拖拉機排放非典型顆粒物的微量元素分析

劉進取，劉學淵

（西南林業大學機械與交通學院，云南 昆明 650224）

柴油機因其良好的動力性以及較高的熱效率，在各種動力裝置尤其是拖拉機等農業機械中得到廣泛應用[1]。隨著農業現代化的發展，農業機械保有量不斷增加，其排放問題越來越引起人們的重視。顆粒物是柴油機主要的排放污染物之一，對人的身體健康和大氣環境都具有顯著影響[2，3]。

拖拉機在實際作業工況下，長期處于高溫高負荷的工作狀態，且負載多變[4]，其固有的工作方式以及復雜多變的工作環境使得顆粒物等污染物的排放加劇，非典型顆粒物的排放增多，對環境造成惡劣影響。

現有研究，多為對典型顆粒物的研究，而針對非典型顆粒物的研究相對較少。為了深入研究拖拉機在實地作業過程中排放非典型顆粒物的形貌特性，本研究通過采集其排放顆粒物，結合透射電子顯微鏡、X射線能譜等方法，對顆粒物的形貌及元素組成進行了分析研究。

1 實驗設備與方法

1.1 顆粒采集

本研究主要運用山拖泰山TS904Ⅲ型拖拉機，對其所排放尾氣進行分流稀釋，將分流稀釋的尾氣流過裝有TEM支持膜的顆粒采集器，采集其在旋耕工況下穩定工作時所排放的顆粒物，以用于進一步分析研究。

1.2 分析方法

為了更好地對所采集顆粒物進行分析，運用荷蘭FEI公司生產的Tecnai G2 TF30 S-Twin型場發射透射電子顯微鏡進行成像處理，加速電壓300kV，點分辨率0.205nm，線分辨率0.102nm。其主要搭載掃描透射系統（STEM），CCD數字成像系統，EDAX X-射線能譜儀（EDX）等附件配置，具有衍襯成像、高分辨成像、電子衍射、能譜分析等多種功能。

2 實驗結果與討論

2.1 顆粒物的微觀形貌

拖拉機在實際運行過程中所排放顆粒物具有十分復雜的形貌結構，本研究通過采集拖拉機排放顆粒物，運用透射電子顯微鏡觀察其微觀形貌，拍攝顯微圖像。通過對顆粒物微觀圖像進行觀察，可以發現，根據其形貌結構的不同，可以將拖拉機排放顆粒物大致分為兩類：典型顆粒物和非典型顆粒物，如圖1所示。

從圖像可以看出，典型顆粒物通常由數十個至上百個近球形基本顆粒組成，呈現出鏈狀、枝狀、環狀等具有分形結構的聚集體。與典型微粒相比，非典型微粒邊界較為模糊，組成顆粒物的基本碳煙顆粒沒有規則的形狀，且非典型顆粒物內部基本碳煙顆粒并沒有明顯的邊界區分，大部分雜亂無章的堆聚在一起。

圖1 TEM微觀圖像

2.2 非典型顆粒物元素分析

為了研究非典型顆粒物的元素組成，運用X射線能譜儀對圖1b中非典型顆粒進行能譜分析，如圖2所示，其各元素分別與X軸上相應的能量范圍相互對應，根據其峰值，可以確定其非典型顆粒物中的組成元素。

圖2 非典型顆粒物EDX能譜分析

圖2 為拖拉機在實際耕作過程中生成的非典型微粒物的形貌及能譜分析。通過對其元素進行分析可以發現，在非典型顆粒物中，其主要組成元素為C，其含量遠高于其他元素，其次是O元素。此外，還含有大量的金屬和非金屬元素如Fe、Al、Si、K、Cu等，但含量較低。其排放顆粒物元素組成與現有一些研究中非典型顆粒物的元素組成具有一定的相似性，如表1所示。其中，C元素是顆粒物的主要構成元素，O元素是不完全燃燒生成的碳氫氧化物，Cu主要來自于TEM支持膜銅網，其余元素如Al、Fe、K等則主要來自于潤滑油、發動機機油以及氣缸零部件的磨損等。

表1 柴油機非典型顆粒物元素檢測結果對比

3 結 論

本研究通過對拖拉機工作過程尾氣中的顆粒物進行取樣，運用場發射透射電子顯微鏡、X射線能譜儀對顆粒的形貌以及元素組成進行了研究，主要結論如下：

（1）本研究通過對顆粒物TEM圖像進行觀察，按照其形狀結構將其分為兩類：典型顆粒物與非典型顆粒物。其中，典型顆粒物其形貌特征相似，呈現出鏈狀、枝狀、環狀等不規則形狀，非典型顆粒物邊界較為模糊，不具有分型特性。

（2）運用X射線能譜儀對非典型顆粒物進行元素分析，發現其微粒中，除含有C、O元素外，還含有Fe、Al、K等金屬元素以及Si等非金屬元素。