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摘要：全球范围内，雾霾的形成及其对人类健康的影响已经成为环境研究的重点。其中，交通尾气排放的微小颗粒物（例如PM2.5和PM10）是关键的研究领域。针对这一问题，实验选择了南京市作为案例研究地点，在一次严重空气污染事件中，对汽车尾气排放中可吸入颗粒物的化学成分展开分析。结果发现，汽油车排放的颗粒物中碳组分较少，且有机碳（OC）与元素碳（EC）的比值远高于柴油车。在水溶性离子方面，所有车型排放的颗粒物中，钠离子、硝酸根和硫酸根的含量占主导，这些差异主要与高温燃烧过程中氮氧化物（NO x）的排放和尾气中硫酸盐的形成有密切关系。在金属元素含量方面，还可以观察到汽油车的排放物中金属含量普遍高于柴油车，这一现象可能与车辆的质量相关。综上所述，机动车的尾气排放无疑是城市空气污染的重要因素之一；可以通过减少二次有机碳、降低金属部件的使用为策略，从而减少城市大气污染。
关键词：汽车尾气；化学成分；大气颗粒物；环境污染
0引言
随着工业化和城市化的快速发展，汽车作为现代社会的主要交通工具，其尾气排放成为城市空气污染的重要来源。尤其是细颗粒物（PM2.5）和可吸入颗粒物（PM10）的排放，对空气质量和公共健康构成了严重威胁[1-2]。这些颗粒物不仅能携带有害化学物质，还能深入人体呼吸系统，引发各种健康问题。现有研究表明，汽车尾气中的PM2.5和PM10主要由燃烧不完全产生的碳颗粒、金属元素、无机盐、有机化合物等组成[3-4]。这些化学成分的种类和浓度受多种因素影响，如燃油类型、发动机效率、排放控制技术和行驶条件等[5]。由于不同类型的汽车和不同的驾驶习惯可能产生不同的排放特征，因此，针对特定区域和条件下汽车尾气的细颗粒物成分进行详细分析，对于理解和控制城市空气污染具有重要意义。此外，PM2.5和PM10中的有害化学成分，如重金属和氮氧化物等，已被证明与多种呼吸系统疾病、心血管疾病甚至癌症的发生有关。因此，研究通过采集并分析某特定地区的汽车尾气样本，对尾气中所含有的PM2.5和PM10的化学成分展开分析，帮助研究人员评估它们对人体健康的潜在风险，并为卫生组织制定相关的健康防护措施提供科学依据。
1材料与方法
1.1研究地区的选取
南京位于中国东部，是与我国经济发展紧密相连的一个重要城市。在当代经济快速发展的同时，也面临着严重的空气污染问题。机动车尾气排放是这一问题的主要来源之一。PM2.5和PM10，作为空气中的微细颗粒物，不仅影响空气质量，还对人类健康构成威胁。在南京，随着机动车数量的持续增加，尾气排放中的这些颗粒物浓度也在上升。这些颗粒物不仅包括碳氢化合物和氮氧化物等，还包括重金属和有机污染物，这些成分的化学性质对空气质量的影响尤为重要。因此，深入分析南京地区机动车尾气排放中PM2.5和PM10的化学成分，对于制定有效的空气质量改善策略和减少健康风险至关重要。
1.2机动车的选择与尾气排放颗粒物PM2.5、PM10的采样
根据2022年移动源环境管理年报显示，按燃料类型对汽车污染物排放量进行划分，具体可以分为汽油车、柴油车以及燃气车三种。其中，汽油车是CO和HC的主要排放源，柴油车是NOx、PM的主要排放源。鉴于此，研究选取2019年产雷克萨斯小型汽油客车（A）、2016年产本田雅阁2.4的小型汽油客车（B）、2019年产长城哈弗H5的小型柴油汽车（C）、2009年产的江铃全顺牌的中型柴油客车（D）与2015年产的宇通大型柴油客车（E）为研究对象进行采样。
对于汽油车尾气的采样通常采用便携式采样装置，如低体积空气采样器或手持式颗粒物监测仪，直接连接到尾气排放系统。一般建议在车辆运行稳定后进行采样，持续时间约为30 min至1 h，以获得具有代表性的样本。对于柴油车尾气的采样通常采用尾气采样管或特制的采样袋，连接到排气管。通常采样时间为30 min至1 h，特别是在高负荷运行期间，以捕获更多的颗粒物。考虑到环境条件如温度、湿度等因素也可能影响采样结果，应相应记录这些环境参数。
1.3 PM2.5与PM10可吸入颗粒物化学成分分析方法
1.3.1金属元素含量分析
实验选用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）对尾气中金属元素含量进行测量。该方法灵敏度高，适用于痕量元素分析。
1.3.2水溶性离子含量分析
实验相关的试剂与设备有超声仪、离子色谱仪（赛默飞ICS-1600）与去离子水[7-8]。
测定水溶性含量步骤：首先对机动车尾气PM2.5和PM10滤膜样品进行预处理，包括超声振荡和过滤。然后使用离子色谱仪（赛默飞ICS-1600）分析阳离子（Na+、K+、Mg2+、Ca2+、NH4+）与阴离子（F-、Cl-、NO2-、NO3-、SO42-）的浓度。
1.3.3碳组分含量分析
采用DRI-2001 A型OC/EC分析仪分析机动车尾气PM2.5和PM10样品中的有机碳（OC）和元素碳（EC）含量。
2实验结果分析
2.1 PM2.5与PM10的碳组分含量测定
图1为不同车型的PM2.5与PM10中碳组分的含量。图1-1为5种车型的PM2.5中碳组分的含量。可以发现，5种车型排放的有机碳（OC）含量与元素碳（EC）含量占据PM2.5的25%~84%，汽油车的碳组分含量低于柴油车，汽油车排放的有机碳（OC）含量明显大于元素碳（EC）含量。研究还特别关注了小型汽油客车（A和B）以及大型柴油客车（E）的有机碳（OC）与元素碳（EC）的比值，发现这些车型中OC/EC的比值超过2，这一发现指向了二次有机碳的显著生成，暗示着上述两种车辆尾气的排放对环境造成了较高程度的二次污染。另一方面，可以观察到某些柴油车型，如小型柴油客车（C）的OC/EC比值相对较低。这归因于这些车辆较长的使用年限和发动机的老化，促使EC的排放量增加。因此柴油车尾气在排放过程中，可以考虑通过一系列柴油废气控制技术来减少EC的排放量。同时在小型汽油车尾气的排放治理上，则应着重于控制二次有机碳的生成。图1-2为可吸入颗粒物PM10中碳组分含量的分析。在PM10中，柴油车的EC含量范围在1.57×105~7.12×105 mg/kg，OC含量在（1.87×105~1.73×105 mg/kg，OC含量与EC含量比值均小于2。进一步分析显示，OC和EC的含量在PM10颗粒物中占比介于48%至59%，在大多数车型中，PM10颗粒物中的碳组分含量高于PM2.5。这一趋势在中型柴油客车（D）中表现出一定的例外，其中PM2.5颗粒物中的碳组分含量高于PM10。
2.2 PM2.5与PM10的水溶性离子含量测定
图2为不同车型的PM2.5与PM10中水溶性离子含量测定。图2-1为5种车型的PM2.5中水溶性离子的含量。可以发现，对于汽油车来说，NO2-<K+<Mg2+<NH4+<F-<Cl-<Na+<Ca2+<SO42-<NO3-；而对于柴油车则表现为NO2-<K+<Mg2+<NH4+<F-<Cl-<SO42-<NO3-<Ca2+。随着机动车排放标准的提高，同一类型车辆排放的水溶性离子含量呈现下降趋势。这主要是由于长期使用且缺乏有效维护的车辆常常发动机燃烧不完全，导致排放出较高水溶性离子的颗粒物。图2-2为5种车型的PM10中水溶性离子的含量。通过对比同一车型中不同粒径颗粒物的水溶性离子含量，发现PM10中水溶性离子的含量普遍高于PM2.5。这主要是因为排放物中的硝酸根离子的浓度水平较高，硝酸根离子可以与钠离子、钙离子等正价离子相互结合为粒径更大的沉淀复合物所导致的。
2.3金属元素含量测定
图3为5种车型的PM2.5与PM10中金属元素的含量测定。图3-1为5种车型的PM2.5中金属元素的含量。可以发现，PM2.5中金属成分的质量占比较低，一般仅占0.11%~2.0%。在所有检测的车辆中，铝（Al）和镁（Mg）的含量占比相对较高。铝（Al）在PM2.5中的占比最大，其含量介于1 710~7 653 mg/kg，这可能与尾气管和气缸体由铝硅合金制成有关，或者与催化转化器底物的老化有关。镁（Mg）及其合金由于密度低，常用于汽车零件制造，有助于降低尾气排放和提高燃料效率，因此在PM2.5中含量较高。其他元素的含量相对较低。研究表明，在普遍情况下，相同车型中，当排放标准更为严格时，其排放的金属元素含量倾向于更低。此外可以观察到货车的尾气中金属元素的含量普遍高于客车排放中所含有的金属元素含量。图3-2为金属元素含量变化的对比。在五种车型的PM10中，金属成分的质量占比范围为0.24%~3.1%，高于PM2.5中的含量。随着排放标准的提高，PM10中金属元素的含量呈下降趋势。值得注意的是，在中型柴油客车（E）的尾气排放中，金属铜（Cu）的含量显著较高。这一现象可能与该车型在尾气处理中使用了含氧化铜的催化剂来降低污染物排放有直接关联。这一发现对于理解不同车型尾气中金属元素含量差异及其潜在原因提供了重要视角。
3.结论
由于汽车尾气是PM2.5和PM10的重要来源之一，其化学成分的复杂性直接影响着空气质量和公共健康，因此实验对机动车尾气排放中PM2.5和PM10的化学成分进行了分析。通过对不同车型尾气排放的细颗粒物和可吸入颗粒物进行化学分析，发现汽油车和柴油车在颗粒物成分上有明显差异。汽油车排放的颗粒物中有机碳（OC）含量显著高于柴油车，而柴油车排放的颗粒物中元素碳（EC）含量更高。这些结果表明，不同类型的机动车对空气质量的影响具有各自的特点。此外，金属元素如铝、镁在PM2.5和PM10中的含量分析显示，这些元素可能源于汽车部件和燃料的燃烧。这一发现对于理解机动车排放对环境影响的微观机制具有重要意义。综上所述，研究强调了对机动车尾气排放中细颗粒物和可吸入颗粒物化学成分的深入分析的重要性。未来的研究应进一步探索不同排放标准和车辆类型对颗粒物化学成分的具体影响，以优化排放控制策略，实现更清洁的城市环境。
参考文献
[1]牛红亚，史沥介，任秀龙，等.燃煤城市及其周边地区“双代”后大气环境颗粒物的化学特征[J].煤炭学报，2022，47（12）：4362-4374.
[2]唐智亿，徐军昶，张雅斌，等.西安市汽车尾气污染物与气象条件特征分析[J].气象与环境科学，2020，43（2）：792-802.
[3]陈培林，郭蓉，王勤耕.“大气十条”实施期间南京市PM2.5化学组成与来源的演变特征[J].环境科学，2023，44（1）：1-10.
[4]周菁清，余磊，陈书鑫，等.浙江省大气颗粒物PM2.5化学组分污染特征分析[J].环境科学，2023，44（3）：1297-1309.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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汽车尾气排放PM2.5/PM10化学成分分析论文
人参与 2024-10-24 10:59:34 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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