柴油機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

(江蘇大學汽車與交通工程學院,江蘇 鎮江 212013)

利用全自動比表面積與孔隙分析儀和光學接觸角測量儀,分別對炭黑和柴油機排氣顆粒的比表面積與孔隙以及接觸角等表面特征參數進行了測量,并對炭黑和柴油機排氣顆粒的分形維數和表面張力進行了計算,對比分析了炭黑和柴油機排氣顆粒的吸附能力,探討了柴油機排氣顆粒表面特征參數與吸附能力之間的關系.通過檢測與分析,炭黑和柴油機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,分形維數分別為2.5885和2.5515,在0.985s時刻的表面張力分別為51.1和56.6mJ/m2,結果表明炭黑與柴油機排氣顆粒的比表面積,孔徑分布,分形維數和表面張力均相似.炭黑和柴油機排氣顆粒均表現了極強的親油性,輕微親水性.柴油機排氣顆粒親水性略強,表面更為光滑,吸附能力略低于炭黑.

柴油機；炭黑；排氣顆粒；表面特征；吸附能力

柴油車排氣顆粒是機動車顆粒物排放的主要來源,同時也是大氣中PM2.5的主要來源之一[1-2].柴油機排氣顆粒主要由可溶性有機物(SOF),干碳煙(DS)和灰分等物質組成[3],顆粒中SOF質量百分比為3%~15%[4],含有超過16種多環芳香烴(PAHs)類物質[5].在柴油機排氣過程中,顆粒吸附廢氣中的HC等氣體物質,進入大氣環境后,在紫外線作用下發生二次化學反應,形成污染顆粒物[6].吸附過程一般發生于固體的表面,固體的表面結構與顆粒物的吸附性能具有一定的聯系[7].

固體的表面特征可通過比表面積、孔隙結構、分形維數和表面張力等物理量進行定量表征.國內外的學者針對氧化錳、活性炭的吸附性能開展了研究,對其比表面積、孔隙結構和分形維數進行了定量分析,建立了物質表面結構特征參數與其吸附能力之間的關系.Ma等[8]研究認為,MnO對SO2和NH3的吸附能力主要取決于固體的比表面積;李兵等[9]研究認為粉末狀活性炭對SO2的吸附量與其孔徑具有明確的關系,吸附量隨孔徑的減小而增大.針對柴油機排氣顆粒,Wei等[10]和張澍等[11]采用掃描電鏡對排氣顆粒表面特征進行了分析,提出了柴油機排氣顆粒由大量基本炭粒子團絮而成,形成了大量的孔隙;Rothenberg等[12]開展了柴油機排氣顆粒對二甲苯的吸附研究,研究結果表明:柴油機排氣顆粒呈海綿狀結構,對二甲苯的吸附等溫線屬于第II類等溫吸附曲線.

目前,學者們針對活性炭、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行研究,對柴油機排氣顆粒吸附能力與表面特征之間的關系研究相對較少.本文以柴油機排氣顆粒和炭黑為研究對象,通過氮氣吸附和接觸角試驗,對柴油機排氣顆粒、炭黑的比表面積、孔容積、孔徑、分形維數和表面張力參數與吸附量進行了定量分析,對比分析了柴油機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

1.1.1 比表面積與孔隙 基于N2吸附,比表面積采用多點BET法,孔隙結構通過DFT法獲得.多點BET法的表達式為[13]:

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

1.1.2 分形維數 基于N2吸附,采用FHH方程對吸附數據進行擬合計算得到炭黑和顆粒的分形維數. FHH方程的表達式為[14]:

式中:為在平衡壓力為P時的吸附量,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有關的系數;為一常數.其中,若氣體與顆粒之間的主要作用力為范德華力時,分形維數與的關系為[15]: