Автотранспорт и человек

ДВС выбрасывает большее  количество С_xН_y, когда работает в режиме холостого хода, за счет плохой турбулентности и уменьшения скорости сгорания.

Дым - непрозрачный газ. Дым может быть белым, синим, черным. Цвет зависит от состояния ОГ.

Белый и синий  дым - это смесь капли топлива с микроскопическим количеством пара; образуется из-за неполного сгорания и последующей конденсации.

Белый дым образуется, когда двигатель находится в холодном состоянии, а потом исчезает из-за нагрева. Отличие белого дыма от синего определяется размером капли: если диаметр капли больше длины волны синего цвета, то глаз воспринимает дым как белый.

К факторам, определяющим возникновение  белого и синего дыма, а также  его запах в ОГ, относятся температура  двигателя, метод образования смеси, топливные характеристики (цвет капли  зависит от температуры ее образования: при увеличении температуры топлива  дым приобретает синий цвет, т.е. уменьшается размер капли).

Кроме того, бывает синий  дым от масла.

Наличие дыма показывает, что  температура недостаточна для полного  сгорания топлива.

Черный дым состоит  из сажи.

Дым отрицательно влияет на организм человека, животных и растительность.

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

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 ОГ 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.

SO₂ (оксид серы) - образуется во время работы двигателя из топлива, получаемого из сернистой нефти (особенно в дизелях); эти выбросы раздражают глаза, органы дыхания.

SO₂,H₂S - очень опасны для растительности.

Главным загрязнителем атмосферного воздуха свинцом в Российской Федерации в настоящее время  является автотранспорт, использующий этилированный бензин: от 70 до 87 % общей эмиссии свинца по различным оценкам. РЬО (оксиды свинца) - возникают в ОГ карбюраторных двигателей, когда используется этилированный бензин, чтобы увеличить октановое число для уменьшения детонации (это очень быстрое, взрывное сгорание отдельных участков рабочей смеси в цилиндрах двигателя со скоростью распространения пламени до 3000 м/с, сопровождающееся значительным повышением давления газов). При сжигании одной тонны этилированного бензина в атмосферу выбрасывается приблизительно 0,5... 0,85 кг оксидов свинца. По предварительным данным, проблема загрязнения окружающей среды свинцом от выбросов автотранспорта становится значимой в городах с населением свыше 100 000 человек и для локальных участков вдоль автотрасс с интенсивным движением. Радикальный метод борьбы с загрязнением окружающей среды свинцом выбросами автомобильного транспорта - отказ от использования этилированных бензинов. По данным 1995г. 9 из 25 нефтеперерабатывающих заводов России перешли на выпуск неэтилированных бензинов. В 1997 году доля неэтилированного бензина в общем объеме производства составила 68%. Однако, из-за финансовых и организационных трудностей полный отказ от производства этилированных бензинов в стране задерживается.

Альдегиды (R_xCHO) - образуются, когда топливо сжигается при низких температурах или смесь очень бедная, а также из-за окисления тонкого слоя масла в стенке цилиндра.

При сжигании топлива при  высоких температурах эти альдегиды  исчезают.

Загрязнение воздуха идет по трем каналам: 1)ОГ, выбрасываемые  через выхлопную трубу (65%); 2)картерные газы (20%); 3)углеводороды в результате испарения топлива из бака, карбюратора и трубопроводов (15%).

 
 

2.2 Распространение и трансформация  автомобильных выбросов

Каждый автомобиль выбрасывает  в атмосферу с отработавшими  газами около 200 различных компонентов. Самая большая группа соединений - углеводороды. Эффект падения концентраций атмосферных загрязнений, то есть приближение  к нормальному состоянию, связан не только с разбавлением выхлопных  газов воздухом, но и со способностью самоочищения атмосферы. В основе самоочищения лежат различные физические, физико-химические и химические процессы. Выпадение  тяжелых взвешенных частиц (седиментация) быстро освобождает атмосферу только от Грубых частиц. Процессы нейтрализации  и связывания газов в атмосфере  проходят гораздо медленнее. Значительную роль в этом играет зеленая растительность, поскольку между растениями идет интенсивный газообмен. Скорость газообмена между растительным миром в 25 - 30 раз превышает скорость газообмена между человеком и ОС в расчете  на единицу массы активно функционирующих  органов. Количество атмосферных осадков  оказывает сильное влияние на процесс восстановления. Они растворяют газы, соли, адсорбируют и осаждают на земную поверхность пылевидные частицы.

Автомобильные выбросы распространяются и трансформируются в атмосфере  по определенным закономерностям.

Так, твердые частицы размером более 0,1 мм оседают на подстилающих поверхностях в основном из-за действия гравитационных сил.

Частицы, размер которых менее 0,1 мм, a также газовые примеси  в виде CO, С_ХН_У, NO_X, SO_X распространяются в атмосфере под воздействием процессов диффузии. Они вступают в процессы физико-химического взаимодействия между собой и с компонентами атмосферы, и их действие проявляется на локальных территориях в пределах определенных регионов.

В этом случае рассеивание  примесей в атмосфере является неотъемлемой частью процесса загрязнения и зависит  от многих факторов.

Степень загрязнения атмосферного воздуха выбросами объектов АТК  зависит от возможности переноса рассматриваемых загрязняющих веществ  на значительные расстояния, уровня их химической активности, метеорологических  условий распространения.

Компоненты вредных выбросов с повышенной реакционной способностью, попадая в свободную атмосферу, взаимодействуют между собой  и компонентами атмосферного воздуха. При этом различают физическое, химическое и фотохимическое взаимодействия.

Примеры физического реагирования: конденсация паров кислот во влажном  воздухе с образованием аэрозоля, уменьшение размеров капель жидкости в результате испарения в сухом  теплом воздухе. Жидкие и твердые  частицы могут объединяться, адсорбировать  или растворять газообразные вещества.

Реакции синтеза и распада, окисления и восстановления осуществляются между газообразными компонентами загрязняющих веществ и атмосферным  воздухом. Некоторые процессы химических преобразований начинаются непосредственно  с момента поступления выбросов в атмо-сферу, другие - при появлении  для этого благоприятных условий - необходимых реагентов, солнечного излучения, других факторов.

При выполнении транспортной работы существенным является выброс соединений углерода в виде CO и С_ХН_У.

Моноксид углерода в атмосфере  быстро диффундирует и обычно не создает  высокой концентрации. Его интенсивно поглощают почвенные микроорганизмы; в атмосфере он может окисляться до СО₂ при наличии примесей - сильных окислителей (О,Оз), перекисных соединений и свободных радикалов.

Углеводороды в атмосфере  подвергаются различным превращениям (окислению, полимеризации), взаимодействуя с другими атмосферными загрязнениями, прежде всего под действием солнечной  радиации. В результате этих реакций  образуются перекиси, свободные радикалы, соединения с оксидами азота и  серы.

В свободной атмосфере  сернистый газ (SО2) через некоторое  время окисляется до сернистого ангидрида (SОз) или вступает во взаимодействие с другими соединениями, в частности  углеводородами. Окисление сернистого ангидрида в серный происходит в  свободной атмосфере при фотохимических и каталитических реакциях. В обоих  случаях конечным продуктом является аэрозоль или раствор серной кислоты  в дождевой воде.

B сухом воздухе окисление  сернистого газа происходит крайне  медленно. В темноте окисления  SO₂ не наблюдается. При наличии в воздухе оксидов азота скорость окисления сернистого ангидрида увеличивается независимо от влажности воздуха.

Сероводород и сероуглерод  при взаимодействии с другими  загрязнителями подвергаются в свободной  атмосфере медленному окислению  до серного ангидрида. Сернистый  ангидрид может адсорбироваться  на поверхности твердых частиц из окислов металлов, гидрооксидов или  карбонатов и окисляться до сульфата.

Соединения азота, поступающие  в атмосферу от объектов АТК, представлены в основном NO и NO₂.  Выделяемый в атмосферу моноксид азота под воздействием солнечного света интенсивно окисляется атмосферным кислородом до диоксида азота. Кинетика дальнейших превращений диоксида азота определяется его способностью поглощать ультрафиолетовые лучи и диссоциировать на моноксид азота и атомарный кислород в процессах фотохимического смога.  

Фотохимический  смог - это комплексная смесь, образующаяся при воздействии солнечного света из двух основных компонентов выбросов автомобильных двигателей - NO и углеводородных соединений.  Другие вещества (SO₂), твердые частицы также могут участвовать в смоге, но не являются основными носителями высокого уровня окислительной активности, характерной для смога. Стабильные метеорологические условия благоприятствуют развитию смога:

• городские эмиссии удерживаются в атмосфере в результате инверсии,

• служащей своеобразной крышкой  на сосуде с реактивами,

• увеличивая продолжительность  контакта и реакции,

• препятствуя рассеиванию (новые эмиссии и реакции добавляются  к первоначальным). 

Рис. 2. Фотохимический смог

Формирование смога и  образование оксиданта обычно останавливается  при прекращении солнечной радиации в темное время суток и дисперсии  реагентов и продуктов реакции.

В Москве при обычных условиях концентрация тропосферного озона, который является предвестником  образования фотохимического смога, достаточно низкая. Оценки показывают, что генерация озона из оксидов  азота и углеводородных соединений вследствие переноса воздушных масс и повышение его концентрации, и следовательно, неблагоприятное  воздействие происходит на расстоянии 300-500 км от Москвы (в районе Нижнего  Новгорода).

 
 

 

2.3 Влияние вредных веществ  на организм

Помимо метеорологических  факторов самоочищения атмосферы некоторые  компоненты вредных выбросов автомобильного транспорта участвуют в процессах  взаимодействия с компонентами воздушной  среды, результатом которых является возникновение новых вредных  веществ (вторичные атмосферные  загрязнители). Загрязнители вступают с компонентами атмосферного воздуха  в физическое, химическое и фотохимическое взаимодействия.

Многообразие продуктов  выхлопов автомобильных двигателей может быть классифицировано по группам, сходным по характеру воздействия  на организмы или химической структуре  и свойствам:

1)   нетоксичные вещества: азот, кислород, водород, водяной пар и углекислый газ, содержание которых в атмосфере в обычных условиях не достигает уровня, вредного для человека;

2) моноксид углерода, наличие  которого характерно для выхлопов  бензиновых двигателей;

3) оксиды азота (~ 98% NО,~ 2% NO₂), которые по мере пребывания в атмосфере соединяются с кислородом;

4) углеводороды (алкаин, алкены, алкадиены, цикланы, ароматические  соединения);

5) альдегиды;

6) сажа;

7) соединения свинца.

8) серистый ангидрид.

Чувствительность населения  к действию загрязнения атмосферы  зависит от большого числа факторов, в том числе от возраста, пола, общего состояния здоровья, питания, температуры и влажности и  т.д. Лица пожилого возраста, дети, больные, курильщики, страдающие хроническим  бронхитом, коронарной недостаточностью, астмой, являются более уязвимыми.

Общая схема реакции организма  на воздействие загрязнителей ОС по данным Всемирной организации  здравоохранения (ВОЗ) имеет следующий  вид

Рис. 3. Реакция организма на воздействие  загрязнителей воздуха: (1) - смертность;   (2) - заболеваемость; (3) - физиологические признаки заболевания; (4) - сдвиги жизнедеятельности организма неизвестного назначения; (5) - накопление загрязнений в органах и тканях.

Проблема состава атмосферного воздуха и его загрязнения  от выбросов автотранспорта становится все более актуальной. Это можно  проследить уже на примере Москвы. В 1982 г. вклад автотранспортных средств  в суммарное загрязнение атмосферы  составлял 69 %, в 1990 г.-74,6%, наконец, в 1993 г. – 79,6 %.

Среди факторов прямого действия (все, кроме загрязнения окружающей среды) загрязнение воздуха занимает, безусловно, первое место, поскольку  воздух – продукт непрерывного потребления  организма.

Дыхательная система человека имеет ряд механизмов, помогающих защитить организм от воздействия загрязнителей  воздуха. Волоски в носу отфильтровывают  крупные частицы. Липкая слизистая  оболочка в верхней части дыхательного тракта захватывает мелкие частицы  и растворяет некоторые газовые  загрязнители. Механизм непроизвольного  чихания и кашля удаляет загрязненные воздух и слизь при раздражении  дыхательной системы.

Тонкие частицы представляют наибольшую опасность для здоровья человека, так как способны пройти через естественную защитную оболочку в легкие. Вдыхание озона вызывает кашель, одышку, повреждает легочные ткани  и ослабляет иммунную систему.

Влияние загрязнения воздуха  на здоровье населения состоит в  следующем.

Взвешенные  частицы. Частицы пыли размером от 0,01 до 100 мкм классифицируются следующим образом:

более 100 мкм – осаждающиеся, менее 5 мкм – практически неосаждающиеся.

Частицы первого типа безвредны, поскольку быстро осаждаются либо на поверхности земли, любо в верхних  дыхательных путях. Частицы второго  типа попадают глубоко в легкие. Установлено присутствие соединений углерода, углеводорода, парадина, ароматических  веществ, мышьяка, ртути и др. в  легких вследствие проникновения пыли, a также связь с частотой заболевания  раком, хроническим заболеванием дыхательных  путей, астмой, бронхитом, эмфиземой  легких. Резкое увеличение частоты  хронических бронхитов начинается с концентрации 150 – 200 мкт/м³. При попадании в  дыхательные пути сажи, возникают хронические заболевания (размеры твердых частиц 0.5…2 мкм), ухудшается видимость, а также сажа абсорбирует на своей поверхности сильнейшие канцерогенные вещества (бенз(а)пирен), что опасно для человеческого организма. Норма сажи в ОГ составляет 0.8 г/м³ .