治理城市雾霾的神奇物质-稀土材料

科普中国-科普融合创作与传播 2017-12-18

　　引言：最近几天，史上罕见的雾霾再次袭击北京城，11月30日18时左右，北京京西南区域点PM2.5浓度达到1000微克/立方米，已接近1952年伦敦雾事件。

　　从2013年开始，“雾霾”成为年度关键词。这一年的1月，4次雾霾过程笼罩30个省（区、市），在北京，仅有5天不是雾霾天。有报告显示，中国最大的500个城市中，只有不到1%的城市达到世界卫生组织推荐的空气质量标准，与此同时，世界上污染最严重的10个城市有7个在中国。

　　十面“霾”伏的北京城

　　这让我们不禁想起了1952年12月持续了5天的伦敦大雾。当时能见度只有几米，找到路的唯一办法是沿着马路护栏和房屋行走。人们根本看不清交通状况，过马路必须靠听觉。造成污染的最直接原因是发电站和普通家庭使用的煤炭以及汽车尾气。

　　1952年伦敦大雾引发的直接死亡人数达到4000至6000人，其中主要是儿童和患有呼吸疾病的人群。这是一场全国性灾难。如果按照中国的人口规模换算，相当于8万人死亡。由于大雾带来的严重影响还加剧了人们已有的病情，而且并非所有死亡人数都立即进行了登记，因此估计最终的死亡人数为1.2万人。

　　伦敦大雾

　　下图分别为北京和上海的环境状况，其中北京的机动车污染占比达31.1%，上海的流动源也就是机动车尾气污染占比最大为25.8%。

　　机动车尾气的主要危害

　　1、机动车排放的PM2.5的粒度很小，在0.04-0.3微米（柴油车0.3,汽油车0.1，摩托车0.04）, 远小于2.5微米，不但能够进入肺部，而且能够进入血液，对人体的危害巨大。

　　2、化学组成的毒性大，机动车排放的PM2.5含有多环芳烃（PAHs）等16种高致癌物质（致癌无阈值即致癌没有吸入量多少的限值），为毒性和危害最大的污染物。

　　汽车尾气排放的PM2.5 含有的16种芳烃高致癌物质

　　被汽车尾气污染的人体器官

　　关于汽车尾气净化，以汽油车为例，现在主要的是采用的三效催化剂的净化技术，三效催化剂由蜂窝体和催化剂涂层组成，催化剂涂层由稀土储氧材料（由氧化铈，氧化镧和氧化锆制备）、稀土稳定的氧化铝材料和贵金属组成。稀土储氧材料中的稀土元素铈为一种变价元素，其氧化物具有特殊的储存和放氧功能，与贵金属Pt,Pd和Rah结合，在贫燃时储存氧，富燃时提供氧，将汽车尾气排放的碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）和氮氧化合物（NOx）等污染物高效转化为还原成对人体无害的氮气和水。由于稀土储氧材料的高性能，使三效催化剂的性能大幅度提高，现在国外已经达到准零排放水平，最终将实现基本上不排放污染物。

　　既然汽车安装了尾气净化装置，为什么国内的城市污染依然持续爆表呢？其主要原因在于国内大量的汽车存在尾气净化器过期使用的问题。

　　据四川大学催化材料研究所所长陈耀强教授介绍，我们国家现在对汽油车只有排放检测没有过期催化剂更换，2000年实施汽油车的国Ⅰ排放标准，将催化剂装上车，催化剂的寿命为8万公里行驶里程。出租车每年的行驶里程在20万公里左右，所以出租车一年必须换两次催化剂才能保证排放达标。照此计算，2000年1月购买的出租车在2000年内就应该更换两次催化剂。从2000年到现在2015年全国都没有启动换催化剂，这里有多少高排放车可想而知。

　　到2014年底，我国的汽车保有量为1.5亿辆，其中汽油车1.3亿辆。有多少超标排放的汽油车？对国Ⅰ至国Ⅲ汽油车催化剂的使用寿命为8万公里或5年，以先到者为准，即不论半年，一年，两年，三年，四年，只要行驶距离达到8万公里，就得更换催化剂，如果5年不到8万公里，也得更换催化剂；对于国Ⅳ汽油车，使用寿命为8万公里或5年，以先到者为准。

　　按催化剂的寿命8（10）万公里或5年计算，2010年及以前生产有六千六百多万辆汽油车无需检测也能判断它排放肯定已经超标，2014年六月份以前买的500万出租车肯定排放超标，2011年到2014年生产的六千多万辆汽油车中有两千万辆以上排放已经超标，加起来排放超标车超过九千万辆，即 1.3亿辆汽油车中至少九千万车辆排放超标，这是我们国家在用汽油车的排放情况。

　　催化剂的寿命里程（8万公里或10万公里）是实验计算得到的，当汽车行驶距离超过八万公里时，排放基本上是超标，所以造成大范围大面积的污染是由于没有定期更换催化剂造成的，也就是说PM2.5、碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物随着行使里程增加，可以达到排放标准的几十倍至上百倍，这已得到不同行驶里程的汽油车尾气测定结果的证实。