Распределение основных компонентов вредных выбросов по типу двигателей

Характеристика вредных веществ в отработавших газах автотранспортных двигателей, их воздействие на окружающую среду и организм человека

К основным источникам вредных выбросов автомобильным транспортом относятся:

- отработавшие газы (ОГ), выбрасываемые двигателем;

- картерные газы (КГ) – смесь части ОГ, проникшей через неплотности поршневых колец в картер двигателя, с парами смазочного масла;

- топливные испарения, поступающие в окружающую среду из системы питания двигателя.

В окружающую среду поступают следующие токсичные вещества: окись углерода (СО), окислы азота (NO_x), несгоревшие углеводороды (СН), сернистый ангидрид (SO₂), акролеин (СН₂=СН-СН=0), формальдегид (Н₂С=0), бенз(а)пирен (С₂₀Н₁₂), аэрозоли – различные химические соединения (с окислами азота – нитриды, с сероводородом – сульфаты, с углекислым газом – гидрокарбонаты и т.д.), соединения свинца, твердые частицы (сажа). Перечисленные компоненты лишь наиболее изучены, но не хватает все разнообразие вредных веществ, выбрасываемых автомобилем.

Распределение основных компонентов вредных выбросов по их источникам показывает, что определяющим источником являются отработавшие газы (табл. 3).

Таблица 3

Тип двигателя	Распределение основных компонентов вредных выбросов по источникам, %
отработавшие газы	картерные газы	топливные испарения
СО	СН	NOx	СО	СН	NOx	СО	СН	NOx
Карбюраторный Дизельный

Концентрацию токсичных веществ в ОГ принято оценивать в процентах по объему (% об.), в мг/л (г/м³) или количеством частей на миллион (млн^-1) или (то же самое) ч.н.м. – частей на миллион.

Связь между приведенными единицами выражается соотношениями:

I % об = 10000 млн^-1 = 10000 ч.н.м.;

С % об = 0,0001*С млн-1 = 2,24/µ*С мг/л,

где µ - молекулярная масса компонента.

По воздействию на организм человека компоненты вредных выбросов подразделяются:

- на токсичные – окись углерода, окислы азота, окислы серы, углеводороды, альдегиды, свинцовые соединения;

- удушающего действия – углекислый газ;

- раздражающего действия – акролеин, формальдегид, окислы серы, углеводороды;

- надоедающие – альдегиды, углеводороды, сажа, минеральные аэрозоли, частицы и пары топлива и масел.

Влияние компонентов ОГ на организм человека зависит от их концентрации в атмосфере и продолжительности воздействия.

Окись углерода – газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность – 0,97 ⁰С воздухом может образовывать горючую смесь. В воде практически не растворяется. При дыхании проникает в кровь и образует комплексное соединение с гемоглобином – карбоксигемоглобин. Окись углерода реагирует с гемоглобином в 210 раз быстрее, чем кислород. Это приводит к развитию гипоксии (кислородной недостаточности), признаками которой являются нарушения в центральной нервной системе, поражения тканей дыхательной системы, снижение остроты зрения и т.д. увеличение среднесуточной концентрации СО способствует возрастанию смертности лиц с сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Содержание СО в воздухе в зависимости от степени концентрации вызывает:

- хроническое отравление при длительном вдыхании (С = 0,01% об.);

- слабое отравление через 1 час (С = 0,05% об.);

- потерю сознания через несколько вдохов (С = 1% об.).

Окислы азота - смесь различных окислов: NO, NO₂, N₂O₃, N₂O₄. Наибольшую опасность представляют двуокись азота NO₂ и ее компонент N₂O₄. Плотность NO₂ – 1,58. Верхний температурный предел существования NO₂ - +620 ⁰С. При этой температуре NO₂ полностью диссоциирует на окись азота NO и кислород. При понижении температуры окись азота окисляется до двуокиси. Процесс окисления завершается при температуре +150⁰С. При температуре ниже +140⁰С двуокись азота полимеризуется в N₂O₄.

Воздействие окислов азота на человека приводит к нарушению функции легких, к изменениям слизистой оболочки бронхов. При низких концентрациях окислов азота в воздухе эти изменения могут наступать спустя длительное время. Изменяется также состав крови. Воздействию окислов азота в большей степени подвержены дети и люди, страдающие сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Содержание окислов азота в воздухе в зависимости от концентрации вызывает:

- раздражение слизистых оболочек носа и глаз (С = 0,0013% об.);

- начало кислородного голодания (С = 0,002% об.);

- отек легких (С = 0,008% об.).

углеводороды – обширная группа соединений углерода с водородом. В ОГ двигателей обнаруживается более 100 их разновидностей. Обладают неприятным запахом. Продукты фотохимических реакций углеводородов с окислами азота образуют смог.

Сернистый ангидрид – бесцветный газ с резким запахом. Плотность – 2,264. Хорошо растворяется в воде, образуя сернистую кислоту. Длительное воздействие даже относительно низких концентраций сернистого ангидрида увеличивает смертность от сердечно-сосудистых заболеваний, способствует возникновению бронхитов, астмы и других респираторных заболеваний.

Содержание сернистого ангидрида в воздухе вызывает:

- раздражение слизистой оболочки глаз, кашель (С = 0,001% об.);

- раздражение слизистых поверхностей горла (С = 0,0017% об.);

- отравление через три минуты (С = 0,004% об.);

- отравление через одну минуту (С = 0,01% об.).

Акролеин – бесцветная жидкость с запахом горелых жиров. Плотность – 1,9. хорошо испаряется, легко растворяется в воде. Температура кипения - +52,4⁰С. Оказывает раздражающее воздействие на человека при концентрации свыше 0,0005 % об. При повышении концентрации до 0,002 % об. возникают необратимые изменения в организме, а при концентрации свыше 0,014 % об. возможен летальный исход через 10 минут.

Формальдегид – бесцветный газ с резким запахом. Плотность – 1,04. легко растворим в воде. По действию на человека сходен с акролеином.

Бенз(а)пирен – полициклический ароматический углеводород (ПАУ) с молекулярной массой 252,3. при нормальных атмосферных условиях – кристаллический продукт, плохо растворим в воде. Температура плавления - +179⁰С. Попадая в организм человека, ПАУ постепенно накапливается до критических концентраций и стимулирует образование злокачественных опухолей.

Сажа – твердый фильтрат ОГ, состоящий в основном из частиц углерода. Непосредственной опасности для человека не представляет. Влияние сажи проявляется в неприятном ощущении загрязненности воздуха. Сажа является адсорбентом канцерогенных веществ и способствует усилению влияния других токсичных веществ. С помощью частиц сажи через дыхательные пути заносятся в большом количестве другие токсичные компоненты.

Соединения свинца появляются в ОГ в случае применения тетраэтилсвинца (ТЭС) – Pb(C₂H_s)₄, ТЭС – бесцветная маслянистая жидкость. Плотность – 1,652. легко воспламеняется и горит. Температура кипения +195⁰С. Свинец способен накапливаться в организме, попадая в него через кожу. Поражает центральную нервную систему и кроветворные органы.

Максимальное содержание вредных компонентов в ОГ карбюраторных и дизельных ДВС представлено в табл. 4.

Таблица 4

Содержание компонентов ОГ в двигателях различного типа

Компонент ОГ	Максимальное содержание в ОГ
карбюраторные ДВС	дизельные ДВС
Окись углерода	0,25…..10 % об.	0,05…..0,5 % об.
Окислы азота в пересчете на окись азота	0,01…..0,3 % об.	0,004…..0,2 % об.
Углеводороды в пересчете на углерод	14…..20 г/кВтч	2…..4 г/кВтч
Сернистый ангидрид	-	0,003…..0,05 % об.
Все альдегиды в пересчете на акролеин	3,4 г/кВтч	0,136…..0,2 г/кВтч
Бенз(а)пирен	0,002мг/кВтч	0,00136…..0,002 мг/кВтч
Сажа	0,4 г/кВтч	1,36…..2,0 г/кВтч
Соединения свинца (в случае применения этилированного бензина)	Выбрасывается от 37 до 85 % соединений свинца (от количества введенного в бензин с ТЭС)	-

Окружающая воздушная среда в основном состоит из кислорода и азота, включает в небольших количествах и другие газы – аргон, гелий, неон, углекислый газ и т.д. ее важнейшей составной частью, без которой невозможна жизнь, является кислород. Азот также играет важную биологическую роль в круговороте азотистых веществ.

Через легкие человека проходит около 12-16 м³ воздуха в сутки, что составляет по массе в среднем 22,3 кг, в то время как потребление человеком пищи и воды составляет лишь 4 кг. Следовательно, через легкие проходит в 5 раз больше воздуха, чем потребляется твердых и жидких пищевых веществ. Поэтому содержание даже небольших количеств вредных веществ в атмосферном воздухе сожжет повлечь к значительному накоплению их в организме человека.

Концентрация в атмосфере окиси углерода над акваториями океанов и морей, в сельской местности не превышает 0,1 млн^-1. В крупных городах и крупных населенных пунктах увеличивается в 10 раз. Для многих крупных городов характерно превышение концентрации СО по сравнению с предельно допустимой в 20…30 раз, с чем врачи связывают высокую смертность от инфаркта миокарда.

Образующаяся окись углерода сохраняется в атмосфере около четырех месяцев.

Токсическое действие окислов азота заключается в разрушении озонного защитного слоя земли, что влечет за собой увеличение уровней солнечной радиации, интенсивное и опасное воздействие на биосферу. Концентрация окислов азота в нижних слоях тропосферы (около 8…10 км над поверхностью) обычно составляет 2…3 млн^-1. В городах она увеличивается в 10…100 раз. Поступающие в атмосферу окислы азота сохраняются в ней в течении 3…4 дней. В результате фотохимических реакций на солнечном свету окись азота образует двуокись азота, которая вместе с углеводородами является причиной образования грязных токсичных туманов, называемых смогами.

Концентрация SO₂ над морями и океанами составляет 0,0001…0,001 млн^-1, в сельской местности – около 0,01 млн^-1. Продолжительность существования сернистого газа – в пределах 10 часов. В атмосфере сернистый газ легко преобразуется в серную кислоту и попадает на землю в виде кислотных осадков, вызывающих закисление рек и озер, заражение растительности, особенно хвойных деревьев, разрушение металлических и каменных конструкций. Закисление окружающей среды может проявляться на расстояниях сотен и тысяч километров от источников выбросов серы в атмосферу. Кислотные осадки в РФ выпадают на площади примерно в 900000 км², 80% выбросов сернистых соединений приходится на Европейскую часть РФ.

Содержание углекислого газа в воздухе не нормируется. Продолжительность существования СO₂ в атмосфере – 4 года. Концентрация двуокиси углерода в воздухе непрерывно увеличивается и в настоящее время равна 300 млн^-1 или 0,03% об. Абсолютное количество составляет 2,3 10¹² тонн. Непрерывное возрастание концентрации СO₂ в атмосфере грозит возникновением «парникового эффекта», который приведет к увеличению среднегодовых температур воздуха и поверхности Земли. С точки зрения современной климатологии повышение среднегодовой температуры на 1⁰С может вызвать значительные изменения в глобальном масштабе и будет иметь труднопредсказуемые последствия. Есть мнения, что в ближайшие 3…4 десятилетия вследствие прогрессирующего накопления в атмосфере двуокиси углерода можно ожидать потепления климата.

Выбрасываемые в атмосферу хлорорганические соединения, аэрозоли совместно с окислами азота приводят к разрушению озонного слоя, который находится на высоте 25 км и поглощает 99% солнечных ультрафиолетовых лучей. Уменьшение плотности озонного щита планеты влечет за собой снижение урожаев сельскохозяйственных культур, продуктивности животноводства и т.д. Аэрозоли (включая частицы сажи) во взаимодействии с облаками являются одним из важных погодообразующих факторов на Земле.

Содержание в воздухе свинца и углеводородов из отработавших газов автомобилей сравнительно невелико. Однако, в городах, где эксплуатируются автомобили на этилированном бензине, и вблизи дорог с интенсивным движением концентрация соединений свинца и углеводородов может быть значительной. Высокое содержание солей свинца в организме человека приводит к заболеванию сатурнизмом (хроническое отравление свинцом). В Токио на одном из оживленных перекрестков было проведено обследование состава крови жителей. Оказалось, что у 80 % обследованных содержание свинца в крови превышало допустимую норму в 2…7 раз. Эти результаты подтвердились и при обследовании жителей других городов, где в качестве антидетонатора к бензину добавляется тетраэтилсвинец.

Если растения, произрастающие вблизи дорог с интенсивным движением, используются для корма животных, они могут быть опасны для них. Свинец передается через мясо животных человеку, из организма не выводится и, постепенно накапливаясь, может достичь опасных для жизни концентраций. Исследования показывают, что плоды фруктовых деревьев и овощных культур, посаженных вдоль улиц и дорог, содержат большое количество свинца. Например, цветная капуста на расстоянии 15 м от автомобильной дороги содержит свинца около 0,35 мкг/г, а томаты – около 0,62 мкг/г. Физиологическая норма содержания свинца в крови человека – 35 мкг/л. Концентрация свинца в воздухе резко снижается по мере удаления от дороги. Так, содержание свинца в воздухе в лесу на расстоянии 50 м от обочины дороги в 25 раз, а на открытой местности в 5 раз меньше, чем непосредственно около дороги.

Загрязнение воздушного бассейна РФ на 60 % вызвано работой транспорта. Это в 5 раз превышает выбросы тепловых электростанций и в 3 раза – промышленных предприятий.

Ущерб мировой экономике только от коррозии металлов из-за влияния на них выбросов отработавших газов составляет 1,5 млрд. долларов в год. Установлено, что в промышленных районах сталь ржавеет в 20, а алюминий в 100 раз быстрее, чем в сельской местности.

Считают, что 95 % всех патологических изменений организма людей связано с вредными выбросами в окружающую среду. Ими вызвано 80 % раковых заболеваний. Сокращение только на 1 % вредных выбросов тепловых транспортных двигателей сокращает на 1 % количество заболеваний населения.

Наблюдения, проведенные в городе Сан-Франциско (США) в период энергетического кризиса, указывают на прямую связь между концентрацией вредных компонентов в воздухе и возникновением заболеваний и функциональных расстройств организма водителей. Ограничение продажи бензина на 10 % снизило на 30 % смертность населения от бронхита, астмы и эмфиземы легких, а количество расстройств сердечно-сосудистой системы уменьшилось на 11…17 %. Эти показатели достигли прежних величин, когда ограничения на продажу бензина были сняты. По данным американских исследователей уменьшение концентрации вредных примесей в воздухе городов в 2 раза удлинит жизнь горожанина на 3…5 лет, снизит смертность на 4…5 %, уменьшит число бронхитов, респираторных заболеваний на 10 % и сократит расходы только на медицинское обслуживание более чем в 2 млрд. долларов. В настоящее время экономические потери в США от заболеваемости населения в результате воздействия ОГ составляют 4 млрд. долларов.

Долевое участие стран в глобальном засорении планеты различно. Выбросы окиси углерода всей подвижной энергетикой США составляют 75,9 % от всего мирового загрязнения СО в результате функционирования транспорта. Доля РФ в общем мировом загрязнении составляет около 10 %. От работы тепловых транспортных двигателей в РФ в атмосферу поступает примерно 1,125 млн. т серы и более 1200 млн. т углекислого газа, что уже может влиять на климат в региональном и глобальном масштабах.

Целый ряд природоохранных мероприятий, проводимых в РФ, в том числе на автомобильном транспорте, способствует снижению концентрации вредных примесей в атмосфере. Например, за последние 10 лет воздух городов Москвы и Санкт-Петербурга оздоровился в 3…5 раз.

Дата добавления: 2014-01-13