Образование загрязняющих веществ при сгорании топлива в автомобилях и их влияние на окружающую среду и человека

Основными продуктами сгорания углеводородного топлива (бензина, дизельного топлива) являются диоксид углерода (СО₂) и вода (Н₂О). Но в относительно небольших количествах в отработавших газах содержится более 200 видов загрязняющих веществ, наиболее существенными из которых являются:

- оксид углерода (СО);

- оксиды азота (NO_x);

- углеводороды (С_xН_y);

- твёрдые частицы (сажа, С).

Диоксид углерода (углекислый газ) – СО₂. Наиболее массовый продукт сгорания органического топлива, выбросы которого в мире достигают 4 млрд. т/год. При сгорании 1 кг углеводородного топлива в автомобильном двигателе в атмосферу выбрасывается 2,5…2,8 кг углекислого газа. Относится к инертным нетоксичным газам. При стабильном состоянии глобальной экосистемы содержание его в атмосфере остается постоянным, в основном за счет адсорбции водами океана. При избытке происходят изменения в озоновом слое, влияющие на геофизические и макроклиматические процессы. Нормативные ограничения на выбросы не установлены, но с недавних пор контролируется общее содержание в атмосфере на региональном (национальном) и глобальном уровне.

Углекислый газ в наибольшей степени ответствен за явление, названное «парниковым эффектом». Количество диоксида углерода, выбрасываемого в воздух одним автомобилем за год, в четыре раза превышает вес самого автомобиля.

Оксид углерода (угарный газ) – СО. Продукт неполного (при нехватке кислорода) сгорания топлива. В дизельных двигателях образуется меньше СО по сравнению с бензиновыми, потому что в дизельных двигателях всегда присутствует избыток кислорода. Представляет собой бесцветный горючий газ, не имеющий запаха. Токсичность его обусловлена способностью соединяться с гемоглобином крови со скоростью в 200 раз большей, чем кислород. При вдыхании то с воздухом возникает кислородное голодание организма с соответствующими физиологическими последствиями. Первые признаки отравления возникают при концентрации в воздухе более 100 мг/м³, такая концентрация нередко возникает в гараже при работающем двигателе даже с хорошей вентиляцией, а на дорогах возможна в автомобильных пробках. Если концентрация превышает 500г/м³, что возможно в невентилируемых помещениях при работающем двигателе, симптомы отравления - усиленное сердцебиение, головная боль, тошнота нарастают, и через 1…2 ч может наступить потеря сознания и смерть. Очищение от отравления угарным газом происходит при прекращении его вдыхания постепенно (50% крови восстанавливается за 3 ч).

Оксиды азота — NO_x. В момент рабочего процесса (при сгорании топлива) более 90% оксидов азота составляет моноксид азота NO, образовавшийся при высокотемпературном окислении азота воздуха и низкотемпературном окислении азотсодержащих соединений моторного топлива. Однако при попадании в атмосферу моноксид азота быстро (за 0,1…10 часов) трансформируется (доокисляется) в более устойчивый диоксид азота (NO₂). Учитывая неравномерность процесса доокисления, при обозначении вида выброса применяют индекс «х».

Оксиды азота образуются при температуре не ниже 1500 К, при 2000 К реакция окисления идет с наибольшей скоростью. В дизельных двигателях образуется больше оксидов азота по сравнению с бензиновыми из-за неравномерности процесса сгорания.

Диоксид азота отнесен ко 2-му классу токсичности (в 41 раз опаснее оксида углерода) и даже в небольшой концентрации действует на органы дыхания человека. Попадая на слизистую оболочку, диоксид азота преобразуется в азотную кислоту, вызывающие болезненные явления. При больших концентрациях диоксида азота появляется отек легких. В местах постоянного превышения безопасной концентрации оксидов азота отмечается увеличение числа больных астмой и другими легочными болезнями. Азотная кислота оказывает сильное агрессивное действие на металлы, в том числе и цветные.

Наличие оксидов азота в атмосфере - одна из главных причин опасного явления - фотохимического смога: под действием ультрафиолетовых лучей солнца в атмосфере происходит цепь сложных реакций и образуется своеобразный туман, состоящий из раздражающих дыхательные пути агрегатов серной кислоты, диоксида азота, углеводородов.

Углеводороды – C_xH_y в автомобильных выбросах представлены различными низкомолекулярными соединениями, которые образуются в результате неполного сгорания топлива в условиях недостатка кислорода, а также получаемыми при пиролизной реакции (реакции цепочно-теплового взрыва) в цилиндрах полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ) и другими высокомолекулярными углеводородными соединениями, называемыми обычно общим термином – альдегиды. Вследствие неопределённости состава этот вид выбросов принято обозначать обобщенно. Считается, что автотранспортные средства дают около трети техногенного загрязнения воздуха углеводородами.

Низкомолекулярные углеводороды не относят к высокотоксичным. Альдегиды же действуют на слизистую оболочку органов дыхания и при высоких концентрациях воздействуют на центральную нервную систему, снижая чувство осторожности у водителя.

Некоторые виды ПАУ относятся к весьма опасным канцерогенным (вызывающим рак) веществам. Наиболее известен из них бензапирен, который попадая в организм через органы дыхания, непосредственно стимулирует возникновение и развитие злокачественных опухолей. Он опасен для человека даже при малой концентрации, поскольку обладает свойством биоаккумуляции. Будучи химически сравнительно устойчивым, бензапирен может долго мигрировать из одних объектов в другие.

Твёрдые частицы. Разделяются на нерастворимые (твердый углерод, оксиды металлов, оксид кремния, сульфаты, нитраты, др.) и растворимые в органическом растворителе (смолы, фенолы, тяжелые фракции, содержащиеся в топливе и масле). Твердые частицы в выбросах дизеля состоят на 68…75 % из нерастворимых веществ.

Основным компонентом нерастворимых веществ является сажа. Она образуется только в дизельных двигателях из-за неоднородности топливно-воздушной смеси. В зонах камеры сгорания, где не оказывается кислорода, происходит реакция пиролиза топлива, атомы углерода сцепляются друг с другом, образуя твердые частицы.

Сажа сама по себе не относится к опасным токсичным веществам, но на поверхности ее частиц адсорбируются различные ПАУ, некоторые из них обладают канцерогенными свойствами (например, бензапирен). Мелкие частицы размером в несколько микрон образуют аэрозоли и распространяются с газами на большие расстояния, изменяя оптическую плотность атмосферы и уменьшая видимость.