冬季工况下电动汽车内逸出VOCs分析

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2023.8.24

TOFWERK

PTR-TOF

　　本研究使用一台全新的迷你卡车型电动汽车，容积1.72m³。停车场位于两栋楼之间，只有当地时间11:50-14:20能够照到太阳。研究人员部署了TOFWERK公司的Vocus 2R PTR-TOF 快速质谱仪进行在线广谱VOCs分析。仪器通过采样管直接收集并实时分析车内的VOCs（具体见图1），另通过可切换三通阀，同步测量车外大气VOCs。

     与气相色谱-质谱仪相比，Vocus PTR-TOF可以实时进行灵敏的在线气体采样和分析。重要的是，在不同情况下观察到的挥发性有机化合物排放时间序列数据之间的差异可以提供重要的结果，对车厢排放的挥发性有机化合物的实时动态有新的认识，能更好量化对公众健康的可能影响。

图1 Vocus PTR-TOF 2R采集分析车内VOCs示意图。b，实验期间日照，车内和周边环境温度。

      该研究总共监测到了246种质荷比m/z 30到250的离子信号，图2显示车内VOCs含量超过大气约两倍，80%以上车内VOCs都是CxHy和CxHyOz。前期文献表明CxHy主要来自仪表盘、柱子和润滑剂，CxHyOz主要来自涂料和人造皮革。本研究中，20种离子信号使用校准气罐进行校准，123种离子根据文献和精确质量进行鉴定，62种利用质子转移反应速率常数校准，因此总共对82种离子信号进行了定量测试。车厢内外浓度比值（I/O）计算物质主要来源于车内还是大气，除了丁酰胺、环己酮、乙基乙酸乙烯酯和萘，其余物质I/O均大于1。

图2 车内多种VOCs的浓度和相应的车厢内外浓度比值（I/O）

      冬天时，司机倾向于打开加热器，几乎不通风，因此，研究中选择了（IRAC）和美国环保署（EPA）的空气毒物规范中监测的代表性化合物。图3展示了代表性物质在车内和大气中的含量变化。

图3 车内（开加热器）和大气中代表性有毒物质的一天含量变化(a) formaldehyde, (b) acetaldehyde, (c) acrylonitrile, (d) 1,3-butadiene, (e) acrolein, (f) isoprene, (g) benzene, (h) 1-methyl-2-pyrrolidinone, (i) indane, (j) tolualdehyde, (k) TMB, and (l) naphthalene

-加热模式（S2，红色）和不加热模式（S1，灰色）的车内VOCs对比

-车窗覆盖下的加热模式（S4，绿色）和不加热模式（S3，蓝色）的车内VOCs对比

图4 车内不同加热情况下代表性有毒物质的一天含量变化

 (a) formaldehyde, (b) acetaldehyde, (c) acrylonitrile, (d) 1,3-butadiene, (e) acrolein, (f) isoprene, (g) benzene, (h) 1-methyl-2-pyrrolidinone, (i) indane, (j) tolualdehyde, (k) TMB, and (l) naphthalene

      当没有阳光照射时，车厢内的温度变化较小。图4中代表性化合物在S4场景下比S3高65.42% （13:30），这一变化显著高于S2和S1之间区别，表面覆盖车窗能够阻止热量散失到环境中。

-不加热模式下车窗敞开（S3，蓝色）和车窗关闭（S1，灰色）的车内VOCs对比

两种场景下唯一的区别在于阳光照射。随着阳光照射，S1场景下VOCs含量增加，而S3场景下含量较稳定。代表性化合物在S1场景下高出35.49%。低I/O物质如甲醛和萘在S3场景下更高。

-加热模式下车窗敞开（S2，红色）和车窗关闭（S4，绿色）的车内VOCs对比

总体上，S2场景下VOCs含量比S4高14.49%，而低I/O物质在S4场景下更高。

      通风可以引入车外新鲜冷风，置换车内空气。图5展示了一些代表性物质在S1场景（灰色）、通风（非循环风）场景（红色）及相应大气中的（虚线）含量。实验中，11:50开始通风，各物质浓度均开始下降。但是由于车内还在持续释放VOCs，1,3-丁二烯, 异戊二烯, 苯, 1-甲基-2-吡咯烷酮,甲基苯甲醛和TMB（分别为图5d, f, g, h, j和k）在车内空气中含量仍高于大气。在引入新鲜空气后，车内VOCs被稀释到62.63%，稀释最少的是formadehyde（46.53%，图5a），稀释最多的是1-甲基-2-吡咯烷酮（91.53%，图5h），它们的I/O分别是1.71和29.08。由于萘在环境大气中浓度相对较高，通风后其含量增加了9.76%。

图5 S1（灰色）、通风（红色）场景中车内释放的和各自大气环境（虚线）下VOCs含量比较

      Vocus 2R PTR-TOF能够快速检测分析车内的多种类VOCs释放，CxHy和CxHyOz类化合物占整体VOCs的80%。根据车内外物种浓度比值和相关法规，课题组重点研究了12种化合物：

· 当阳光曝晒时，车内加热造成54.62%的 VOCs释放上升；

· 当无阳光时，车内加热造成65.42% 的VOCs释放上升；

· 当车内加热器关闭时，阳光曝晒造成35.49% 的VOCs释放上升；

· 当车内加热器开启时，阳光曝晒造成14.49%的 VOCs释放上升。

      这些证据表明由车内加热器工作升温直接造成的VOCs释放要大于阳光造成的温度上升，而通风能够迅速降低车内VOCs含量，因此，当司机和乘客在长时间太阳曝晒和开启加热器的行驶情况下，应当经常通风换气来减少VOCs的暴露风险。