柴油機(jī)排氣顆粒表面特征與吸附能力分析

王 忠,劉理凡,劉 帥,李瑞娜,賈 茹

柴油機(jī)排氣顆粒表面特征與吸附能力分析

王 忠,劉理凡,劉 帥*,李瑞娜,賈 茹

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

利用全自動(dòng)比表面積與孔隙分析儀和光學(xué)接觸角測量儀,分別對(duì)炭黑和柴油機(jī)排氣顆粒的比表面積與孔隙以及接觸角等表面特征參數(shù)進(jìn)行了測量,并對(duì)炭黑和柴油機(jī)排氣顆粒的分形維數(shù)和表面張力進(jìn)行了計(jì)算,對(duì)比分析了炭黑和柴油機(jī)排氣顆粒的吸附能力,探討了柴油機(jī)排氣顆粒表面特征參數(shù)與吸附能力之間的關(guān)系.通過檢測與分析,炭黑和柴油機(jī)排氣顆粒的比表面積分別為78.003和65.408m2/g,平均孔徑分別為13.845和14.483nm,分形維數(shù)分別為2.5885和2.5515,在0.985s時(shí)刻的表面張力分別為51.1和56.6mJ/m2,結(jié)果表明炭黑與柴油機(jī)排氣顆粒的比表面積,孔徑分布,分形維數(shù)和表面張力均相似.炭黑和柴油機(jī)排氣顆粒均表現(xiàn)了極強(qiáng)的親油性,輕微親水性.柴油機(jī)排氣顆粒親水性略強(qiáng),表面更為光滑,吸附能力略低于炭黑.

柴油機(jī)；炭黑；排氣顆粒；表面特征；吸附能力

柴油車排氣顆粒是機(jī)動(dòng)車顆粒物排放的主要來源,同時(shí)也是大氣中PM2.5的主要來源之一[1-2].柴油機(jī)排氣顆粒主要由可溶性有機(jī)物(SOF),干碳煙(DS)和灰分等物質(zhì)組成[3],顆粒中SOF質(zhì)量百分比為3%~15%[4],含有超過16種多環(huán)芳香烴(PAHs)類物質(zhì)[5].在柴油機(jī)排氣過程中,顆粒吸附廢氣中的HC等氣體物質(zhì),進(jìn)入大氣環(huán)境后,在紫外線作用下發(fā)生二次化學(xué)反應(yīng),形成污染顆粒物[6].吸附過程一般發(fā)生于固體的表面,固體的表面結(jié)構(gòu)與顆粒物的吸附性能具有一定的聯(lián)系[7].

固體的表面特征可通過比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)、分形維數(shù)和表面張力等物理量進(jìn)行定量表征.國內(nèi)外的學(xué)者針對(duì)氧化錳、活性炭的吸附性能開展了研究,對(duì)其比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)和分形維數(shù)進(jìn)行了定量分析,建立了物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與其吸附能力之間的關(guān)系.Ma等[8]研究認(rèn)為,MnO對(duì)SO2和NH3的吸附能力主要取決于固體的比表面積;李兵等[9]研究認(rèn)為粉末狀活性炭對(duì)SO2的吸附量與其孔徑具有明確的關(guān)系,吸附量隨孔徑的減小而增大.針對(duì)柴油機(jī)排氣顆粒,Wei等[10]和張澍等[11]采用掃描電鏡對(duì)排氣顆粒表面特征進(jìn)行了分析,提出了柴油機(jī)排氣顆粒由大量基本炭粒子團(tuán)絮而成,形成了大量的孔隙;Rothenberg等[12]開展了柴油機(jī)排氣顆粒對(duì)二甲苯的吸附研究,研究結(jié)果表明:柴油機(jī)排氣顆粒呈海綿狀結(jié)構(gòu),對(duì)二甲苯的吸附等溫線屬于第II類等溫吸附曲線.

目前,學(xué)者們針對(duì)活性炭、煤粉以及炭黑等典型吸附劑固體的表面特征和吸附情況進(jìn)行研究,對(duì)柴油機(jī)排氣顆粒吸附能力與表面特征之間的關(guān)系研究相對(duì)較少.本文以柴油機(jī)排氣顆粒和炭黑為研究對(duì)象,通過氮?dú)馕胶徒佑|角試驗(yàn),對(duì)柴油機(jī)排氣顆粒、炭黑的比表面積、孔容積、孔徑、分形維數(shù)和表面張力參數(shù)與吸附量進(jìn)行了定量分析,對(duì)比分析了柴油機(jī)排氣顆粒與炭黑的吸附能力.

1 材料與方法

1.1 表面特征與吸附能力參數(shù)

1.1.1 比表面積與孔隙 基于N2吸附,比表面積采用多點(diǎn)BET法,孔隙結(jié)構(gòu)通過DFT法獲得.多點(diǎn)BET法的表達(dá)式為[13]:

式中:0為N2在某溫度時(shí)的蒸汽飽和壓力,Pa;為試驗(yàn)過程中N2壓力,Pa;為在相對(duì)壓力為/0時(shí)N2的吸附量,cm3/g;W為單分子層飽和吸附量,cm3/g;為常數(shù),與吸附質(zhì)-吸附劑間的作用強(qiáng)弱有關(guān).

1.1.2 分形維數(shù) 基于N2吸附,采用FHH方程對(duì)吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算得到炭黑和顆粒的分形維數(shù). FHH方程的表達(dá)式為[14]:

式中:為在平衡壓力為P時(shí)的吸附量,cm3/g;0為吸附溫度下的飽和蒸氣壓力,Pa;為與溫度,吸附層厚度和固體表面性質(zhì)有關(guān)的系數(shù);為一常數(shù).其中,若氣體與顆粒之間的主要作用力為范德華力時(shí),分形維數(shù)與的關(guān)系為[15]: