创新实现报告PM2.5尾气处理器 ■ 小组成员 曹三晨（组长人何沛伦、金旭伟、孙雷 ◆需求背景简介 进入21世纪，汽车污染日益成为全球性问题。随着汽车数量越来越多、使用范围越来越 广，它对世界环境的负面效应也越来越大，尤其是危害城市环境，引发呼吸系统疾病，造成地表 空气臭氧含量过高，加重城市热岛效应，使城市环境转向恶化。而粒径在2.5微米以下的细颗 粒物，被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和 心血管病等方面的疾病，成为越来越突出的矛盾。 >汽车尾气的主要成分 主要指废气中排出的CO(一氧化碳入HC+NOx(碳氢化合物和氨氧化物人PM(微 粒，碳烟)等有害气体。它们都是发动机在燃烧作功过程中产生的有害气体。这些有害气体 产生的原因各异，CO是燃油氧化不完全的中间产物，当氧气不充足时会产生C0,混合气 浓度大及混合气不均匀都会使排气中的CO增加。HC是燃料中未燃烧的物质，由于混合气 不均匀、燃烧室壁冷等原因造成部分燃油未来得及燃烧就被排放出去。NOx是燃料（汽油） 在燃烧过程中产生的一种物质。PM也是燃油燃烧时缺氧产生的一种物质，其中以柴油机最 明显。因为柴油机采用压燃方式柴油在高温高压下裂解更容易产生大量肉眼看得见的碳烟。 >汽车尾气带来的危害 废气中含有150~200种不同的化合物由于汽车废气的排放主要在0.3米~2米之间， 正好是人体的呼吸范围，对人体的健康损害非常严重，其中对人危害最大的有一氧化碳、碳 氢化合物、氨氧化合物、及固体悬浮颗粒物。现在，我们来具体分析一下：
创新实现报告 PM2.5 尾气处理器 小组成员 曹三晨（组长）、何沛伦、金旭伟、孙雷 需求背景简介 进入 21 世纪,汽车污染日益成为全球性问题。随着汽车数量越来越多、使用范围越来越 广,它对世界环境的负面效应也越来越大,尤其是危害城市环境,引发呼吸系统疾病,造成地表 空气臭氧含量过高,加重城市热岛效应,使城市环境转向恶化。而粒径在 2.5 微米以下的细颗 粒物，被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和 心血管病等方面的疾病,成为越来越突出的矛盾。 汽车尾气的主要成分 主要指废气中排出的 CO（一氧化碳）、HC+NOx（碳氢化合物和氮氧化物）、PM（微 粒，碳烟）等有害气体。它们都是发动机在燃烧作功过程中产生的有害气体。这些有害气体 产生的原因各异，CO 是燃油氧化不完全的中间产物，当氧气不充足时会产生 CO，混合气 浓度大及混合气不均匀都会使排气中的 CO 增加。HC 是燃料中未燃烧的物质，由于混合气 不均匀、燃烧室壁冷等原因造成部分燃油未来得及燃烧就被排放出去。NOx 是燃料（汽油） 在燃烧过程中产生的一种物质。PM 也是燃油燃烧时缺氧产生的一种物质，其中以柴油机最 明显。因为柴油机采用压燃方式，柴油在高温高压下裂解更容易产生大量肉眼看得见的碳烟。 汽车尾气带来的危害 废气中含有 150～200 种不同的化合物，由于汽车废气的排放主要在 0.3 米～2 米之间， 正好是人体的呼吸范围，对人体的健康损害非常严重，其中对人危害最大的有一氧化碳、碳 氢化合物、氮氧化合物、及固体悬浮颗粒物。现在，我们来具体分析一下：
固体悬浮颗粒：固体悬浮颗粒的成分很复杂，并具有较强的吸附能力，可以吸附各种金 属粉尘、强致癌物苯并芘和病原微生物等。固体悬浮颗粒随呼吸进入人体肺部，以碰撞、扩 散、沉积等方式滞留在呼吸道的不同部位，引起呼吸系统疾病。当悬浮颗粒积累到甽临界浓度 时，便会激发形成恶性肿瘤。此外，悬浮颗粒物还能直接接触皮肤和眼睛，阻塞皮肤的毛囊 和汗腺，引起皮肤炎和眼结膜炎，甚至造成角膜损伤。 一氧化碳：一氧化碳与血液中的血红蛋白结合的速度比氧气快250倍。一氧化碳经呼 吸道进入血液循环，与血红蛋白亲合后生成碳氧血红蛋白，从而削弱血液向各组织输送氧的 功能，危害中枢神经系统，造成人的感觉、反应、理解、记忆力等机能障碍，重者危害血液 循环系统，导致生命危险。 氨氧化物：氮氧化物主要是指一氧化氮、二氧化氮，它们都是对人体有害的气体，特别 是对呼吸系统有危害。在二氧化氮浓度为9.4毫克/位方米的空气中暴露10分钟，即可造成 人的呼吸系统功能失调。 碳氢化合物：目前还不清楚它对人体健康的直接危害。但当氨氧化物和碳氢化合物在太 阳紫外线的作用下，会产生一种具有刺激性的浅蓝色烟雾，其中包含有臭氧、醛类、硝酸脂 类等多种复杂化合物。对人体最突出的危害是刺激眼睛和上呼吸道黏膜，引起眼睛红肿和咽 喉炎。 >选择PM2.5处理的原因 气象专家和医学专家认为由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘 暴更大。粒径10微米以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径在2.5微米至10微米 之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔内部的 绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；而粒径在2.5微米以下的细颗粒物，直径相当于人类 头发的1/10大小，不易被阻挡。被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换
固体悬浮颗粒：固体悬浮颗粒的成分很复杂，并具有较强的吸附能力，可以吸附各种金 属粉尘、强致癌物苯并芘和病原微生物等。固体悬浮颗粒随呼吸进入人体肺部，以碰撞、扩 散、沉积等方式滞留在呼吸道的不同部位，引起呼吸系统疾病。当悬浮颗粒积累到临界浓度 时，便会激发形成恶性肿瘤。此外，悬浮颗粒物还能直接接触皮肤和眼睛，阻塞皮肤的毛囊 和汗腺，引起皮肤炎和眼结膜炎，甚至造成角膜损伤。 一氧化碳：一氧化碳与血液中的血红蛋白结合的速度比氧气快 250 倍。一氧化碳经呼 吸道进入血液循环，与血红蛋白亲合后生成碳氧血红蛋白，从而削弱血液向各组织输送氧的 功能，危害中枢神经系统，造成人的感觉、反应、理解、记忆力等机能障碍，重者危害血液 循环系统，导致生命危险。 氮氧化物：氮氧化物主要是指一氧化氮、二氧化氮，它们都是对人体有害的气体，特别 是对呼吸系统有危害。在二氧化氮浓度为 9.4 毫克/立方米的空气中暴露 10 分钟，即可造成 人的呼吸系统功能失调。 碳氢化合物：目前还不清楚它对人体健康的直接危害。但当氮氧化物和碳氢化合物在太 阳紫外线的作用下，会产生一种具有刺激性的浅蓝色烟雾，其中包含有臭氧、醛类、硝酸脂 类等多种复杂化合物。对人体最突出的危害是刺激眼睛和上呼吸道黏膜，引起眼睛红肿和咽 喉炎。 选择 PM2.5 处理的原因 气象专家和医学专家认为，由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘 暴更大。粒径 10 微米以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径在 2.5 微米至 10 微米 之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔内部的 绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；而粒径在 2.5 微米以下的细颗粒物，直径相当于人类 头发的 1/10 大小，不易被阻挡。被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换
引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。 每个人每天平均要吸入约1万升的空气，进入肺泡的微尘可迅速被吸收、不经过肝脏 解毒直接进入血液循环分布到全身；其次，会损害血红蛋白输送氧的能力，丧失血液。对贫 血和血液循环障碍的病人来说，可能产生严重后果。例如可以加重呼吸系统疾病，甚至引起 充血性心力衰竭和冠状动脉等心脏疾病。总之这些颗粒还可以通过支气管和肺泡进入血液， 其中的有害气体、重金属等溶解在血液中，对人体健康的伤害更大。人体的生理结构决定了 对PM2.5没有任何过滤、阻拦能力，而PM2.5对人类健康的危害却随着医学技术的进步， 逐步暴露出其恐怖的一面。 同时也基于团队成员的专业方向和项目可行性的分析，我们小组选择以汽车尾气中 PM2.5为主要研究对像，考虑如何可以有效地过滤及处理尾气中的PM2.5 概念设计 空气 尾气： Co2,少 Co2、CO 催化剂修饰的 量C0, 等气体， 多孔材料 D<2.5μm PM2.5 的颗粒 汽车行驶 转化 电能一 转化 产生的机 热能 械能 我们设计的PM2.5尾气处理器可以由以下几部分构成：PM2.5吸附装置、加热装置
引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。 每个人每天平均要吸入约 1 万升的空气，进入肺泡的微尘可迅速被吸收、不经过肝脏 解毒直接进入血液循环分布到全身；其次，会损害血红蛋白输送氧的能力，丧失血液。对贫 血和血液循环障碍的病人来说，可能产生严重后果。例如可以加重呼吸系统疾病，甚至引起 充血性心力衰竭和冠状动脉等心脏疾病。总之这些颗粒还可以通过支气管和肺泡进入血液， 其中的有害气体、重金属等溶解在血液中，对人体健康的伤害更大。人体的生理结构决定了 对 PM2.5 没有任何过滤、阻拦能力，而 PM2.5 对人类健康的危害却随着医学技术的进步， 逐步暴露出其恐怖的一面。 同时也基于团队成员的专业方向和项目可行性的分析，我们小组选择以汽车尾气中 PM2.5 为主要研究对象，考虑如何可以有效地过滤及处理尾气中的 PM2.5 概念设计 我们设计的 PM2.5 尾气处理器可以由以下几部分构成：PM2.5 吸附装置、加热装置
排气装置、空气导入装置。其原理就是让汽车排放的尾气通过PM2.5吸附装置，使其中的 PM2.5颗粒被吸附在该装置中，在加热和导入空气的条件下被催化分解为对人体无害的二 氧化碳等气体，最终排入大气。 >PM2.5吸附装置 我们首先将用于吸附PM2.5颗粒的物质限定为直径为3微米的二氧化硅粉末。该粉末 的质轻且颗粒小，不易固定，所以首先我们需要找到一种有效的固定方式。 方案一：直接将二氧化硅粉末放于容器中，容器两端用透气性良好的布料封闭。 方案二：将二氧化硅粉末用某种方式涂在长条状的载体上（如卷纸或胶带)，然后将涂 好涂层的载体卷成卷装。放于容器中，容器两端用透气性良好的布料封闭。 >加热装置 方案一：将发动机产生的多余热量直接导入上述PM2.5吸附装置中，作为催化所需的 热源。该方案可行性不高。 方案二：利用汽车行驶过程中产生的部分机械能转化为电能，再由电能转化为热能，使 用热学传感器帮助控制加热温度。该方案可行性较高。 人员分工介绍 姓名 分工 曹三晨（组长） 设计实验方案、购买实验用品 何沛伦 提供理论支持、推导吸附率公式、做实验 金旭伟 查找背景资料、做实验 孙雷 实验结果检验、提供专业知识、财务管理
排气装置、空气导入装置。其原理就是让汽车排放的尾气通过 PM2.5 吸附装置，使其中的 PM2.5 颗粒被吸附在该装置中，在加热和导入空气的条件下被催化分解为对人体无害的二 氧化碳等气体，最终排入大气。 PM2.5 吸附装置 我们首先将用于吸附 PM2.5 颗粒的物质限定为直径为 3 微米的二氧化硅粉末。该粉末 的质轻且颗粒小，不易固定，所以首先我们需要找到一种有效的固定方式。 方案一：直接将二氧化硅粉末放于容器中，容器两端用透气性良好的布料封闭。 方案二：将二氧化硅粉末用某种方式涂在长条状的载体上（如卷纸或胶带），然后将涂 好涂层的载体卷成卷装。放于容器中，容器两端用透气性良好的布料封闭。 加热装置 方案一：将发动机产生的多余热量直接导入上述 PM2.5 吸附装置中，作为催化所需的 热源。该方案可行性不高。 方案二：利用汽车行驶过程中产生的部分机械能转化为电能，再由电能转化为热能，使 用热学传感器帮助控制加热温度。该方案可行性较高。 人员分工介绍 姓名 分工 曹三晨（组长） 设计实验方案、购买实验用品 何沛伦 提供理论支持、推导吸附率公式、做实验 金旭伟 查找背景资料、做实验 孙雷 实验结果检验、提供专业知识、财务管理
实现过程与效果 ，二氧化硅粉末的固定：由于该粉末的质轻且颗粒小，不易固定，所以首先我们需要找到 一种有效的固定方式。我们实际做了四种方案，然后用打气筒依次检验封闭性，结果见 以下图片： 1、方法：将二氧化硅粉未放入塑料瓶中，开口端用透 气性较好的布料封闭固定。 结果：有少量白色粉末飘出。 2、方法：将二氧化硅粉末放入塑料瓶中，开口端用 透气性较好的面巾纸封闭固定。 结果：几乎没有粉末飘出。 3、方法：用胶带粘住粉末，然后将胶带卷成卷状塞入 塑料瓶中，不需要对开口端封闭。 结果：几乎没有粉末飘出。 4、方法：在湿润的纸巾布置一层二氧化硅粉末，然 后将其以卷状放入塑料瓶，开口端用多孔塑料布封闭 固定。 结果：几乎没有粉末飘出
实现过程与效果 二氧化硅粉末的固定：由于该粉末的质轻且颗粒小，不易固定，所以首先我们需要找到 一种有效的固定方式。我们实际做了四种方案，然后用打气筒依次检验封闭性，结果见 以下图片： 1、 方法：将二氧化硅粉末放入塑料瓶中，开口端用透 气性较好的布料封闭固定。 结果：有少量白色粉末飘出。 2、 方法：将二氧化硅粉末放入塑料瓶中，开口端用 透气性较好的面巾纸封闭固定。 结果：几乎没有粉末飘出。 3、 方法：用胶带粘住粉末，然后将胶带卷成卷状塞入 塑料瓶中，不需要对开口端封闭。 结果：几乎没有粉末飘出。 4、 方法：在湿润的纸巾布置一层二氧化硅粉末，然 后将其以卷状放入塑料瓶，开口端用多孔塑料布封闭 固定。 结果：几乎没有粉末飘出
综合以上四种方案及其结果，最后我们方法三，因 为该方法的透气性最佳，且粉未与气体的接触面积最大， 且在通气情况下几乎没有粉末飘出。 >PM2.5颗粒吸附试验： 我们将上述四个样品依次置于发动着的汽车的排气管处每个样品的平均停留时间为两 分钟。随后将样品拿到化学实验室，检测其中PM2.5的含量。 由于每个样品在排气筒处的停留时间过短，为了使我们的结果更贴近实际值，我们推导 了吸附率公式。（推导全过程见附绿） 集中于，)=“流方环丁<原T下7 结2：时率P:1-A(+不 3村kaT V13片aT M 3片T+Y2 其中k,为Bol么monm来放， T为温度（单应K) 方为Pla冰常散(hr),N为R时器内S0.价子个数 u为PM2.5颗粒和冠 A,K,,上为恃症常数，们别表天从一辩到 三雅情正因子，样存肝用，吸时作用 ◆存在问题与改进措施 我们用自制的简易装置装上二氧化硅，并安装在汽车排气口尾部，以研究其吸附固体颗粒物 情况，经过分析，发现效果不太理想，分析可能存在以下原因：
综合以上四种方案及其结果，最后我们方法三，因 为该方法的透气性最佳，且粉末与气体的接触面积最大， 且在通气情况下几乎没有粉末飘出。 PM2.5 颗粒吸附试验： 我们将上述四个样品依次置于发动着的汽车的排气管处，每个样品的平均停留时间为两 分钟。随后将样品拿到化学实验室，检测其中 PM2.5 的含量。 由于每个样品在排气筒处的停留时间过短，为了使我们的结果更贴近实际值，我们推导 了吸附率公式。（推导全过程见附录） 存在问题与改进措施 我们用自制的简易装置装上二氧化硅，并安装在汽车排气口尾部，以研究其吸附固体颗粒物 情况，经过分析，发现效果不太理想，分析可能存在以下原因：
>汽车排放固体颗粒物比较少，应放在柴油机车后面 装置透气性并不好，表现在两个方面： 封住二氧化硅我们采用了布料、纸巾、塑料这三种材料，它们的透气性一般不足以使大 量汽车尾气通过；二氧化硅堆积过于紧实，使得气体很难通过。 >装置过于简陋，而且不能做成孔径为2.5微米孔径的材料 针对以上情况，并查找一些资料，我认为可以做如下改进，使用如下图的颗粒吸附器： 排气口 进气口 11cm 高压电路 油雾过滤 铁丝网 “颗粒吸附器”侧视图 该模型主要是由铁皮、吸油棉、空气滤清器、高压电路、铁丝网及绝缘塑料与橡胶组成。 由三部分构成：一是利用高压电路在铁丝网中产生高压，在尾气通过铁丝网时，固体颗粒物 被电离进而吸附在铁丝网上面；二是利用吸油棉制成“油雾过滤网”，吸收尾气当中的油雾。 其目的是为了延长空气滤清器的寿命，三是利用空气滤清器对尾气中残留的颗粒物进行过滤。 >静电除杂 含颗粒物的尾气经过高压静电场时被电离，颗粒物与负离子结合带上负电后，趋向阳极 表面放电而沉积，从而到达了除杂的效果。 >油雾过滤 由于汽油的不完全燃烧，导致尾气中含有少量的油雾，而油雾对于纸质空气滤清器的使 用寿命有较大的影响。为增长空气滤清器的使用寿命，故对油雾进行过滤
汽车排放固体颗粒物比较少，应放在柴油机车后面 装置透气性并不好，表现在两个方面： 封住二氧化硅我们采用了布料、纸巾、塑料这三种材料，它们的透气性一般不足以使大 量汽车尾气通过；二氧化硅堆积过于紧实，使得气体很难通过。 装置过于简陋，而且不能做成孔径为 2.5 微米孔径的材料 针对以上情况，并查找一些资料，我认为可以做如下改进，使用如下图的颗粒吸附器： 该模型主要是由铁皮、吸油棉、空气滤清器、高压电路、铁丝网及绝缘塑料与橡胶组成。 由三部分构成：一是利用高压电路在铁丝网中产生高压，在尾气通过铁丝网时，固体颗粒物 被电离进而吸附在铁丝网上面；二是利用吸油棉制成“油雾过滤网”，吸收尾气当中的油雾。 其目的是为了延长空气滤清器的寿命；三是利用空气滤清器对尾气中残留的颗粒物进行过滤。 静电除杂 含颗粒物的尾气经过高压静电场时被电离，颗粒物与负离子结合带上负电后，趋向阳极 表面放电而沉积，从而到达了除杂的效果。 油雾过滤 由于汽油的不完全燃烧，导致尾气中含有少量的油雾，而油雾对于纸质空气滤清器的使 用寿命有较大的影响。为增长空气滤清器的使用寿命，故对油雾进行过滤
>再次除杂 利用空气滤清器，对尾气中还残留的固体颗粒物进行过滤，使得尾气对大气质量的影响 进一步的减小。 【附绿】吸附率公式推导全过程 y之瓜人选八守 SHABOAI JIAOTONG UNIVERSITY 比语自一#及，图了等gng附美东 %m■E■2月-世。骄，用丫5利后手50， RaR=0,农球特常质见，保动 m25的掉作样用1用一行5W多子可再日s 5·d而 等当最k客印肠·运示 第至&xh心er音埋为 9E1e5是N化狐要nm51◆ Hr=后中 ·际)“ H:品： w为下0号-Xt-0)李得前A 得笔一个r物制漂是计s第语t白 5#+A方一盖分半：E-T们山 两节特n+,4n秋n心)g -yr)1￥o) 税秀表实+0明满说 在0=0国屋该月，的 醉清果西家带是的情为物子起两所 分米中”学=0，：亚有 号2市伊清化， 件：0时亚日 Pa,a Or I+K.S(I+R) Pa.ao!.Q.0. 良-g):0出 Pe,·or a:a 复5·新5t) 雷上游文通大睾 fa=3P:·0rt0agw-+u-1 作下年甘信奔明餐角酸9生韩=领传E 1,手里.-立号燃P1FF emP广A了品 其年k,有Bolsmumn年整，千有因复I应g) 方方0意核（标），W方果射摆月编时移 型方PM2-5阳胜自0 A.下，。市特中吊年，nB头￥一晚别 垂清手用子，种年年用，理时和用
再次除杂 利用空气滤清器，对尾气中还残留的固体颗粒物进行过滤，使得尾气对大气质量的影响 进一步的减小。 【附录】吸附率公式推导全过程
