Транспорт и экология

Задание 1

Транспорт и атмосфера

При процессах сгорания топлива наиболее интенсивное загрязнение приземного слоя атмосферы происходит в мегаполисах и крупных городах, промышленных центрах ввиду широкого распространения в них автотранспортных средств. Вклад автотранспорта в общее загрязнение атмосферного воздуха достигает здесь 40-50 %.

Для атмосферы характерна чрезвычайно высокая динамичность, обусловленная как быстрым перемещением воздушных масс в латеральном и вертикальном направлениях, так и высокими скоростями, разнообразием протекающих в ней физико-химических реакций. Атмосфера рассматривается сейчас как огромный «химический котел», который находится под воздействием многочисленных и изменчивых антропогенных и природных факторов. Газы и аэрозоли, выбрасываемые в атмосферу, характеризуются высокой реакционной способностью. Пыль и сажа, возникающие при сгорании топлива, лесных пожарах, сорбируют тяжелые металлы и радионуклиды и при осаждении на поверхность могут загрязнить обширные территории, проникнуть в организм человека через органы дыхания.

Загрязнение атмосферы выбросами транспорта

Большую долю в загрязнении атмосферы составляют выбросы вредных веществ от автомобилей. Сейчас на Земле эксплуатируется около 1 млрд. автомобилей.

В настоящее время на долю автомобильного транспорта приходится больше половины всех вредных выбросов в окружающую среду, которые являются главным источником загрязнения атмосферы, особенно в крупных городах. В среднем при пробеге 15 тыс. км за год каждый автомобиль сжигает 2 т топлива и около 26– 30 т воздуха, в том числе 4,5 т кислорода, что в 50 раз больше потребностей человека. При этом автомобиль выбрасывает в атмосферу (кг/год): угарного газа – 700, диоксида азота – 40, несгоревших углеводородов – 230 и твердых веществ – 2 – 5. Кроме того, выбрасывается много соединений свинца из-за применения в большинстве своем этилированного бензина.

Наблюдения показали, что в домах, расположенных рядом с большой дорогой (до 10 м), жители болеют раком в 3 – 4 раза чаще, чем в домах, удаленных от дороги на расстояние 50 м. Транспорт отравляет также водоемы, почву и растения.

Токсичными выбросами двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются отработавшие и картерные газы, пары топлива из карбюратора и топливного бака. Основная доля токсичных примесей поступает в атмосферу с отработавшими газами ДВС. С картерными газами и парами топлива в атмосферу поступает приблизительно 45 % углеводородов от их общего выброса.

Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу в составе отработавших газов, зависит от общего технического состояния автомобилей и, особенно, от двигателя – источника наибольшего загрязнения. Так, при нарушении регулировки карбюратора выбросы оксида углерода увеличиваются в 4...5 раза. Применение этилированного бензина, имеющего в своем составе соединения свинца, вызывает загрязнение атмосферного воздуха весьма токсичными соединениями свинца. Около 70 % свинца, добавленного к бензину с этиловой жидкостью, попадает в виде соединений в атмосферу с отработавшими газами, из них 30 % оседает на земле сразу за срезом выпускной трубы автомобиля, 40 % остается в атмосфере. Один грузовой автомобиль средней грузоподъемности выделяет 2,5...3 кг свинца в год. Концентрация свинца в воздухе зависит от содержания свинца в бензине.

Исключить поступление высокотоксичных соединений свинца в атмосферу можно заменой этилированного бензина неэтилированным.

Мероприятия по борьбе с выбросами автотранспорта

Оценка автомобилей по токсичности выхлопов. Большое значение имеет повседневный контроль над автомашинами. Все автохозяйства обязаны следить за исправностью выпускаемых на линию машин. При хорошо работающем двигателе в выхлопных газах окиси углерода должно содержаться не более допустимой нормы.

Положением о Государственной автомобильной инспекции на нее возложен контроль за выполнением мероприятий по охране окружающей среды от вредного влияния автомототранспорта.

В принятом стандарте на токсичность предусмотрено дальнейшее ужесточение нормы: по окиси углерода—на 35%, по углеводородам—на 12%, по окислам азота—на 21%.

На заводах введены контроль и регулирование автомобилей по токсичности и дымности отработавших газов.

Системы управления городским транспортом. Разработаны новые системы регулирования уличного движения, которые сводят к минимуму возможность образования пробок, потому что, останавливаясь и потом набирая скорость, автомобиль выбрасывает в несколько раз больше вредных веществ, чем при равномерном движении.

Построены автомагистрали в обход городов, которые приняли весь поток транзитного транспорта, который раньше нескончаемой лентой тянулся по городским улицам. Резко снизилась интенсивность движения, уменьшился шум, чище стал воздух.

В Москве создана автоматизированная система управления дорожным движением «Старт». Благодаря совершенным техническим средствам, математическим методам и вычислительной технике она позволяет оптимально управлять движением транспорта во всем городе и полностью освобождает человека от обязанностей непосредственного регулирования автомобильных потоков. «Старт» на 20—25% сократит задержки транспорта у перекрестков, на 8—10% уменьшит количество дорожно-транспортных происшествий, улучшит санитарное состояние городского воздуха, увеличит скорость сообщения общественного транспорта, снизит уровень шумов.

Перевод автотранспорта на дизельные двигатели. По мнению специалистов, перевод автотранспорта на дизельные двигатели уменьшит выброс в атмосферу вредных веществ. В выхлопе дизеля почти не содержится ядовитой окиси углерода, так как дизельное топливо сжигается в нем практически полностью. К тому же дизельное топливо свободно от тетраэтила свинца, присадки, которая используется для повышения октанового числа бензина, сжигаемого в современных карбюраторных двигателях с высокой степенью сжигания.

Дизель экономичнее карбюраторного двигателя на 20—30%. Более того, для производства 1 л дизельного топлива требуется в 2,5 раза меньше энергии, чем для производства того же количества бензина. Получается, таким образом, как бы двойная экономия энергоресурсов. Именно этим объясняется быстрый рост числа автомобилей, работающих на дизельном топливе.

Совершенствование двигателей внутреннего сгорания. Создание автомобилей с учетом требований экологии - одна из серьезных задач, которые стоят сегодня перед конструкторами.

Совершенствование процесса сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания, применение электронной системы зажигания приводит к уменьшению в выхлопе вредных веществ.

Нейтрализаторы. Большое внимание придается разработке устройства снижения токсичности — нейтрализаторов, которыми можно оснастить современные автомобили.

Способ каталитического преобразования продуктов сгорания заключается в том, что отработавшие газы очищаются, вступая в контакт с катализатором. Одновременно происходит дожигание продуктов неполного сгорания, содержащихся в выхлопе автомобилей.

Нейтрализатор крепят к выхлопной трубе, и газы, прошедшие через него, выбрасываются в атмосферу очищенными. Одновременно устройство может выполнять функции глушителя шума. Эффект от использования нейтрализаторов достигается внушительный: при оптимальном режиме выброс в атмосферу оксида углерода уменьшается на 70—80%, а углеводородов — на 50—70%.

Значительно улучшить состав выхлопных газов можно с помощью различных добавок к топливу. Ученые разработали присадку, которая снижает содержание сажи в выхлопных газах на 60—90% и канцерогенных веществ — на 40%.

В последнее время на нефтеперерабатывающих предприятиях широко внедряется процесс каталитического риформинга низкооктановых бензинов. В результате можно выпускать неэтилированные, малотоксичные бензины. Использование их снижает загрязненность атмосферного воздуха, увеличивает срок службы автомобильных двигателей, сокращает расход топлива.

Газ вместо бензина. Высокооктановое, стабильное по составу газовое топливо хорошо смешивается с воздухом и равномерно распределяется по цилиндрам двигателя, способствуя более полному сгоранию рабочей смеси. Суммарный выброс токсичных веществ у автомобилей, работающих на сжиженном газе, значительно меньше, чем у машин с бензиновыми двигателями. Так, грузовик «ЗИЛ-130», переведенный на газ, имеет показатель по токсичности почти в 4 раза меньше, чем его бензиновый собрат.

При работе двигателя на газе происходит более полное сгорание смеси. А это ведет к снижению токсичности отработавших газов, уменьшению нагарообразования и расхода масла, увеличению моторесурса. Кроме того, сжиженный газ дешевле бензина.

Электромобиль. В настоящее время, когда автомобиль с бензиновым двигателем стал одним из существенных факторов, приводящих к загрязнению окружающей среды, специалисты все чаще обращаются к идее создания «чистого» автомобиля. Речь, как правило, идет об электроавтомобиле.

Задание 2

Окись углерода

Окись углерода, угарный газ CO, оксид С (II), соединение углерода с кислородом; газ без цвета и запаха, более легкий, чем воздух. Окись углерода - несолеобразующий окисел, не взаимодействующий при обычных условиях с водой, кислотами и щелочами. Окись углерода характеризуется восстановительными свойствами и склонностью к реакциям присоединения. В атмосфере окись углерода содержится в незначительных количествах. Встречается в виде небольших включений в пластах каменного угля. Всегда образуется в результате сгорания углерода или его соединений при недостатке воздуха и в значительных количествах присутствует в выхлопных газах автомобилей (2—10 объёмных %), табачном дыме (0,5—1 объёмных %), являясь таким образом источником загрязнения атмосферы. Поступая в организм через органы дыхания, угарный газ взаимодействует с гемоглобином и образует карбоксигемоглобин, не обладающий способностью переносить кислород к тканям. Наряду с этим уменьшается коэффициент утилизации кислорода тканями. Возникают гипокапния, затруднение диссоциации оксигемоглобина, ферментные нарушения тканевого дыхания и т.д. Защитную роль играет железо плазмы крови: его соединение с окисью углерода препятствует образованию карбоксигемоглобина и способствует извлечению окиси из тканей.

При острых отравлениях наблюдается головная боль, головокружение, тошнота, рвота, слабость, отдышка, учащённый пульс; возможны быстрая потеря сознания, судороги, кома (с последующим двигательным возбуждением), нарушения кровообращения и дыхания, поражение зрительного нерва и т.д.; на 2—3-й сут может развиться токсическая пневмония. Первая помощь: вынести пострадавшего на свежий воздух, растереть грудь; вдыхание паров нашатырного спирта, горячее питье. При хронических отравлениях появляются головная боль, головокружение, бессонница, возникает эмоциональная неустойчивость, ухудшаются память, внимание. Возможны органические поражения центральной нервной системы, сосудистые спазмы, повышение количества эритроцитов в крови.

Известно, что сжигание 1 тонны топлива бензиновым двигателем автомобиля приводит к образованию в среднем 600 кг окиси углерода. В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели выбрасывают значительно больше дыма, состоящего в основном из несгоревшего углерода.

Содержание СО в карбюраторных двигателях составляет 0,5-12,0 %, что составляет где-то до 200 кг на 1000 л топлива, в дизельных двигателях соответственно – 0,01-0,5 % и на 1000 л топлива – до 25 кг.

Окись углерода образуется на поверхности поршня и на стенке цилиндра, в котором активация не происходит вследствие интенсивного теплоотвода стенки, плохого распыления топлива и диссоциации СО2 на СО и О2 при высоких температурах.

Во время работы дизеля концентрация СО незначительна (0,1…0,2%). У карбюраторных двигателей при работе на холостом ходу и малых нагрузках содержание СО достигает 5…8% из-за работы на обогащенных смесях. Это достигается для того, чтобы при плохих условиях смесеобразование обеспечить требуемое для воспламенения и сгорания число испарившихся молекул.

Общеизвестно, что образование окиси углерода, которая является токсичным газом, получается в основном при процессе неполного сгорания топлива, а также характерно для двигателей, срок эксплуатации которых по паспортным данным истёк.

Естественно, что для обеспечения чистоты атмосферы в городах требуется проведение соответствующих мероприятий на транспортных двигателях, работающих на моторном топливе, применяемом в специальных присадках. Основной задачей проведенной работы в этом направлении является определение характера влияния различных видов присадок к моторным топливам на образование в продуктах сгорания окиси углерода.

При испытании различных топлив с присадками на тепловых двигателях, как правило, основным показателем, характеризующим эффективность действия присадок, служит степень повышения цетанового и октанового чисел и количество вредных выбросов в атмосферу.

С увеличением процентного содержания присадки значительно уменьшается окись углерода. Следовательно, введение в топливо некоторых количеств нитросоединений улучшает их моторные качества, а именно, увеличивает воспламеняющиеся способности, выражающиеся в цетановых числах, снижает образование вредных примесей и значительно уменьшает вредные выбросы в атмосферу.

Санитарными нормами устанавливаются предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе, которые не оказывают прямого или вредного косвенного влияния на человека и окружающую среду. Величина ПДК зависит от химического состава вещества и времени его воздействия на человека и окружающую среду. Поэтому санитарными нормами устанавливаются предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны и предельно допустимые концентрации в атмосферном воздухе населенных пунктов. Значения ПДК в атмосферном воздухе населенных пунктов устанавливают максимально разовую и среднесуточную.

Первая является основной характеристикой опасности вредного вещества и характеризует его предельную концентрацию, которая при кратковременном воздействии (в течение 20-30 мин) не вызывает у человека отрицательных явлений, а вторая – допустимую степень загрязнения в течение длительного периода времени.

Окись углерода: класс опасности 4, ПДК рабочей зоны 20 мг/м³, максимально-разовая 5 мг/м³, среднесуточная 3 мг/м³.

Сажа

Сажа - представляет собой бесформенное тело без кристаллической решетки; в отработанных газах дизельного двигателя сажа состоит из неопределенных частиц с размерами 0,3... 100 мкм.

Содержание сажи в отработанных газах двигателей составляет: для карбюраторных двигателей 0,04 г/м³, что составляет на 1000 л топлива 1 кг; для дизелей 0,1-0,01 г/м³, или 3 кг на 1000 л топлива.

Причина образования сажи заключается в том, что энергетические условия в цилиндре дизельного двигателя оказываются достаточными, чтобы молекула топлива разрушилась полностью. Более легкие атомы водорода диффундируют в богатый кислородом слой, вступают с ним в реакцию и как бы изолируют углеводородные атомы от контакта с кислородом.

Образование сажи зависит от температуры, давления в камере сгорания, типа топлива, отношения топливо-воздух.

Содержание сажи в выхлопных газах уменьшается с увеличением угла опережения впрыска топлива, а при уменьшении угла опережения впрыска топлива, выделение сажи заметно возрастает.

Количество сажи зависит от температуры в зоне сгорания.

Существуют другие факторы образования сажи - зоны обогащенной смеси и зоны контакта топлива с холодной стенкой, а также неправильная турбуленция смеси.

Скорость сжигания сажи зависит от размера частиц, например, сажа сжигается полностью при размере частиц меньше 0,01 мкм.

Сажи выделяется из выхлопной трубы автомобиля в виде чёрного дыма, который отрицательно влияет на организм человека и окружающую среду.

В современных дизельных двигателях в масло попадает много сажи, которая сильно загрязняет двигатель и способствует его преждевременному износу.

Твердые частицы (сажа) – образуются в камере сгорания двигателя в результате пиролиза топлива при высоких температуре и давлении при недостатке кислорода; при вдыхании проникают в дыхательные пути, усиливая вредное действие других токсичных компонентов отработавших газов; при соединении с аллергенами многократно усиливает их действие, создает неприятное ощущение загрязнения воздуха. Попадая на растительность, она препятствует процессу опыления.

Для уменьшения содержания сажи применяются специальные масла и более частая их замена. Замены масла увеличиваются, а расход масла уменьшается, в связи с чем в меньшее количество масла будет попадать больше сажи. Свойство моторного масла расщеплять и связывать попадающие в него частицы сажи размером несколько микрон стало важнейшим показателем оценки масла. Если масло не обладает таким свойством, сажа может загустить его во много раз, после чего оно не будет выполнять своей главной задачи – уменьшать трение и износ.

Применение присадок к топливу также уменьшает содержание сажи. Снижение окислов азота и сажи в выхлопных газах автомобилей легко достигается за счет рециркуляции отработавших газов (EGR – exaust gas recirculation) и установкой сажевых фильтров. Эти системы уже давно и успешно работают на легковых и грузовых автомобилях, и претензий к ним нет, кроме увеличения цены. Смысл рециркуляции в том, что часть выхлопных газов возвращается обратно в цилиндры, где и происходит «дожигание». Чтобы уменьшить количество сажи, надо повысить температуру сгорания и увеличить давление впрыска, однако, чем больше температура, тем больше и оксидов азота выделяется при сгорании.

Предельно допустимая концентрация сажи в воздухе составляет: ПДК максимальная разовая 0,15 мг/м³, среднесуточная 0,05 мг/м³.

Задание 3