我國(guó)車用柴油機(jī)超細(xì)顆粒物排放研究進(jìn)展綜述

陳歡，李陽(yáng)陽(yáng)

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

前言

交通行業(yè)作為我國(guó)能耗最大的行業(yè)，在消耗大量能源的同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題和健康問(wèn)題。機(jī)動(dòng)車排放是城市大氣中超細(xì)顆粒物的主要來(lái)源之一[1]，而其中柴油機(jī)的顆粒物排放占主導(dǎo)地位。KITTELSON等[2]的研究表明，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排放更多的超細(xì)顆粒物。

我國(guó)目前還未對(duì)超細(xì)顆粒物的具體直徑做出明確規(guī)定，國(guó)外對(duì)超細(xì)顆粒物認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)是直徑小于100 nm。大氣顆粒物一般按其空氣動(dòng)力學(xué)直徑（Dp）進(jìn)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(xì)顆粒物，記為PM2.5；Dp≤0.1 μm（納米級(jí)）大氣顆粒物稱為超細(xì)顆粒物（UFPs）[3]。之前的研究表明超細(xì)顆粒物粒徑一般呈雙模態(tài)分布，分別為愛(ài)根核模態(tài)（Nucleation and Aitken modes）和積聚模態(tài)（Accumulation Mode），不同模態(tài)的大氣顆粒物具有不同的來(lái)源和化學(xué)組成，在大氣中的轉(zhuǎn)化、傳輸和去除的過(guò)程也存在差異[4]。由于超細(xì)顆粒物易通過(guò)呼吸系統(tǒng)進(jìn)入肺泡、血液、神經(jīng)系統(tǒng)等，除對(duì)呼吸系統(tǒng)有很大的侵害外，白血病、心血管疾病等的發(fā)生也和其有密不可分的關(guān)系，故對(duì)超細(xì)顆粒物的深層研究對(duì)于評(píng)價(jià)大氣環(huán)境和人體健康風(fēng)險(xiǎn)有重要意義。

另外，顆粒物粒度分布可分為質(zhì)量濃度分布和粒數(shù)濃度分布，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒所排放顆粒物中，超細(xì)顆粒物在數(shù)量上占據(jù)相當(dāng)大的百分比，但在質(zhì)量上比重較小。圖1是以機(jī)動(dòng)車為主要污染源的典型城市大氣環(huán)境顆粒物粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度分布譜[5]。

由圖1可以看出超細(xì)顆粒物粒數(shù)濃度超過(guò)總濃度的80%，而其質(zhì)量濃度卻小到可以忽略，故對(duì)超細(xì)顆粒物的研究采用粒數(shù)濃度比質(zhì)量濃度研究更為顯著。

圖1 以機(jī)動(dòng)車為主要污染源的典型城市大氣環(huán)境顆粒物粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度分布譜

1 超細(xì)顆粒物的危害

在我國(guó)，長(zhǎng)期依賴于石油燃料的機(jī)動(dòng)車行業(yè)現(xiàn)狀短時(shí)間內(nèi)很難改變，機(jī)動(dòng)車（尤其是柴油機(jī)）所帶來(lái)的超細(xì)顆粒物具有數(shù)量眾多、穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因作用機(jī)制和方式的特殊性，超細(xì)顆粒物（UFPs）具有超強(qiáng)的破壞力[6]，一方面對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重危害，另一方面又對(duì)人類健康具有極大的危害。

顆粒物是我國(guó)大多數(shù)城市空氣污染的首要污染物，對(duì)生態(tài)環(huán)境所帶來(lái)的危害大家有目共睹。近年來(lái)，我國(guó)霧霾污染已經(jīng)非常嚴(yán)重，機(jī)動(dòng)車保有量高的各大一線城市在特定季節(jié)里都出現(xiàn)了空氣質(zhì)量嚴(yán)重污染、能見(jiàn)度低的情況。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[7]，我國(guó)至少30%的國(guó)土面積、超過(guò)8億人口受到不同級(jí)別霧霾帶來(lái)的危害，其中京津冀及周邊地區(qū)、東北地區(qū)及中部地區(qū)污染最為嚴(yán)重。

目前研究已證明顆粒物污染對(duì)人體健康的危害程度與粒徑大小有關(guān)。毒物學(xué)研究表明[8,9]：相同質(zhì)量超細(xì)顆粒的健康危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他顆粒的危害，所以研究納米級(jí)顆粒更有實(shí)際意義。超細(xì)顆粒物對(duì)人體的危害主要表現(xiàn)在致癌、致畸、致突變?nèi)齻€(gè)方面，主要是因?yàn)槌?xì)顆粒物成分復(fù)雜，含有多種元素，同時(shí)也是其他污染物的載體，超細(xì)顆粒物進(jìn)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(zhǎng)時(shí)間滯留在肺組織中，其中某些組分可能通過(guò)肺內(nèi)部呼吸作用進(jìn)入血液中， 再通過(guò)循環(huán)作用到達(dá)其他器官[10]。流行病學(xué)和毒理學(xué)方法研究也發(fā)現(xiàn)[11]，大氣超細(xì)顆粒物與人體呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等疾病的死亡率有明顯的相關(guān)性。

2 我國(guó)超細(xì)顆粒物排放研究進(jìn)展

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于超細(xì)顆粒物的研究日益深入。國(guó)內(nèi)目前對(duì)超細(xì)顆粒物的研究主要在于：尋求一種可以降低超細(xì)顆粒物排放的柴油替代燃料；對(duì)機(jī)動(dòng)車超細(xì)顆粒物排放的準(zhǔn)確測(cè)量；對(duì)超細(xì)顆粒物的分布特征及其對(duì)健康的影響進(jìn)行研究；總結(jié) UFPs相關(guān)性質(zhì)及對(duì)人體多種健康指標(biāo)的影響；分析國(guó)內(nèi)外的檢測(cè)方法、儀器及策略，探討超細(xì)顆粒物濃度檢測(cè)的影響因素；提出一種新型顆粒層減排工藝,且進(jìn)行了試探性研究。

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

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)余同柱[13]研究了機(jī)動(dòng)車超細(xì)顆粒物排放的準(zhǔn)確測(cè)量，其監(jiān)測(cè)結(jié)果可為機(jī)動(dòng)車排放評(píng)估、顆粒物增長(zhǎng)機(jī)制研究以及制訂精細(xì)化控制措施等提供有效依據(jù)。

趙金鐲，宋偉民等人[14]對(duì)大氣超細(xì)顆粒物的分布特征及其對(duì)健康的影響進(jìn)行了研究，文章綜述了超細(xì)顆粒物的分布特征及其組成成分，綜合大氣超細(xì)顆粒物與人群健康效應(yīng)的流行病學(xué)及毒理學(xué)資料，以獲取超細(xì)顆粒物健康效應(yīng)的可能機(jī)制，并總結(jié)超細(xì)顆粒物的研究方向，為大氣中超細(xì)顆粒物污染的健康危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

劉潔，應(yīng)圣潔，陳麗等人[15]針對(duì)UFPs可能對(duì)人體產(chǎn)生比其他顆粒物更大的負(fù)面影響，但相關(guān)研究較少且證據(jù)不足的問(wèn)題，查閱了近年來(lái)針對(duì) UFPs所致人體健康效應(yīng)相關(guān)的研究，總結(jié) UFPs相關(guān)性質(zhì)及對(duì)人體多種健康指標(biāo)的影響，以促進(jìn)對(duì)UFPs的重視，為后續(xù)UFPs相關(guān)研究的開(kāi)展及空氣UFPs污染的健康危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)提供參考資料。

山西化工王瑋[16]針對(duì)超細(xì)顆粒物特點(diǎn)與對(duì)人體健康的影響仍不清楚，由于缺少統(tǒng)一的檢測(cè)方法，在一定程度上影響了健康評(píng)估的問(wèn)題，對(duì)國(guó)內(nèi)外的檢測(cè)方法、儀器及策略進(jìn)行分析，探討超細(xì)顆粒物濃度檢測(cè)的影響因素。結(jié)果表明：在空氣中超細(xì)顆粒物檢測(cè)工作中，為了有效地提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的檢測(cè)方法，采用適合的檢測(cè)儀器和檢測(cè)策略，提高超細(xì)顆粒物檢測(cè)水平。

崔榮健，劉海濤，高海潮等人[17]針對(duì)現(xiàn)有除塵工藝對(duì)超細(xì)顆粒物的脫除率不高的問(wèn)題， 綜述了當(dāng)前顆粒物控制的研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，提出一種新型顆粒層減排工藝，且進(jìn)行了試探性研究。結(jié)果表明，顆粒層除塵工藝可有效降低PM2.5的排放，為進(jìn)一步研究煙氣中超細(xì)顆粒物的排放提供了一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，并對(duì)未來(lái)控制燃燒煙氣中超細(xì)顆粒物排放進(jìn)行了展望。

3 結(jié)論與展望

總而言之，目前我國(guó)對(duì)車用柴油機(jī)超細(xì)顆粒物排放的研究還十分有限，但其給人類帶來(lái)的環(huán)境危害和健康危害不容小覷，故對(duì)超細(xì)顆粒物的深層研究迫在眉睫，特別是我國(guó)大氣復(fù)合污染比較嚴(yán)重的地區(qū)，急需進(jìn)行大氣超細(xì)顆粒物的觀測(cè)研究。

對(duì)超細(xì)顆粒物的研究蘊(yùn)含著非常豐富的研究?jī)?nèi)容，因?yàn)樗婕暗江h(huán)境學(xué)、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)等的多領(lǐng)域范疇。故此項(xiàng)研究任重而道遠(yuǎn)，其研究動(dòng)向?qū)φ麄€(gè)世界都有著深刻的指導(dǎo)意義。