柴油发动机排气纳米颗粒物质量浓度检测*

姚水良，沈　星，赵一帆，赵凯奇，姚　海，卢宇浩，吴祖良，章旭明

(浙江工商大学环境科学与工程学院，浙江　杭州　310018)



柴油发动机排气纳米颗粒物质量浓度检测*

姚水良，沈星，赵一帆，赵凯奇，姚海，卢宇浩，吴祖良，章旭明

(浙江工商大学环境科学与工程学院，浙江杭州310018)

柴油发动机排气中含有大量的纳米级颗粒物。本研究开发了利用聚四氟乙烯烧结管来过滤纳米颗粒物以检测柴油发动机排气纳米颗粒物排放量的方法。聚四氟乙烯烧结管的过滤效率用扫描电迁移率粒径谱仪来评价。在颗粒物动力学直径范围(30～400 nm)内，聚四氟乙烯烧结管的过滤效率高达99%。柴油发动机排气中纳米颗粒物的质量浓度在5.40 mg/m3以上。

柴油发动机；纳米颗粒物；聚四氟乙烯烧结管；粒径分布；质量浓度；个数浓度

柴油发动机在我国交通运输等方面具有十分重要的贡献。我国每年生产约360万台柴油发动机，其中290万台用于柴油车的生产，其余用于发电机和工程机械等领域[1]。从柴油发动机排放出来的颗粒物、氧化氮(NOx)和未完全燃烧物不仅导致大气PM2.5浓度的增加，而且导致大气光化学烟雾，使我国大部分城市灰霾天气日数急剧增加[2-3]。颗粒物对人身体健康有严重危害，世界卫生组织已在2012年6月12日将柴油发动机尾气颗粒物指定为致癌物。环境保护部在2012年2月发布的环境空气质量标准(GB 3095-2012)，将PM10和PM2.5纳入要控制的范围。目前国家正在采取各种措施，一方面加强这些污染物浓度的监控，另一方面通过各种方式减少这些污染物的排放[4-5]。

柴油发动机排气中的颗粒物排放量检测主要有四种：

(1)过滤法[6-10]

过滤法采用过滤膜将颗粒物过滤在膜上，检测过滤前后膜的质量变化和排气流量来计算颗粒物排放浓度和排放量。过滤前后膜的质量测定采用精密电子天平来完成。这种方法广泛用于实验室台架试验，来检测动态或静态柴油发动机颗粒物排放总量。优点是可以实施动态检测。缺点是需要精密控制、高价和维护困难。

(2)光吸收法[11-12]

由于颗粒物对光有吸收作用，利用这个作用来检测排气的烟度。这种光吸收法具有装置简单和使用方便等特点，被广泛用于柴油车排放检测。但此法检测精度低、再现性差、难于适应要求日益严格的柴油发动机排气(低颗粒物浓度)检测要求。

(3)光散射法[13]

利用颗粒物对光的散射来对柴油发动机颗粒物质量浓度、排放质量总量、个数浓度和个数排放总量实施检测。缺点是仪器价格昂贵、稳定性差。

(4)带电量换算法[14-15]

先通过将柴油发动机排气中的颗粒物荷电，然后将颗粒物通过高压电场进行大小分级，然后通过在法拉第杯检测带电量来换算各粒径段颗粒物的个数浓度。

本研究采用能过滤纳米级颗粒物的聚四氟乙烯烧结管来过滤级柴油发动机排出的纳米颗粒物，然后通过检测过滤前后聚四氟乙烯烧结管的质量差来计算柴油发动机的颗粒物排放浓度。

1　实　验

1.1材料与方法

试验流程图如图1所示。柴油发动机(发电机)与负载(电阻式加热器)相连，通过改变负载功率来调节柴油发动机的输出功率，同时改变排气中颗粒物排放特性。从采样器出来的一部分排气经过洗瓶1和洗瓶2充分冷却到室温将水滴去除后进入聚四氟乙烯烧结管进行过滤。排气流向为烧结管的外侧流到内侧。通过烧结管的排气流量靠定体积流量气泵和针型阀来控制。排气流量通过转子流量计来控制。排气的体积流量控制为10 L/min(25 ℃，1大气压)。聚四氟乙烯烧结管的质量利用电子天平来称量。利用扫描电迁移率粒径谱仪(SMPS+E，德国Grimm)对通过转子流量计出来的气体中颗粒物粒径和浓度进行在线检测。过滤实验时的环境温度为室温(25 ℃)。

图1　实验装置流程图

1.2主要仪器设备

YT6800T-ATS柴油发电机，上海伊誊实业有限责任公司；SMPS+E扫描电迁移率粒径谱仪，德国Grimm；XS205DU电子天平，瑞士METTLER TOLEDO；聚四氟乙烯烧结管(外径15 mm×内径10 mm×高51 mm)，苏州市明瑞精工器材有限公司。

1.3聚四氟乙烯烧结管的处理方法

将未使用过的聚四氟乙烯烧结管置于干燥箱内，在100 ℃温度下烘干40 min达到质量恒定，然后置于氮气(99.999%)中保存。过滤柴油机排气后，同样在100 ℃下烘干直至质量恒定，计算过滤前后质量差。

过滤效果(过滤效率)计算方法：

(1) 粒径过滤效率Xi(%)

(1)

(2) 总颗粒过滤效率Y(%)

(2)

式中：Xi——粒径为i(6～477 nm)的颗粒物的过滤效率

Ci——有聚四氟乙烯烧结管时粒径为i的颗粒物个数浓度，个/cm3

Ci0——无聚四氟乙烯烧结管时的粒径为i的颗粒物个数浓度，个/cm3

n0和n——无和有聚四氟乙烯烧结管时颗粒物的总个数浓度，个/cm3

(3)柴油发电机排气中的颗粒物质量浓度C(mg/m3)

(3)

式中：m0和m——过滤前后聚四氟乙烯烧结管的质量，mg

t——过滤时间，min

F——转子流量计流量，L/min

2　结果与讨论

2.1有无聚四氟乙烯烧结管时的颗粒物个数浓度与输出功率之间的关系

柴油发电机启动并在保持一定输出功率1 h后，发电机的排气温度和颗粒物个数浓度保持稳定，开始检测颗粒物个数浓度。图2为无聚四氟乙烯烧结管时不同粒径下的颗粒物个数浓度。颗粒物个数浓度随输出功率的增加而增加。输出功率0 W时颗粒物个数浓度最高(1.73×106个/cm3)时的粒径为77 nm，随输出功率的增加，颗粒物个数浓度最高时粒径变大，2000 W时颗粒物个数浓度最高(6.84×106个/cm3)时的粒径为85 nm。

图2　无聚四氟乙烯烧结管时的不同输出功率下的粒径分布

2.2不同输出功率下聚四氟乙烯烧结管的过滤效率

通过式(1)可以计算各个粒径下的过滤效率Xi，其结果列于图3中。从图3可以看出，当输出功率为0、800、1200和2000 W时，30 nm以上的粒径过滤效率Xi接近100%。表2为不同输出功率下的总颗粒过滤效率Y。在本试验条件下，总颗粒过滤效率也高达99.4%以上。

图3　不同发电机输出功率下的粒径过滤效率

发电机的输出功率/W总颗粒过滤效率Y/%099.480099.8120099.8200099.8

2.3颗粒物的质量浓度与输出功率之间的关系

柴油发电机排气中的颗粒物质量浓度通过称量过滤前后聚四氟乙烯烧结管的质量并利用式(3)来求得。表3为不同柴油发电机输出功率下排气中的颗粒物质量浓度检测结果。排气中颗粒物质量浓度随输出功率的增加而增加。当输出功率为0 W时，颗粒物质量浓度为5.40 mg/m3，当输出功率增加到2000 W时，颗粒物质量浓度增加到19.40 mg/m3。

表3　不同柴油机输出功率下排气中的颗粒物质量浓度Table 3　Particle mass concentration at various diesel engine loads

3　结　论

本研究利用可以过滤纳米颗粒的聚四氟乙烯烧结管烧结管来过滤和测量柴油发电机排气中的颗粒物质量浓度，并通过扫描电迁移率粒径谱仪对过滤烧结管的粒径过滤效率和总颗粒过滤效率进行了评价、验证，得到以下结论。

(1)粒径大于30 nm时，聚四氟乙烯烧结管的纳米颗粒粒径过滤效率在98.5%以上，总颗粒过滤效率都在99.4%以上；

(2)用聚四氟乙烯烧结管检测到的柴油发电机排气中的颗粒物质量浓度为5.40(0 W)、7.47(800 W)、8.73(1200 W)和19.4 mg/m3(2000 W)。

[1]中国机动车污染防治年报[R].中华人民共和国环境保护部,2013.

[2]Raghu B,Rajasekhar B.Emissions of particulate-bound elements from biodiesel and ultra low sulfur diesel:Size distribution and risk assessment [J]. Chemosphere, 2013,90: 1005-1015.

[3]邹建国,钟秦.柴油机排放PM净化技术研究进展[J].环境污染治理技术与设备, 2005(6): 7-11.

[4]谭吉华,石晓燕,张洁,等.生物柴油对柴油机排放细颗粒物及其中多环芳烃的影响[J].环境科学,2009, 30(10): 2839-2844.

[5]Roland U,Holzer F,Kopinke FD.Improved oxidation of air Pollutants in a Non-thermal plasma [J]. Catalysis Today,2002,73: 315-323.

[6]郭秀丽,贾卫平,元占丰.柴油机DPF过滤材料研究现状及发展趋势[J].小型内燃机与摩托车,2013,42(5):82-85.

[7]王逢瑚,郭秀荣.柴油车尾气微粒捕集器技术研究现状及发展趋势[J].小型内燃机与摩托车,2010,39(1):92-96.

[8]Kim Oanh NT, Thiansathit W,et al.Compositional characterization of PM2.5emitted from in-use diesel vehicles[J].Atmospheric Environment,2010,44: 15-22.

[9]Eggenschwiler PD, Schreiber D,Liati A.Active regeneration characteristics in diesel particulate filters (DPFs)[J].SAE Paper, 2012-24-0185.

[10]Yang J, Stewart M, Maupin G,et al.Single wall diesel particulate filter(DPF) filtration efficiency studies using laboratory generated particles[J].Chemical Engineering Science,2009,64: 1625-1634.

[11]李亚丽,安晓东,薛子旺.柴油机用柴油—乙醇—植物油混合燃料的试验研究[J].农业技术与装备,2010 (2):9-10.

[12] 邓乐,卫富军.用光透消光测定油液污染度的若干影响因素分析[J].焦作工学院学报,1997, 16(4):33-37.

[13]任国军,谭德荣,曲金玉.柴油机润滑油污染度的在线监测技术[J].内燃机,2005(6):36-38.

[14]Fushimi C,Madokoro K,YAO S,et al.Influence of polarity and rise time of pulse voltage waveforms on diesel particulate matter removal using an uneven dielectric barrier discharge reactor [J].Plasma Chemistry Plasma Processing,2009,28(4):511-522.

[15] Zhang XM, Feng F, Li S,et al. Aerosol formation from styrene removal with an AC/DC streamer corona plasma system in air [J]. Chemical Engineering Journal, 2013, 232: 527-533.

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

浙江省科学技术厅公益技术研究项目(2015C31018)；2015年浙江省新苗人才计划项目(1260KZNO215147G)。

姚水良(1963-)，男，博士，教授，主要从事大气污染控制工程研究。

章旭明(1981-)，男，博士，主要从事大气污染控制工程研究。

X851

A

1001-9677(2016)014-0127-03