Лекция: Вредные и токсичные вещества, содержащиеся в отработавших газах двигателей.
Всего в отработавших газах обнаружено около 280 компонентов. По своим химическим свойствам, характеру воздействияна организм человека вещества, содержащиеся в отработавших картерных газах, подразделяются на несколько групп.
В группу нетоксичных веществ входят азот, кислород, водород, водяные пары, а также диоксид углерода.
Группу токсичных веществ составляют: оксид углерода СО, оксиды азота NOх, многочисленная группа углеводородов СmНn, включающая парафины, олефины, ароматики и другие.
Далее следуют альдегиды, сажа.
При сгорании сернистых топлив образуются неорганические газы — диоксиды серы и сероводород.
Особую группу составляют канцерогенные полициклические углеводороды (ПАУ), в том числе — наиболее активный бенз(а)пирен, являющийся индикатором присутствия канцерогенов в отработавших газах.
Вредные и токсичные вещества, содержащиеся в отработавших газах двигателей, в зависимости от механизма их образованияможно разделить на группы:
1) углеродсодержащие вещества – продукты полного и неполного сгорания топлива (СО2, CO, углеводороды, в том числе полициклические ароматические, сажа);
2) вещества, механизм образования которых непосредственно не связан с процессом сгорания топлива (оксиды азота – по термическому механизму);
3) вещества, выброс которых связан с примесями, содержащимися в топливе (соединения серы, свинца, других тяжелых металлов), воздухе (кварцевая пыль, аэрозоли), а также образующимися в процессе износа деталей (оксиды металлов).
61. Некоторые особенности загрязнение атмосферы автотранспортом.
Наиболее загрязненный выхлоп автомобилей происходит во время запуска двигателя и при его прогреве. Больше всего загрязнены выхлопами гаражи, паркинги и тоннели, где концентрация этих веществ в воздухе может достигать предельных границ.
Количество углеводородов резко увеличивается, если двигатель работает на малых оборотах или при увеличенной скорости, например, при старте на перекрестках у светофоров. В момент нажатия на педаль акселератора выделяется большое количество несгоревших частиц (в 10-12 раз больше чем при нормальном режиме). Кроме того, в несгоревших выхлопных газах двигателя при нормальном режиме содержится около 2,7% окиси углерода, количество которого увеличивается при снижении скорости примерно до 3,9-4%, а на тихом ходу – до 6,9%.
Выхлопные газы, в том числе окись углерода, углекислый газ и многие другие выбросы двигателей, тяжелее воздуха, поэтому все они скапливаются у земли, отравляя человека и растительность. При полном сгорании топлива в двигателе часть углеводородов превращается в сажу, содержащую различные смолы. Особенно при неисправности двигателя за автомобилем тянется черный шлейф дыма, содержащий полициклические углеводороды и в том числе бензапирен. В выхлопных газах содержатся также оксиды азота, альдегиды, обладающие резким запахом и раздражающим эффектом, соединения неорганического свинца.
62. Влияние токсичных компонентов отработавших газов и испарений на человека.
Оксид углерода (СО). Плотность СО меньше, чем воздуха, и поэтому он легко может распространятся в атмосфере. Поступая в организм человека с вдыхаемым воздухом, СО снижает функцию кислородного питания, вытесняя кислород из крови (поглощаемость СО кровью в 240 раз выше поглощаемости кислорода). Прямое влияние оказывает СО на тканевые биохимические процессы, влекущие за собой нарушение жирового и углеводного обмена, витаминного баланса и т.д. В результате кислородного голодания токсический эффект СО связан с непосредственным влиянием на клетки центральной нервной системы. Повышение концентрации окиси углерода опасны и тем, что в результате кислородного голодания организма ослабляется внимание, замедляется реакция, падает работоспособность водителей, что влияет на безопасность дорожного движения.
Углеводородные соединения по их биологическому действию изучены пока еще недостаточно. Однако при наличии определенных атмосферных условий углеводороды служат исходными продуктами для образования чрезвычайно токсичных продуктов – фотооксидантов, обладающих сильными раздражающим и общетоксичным действием на органы человека, и образуют фотохимический смог. Особенно опасными из группы углеводородов являются канцерогенные вещества. Наиболее изученным является бенз(а)пирен. Установлено, что в местах непосредственного контакта канцерогенных веществ с тканью появляются злокачественные опухоли. В случае попадания канцерогенных веществ, осевших на пылевидных частицах, через дыхательные пути в легкие они задерживаются в организме.
Оксид азота. При попадании в организм человека соединяются с водой. При этом они образуют в дыхательных путях соединения азотной и азотистой кислот, раздражающе действуя на слизистые оболочки глаз, носа и рта. Оксиды азота участвуют в процессах, ведущих к образованию смога. Опасность их воздействия заключается в том, что отравление организма проявляется не сразу, а постепенно, причем нет каких-либо нейтрализующих средств.
Сажа при попадании в организм человека вызывает негативные последствия в дыхательных органах. Если относительно крупные частицы сажи размером 2…10 мкм легко выводятся из организма, то мелкие размером 0,5…2 мкм задерживаются в легких, дыхательных путях, вызывают аллергию. Как любая аэрозоль, сажа загрязняет воздух, ухудшает видимость на дорогах, но, самое главное, на ней адсорбируются тяжелые ароматические-углеводороды, в том числе бенз(а)пирен.
Сернистый ангидрид SО2. Раздражающее действие на верхние дыхательные пути объясняется поглощение SO2 влажной поверхностью слизистых оболочек и образованием в них кислот. Он нарушает белковый обмен и ферментативные процессы, вызывает раздражение глаз, кашель.
Диоксид углерода СО2. Он хорошо поглощается растениями с выделением кислорода. Но при наличии в атмосфере земли значительного количества углекислого газа, поглощающего солнечные лучи, создается парниковый эффект, приводящий к так называемому «тепловому загрязнению». Вследствие этого явления повышается температура воздуха в нижних слоях атмосферы, происходит потепление, наблюдаются различные климатические аномалии. Кроме того, повышение содержания в атмосфере СО2 способствует образованию «озоновых» дыр. При снижении концентрации озона в атмосфере земли повышается отрицательное воздействие жесткого ультрафиолетового излучения ни организм человека.
Пыль. Автомобиль является источником загрязнения воздуха также пылью. Во время езды, особенно при торможении, в результате трения покрышек о поверхность дороги образуется резиновая пыль, которая постоянно присутствует в воздухе на магистралях с интенсивным движением. Но покрышки не являются единственным источником пыли. Твердые частицы в виде пыли выделяются с отработавшими газами, завозятся в город в виде грязи на кузовах автомобилей, образуются от истирания дорожного покрытия, поднимаются в воздух вихревыми потоками, возникающими при движении автомобиля, и т.д. Пыль отрицательно сказывается на здоровье человека, губительно действует на растительный мир.
63. Основные направления снижения выбросов ДВС.
К улучшению экологических показателей автомобиля приводят:
• повышение его экономичности;
• замена бензиновых ДВС на дизельные;
• перевод ДВС на использование альтернативных топлив;
• применение нейтрализаторов отработавших газов ДВС;
• совершенствование режима работы ДВС и технического обслуживания автомобиля.
Методы снижения токсичности выхлопных газов:
ü работа автомобиля в условиях, когда двигатель выделяет наименьшее количество токсичных веществ (уменьшение торможения, равномерное движение с определенной скоростью и т. д.);
ü применение специальных присадок к топливу, увеличивающих полноту его сгорания и уменьшающих выброс СО (спирты, другие соединения);
ü пламенное дожигание некоторых вредных компонентов.
Специалисты считают, что для заметного снижения вредных выбросов необходимо сократить потребление бензина с 8 литров (на 100 км пробега) до 2…3 л. Это требует:
• совершенствование устройства двигателя и качества топлива;
• перехода на неэтилизированный бензин;
• применения каталитического дожига для уменьшения выброса СО;
• внедрения электронной системы управления процессов горения топлива;
• и другие меры, в частности применения глушителей шума в системе выхлопа.
64. Очистка дизельных двигателей от сажи.
Отделение частиц.Доля выбросов от автомобилей в общей доле загрязнения воздуха составляет примерно 10%. Черный, белый и голубой дым от дизельного двигателя являются непосредственно заметными выбросами и, подобно запаху от выхлопных газов, видны как результат работы двигателя. Очистка выхлопных газов в дизельных двигателях призвана решить эти проблемы, посредством чего выброс частиц может быть уменьшен примерно на 75%. В общем, размер частиц, которые должны быть удалены, имеет решающее значение для практического применения возможных систем отделения. Частицы сажи, выбрасываемые дизельным двигателем, имеют размеры (судя по диаметру) от 0,01 до 10 мкм. Размер зерна в среднем лежит около 1 мкм (микрона). Для частиц такого размера могут быть использованы только фильтрация и электрические сепараторы.
Фильтр дожигания сажи.Дизельный двигатель постоянно работает с избытком воздуха. Это значит, что выхлопные газы содержат так много кислорода, что при температуре выше примерно 550°С, собирающаяся сажа сгорает самостоятельно в фильтре для дожигания сажи с эффектом самоочищения фильтра. Однако, локальные пиковые температуры, достигающие 1200°С при дожигании сажи требуют использования материалов с особыми свойствами. По этой причине для этой цели были специально разработаны керамические материалы фильтров различной конструкции. Следовательно, выхлопные газы, проходящие в открытый канал, могут протекать через пористые керамические стенки в расположенные рядом каналы, ведущие к выхлопной трубе.
Электрический сепаратор.Напряженность электрического поля так высока, что на концах или остриях одного из электродов электричеокого сепаратора начинается эмиссия электронов. В результате этого образуются свободные носители заряда, которые сами осаждаются на частицы, находящиеся в выхлопных газах. В электростатическом поле электрически заряженные частицы движутся к электроду с противоположной полярностью, где они и отделяются. Хотя электрический сепаратор в обычной форме неприменим для работы в автомобиле (размеры, трудность очистки), принцип его работы с помощью накопления приведет к существенному росту отделяемых частиц. Затем частицы могут быть отделены от потока выхлопных газов в обычном центробежном сепараторе. В отличие от фильтра дожигания сажи, утечки давления выхлопных газов в электрическом сепараторе не зависят от количества сажи и постоянны для соответствующего режима работы (отсутствует риск забивания).
Каталитический преобразователь (катализатор).Обеспечивает существенное уменьшение окиси углерода и углеводородов, выбрасываемых дизельным двигателем. Так как выбросы углеводородов вносят вклад в выброс частиц, то их можно также уменьшить с помощью катализатора.
65. Основные источники загрязнения гидросферы. Виды загрязнения воды.
Загрязнение вод проявляется в изменении физических и органолептических свойств, увеличении содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых металлов, сокращении растворенного в воде кислорода, появлении радиоактивных элементов, болезнетворных бактерий и других загрязнителей.
Основными источниками загрязнения гидросферы являются:
· промышленные сточные воды;
· хозяйственно-бытовые сточные воды;
· дренажные воды с орошаемых земель;
· сельскохозяйственные поля и крупные животноводческие комплексы;
· водный транспорт.
Виды загрязнения воды:
Химическое загрязнениеможет быть органическим (фенолы, пестициды), неорганическим (соли, кислоты, щелочи), токсичным (ртуть, мышьяк, кадмий, свинец), нетоксичным.
Бактериальное загрязнениевыражается в появлении в воде патогенных бактерий, вирусов, простейших, грибов и т.д.
Физическое загрязнениеможет быть радиоактивным, механическим, тепловым.
Очень опасно содержание в воде радиоактивных веществ даже в малых концентрациях. Радиоактивные элементы попадают в поверхностные водоемы при сбрасывании в них радиоактивных отходов, захоронении отходов и т.д. В подземные воды радиоактивные элементы попадают в результате их выпадения с осадками на поверхность земли и последующего просачивания вглубь земли, либо в результате взаимодействия подземных вод с радиоактивными горными породами.
Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (шлам, песок, ил и др.), которые могут значительно ухудшать органолептические показатели.
Тепловое загрязнение связано с повышением температуры природных вод в результате их смешивания с технологическими водами. Температура сточных вод ТЭС, АЭС выше температуры окружающих водоемов на 10 oC. При повышении температуры происходит изменение газового и химического состава в водах, что ведет к размножению анаэробных бактерий, выделению ядовитых газов – Н2S, СН4. Происходит цветение воды, ускоренное развитие микрофлоры и микрофауны.