飛馳的煙囪，金屬“貴族”的“盛宴”

蘇更林

在地球上，川流不息的汽車無(wú)疑是一個(gè)偉大的發(fā)明。然而，汽車在為我們帶來(lái)速度和效率的同時(shí)，也在污染著我們賴以生存的環(huán)境。發(fā)生在汽車煙囪里的“革命”，就是治理汽車尾氣污染的一劑良方。

解放了雙腿，污濁了大氣

對(duì)于燃油汽車來(lái)說(shuō)，其前行的動(dòng)力來(lái)自汽油等燃料所蘊(yùn)含的化學(xué)能。燃料在內(nèi)燃機(jī)中的燃燒就是其釋放化學(xué)能的基本過(guò)程，然后將其轉(zhuǎn)化為汽車運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。

在這個(gè)過(guò)程中，燃料的燃燒不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些廢氣。我們通常稱其為汽車尾氣。我們知道，汽車尾氣的主要成分是二氧化碳，這是汽油等燃料燃燒的終極產(chǎn)物之一。二氧化碳作為一種主要的溫室氣體，被認(rèn)為是導(dǎo)致全球變暖的“元兇”。實(shí)際上，汽車尾氣的成分是極其復(fù)雜的，對(duì)大氣造成的污染是十分巨大的。那么，除了二氧化碳，汽車尾氣中還有哪些有害成分呢？

一氧化碳 說(shuō)起一氧化碳，大家一定不會(huì)陌生。這是一種無(wú)色無(wú)味但有毒的物質(zhì)，煤氣中毒的罪魁禍?zhǔn)拙褪撬?。一氧化碳?huì)降低血液的輸氧能力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致人體組織因缺氧而死亡。汽車尾氣中的一氧化碳含量不一，主要取決于烴類燃料的燃燒程度。一氧化碳作為燃燒的中間產(chǎn)物，主要是由于烴類燃料不能完全燃燒而產(chǎn)生的。一般在汽車空擋運(yùn)轉(zhuǎn)、慢速行駛或負(fù)重過(guò)大時(shí)，燃料往往燃燒不夠充分，因此廢氣中一氧化碳含量就會(huì)增加。

烴類物質(zhì) 也就是我們常說(shuō)的碳?xì)浠衔铩Ｆ囄矚庵械奶細(xì)浠衔锍煞直容^復(fù)雜，既有飽和烴，也有不飽和烴，還有含氧碳?xì)浠衔?，如醛類化合物等。就其?lái)源來(lái)講，一般包括未燃燒的燃料烴、不完全氧化的產(chǎn)物以及燃燒過(guò)程中部分被分解的產(chǎn)物等。在大氣中，碳?xì)浠衔镒鳛楣饣瘜W(xué)煙霧的前體物質(zhì)之一，其氧化分解產(chǎn)物氫氧自由基是形成光化學(xué)煙霧的關(guān)鍵因素。20世紀(jì)40年代，發(fā)生在美國(guó)洛杉磯的光化學(xué)煙霧事件，就是由于汽車燃油排放的碳?xì)浠衔?、氮氧化物以及?dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境和氣候因素共同作用的結(jié)果。光化學(xué)煙霧的某些成分（如過(guò)氧乙酰硝酸酯、甲醛等）對(duì)人的眼睛具有明顯的刺激作用，并對(duì)鼻、咽、喉、氣管以及肺部等具有刺激作用。光化學(xué)煙霧還會(huì)降低大氣的能見(jiàn)度，從而影響人們的出行；同時(shí)，光化學(xué)煙霧對(duì)植物也有一定的毒害作用，會(huì)造成農(nóng)作物的減產(chǎn)。

氮氧化物 從燃油燃燒的過(guò)程來(lái)看，其排放的氮氧化物主要是一氧化氮（大于95%），剩余的主要是二氧化氮。一氧化氮為無(wú)色無(wú)臭的氣體，高濃度的一氧化氮會(huì)導(dǎo)致人體血液缺氧，并引起中樞神經(jīng)麻痹。二氧化氮為具有刺激性的紅棕色氣體，并對(duì)人的呼吸系統(tǒng)具有危害性。二氧化氮在日光的照射下會(huì)產(chǎn)生原子氧，原子氧與氧氣的結(jié)合可以生成臭氧。二氧化氮通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)還會(huì)產(chǎn)生硝酸鹽二次顆粒，是形成灰霾的主要因素，從而導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降。同時(shí)，二氧化氮與水蒸氣發(fā)生作用，還是形成酸雨的重要原因之一。

發(fā)生在煙囪里的“革命”

其實(shí)，應(yīng)對(duì)汽車尾氣危機(jī)并不是當(dāng)今社會(huì)獨(dú)有的問(wèn)題，從18世紀(jì)后期開(kāi)始，工業(yè)革命的迅速興起，加速了汽車工業(yè)的崛起，空氣污染對(duì)人類健康的影響日益突出。

1909年，法國(guó)化學(xué)家弗倫克爾在第七屆國(guó)際應(yīng)用化學(xué)大會(huì)上提出“用催化劑來(lái)促進(jìn)燃燒”的方案。然而，弗倫克爾作為解決汽車尾氣排放問(wèn)題的“吹風(fēng)者”，并沒(méi)有引起人們的足夠重視。

真正讓煙囪里的“革命”實(shí)施落地的是法國(guó)工程師胡德里。胡德里是一個(gè)癡迷汽車的傳奇人物，在汽車的發(fā)展歷程中留下了他的創(chuàng)新足跡。

胡德里出生于1892年，其父親為結(jié)構(gòu)鋼制造商，他在大學(xué)主修機(jī)械工程，畢業(yè)后，他在父親的鋼鐵企業(yè)工作。

第一次世界大戰(zhàn)后，胡德里作為一名業(yè)余公路賽車手，對(duì)汽油的品質(zhì)極為關(guān)注。他曾致力于用褐煤合成汽油的研究，并因此成為了合成燃料的先驅(qū)。但由于合成燃料的成本明顯高于進(jìn)口汽油，法國(guó)有關(guān)方面終止了對(duì)該研究的資助。后來(lái)，胡德里接受美國(guó)一家石油公司的邀請(qǐng)來(lái)到美國(guó)。1930年，胡德里發(fā)明了晶體硅酸鋁催化劑，并開(kāi)發(fā)了一種用于制造高辛烷值燃料的催化工藝，他因此獲得了珀金獎(jiǎng)?wù)碌榷囗?xiàng)榮譽(yù)。

20世紀(jì)四五十年代，美國(guó)洛杉磯等汽車密集的城市相繼發(fā)生光化學(xué)煙霧事件。胡德里再次把研究的目光投向催化劑，以解決由燃油燃燒造成的污染問(wèn)題。1952年，他研制出了催化轉(zhuǎn)化器并注冊(cè)了專利。這些催化轉(zhuǎn)化器主要應(yīng)用于工廠的煙囪中，而未能在汽車煙囪中獲得應(yīng)用，其原因是汽油中添加的抗爆震劑四乙基鉛會(huì)使催化轉(zhuǎn)化器失效。

為了把“凈化空氣”行動(dòng)落到實(shí)處，1973年美國(guó)啟動(dòng)了含鉛汽油淘汰計(jì)劃。1975年，美國(guó)汽車煙囪“革命”迎來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)，世界上第一款量產(chǎn)的催化轉(zhuǎn)化器開(kāi)始成為汽車的一個(gè)部件。

如何為汽車尾氣“消毒”

說(shuō)到汽車煙囪里的“革命”，到底催化轉(zhuǎn)化器有著怎樣的秘密，居然能把汽車尾氣中的有害成分轉(zhuǎn)化為無(wú)害成分？

催化轉(zhuǎn)化器之所以能把汽車尾氣中的有害成分轉(zhuǎn)化為無(wú)害成分，其技術(shù)核心就是催化劑。汽車催化劑包括兩個(gè)部分，即主催化劑和助催化劑。主催化劑是以貴金屬為代表的活性組分，助催化劑多由稀土或賤金屬材料組成，主要是提高催化劑的活性和穩(wěn)定性。

20世紀(jì)70年代，汽車尾氣凈化催化劑主要為鉑-鈀氧化型催化劑，可有效地把尾氣中的一氧化碳和碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為二氧化碳和水。這樣的設(shè)計(jì)是由當(dāng)時(shí)的環(huán)保法規(guī)要求決定的。

20世紀(jì)70年代末到80年代，汽車尾氣凈化催化劑主要為鉑-銠雙金屬催化劑，這是基于某些國(guó)家對(duì)氮氧化物排放進(jìn)行控制的實(shí)際要求而設(shè)計(jì)的。但由于該型催化劑易受鉛的毒化，其應(yīng)用效果并不理想。

現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的汽車尾氣催化轉(zhuǎn)化器多為三元催化器，即鉑-鈀-銠三效催化劑。目前車用催化轉(zhuǎn)化器一般是由催化劑、金屬殼體、墊層、陶瓷載體四部分組成的。其中的催化劑是催化轉(zhuǎn)化器的核心部分，主催化劑為鉑、鈀、銠三種貴金屬，助催化劑多為鈰、鋇、鑭等材料。

主催化劑中的鉑、鈀、銠皆為鉑族元素，因其電子結(jié)構(gòu)獨(dú)特、催化活性顯著而受到青睞，并因資源稀少、提煉困難而變得極其珍貴。據(jù)悉，除了鉑的價(jià)格略低于黃金外，鈀和銠的價(jià)格都比黃金高，甚至銠的價(jià)格是黃金的8.3倍。因此，把鉑、鈀、銠稱為金屬中的“貴族”是恰如其分的。

在三種貴金屬中，銠負(fù)責(zé)催化還原，鈀負(fù)責(zé)催化氧化，鉑對(duì)兩者都有活性。正是它們的分工協(xié)作才完成了尾氣的轉(zhuǎn)化任務(wù)，即將汽車尾氣中的一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸镛D(zhuǎn)化為二氧化碳、水和氮?dú)猓瑥亩_(dá)到凈化汽車尾氣的目的。

治理汽車尾氣污染始終是防治空氣污染的重頭戲，也是我國(guó)“十四五”規(guī)劃的重點(diǎn)和難點(diǎn)。從技術(shù)的角度來(lái)講，控制汽車尾氣排放包括機(jī)內(nèi)凈化措施和機(jī)外凈化措施兩大部分。我們所說(shuō)的汽車煙囪里的“革命”，則屬于機(jī)外凈化工藝。機(jī)內(nèi)凈化措施和機(jī)外凈化措施的結(jié)合，將是未來(lái)治理汽車污染的出路。特別是從汽車總體技術(shù)著手改進(jìn)，并采用清潔能源、優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、調(diào)整燃燒方法、改進(jìn)操作條件、強(qiáng)化機(jī)外凈化等，將有助于有效治理汽車尾氣污染。

有序回收讓“貴金屬”重生

據(jù)悉，三元催化轉(zhuǎn)化器中的“貴金屬”含量因類型不同而存在差異。標(biāo)準(zhǔn)催化轉(zhuǎn)化器中的含量，一般鉑為3～7克，鈀為2～7克，銠為1～2克。

也許你會(huì)認(rèn)為以“克”計(jì)的添加量并不算多，然而乘以巨大的汽車基數(shù)那可就是一個(gè)巨量數(shù)字了。截至2022年3月底，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)4.02億輛，其中汽車3.07億輛。就世界而言，大約有15億輛汽車穿梭在地球上。

再來(lái)看看鉑族元素的儲(chǔ)量。鉑族元素在地殼中的分布極微，其平均豐度多以ppb（十億分之一）來(lái)表示。如鉑的平均豐度為5ppb，鈀的平均豐度為15ppb，銠的平均豐度為1ppb。以鉑族元素的產(chǎn)量來(lái)看，大約有60%以上的鉑被用于汽車尾氣處理催化劑。

隨著汽車數(shù)量的增長(zhǎng)以及環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高，用于汽車尾氣處理的“貴金屬”存在資源枯竭的可能。破解剛性需求與資源不足矛盾的突破口，在于尋找替代品以及回收貴金屬等。

要知道，尋找替代品需要技術(shù)上的突破，因此需要時(shí)間來(lái)攻關(guān)。貴金屬回收雖有一定難度，但回收技術(shù)已基本定型。不過(guò)，在《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄（2021年版）》中，機(jī)動(dòng)車和非道路移動(dòng)機(jī)械尾氣凈化廢催化劑被列為危險(xiǎn)廢物。

原來(lái)，廢汽車尾氣凈化催化劑含有重金屬、有機(jī)污染物等危險(xiǎn)成分，處置不當(dāng)會(huì)對(duì)水體、土壤、植被和動(dòng)物等造成危害，并通過(guò)食物鏈危及人體健康，因此需要具有資質(zhì)的正規(guī)企業(yè)來(lái)進(jìn)行處置。

科學(xué)有序回收汽車尾氣廢催化劑中的“貴金屬”，一方面可以回收鉑、鈀、銠等貴金屬資源，另一方面還可以從源頭上治理廢舊汽車尾氣凈化催化劑污染，因此具有十分重要的意義。