机动车尾气中氮氧化物的分析检测技术

＊陈 炜

（乌鲁木齐市机动车排污管理中心 新疆 830000）

前言

作为一种会带来较为严重影响的大气污染物，氮氧化物的产生往往会带来烟雾、酸雨及臭氧层破坏等问题。当氮氧化物的浓度达到一定阈值后，其危险性将会显著提升。因此，应对氮氧化物的排放进行有效监控，以规避不良问题的发生。针对氮氧化物的监测主要是以汽车尾气检测为基础，氮氧化物既会对人体带来严重的危害，也会对环境带来直接的影响，只有保证分析检测技术应用的质量，才能起到积极作用。

1.机动车尾气中氮氧化物的主要成分及影响

在机动车尾气中，氮氧化物主要物质是一氧化氮和二氧化氮。除二氧化氮外，所有氮化物均具备不稳定性[1]。当汽车尾气当中的氮氧化物超标后，会进入大气影响大气环境。同时对人类健康造成危害，氮氧化物的出现会刺激人的肺部，导致出现呼吸系统疾病，对于年幼的儿童则会造成肺部发育受损等问题。在自然界中，导致光化学烟雾的形成主要是因一氧化氮、二氧化氮的排放量过多，而且酸雨的出现也与其有关。比如，机动车尾气当中的氮氧化物若与碳氢化合物混合后，通过紫外线的照射就会形成有毒的烟雾。这种烟雾具有刺激性，也有特殊的气味，不仅会伤害植物，也会导致大气能见度变低。当氮氧化物和空气当中的水分发生反应后就会形成亚硝酸和硝酸，而这就是酸雨的主要成分。

机动车尾气中氮氧化物主要是在燃烧过程中所形成多种氮氧化物的总称，包括了一氧化氮和二氧化氮，在燃烧过程中会通过排气管排出。一般情况下，氮氧化物的产生主要是在大负荷、高温情况下出现，在机动车行驶过程中，如果燃烧室出现爆燃，会导致气缸的温度大幅度提升，这时就会出现氮氧化物的过多排放，这一问题的出现可能是点火提前或者是系统出现故障而导致[2]。值得注意的是，如果机动车的冷却水出现温度大幅度提升时，也会产生爆燃现象。在空燃比大于或等于15.5:1时，会导致氮氧化物的排放量增大。在柴油机工作时，氮氧化物中的二氧化氮要比一氧化氮多，而汽油机在排出氮氧化物时，一氧化氮占比能高达99%以上。

2.影响机动车废气排放物排放过多的因素

(1)空燃比

在空燃比大于或等于15.5:1时，如果这时燃烧效率达到最高，氮氧化物的产生总量也会达到最大。当混合空气空燃时，如果比值低于此值，那么氮氧化物的生成量会减小。如果发动机在工作时，越接近最高的燃烧效率，氮氧化物的生成量也就越多。在发动机工作时，如果越不接近完全燃烧，这时一氧化碳的产生会增多，而氮氧化物的产生则会减少。在空燃比过稀或过浓时都会导致燃烧温度和燃烧速度降低，而这时一氧化氮的产生量则会下降。

(2)点火

点火提前角会对氮氧化物的产生带来较大的影响。随着点火提前角的增大，氮氧化物的生成会呈现剧烈增加的情况。氮氧化物的产生与燃烧时的压力、速度、温度有关，因此当点火提前角增大后达到了一定的数值，就会由于燃烧时间变短而使氮氧化物的产生总量下降。当发动机慢慢冷却时，氮氧化物的产生也会减少。而冷却水的温度达到正常时，氮氧化物的生成量反而会增多。

3.常见的机动车尾气氮氧化物检测技术

(1)电化学法检测技术

电化学法检测技术主要是依据化学反应原理制作的传感器，使气体经过传感器后可以对气体浓度的变化进行直观显现的一种方法。在电化学检测技术的使用中，传感器一般由两个电极组成，当气体穿过时，气体分子就会与电极上阴阳两极产生的电子发生反应，这时电子的转移就能使电移发生改变，电移的变化则可以对氮氧化物的浓度进行计算。在实验操作过程中，需要将传感器放置在尾气排放管道上，确保传感器与尾气排放管道有着良好的贴合度，确保牢固地连接。之后启动发动机，使气体从管道排出并流入传感器[3]。当氮氧化物经过管道后，通过与之相连的传感器进行检测，就可以有效对氮氧化物的浓度数据进行收集与应用。在计算机上，通过将传感器中收集的数据建立模型并开展分析，可对氮氧化物的浓度进行准确的表达，真实的实验结果往往与理论数值的误差不会超过2%。在现代化技术的加持下，电化学传感器得到了飞速发展，在测试不同浓度的氮氧化物时，均可以通过传感器的高灵敏性保证检测误差在规定范围内。即使是浓度较低的氮氧化物气体，传感器也可以对其浓度变化进行显现。同时，当前一部分电化学传感器在使用过程中具备着监测功能，可以对已采集的数据进行实时监测，并实时完成报告传送，这样既可以了解排放情况也可以对数据的实时变化进行观察。

(2)化学发光法检测技术

在机动车尾气氮氧化物的检测中，化学发光法检测技术的应用会先将一氧化氮和臭氧反应，生成激发态下的二氧化氮。当二氧化氮跃迁回到基态时，则会放出光子。光的强弱会与一氧化氮的浓度形成正相关。光电转换器在工作的过程中会对光子所产生的光电流进行吸收，而光电流强弱的表达会与一氧化氮的浓度呈现线性，这时则可以通过电光的强度对一氧化氮的浓度进行判定[4]。想要得到二氧化氮的浓度，可以先对二氧化氮进行预先转化，使其成为一氧化氮。毕竟，二氧化氮无法与臭氧直接发生化学发光反应，想要检验汽车尾气中氮氧化物的总含量，只有先将二氧化氮转化为一氧化氮才能进行。在实践中要按照相关规定确定采样位置、频次、采样点，之后检查测定仪器的气密性，再做好校准。在样品的测定中，要将测定仪采样管的前端放置在排气筒中的采样点上并堵严采样口，保证不漏气，然后再启动抽泵，按照规定采样流量进行取样测定。等待测定仪稳定后，则可按分钟保存采测数据。一般情况下连续工作5～15min会对测定数据的平均值进行计算，再将其作为一次的测量值。

(3)比色法检测技术

机动车尾气中的二氧化碳可以被吸收液所吸收，从而转化成亚硝酸及硝酸，而亚硝酸可以与氨基苯磺酸形成重氮化反应，之后可以与盐酸萘乙二胺进行偶合，最终形成玫红色的偶氮染料。由于生成物质的颜色可以通过深浅进行数值比对，这时则可以与机动车尾气中二氧化氮的浓度进行数值比对。在比对过程中可以发现，生成物颜色会与二氧化氮的浓度形成正相关。由于一氧化氮无法与吸收液产生化学反应，但是在实验过程中可以通过使用铬酸-砂子氧化管将一氧化氮转化为二氧化碳[5]。在实验过程中，使用氧化管所得出的气体是二氧化氮和一氧化氮的总量，而使用氧化管所得出的是二氧化氮的含量，进行相减则可以得出一氧化氮的含量。与其他的检测方式相比，比色法在使用的过程中要有效防止配置液体时出现长时间暴露空气的问题，而且在运输过程中也要防止由于日照而导致吸收液出现显色。在实践中，工作人员将一个装有5mL吸收液的多孔玻璃板吸收管，在其进气口处安装氧化管，再以每分钟0.3L的流量采气，直至吸收液逐渐呈现微红色。在这个过程中，应记录采样的时间、温度、大气压力等，以此计算出采样的体积。在测定时会将各瓶通过用水稀释到标线后摇匀并进行静置，再以1cm的比色皿放置在波长为540nm的地方用水作为对照组，从而测定试剂空白液及各标液的吸光度，并绘制标准曲线，算出二氧化氮的含量。

(4)光谱检测技术

光谱检测技术是一种现场检测测量方法，可以对发动机的所有工作条件进行无差别的检测。例如，在使用常见的气体探测传感器时往往会存有缺陷，像一氧化碳及二氧化碳测量时所使用的非色散红外光谱系统的反应时间较慢，还存有凝结废气等问题，但是通过使用红外可调节二极管激光器吸收光谱法可以直接在机动车尾气检测中取得很好的效果。在实践时，工作人员选择两个近红外分布反馈图进行光学监测，由于两台激光机器一直打开但波长发生调制会在不同频进行探测，即使在1800nm处也可以对一氧化氮的含量进行测量，而且在中红外光波段及可见光波段也能对二氧化氮进行测量。

4.机动车尾气中氮氧化物分析检测技术的实施

在现代化技术的加持下，机动车尾气中的氮氧化物在转化过程中可以使用催化剂进行净化，但是由于转化过程十分复杂，导致氮氧化物之间存在着互相转化的问题[6]。因此，针对机动车尾气中氮氧化物分析检测技术的实施，主要以室外遥感检测技术的使用对现有催化剂的应用效果进行分析。

通过使用催化剂，当机动车尾气进行排放时，受催化剂的影响，产生了气体催化作用，因此排放物当中的氮氧化物发生了改变。通过对净化后的排放物进行检测，发现一氧化碳、氮氧化物的排放数值都得到了不同程度的优化。在浓度分析中，通过实验数值的比对，发现催化剂的活性情况。在使用光谱仪进行检测时，通过对二氧化碳的吸收颜色进行对比，以深浅来计算氮化物的浓度，再结合电化学法及化学发光法，发现催化剂的使用全面提升了氮氧化物转化的效率，使氮氧化物的排放量变少。

通过使用催化剂将机动车尾气进行净化，以加热进行催化，使升温速率控制在每分钟升高5℃，这时在氧气含量达到1.5%后，通过不同的测量方法均可以看到氮氧化物的浓度发生了改变。当改变温度后，受催化剂带来的影响，一氧化氮及氮氧化物的浓度会随催化剂的使用，在加温下呈现释放浓度下降的情况。这也表明了使用催化剂后，针对氮氧化物的还原起到了积极的作用。但是，在低温下，由于催化剂没有催化的活性，致使催化剂的使用效果不佳。伴随温度的不断提升，当温度达到400℃时，催化剂的活性达到最高。在实验的初始阶段，机动车尾气当中的氮氧化物含量达到了500×10-6，通过数据分析发现，此时的氮氧化物当中约有20%的二氧化氮和80%的一氧化氮。随着温度的不断升高，伴随催化剂活性的显现，一氧化氮和二氧化氮在同时减少。当温度升高到400℃时，氮氧化物的总含量已经下降到了10×10-6。在高温带来的影响下，催化剂的还原作用变得更强。在数据模型中，高温下的氮氧化物通过催化剂的反应主要以一氧化氮为主，而且在还原过程中，氮氧化物的含量比较低。

在对机动车尾气氮氧化物分析时，当机动车尾气中氮氧化物的浓度发生改变后，仪器设备在使用的过程中需要一定的时间才能对浓度变化进行感知。在测量中发现，如果响应时间小于浓度的变化周期，这时数据测量的结果可以对氮氧化物浓度的变化情况给予精准的反馈。如果响应时间与浓度变化的周期相比过大或相等，这时数据的检测结果和实际浓度相比则具有较大的差距。比如，在使用电化学法及化学发光方法进行检测时，氮氧化物浓度的变化显现比较明显。尤其是在化学发光法使用的过程中，由于响应时间较短，这时在测量结果数据的表达上，可以对机动车尾气当中氮氧化物浓度的结果进行直观的显现，其浓度会伴随发动机工作运行情况进行直观化的数据体现，这可以对机动车尾气中氮氧化物的排放特性进行表达。在使用电化学法时，由于响应的时间较长，因此在测量结果的数据表达上，氮氧化物浓度的反应主要是在一段时间内所取得的平均值，这一数值在使用过程中更接近于检验汽车尾气在排放时氮氧化物是否达标。在使用比色法时，通过规定时间，使吸收液在一定时间内完成一定体积的尾气吸收，可以通过颜色深浅的变化，对氮氧化物排放浓度进行确认。以5min作为既定时间进行检测后，可以对该段时间内，氮氧化物浓度的平均值进行计算。

5.总结

在机动车尾气氮氧化物分析检测技术的使用中，不管使用哪种检测方法，只能对一氧化氮或二氧化氮中的一种进行检测。像比色法可以检测出二氧化氮的浓度，电化学法及化学发光法主要检测一氧化碳的浓度。在实际检测中，需要使用辅助设备对一氧化氮和二氧化氮进行相互转化，再利用其他仪器进行辅助，才能对氮氧化物的总量进行计算。在未来发展中，机动车尾气氮氧化物分析检测技术必然会朝向智能化、简便化方向发展，一是技术的升级可以提升检测速率与精准性，二是可以使车载检测得到优化。