运用单颗粒气溶胶质谱仪分析柴油车排放颗粒物.pdf

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1、第41卷分析化学(FENXIHUAXUE)研究报告第l2期2013年12月ChineseJournalofAnalyticalChemistry1831～1836DOI：10．3724／SP．J．1096．2013．30545运用单颗粒气溶胶质谱仪分析柴油车排放颗粒物李磊谭国斌张莉傅忠粘慧青黄正旭周振李梅(上海大学环境污染与健康研究所，上海200444)(广州禾信分析仪器有限公司，广州510530)(暨南大学大气环境安全与污染控制研究所，广州510632)摘要单颗粒气溶胶质谱仪能够实时快速分析单个颗粒物的大小及化学组成，不需要对样

2、品进行任何的前处理，避免了样品组分的变化。本研究利用自制单颗粒气溶胶质谱仪对柴油车排放颗粒物的单颗粒特征进行了分析。一方面分析了柴油车直接排放的新鲜颗粒物的特征，另一方面将新鲜排放的颗粒收集在抽滤瓶中，让其在大气中经历15h老化之后再次进行检测。实验表明，新鲜排放的颗粒粒径主要集中在300am以下，主要为元素碳(EC)、有机碳(OC)、钙磷酸盐(Ca—Phosphate)、钠钾及元素碳混合(NaK—EC)、钾二次离子混合(K．Secondary)以及多环芳烃颗粒(PAH)。老化之后的颗粒粒径分布较新排放的颗粒粒径明显增加，主要为有

3、机碳元素碳二次种类的混合(OCEC—Secondary)、仅含有正离子的元素碳、K—Secondary、OC、NaK-EC、含金属离子(Meta1)。老化之后颗粒物结合了大量有机物及硝酸盐、硫酸盐、铵盐等二次离子。这一研究结果对国内的发动机制造、油品加工、催化剂性能研究以及环境颗粒物源解析等工作具有一定的参考意义。关键词质谱；柴油车排放；单颗粒；粒径与成分1引言柴油车尾气排放常含有大量的黑碳、挥发性有机物以及多环芳烃，对气候、环境以及人体健康都造成了重要影响。研究表明，黑碳气溶胶对温室作用的贡献仅次于co：，在中国，柴油车尾气排放

4、已成为最重要的黑碳排放源之一_3J。毒理学实验研究表明，长期吸入柴油车排放的颗粒物会引发肺部肿瘤]。随着我国经济社会的快速发展，物资运输更加频繁，柴油车排放的细粒子的数量将进一步增加。针对我国大气颗粒物污染的严重现状，环保部门制定了PM2．5监测的新标准。然而该标准仅限于质量浓度要求，对颗粒物的化学成分等并没有相应的要求。为控制PM2．5，需要分析这些颗粒物的来源及化学组成。柴油车排放是PM2．5的重要来源之一，要正确评估柴油车颗粒物排放的影响，进而制定合理有效的控制方案，就必须要了解柴油机车排放的颗粒物的物理及化学特性。传统的柴

5、油车排放颗粒物的研究方法大多是先通过滤膜收集j，随后用各种化学分析方法进行分析]。这些方法属于离线分析技术，时间分辨率较低，颗粒物在收集分析过程中可能会发生物理和化学特质的改变。单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)是一种从单个颗粒层面上分析颗粒物特性的新型分析技术，能够检i贝4单个颗粒物的粒径大小以及其对应的化学组成。该技术分析速度极快，拥有极高的时间分辨率，避免了样品特性的变化对监测结果的影响。因此单颗粒气溶胶质谱仪对于快速颗粒物表征具有重要的意义，已有大量的文献报道了其在颗粒物排放源表征、环境颗粒物源解析、大气化学研究等方面的应用

6、，。本研究利用SPAMS对柴油机车排放的细颗粒物的物化特性进行了考察。分析了柴油机车新鲜排放颗粒物和老化颗粒物在粒径分布和组成方面的差异，总结了柴油车排放的颗粒物的特征。本研究对于汽车发动机制造、柴油油品加工、催化剂特性研究等有参考意义。颗粒物的指纹图谱信息对于环境大气中柴油车排放颗粒的源解析研究有重要的参考价值。2013-06-05收稿；2013-08-20接受本文系上海高校教师产学研践习计划(N0．B．60一B111—12-001)以及中国科学院战略性先导科技专项(No．XDB05040502)的支持{E—mail：limei

7、2007@163．corn分析化学第41卷2实验部分2．1实验设备实验用的柴油汽车为金龙32座客车，排量2．0L，车辆使用时间为1年，使用燃料为0}≠柴油。实验使用的SPAMS为广州禾信分析仪器有限公司生产(型号SPAMS0515，检测范围200～2000nm)。本实验中对SPAMS0515的光散射信号进行了滤波放大处理，提高了超细粒子检测极限，最小可检测100nm以下。SPAMS的具体原理可参照文献[9]。简言之，颗粒物随着气体经临界sJ,~L进人仪器内部真空，随后被空气动力学透镜形成准直的颗粒束。在离开透镜的出口时，颗粒物经气

8、体超声膨胀之后获得与粒径大小相关的飞行速度。两束连续激光用来测定颗粒物的速度。颗粒物到达离子源中心处时，一束紫外激光脉冲将其电离，产生的正负离子经双极飞行时间质谱仪进行分析检测。2．2实验条件实验装置示意图如图1所示。分别对车辆排放的颗粒物在两种不