổ ong, gồm rất nhiều rãnh nhỏ

li ti kích cỡ mm được xếp song song với hướng đi ra của khí thải Lõi gốm cũng được làm từ vật liệu chịu nhiệt cordierit, các rãnh nhỏ song song có tiết diện ngang hình tam giác hoặc hình vuông Các rãnh dẫn khí thải này được phủ một lớp Al2O3 xốp, mấp mô dày khoảng 0,02mm Sau đó lõi gốm được thấm các kim loại quý Pt, Pd, Rh

Hình 7: Cấu tạo chi tiết của lõi gốm nguyên khối

-Lõi kim loại gồm các lá thép phẳng và các lá thép dập lượn sóng có độ dày 0,04 – 0,05mm được xếp thành lớp Sau đó chúng được cuộn thành hình dạng chữ S hoặc hình tròn Phổ biến nhất là loại lõi kim loại chia thành 2 phần riêng biệt, giữa hai phần có một khoảng trống nhỏ

-Lõi thép được phủ bằng Al2O3 có độ xốp cao và sau đó được thấm kim loại quý

Pt, Pd, Rh So với hai loại lõi trên thì lõi kim loại có nhiều ưu điểm vượt trội hơn như diện tích sử dụng có ích của các rãnh dẫn khí thải lớn hơn khoảng 10 – 15%, độ bền cao hơn, trở lực (mức độ cản trở chuyển động của dòng khí) đối với khí thải thấp Nhưng công nghệ chế tạo lõi kim loại phức tạp hơn, khối lượng lớn hơn và giá thành đắt hơn khoảng 15%

Hình 8: Phần lõi của bộ xúc tác xử lý khí thải 3 thành phần dạng nguyên khối, có tiết

diện ngang vuông

3, Một số phản ứng chính diễn ra trong bộ xúc tác:

Hình 9: Sơ đồ phản ứng trong hộp xúc tác ba thành phần

Do đặc thù về quá trình đốt cháy nhiên liệu mà động cơ xăng và diesel có sự khác nhau về khí xả của động cơ Về cơ bản khí xả động cơ xăng độc hại hơn động

cơ diesel Bởi vậy tuy bộ xúc tác 3 thành phần có thể sử dụng trên cả hai loại động cơ nhưng cấu tạo của chúng thì khác nhau

III, BỘ XÚC TÁC XỬ LÝ 3 THÀNH PHẦN TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ ĐỘNG CƠ DIESEL.[3,4,6,7, 8]

1 Bộ xúc tác 3 thành phần trên động cơ xăng[3, 4,6,7]

Đây là bộ xúc tác có cấu trúc dạng tổ ong, với tiết diện ống dạng tam giác hay vuông Xương ống được làm từ hợp kim tốt như inox hoặc làm từ hợp kim gốm sứ Ngày nay, người ta thường sử dụng xương ống bằng lá kim loại liền có độ dày rất nhỏ, do đó, chúng dẫn nhiệt tốt nên mất ít thời gian để kích hoạt bộ xúc tác Xương ống được phủ một lớp dạng xốp làm chất mang để kết hợp với các kim loại quý hiếm

Bề mặt được phủ lên này có độ dầy từ 20-60 micromet, khá nhấp nhô để tăng diện tích tiếp xúc của khí xả đối với bề mặt chất xúc tác Chất mang thường là các ôxit kim loại có tác dụng tăng hoạt tính cho các chất xúc tác hoặc đóng vai trò ổn định cấu trúc bề mặt xúc tác Các ôxit thường được sử dụng cho chất mang là ôxit Zirconi (ZrO2) , ôxit Xêri (CeO2),…

Các kim loại quý trong bộ xúc tác như Rodi (Rh), bạch kim (Pt), paladi (Pd) đều

là những chất xúc tác rất tốt trong khả năng kiểm soát khí xả Chúng thường được sử

dụng vài gam khối lượng của chúng để làm chất xúc tác Rodi có khả năng khử tốt khí NOx, trong khi bạch kim và paladi thì giúp quá trình ôxi hóa CO và H-C dễ dàng hơn Do đó, trong các bộ xúc tác ngày nay, lớp xúc tác chính là sự kết hợp của bạch kim và Rodi hoặc paladi và Rodi

Để xử lí thật triệt để, thật sạch các chất độc, nhiệt độ chất xúc tác phải trên

400oC Ở nhiệt độ đó, các chất xúc tác được hoạt hóa hoàn toàn, thúc đẩy quá trình phản ứng hóa học, đưa 3 loại chất thải có độc tố cao thành các chất không độc Ở lớp khử, NOx bị tách thành khí nitơ và khí ôxi Sau đó, khí ôxi vừa được tách ra cùng với lượng ôxi dư trong khí thải và ôxi cung cấp thêm, dưới tác dụng của chất xúc tác sẽ ôxi hóa CO và H-C thành các chất không độc như khí nhà kính CO2 và hơi nước Hai kim loại quý Pt và Pd là chất xúc tác để phản ứng oxi hóa xảy ra, còn Rh là chất xúc tác cho quá trình khử NOx thành N2

Có rất nhiều phản ứng xảy ra nhưng thời gian kết thúc các phản ứng này là không đồng thời, nguyên nhân là do nồng độ các chất HC, CO, NOx trong khí thải phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí của động cơ, khi hệ số này xấp xỉ bằng 1 thì hàm lượng CO và HC là nhỏ nhất Để đảm bảo hiệu quả làm việc của hộp xúc tác xử

lý khí thải bắt buộc phải duy trì hệ số dư lượng không khí trong một dải rất hẹp, nếu không tỷ lệ chuyển đổi các chất ô nhiễm sẽ giảm rất nhanh

* Vai trò của bộ phận cảm biến oxi

Cảm biến oxi đo sự khác biệt giữa lượng oxi trong khí thải và lượng oxi trong không khí để kiểm soát hệ số dư lượng không khí Cảm biến oxi được chia làm hai phần chính, một phần tiếp xúc trong không khí và khí thải chính là tín hiệu điện áp để

bộ ECM (mô đun điều khiển động cơ) phân tích và tính toán hàm lượng oxi trong khí thải

Khi hỗn hợp nghèo oxi, cảm biến oxi sẽ cho một tín hiệu điện áp khoảng 0,5 – 0,8V Ngược lại, khi hỗn hợp giàu oxi tín hiệu điện áp đầu ra sẽ là 0,2 – 0,5V

Hiện nay có nhiều loại cảm biến oxi khác nhau, phổ biến là hai loại chính: cảm biến oxi với thành phần ZrO2 (Zirconium dioxide) và cảm biến oxi với thành phần TiO2 (Titanium dioxide)

Vì đặc thù nhiên liệu, động cơ xăng dễ tạo ra khí xả chứa NOx, CO, H-C Đồng thời, nhiệt độ khí xả động cơ xăng cao, lớn hơn 600 độ C Do đó, khi đặt bộ xúc tác ở

vị trí phù hợp trên đường ống xả, bộ xúc tác sẽ tự động được kích hoạt và chuyển hóa các chất độc thành những chất ít độc hơn thải ra môi trường Mặt khác, để đạt hiệu

quả cao nhất, tỉ lệ khí – nhiên liệu cũng phải dao động thường xuyên trong khoảng tiêu chuẩn cho phép Nếu hỗn hợp đậm, tạo ra nồng độ CO và H-C trong khí xả cao,

sự khử hóa học của NOx sẽ xảy ra, nhưng do thiếu ôxi nên vẫn còn CO và H-C trong khí xả ra ngoài Hoặc, một hỗn hợp nhạt, với nồng độ ôxi trong khí xả cao thì CO và H-C sẽ bị ôxi hóa nhanh, do đó NOx vẫn còn lại sau phản ứng Bởi vậy cần đảm bảo

tỉ lệ khí-nhiên liệu qua ECU động cơ và cảm biến ôxi trên đường xả Cảm biến ôxi đo lượng ôxi còn lại trong khí xả Từ đó xác định được mức độ dư thừa không khí nhằm điều chỉnh cho phù hợp với tỉ lệ lý thuyết

Hình 11: Bộ cảm biến oxi

Mặt khác, khi chạy trên đường, tỉ lệ khí – nhiên liệu luôn thay đổi theo điều kiện hoạt động của xe Trong trường hợp khởi động lạnh, chạy không tải hay phanh bằng động cơ, nhiệt độ trong buồng cháy thấp, dẫn đến nhiệt độ khí xả trong ống xả thấp Điều này có thể khiến bộ xúc tác không làm việc Để hạn chế điều này, người ta sử dụng thêm một bộ xúc tác phụ đặt trước bộ chính, gần động cơ để tận dụng nhiệt từ động cơ tỏa ra làm nóng nhanh bộ xúc tác phụ Nhiệt độ của bộ xúc tác phụ lúc này

có thể lên đến 1100o C, đòi hỏi vật liệu cũng phải thật bền và chịu được nhiệt độ cao Các bộ xúc tác ba thành phần đều chứa đựng khả năng dự trữ ôxi Khả năng này nằm trên lớp phủ bao ngoài xương ống Lớp phủ được làm từ Xêri, Ziconi, Bari… sẽ tác dụng với ôxi dư trong khí xả khi dư thừa không khí trong động cơ tạo thành các ôxit Khi khí xả trong bộ xúc tác thiếu ôxi, các ôxít này sẽ nhả khí O2 cung cấp cho các quá trình hóa học tiếp theo