治理城市霧霾的神奇物質-稀土材料

出品：科普中國

製作：中國稀土學會

監製：中國科學院計算機網路信息中心

引言：最近幾天，史上罕見的霧霾再次襲擊北京城，11月30日18時左右，北京京西南區域點PM2.5濃度達到1000微克/立方米，已接近1952年倫敦霧事件。

從2013年開始，「霧霾」成為年度關鍵詞。這一年的1月，4次霧霾過程籠罩30個省（區、市），在北京，僅有5天不是霧霾天。有報告顯示，中國最大的500個城市中，只有不到1%的城市達到世界衛生組織推薦的空氣質量標準，與此同時，世界上污染最嚴重的10個城市有7個在中國。

十面「霾」伏的北京城

這讓我們不禁想起了1952年12月持續了5天的倫敦大霧。當時能見度只有幾米，找到路的唯一辦法是沿著馬路護欄和房屋行走。人們根本看不清交通狀況，過馬路必須靠聽覺。造成污染的最直接原因是發電站和普通家庭使用的煤炭以及汽車尾氣。

1952年倫敦大霧引發的直接死亡人數達到4000至6000人，其中主要是兒童和患有呼吸疾病的人群。這是一場全國性災難。如果按照中國的人口規模換算，相當於8萬人死亡。由於大霧帶來的嚴重影響還加劇了人們已有的病情，而且並非所有死亡人數都立即進行了登記，因此估計最終的死亡人數為1.2萬人。

倫敦大霧

下圖分別為北京和上海的環境狀況，其中北京的機動車污染佔比達31.1%，上海的流動源也就是機動車尾氣污染佔比最大為25.8%。

1、機動車排放的PM2.5的粒度很小，在0.04-0.3微米（柴油車0.3,汽油車0.1，摩托車0.04）, 遠小於2.5微米，不但能夠進入肺部，而且能夠進入血液，對人體的危害巨大 。

2、化學組成的毒性大，機動車排放的PM2.5含有多環芳烴（PAHs）等16種高致癌物質（致癌無閾值即致癌沒有吸入量多少的限值），為毒性和危害最大的污染物 。

汽車尾氣排放的PM2.5 含有的16種芳烴高致癌物質

被汽車尾氣污染的人體器官

關於汽車尾氣凈化，以汽油車為例，現在主要的是採用的三效催化劑的凈化技術，三效催化劑由蜂窩體和催化劑塗層組成，催化劑塗層由稀土儲氧材料（由氧化鈰，氧化鑭和氧化鋯製備）、稀土穩定的氧化鋁材料和貴金屬組成。稀土儲氧材料中的稀土元素鈰為一種變價元素，其氧化物具有特殊的儲存和放氧功能，與貴金屬Pt,Pd和Rah結合，在貧燃時儲存氧，富燃時提供氧，將汽車尾氣排放的碳氫化合物（HC）、一氧化碳（CO）和氮氧化合物（NOx）等污染物高效轉化為還原成對人體無害的氮氣和水。由於稀土儲氧材料的高性能，使三效催化劑的性能大幅度提高，現在國外已經達到准零排放水平，最終將實現基本上不排放污染物。

既然汽車安裝了尾氣凈化裝置，為什麼國內的城市污染依然持續爆表呢？其主要原因在於國內大量的汽車存在尾氣凈化器過期使用的問題。

據四川大學催化材料研究所所長陳耀強教授介紹，我們國家現在對汽油車只有排放檢測沒有過期催化劑更換，2000年實施汽油車的國Ⅰ排放標準，將催化劑裝上車，催化劑的壽命為8萬公里行駛里程。計程車每年的行駛里程在20萬公里左右，所以計程車一年必須換兩次催化劑才能保證排放達標。照此計算，2000年1月購買的計程車在2000年內就應該更換兩次催化劑。從2000年到現在2015年全國都沒有啟動換催化劑，這裡有多少高排放車可想而知。

到2014年底，我國的汽車保有量為1.5億輛，其中汽油車1.3億輛。有多少超標排放的汽油車？對國Ⅰ至國Ⅲ汽油車催化劑的使用壽命為8萬公里或5年，以先到者為準，即不論半年，一年，兩年，三年，四年，只要行駛距離達到8萬公里，就得更換催化劑，如果5年不到8萬公里，也得更換催化劑；對於國Ⅳ汽油車，使用壽命為8萬公里或5年，以先到者為準。

按催化劑的壽命8（10）萬公里或5年計算，2010年及以前生產有六千六百多萬輛汽油車無需檢測也能判斷它排放肯定已經超標，2014年六月份以前買的500萬計程車肯定排放超標， 2011年到2014年生產的六千多萬輛汽油車中有兩千萬輛以上排放已經超標，加起來排放超標車超過九千萬輛，即 1.3億輛汽油車中至少九千萬車輛排放超標，這是我們國家在用汽油車的排放情況。

催化劑的壽命里程（8萬公里或10萬公里）是實驗計算得到的，當汽車行駛距離超過八萬公里時，排放基本上是超標，所以造成大範圍大面積的污染是由於沒有定期更換催化劑造成的，也就是說PM2.5、碳氫化合物、一氧化碳和氮氧化物隨著行使里程增加，可以達到排放標準的幾十倍至上百倍，這已得到不同行駛里程的汽油車尾氣測定結果的證實。

根據陳耀強教授介紹，催化劑自身失效，會造成污染物排放增加3倍左右，而潤滑油里的磷，鋅等在催化劑孔道內的沉積，使排氣阻力（背壓）增加，發動機燃燒劣化是造成污染物排放增加數十倍的主要原因。從過期催化劑的SEM和元素分析得到證實，催化劑過期時間越長，催化劑孔道堵塞越嚴重，污染排放越高。

從測定結果分析，更換催化劑後的汽油車，PM2.5至少可以降低60%到80%。

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