单颗粒气溶胶质谱仪应用于发动机排放研究

发表时间:2012-06-13阅读次数:

汽车的发动机排放是城市大气中气溶胶颗粒的主要来源之一,飞机的燃油燃烧也是高空大气气溶胶的重要来源。这些经发动机燃烧排放的气溶胶对人体、空气质量、气候都有着非常重要的影响。当前汽车节能减排已经成为一项重要的控制策略。然而,无论是对于发动机结构的改进,还是环境管理部门,都需要一种能够快速表征发动机排放的颗粒物的仪器。

     单颗粒气溶胶质谱仪(ATOFMS)能够实时、快速、一个一个地检测发动机排放出的微小粒子的大小以及对应的化学组成。发动机研究单位使用单颗粒气溶胶质谱仪能了解不同的发动机的排放出的颗粒物的特性,为发动机的技术改进提供参考。环境管理部门也能够根据发动机排放的颗粒物的粒径分布及组成特征,了解污染的情况,为实施行之有效的控制提供依据。在我国单颗粒质谱应用于发动机排放的研究几乎没有,但国外已有大量的文献报导单颗粒气溶胶质谱仪在发动机排放中的应用。

     柴油车一般都是负载叫大的车辆,这些车辆排放出来的颗粒物的数量是汽油车排放出来的颗粒物的十倍甚至百倍。这些排放出来的颗粒物通常都是引擎燃烧不完全产生的,他们的有着什么样的特征呢?Toner1等人通过一系列实验对重型柴油车排放的颗粒物进行了表征。他们利用ATOFMS对多辆重型柴油车在不同的运行条件下排放出来的颗粒物进行了单颗粒质谱检测,然后将检测到的颗粒物进行分类。分类结果如图一所示,结果显示柴油车车在运行过程中排放出来的颗粒物绝大多数都是黑炭颗粒以及轮滑油一些添加剂的混合物。如图一所示的第一类颗粒物占了燃烧颗粒物总比例的78%。该类颗粒物中主要是一些短链的碳簇,以及钙和磷酸盐。而钙和磷酸盐很可能是来源于柴油机引擎轮滑油中的添加剂。这表明柴油车尾气排放的颗粒物主要是一些不完全燃烧的黑炭颗粒凝集了一些引擎轮滑油成分的混合物

     柴油车燃烧会产生的非常多细小的黑炭颗粒物,这些及其微下的黑炭颗粒会作为核凝结挥发性的有机物。其余类型的颗粒物中也主要是一些含有黑炭峰以及磷酸盐的峰。

     当前对PM2.5的控制仅仅停留在质量浓度监测的层面上,但并不知道各类颗粒物对PM2.5的贡献情况到底如何。通过上述综述可以看到,单颗粒气溶胶质谱仪能够检测柴油车排放出的颗粒物的质谱特征。那么一旦将这些获得的典型的质谱特征应用于实际环境大气中,就能够对实际检测的大气气溶胶颗粒进行源分配,定量地得到PM2.5的源分配组成。Toner2等继续利用ATOFMS在某高速公路附近进行了连续观测,对获得数据进行分类之后发现大量的单颗粒与之前实验获得柴油车尾气的颗粒物特征相一致,如图二所示。这一结果表明了单颗粒气溶胶质谱仪获得的排放源的质谱特征能够应用于实际环境检测。

 

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.