Основные загрязнители воздуха Диоксид углерода Источники и механизм образования

По оценкам немецких ученых [³] природный объем поступления СО₂ в атмосферу составляет 600000 млн.т/год, в то время как антропогенный – 22000 млн.т/год. Атмосферный СО₂ находится в состоянии постоянного обмена с почвой, водами и живыми организмами (см. цикл углерода). Природный CO₂ образуется в результате вулканической деятельности, выветривании горных пород, дыхании животных и растений, лесных пожаров и окислении гумуса почвы. Антропогенный СО₂ образуется при полном окислении углеродсодержащего топлива – угля, нефтепродуктов, газа, древесины. В качестве примера разберем процесс образования СО₂ в двигателях внутреннего сгорания (ДВС).

Процесс сгорания топлива в ДВС протекает очень быстро. Реакции сгорания углеводородов в камере сгорания двигателя являются весьма сложными и при этом недостаточно изученными. Известно, что реакции сгорания углеводородов относятся к типу цепных реакций с разветвлениями, при которых большое значение имеют цепи, образуемые от основной цепи. Характер протекания реакций зависит от температуры и давления в камере сгорания, от способа образования рабочей смеси и способа ее воспламенения.

Химическая реакция полного сгорания углеводородов может быть выражена стехиометрическим уравнением:

Данное уравнение было бы верным только в случае, если бы молекула топлива подверглась одновременному столкновению с молекулами кислорода с соответствующей большой энергией. Вероятность такого столкновения настолько мала, что вообще не может приниматься во внимание. В соответствии с теорией цепной реакции, в период химической подготовки топлива к воспламенению некоторые молекулы углеводородов подвергаются распаду и при этом выделяются весьма активные (и неустойчивые) радикалы воспламенения, которые, взаимодействуя с молекулами кислорода, образуют органические перекиси и альдегиды. В момент, когда концентрация этих продуктов реакции достигает критической величины, происходит их взрывной распад и начинается цепь реакций сгорания.

В момент перед возникновением пламени наблюдается резкий прирост ацетилена (C₂H₂) и H₂. Одновременно накапливаются соединения CO, CO₂, H₂O и углерод. После воспламенения образуется монооксид углерода, ненасыщенные углеводороды и углерод. Дальнейшие преобразования этих компонентов, конечными продуктами которых являются CO₂ и H₂O, зависят от продолжительности реакции и газодинамических условий в камере сгорания [⁴]. В силу ряда обстоятельств, процесс сгорания топлива в ДВС всегда сопровождается образованием незначительного количества продуктов неполного окисления.

Максимально возможная концентрация CO₂ в сухих продуктах сгорания различных горючих материалов зависит прежде всего от их элементарного состава, а не от эффективности процесса, и оценивается по формуле [⁵]:

, (г/м3)

(1)

где C, S, - элементарный состав топлива, % массы; O_v - объемная концентрация кислорода в воздухе, O_v=20.95%; m_v - средняя молекулярная масса воздуха, m_v= O_v/(25+28); l₀ - стехиометрический коэффициент.