بررسی فیزیکوشیمیایی ذرات سایش ترمز کامیون‌ها در شرایط آزمایشگاهی

مطالعه‌ی انتشار ذرات غیر از اگزوز در زمینه‌ی برقی‌سازی ناوگان جهانی وسایل نقلیه بسیار مهم است. این ذرات که اغلب نادیده گرفته می‌شوند، تأثیرات مضری بر محیط زیست و سلامت انسان دارند. این مقاله، توصیف جامعی از ذرات منتشر شده از سایش ترمز کامیون‌های سنگین تحت شرایط کنترل‌شده ارائه می‌دهد. آزمایش‌های ترمز با همبستگی شرایط ترمز با غلظت ذرات جمع‌آوری‌شده توسط یک ضربه‌گیر فشار پایین الکتریکی (ELPI+) تجزیه و تحلیل شدند. ترکیب شیمیایی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف‌سنجی اشعه ایکس با پراکندگی انرژی (SEM-EDX) تعیین شد. نتایج نشان می‌دهد که ذرات فوق ریز (<100 نانومتر) بر انتشار گازهای گلخانه‌ای غالب هستند و ردیاب‌های سایش ترمز مانند Fe، Cu، Mo شناسایی شده‌اند. این مطالعه همچنین نشان می‌دهد که دمای دیسک ترمز به طور قابل توجهی بر انتشار گازهای گلخانه‌ای تأثیر می‌گذارد. هدف این کار، افزایش درک انتشار ذرات غیر از اگزوز از وسایل نقلیه سنگین، کمک به توسعه سیستم‌های جمع‌آوری ذرات مؤثر و افزایش آگاهی از اثرات زیست‌محیطی و بهداشتی آنها است.

مقدمه

طبق یک مطالعه به‌روز شده در سال ۲۰۱۹، آلودگی سالانه باعث حدود ۹ میلیون مرگ می‌شود که نشان‌دهنده یک ششم مرگ و میر در سطح جهان است (Fuller et al., 2022). از بین این ۹ میلیون مرگ زودرس، تخمین زده می‌شود که ۴.۲ میلیون نفر در اثر آلودگی هوای بیرون در مناطق شهری و روستایی جان خود را از دست می‌دهند (WHO, 2019). مطالعات متعددی اثرات مضر کیفیت پایین هوا بر سلامت، از جمله شروع بیماری‌های تنفسی (Caillaud et al., 2019)، آسیب‌های قلبی عروقی (Lelieveld et al., 2019) و آسیب‌های عصبی (Piguet, 2018) را نشان داده‌اند. ترافیک جاده‌ای به عنوان یکی از عوامل مهم انتشار ذرات، به ویژه در شهرهای بزرگ، شناخته شده است (Thunis et al., 2021). در حالی که انتشار گازهای خروجی اگزوز به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است (Agibayeva و همکاران، 2022، Lu و همکاران، 2023، Wang و همکاران، 2021)، انتشار گازهای غیر اگزوز، که در حال حاضر حدود 55 درصد از ذرات تولید شده توسط ترافیک را تشکیل می‌دهند (Grigoratos و Martini، 2015)، به همان اندازه مورد توجه قرار نگرفته‌اند. علاوه بر این، با توجه به کاهش مداوم انتشار گازهای خروجی اگزوز، انتشار گازهای غیر اگزوز در آینده نزدیک به منبع اصلی ذرات مرتبط با ترافیک تبدیل خواهد شد. انتشار گازهای غیر اگزوز شامل تمام پدیده‌های اصطکاک مکانیکی مربوط به سایش سطوح جاده، لاستیک‌ها و ترمزها است که مسئول انتشار قابل توجه و پراکنده ذرات هستند (Yan و همکاران، 2011).

در مورد وسایل نقلیه سبک، اکثر تحقیقات نشان می‌دهد که ذرات سایش ترمز، توزیع جرم تک‌وجهی با پیک‌هایی با قطر عموماً بین 1.0 تا 6.0 میکرومتر دارند (Grigoratos and Martini, 2015; Zhong et al., 2024). غلظت پیک تعداد ذرات سایش ترمز معمولاً در محدوده زیرمیکرون، اغلب بین 100 نانومتر و 1 میکرومتر، قرار می‌گیرد (Grigoratos and Martini, 2015). در مورد توزیع تعداد، مطالعات نشان داده‌اند که ذرات نیز از توزیع تک‌وجهی پیروی می‌کنند. برخی مطالعات بخش قابل توجهی از ذرات را در محدوده فوق ریز، حدود 10 تا 50 نانومتر، شناسایی کرده‌اند که نشان می‌دهد فرآیند ترمزگیری تعداد قابل توجهی از ذرات بسیار کوچک را تولید می‌کند؛ گهگاه یک توزیع دووجهی گزارش شده است (بیجی و همکاران، 2021، مصلح و همکاران، 2004). با توجه به ترکیب شیمیایی این ذرات، مطالعات متعدد آهن، مس مس، باریم Ba و آنتیموان Sb را به عنوان ردیاب‌های اصلی سایش ترمز شناسایی کردند. عناصر دیگری نیز گزارش شده اند، مانند مولیبدن Mo، روی روی، زیرکونیوم Zr، تیتانیوم Ti. نشان داده شده است که پارامترهای مختلفی می‌توانند بر انتشار ذرات ترمز تأثیر بگذارند (واسیلجویک و همکاران، 2022): ترکیب لنت‌های ترمز (والستروم، 2009)، سرعت خودرو، فشار اعمال شده (بجی و همکاران، 2020) و دمای دیسک (ایجیما و همکاران، 2007).

در مورد وسایل نقلیه سنگین، آنها از جمله عوامل اصلی انتشار فلزات سنگین هستند که 32.4 درصد از انتشار PM2.5 و 30.5 درصد از انتشار PM10 را تشکیل می‌دهند (وو و همکاران، 2024). سایش ترمز منبع اصلی این فلزات است که تقریباً 80 درصد از فلزات سنگین مرتبط با PM2.5 و 88 درصد با PM10 را تشکیل می‌دهد (وو و همکاران، 2024). این سهم بالا به کیلومتر طی شده (VKT) بالای وسیله نقلیه (VKT) و فاکتورهای انتشار بالاتر آنها، مانند 148.57 میلی‌گرم در کیلومتر/وسیله نقلیه برای انتشار PM2.5 نسبت داده می‌شود (تو و همکاران، 2025). وسایل نقلیه سبک معمولاً از سیستم‌های ترمز هیدرولیکی استفاده می‌کنند، در حالی که وسایل نقلیه سنگین مجهز به ترمزهای پنوماتیکی هستند که برای نیروهای ترمز بالای مورد نیاز مناسب‌تر هستند. در مقایسه با وسایل نقلیه مسافربری، لنت‌های ترمز سنگین به طور قابل توجهی بزرگتر و سنگین‌تر هستند و ترکیب شیمیایی آنها نیز متفاوت است. لنت‌های ترمز مورد استفاده در خودروهای سواری عمدتاً از جنس آلی غیر آزبستی (NAO) هستند که از یک ماتریس رزین فنلی تشکیل شده‌اند، در حالی که لنت‌های ترمز سنگین معمولاً به عنوان کامپوزیت‌های ماتریس فلزی (MMC) طبقه‌بندی می‌شوند که دارای یک ماتریس فلزی متشکل از آهن، مس یا آلومینیوم هستند (Kumar و همکاران، 2021). انتخاب مواد برای کاربردهای سنگین به دلیل نیاز به مقاومت حرارتی بیشتر است، زیرا ترمزگیری در کامیون‌ها معمولاً شامل دماهای بالاتر است (Catapano و همکاران، 2025). علیرغم تفاوت در ترکیب لنت، ردیاب‌های اصلی سایش ترمز در هر دو نوع خودرو مشابه هستند. همانند خودروهای سواری، لنت‌های ترمز سنگین نیز در هنگام ترمزگیری ردیاب‌های فلزی کلیدی مانند آهن، باریم و مس منتشر می‌کنند (وو و همکاران، 2024). دلیل این امر، برهمکنش اصطکاکی بین لنت و دیسک ترمز (معمولاً چدن) است که منجر به جدا شدن ذرات آهن از دیسک و آزاد شدن افزودنی‌های فلزی از لنت‌ها (آهن، مس) می‌شود که معمولاً در فرمولاسیون لنت‌های ترمز سبک نیز استفاده می‌شوند (کومار و همکاران، 2021). اگرچه برخی مطالعات بر ترکیب شیمیایی لنت‌های ترمز و عوامل انتشار در وسایل نقلیه سنگین متمرکز شده‌اند، اما هنوز کمبود قابل توجهی در تحقیقات در مورد توصیف فیزیکوشیمیایی ذرات سایش ترمز از منابع سنگین و تأثیرات بالقوه آنها بر سلامت انسان وجود دارد.

بنابراین، در حالی که مطالعه بر روی انتشار ذرات ترمز آغاز شده است، در حال حاضر هیچ استانداردی برای انتشار غیر اگزوز مربوط به سایش لنت ترمز و سایش تایر برای همه انواع وسایل نقلیه وجود ندارد. با این حال، استاندارد یورو 7 پیشنهادی توسط پارلمان اروپا، مقررات جدیدی را در مورد انتشار ذرات آلاینده ناشی از ترمز و انتشار میکروپلاستیک از سایش تایر معرفی می‌کند. این مقررات هم برای وسایل نقلیه موتور احتراقی و هم برای وسایل نقلیه الکتریکی اعمال می‌شود. برای همه انواع وسایل نقلیه، حداکثر حد مجاز انتشار ذرات (PM10) از سال 2025 به 7 میلی‌گرم در کیلومتر و از سال 2035 به 3 میلی‌گرم در کیلومتر تعیین خواهد شد (کمیسیون اروپا، 2022).

در این زمینه، یک مطالعه آزمایشگاهی بر روی یک کامیون انجام شد که شامل مجموعه‌ای از آزمایش‌های ترمزگیری تحت شرایط مختلف ترمزگیری بود. اهداف این مطالعه، درک عمیق‌تر پدیده سایش ترمز در کامیون‌های سنگین و شناسایی عوامل کلیدی مؤثر بر انتشار گازهای آلاینده ترمز بود. این دانش در نهایت از توسعه سیستم‌های پیشرفته کنترل انتشار گازهای آلاینده برای این وسایل نقلیه پشتیبانی خواهد کرد. (منبع).