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

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

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

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

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.

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

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

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

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

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

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.