Привет студент

1.1 Загрязнение воздуха подвижными источниками транспорта

Загрязнение происходит в результате сжигания топлива. Химический состав выбросов зависит от вида качества топлива, технологии производства, способа сжигания в двигателе и его технического состояния. На рисунке 1 показаны основные виды негативного воздействия транспорта.

Рисунок 1 – Основные виды негативного воздействия транспортного средства на окружающую среду в процессе реализации его жизненного цикла [3].

В таблице 2.2 приведены данные о потреблении кислорода воздуха и выделении диоксида углерода, паров воды в результате полное сгорание топлив [3].

Таблица 1.2 – Потребление кислорода воздуха и выделение веществ, при полном сгорании 1 кг топлива в кг.

Наиболее неблагоприятными режимами являются малые скорости и «холостой» ход двигателя, когда в атмосферу выбрасываются загрязняющие вещества в количествах, значительно превышающих выброс на нагрузочных режимах. В период разгона выброс в атмосферы сажи возрастает. Техническое состояние двигателя непосредственно влияет на экологические показатели выбросов. Отработавшие газы бензинового двигателя неправильно отрегулированным зажиганием и карбюратором содержат оксид углерода в количестве, превышающем норму в 2-3 раза.

Транспортные средства для своей работы используют в основном топливо, получаемое из нефти. В состав органической массы нефтяного топлива входят следующие химические элементы: углерод, водород, кислород, азот и сера. Негорючая часть топлива включает влагу и минеральные примеси. Продуктами полного сгорания топлива являются углекислый газ, водяной пар и диоксид серы. При недостаточном поступлении кислорода происходит неполное сгорание, в результате чего вместо углекислого газа образуется угарный газ.

1.2 Загрязняющие вещества, выделяемые автомобильным транспортом

Отработавшие газы ДВС содержат свыше 500 компонентов. Период их существования длится от нескольких минут до 4-5 лет. По химическому составу и свойствам, а также характеру воздействия на организм человека их объединяют в группы.

Первая группа. В нее входят нетоксичные вещества: азот, кислород, водород, водяной пар, углекислый газ (СО₂), содержание которого в отработавших газах в настоящее время в отечественных стандартах не нормируется, однако, вопрос об этом мировой общественностью поставлен в связи с особой ролью СО₂ в парниковом эффекте.

Вторая группа. К этой группе относят только одно вещество – оксид углерода, или угарный газ (СО). Продукт неполного сгорания нефтяных видов топлива не имеет цвета и запаха, легче воздуха. В кислороде и на воздухе оксид углерода горит голубоватым пламенем, выделяя много теплоты и превращаясь в углекислый газ постепенно, в течение примерно 0,3 года, окисляется до углекислого газа.

Оксид углерода обладает выраженным отравляющим действием. Оно обусловлено его способностью вступать в реакцию с гемоглобином крови, в результате образуется карбоксигемоглобин, который не связывает кислород. Вследствие этого нарушается газообмен в организме, так как кислород вытесняется из крови и появляется кислородное голодание. Ухудшается функционирование всех систем организма. Отравлению угарным газом часто подвержены водители автотранспортным средств, при ночевках в кабине с работающим двигателем или при прогреве двигателем или при прогреве двигателя в закрытом гараже. Характер отравления оксидом углерода зависит от его концентрации в воздухе, длительности воздействия и индивидуальной восприимчивости человека. Легкая степень отравления вызывает пульсацию в голове, потемнение в глазах, повышенное сердцебиение. При тяжелом отравлении сознание затуманивается, возрастает сонливость. При очень больших дозах угарного газа (свыше 1%) наступают потеря сознания и смерть.

Третья группа. В ее составе оксиды азота, главным образом NO – оксид азота и NO₂ – диоксид азота. Это газы, образующиеся в камере сгорания ДВС при температуре 2800 ⁰ С и давлении около 10 кгс/см². Оксид азота – бесцветный газ, не взаимодействует с водой и мало растворим в ней, не вступает в реакции с растворами кислот и щелочей. Легко окисляется кислородом воздуха и образует диоксид азота. При обычных атмосферных условиях NO полностью превращается в NO₂ – газ бурого цвета с характерным запахом. Он тяжелее воздуха, поэтому собирается в углублениях, канавках и представляет большую опасность при техническом обслуживании транспортных средств.

Для человеческого организма оксиды азота еще более вредны, чем угарный газ. Общий характер воздействия меняется в зависимости от содержания различных оксидов азота. При контакте диоксида азота с влажной поверхностью (слизистые оболочки глаз, носа, бронхов) образуются азотная и азотистая кислоты, раздражающие слизистые оболочки и поражающие альвеолярную ткань легких. При высоких концентрациях оксидов азота (0,004-0,008%) возникают астматические проявления и отек легких.

Вдыхая воздух, содержащие оксиды азота в высоких концентрациях, человек не имеет неприятных ощущений и не предлагает отрицательных последствий. При длительном воздействии оксидов азота в концентрациях, превышающих норму, люди заболевают хроническим бронхитом, воспалением слизистой желудочно-кишечного тракта, страдают сердечной слабостью, а также нервными расстройствами [4].

Вторичная реакция на воздействие оксидов азота проявляется в образовании в человеческом организме нитритов и всасывании их в кровь. Это вызывает превращение гемоглобина метагемоглобин, что приводит к нарушению сердечной деятельности.

Оксиды азота оказывают отрицательное воздействие и на растительность, образуя на листовых пластинах растворы азотной и азотистой кислот. Этим же свойством обусловлено влияние оксидов азота на строительные материалы и металлические конструкции. Кроме того, они участвуют в фотохимической реакции образовании смога.

Четвертая группа. В эту наиболее многочисленную по составу группу входят различные углеводороды, т.е. соединения типа С_хН_у. В отработавших газах содержатся углеводороды различных гомологических радов: парафиновые (алканы), нафтеновые (цикланы) и ароматические (бензольные), всего около 160 компонентов. Они образуются в результате неполного сгорания топлива в двигателе.

Несгоревшие углеводороды являются одной из причин появления белого или голубого дыма. Это происходит при запаздывании воспламенения рабочей смеси в двигателе или при пониженных температурах в камере сгорания.

Углеводороды токсичны и оказывают неблагоприятное воздействия на сердечно-сосудистую систему человека. Углеводородные соединения отработавших газов, наряду с токсическими свойствами, обладают канцерогенным действием. Канцерогены – это вещества, способствующие возникновению и развитию злокачественных новообразований.

Полициклические ароматические углеводороды относятся к супертоксикантам и представляют серьезную угрозу здоровью населения и природе. Особой канцерогенной активностью отличается ароматическим углеводород бензо(α)пирен С₂₀Н₁₂, содержащийся в отработавших газах бензиновых двигателей и дизелей. Он хорошо растворяется в маслах, жирах, сыворотке человеческой крови, накапливаясь в организме человека до опасных концентраций, бензо(α)пирен стимулирует образование злокачественных опухолей. Предельно допустимые концентрации бензо(α)пирен в атмосферном воздухе, воде, почве, донных осадках, растениях были впервые установлены в нашей стране и являются одними из самых жестких в мире.

При сроке жизни в придорожном слое почвы до 5 лет бензо(α)пирен может ассимилироваться овощами и фруктами и таким образом включаться в пищевую цепочку человека. Это опасность выявлена еще в период борьбы экологов за запрет использования присадок свинца к моторным топливам [5].

Углеводороды под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца вступают в реакцию с оксидами азота, в результате образуются новые токсичные продукты – фотооксиданты, являющиеся основой смога.

Главным токсичным компонентом смога является озон. К фотооксидантам также относятся угарный газ, соединения азота, перекиси и др. Фотооксиданты биологически активны, оказывают вредные воздействия на живые организмы, ведут к росту легочных и бронхиальных заболеваний людей, разрушают резиновые изделия, ускоряют коррозию металлов, ухудшают условия видимости.

Впервые появления смога было зафиксировано в Лос-Анджелесе в конце 40-х гг. ХХ в. Причиной его явилось чрезмерное загрязнение воздуха промышленными и транспортными выбросами. В 1952 г. явление смога наблюдалось в Лондоне. Оно вызвало катастрофические последствия: его жертвами стали около 4000 человек, погибших из-за увеличения числа респираторных заболеваний под действием смога.

Впоследствии смог периодически появлялся во многих крупнейших городах мира. По характеру действия стали выделять две разновидности смога: лос-анджелесского типа сухой и лондонского типа, влажный. При смоге у людей происходит воспаление слизистых оболочек, отмечаются симптомы удушья.

Пятая группа. Ее составляют альдегиды – органические соединения, содержащие альдегидную группу, связанную с углеводородным радикалом (СН₃, С₆Н₅ или др.).

В отработавших газах присутствуют в основном формальдегид, акролеин и уксусный альдегид. Наибольшее количество альдегидов образуется на режимах холостого хода и малых нагрузок, когда температуры сгорания в двигателе невысокие.

Формальдегид НСНО – бесцветный газ с неприятным запахом, тяжелее воздуха, легко растворимый в воде. Он раздражает слизистые оболочки человека, дыхательные пути, поражает центральную нервную систему. Создает запах отработавших газов, особенно у дизелей.

Акролеин СН₂=СН – СН=0, или альдегид акриловой кислоты, – бесцветный ядовитый газ с запахом подгоревших жиров. Оказывает воздействие на слизистые оболочки.

Уксусный альдегид СН₃СНО – газ с резким запахом и токсичным действием на человеческий организм.

Шестая группа. В нее выделяют сажу и другие дисперсные частицы (продукты износа двигателей, аэрозоли, масла, нагар и др.). Сажа – частицы твердого углерода черного цвета, образующиеся при неполном сгорании и термическом разложении углеводородов топлива. Она не представляет непосредственной опасности для здоровья человека, но может раздражать дыхательные пути. Создавая дымный шлейф за транспортным средством, сажа ухудшает видимость на дорогах. Наибольший вред сажи заключается в адсорбировании на ее поверхности бензо(α)пирена, который в этом случае оказывает более сильное негативное воздействие на организм человека, чем в чистом виде.

Седьмая группа. Представляет собой сернистые соединения – такие неорганические газы, как сернистый ангидрид, сероводород, которые появляются в составе отработавших газов двигателей, если используется топливо с повышенным содержанием серы. Значительно больше серы присутствует в дизельных топливах по сравнению с другими видами топлив, используемых на транспорте. Наличие серы усиливает токсичность отработавших газов двигателей и является причиной появления в них вредных сернистых соединений. Сернистые соединения сгорают в дизельных двигателях в основном до диоксида серы, который вызывает коррозию металлов, кислотные дожди.

Сернистые соединения обладают резким запахом, тяжелее воздуха, растворяются в воде. Оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки горла, носа, глаз человека, могут привести к нарушению углеводородного и белкового обмена и угнетению окислительных процессов, при высокой концентрации (свыше 0,01%) – к отравлению организма. Сернистый ангидрид губительно воздействует и на растительный мир.

Для отечественных месторождений нефти (особенно в восточных районах) характерен высокий процент присутствия серы и сернистых соединений. Поэтому и получаемое из нее дизельное топливо по устаревшим технологиям отличается более тяжелым фракционным составом и вместе с тем хуже очищено от сернистых и парафиновых соединений. В настоящее время в России в год вырабатывается около 47 млн т дизельного топлива; 93% из них содержит более 0,2% по массе серы и только 7% имеют содержание серы в пределах 0,2-0,05% по массе.

Восьмая группа. Компоненты этой группы – свинец и его соединения, которые встречаются в отработавших газах бензиновых автомобилей только при использовании этилового бензина, имеющего в своем составе присадку, повышающую октановое число. Оно определяет способность двигателя работать без детонации. Детонационное сгорание рабочей смеси протекает со сверхзвуковой скоростью, что в 100 раз быстрее нормального. Работа с детонацией опасна тем, что двигатель перегревается, мощность его падает, а срок службы резко сокращается. Увеличение октанового числа бензина способствует снижению возможности наступления детонации.

В качестве присадки, повышающие октановое число, использовался антидетонатором – этиловая жидкость Р-9, основным компонентом которой является тетраэтилсвинец. Бензин с добавлением этиловой жидкости становится этилированным. При сгорании этилированного бензина в ДВС свинец и его оксиды в парообразном состоянии вместе с отработавшими газами выбрасываются в окружающее пространство и оседают вблизи дорог.

В придорожном пространстве примерно 50% выбросов свинца в виде микрочастиц сразу распределяются на прилегающей поверхности. Остальное количество в течение нескольких часов находится в воздухе в виде аэрозолей, а затем также осаждается на землю вблизи дорог.

Накопление свинца в придорожной полосе приводит к загрязнению экосистем и делает близлежащие почвы непригодными к сельскохозяйственному использованию. Нейтрализация свинца в почве не происходит.

В развитых странах мира применение этилированного бензина уже полностью прекращено, и проблема загрязнения окружающей среды соединениями свинца при работе транспорта оказалось решенной. В России с 2000 г. также введен запрет на его использование. Однако за долгие годы произошло значительное накопление свинца в почве вблизи автотрасс за счет осаждения на почву отработавших газов. Ореолы загрязнения свинцом, а также цинком, никелем и некоторыми другими тяжелыми металлами сопровождают все крупные транспортные магистрали, а также центральные части городов с интенсивным движением транспорта. Однако, миграционная способность свинца выше, чем у других тяжелых металлов, вследствие чего дальность переноса его соединений в 1,5-2 раза превышает дальность перемещения частиц других металлов. Ореол свинца прослеживается на расстоянии более 10 км от автомагистралей, тот же показатель в отношении цинка, серебра, никеля в 2-3 раза ниже.

Микрочастицы тяжелых металлов – цинка, серебра, никеля и других – образуются не при сгорании горючих смесей в транспортных двигателях. Эти элементы поступают в пространство вблизи автодорог от движущихся автомобилей за счет износа металлических частей транспортных средств (цилиндро-поршневой группы двигателя, подвижных деталей кузова, подвесок и др.), а так же протекторов шин. Никель является одной из основных легирующих добавок в конструкционных сталях, из которых изготовлены кузов и двигатель автомобиля. Цинк используется в качестве связующего компонента резины шин. Большие количества свинца и цинка фиксируются на обочинах узких дорог, а никеля и хрома – возле скоростных трасс. Содержание цинка, серебра и меди вблизи дорог в 5-7 раз превышает фоновую концентрацию.

Тяжелые металлы, поступающие в атмосферу от транспортных средств, находятся во взвешенном состоянии. Вместе с частицами пыли они попадают в легкие человека и кровь, где происходит накопление и усвоение до 50% их количества. В результате возникает нарушение работы кроветворных органов и центральной нервной системы. В то же время попадание тяжелых металлов а в организм человека с пищей не приводит к их усвоению и накоплению, так как 95% металлов в этом случае выводится.

Аккумуляция тяжелых металлов оказывает вредное воздействие и на растения. Например, попадание в растения кадмия приводит к вытеснению из них важного элемента цинка, нарушению процесса дыхания и белкового обмена.

Для снижения количества попадающих в организм человека тяжелых металлов необходимо вдоль автотрасс высаживать зеленые насаждения, способные накапливать в листве наиболее опасные тяжелые металлы и задерживают пыль [4].

Основным следствием роста числа автотранспорта, безусловно, является рост антропогенного воздействия на окружающую среду и прежде всего на атмосферу застроенных территорий. Загрязнение воздушной среды выбросами автотранспорта прежде всего обусловлено физико-химическими процессами, происходящими в бензиновых и дизельных двигателях внутреннего сгорания (ДВС), в топливной и выхлопной системах автомобиля, системе зажигания и сгорания, а также в ходовой части.

По результатам проведенного анализа научно-технической литературы можно выделить две основные группы факторов, определяющих степень токсичности выбросов ДВС – технологические и организационные, рисунок 2. Их совокупность характеризует, с одной стороны, влияние объективных причин, определяющих существующий на сегодняшний день уровень экологической технологичности ДВС, а с другой – субъективного влияния человека на процесс загрязнения атмосферы.

Рисунок 2 – Классификация факторов, определяющих уровень выбросов ДВС [6]

Количество загрязняющих веществ в отработавших газах (ОГ) автомобиля в большей степени зависит от режима движения автомобиля. Например, ОГ двигателей с искровым зажиганием в период замедления движения автомобиля характеризуются большим количеством углеводородов. Максимальный выброс оксидов углерода в ОГ (порядка 10% по объему) наблюдается при работе двигателей на холостом ходу.

При ускорении движения они характеризуются максимальным содержанием оксидов азота. При равномерном движении автомобиля количество выбрасываемых загрязняющих веществ значительно меньше.

Дизельные двигатели в отличие от карбюраторных двигателей при работе на неустановившихся режимах выделяют значительно меньше токсичных компонентов.

В период разгона автомобиля с дизельным двигателем значительно увеличивается дымность ОГ, но при этом концентрация оксида углерода, углеводородов и оксидов азота возрастает несущественно. При торможении содержание токсичных компонентов сажи в ОГ дизельных двигателей практически снижается до нуля.

С увеличением пробега автомобиля степень пробега автомобиля степень токсичности ОГ возрастает. Это происходит в результате отложения нагара и тяжелых углеводородов на стенках камеры, а также в связи с увеличением действительной степени сжатия. Кроме того, на выбросы загрязняющих веществ ОГ оказывает влияние герметичность выпускных клапанов, степень износа группы поршень – поршневые колеса – гильза цилиндра. Избежать увеличения концентрации загрязняющих веществ в ОГ можно, например, путем регулярного проведения технического обслуживания автомобиля [6].

В пределах транспортной системы автомобильный транспорт абсолютно доминирует как источник негативных экологических воздействий.

Доля автотранспорта в суммарных выбросах загрязняющих веществ в атмосферу в России составляет в среднем 45%, а в крупных городах – 80-90%. Наряду с загрязнением воздуха, отмечается рост загрязнения земель и вод отходами автотранспортной деятельности, а также увеличение шумового воздействия на окружающую среду. Кроме того, автомобильный транспорт является одним из главных потребителей невосполнимых топливно-энергетических ресурсов.

В начале 90-х годов экологическое загрязнение, вызываемое автотранспортом, резко пошло на убыль – вместе со снижением объемов транспортной работы. Но, начиная с 1995 г., вновь начался рост, который продолжается и сегодня. Именно сейчас, вновь по экозагрязнению, достигнут уровень 1990 г. По самым осторожным оценкам, величина ежегодно экологического ущерба от функционирования автотранспортного комплекса Российской Федерации оценивается в 4-5 млрд. долл. США [7].

По воздействию на организм человека компоненты отработавших газов подразделяются на токсичные – оксид углерода, оксид азота, оксиды серы, углеводороды, альдегиды, свинцовые соединения; канцерогенные – бензо(α)пирен, трихлорметан, дихлорметан, ацетальдегид, бензол, формальдегид; раздражающего действия – оксид серы, углеводороды. Влияние перечисленных компонентов на организм человека зависит от их концентрации в атмосфере и продолжительности воздействия [2].

По расчетам специалистов, «вклад» автомобильного транспорта в атмосферу составляет до 90% по окиси углерода и 70% по окиси азота. Автомобиль также добавляет в почву и воздух тяжелые металлы и другие вредные вещества [8].

Количество загрязняющих веществ в отработавших газах зависит от режима движения автомобиля. Относительная доля (от общей массы выбросов) углеводородов и оксида углерода наиболее высока при торможении и на холостом ходу, доля оксидов азота - при разгоне. Из этих данных следует, что автомобили особенно сильно загрязняют воздушную среду при частых остановках и при движении с малой скоростью, что необходимо при преодолении искусственной дорожной неровности.