Традиционные загрязнители

Традиционные загрязнители
Состав отработавших газов
Загрязнение атмосферного воздуха, связанное с работой агрегатов автомобиля, имеет три
основных источника: отработавшие газы, газы вентиляции картера и системы питания топливом.
Распределение основных типов токсичных веществ по источникам неравномерно. В отработавших
газах — от 95 до таких соединений, а других — от 2 до 5%. Состав основных соединений в
отработавших газах зависит от режима работы двигателя, его технического состояния и состава, а
также свойств применяемых топлив и масел.
Сами топлива и смазочные масла до процесса сгорания в двигателе содержат относительно
нетоксичные соединения, и прямого вредного воздействия газообразных углеводородов,
попадающих в воздух с испарениями, на здоровье человека не обнаружено. Различные
легкокипящие углеводороды и неуглеводородные примеси опасны тем, что образуют
промежуточные токсичные продукты окисления в некоторых атмосферных химических реакциях.
Основная часть загрязнений, выделяемых двигателем автомобиля, приходится на долю
отработавших газов, в составе которых содержится более 300 соединений, опасных для здоровья
человека и вредных для окружающей среды.
В среднем состав отработавших газов двигателей автомобилей представлен в табл.
Состав отработавших газов (ОГ) бензинового двигателя с принудительным воспламенением
Пределы
Наименование
компонентов
концентраций
компонентов
в ОГ, % об.
Прелелы
Наименование
компонентов
концентраций
компонентов
в ОГ, мг/м'
Азот
74-77
Кислород
0,2-8,0
Пары йода
3,0-13,5
Оксиды серы
0-0,003
Диоксид углерода
Углеводороды (суммарно)
Монооксид углерода
5,0-12,0
0,2-3,0
0,1-10,0
Сажа
Бенз(а)пирен
Соединения
0-100
0-25
свинца
0-60
Оксиды азота
0,0-0,6
Альдегиды
0,0-0,2
Экологическая характеристика компонентов отработавших газов.
1. Диоксид углерода (СО2). Образуется при полном сгорании топлива. Содержание диоксида
углерода в воздухе ненормиро
вано. Усваивается и преобразуется растениями в процессе фотосинтеза. Возрастание
концентрации опасно в том отношении, что при поглощении длинноволнового теплового
излучения (при недостатке озонового слоя) создается «парниковый эффект», обусловливающий
перегрев поверхности земли.
2. Оксид углерода (СО). Ядовитый газ, не имеющий запаха и цвета. Образуется при горении
богатой смеси (а< I) вследствие недостатка кислорода для полного окисления топлива. Его
концентрация в выпускных газах двигателей с принудительным воспламенением может достигать
6% по объему. В дизелях всегда имеется избыток кислорода (а > 1), и концентрация оксида
углерода составляет 0,2—0,3%. Сохраняется в атмосфере около 3—4 месяцев. Предельно
допустимые концентрации в воздухе рабочих помещений —20 мг/м3, в населенных пунктах — 3
мг/м3 (максимальная разовая) и 1 мг/м3 — среднесуточная. Оксид углерода, соединяясь с
гемоглобином крови, дает устойчивое
соединение — карбоксигемоглобин, затрудняющий процесс газообмена в клетках, что приводит к
кислородному голоданию (сродство гемоглобина с оксидом углерода примерно в 210 раз выше
его сродства с кислородом). Поэтому прямое воздействие состоит в уменьшении способности
крови переносить кислород.
Процесс образования карбоксигемоглобина обратимый. После прекращения вдыхания оксида
углерода кровь пострадавшего начинает очищаться от него наполовину за каждые 3—4 часа.
3. Оксиды азота (NOX). В результате воздействия азота и кислорода воздуха в камере сгорания
двигателя при высокой температуре образуются оксиды азота. Из шести стабильных газообразных
оксидов азота: N2O, NO, NO2, N2O3, N2O4 и N2O5 в
отработавших газах содержатся 80—90% NO и 10—20% NO2, т.е. смесь оксида и диоксида азота.
Эти два газа составляют около 40% общего выброса оксидов азота в атмосферу больших городов.
Некоторое количество оксидов азота может образовываться и за счет азотистых соединений
самого топлива.
Основное действие на организм человека оказывают не окислы азота, а азотная и азотистая
кислоты, образующиеся непосредственно в дыхательных путях человека при соединении их с
водой. Раздражаются слизистые оболочки глаз, носа, рта (предельно допустимая разовая
концентрация — 0,6 мг/м3). Монооксид азота оказывает вредное действие на гемоглобин крови,
который превращается в нитрогемоглобин. Степень воздействия NOK на организм человека
приблизительно в 10 раз сильнее воздействия СО.
На уровне земли обычная концентрация NOx (в основном оксида азота) составляет 2—3 ррт. При
этом наиболее возрастает доля NOr Оксиды азота сохраняются в окружающей атмосфере в
течение 3—4 дней. Диоксид азота, реагируя с атмосферной влагой, образует азотную кислоту, что
приводит к значительной коррозии металлов.
4. Оксиды серы (SOx). Влияют на здоровье человека, растительный и животный мир, разрушают
различные материалы: металлы, краску, строительные материалы, бумагу, текстильные ткани.
Предельно допустимая концентрация диоксида серы, мг/м3: в рабочей зоне — 10, максимальная
разовая в атмосфере населенных пунктов — 0,5, среднесуточная — 0,05.
Сернистый газ неядовит, но в соединении с другими загрязнениями и влагой раздражает глаза,
нос и горло, вредно влияет на легкие. Сернистый газ образует сернистую кислоту и далее серную,
обладающую высокой коррозионной агрессивностью.
Диоксиды серы и азота являются причиной выпадения так называемых кислотных дождей.
Кислотные дожди значительно повышают кислотность почвы, оказывают разрушающее действие
на конструкционные материалы, влияют на урожайность сельскохозяйственных культур, здоровье
человека. Вместе с воздушными массами оксиды азота и серы могут переноситься на большие
расстояния. В ходе газофазных окислительных процессов, в которых участвуют в основном
летучие органические соединения, олефины, продукты неполного окисления углеводородов,
образуются также и органические кислоты, главным образом муравьиная и уксусная, которые
также являются предшественниками кислотных дождей. Формирование кислотного дождя
зависит от скорости поглощения загрязнений аэрозольными частицами.
Выпадение кислотных дождей приводит к гибели лесов, повышению кислотности почвы и может
отрицательно влиять на урожайность сельскохозяйственных культур. Велики разрушения и
повреждения конструкционных материалов, которые вызывают кислотные дожди. Основные
повреждающие вещества: катион водорода, оксиды серы и азота, формальдегид, озон, пероксид
водорода и др. Загрязнение атмосферного воздуха наносит непоправимый вред памятникам
культуры, ускоряя их старение. Так, за 90 лет пребывания в Центральном парке Нью-Йорка
древний египетский обелиск «Игла Клеопатры» пострадал значительно сильнее, чем за три
тысячелетия пребывания в Египте.
5. Углеводороды (СН). Сами углеводороды (кроме бензола и некоторых олефинов), как уже
говорилось ранее, не представляют существенной опасности для человека и окружающей среды.
Но они опасны прежде всего как промежуточные продукты физических процессов, приводящие к
образованию стойких аэрозолей, получивших название «смог». Это особый тип загрязнения
атмосферы, впервые отмеченный около 50 лет назад в Лос-Анджелесе. Главный источник этих
загрязнителей — отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания. При неблагоприятном
состоянии атмосферы (отсутствие ветра, повышенная влажность, фотохимическое воздействие
света, запыленность и т. д.) возникают характерная голубоватая дымка и ухудшение видимости.
При этом наблюдается сильное раздражение слизистой оболочки дыхательных путей, глаз.
Длительное воздействие смога ведет к повышению заболеваемости среди населения,
повреждению растительности, усилению коррозии металлов. Именно из-за смога во многих
городах мира полицейские были вынуждены находиться на посту в противогазах.
Образование смога протекает при довольно низких температурах, важным фактором активации
молекул является солнечный свет. При поглощении света изменяется электронная, вращательная
и колебательная энергия молекул, что приводит к возбужденному состоянию. Электронновозбужденные молекулы могут вступать в такие реакции, которые при данной температуре им не
свойственны. Так, например, продукты фотолиза озона, кислорода, воды, оксидов азота могут в
верхних слоях атмосферы (свыше 80 км) атаковать молекулярный кислород с образованием
кислорода в виде одноатомных молекул. Несколько ниже (16—32 км) снова образуется озон.
Именно здесь слой озона выполняет роль фильтра для ультрафиолетовой радиации. Человек не
мог бы существовать в условиях солнечной ультрафиолетовой радиации, если бы она не была
ослаблена слоем озона (так называемые «озоновые дыры», возникающие в отсутствие озонового
слоя). Кроме углеводородов, в образовании смогов участвуют продукты окисления из состава
отработавших газов (альдегиды .и кетоны, карбоновые кислоты и спирты), многие кислые
продукты сгорания серы и азота, твердые частицы неполного сгорания топлива и другие аэрозоли.
Непосредственные причины образования ядовитых туманов-смогов различны. В Нью-Йорке,
например, смог часто возникает при реакциях фтористых или хлористых соединений с капельками
воды. В некоторых городах Японии наблюдается смог в виде грязного тумана из частиц сажи и
пыли. В Лондоне смог образуется в результате атмосферной инверсии, связанной с присутствием
сажи, оксидов серы и сероводорода. Для Калифорнии характерно формирование смогов
сравнительно невысокой степени загрязнения воздуха оксидами азота и продуктами окисления
углеводородов, что вызывает раздражение глаз, бронхиальную астму и другие заболевания
дыхательных путей.
Существует отдельная группа углеводородов, состоящая из многих кольцевых структур в одной
молекуле, так называемых полиядерных ароматических углеводородов, обладающая
канцерогенными свойствами. В этой группе найдено около 20 соединений типа 3,4—бенз—а—
пирен. Этот углеводород, называемый часто просто «бензпиреном», является своего рода
индикатором присутствия в смеси других полициклических ароматических углеводородов (ПАУ).
Такие углеводороды присутствуют в отработавших газах в небольшом количестве — до 0,00002
r/MJ. При этом в отработавших газах двигателя с принудительным зажиганием содержание
соединений типа бенз—а— пирена на порядок больше, чем в отработавших газах дизеля.
Попадая в дыхательные пути человека, полициклические ароматические углеводороды
постепенно накапливаются до критических концентраций и стимулируют образование
злокачественных опухолей.
б. Твердые частицы отработавших газов. Твердые продукты неполного сгорания топлив и масел
увеличивают дымность отработавших газов. Состав твердых частиц связан с режимом работы и
различается для бензиновых двигателей и дизелей. Но наибольшую опасность вызывают не
столько твердые частицы, сколько многие жидкие продукты, адсорбированные на их
поверхности. Образование таких частиц измеряется при оценке экологических свойств топлива и
масел при их испытаниях на двигателях. Особую опасность для организма человека представляют
частицы токсичных выбросов аэрозолей с радиусом менее 20 мкм, задерживающиеся в
атмосфере длительный срок и попадающие вдыхательные пути. При соприкосновении с
канцерогенными веществами аэрозольные частицы сорбируют их на своей поверхности. Такие
аэрозоли, попадая в организм, стимулируют образование злокачественных опухолей.
Все перечисленные выше выбросы практически постоянно присутствуют в отработавших газах, но
количество их изменяется в зависимости от режима работы двигателя. В табл. 11.3 приведены
данные о продолжительности наиболее характерных режимов работы автомобилей и автобусов в
условиях Москвы в зависимости от общего баланса времени пребывания на линии (%) и выбросе
вредных веществ на различных режимах. На анализ отработавшие газы, как правило, отбираются
с учетом их реальных режимов, и содержание компонентов оценивается за определенный цикл
испытаний. Концентрацию сажи измеряют двумя методами: дымомером определяют оптическую
плотность газов с помощью просвечивания (в %) и сажемером — содержание сажи в газах
методом фильтрования (в г/м3).
Во многих странах мира установлены нормы на выбросы СО, СН и NOx двигателями с
принудительным воспламенением. Для дизелей нормируют твердые частицы и только для
автомобилей, эксплуатируемых на рудниках, в открытых карьерах и шахтах, нормируют выбросы
СО, СН и N0 .
Выброс токсических веществ двигателями легковых автомобилей определяют во время
испытаний на стендах с беговыми" барабанами по ездовому циклу, имитирующему режимы
работы двигателя при эксплуатации в крупных юродах. При испытаниях по ездовому циклу США
подсчитывают количество выбросов токсических веществ в граммах на километр. При испытаниях
по Европейскому испытательному циклу, принятому в России, определяют суммарные выбросы
СН, СО и NOx за одно испытание в граммах.
Источник: http://e-him.ru/?page=dynamic&section=33&article=260