从浓度-反应性-毒性角度探讨在用车辆中TWC更换的益处

《Environmental Pollution》：Unveiling TWC Replacement Benefits in In-Use Vehicles from a Concentration-Reactivity-Toxicity Perspective

　　

摘要

汽车尾气是大气中挥发性有机化合物的主要人为来源，这类化合物是形成大气臭氧和PM_2.5的关键前体物。了解其排放特征及相关的健康风险，为制定有效的排放控制标准提供重要的科学依据。由于三效催化剂目前是控制传统污染物的一种有效技术，本研究探讨了其在降低中国V型高里程车辆VOC排放方面的间接作用。研究在不同行驶速度和启动温度条件下收集尾气样本，分析车辆的VOC排放因子、臭氧生成潜力以及非致癌性和致癌性健康风险。研究结果表明，更换三效催化剂可使VOC总排放量减少88%以上。值得注意的是，更换老旧的三效催化剂可以消除丙烯醛，降低苯的排放，同时减少1,3-丁二烯的排放；而更换后的主要污染物则变为二甲苯、乙苯和乙醛。烷烃需要通过质量控制来管理，烯烃则需要通过反应性管理，卤代VOC则需针对其致癌风险进行调控，而OVOC和芳香族化合物则需采取综合的健康与环境缓解策略，以应对它们不同的毒性机制。从单辆车的研究案例出发，本研究为处理使用中的老旧三效催化剂提供了关于排放、环境影响和健康风险的新视角。

引言

挥发性有机化合物是一种普遍存在的大气污染物，对空气质量与人类健康都构成严重威胁。在阳光作用下，VOC会与氮氧化物发生反应生成臭氧，这种强氧化性气体会对人体呼吸系统造成损害（Liu等人，2025；Sillman，1999；Wang等人，2023）。此外，VOC还是二次有机气溶胶的重要前体物，也是PM_2.5中的主要有机成分（Camredon等人，2007；Kroll和Seinfeld，2008）。除了参与污染物的形成，VOC本身也对人类健康具有直接危害，尤其会影响呼吸系统（Liu等人，2023，2021）。值得注意的是，一些VOC已被国际癌症研究机构列为明确的人类致癌物，这凸显出接触这些化合物所带来的长期健康风险。根据最新报告，大气环境中VOC的年浓度范围约为20 - 100 ppbv，其中包括苯、乙苯和1,3-丁二烯等会加剧大气毒性的物质（Mozaffar和Zhang，2020；Xiong等人，2022）。因此，VOC的存在是一个涉及环境与公共健康的复杂问题。它们既能产生有害空气污染物，又会直接影响人类健康，这就迫切需要有效的策略来减少VOC排放，改善空气质量。

汽车尾气排放是大气污染物的重要来源，会加剧城市空气质量恶化、促进二次有机气溶胶的形成，并对人类健康造成不良影响。虽然一氧化碳、氮氧化物和颗粒物等传统受控污染物已经有了较为完善的排放因子和监管体系，但针对汽油车VOC排放的研究直到近年来才逐渐受到重视。汽车排放是大气中VOC的重要来源。大量观测和研究显示，2013年北京地区的汽车排放占该地区VOC总量的23% - 32%（Sun等人，2016）。2022年，在中国珠江三角洲地区，机动车排放的VOC占总量的35%（Meng等人，2022）。然而，与其他污染物相比，三效催化剂老化对VOC排放的具体影响尚未得到充分研究。以往的研究大多聚焦于三效催化剂对传统污染物、氨气以及温室气体排放的恶化影响，对于老化催化剂所产生的不同种类VOC的特征研究较少。例如，道路实测表明，三效催化剂性能下降的高里程车辆，其NH₃排放量可能比催化剂全新的新车高出30倍左右，而且随着行驶里程的增加，三效催化剂性能持续下降，总VOC排放量也会出现类似的比例增长（Hata等人，2019；Abualqumboz等人，2022）。尽管存在如此显著的恶化效应，当前的一些排放清单往往忽视了老旧车辆的排放情况，从而导致实际VOC排放量的低估。因此，本研究专门比较了三效催化剂更换前后高里程车辆的VOC排放情况，同时还研究了环境污染和健康风险，尤其首次对比了三效催化剂更换前后致癌风险与非致癌风险的变化。本研究旨在从机理层面分析高里程轻型汽油车的减排方法。

汽车VOC的排放受多种因素影响，包括温度、后处理技术、燃料类型等（Cao等人，2024；Mo等人，2019；Yang等人，2024）。本研究重点关注尾气后处理系统中的三效催化剂，具体研究高里程中国V型车辆在冷启动和热启动状态下的VOC排放情况。尤其是高里程行驶会显著增加尾气排放，而三效催化剂的老化则是其中的主要因素。为了全面了解VOC排放情况，本研究首先对车辆原有的三效催化剂进行了测试。随后，用新的三效催化剂替换原有催化剂，并在相同条件下重复测试。通过比较老旧三效催化剂和新型三效催化剂所产生的VOC浓度，我们能够确定二者在降低VOC排放方面的性能差异，进而评估在行驶里程超过30万公里的轻型车辆中更换三效催化剂所能带来的减排效果。

章节节选

测试车辆与条件

就中国V型车辆的里程分布而言，30万公里属于极高里程。对于轻型卡车来说，30万公里曾是法律规定的报废标准（1997 – 1998年），但后来根据中国的强制车辆报废标准，这一要求被取消了。按照现行规定，30万公里是在实际使用过程中一个经验性的阈值，标志着车辆故障率开始升高的阶段。尽管这个数值相对较小

三效催化剂更换可降低传统污染物排放

为车辆更换三效催化剂具有实际意义，它有助于改善空气质量、确保车辆符合排放标准，还能延长车辆的使用寿命。实验结果清楚地表明，合理更换三效催化剂在控制传统污染物排放方面效果显著，这些污染物包括氮氧化物、一氧化碳、颗粒物以及非甲烷烃类。图1详细展示了某些典型传统污染物的排放因子变化情况

结论

通过这项研究，我们得出结论：更换三效催化剂能够有效降低测试车辆的各种污染物排放，包括氮氧化物、一氧化碳、非甲烷烃类以及VOC，对于典型的高里程轻型车辆，其减排效果尤为明显。同时，车辆行驶速度和运行温度会对这些污染物的排放特性产生不同影响：

• (1)
  更换三效催化剂后，氮氧化物、一氧化碳和非甲烷烃类的排放量减少了85%以上，其中氮氧化物的减排幅度

CRediT作者贡献说明

陈鸿飞：可视化。 李欣：可视化、资金获取。 王云静：资金获取、概念构思。 丁岩：写作——审阅与编辑、概念构思。 王永东：研究调查。 王健：研究调查。 王彦军：研究调查。 彭超：可视化。 姚杰：写作——初稿撰写、可视化、数据整理。 杨新平：写作——审阅与编辑、资金获取、概念构思

未引用参考文献

中华人民共和国生态环境部，2013；Yang等人，2024a。

利益冲突声明

通讯作者声明，所有作者均不存在任何可能影响本研究结果的利益冲突。

资金支持

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：42575133）、中央级公益性科研院所基本科研业务费（编号：2024YSKY - 03、2025YSKY - 58）、中国国家重点研发计划（编号：2022YFC3701805）以及中国国家自然科学基金（编号：42477096、42277085）的支持。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何已知的、可能影响本文研究结果的利益冲突或个人关系。

Jie Yao|Xinping Yang|Yongdong Wang|Jian Wang|Yanjun Wang|Chao Peng|Hongfei Chen|Xin Li|Yunjing Wang|Yan Ding

中国生态环境部车辆排放控制与模拟重点实验室，中国环境科学研究院车辆排放控制中心，北京，100012，中国