柴油發動機排氣納米顆粒物質量濃度檢測*

姚水良，沈　星，趙一帆，趙凱奇，姚　海，盧宇浩，吳祖良，章旭明

(浙江工商大學環境科學與工程學院，浙江　杭州　310018)

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柴油發動機排氣納米顆粒物質量濃度檢測*

姚水良，沈星，趙一帆，趙凱奇，姚海，盧宇浩，吳祖良，章旭明

(浙江工商大學環境科學與工程學院，浙江杭州310018)

柴油發動機排氣中含有大量的納米級顆粒物。本研究開發了利用聚四氟乙烯燒結管來過濾納米顆粒物以檢測柴油發動機排氣納米顆粒物排放量的方法。聚四氟乙烯燒結管的過濾效率用掃描電遷移率粒徑譜儀來評價。在顆粒物動力學直徑范圍(30～400 nm)內，聚四氟乙烯燒結管的過濾效率高達99%。柴油發動機排氣中納米顆粒物的質量濃度在5.40 mg/m3以上。

柴油發動機；納米顆粒物；聚四氟乙烯燒結管；粒徑分布；質量濃度；個數濃度

柴油發動機在我國交通運輸等方面具有十分重要的貢獻。我國每年生產約360萬臺柴油發動機，其中290萬臺用于柴油車的生產，其余用于發電機和工程機械等領域[1]。從柴油發動機排放出來的顆粒物、氧化氮(NOx)和未完全燃燒物不僅導致大氣PM2.5濃度的增加，而且導致大氣光化學煙霧，使我國大部分城市灰霾天氣日數急劇增加[2-3]。顆粒物對人身體健康有嚴重危害，世界衛生組織已在2012年6月12日將柴油發動機尾氣顆粒物指定為致癌物。環境保護部在2012年2月發布的環境空氣質量標準(GB 3095-2012)，將PM10和PM2.5納入要控制的范圍。目前國家正在采取各種措施，一方面加強這些污染物濃度的監控，另一方面通過各種方式減少這些污染物的排放[4-5]。

柴油發動機排氣中的顆粒物排放量檢測主要有四種：

(1)過濾法[6-10]

過濾法采用過濾膜將顆粒物過濾在膜上，檢測過濾前后膜的質量變化和排氣流量來計算顆粒物排放濃度和排放量。過濾前后膜的質量測定采用精密電子天平來完成。這種方法廣泛用于實驗室臺架試驗，來檢測動態或靜態柴油發動機顆粒物排放總量。優點是可以實施動態檢測。缺點是需要精密控制、高價和維護困難。

(2)光吸收法[11-12]

由于顆粒物對光有吸收作用，利用這個作用來檢測排氣的煙度。這種光吸收法具有裝置簡單和使用方便等特點，被廣泛用于柴油車排放檢測。但此法檢測精度低、再現性差、難于適應要求日益嚴格的柴油發動機排氣(低顆粒物濃度)檢測要求。

(3)光散射法[13]

利用顆粒物對光的散射來對柴油發動機顆粒物質量濃度、排放質量總量、個數濃度和個數排放總量實施檢測。缺點是儀器價格昂貴、穩定性差。

(4)帶電量換算法[14-15]

先通過將柴油發動機排氣中的顆粒物荷電，然后將顆粒物通過高壓電場進行大小分級，然后通過在法拉第杯檢測帶電量來換算各粒徑段顆粒物的個數濃度。

本研究采用能過濾納米級顆粒物的聚四氟乙烯燒結管來過濾級柴油發動機排出的納米顆粒物，然后通過檢測過濾前后聚四氟乙烯燒結管的質量差來計算柴油發動機的顆粒物排放濃度。

1　實　驗

1.1材料與方法

試驗流程圖如圖1所示。柴油發動機(發電機)與負載(電阻式加熱器)相連，通過改變負載功率來調節柴油發動機的輸出功率，同時改變排氣中顆粒物排放特性。從采樣器出來的一部分排氣經過洗瓶1和洗瓶2充分冷卻到室溫將水滴去除后進入聚四氟乙烯燒結管進行過濾。排氣流向為燒結管的外側流到內側。通過燒結管的排氣流量靠定體積流量氣泵和針型閥來控制。排氣流量通過轉子流量計來控制。排氣的體積流量控制為10 L/min(25 ℃，1大氣壓)。聚四氟乙烯燒結管的質量利用電子天平來稱量。利用掃描電遷移率粒徑譜儀(SMPS+E，德國Grimm)對通過轉子流量計出來的氣體中顆粒物粒徑和濃度進行在線檢測。過濾實驗時的環境溫度為室溫(25 ℃)。

圖1　實驗裝置流程圖

1.2主要儀器設備

YT6800T-ATS柴油發電機，上海伊謄實業有限責任公司；SMPS+E掃描電遷移率粒徑譜儀，德國Grimm；XS205DU電子天平，瑞士METTLER TOLEDO；聚四氟乙烯燒結管(外徑15 mm×內徑10 mm×高51 mm)，蘇州市明瑞精工器材有限公司。

1.3聚四氟乙烯燒結管的處理方法

將未使用過的聚四氟乙烯燒結管置于干燥箱內，在100 ℃溫度下烘干40 min達到質量恒定，然后置于氮氣(99.999%)中保存。過濾柴油機排氣后，同樣在100 ℃下烘干直至質量恒定，計算過濾前后質量差。

過濾效果(過濾效率)計算方法：

(1) 粒徑過濾效率Xi(%)

(1)

(2) 總顆粒過濾效率Y(%)

(2)

式中：Xi——粒徑為i(6～477 nm)的顆粒物的過濾效率

Ci——有聚四氟乙烯燒結管時粒徑為i的顆粒物個數濃度，個/cm3

Ci0——無聚四氟乙烯燒結管時的粒徑為i的顆粒物個數濃度，個/cm3

n0和n——無和有聚四氟乙烯燒結管時顆粒物的總個數濃度，個/cm3

(3)柴油發電機排氣中的顆粒物質量濃度C(mg/m3)

(3)

式中：m0和m——過濾前后聚四氟乙烯燒結管的質量，mg

t——過濾時間，min

F——轉子流量計流量，L/min

2　結果與討論

2.1有無聚四氟乙烯燒結管時的顆粒物個數濃度與輸出功率之間的關系

柴油發電機啟動并在保持一定輸出功率1 h后，發電機的排氣溫度和顆粒物個數濃度保持穩定，開始檢測顆粒物個數濃度。圖2為無聚四氟乙烯燒結管時不同粒徑下的顆粒物個數濃度。顆粒物個數濃度隨輸出功率的增加而增加。輸出功率0 W時顆粒物個數濃度最高(1.73×106個/cm3)時的粒徑為77 nm，隨輸出功率的增加，顆粒物個數濃度最高時粒徑變大，2000 W時顆粒物個數濃度最高(6.84×106個/cm3)時的粒徑為85 nm。

圖2　無聚四氟乙烯燒結管時的不同輸出功率下的粒徑分布

2.2不同輸出功率下聚四氟乙烯燒結管的過濾效率

通過式(1)可以計算各個粒徑下的過濾效率Xi，其結果列于圖3中。從圖3可以看出，當輸出功率為0、800、1200和2000 W時，30 nm以上的粒徑過濾效率Xi接近100%。表2為不同輸出功率下的總顆粒過濾效率Y。在本試驗條件下，總顆粒過濾效率也高達99.4%以上。

圖3　不同發電機輸出功率下的粒徑過濾效率

發電機的輸出功率/W總顆粒過濾效率Y/%099.480099.8120099.8200099.8

2.3顆粒物的質量濃度與輸出功率之間的關系

柴油發電機排氣中的顆粒物質量濃度通過稱量過濾前后聚四氟乙烯燒結管的質量并利用式(3)來求得。表3為不同柴油發電機輸出功率下排氣中的顆粒物質量濃度檢測結果。排氣中顆粒物質量濃度隨輸出功率的增加而增加。當輸出功率為0 W時，顆粒物質量濃度為5.40 mg/m3，當輸出功率增加到2000 W時，顆粒物質量濃度增加到19.40 mg/m3。

表3　不同柴油機輸出功率下排氣中的顆粒物質量濃度Table 3　Particle mass concentration at various diesel engine loads

3　結　論

本研究利用可以過濾納米顆粒的聚四氟乙烯燒結管燒結管來過濾和測量柴油發電機排氣中的顆粒物質量濃度，并通過掃描電遷移率粒徑譜儀對過濾燒結管的粒徑過濾效率和總顆粒過濾效率進行了評價、驗證，得到以下結論。

(1)粒徑大于30 nm時，聚四氟乙烯燒結管的納米顆粒粒徑過濾效率在98.5%以上，總顆粒過濾效率都在99.4%以上；

(2)用聚四氟乙烯燒結管檢測到的柴油發電機排氣中的顆粒物質量濃度為5.40(0 W)、7.47(800 W)、8.73(1200 W)和19.4 mg/m3(2000 W)。

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Mass Concentration Measurement of Nano-particles in Diesel Engine Exhaust*

YAO Shui-liang， SHEN Xing， ZHAO Yi-fan， ZHAO Kai-qi, YAO Hai， LU Yu-hao， WU Zu-liang， ZHANG Xu-ming

(School of Environmental Science and Engineering, Zhejiang Gongshang University,ZhejiangHangzhou310018,China)

Diesel engine exhaust contains a large amount of nano-particles. A method for measuring nano-particles in the diesel engine exhaust by filtration using a sintered filter made of polytetrafluoroethylene was reported. The filtration efficiency was evaluated with a scanning particle size analyzer. The filtration efficiency of the sintered filter was as high as 99% in an aerodynamic diameter range between 30～400 nm. The mass concentrations of nano-particles in the diesel engine exhaust were higher than 5.40 mg/m3.

diesel engine; nano-particles; sintered filter; particle size distribution; mass concentration; number concentration

浙江省科學技術廳公益技術研究項目(2015C31018)；2015年浙江省新苗人才計劃項目(1260KZNO215147G)。

姚水良(1963-)，男，博士，教授，主要從事大氣污染控制工程研究。

章旭明(1981-)，男，博士，主要從事大氣污染控制工程研究。

X851

A

1001-9677(2016)014-0127-03