——谈谈壁流式蜂窝陶瓷

李勤

说起汽车冒黑烟，大家一定都很熟悉。记得小时候在十字路口等着过马路时总会看到这样的情形，每当由红灯转为绿灯的时候，公交车或大卡车在启动时会拖着长长的黑尾巴。

今年冬天北京及上海等大城市多日的阴霾天气使得PM2.5成为了热门词汇。那么黑烟与PM2.5是什么关系，而壁流式蜂窝陶瓷又有什么作用呢？

我们知道，PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，主要成分是元素碳、有机碳化合物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐。其它的常见的成分包括各种金属元素，既有钠、镁、钙、铝、铁等地壳中含量丰富的元素，也有铅、锌、砷、镉、铜等主要源自人类污染的重金属元素，严重威胁人体健康，已经被美国和欧盟部分国家作为重要的监测空气污染程度的指数。多项统计数据显示，由于目前我们主要还是依赖于对化石能源的消耗，汽车尾气排放特别是柴油机车尾气的排放对空气中PM2.5的产生负有不可推卸的责任。

我们常见的黑烟主要是柴油发动机未完全燃烧的固体碳颗粒（碳烟）及其表面吸附的硫酸盐、金属氧化物和碳氢化合物等。在发动机冷启动时最容易发生，这也是为什么通常我们看到的是启动时会有黑烟，而开过一段时间后黑烟逐渐减少至我们肉眼看不到。其黑烟的主要成分如图1，图2所示：中间的核心是干的碳粒，外面是被吸附和凝结在碳颗粒表面的碳氢化合物、硫化物、重金属物质及多环芳烃等有毒化合物。

为了减少柴油车的黑烟排放，欧洲许多国家包括美国在内的发达国家从上世纪70年代末就开始重视柴油机的微粒排放控制。经过近20年的研究，柴油机的微粒排放控制技术取得了很大的进展，其中一些技术的采用已经使柴油机微粒排放控制取得阶段性突破。

我国这方面的研究开始比较晚，一方面是进入汽车化年代比较晚，而且早期只是对于汽油车尾气排放的研究进行的比较多，另外一方面是近年来能源的紧缺促使大家重新认识柴油机，并且发现柴油机热效率高，燃油消耗率低，CO2排放量低，耐久和可靠等优良性能。

单纯从污染的角度看，柴油车、汽油车都有污染。但是在不采取任何措施的情况下，汽油车的污染更严重。这是因为在所有的污染物中，汽油车的一氧化碳(CO)、二氧化碳(C02)、碳氢(CH)排放量都比柴油车大，氮氧化物(N0x)则基本处于同一数量级，柴油车的主要污染物则是碳烟。

在众多减少黑烟排放的技术中，柴油机微粒捕集器（DPF）是目前国际上最有效、最接近实用的后处理技术。它相当于在柴油车的排气管上加一个过滤的装置，将排气中的碳颗粒挡住，使黑烟不能排放出来，从而达到了净化的目的（图3）。

图3：柴油机颗粒捕集器形状和功能

图4：壁流式蜂窝陶瓷（左边灰黑色为碳化硅材质，右边为堇青石材质）

图5：壁流式蜂窝陶瓷过滤结构示意图（蓝色为被截留的碳烟，绿色为堵住的孔）

柴油机颗粒捕集技术的两大关键技术就是过滤体结构材料和过滤体的再生技术。国内外常用的载体主要是壁流式蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、编织陶瓷纤维及烧结金属丝网过滤体等。而壁流式蜂窝陶瓷是目前国际公认的综合性能较好的过滤体。

壁流式蜂窝陶瓷如图4，图5所示，过滤体有许多平行的通道，看上去像蜂窝一样，然后这些平行通道的端口交错地被堵上（见图5中绿色小块）。这样柴油机排出的废气可以从入口一端进入过滤体，由于通道两端被交替堵住，废气进入通道后碳颗粒只能通过具有多孔性质的薄壁将碳颗粒截留才能到出口排出。过滤体目前用的比较多的材质为堇青石或碳化硅材料，薄壁处小孔的平均直径约为10微米左右。壁流式结构的过滤效率很高，通常可达到90％以上。柴油机排出的废气（黑烟）通过入口端进入，经过多孔材质的薄壁过滤截留掉黑烟，从而宰掉了柴油车的黑尾巴，最终达到了净化尾气的目的。这样我们在十字路口就用不着捂着鼻子过马路啦！