Газові шлейфи автотранспорту

ГАЗОВЫЕ ШЛЕЙФИ АВТОТРАНСПОРТУ.

Топливо і вихлопні гази.

Автомобиль не розкіш, а засіб пересування, говорив відомий читачеві Остап Бендер. Кількість цих коштів збільшується всюди, нема винятку і. До січня 2001 р. московський автопарк налічував близько 3 млн одиниць, що становило ~10% від усіх автомашин Російської Федерації. У порівняні з 1996 р. загальна кількість автомобілів у Москві збільшилася приблизно учетверо, причому кількість легкових машин виросло більше, ніж вантажних і автобусів (табл.1). Види палива залишилися тими самими, але найбільше споживалося бензину (70%), частку дизельного палива доводилося приблизно 29%, а газу — лише близько 1%.

.

Что, крім виграшу у швидкості та часу, приносять людям залізні коні? Це знає кожен — забруднення атмосфери вихлопними газами, утворювані при згорянні моторних палив. Від види і якісних характеристик залежить ступінь повноти згоряння, склад відпрацьованих газів, кількість і склад вуглеводнів, які у атмосферу з допомогою випаровування, витоків тощо. Розглянемо з цих позицій традиційні є екологічно безпечними.

Бензин є сумішшю рідких вуглеводнів (пентана, гексана, гептана, октана, нонана, декана) з температурами кипіння 20—180°С, а дизельне паливо — вуглеводнів із довжиною ланцюга від С13 до С25, температури кипіння яких у інтервалі 220—370°С. Теоретично при згорянні і ще чи іншого палива на присутності кисню повинні утворюватися лише діоксид вуглецю і вода:

CnH2n+2 + O2 = CO2 + H2O,.

где n становить 5—10 для бензинів і 13—25 для дизельного палива. Тоді як продуктів згоряння в вихлопних газах набагато більше (табл. 2). Причина цього — неравновесные умови горіння палива, присутність у ньому різних домішок (зокрема органічних похідних азоту NO та сірки), залишених при перегонці нафти, і навіть додавання як антидетонатора тетраметилі тетраетилсвинцю.

.

Состав й поліпшуючи властивості токсичних речовин, що у атмосферу міста з лиця вихлопними газами, істотно залежать тільки від виду палива, а й від типу, моделі, технічних параметрів автомашин, зокрема від рівня їх зношеності (табл. 3).

.

В суміші полиядерных ароматичних вуглеводнів виявлено перилен, хризен, пирен, бензпирен і фенантрен, а числі альдегідів — формальдегід, ацетальдегід і акролеин, сюди ж віднесений і ацетон, але він, ясна річ, не альдегид, а кетон. Серед вуглеводнів (СНх) крім бензолу, толуолу і ксилолів присутні ще сім сполук (табл.4).

.

Кроме безпосередньо які у атмосферу забруднювачів у яких можуть перетворюватися (під час фотохімічних реакцій) і геть безневинні речовини, які у вихлопних газах. Наприклад, оксид азоту під впливом світла дає атомарний кисень.

NO2 + ђu = NO· + [O],.

который входить у реакцію з атмосферним киснем, у результаті утворюється озон.

[O] + O2 = O3.

При окислюванні вуглеводнів і подальшому взаємодії з диоксидом азоту утворюється пероксиацетилнитрат, викликає, як і озон, сльозотеча та подразливість дихальних шляхів:

RH + OH + O2 = RO2 + H2O.

RO2 + NO2 = RO2NO2,.

где R = CH3CO. Це відомий у літературі фотохімічний (чи лос-анджелесский) зміг. Кислый (лондонський) зміг обумовлений взаємодією оксидів азоту NO та сірки з вологою повітря:

NO2 + OH = HNO3.

SO2 + H2O + ½ O2 = H2SO4.

В час внесок автомобільного транспорту в забруднення атмосферного повітря мегаполісів дуже високий: у Санкт-Петербурзі в 1997 р. він дорівнював 78%, а Москві останні роки — від 85 до 90%. Викиди всього московського автопарку разом із викидами інших джерел постачання та становлять загальний рівень забруднення. Останніми роками, як випливає з даних Московського центру гідрометеорології і моніторингу довкілля, середній рівень залишався на досить рівні (табл.5).

.

Если судити з гранично допустимим концентрациям (ГДК), чи до головним забруднювачами московського повітря слід віднести оксиди азоту, аміак і формальдегід, які стійко перевищують ГДК у 2—2.5, 1.25—3.25 і 2—4 разу відповідно. Щоб охарактеризувати різні конкретні ситуації, зазвичай користуються сумарним індексом забруднення атмосфери, дуже часто їм оперують й обличчя, котрі приймають рішення.

Каковы наслідки впливу суміші вихлопних газів автотранспорту для здоров’я населення? Зупинимося на вплив лише деяких компонентів цю суміш.

Углеводороды бензинового низки викликають порушення функціонального стану центральної нервової системи, оскільки мають наркотичним дією. У низьких концентраціях вони призводять до неврастенії — гарячковість і дратівливості, розвитку астенічного синдрому; у легенях випадках — до дужого запаморочення при різких рухах головою.

Сажа — продукт часткового згоряння органічного палива — непросто забруднює шкірні покрови людей. Сорбированные їхньому поверхні вуглеводні, насамперед поліциклічні ароматичні сполуки, мають канцерогенним дією. Коли ж врахувати, що органічні компоненти сажі, выбрасываемые при згорянні дизельного палива, перевищують 16.5% від неї маси, а середньому на добу з вихлопними газами дизельних автомашин і автобусів надходить близько 40.5 т сажі, кількість органічних компонентів виявиться рівним 6.475 т. Це означає, що у 1 км московської вулично-шляхової мережі їх викидається 1.551 кг/сут.

Из полиядерных ароматичних вуглеводнів особливо небезпечний бензпирен — сильне канцерогенну з'єднання. Він надзвичайно стабільний і завжди є у їх суміші. При спалюванні літра бензину утворюється від 50 до 81 мкг бензпирена, а літра дизельного палива — від 2 до 170 мкг. І весь цей вступає у атмосферу міста з лиця вихлопними газами.

Оксид вуглецю (CO) утворюється під час неповному згорянні органічних сполук, його ГДК у атмосферному повітрі становить 0.0008 об'ємних %. Потрапивши з повітрям до легень, ЗІ проникає до крові майже з тією ж швидкістю, як і кисень, заміщає їх у молекулі оксигемоглобина, і той перетворюється на карбоксигемоглобин. Це призводить до кисневому голодуванню клітин та тканин, особливо небезпечному для клітин нервової системи.

Оксиды азоту (NO, NO2) утворюються у процесі горіння палива на повітряної середовищі. ГДК цих оксидів повітря нижчі, ніж оксиду вуглецю — 9· 10−6 об'ємних %. Загальний характер їхні діяння залежить від співвідношення моноі діоксиду в суміші. При контакту з вологій поверхнею з оксидів утворюються кислоти — азотистая і азотна, які вражають слизові оболонки, бронхи, альвеолярную тканину легень і т.д.

Диоксид сірки (SO2) теж потрапляє у атмосферу з вихлопними газами автомобілів. У Великобританії, навіть Японії встановлено, що за появою у цьогорічному міському повітрі цього оксиду на рівні 100 мкг/м3 кількість захворювань дихальних шляхів різко зростала. З іншого боку, встановлено, що діоксид сірки збільшує частоту новоутворень, викликаних бензпіреном.

Многолетние спостереження дозволили надійно встановити зв’язок захворюваності населення Москви з автомобільними викидами: зі збільшенням міського автопарку зростає кількість хворих на астму, на хронічний бронхіт і навіть на ішемічну хворобу серця.

Загрязнение атмосфери вихлопними газами автомобілів позначається як на захворюваності людей, а й у стані міської рослинності. Наприклад, найбільше потерпають дерева, ростучі вздовж автодоріг центральній частині Москви. Найбільш агресивні для рослин діоксид сірки, багато вуглеводні, оксид вуглецю і оксиди азоту.

Оксиды азоту та сірки — це — джерело кислотних дощів. Потрапляючи у ґрунт, вони вимивають сполуки магнію, калію і кальцію, внаслідок рослини не отримують ці речовини достатньої для фотосинтезу кількості та листя жовтіють. Раніше інших від такої голоду страждають хвойні. Ослаблені дерева стають чутливіший від до різких коливань температури, піддаються хворобам, ними нападають комахи-шкідники.

Диоксид азоту безпосередньо діє листя, викликаючи часткове заплющення устьиц, рахунок чого сповільнюється транспирация як і слідство — знижується інтенсивність фотосинтезу. Діоксид сірки поглинається рослиною через устячка й у малих концентраціях сприяє їхній відкривання, а підвищених призводить до дезорганізації клітин. Це з тим, що у клітині від цього діоксиду утворюються сульфіти, гидросульфиты та інші сполуки сірки, токсичні для біохімічних і фізіологічних процесів.

.

Средние і максимальні концентрації шкідливих домішок повітря Москви. 1 — пил, 2 — діоксид сірки, 3 — оксид вуглецю, 4 — діоксид азоту, 5 — оксид азоту, 6 — фенолу, 7 — хлористий водень, 8 — аміак, 9 — формальдегід, 10 — бензол, 11 — ксилол, 12 — толуолу, 13 — сірководень, 14 — бензпирен. ПДКсс і ПДКмр — відповідно середньодобові і максимально разові гранично припустимі концентрации..

Заболевания рослин викликає як недолік поживних речовин, а й надлишок елементів, особливо тяжких металів. Більшість що викидаються автотранспортом токсичних сполук акумулюється у грунті, рахунок чого змінюються її фізико-хімічні властивості. Зміст важких металів у грунті газонів, розташованих уздовж автомагістралей, зростає з наближенням до центра міста. Всі ці забруднювачі (выбрасываемые транспортом в вигляді оксидів) зрештою пригнічують фотосинтетические процеси та викликають уповільнення росту рослин. А загалом усе це призвела до того, що у Москві здорових насаджень мало залишилося.

В зв’язки Польщі з єдиної точкою зору небезпека автомобільних вихлопних газів здоров’ю людей багато країн вже прийняли законодавчі акти, жорстко обмежують склад газових викидів. Лідирують у тому США, адміністративні органи яких старанно перевіряють роботу нових автомобілів, як випустити їх у дороги країни. Підвищуються вимоги, і до експлуатованим автомашинам. У Каліфорнії, наприклад, 2000 р. автовласникам вменено обов’язок дотримуватися тих гранично низьких викидів, встановлені для автомобілів, навіть якщо їх пробіг вже становить понад 160 тис. км.

.

Увеличение автопарку (показано стовпчиками) і захворюваність (криві) населення Москве..

Нет у світі досконалості.

Все ці заборони й підвищити вимоги хороші, але недостатні для радикальної боротьби з вихлопними газами автомобілів. В усьому світі пошуку нових засобів захисту довкілля такого забруднення йде безперестану. Нині з шляхів у зміні конструкції двигуна і застосування каталітичних нейтралізаторів (конвертерів). Конструкційні модифікації слід забезпечити стехиометрическое співвідношення повітря, вірніше, кисню, і палива, щоб він згоряло повністю. Каталітичні конвертери привабливі тим, що може вживатись і із традиційною паливом, і з альтернативними його видами. У цій сфері досягнуто видатні успіхи: потрійні системи нейтралізації дозволяють як дожигать оксид вуглецю і вуглеводні (включаючи полиядерные ароматні, і навіть алканы і бензолы).

2CO + O2 = 2CO2;

C7H16 + 11O2 = 7CO2 + 8H2O,.

но і відновлювати оксиди азоту.

2NO + 2CO = N2 + 2CO2.

В цих реакціях, здійснюваних на платинових чи родиевых катализаторах, хімічні забруднювачі перетворюються на звичайні компоненти атмосферного повітря. Проте потрійну систему можна використовувати, по-перше, лише у двигунах з старанно контрольованим стехиометрическим складом займистою суміші, а по-друге, лише за відсутність паливі сполук свинцю.

Появляются й невеличкі, але дуже корисні технічні нововведення. Адсорбційна пастка, наприклад, поглинає вуглеводні при низькою певній температурі й десорбирует їх при нагріванні двигуна, що вони дожигаются до вуглекислого газу. Цією новинкою вдається зменшити кількість вуглеводнів, що викидаються під час запуску холодного двигуна.

Уменьшить забруднення довкілля вихлопними газами автомобілів можна лише поліпшенням якості традиційних видів моторного палива, а й зниженням концентрації в бензинах високотоксичних антидетонаторов — тетраметилі тетраетилсвинцю. У Росії її до нашого часу понад 50 відсотків% торгових марок бензинів містять ці похідні свинцю, причому їх концентрація нерідко сягає 0.37 р в літрі.

В США, Німеччини, Швейцарії, Японії, інших країнах зміст таких сполук, у бензинах доведено до 0.15 г/л і менше, в найближчим часом свинцеві антидетонаторы взагалі використовуватимуться. В Україні планувалося цілком відмовитися від етилірованого бензину до 2000 р., для чого була потрібна модернізація технологічних процесів нафтопереробки. Але через труднощів таких змін плани доки виконані.

Сами бензини є багато (до 40%) бензолу та її похідних — толуолу, ксилолів. Бензол надає сильне наркотичне дію на центральну нервову систему порушує кровотворення. Так само властивості має і толуолу, але менше ступеня. Однак ці сполуки, і навіть який міститься у бензинах бутан є високоактивні компоненти палива, тому знижувати їх концентрацію можна тільки до певної межі. Зауважимо, бутан, який потрапляє атмосферу при випаровуванні з автомобільних баків, обумовлює освіту озону і фотохімічного смогу.

Из наведених характеристик бензинів, складу вихлопних газів та його дії на людини напрошується висновок: слід шукати інше, екологічно чисте паливо. Поки що у цьому використовуються лише метиловий спирт CH3OH (в суміші з бензином) і природного газу. У чому їхні переваги, і чи є недоліки?

Метиловый спирт дешевий, зовсім позбавлений тих вуглеводневих домішок, які у бензині, згоряє в двигуні повніше, тому атмосферу потрапляє набагато менше оксиду вуглецю. З іншого боку, менше вибухонебезпечне у зіткненні автомобілів — недарма його застосовують у гонках «Формула-1». Для заміни традиційного палива цей спирт потрібні лише невеликі конструктивні зміни у двигуні і паливний насос. Але й недоліків цього палива позбавлене. Основний із них — погане змішування неполярного бензину з высокополярным спиртом. Щоб подолати цей недолік, у Німеччині використовують третинний бутиловый спирт (CH3)3COH, растворяющийся й у бензині, й у метиловом спирті. Іншою вадою — гігроскопічність займистою суміші. Річ у тім, що метиловий спирт, насичений парами води, викликає корозію деталей двигуна. Нарешті, при згорянні утворюється на 40% енергії менше, і отже, частіше доведеться заправляти автомобіль. І вже звісно слід зважати на те, що це сильний отрута: метиловий спирт діє нервову систему і кровоносні судини, його парами дратуються дихальні шляху й слизові оболонки очей, уражаються зорові нерви і може настати сліпота.

Что дає перехід від бензину до природного газу? Використанням скрапленої суміші пропану з бутаном чи стиснутого природного метану вдасться істотно знизити забруднення довкілля. Практика показує, є цьому плані стиснений газ. Працюючий у ньому і обладнаний конвертером автомобіль викидає у повітря набагато меншою оксидів вуглецю, азоту та сірки, бензолу та її похідних, сажі і багатоядерних ароматичних вуглеводнів. Але газ високо летучий, вибухонебезпечне, та її витоку посилюють парниковий ефект, а під час роботи у цьому паливі знижується потужність двигуна на 10—15%. Отже, не ідеально задля досягнення головної мети — захисту нашого середовища проживання від токсичних речовин. Наявні нині дані про експлуатації автомобілів на газовому паливі все-таки дозволяють вважати, майбутнє його. Та заодно повинна тривати вдосконалення конструкцій окремих вузлів машин.

Представить життя людини без автотранспорту неможливо. Проте, забруднюючи атмосферу токсичними речовинами і шумовими ефектами, він завдає шкоди здоров’ю населення. Найбільше страждають жителі мегаполісів, у яких число автомобілів сягає мільйонів. Боротьба вихлопними газами автотранспорту — серйозна соціальна проблема, це й дешево її вирішити. Здавалася колись близькій перспектива початку электромобилям все ще далека від реальності. Варто сказати, що з вже створених у розвинених країн сотень тисяч засобів пересування більш 90% використовуються, наприклад, як візки для перевезення дрібних вантажів і продуктів. Основні недоліки електромобілів — їх мала швидкість й необхідність щоденної заправки акумуляторних батарей. Важливий, безумовно, й економічна чинник: вартість бензинових двигунів істотно нижчий. Отже, альтернативи автомобілю, на жаль, ми маємо.

Литература

Статья В. С. Петросяна, д.х.н., професор, зав. лаб. фізичної органічної хімії хімфаку МДУ им. М. В. Ломоносова.