我國車用柴油機超細顆粒物排放研究進展綜述

陳歡，李陽陽

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

前言

交通行業作為我國能耗最大的行業，在消耗大量能源的同時也帶來了嚴峻的環境問題和健康問題。機動車排放是城市大氣中超細顆粒物的主要來源之一[1]，而其中柴油機的顆粒物排放占主導地位。KITTELSON等[2]的研究表明，柴油發動機比汽油發動機排放更多的超細顆粒物。

我國目前還未對超細顆粒物的具體直徑做出明確規定，國外對超細顆粒物認可的標準是直徑小于100 nm。大氣顆粒物一般按其空氣動力學直徑（Dp）進行分類：懸浮在空氣中、Dp≤100 μm的大氣顆粒物稱為總懸浮顆粒物；Dp≤10 μm的大氣顆粒物稱為可吸入顆粒物或粗顆粒，記為PM10；Dp≤2.5 μm的大氣顆粒物稱為細顆粒物，記為PM2.5；Dp≤0.1 μm（納米級）大氣顆粒物稱為超細顆粒物（UFPs）[3]。之前的研究表明超細顆粒物粒徑一般呈雙模態分布，分別為愛根核模態（Nucleation and Aitken modes）和積聚模態（Accumulation Mode），不同模態的大氣顆粒物具有不同的來源和化學組成，在大氣中的轉化、傳輸和去除的過程也存在差異[4]。由于超細顆粒物易通過呼吸系統進入肺泡、血液、神經系統等，除對呼吸系統有很大的侵害外，白血病、心血管疾病等的發生也和其有密不可分的關系，故對超細顆粒物的深層研究對于評價大氣環境和人體健康風險有重要意義。

另外，顆粒物粒度分布可分為質量濃度分布和粒數濃度分布，在發動機燃燒所排放顆粒物中，超細顆粒物在數量上占據相當大的百分比，但在質量上比重較小。圖1是以機動車為主要污染源的典型城市大氣環境顆粒物粒數濃度和質量濃度分布譜[5]。

由圖1可以看出超細顆粒物粒數濃度超過總濃度的80%，而其質量濃度卻小到可以忽略，故對超細顆粒物的研究采用粒數濃度比質量濃度研究更為顯著。

圖1 以機動車為主要污染源的典型城市大氣環境顆粒物粒數濃度和質量濃度分布譜

1 超細顆粒物的危害

在我國，長期依賴于石油燃料的機動車行業現狀短時間內很難改變，機動車（尤其是柴油機）所帶來的超細顆粒物具有數量眾多、穿透能力強等特點，因作用機制和方式的特殊性，超細顆粒物（UFPs）具有超強的破壞力[6]，一方面對生態環境產生嚴重危害，另一方面又對人類健康具有極大的危害。

顆粒物是我國大多數城市空氣污染的首要污染物，對生態環境所帶來的危害大家有目共睹。近年來，我國霧霾污染已經非常嚴重，機動車保有量高的各大一線城市在特定季節里都出現了空氣質量嚴重污染、能見度低的情況。根據數據統計[7]，我國至少30%的國土面積、超過8億人口受到不同級別霧霾帶來的危害，其中京津冀及周邊地區、東北地區及中部地區污染最為嚴重。

目前研究已證明顆粒物污染對人體健康的危害程度與粒徑大小有關。毒物學研究表明[8,9]：相同質量超細顆粒的健康危害遠遠大于其他顆粒的危害，所以研究納米級顆粒更有實際意義。超細顆粒物對人體的危害主要表現在致癌、致畸、致突變三個方面，主要是因為超細顆粒物成分復雜，含有多種元素，同時也是其他污染物的載體，超細顆粒物進入呼吸道后與肺組織相互作用，一部分可以被消除掉排出體外，但有一部分可能長時間滯留在肺組織中，其中某些組分可能通過肺內部呼吸作用進入血液中， 再通過循環作用到達其他器官[10]。流行病學和毒理學方法研究也發現[11]，大氣超細顆粒物與人體呼吸系統、心血管系統等疾病的死亡率有明顯的相關性。

2 我國超細顆粒物排放研究進展

隨著納米技術的發展，人們對于超細顆粒物的研究日益深入。國內目前對超細顆粒物的研究主要在于：尋求一種可以降低超細顆粒物排放的柴油替代燃料；對機動車超細顆粒物排放的準確測量；對超細顆粒物的分布特征及其對健康的影響進行研究；總結 UFPs相關性質及對人體多種健康指標的影響；分析國內外的檢測方法、儀器及策略，探討超細顆粒物濃度檢測的影響因素；提出一種新型顆粒層減排工藝,且進行了試探性研究。

謝斌、賀晶晶等人[12]在不同轉速、負荷下，采用 TSI SMPS-3938氣溶膠粒徑譜儀對一臺六缸柴油機燃用柴油和生物柴油排放超細顆粒物數濃度、表面積濃度和體積濃度的負荷特性進行研究分析。結果表明：生物柴油相對于柴油，超細顆粒物排放總體降低，小負荷和部分負荷下超細顆粒物數濃度、表面積濃度和體積濃度均隨負荷的增加而增大，中等、大負荷下降低，高轉速下明顯降低；各工況下，物柴油的超細顆粒物表面積濃度和體積濃度均低于柴油。

中國科學技術大學余同柱[13]研究了機動車超細顆粒物排放的準確測量，其監測結果可為機動車排放評估、顆粒物增長機制研究以及制訂精細化控制措施等提供有效依據。

趙金鐲，宋偉民等人[14]對大氣超細顆粒物的分布特征及其對健康的影響進行了研究，文章綜述了超細顆粒物的分布特征及其組成成分，綜合大氣超細顆粒物與人群健康效應的流行病學及毒理學資料，以獲取超細顆粒物健康效應的可能機制，并總結超細顆粒物的研究方向，為大氣中超細顆粒物污染的健康危險度評價提供依據。

劉潔，應圣潔，陳麗等人[15]針對UFPs可能對人體產生比其他顆粒物更大的負面影響，但相關研究較少且證據不足的問題，查閱了近年來針對 UFPs所致人體健康效應相關的研究，總結 UFPs相關性質及對人體多種健康指標的影響，以促進對UFPs的重視，為后續UFPs相關研究的開展及空氣UFPs污染的健康危險度評價提供參考資料。

山西化工王瑋[16]針對超細顆粒物特點與對人體健康的影響仍不清楚，由于缺少統一的檢測方法，在一定程度上影響了健康評估的問題，對國內外的檢測方法、儀器及策略進行分析，探討超細顆粒物濃度檢測的影響因素。結果表明：在空氣中超細顆粒物檢測工作中，為了有效地提高檢測結果的準確性，需要根據實際情況選擇合適的檢測方法，采用適合的檢測儀器和檢測策略，提高超細顆粒物檢測水平。

崔榮健，劉海濤，高海潮等人[17]針對現有除塵工藝對超細顆粒物的脫除率不高的問題， 綜述了當前顆粒物控制的研究現狀及存在問題，提出一種新型顆粒層減排工藝，且進行了試探性研究。結果表明，顆粒層除塵工藝可有效降低PM2.5的排放，為進一步研究煙氣中超細顆粒物的排放提供了一定的實驗基礎，并對未來控制燃燒煙氣中超細顆粒物排放進行了展望。

3 結論與展望

總而言之，目前我國對車用柴油機超細顆粒物排放的研究還十分有限，但其給人類帶來的環境危害和健康危害不容小覷，故對超細顆粒物的深層研究迫在眉睫，特別是我國大氣復合污染比較嚴重的地區，急需進行大氣超細顆粒物的觀測研究。

對超細顆粒物的研究蘊含著非常豐富的研究內容，因為它涉及到環境學、化學、物理、醫學、流體力學、空氣動力學等的多領域范疇。故此項研究任重而道遠，其研究動向對整個世界都有著深刻的指導意義。