探秘汽车轮胎磨损颗粒：解析其扩散、暴露风险与防控策略

随着汽车保有量增加及新能源车兴起，轮胎磨损颗粒（TWPs）成为重要非尾气排放源，其扩散和流动动力学却未被深入研究。研究人员构建模型探究 TWPs 扩散、评估呼吸暴露风险并提出减排方案。结果表明其扩散范围广，儿童青少年暴露风险高，减排方案有效。这为防控 TWPs 污染提供依据。

　　在现代社会，汽车已经成为人们出行的重要交通工具。然而，汽车在给人们带来便利的同时，也带来了一系列环境和健康问题。轮胎磨损颗粒（TWPs）作为汽车非尾气排放的重要组成部分，正逐渐受到人们的关注。过去几十年间，随着汽车保有量的不断攀升，以及新能源汽车的日益普及，TWPs 的排放量也在持续增加。尽管相关法规愈发严格，以控制有害排放，但 TWPs 依然是环境微塑料污染的重要来源。据欧洲环境署（EEA）预测，到 2050 年，由于汽车电气化，尾气颗粒排放将减少，而非尾气排放将占到道路运输颗粒排放总量的 90%。

TWPs 从轮胎释放后，存在分散相和自由相两个阶段。其中，分散相的新鲜 TWPs 因刚从轮胎产生，受轮胎旋转和车辆诱导风影响大，且与其他物质化学反应或黏附少，可能具有高毒性风险，会导致肺部损伤、炎症反应和细胞毒性等，对呼吸系统健康威胁较大。但目前，针对新鲜 TWPs 的扩散和流动动力学研究较少，存在知识空白。为了填补这一空白，深入了解 TWPs 的危害并寻找有效的应对策略，国内研究人员开展了此次研究。该研究成果发表在《Emerging Contaminants》上，为解决 TWPs 带来的环境和健康问题提供了重要依据。

研究人员为开展此项研究，主要运用了以下关键技术方法：
一是构建模型，采用离散粒子法（DPM）结合计算流体动力学（CFD）的 DPM - CFD 方法，构建了 TWPs - 风 - 车辆 - 道路耦合的空气动力学模型，以此来模拟 TWPs 的扩散过程；二是现场实验，在宁波镇海的 Yifu Road 进行实地测量，通过设置多个测量点，使用粒子计数器对道路上的粒子进行监测，以验证模拟结果。

下面来看具体的研究结果：

1. TWPs 扩散的数值模拟：通过数值模拟，研究人员观察到 TWPs 在气流作用下的扩散过程。在汽车行驶过程中，较小的 TWPs 会因旋转轮胎的边界层效应，流入轮罩和车轮之间的间隙，并向上流动；较大的 TWPs 则大多从车身底部与地面的间隙流过。行驶 30 米后，TWPs 的扩散基本稳定，扩散范围约为宽 3.3 米、高 2.2 米。
2. 扩散宽度：研究发现，车速越高，相同粒径 TWPs 的扩散宽度越大，在 90km/h 和 120km/h 时扩散宽度相近。不同粒径 TWPs 的扩散宽度变化趋势相似，且随着高度增加，扩散宽度先增大后减小。在所有情况下，0.8 米高度处的扩散宽度最大，这意味着儿童因呼吸平面与该高度重合，更易受到 TWPs 潜在健康风险的影响。
3. 扩散高度：从模拟结果来看，TWPs 的扩散高度在不同情况下都相对稳定，约为 2.5 米，且在车辆后方约 30 米处趋于稳定。在 1.0 米和 2.0 米宽度的垂直截面上，TWPs 浓度较高，而这些区域通常是行人与骑行者的通行区域，存在潜在健康风险。
4. 扩散浓度：研究人员对 TWPs_{0.1 - 10}在固定高度沿宽度方向的浓度进行了定量分析。结果显示，其浓度和粒子数分布近似呈不对称正态分布，最大浓度出现在 1.0 米宽度处。车速为 60km/h 时，浓度最高，如在 0.8 米高度处可达 6.52μg/m³ ，在 1.2 米高度处可达 7.50μg/m³ 。此外，随着浓度阈值升高，高浓度区域的高度逐渐降低。
5. 现场测量与暴露风险：现场实验结果与模拟结果趋势相符，都呈现近似正态分布，且浓度峰值都出现在离车侧约 1.0 米处。但实验得到的道路颗粒数比模拟的 TWPs 值高 10 - 20 倍，这是因为实验数据包含了其他环境颗粒。综合模拟和实验结果可知，儿童暴露风险较高，在道路两侧设置至少 2.2 米高的挡板可防止 TWPs 迁移，设置至少 1.0 米高的挡板能减少扩散，保护儿童呼吸健康。同时，不同人群在不同区域的暴露风险不同，如 1.0 - 2.0 米宽度区域对儿童、轮椅使用者和青少年存在潜在风险，而对成年人威胁较小，但对爬行动物和小动物威胁较大。
6. 减少 TWPs 释放的解决方案：研究人员提出通过捕获 TWPs 来减少其释放的方法，并构建了空气动力学原型进行验证。实验室实验表明，该方法能有效减少 TWPs 排放和扩散，在高速行驶时捕获率超过 40%。通过优化捕获通道的位置和路径，有望进一步提高捕获率。

研究结论和讨论部分指出，该研究明确了道路附近因 TWPs 浓度升高而存在潜在呼吸暴露风险的区域，尤其是儿童和青少年更易受影响。使用捕获通道减少 TWP 排放的方法可行，若大规模应用，有望显著减少轮胎磨损颗粒造成的空气污染。然而，研究也存在一定局限性，如未考虑轮胎 - 道路磨损颗粒（TRWPs），模拟中假设颗粒质量分布遵循特定表达式，未考虑外部因素对排放密度的影响等。尽管如此，该研究为后续研究提供了方法和思路，有助于推动相关领域进一步探索。未来，需要更多研究关注长期暴露于 TWPs 的影响，以及不同车辆类型和道路条件对 TWP 扩散的作用，从而制定更全面有效的策略，减少 TWPs 对环境和健康的危害。