王 忠,刘理凡,刘 帅,李瑞娜,贾 茹

柴油机排气颗粒表面特征与吸附能力分析

王 忠,刘理凡,刘 帅*,李瑞娜,贾 茹

(江苏大学汽车与交通工程学院,江苏 镇江 212013)

利用全自动比表面积与孔隙分析仪和光学接触角测量仪,分别对炭黑和柴油机排气颗粒的比表面积与孔隙以及接触角等表面特征参数进行了测量,并对炭黑和柴油机排气颗粒的分形维数和表面张力进行了计算,对比分析了炭黑和柴油机排气颗粒的吸附能力,探讨了柴油机排气颗粒表面特征参数与吸附能力之间的关系.通过检测与分析,炭黑和柴油机排气颗粒的比表面积分别为78.003和65.408m2/g,平均孔径分别为13.845和14.483nm,分形维数分别为2.5885和2.5515,在0.985s时刻的表面张力分别为51.1和56.6mJ/m2,结果表明炭黑与柴油机排气颗粒的比表面积,孔径分布,分形维数和表面张力均相似.炭黑和柴油机排气颗粒均表现了极强的亲油性,轻微亲水性.柴油机排气颗粒亲水性略强,表面更为光滑,吸附能力略低于炭黑.

柴油机；炭黑；排气颗粒；表面特征；吸附能力

柴油车排气颗粒是机动车颗粒物排放的主要来源,同时也是大气中PM2.5的主要来源之一[1-2].柴油机排气颗粒主要由可溶性有机物(SOF),干碳烟(DS)和灰分等物质组成[3],颗粒中SOF质量百分比为3%~15%[4],含有超过16种多环芳香烃(PAHs)类物质[5].在柴油机排气过程中,颗粒吸附废气中的HC等气体物质,进入大气环境后,在紫外线作用下发生二次化学反应,形成污染颗粒物[6].吸附过程一般发生于固体的表面,固体的表面结构与颗粒物的吸附性能具有一定的联系[7].

固体的表面特征可通过比表面积、孔隙结构、分形维数和表面张力等物理量进行定量表征.国内外的学者针对氧化锰、活性炭的吸附性能开展了研究,对其比表面积、孔隙结构和分形维数进行了定量分析,建立了物质表面结构特征参数与其吸附能力之间的关系.Ma等[8]研究认为,MnO对SO2和NH3的吸附能力主要取决于固体的比表面积;李兵等[9]研究认为粉末状活性炭对SO2的吸附量与其孔径具有明确的关系,吸附量随孔径的减小而增大.针对柴油机排气颗粒,Wei等[10]和张澍等[11]采用扫描电镜对排气颗粒表面特征进行了分析,提出了柴油机排气颗粒由大量基本炭粒子团絮而成,形成了大量的孔隙;Rothenberg等[12]开展了柴油机排气颗粒对二甲苯的吸附研究,研究结果表明:柴油机排气颗粒呈海绵状结构,对二甲苯的吸附等温线属于第II类等温吸附曲线.

目前,学者们针对活性炭、煤粉以及炭黑等典型吸附剂固体的表面特征和吸附情况进行研究,对柴油机排气颗粒吸附能力与表面特征之间的关系研究相对较少.本文以柴油机排气颗粒和炭黑为研究对象,通过氮气吸附和接触角试验,对柴油机排气颗粒、炭黑的比表面积、孔容积、孔径、分形维数和表面张力参数与吸附量进行了定量分析,对比分析了柴油机排气颗粒与炭黑的吸附能力.

1 材料与方法

1.1 表面特征与吸附能力参数

1.1.1 比表面积与孔隙 基于N2吸附,比表面积采用多点BET法,孔隙结构通过DFT法获得.多点BET法的表达式为[13]:

式中:0为N2在某温度时的蒸汽饱和压力,Pa;为试验过程中N2压力,Pa;为在相对压力为/0时N2的吸附量,cm3/g;W为单分子层饱和吸附量,cm3/g;为常数,与吸附质-吸附剂间的作用强弱有关.

1.1.2 分形维数 基于N2吸附,采用FHH方程对吸附数据进行拟合计算得到炭黑和颗粒的分形维数. FHH方程的表达式为[14]:

式中:为在平衡压力为P时的吸附量,cm3/g;0为吸附温度下的饱和蒸气压力,Pa;为与温度,吸附层厚度和固体表面性质有关的系数;为一常数.其中,若气体与颗粒之间的主要作用力为范德华力时,分形维数与的关系为[15]: