Nghiên cứu, thử nghiệm bộ xử lý khí thải xúc tác gắn trên động cơ xăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
………… o0o…………



LÊ ĐÁT TOA


NGHIÊN CỨU, THỬ NGHIỆM
BỘ XỬ LÝ KHÍ THẢI XÚC TÁC GẮN TRÊN
ĐỘNG CƠ XĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT






Nha Trang, năm 2011

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
………… o0o…………


LÊ ĐÁT TOA

NGHIÊN CỨU, THỬ NGHIỆM
BỘ XỬ LÝ KHÍ THẢI XÚC TÁC GẮN TRÊN

ĐỘNG CƠ XĂNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật tàu thủy
Mã số: 60.52.32
Giáo viên hướng dẫn:
PGS.TS Nguyễn Văn Nhận


Nha Trang, năm 2011
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được sự
hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường Đại học Nha Trang.
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn đến quí thầy cô trường Đại học Nha
Trang, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình dạy bảo cho tôi suốt thời gian học tập tại
trường.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Phó giáo sư – Tiến sĩ Nguyễn Văn Nhận đã
dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành
luận văn tốt nghiệp.
Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Nha
Trang cùng quí thầy trong Khoa Kỹ thuật tàu thủy đã tạo rất nhiều điều kiện để tôi học
tập và hoàn thành tốt khóa học.
Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn quí anh, chị và ban lãnh đạo trường Cao đẳng
nghề Phú Yên đã tạo điều kiện cho tôi về thiết bị đo đạc để có dữ liệu thực nghiệm viết
luận văn.
Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và
năng lực của mình, tuy nhiên đây là lần đầu độc lập thực hiện một công trình mang
tính tổng hợp và nghiên cứu khoa học, với kiến thức bản thân còn hạn chế, tài liệu
tham khảo chưa đầy đủ nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được

những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn.

Nha Trang, tháng 8 năm 2011
Học viên

Lê Đát Toa
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn
Lê Đát Toa
MỤC LỤC
Trang
Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1
1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1
1.1.1 Lý do nghiên cứu 1
1.1.2 Mục đích nghiên cứu 2
1.1.3 Tính khả thi và ý nghĩa ứng dụng của đề tài 3
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 3
1.2.1 Xử lý khí thải động cơ xăng bằng công nghệ xúc tác trên thế giới 3
1.2.2 Xử lý khí thải động cơ xăng bằng công nghệ xúc tác ở Việt Nam 8
1.3 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 9
1.4 PHẠM VỊ VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU 9
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10
2.1 TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM DO KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG 10
2.1.1 Một số định nghĩa liên quan vấn đề ô nhiễm môi trường 10
2.1.2 Vấn đề ô nhiễm không khí do khí thải của động cơ đốt trong 12

2.1.3 Tác hại của khí thải của động cơ đốt trong 19
2.2 GIẢI PHÁP GIẢM ĐỘ ĐỘC HẠI CỦA KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ XĂNG 27
2.2.1. Cơ chế hình thành các chất độc hại trong khí thải của động cơ 27
2.2.2 Yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng các chất độc hại trong khí thải của động cơ . 33
2.2.3. Các giải pháp giảm độ độc hại trong khí thải của động cơ đốt trong 35
2.3 BỘ XỬ LÝ KHÍ THẢI XÚC TÁC Ở ĐỘNG CƠ XĂNG 51
2.3.1 Đặc điểm cấu tạo của bộ xử lý khí thải xúc tác 51
2.3.2 Cơ chế xử lý khí thải của bộ biến đổi xúc tác 63
2.3.3 Phân loại bộ biến đổi xúc tác 68
2.3.4 Đặc điểm khai thác bộ biến đổi xúc tác 72
Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 80
3.1. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 80
3.1.1 Mục tiêu và nội dung thí nghiệm 80
3.1.2 Phương pháp và qui trình thí nghiệm 80
3.2. TRANG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 83
3.2.1 Động cơ TOYOTA 83
3.2.2 Động cơ KIA 84
3.2.3 Bộ xử lý khí thải xúc tác S10 84
3.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 86
3.4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 92
Chương 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 93
4.1 KẾT LUẬN: 93
4.2 ĐỀ XUẤT Ý KIẾN: 94

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
H. 1-1. Lõi lọc bộ xúc tác bằng gốm 5
H.1-2. Các dạng lõi lọc bằng gốm. 5
H. 1-3. Các dạng xúc tác bằng kim loại 5
H. 1-4. Cấu trúc lõi lọc của bộ xúc tác kim loại. 6

H.1-5. Cấu trúc các dạng tiết diện lõi kiểu METALIT của EMITEC. 6
H.1-6a. Kim loại bạch kim đã dùng xúc tác cho ô tô của Johnson Matthey 8
H. 1-6b. Biểu đồ phát triển catalyst và giảm ô nhiễm của Johnson Matthey. 8
H.1-7. Bộ xương gốm tổ ong dùng cho xe máy (chưa tẩm xúc tác) 9
H. 2-1. Số lượng phương tiện cơ giới hoạt động hàng năm của Việt Nam 13
H. 2-2. Nhu cầu xăng dầu của Việt Nam những năm qua và dự báo cho đến
năm 2025 14
H. 2-3. Cơ cấu tiêu thụ xăng dầu theo các ngành của Việt Nam 14
H.2-4. Tỷ lệ phát thải chất gây ô nhiễm do các nguồn thải chính ở Việt Nam
năm 2005 15
H. 2-5. Diễn biến nồng độ bụi PM10 trung bình năm trong không khí xung
quanh một số đô thị từ năm 2005 đến 2009 16
H. 2-6. Diễn biến nồng độ TSP tại một số tuyến đường phố giai đoạn 2005-
2009 16
H. 2-7. Diễn biến nồng độ bụi TSP trong không khí xung quanh ở các khu dân
cư của một số đô thị giai đoạn 2005-2008 17
H. 2-8. Diễn biến nồng độ NO2 ven các trục giao thông của một số đô thị 17
H. 2-9. Diễn biến nồng độ SO2 tại các trục đường giao thông ở một số đô thị 18
H. 2-10. Diễn biến nồng độ CO tại các tuyến đường phố của một số đô thị
2002-2006 18
H. 2-11. Nồng độ BTX trung bình 1 giờ của các khu vực thuộc thành phố Hà
Nội (quan trắc trong thời gian 12/1/2007-5/2/2007) 19
H. 2-12. Khói bụi, ô nhiễm đang gây hại cho người dân 23
H. 2-13. Phổ bức xạ từ mặt trời 24
H. 2-14. Phổ bức xạ từ mặt đất 24
H. 2-15. Hiệu ứng nhà kính 25
H. 2-16. Biến thiên nồng độ các chất ô nhiễm theo hệ số dư lượng không khí 27
H. 2-17. Biến thiên nồng độ một số hydrocarbure theo góc quay trục khuỷu 32
H. 2-18. Sự hình thành HC do tôi màng lửa trên thành buồng cháy 32
H. 2-19. Mức độ phát xả HC của động cơ không xử lý xúc tác và động cơ có

xử lý xúc tác 43
H. 2-20. Cấu tạo của một bộ xử lý khí thải xúc tác 51
H. 2-21. Monolithe céramique và monolithe kim loại 53
H. 2-22. Cấu tạo của monolithe kim 55
H. 2-23. Công nghệ cải tiến mật độ rãnh của monolithe 56
H. 2-24. Cấu trúc của khối monolithe với lớp vật liệu nền 58
H. 2-25. Sự di chuyển của nguyên tử O trong mạng tinh thể Ce 59
H. 2-26. Những bộ xúc tác hoàn thiện 63
H. 2-27. Quá trình xử lý khí thải của bộ xúc tác hai thành phần 68
H. 2-28. Hình dạng của một bộ xúc tác ba chức năng 69
H.2-29. Vị trí lắp đặt của bộ cảm biến trên hệ thống xả. 70
H. 2-30. Hình dạng và cấu tạo bộ cảm biến lamda. 71
H. 2-31. Biến thiên hiệu quả xử lý của bộ xúc tác 3 chức năng 72
H. 2-32. Kỹ thuật sấy bộ xúc tác bằng điện 77
H. 2-33. Kết quả phát xả HC trên quy trình thử FTP khi sử dụng những phương
pháp khởi động xúc tác khác 79
H. 3-1. Vị trí lắp đặt BXLKTXT trên động cơ Toyota 81
H. 3-2. Vị trí lắp đặt BXLKTXT trên động cơ Kia 82
H. 3-3. Thực hiện đo khí thải trên động cơ Toyota 82
H. 3-4. Thực hiện đo khí thải trên xe Kia 83
H. 3-5. Động cơ xăng Toyota 84
H. 3-6. Ôtô du lịch Kia 84
H.3-7. Bộ xử lý khí thải xúc tác S10 85
H.3-8. Thiết bị đo khí thải HG-520 85
H. 3-9. Đồ thị nồng độ CO (% vol) trong khí thải khi động cơ Toyota có sử
dụng BXLKTXT và không sử dụng BXLKTXT 87
H.3-10. Đồ thị nồng độ CO2 (%) trong khí thải khi động cơ Toyota có sử dụng
BXLKTXT và không sử dụng BXLKTXT 87
H. 3-11. Đồ thị nồng độ O2 (%) trong khí thải khi động cơ Toyota có sử dụng
BXLKTXT và không sử dụng BXLKTXT 87

H. 3-12. Đồ thị nồng độ HC (ppm) trong khí thải khi động cơ Toyota có sử
dụng BXLKTXT và không sử dụng BXLKTXT 88
H. 3-13. Đồ thị nồng độ NOx (ppm vol) trong khí thải khi động cơ Toyota có sử
dụng BXLKTXT và không sử dụng BXLKTXT 88
H. 3-14. Đồ thị nồng độ CO (%) trong khí thải khi động cơ Kia có sử dụng
BXLKTXT và không sử dụng BXLKTXT 90
H. 3-15. Đồ thị nồng độ CO2 (%) trong khí thải khi động cơ Kia có sử dụng
BXLKTXT và không sử dụng BXLKTXT 90
H. 3-16. Đồ thị nồng độ O2 (%) trong khí thải khi động cơ Kia có sử dụng
BXLKTXT và không sử dụng BXLKTXT 90
H. 3-17. Đồ thị nồng độ HC (ppm) trong khí thải khi động cơ Kia có sử dụng
BXLKTXT và không sử dụng BXLKTXT 91
H. 3-18. Đồ thị nồng độ NOx (ppm vol) trong khí thải khi động cơ Kia có sử
dụng BXLKTXT S10 và không sử dụng BXLKTXT. 91
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2-1. Diễn biến đô thị hóa ở nước ta trong ¼ thế kỷ qua và dự báo đến
2020 13
Bảng 2-2. Ước tính thải lượng các chất gây ô nhiễm từ các nguồn thải chính của
Việt Nam năm 2005 15
Bảng 2-3. Tác hại của khí thải phương tiện đến sức khoẻ và môi trường 19
Bảng 2-4. Hậu quả của sự nhiễm độc CO ở các nồng độ khác nhau 20
Bảng 2-5. Mức độ phát sinh ô nhiễm trung bình của quá trình cháy 28
Bảng 2-6. Thành phần các chất độc hại khi sử dụng những nguồn nhiên liệu
khác nhau ở phương tiện vận tải 28
Bảng 2-7. Mức độ phát xả trước và sau khi xử lý xúc tác 44
Bảng 2-8. Tiêu chuẩn Mỹ đối với động cơ ô tô du lịch 45
Bảng 2-9. Tiêu chuẩn Cộng Đồng Châu Âu đối với động cơ ô tô tải hạng nhẹ 45
Bảng 2-10. Tiêu chuẩn Euro đối với từng loại động cơ ô tô 46
Bảng 2-11. Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với động cơ vận tải nhẹ sử dụng động cơ

xăng 46
Bảng 2-12. Nồng độ giới hạn ô nhiễm ở một số nước đang phát triển 47
Bảng 2-13. Giới hạn khí thải cho ô tô và xe máy tại Việt Nam 48
Bảng 2-14. So sánh những tính chất đặc trưng của một số loại chất mang 57
Bảng 2-15. Năng lượng hoạt hoá của phản ứng nhiệt và phản ứng xúc tác 63
Bảng 2-16. Thành phần khí xả của các loại động cơ 64
Bảng 2-17: Thành phần các chất ô nhiễm ở điều kiện cân bằng và trong thực tế 64
Bảng 2-18. Quá trình mất hoạt tính của bộ xúc tác dưới tác động của nhiệt độ 73
Bảng 3-1. Một số đặc điểm kỹ thuật của động cơ TOYOTA 83
Bảng 3-2. Một số đặc điểm kỹ thuật của động cơ KIA 84
Bảng 3-3. Một số đặc điểm kỹ thuật của BXLKTXT S10 84
Bảng 3-4. Một số đặc điểm kỹ thuật của thiết bị đo khí thải HG-520 85
Bảng 3-5. Thành phần khí thải của động cơ Toyota không trang bị BXLKTXT 86
Bảng 3-6 . Thành phần khí thải cơ động cơ Toyota với BXLKTXT S10 86
Bảng 3-7. So sánh nồng độ các chất trong khí thải khi động cơ Toyota có sử
dụng BXLKTXT và không có sử dụng BXLKTXT 88
Bảng 3-8. Thành phần khí thải của động cơ Kia không trang bị BXLKTXT 89
Bảng 3-9. Thành phần khí thải của động cơ Kia với BXLKTXT 89
Bảng 3-10. So sánh nồng độ các chất trong khí thải khi động cơ Kia có sử dụng
BXLKTXT và không sử dụng BXLKTXT 91


- 1 -
Chương 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1.1 Lý do nghiên cứu
Động cơ đốt trong đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Và
là nguồn động lực chính của các phương tiện vận tải như: Ôtô, tàu thủy, tàu hỏa, máy
bay… hay các máy công tác như: máy phát điện, máy xây dựng, các máy công cụ

trong công nghiệp, nông nghiệp… năng lượng mà do động cơ đốt trong cung cấp
chiếm khoảng 80% tổng năng lượng toàn trái đất. Tuy nhiên động cơ đốt trong cũng là
nguồn gốc gây ra ô nhiễm môi trường.
Trong tình hình thế giới đang ngày càng phát triển với tốc độ chóng mặt, sản
lượng công nghiệp hằng năm ngày càng tăng nhanh thì nguồn năng lượng tiêu thụ trên
thế giới ngày càng lớn. Động cơ đốt trong là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu trên
trái đất. Chính vì vậy mà lượng sản phẩm khí thải từ động cơ đốt trong hằng năm trên
thế giới ngày càng tăng, gây ô nhiễm môi trường nặng nề ảnh hưởng trực tiếp biến đổi
khí hậu ngày càng phức tạp, trái đất ngày càng nóng lên, ảnh hưởng rất xấu tới sức
khoẻ con người, gây nạn tuyệt chủng động thực vật… trên toàn thế giới.
Để giảm lượng độc hại phát ra từ sản phẩm khí thải động cơ đốt trong mà vẫn
có thể duy trì được tốc độ phát triển của nền công nghiệp trên thế giới. Một số nước có
nền công nghiệp phát triển hàng đầu trên thế giới, cũng là các nước có lượng khí thải
phát sinh độc hại gây ô nhiễm nhiều nhất trên thế giới như: Mỹ, Nhật Bản và một số
nước Châu Âu đã đi đầu trong việc nghiên cứu và đưa ra các biện pháp giảm thiểu
lượng khí thải độc hại ra môi trường. Bên cạnh đó các nước này cũng đưa ra các tiêu
chuẩn về nồng độ các chất độc hại trong khí thải động cơ và bắt buộc các hãng sản
xuất trong nước cũng như nhập khẩu đều phải tuân thủ các tiêu chuẩn khí thải.
Để đánh giá chất lượng động cơ đốt trong về phương diện khí thải, động cơ
phải được thử nghiệm trong những điều kiện cụ thể và theo một chu trình thử nghiệm
quy định. Hiện nay trên thế giới có nhiều chu trình thử như: Chu trình của Mỹ, Nhật
Bản, Châu Âu… ứng với mỗi chu trình thử là một tiêu chuẩn khí thải. Các hệ thống
tiêu chuẩn được xây dựng cho các loại động cơ khác nhau như: Động cơ xe máy, động
cơ tàu
biển, động cơ tĩnh tải, động cơ ô tô …. Ở Châu Âu áp dụng một số chu trình thử
- 2 -
như: ECE15, EUDC, NEDC… để thử nghiệm công nhận kiểu cho các dòng xe mới.
Bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO 1 vào năm 1992, EURO 2 vào năm 1996,
EURO 3 vào năm 2000, EURO 4 vào năm 2005, EURO 5 vào năm 2008. Các tiêu
chuẩn ngày càng đòi hỏi khắt khe hơn về nồng độ các chất trong khí thải động cơ.

Ở Việt Nam trước tình hình nền kinh tế đang bước vào giai đoạn đầu của những
nước có nền kinh tế phát triển chúng ta cũng phải tuân theo xu hướng chung của thế
giới đó là: Phát triển bền vững, tức là phát triển nhưng bảo vệ môi trường. Chính vì
vậy mà nhà nước ta đã áp dụng chu trình thử tiêu chuẩn Châu Âu để thử nghiệm và
công nhận kiểu cho các dòng xe. Đặc biệt nhà nước ta đã bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn
EURO 2 từ ngày 01/07/2007 cho tất cả phương tiện vận tải trên đất nước ta.
Từ các vấn đề nêu trên cho thấy cần thiết phải đẩy mạnh phát triển và ứng dụng
các giải pháp hạn chế ô nhiễm do khí thải từ các động cơ đốt trong, trong đó chủ yếu là
động cơ xăng và động cơ Diesel. Hiện nay, giải pháp kỹ thuật xử lý ô nhiễm khí thải
của các loại động cơ đốt trong bằng bộ xúc tác đã được nhiều nhà sản xuất và quốc gia
trên thế giới áp dụng, đây là giải pháp cho thấy hiệu quả cao, có khả năng đáp ứng
được các quy định ngày càng chặt chẽ về hạn chế ô nhiễm. Nhằm góp phần vào việc
nghiên cứu ứng dụng các giải pháp hạn chế ô nhiễm từ khí thải các động cơ đốt trong
ở nước ta, tôi chọn thực hiện nghiên cứu đề tài “ Nghiên cứu, thử nghiệm bộ xử lý
khí thải xúc tác gắn trên động cơ xăng”.
Luận văn được bố cục thành 4 chương:
Chương 1: Đặt vấn đề
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Kết quả nghiên cứu
Chương 4: Kết luận và đề xuất ý kiến
1.1.2 Mục đích nghiên cứu
- Phân tích, tổng hợp các vấn đề cơ bản về lý thuyết liên quan đến giải pháp xử
lý ô nhiễm trong khí thải động cơ xăng bằng kỹ thuật xúc tác và nghiên cứu giải pháp
sử dụng bộ xúc tác để xử lý giảm ô nhiễm khí thải của một số loại động cơ xăng gắn
trên các phương tiện giao thông vận tải thông dụng đang lưu hành ở nước ta chưa được
trang bị hệ thống xử lý khí thải từ nhà sản xuất.
- Đề xuất phương án ứng dụng rộng rãi giải pháp xử lý khí thải bằng bộ xúc tác
cho các loại phương tiện giao thông vận tải nêu trên vào thực tế, giúp các loại phương
- 3 -
tiện này hạn chế mức phát thải ô nhiễm, đáp ứng được tiêu chuẩn quy định về ô nhiễm,

với công nghệ và chi phí phù hợp với điều kiện, đặc điểm ở nước ta, góp phần đẩy
mạnh hạn chế ô nhiễm từ các loại phương tiện giao thông dùng động cơ xăng nói
chung và các động cơ tàu thủy cỡ nhỏ loại cao tốc nói riêng.
1.1.3 Tính khả thi và ý nghĩa ứng dụng của đề tài
- Do chỉ nghiên cứu trang bị thêm cho các loại động cơ xăng thông dụng đang
lưu hành với hệ thống xử lý khí thải bằng bộ xúc tác, nên sẽ hạn chế tối đa việc thay
đổi kết cấu, thông số các hệ thống của động cơ; có mức độ công nghệ và chi phí phù
hợp với điều kiện ở nước ta, tạo khả năng ứng dụng dễ dàng và rộng rãi vào thực tế.
- Đây là đề tài có liên quan đến một trong những vấn đề mang tính thời sự cấp
thiết hiện nay là hạn chế ô nhiễm, bảo vệ môi trường sống, đồng thời góp phần vào xu
hướng cải tạo, phát triển các loại phương tiện giao thông sạch, ít gây ô nhiễm phù hợp
với các đặc điểm, điều kiện của một nước đang phát triển như Việt Nam.
- Với một số lượng phương tiện dùng động cơ xăng rất lớn đang hoạt động hiện
nay, nghiên cứu giải pháp xử lý khí thải động cơ xăng bằng bộ xúc tác có khả năng
ứng dụng rộng rãi sẽ mang lại lợi ích về nhiều mặt, nhất là góp phần cải thiện môi
trường không khí, đảm bảo sức khỏe cho người dân trong các thành phố lớn và các
khu du lịch biển.
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.2.1 Xử lý khí thải động cơ xăng bằng công nghệ xúc tác trên thế giới
Chương trình kiểm soát khí thải ô tô của Mỹ là dùng bộ xúc tác khí thải. Năm
1974, ở Mỹ chiếc xe đầu tiên được lắp bộ xúc tác. Từ bộ xúc tác ô xy hóa hai chức
năng đầu tiên đến bộ xúc tác 3 chức năng thuận lợi như ngày nay, đã cắt giảm ô nhiễm
hơn 1,5 tỷ tấn và 100 nghìn tấn chì trong nhiên liệu ở Mỹ. Đó là bước ngoặc lớn đối
với ngành công nghiệp. Hơn 30 năm, bộ xúc tác đã có uy tín trong việc cải thiện chất
lượng không khí trên thế giới và những năm gần đây, các nước châu Á đang hướng
đến áp dụng. Mốc lịch sử trong việc phát triển tính pháp lý môi trường và bộ xúc tác là
nguyên nhân mù sương quang hóa ở Mỹ vào những năm 50 là do ô nhiễm khí thải của
động cơ đốt trong.
CAA của Mỹ đã thông qua vào năm 1963 và tiếp tục bổ sung, điều chỉnh để
giới hạn các tiêu chuẩn khí thải dần đến mức thấp nhất cho động cơ xăng từ năm 1970

cho đến nay. Vào những năm 70 bộ xúc tác chỉ đáp ứng yêu cầu kiểm soát HC và CO
- 4 -
còn NO
x
kiểm soát trong vài năm sau. Johnson Matthey chuyên gia catalyst đã chứng
minh chỉ có bộ xúc tác, động cơ xăng mới đạt tiêu chuẩn khí thải đề ra. Từ đó các đạo
luật, tiêu chuẩn kiểm soát khí thải và ứng dụng bộ xúc tác của Mỹ được truyền bá sang
Đức, Nhật, Úc và các nước khác.
Ban đầu các nhà sản xuất bộ xúc tác quan tâm đến hợp kim cơ bản Crôm-Đồng,
Nhôm-Silic, phủ lên lõi lọc gốm. Tuy nhiên, khả năng dẫn nhiệt của các hợp kim lúc
này còn kém, trở lực lớn do vậy, độ phát ô nhiễm cao xảy ra khi động cơ xăng khởi
động lạnh. Bộ xúc tác cần phải đạt nhanh đến thời điểm nhiệt độ làm việc "light-off"
có nghĩa nhiệt độ bắt đầu xúc tác có hiệu quả. Từ đó, các nhà nghiên cứu đã tìm ra
việc xúc tiến Platin với kim loại khác có ưu điểm hơn xúc tác chỉ có Platin (Pt). Nhiều
tác động xúc tiến được tìm thấy ngoài nhóm kim loại Pt đó là xúc tác giữa Platin(Pt)-
Rôđi (Rh) và Pt- Pallađi (Pd). Năm 1971, Johnson Marthey chứng minh cho chính phủ
Mỹ việc dùng Rh xúc tiến chất xúc tác Pt để kiểm soát NO
x
. Bộ xúc tác động cơ xăng
thành công là phụ thuộc vào sự phát triển của kim loại hỗ trợ (chất nền) có thể đương
đầu với môi trường khắc nghiệt của khí xả động cơ xăng như: Nhiệt độ thay đổi lên
đến 1000
0
C, dao động lớn và chịu các rung động từ động cơ, hệ thống khí xả và tác hại
xấu của lượng chì, phốt pho và lưu huỳnh ở mức độ cao.
Năm 1981, bộ xúc tác 3 chức năng được đưa vào áp dụng và có sự phát triển
của cảm biến ô xy. Nhiệm vụ bộ xúc tác 3 chức năng là chia cách xử lý CO, HC và
NO
x
, phụ thuộc mạnh vào tỷ lệ không khí /nhiên liệu trong động cơ là duy trì tỷ lệ cân

bằng lý tưởng cho sự biến đổi của cả 3 chất ô nhiễm. Hầu hết bộ xúc tác có chứa hai
chất xúc tác khác biệt: xúc tác khử và xúc tác ô xy hóa. Dòng khí xả đi qua chất xúc
tác khử trước tiên, bao gồm một khối tổ ong bằng gốm bình thường (H. 1-1) được phủ
Pt -Rh. Trong đoạn này, NO
x
được chuyển thành ô xy và nitơ. Khi khí xả đi qua chất
xúc tác ô xy hóa, Pt - Pd/ hoặc Rh, HC không cháy và CO được ô xy hóa thành CO
2
và
H
2
O.
Diện tích bề mặt tiếp xúc là yếu tố cần thiết để phát triển kỹ thuật phủ cho lõi
lọc. Bộ xúc tác phải phủ lớp áo ('washcoat') để hỗ trợ, việc phủ lớp áo lên các kênh
hẹp bên trong lõi có khả năng làm kênh bị hẹp hoặc tắc nghẽn và yêu cầu phải đạt
được sự hút bám mạnh của nó lên chất nền. Song song với việc phát triển bộ xúc tác
gốm, chất nền kim loại phát triển khá nhanh và có nhiều ưu điểm hơn gốm nhờ ứng
dụng kỹ thuật nano để chế tạo cấu trúc lõi lọc.
- 5 -
Lõi lọc bằng gốm cũng đa dạng về hình dáng như kim loại. Tuy nhiên, sản
phẩm kim loại phát triển mạnh vào năm 1986 khi kỹ thuật hàn nếp gấp phát triển nên
có nhiều ưu điểm như đa dạng về hình dạng và kích thước cho các loại động cơ, diện
tích bề mặt tiếp xúc tăng hơn 4 lần, độ bền nhiệt cao và trở lực thấp hơn so với gốm và
dễ hàn gắn.

H. 1-1. Lõi lọc bộ xúc tác bằng gốm

H.1-2. Các dạng lõi lọc bằng gốm. H. 1-3. Các dạng xúc tác bằng kim loại
Trước đây, bộ xúc tác động cơ xăng thường là gốm Cordierite Honeycomb vì
có độ dãn nở nhiệt thấp, độ xốp lớn, và được sử dụng cho đến nay. Bên cạnh đó, chất

nền kim loại xoắn tên METALIT_S thiết kế kiểu chuẩn S (Standard) được đưa ra thị
trường vào năm 1986 đã khắc phục độ bền mõi và ứng suất nhiệt.

- 6 -
Cấu trúc dạng phân lớp

H. 1-4. Cấu trúc lõi lọc của bộ xúc tác kim loại.
Năm 1991 thiết kế kiểu SM (H.1-4) được sử dụng với những ứng dụng có trọng
tải rất cao. Các dạng cấu trúc nếp gấp lá lõi lọc theo chiều ngang kiểu TS, chiều dọc
LS và kiểu đục lỗ PE của EMITEC, được ứng dụng cho các loại ô tô tải và ô tô khách
sử dụng xăng, diesel. Thiết kế dạng rối TS và LS có khả năng biến đổi xúc tác tốt hơn
so với S trong cùng điều kiện trên H 1-5.

H.1-5. Cấu trúc các dạng tiết diện lõi kiểu METALIT của EMITEC.
Ngày nay, có thể sản xuất chất xúc tác trên chất nền gốm đạt đến 900cpsi và
chiều dày thành 0,05 mm, trong khi đó chất nền kim loại đạt đến 1000cpsi và chiều
dày thành đến 0,025 mm. Do ưu điểm trên, bộ xúc tác với chất nền kim loại được đưa
gần sát đến cổ ống xả, để kiểm soát tốt khí thải khi khởi động lạnh. Nhờ đó bộ xúc tác
đảm bảo vượt qua tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt mà vẫn có khả năng giảm được
lượng kim loại quý làm phủ xúc tác.
Tuy nhiên, đến nay tính năng kinh tế kỹ thuật của bộ xúc tác còn phụ thuộc vào
một số yếu tố: Tỷ lệ thành phần hỗn hợp λ, hàm lượng chì, lưu huỳnh trong nhiên liệu.
Chì và Lưu huỳnh làm hỏng đi chất xúc tác kim loại nền.
Do vậy, EPA điều chỉnh đầu tiên đối với lượng chì và phốt-pho thêm vào trong
xăng năm 1973. Thời điểm đó lượng chì trung bình có trong xăng ở Mỹ từ 2÷3
gram/gallon, kết quả là mỗi năm động cơ xăng thải ra vào khoảng 200.000 tấn chì.
- 7 -
Đầu năm 1996, khi nhiên liệu có chì bị giới hạn hoàn toàn, lượng phát thải của
chì giảm xuống gần 2000 tấn mỗi năm. Lượng lưu huỳnh cũng được quy định hạn chế
đến giá trị thấp để tạo thuận lợi cho việc áp dụng bộ xúc tác.

Kiểm soát khí thải động cơ xăng trở nên cấp thiết và lan rộng trên thế giới trong
những năm 90. Catalyst được giới thiệu ở châu Âu, Mê xi cô, Brazil và dần dần pháp
lý cũng được bắt kịp ở các nước ở khu vực châu Á, như Ấn Độ, Trung Quốc, Đài
Loan. Trên hình 1.6a, 1.6b, cho thấy việc sử dụng bộ xúc tác ô tô và lượng kim loại
bạch kim đã giảm được 4 triệu tấn ô nhiễm của Johnson Matthey.
Đến nay, bộ xúc tác trên thế giới đã đạt những thành công nhất định trong việc
cắt giảm khá lớn lượng ô nhiễm khí thải từ động cơ đốt trong. Các thành tựu đó được
đúc kết lại như sau:
- Động cơ đốt trong của ô tô ngày nay đạt tiêu chuẩn khí thải với yêu cầu giảm
đến 98% đối với HC, 96% đối với CO và 95% cho NO
x
so với mức chưa kiểm soát
của ô tô bán ra vào những năm 1960.
- Vì bộ xúc tác bị hủy hoại do chì, nên sử dụng nó giúp đem lại việc loại bỏ chì
ra khỏi xăng dầu, tức loại bỏ một loạt mối nguy hại cho sức khỏe con người.
- Ngày nay, một bộ xúc tác là một phần công nghệ cao của ô tô.
- Bộ xúc tác cũng được phát triển dùng cho xe tải, khách, xe buýt lắp động cơ
diesel, mô tô-xe máy, thiết bị xây dựng, động cơ tàu biển và các động cơ khác.
- Bộ xúc tác cũng được dùng để giảm ô nhiễm khí thải từ các động cơ đốt trong
đã thay thế nhiên liệu như LPG, khí thiên nhiên, methanol, ethanol và propane.
- Năm 2003, gần 500 triệu ô tô có trang bị bộ xúc tác được bán trên khắp thế
giới (H.1-6a và 1-6b).
- Năm 2000, 100% xe mới được bán ở Mỹ được trang bị bộ xúc tác và trên thế
giới có trên 85% xe mới được bán có BXT.
- Hiệp Hội kỹ sư ô tô của Mỹ (SAE) đã bình chọn bộ xúc tác 10 thành tựu lớn nhất
hơn 100 năm qua.
Lượng phương tiện giao thông gia tăng nhanh với số lượng lớn ở các nước châu
Á như Ấn Độ, Trung Quốc, Malaysia, Việt Nam, Thái Lan và Đài Loan, Do đó,
lượng phát thải ô nhiễm ra không khí càng gia tăng thì yêu cầu các tiêu chuẩn bảo vệ
môi trường càng khắt khe. Khuynh hướng phát triển sử dụng bộ xúc tác cho động cơ

xăng đã và đang được các quốc gia Ấn Độ, Đài Loan và Singapore quan tâm.
- 8 -

H.1-6a. Kim loại bạch kim đã dùng xúc
tác cho ô tô của Johnson Matthey
H. 1-6b. Biểu đồ phát triển catalyst và
giảm ô nhiễm của Johnson Matthey.
Bộ xúc tác gắn trên động cơ xăng sẽ biến đổi đủ thỏa mãn các tiêu chuẩn khí
thải đề ra. Các quá trình sản xuất và làm vật liệu lá tương tự như chất nền METALIT
thông thường cho ô tô. Có tiết diện, bề mặt hình học như chất nền mạng, nhưng tỷ lệ
biến đổi của nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: đường kính (D) và chiều dài lõi lọc
(L), hàm lượng phủ chất xúc tác và điều kiện làm việc.
1.2.2 Xử lý khí thải động cơ xăng bằng công nghệ xúc tác ở Việt Nam
Việt Nam chưa sử dụng bộ xúc tác để giảm ô nhiễm khí thải cho động cơ đốt
trong. Vì tiêu chuẩn giới hạn khí thải xe cơ giới của ta còn thấp hơn nhiều so với các
tiêu chuẩn khí thải của các nước trong khu vực và thế giới. Xu thế hội nhập thương
mại với các nước thế giới sẽ đến gần. Chính vì vậy, nền công nghiệp giao thông vận
tải trong nước cần phát huy, bắt kịp quy chế hội nhập và các tiêu chuẩn giới hạn khí
thải cũng như dây chuyền công nghệ sản xuất. Đây là cơ hội để động cơ xăng sử dụng
công nghệ xúc tác khí thải để đạt được các tiêu chuẩn hiện hành.
Năm 1995 đến nay, Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu xử lý khí thải
từ động cơ đốt trong bằng ứng dụng xúc tác trên cơ sở Platin và một số vật liệu xúc tác
trên cơ sở các kim loại chuyển tiếp và kim loại hiếm đáp ứng được yêu cầu sử dụng
cho ống xả xe máy. Viện Vật liệu đã chế tạo bộ xương gốm tổ ong bằng vật liệu gốm
Silica trên H. 1-7.
Một số loại xúc tác kiểu perovskite có kích thước nanomet (20÷ 40 nm) đã
được chế tạo từ La, Sr, Mn, Co, Sn và tẩm lên bộ xương gốm nói trên. Viện nghiên
cứu Khoa học Vật liệu đã tìm ra được tổ hợp chất xúc tác (VN1, VN2, VN3, ) Kết
quả chuyển hóa các khí thải độc hại như CO, C
x

H
y
, NO
x
hoạt động trong vùng nhiệt độ
khá rộng 200÷600
O
C. Nhưng kết quả trên còn đang thử nghiệm.
- 9 -
Ở Hội nghị xúc tác khí thải vào tháng 5/2006, Trường ĐHBK Hà Nội đã đo thử
mẫu xúc tác kim loại Metalit_S, 3 chức năng của EMITEC. Loại 100cpsi, DxL:
33x60mm; mật độ chất xúc tác 20g/ft
3
, tỷ lệ Pt/Rh = 5:1 cho mẫu xe Honda
SuperDream dung tích 100 cm
3
. Kết quả lượng độc hại giảm trung bình 43%.

H.1-7. Bộ xương gốm tổ ong dùng cho xe máy (chưa tẩm xúc tác)
Ứng dụng kỹ thuật xử lý khí thải tiên tiến trên thế giới sẵn có vào điều kiện của
Việt Nam để đem lại hiệu quả tối ưu, đó là mục tiêu cho việc xử lý xúc tác khí thải
động cơ xăng.
1.3 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Khảo sát, thu thập thông tin, tài liệu về thực trạng, mức độ gây ô nhiễm môi
trường từ khí thải động cơ xăng
- Thu thập, tham khảo, tổng hợp, phân tích các tài liệu về nghiên cứu, xử lý khí
thải động cơ xăng bằng kỹ thuật xúc tác.
- Tìm hiểu, phân tích một số giải pháp xử lý khí thải có dùng bộ xúc tác có khả
năng ứng dụng cho các loại động cơ xăng thông dụng đang lưu hành nhưng chưa được
trang bị hệ thống xử lý ô nhiễm khí thải, thực hiện lắp đặt thử nghiệm và đánh giá kết

quả; từ đó đề xuất khả năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
1.4 PHẠM VỊ VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU
Trên cơ sở kế thừa, sử dụng các kết quả nghiên cứu, ứng dụng giải pháp xử lý
khí thải bằng bộ xử lý khí thải xúc tác cho động cơ xăng đã có trên thế giới và trong
nước, đề tài chỉ tập trung nghiên cứu ứng dụng giải pháp xử lý khí thải dùng bộ xử lý
khí thải xúc tác cho một số loại động cơ xăng thông dụng ở nước ta chưa được trang bị
hệ thống xử lý khí thải từ nhà sản xuất. Trong đó có thực hiện ứng dụng lắp đặt, đo đạc
thử nghiệm khí thải động cơ xăng có dùng bộ xúc tác, làm cơ sở để phân tích đánh giá,
đề xuất giải pháp ứng dụng rộng rãi, phù hợp với điều kiện thực tế.
- 10 -
Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM DO KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG
2.1.1 Một số định nghĩa liên quan vấn đề ô nhiễm môi trường
Thuật ngữ môi trường (môi trường) -
environment (tiếng Anh), tiếng Hoa: 情
況 Hoàn cảnh. Môi trường bao gồm các yếu tố tự nhiên và vật chất nhân tạo bao quanh
con người, có ảnh hưởng tới đời sống, sản xuất, sự tồn tại, phát triển của con người và
sinh vật (Điều 3, Luật bảo vệ môi trường của Việt Nam, 2005).


• Định nghĩa 1
Theo nghĩa rộng nhất thì môi trường là tập hợp các điều kiện và hiện tượng bên
ngoài có ảnh hưởng tới một vật thể hoặc sự kiện. Bất cứ một vật thể, một sự kiện nào
cũng tồn tại và diễn biến trong một môi trường. Theo Lê Văn Khoa (1995) [5], Đối với
cơ thể sống thì “Môi trường sống” là tổng hợp những điều kiện bên ngoài có ảnh
hưởng tới đời sống và sự phát triển của cơ thể.
• Định nghĩa 2
Môi trường bao gồm tất cả những gì bao quanh sinh vật, tất cả các yếu tố vô
sinh và hữu sinh có tác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên sự sống, phát triển và sinh sản

của sinh vật (Hoàng Đức Nhuận, 2000). Theo tác giả, môi trường có các thành phần
chính tác động qua lại lẫn nhau:
Môi trường tự nhiên bao gồm nước, không khí, đất đai, ánh sáng và các sinh
vật. - môi trường kiến tạo gồm những cảnh quan được thay đổi do con người.
Môi trường không gian gồm những yếu tố về địa điểm, khoảng cách, mật độ,
phương hướng và sự thay đổi trong môi trường.
• Định nghĩa 3
Môi trường là một phần của ngoại cảnh, bao gồm các hiện tượng và các thực
thể của tự nhiên, mà ở đó, cá thể, quần thể, loài, có quan hệ trực tiếp hoặc gián tiếp
bằng các phản ứng thích nghi của mình (Vũ Trung Tạng, 2000) [8].
Đối với con người, môi trường chứa đựng nội dung rộng. Theo định nghĩa của
UNESCO (1981) thì môi trường của con người bao gồm toàn bộ các hệ thống tự nhiên
và các hệ thống do con người tạo ra, những cái hữu hình (tập quán, niềm tin ) trong
- 11 -
đó con người sống và lao động, họ khai thác các tài nguyên thiên nhiên và nhân tạo
nhằm thỏa mãn những nhu cầu của mình. Như vậy, môi trường sống đối với con người
không chỉ là nơi tồn tại, sinh trưởng và phát triển cho một thực thể sinh vật và con
người mà còn là “khung cảnh của cuộc sống, của lao động và sự vui chơi giải trí của
con người”.
Như vậy, có thể nêu định nghĩa chung về môi trường: môi trường là tập hợp các
yếu tố tự nhiên và xã hội bao quanh con người có ảnh hưởng tới con người và tác động
qua lại với các hoạt động sống của con người như: không khí, nước, đất, sinh vật, xã
hội loài người
Môi trường sống của con người thường được phân chia thành các loại sau:
- Môi trường tự nhiên: Bao gồm các yếu tố tự nhiên như vật lý, hóa học, sinh
học, tồn tại ngoài ý muốn của con người nhưng cũng ít nhiều chịu tác động của con
người.
- Môi trường xã hội: Là tổng thể các quan hệ giữa người và người tạo nên sự
thuận lợi hoặc khó khăn cho sự tồn tại và phát triển của các cá nhân và cộng đồng.
- Môi trường nhân tạo: Là tất cả các yếu tố tự nhiên, xã hội do con người tạo

nên và chịu sự chi phối của con người.
Như vậy, môi trường sống của con người theo nghĩa rộng là tất cả các nhân tố
tự nhiên và xã hội cần thiết cho sự sống, sản xuất của con người như tài nguyên thiên
nhiên, không khí, đất, nước, ánh sáng, cảnh quan, quan hệ xã hội, Theo nghĩa hẹp,
thì môi trường sống của con người chỉ bao gồm các nhân tố tự nhiên và nhân tố xã hội
trực tiếp liên quan tới chất lượng cuộc sống của con người.
Chúng ta có thể tham khảo định nghĩa về không khí do cộng đồng Châu Âu đưa
ra vào năm 1967: “ Không khí gọi là ô nhiễm khi thành phần của nó bị thay đổi, hay
khi có sự hiện diện của những chất lạ gây ra những tác hại mà khoa học chứng minh
được, hay gây ra sự khó chịu đối với con người”. Theo định nghĩa đó thì:
- Các chất gây ô nhiễm có thể nguy hại đến tự nhiên và con người mà khoa học
nhận biết được hay đơn giản là gây ra sự khó chịu chẳng hạn như mùi hôi, màu sắc…
- Các chất ô nhiễm và giới hạn về nồng độ cho phép của chúng trong các nguồn
phát thải có thể thay đổi theo thời gian
Ngày nay, người ta đã xác định được các chất ô nhiễm trong không khí, mà
phần lớn là các chất đó có trong khí xả động cơ đốt trong.
- 12 -
2.1.2 Vấn đề ô nhiễm không khí do khí thải của động cơ đốt trong
2.1.2.1 Các chất ô nhiễm chủ yếu trong khí thải

Khí thải từ cylindre động cơ đi ra môi trường, ngoài các sản vật cháy hoàn toàn
CO
2
, H
2
O, N
2
, còn chứa các sản vật chưa cháy hoàn toàn, các sản vật được phân giải
từ sản vật cháy hoặc từ nhiên liệu. Các chất độc chứa trong khí thải gồm có:
- Oxít nitơ, NO và NO

2
, gọi chung là NO
x
tồn tại rất ít trong sản vật cháy. NOx
góp phần tạo nên hiện tượng sương mù và mưa axít.
- Oxít cacbon (CO) có trong khí thải do thiếu oxy nên C không được cháy hoàn
toàn. Động cơ xăng hoạt động với hòa khí đậm (α < 1) lượng CO có thể tới 10÷12%
thể tích sản vật cháy.
- Các chất hydrocacbua (HC), hay VOC: sinh ra chủ yếu từ nhiên liệu cháy
chưa hết. Ánh sáng mặt trời tác động tới những khí này, tạo ra ozone (O
3
), thành phần
chủ yếu có trong sương mù. HC chứa trong sản vật cháy dưới dạng các chất C
n
H
m
và
benzơpiren-3, 4, rất dễ gây bệnh ung thư.
- Khí SO
2
và H
2
S, khi động cơ dùng nhiên liệu có lưu huỳnh. Số lượng SO
2
có
thể tới 250 mg/m
3
, hàm lượng H
2
S không đáng kể.

- Các sản vật chứa ôxy chủ yếu là alđêhit (khoảng vài mg/l)
- Các hợp chất của chì, trong khí thải của động cơ chạy bằng xăng pha chì, cũng
gây nhiều độc hại về người và ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ bộ xúc tác.
2.1.2.2 Tình hình ô nhiễm không khí ở Việt Nam
• Việt Nam trong quá trình đô thị hóa nhanh:
Bảo vệ môi trường đô thị ngày càng có tầm quan trọng trong phát triển bền
vững quốc gia, bởi vì dân số đô thị càng lớn, chiếm tỷ lệ trong tổng dân số ngày càng
cao. Các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội của quốc gia ngày càng tập trung trong
các đô thị. Thí dụ, riêng Metro Bangkok (2005) đóng góp 44% GDP của Thái Lan,
Metro Manila (2006) đóng góp 37% GDP của Philippine, Thành phố Hồ Chí Minh
(2006) đóng góp 23,5% cho GDP Việt Nam.
Năng lượng tiêu thụ ở các đô thị có thể chiểm tới ¾ tổng năng lượng tiêu thụ
của quốc gia. Năng lượng tiêu thụ, tức là tiêu thụ nhiên liệu than, dầu, xăng, khí đốt
càng nhiều, nguồn khí thải càng lớn, do đó các vấn đề ô nhiễm không khí trầm trọng
thường xảy ra ở các đô thị, đặc biệt là thường xảy ra ở các đô thị lớn.