В настоящее время загрязнение воздуха в больших городах связано в первую очередь с автомобильными выбросами, и основные загрязнители это окислы азота, углеводороды и сажа (в выхлопе дизеля). Последнее особенно относится к странам Западной Европы, где дизельный автотранспорт является преобладающим. Дизель более экономичен, чем бензиновый двига тель, он использует более дешевое дизельное топливо, но имеет в плане экологии два существенных недостатка: в дизельном топливе обычно больше серы, чем в бензине, и дизельный выброс содержит сажу канцерогенный загрязнитель, наносящий существенный вред экологии. Кроме того, в выбросе дизеля содержится большее (относительно бензинового ДВС) количество кислорода, и пока не существует надежного катализатора, способного уменьшить концентрацию NO, в таких условиях.

Перспективы использования разрядных методов и озона для очистки выбросов ДВС даются в статье И.Хаммера. Во всех вариантах применения нетермической плазмы (НТП) озон играет вспомогательную роль, но участвует в сложном взаимодействии большого числа атомно-радикальных превращений. В очень упрощенном варианте речь идет о следующем.

1. В результате столкновений электронов с компонентами выброса возникают атомы в основном и возбужденном состояниях и радикалы О(³P), O(¹D), N(⁴S), N(21), H, OH^-

2. В принципе молекулы №О могут восстанавливаться по реакции

NO+N → N₂+0

Однако в бедных двигательных смесях, т. е. в смесях с боль шим содержанием воздуха, эта реакция не играет роли, так как в этом случае в игру вступают атомы О, которые конвертируют NO до NO₂ и N₂O₅. Участвует в этих процессах и озон. Отметим такой существенный факт, что скорость окисления NO и NO2 с участием атомов О падает с температурой, и по этой причине при высоких температурах выхлопа эффективность этого процесса уменьшается.

Присутствующие в выхлопных газах углеводороды воздействуют существенным образом на конверсию NO в NO₂. В этом случае в газе при реакциях с О-атомами появляются органические радикалы, такие, как СН3^•, CH₃O₂^•, HNO^•, Н₂^• (для пропилена). Сходный набор радикалов существует и для этилена.

Количественное рассмотрение всей совокупности данных по взаимным превращениям углеводородов, окислов азота, азота и кислорода приводит к следующему существенному выводу:

• углеводороды способствуют конверсии NO в NO₂ (в присутствии углеводородов достигается более высокая степень конверсии). Эксперименты с синтетическими газовыми смесями и с реальными газовыми выбросами подтверждают этот факт.

На рис. 4.13 представлены кривые конверсии NO в NO2 при отсутствии и в присутствии углеводородов (смеси 1 и 2 соответственно).

Использование катализатора и восстановительного реагента подобно аммиаку позволяет конвертировать NO и NO₂ согласно реакциям

4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂+6H₂O. (4.8)

6NO₂ + 8NH₃ → 7N₂ + 12H₂O. (4.9)

Для первой из этих реакций используется катализатор (например, V₂O₅-W₃O/TiO₂), который эффективно работает при температуре выше 200°С. Восстановление NO₂ идет при более низкой температуре.

Рис. 4.13. Конверсия NO в NO₂:
смесь 1 - при отсутствии углеводородов; смесь 2 в присутствии углеводородов

Однако если концентрация NO₂ достаточно высока, а темпе- ратура катализатора низка (~100°С), реакция аммиака с дву- окисью азота идет по нежелательному пути:

2NO₂ + 2NH₃ → N₂ + H₂O + NH₄NO₃. (4.10)

В этом случае в выбросе появляется нитрат аммония в виде аэрозоля или мелкодисперсных частиц, что недопустимо с точки зрения экологии.

Обработка выхлопа дизеля низкотемпературной плазмой мо жет оказаться успешной (рис. 4.14). Применение комбинации низкотемпературной плазмы и селективного катали- затора эффективно в плане конверсии NO в NO₂ в условиях выхлопа стартующего автомобиля при низкой температуре. Здесь существует еще ряд проблем, плохо изученных до настоящего времени, как, например, появление фрагментов углеводородов при использовании низкотемпературной плазмы или роль серы в конверсии О в дизельном выхлопе, но все это не связано непосредственно с озоном и рассматриваться не будет.

Важность таких параметров, как удельная энергия низкотемпературной плазмы и влажность, рассмотрена в работе Вольфа с коллегами, где использовался барьерный разряд и хроматомасс-спектральный анализ продуктов синтетического выброса дизеля.

Рис. 4.14. Обработка выхлопа дизеля низкотемпературной плазмой

Рис. 4.15. Промежуточные продукты при конверсии NO в NO, во влажном газе

На рис. 4.15 представлены промежуточные продукты, образу ющиеся во влажном газе под действием барьерного разряда.

Из данных рис. 4.15 очевидно следующее: озон появляется в газе только после полного исчезновения NO, причем HNO₃ возникает в детектируемых количествах уже при низких значениях удельной энергии и достигает величин 350 ррm. Сумма [NO₂] и [HNO₃] практически постоянна, что свидетельствует о конверсии N₂ в HNO₃.

Факт уже упоминавшегося влияния углеводородов на конверсию NO также отмечен в этой работе (рис. 4.16), где установлено, что чем выше концентрация углеводородов, тем ниже энергетическая цена конверсии.

Рис. 4.16. Влияние углеводородов на конверсию NO в NO₂

При максимально используемой в работе концентрации угле- водородов 2000 ррт эта величина всего лишь 4 эВ/молекулу NO.

Аналогичные данные проводятся в работе, где авторы для питания барьерного разряда используют импульсное питание с крутым фронтом нарастания напряжения. При таком виде питания увеличивается концентрация радикалов и атомов в газе выброса.

В 1991 г. на конференции по озону в Москве российские исследователи А. П. Мураков с коллегами представили доклад по уменьшению вредных выбросов дизеля методом озонирования.

Объектом исследования были судовые двигатели, отличаю- щиеся большим объемом выхлопных газов, высоким содержанием окислов углерода, азота, фенола, акролеина, бензопирена и сажи; схема установки (в тезисах доклада, к сожалению, не представлена) предусматривала двухступенчатую очистку. На первой ступени в аппарате «Ротоклон» происходит улавливание сажи и аэрозолей (дыма) в турбулентном потоке газов на по- верхности шаровой насадки, орошаемой полиэтиленсилоксановой жидкостью.

На второй ступени в аппарате «№1» происходит дестру тивное окисление и абсорбция токсичных компонентов газа при орошении их озонированной водой, получаемой в скоростном смесителе. «№2» и «№3» специальные конструкции, созданные для улавливания аэрозолей и озонирования жидкости.

При проведении экспериментов, по утверждению авторов, достигнута практически полная очистка выхлопных газов от СО_x, NO_x, и органических загрязнений в изученном интервале объемных скоростей газов (до 500 м³/ч) и величин плотности орошения до 1 кг/м³ газа. Сообщается также, что был разработан оригинальный узел очистки полиэтиленсилоксановой жидкости от сажи с регенерацией последней. Необходимо подчеркнуть, что эта работа российских ученых является практически единственной, где однозначно сообщается об успешной очистке дизельного выброса. К сожалению, мы не имеем детального описания этой работы и не можем определенно говорить об успешном решении проблемы дизельного выброса с использованием озона. Во вся ком случае анализ последних работ, частично приведенных выше, указывает на перспективность применения низкотемпературной плазмы и озона для очистки автомобильного выброса, поскольку в этом случае возможно конвертировать нитрозные соединения выхлопа при низкой температуре газа. Насколько нам известно, современные дизельные двигатели пока не оснащены очистны ми системами с низкотемпературной плазмой и озонаторами. Наиболее перспективной здесь является метод «зацикливания» выхлопа и впрыск лючевины. Тем не менее попытки повысить эффективность работы дизеля за счет прямого впрыска озона делаются до последнего времени.

Автор книги "Теория и практика получения и применения озона"
В.В. Лунин, Самойлович, В.Г., С.Н. Ткаченко, И.С. Ткаченко

По вопросам и предложениям свяжитесь с нами любым удобным способом

Телефон: 8 (800) 775-28-45
E-mail: info@ozonbox.pro
Соцсети: Вконтакте | Rutube