單顆粒氣溶膠質譜儀應用於發動機排放研究

發表時間:2012-06-13閱讀次數:

汽車的發動機排放是城市大氣中氣溶膠顆粒的主要來源之一,飛機的燃油燃燒也是高空大氣氣溶膠的重要來源。這些經發動機燃燒排放的氣溶膠對人體、空氣質量、氣候都有著非常重要的影響。當前汽車節能減排已經成為一項重要的控製策略。然而,無論是對於發動機結構的改進,還是環境管理部門,都需要一種能夠快速表征發動機排放的顆粒物的儀器。

     單顆粒氣溶膠質譜儀(ATOFMS)能夠實時、快速、一個一個地檢測發動機排放出的微小粒子的大小以及對應的化學組成。發動機研究單位使用單顆粒氣溶膠質譜儀能了解不同的發動機的排放出的顆粒物的特性,為發動機的技術改進提供參考。環境管理部門也能夠根據發動機排放的顆粒物的粒徑分布及組成特征,了解汙染的情況,為實施行之有效的控製提供依據。在我國單顆粒質譜應用於發動機排放的研究幾乎沒有,但國外已有大量的文獻報導單顆粒氣溶膠質譜儀在發動機排放中的應用。

     柴油車一般都是負載叫大的車輛,這些車輛排放出來的顆粒物的數量是汽油車排放出來的顆粒物的十倍甚至百倍。這些排放出來的顆粒物通常都是引擎燃燒不完全產生的,他們的有著什麽樣的特征呢?Toner1等人通過一係列實驗對重型柴油車排放的顆粒物進行了表征。他們利用ATOFMS對多輛重型柴油車在不同的運行條件下排放出來的顆粒物進行了單顆粒質譜檢測,然後將檢測到的顆粒物進行分類。分類結果如圖一所示,結果顯示柴油車車在運行過程中排放出來的顆粒物絕大多數都是黑炭顆粒以及輪滑油一些添加劑的混合物。如圖一所示的第一類顆粒物占了燃燒顆粒物總比例的78%。該類顆粒物中主要是一些短鏈的碳簇,以及鈣和磷酸鹽。而鈣和磷酸鹽很可能是來源於柴油機引擎輪滑油中的添加劑。這表明柴油車尾氣排放的顆粒物主要是一些不完全燃燒的黑炭顆粒凝集了一些引擎輪滑油成分的混合物

     柴油車燃燒會產生的非常多細小的黑炭顆粒物,這些及其微下的黑炭顆粒會作為核凝結揮發性的有機物。其餘類型的顆粒物中也主要是一些含有黑炭峰以及磷酸鹽的峰。

     當前對PM2.5的控製僅僅停留在質量濃度監測的層麵上,但並不知道各類顆粒物對PM2.5的貢獻情況到底如何。通過上述綜述可以看到,單顆粒氣溶膠質譜儀能夠檢測柴油車排放出的顆粒物的質譜特征。那麽一旦將這些獲得的典型的質譜特征應用於實際環境大氣中,就能夠對實際檢測的大氣氣溶膠顆粒進行源分配,定量地得到PM2.5的源分配組成。Toner2等繼續利用ATOFMS在某高速公路附近進行了連續觀測,對獲得數據進行分類之後發現大量的單顆粒與之前實驗獲得柴油車尾氣的顆粒物特征相一致,如圖二所示。這一結果表明了單顆粒氣溶膠質譜儀獲得的排放源的質譜特征能夠應用於實際環境檢測。

 

1. Toner, S. M.; Sodeman, D. A.; Prather, K. A., Single particle characterization of ultrafine and accumulation mode particles from heavy duty diesel vehicles using aerosol time-of-flight mass spectrometry. Environ. Sci. Technol. 2006, 40 (12), 3912-3921.

2. Toner, S. M.; Shields, L. G.; Sodeman, D. A.; Prather, K. A., Using mass spectral source signatures to apportion exhaust particles from gasoline and diesel powered vehicles in a freeway study using UF-ATOFMS. Atmos. Environ. 2008, 42 (3), 568-581.