拖拉機(jī)排放非典型顆粒物的微量元素分析

劉進(jìn)取，劉學(xué)淵

（西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

柴油機(jī)因其良好的動(dòng)力性以及較高的熱效率，在各種動(dòng)力裝置尤其是拖拉機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用[1]。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)主要的排放污染物之一，對(duì)人的身體健康和大氣環(huán)境都具有顯著影響[2，3]。

拖拉機(jī)在實(shí)際作業(yè)工況下，長期處于高溫高負(fù)荷的工作狀態(tài)，且負(fù)載多變[4]，其固有的工作方式以及復(fù)雜多變的工作環(huán)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(duì)環(huán)境造成惡劣影響。

現(xiàn)有研究，多為對(duì)典型顆粒物的研究，而針對(duì)非典型顆粒物的研究相對(duì)較少。為了深入研究拖拉機(jī)在實(shí)地作業(yè)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(jié)合透射電子顯微鏡、X射線能譜等方法，對(duì)顆粒物的形貌及元素組成進(jìn)行了分析研究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 顆粒采集

本研究主要運(yùn)用山拖泰山TS904Ⅲ型拖拉機(jī)，對(duì)其所排放尾氣進(jìn)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(wěn)定工作時(shí)所排放的顆粒物，以用于進(jìn)一步分析研究。

1.2 分析方法

為了更好地對(duì)所采集顆粒物進(jìn)行分析，運(yùn)用荷蘭FEI公司生產(chǎn)的Tecnai G2 TF30 S-Twin型場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡進(jìn)行成像處理，加速電壓300kV，點(diǎn)分辨率0.205nm，線分辨率0.102nm。其主要搭載掃描透射系統(tǒng)（STEM），CCD數(shù)字成像系統(tǒng)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顆粒物的微觀形貌

拖拉機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中所排放顆粒物具有十分復(fù)雜的形貌結(jié)構(gòu)，本研究通過采集拖拉機(jī)排放顆粒物，運(yùn)用透射電子顯微鏡觀察其微觀形貌，拍攝顯微圖像。通過對(duì)顆粒物微觀圖像進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)其形貌結(jié)構(gòu)的不同，可以將拖拉機(jī)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(shù)十個(gè)至上百個(gè)近球形基本顆粒組成，呈現(xiàn)出鏈狀、枝狀、環(huán)狀等具有分形結(jié)構(gòu)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(guī)則的形狀，且非典型顆粒物內(nèi)部基本碳煙顆粒并沒有明顯的邊界區(qū)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(yùn)用X射線能譜儀對(duì)圖1b中非典型顆粒進(jìn)行能譜分析，如圖2所示，其各元素分別與X軸上相應(yīng)的能量范圍相互對(duì)應(yīng)，根據(jù)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(jī)在實(shí)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(duì)其元素進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在非典型顆粒物中，其主要組成元素為C，其含量遠(yuǎn)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(xiàn)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(gòu)成元素，O元素是不完全燃燒生成的碳?xì)溲趸铮珻u主要來自于TEM支持膜銅網(wǎng)，其余元素如Al、Fe、K等則主要來自于潤滑油、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油以及氣缸零部件的磨損等。

表1 柴油機(jī)非典型顆粒物元素檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

3 結(jié) 論

本研究通過對(duì)拖拉機(jī)工作過程尾氣中的顆粒物進(jìn)行取樣，運(yùn)用場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡、X射線能譜儀對(duì)顆粒的形貌以及元素組成進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

（1）本研究通過對(duì)顆粒物TEM圖像進(jìn)行觀察，按照其形狀結(jié)構(gòu)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(xiàn)出鏈狀、枝狀、環(huán)狀等不規(guī)則形狀，非典型顆粒物邊界較為模糊，不具有分型特性。

（2）運(yùn)用X射線能譜儀對(duì)非典型顆粒物進(jìn)行元素分析，發(fā)現(xiàn)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。