По количественному содержанию и степени отрицательного воздействия на человека, животный и растительный мир на первом месте стоят газообразные выбросы мобильной техники: тракторов, самоходных машин, комбайнов, автомобилей. В глобальном масштабе автотракторным парком в мире выбрасывается в атмосферу 20—27 млн т оксида углерода, 2,0—2,5 млн т углеводородов, 6—9 млн т оксидов азота, 200—230 млн т оксида углерода, а также до 100 тыс. т сажи. В Российской Федерации только дизелями тракторов и комбайнов выбрасывается свыше 5 млн т вредных веществ в год.
На величину выбросов вредных веществ с отработавшими газами большое влияние оказывает техническое состояние двигателя. Например, в дизелях любая неисправность элементов системы топливоподачи повышает дымность отработавших газов, а выработка моторесурса двигателя увеличивает выброс токсичных веществ. Так, из-за износа деталей цилиндропоршневой группы дымность может увеличиться в два раза.
Наиболее опасны для человека, животного и растительного мира сажа, бензапирен, оксиды азота, альдегиды, оксид углерода и углеводороды.
|
|
По степени воздействия на организм человека вредные вещества подразделяются на четыре класса опасности:
I. Вещества чрезвычайно опасные.
II. Вещества высокоопасные
Вещества умеренноопасные.
Вещества малоопасные.
Из веществ, содержащихся в отработавших газах, к классу опасности I принадлежит бензапирен. Он опасен даже при малой концентрации, поскольку обладает свойством накапливаться в организме до критических концентраций.
Для каждого компонента отработавших газов существуют предельно допустимые концентрации (ПДК), определяемые из принципа полного отсутствия их воздействия на человека. ПДК основных токсичных компонентов отработавших газов и их классы опасности представлены в табл. 32.
Таблица 32
Предельно-допустимые концентрации основных токсичных выбросов с отработавшими газами дизеля
Компонент | Класс опасности | ПДК, мг/м3 | ||
в воздухе рабочей зоны | среднесуточная в атмосфере населенных пунктов | максимальная разовая | ||
Сажа | III | 3,5 | 0,05 | 0,15 |
СО | IV | 20,0 | 3,0 | 5,0 |
NOx (пересчет на О2) | II | 2,0 | 0,04 | 0,085 |
СН (пересчет на С) | II-IV | - | 1,5 | 5,0 |
Акролеин | II | 0,7 | 0,03 | 0,03 |
Формальдегид | III | 0,5 | 0,035 | 0,035 |
Диоксид серы (SO*) | III | 10,0 | 0,05 | 0,5 |
Бензапирен | I | 1,5x10-5 | 1,0x10-6 | - |
Наличие токсичных компонентов отработавших газов в салоне легкового автомобиля либо кабине грузовика или трактора приводит к кислородному голоданию организма и особенно вредно воздействует на центральную нервную систему человека
Одно из первых мест в общем уровне токсичности занимает сажа, так как, во-первых, ее выбросы значительны (определяют повышенную дымность) и достигают по массе 1% от расхода топлива; во-вторых, она выступает в роли накопителя полиядерных ароматических углеводородов (ПАУ). Наличие сажи в отработавших газах приводит к появлению неприятных ощущений при дыхании, загрязненности воздуха и ухудшению видимости. Частицы сажи высокодисперсны (диаметр — 50— 180нм, масса — не более 10~10 мг), поэтому они долго остаются в воздухе, проникают через дыхательные пути в легкие и пищевод человека. Подсчеты показывают, что частицы сажи размером до 150 нм могут находиться в воздухе во взвешенном состоянии около восьми суток. Если относительно крупные частицы сажи размером 2000—10000 нм (2—Юмкм) легко выводятся из организма, то мелкие, размером 50—200 нм, задерживаются в легких и вызывают аллергию.
|
|
Высокое содержание сажи (от 20 до 90%) в отработавших газах — обычное явление для многих устаревших дизельных двигателей. Частицы сажи, вызванные неполным процессом сгорания, формируются в так называемой газовой стадии. При этом частицы размером менее 50 нм образуются из серы, входящей в состав дизельного топлива.
Бензапирен относится к группе полициклических ароматических углеводородов, отличающихся высокой канцерогенностью, — среди них он наиболее опасен. Данное вещество в 3 млн раз токсичнее диоксида углерода и в 40 тыс. раз — оксидов азота.
Проблема загрязнения окружающей среды канцерогенными ПАУ становится бедствием уже не только крупных промышленных городов. Повышенное содержание бензапирена наблюдается повсеместно, причем отмечено сезонное колебание концентрации бензапирена в почве сельскохозяйственных полей. Опасность подобного загрязнения заключается в возможности проникновения бензапирена в возделываемые культуры, а затем — в организм человека. Наибольшее количество бензапирена найдено в пробах кочанной капусты (15,6—24 мкг/кг), наименьшее — в пробах помидоров (0,22 мкг/кг). В хлебном зерне его содержание — от 0,68 до 1,44 мкг/кг.
Среди вредных соединений отработавших газов дизелей оксиды азота (NOX) являются одними из наиболее токсичных выбросов после бензапирена. Оксиды азота в 75 раз токсичнее диоксида углерода.
Оксиды азота раздражающе действуют на слизистую оболочку глаз, носа, остаются в легких в виде азотной и азотистой кислот, образующихся в результате взаимодействия с влагой верхних дыхательных путей. Опасность воздействия оксидов азота на организм заключается в том, что отравление проявляется не сразу, причем каких-либо нейтрализующих средств нет.
Важность мероприятий, направленных на уменьшение содержания оксидов азота в отработавших газах двигателей, объясняется как отрицательным влиянием на здоровье людей, так и тем, что оксиды азота являются причиной образования смога, выпадения кислотных дождей.
Диоксид углерода — один из основных нормируемых параметров, так как он составляет значительный объем токсичных соединений, входящих в отработавшие газы дизелей. Попадая в организм человека вместе с вдыхаемым воздухом, оксид углерода снижает функцию кислородного питания, выполняемую кровью. Он вытесняет кислород из крови и образует карбоксигемоглобин — стойкое соединение с гемоглобином. Вступая в реакцию с гемоглобином крови, оксид углерода блокирует снабжение организма кислородом. В результате у человека наступает удушье, нарушаются функции центральной нервной системы, возможна потеря сознания.
Наибольшей опасности отравления диоксидом углерода подвергаются люди, находящиеся рядом с работающим двигателем в закрытых, плохо проветриваемых помещениях. Опасно также находиться в салоне или кабине транспортного средства с негерметичной системой выпуска отработавших газов. Из огромного количества углеводородных соединений различных классов наиболее активную роль в образовании смога играют олефины. Вступая в реакцию с оксидами азота под воздействием солнечного облучения, они образуют озон и другие фотооксиданты — биологически активные вещества, вызывающие раздражение глаз, горла, носа, заболевания этих органов, а также наносящие ущерб растительному и животному миру.
|
|
Заметного снижения выбросов вредных веществ транспортными средствами в России можно ожидать лишь по мере поступления на отечественный рынок дизельной техники, соответствующей требованиям Еиго-3 (табл. 33) Нормы выбросов токсичных компонентов отработавших газов дизельных двигателей, г/кВт • ч
Таблица 33
Норма | Дата введения в Евросоюзе | Твердые частицы | NOX | СХНУ | СО |
Euro-1 | 0,612 (менее 115 л.с.), 0,36 (более 115 л.с.) | 8,0 | 1,1 | 4,5 | |
Euro-2 | Октябрь 1996 | 0,25 (октябрь 1996), 0,15 (октябрь 1998) | 7,0 (октябрь 1998) | 1,1 | 4,0 |
Euro-3* | Октябрь 2000 | 0,10/0,13** | 5,0 | 0,66*** | 2,1 |
Euro-4 | Октябрь 2005 | 0,02 | 3,5 | 0,46*** | 1,5 |
Euro-5 | Октябрь 2008 | 0,02 | 2,0 | 0,25*'* | 1,5 |
* В России — с 1 января 2008 года. ** Для двигателей рабочим объемом менее 0,75 л и максимальным числом
оборотов свыше 3000 мин~1. *** Неметановые углеводороды.
Антидымные препараты автохимии выпускаются как для применения в качестве присадок к топливу, так и в виде добавок к моторным маслам. В целом препараты этого класса предназначены для уменьшения дымности отработавших газов, повышения компрессии, а также снижения угара масла и шумности работы двигателя (табл. 34) Характеристики антидымных присадок
Препарат | Фирма-производитель, страна | Назначение |
Антидымные присадки к дизтопливу | ||
Diesel Smoke Free (торговая марка Fenom) | НПФ «Лаборатория триботехнологии», Россия | Снижение дымности отработавших газов, нагарооб-разования и закоксован-ности колец |
Diesel Russ Stop | Liqui Moly GmbH, Германия | Снижение дымности отработавших газов за счет более полного сгорания топлива, дожигания сажи, препятствие пригоранию игл форсунок |
Clean Burn | Wynn's Belgium n.v., Бельгия | Снижение образования черного дыма и сажи при работе дизельного двигателя |
Diesel Anti-Smoke (торговая марка Xenum Tecno Chemicals) | SWFs.a./n.v., Бельгия | Снижение дымности и образования копоти, улучшение сгорания дизельного топлива |
Антидымные присадки к моторному маслу | ||
Smoke No More | JetGo Auto Products Inc., США | Улучшение циркуляции масла, снижение нагрева двигателя, предотвращение нагара |
Motor Medir | Hi-Gear Products Inc., США | Снижение дымности выхлопа, стабилизация вязкости масла, снижение угара масла и шумности, повышение компрессии |
Smoke Stop | Abro Ind. Inc., США | Защита от прорыва газов через уплотнения, увеличение вязкости, снижение угара масла |
Antifumee Preventif | Energie 3000, Франция | Снижение дымности, рас-коксовывание поршневых колец, улучшение герметичности камеры сгорания |
Продолжение табл. 34
|
|
Препарат | Фирма-производитель, страна | Назначение |
Stop Smoke | Wynn's Belgium n.v., Бельгия | Снижение дымности отработавших газов при перегрузках бензиновых и дизельных двигателей |
Топливные препараты выполняют функции, характерные для различных очистителей топливных систем двигателя: улучшение процесса сгорания топлива, очистку отложений в топливной системе и снижение нагарооб-разования.
Масляные присадки направлены на раскоксовывание поршневых колец и камеры сгорания двигателя, стабилизацию вязкости моторного масла, образование защитных антифрикционных слоев, повышающих компрессию в двигателе.
Использование в дизельных видах топлива в качестве антидымных присадок соединений, содержащих ионы — комплексообразователи кобальта, церия, титана, железа, меди, никеля в концентрации 0,2%, позволяет снизить содержание сажи в отработавших газах с 3,24 до 2,2 г/кг (на 38%). Эти соединения уменьшают также содержание оксидов азота с 29,6 до 16—24 г/кг. Значительному снижению эмиссии частиц сажи с отработавшими газами способствует введение в дизельное топливо соединений меди, никеля и церия в концентрации 0,025—0,180 г/л вместе с жидкими углеводородами в количестве 0,8—13 мл/л. Имеются предложения использовать бифункциональную присадку к топливу, которая уменьшает коррозию и снижает сажеобразование в отработавших газах. Она содержит соли железа, марганца, меди с алифатическими суль-фокислотами С12—С3о, а также соли кальция и бария с алифатическими и ароматическими кислотами.
Таким образом, наиболее распространенный и эффективный способ снижения концентрации твердых частиц в отработавших газах, образующихся при работе дизельных двигателей, — использование композиционных антидымных присадок, содержащих ионы марганца и меди с карбоновыми и дикарбоновыми кислотами.
Антидымная добавка к дизельному топливу снижает дымообразование путем выжигания сажи и продуктов химического недожога в камере сгорания до окончания сгорания основной массы топлива и начала процесса расширения рабочей смеси. Она способствует снижению эмиссии дыма с отработавшими газами дизеля и уменьшению загрязнения окружающей среды канцерогенными полициклическими ароматическими углеводородами; снижению образования нагара в камере сгорания и закоксо-вывания поршневых колец; сокращению расхода топлива; предотвращению коррозии деталей топливной аппаратуры.
Среди металлсодержащих присадок к топливу, обладающих противодымным эффектом, главное место принадлежит солям органических кислот. С повышением содержания металла, то есть зольности, растет эффективность антидымных присадок к топливу.
Действие металлсодержащих присадок основано на том, что в процессе сгорания топлива происходит интенсивная ионизация металлов. При этом ионы металлов как в ламинарном, так и в диффузионном пламени снижают скорость зародышеобразования частиц сажи и ее коагуляции. В результате либо уменьшается количество образовавшейся сажи, либо значительно снижается размер частиц, что способствует более полному их выгоранию. Этот механизм наиболее характерен для металлов первой группы (щелочных металлов) Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, но проявляется и при использовании таких пластичных металлов, как медь, свинец, олово, никель.
Один из путей уменьшения вредных выбросов в отработавших газах автомобиля — введение в дизельное топливо наноразмерных частиц оксида церия. Соответствующая технология (Fuel Borne Nanocatalyst) разработана английской фирмой Oxonica при Оксфордском университете.