7.2. Газы

В РФ насчитывается около 169 тыс промышленных предприятий, деятельность которых связана с образованием большого количества веществ, выбрасываемых в атмосферу. Проблему загрязнения воздуха в городах главным образом определяют вещества, такие как оксид углерода, диоксид серы, оксид азота, бенз(а)пирен и др. Распространение газов в атмосфере определяется их ра­створимостью в воде и способностью к химическому взаи­модействию с компонентами атмосферы. На распростране­ние газов в атмосфере влияют направление ветра, темпе­ратура воздуха у поверхности земли, а также погодные условия. Так, при высоте трубы ГРЭС (ТЭЦ) 150…200 м, работающей на угле, радиус загрязненной среды равен примерно 50 км. Загрязнение воздуха в городах связано с повышением температуры (среднегодовое повышение на 1,5⁰ по сравнению с окружающей территорией). Газы, присутствующие в атмосфере в следовых количествах, (кроме озона, концентрация которого в городах ниже) повышают свою концентрацию в городах в 5-50 раз.

При рассмотрении воздействия газов в атмосфере на живые организмы и растительность необходимо учитывать все побочные явления, например, нарушение теплового баланса атмосферы, изменение рН воды, почвы и др. Кро­ме того, необходимо иметь в виду, что существующие нор­мативы ПДК газов в атмосфере неприменимы к детям, больным и лицам с ослабленным здоровьем. Нормативы также неприменимы в случае содержания в газах канце­рогенных и мутагенных веществ, присутствие которых должно быть полностью исключено.

Всего в составе ОГ ДВС содержится около 280 компонентов,

которые по химическому составу и характеру воздействия на биосферу

подразделяют­ся на нетоксичные (N, О₂, СО₂, Н₂О, Н₂) и ток­сичные (СО,

NO_X, C_xH_r SO_X, H₂S, альдегиды (Л_хСНО), сажа С, топливная зола и др.).

Оксид углерода (СО) – бесцветный, не имеющий запаха газ. Образуется при неполном сгора­нии углеродосодержащих веществ. Это связано в первую очередь с работой автотранспорта. Во многих городских районах выбросы оксида углерода в атмосферу полностью приходятся на выхлопные газы транспортных средств. Причем максимальные выбросы CО происходят при рабо­те двигателя на холостом ходу. В двигателях с внешним смесеобразованием концентрация СО при работе

на холостом ходу и малых нагрузках вследствие недостатка кислорода

достигает 5...8 % при горении богатой смеси (а < 1). Как

промежуточный продукт ценных ре­акций концентрация СО (около 0,2...0,3

%) воз­можна при горении бедной смеси (а > 1), но боль­шая ее часть в

результате последующих реакций (при наличии несвязанного кислорода)

окисляет­ся в СО₂. Слишком бедная смесь по мере приближения

к нижнему пределу концентрации (а ≈ 1,3) горит относительно медленно, и в

выбросах растет доля продуктов неполного окисления топлива, в том числе и СО.

Появление некоторого количества СО возмож­но в результате распада альдегидов в зоне холод­ного пламени и диссоциации СО₂ при высокой температуре.

Во время прогревания на дворовых стоянках при малых скоростях ветра, при плотных транспортных потоках в условиях ограниченной пропускной способности дорог они практически не выносятся из города. Особенностью загрязнения городских территорий автотранспортом является то, что выброс отработавших газов происходит в приземном слое атмосферы, а ландшафтные и ахитектурно-планировочные особенности годов часто способствуют созданию застойных зон, повышающих уровни загрязнения в жилых районах. В ряде случаев отмечается снижение эмбриального веса, повышенная пренатальная смертность и повреждения головного мозга в зависимости от периода времени, в течение которого беременная жен­щина подвергалась воздействию этого вредного вещества, а также от его концентрации в воздухе.

Свою долю вносят курильщики, представляющие опас­ность в местах большого скопления людей, где эффект раз­бавления проявляется в незначительной степени. На го­рожанина-курильщика, особенно в закрытых помещени­ях, приходится двойная нагрузка. С одной стороны, дей­ствие СО, образующегося в результате выброса предприя­тиями и транспортом, с другой — СО, содержащийся в табачном дыме.

Оксид углерода представляет опасность для человека прежде всего потому, что он связывается с гемоглобином крови и участвует в образовании смога. Причем усвоение гемоглобином оксида в 100 раз больше, чем кислорода. Наступают серьезные нарушения здоровья. Содержание ок­сида увеличивается с каждым годом по мере роста числа автотранспортных средств в городе и дорожных «пробок».

При концентрации СО в воздухе 0,006 % наступают легкая головная боль, ослабление зрения. При 0,013 % — боли в голове и теле, утомляемость, временная потеря зрения, При 0,066 % — полная потеря сознания, паралич, прекращение дыхания. При 0,075 % — в течение часа летальный исход. Токсичность СО возрастает при наличии в воздухе азота. При выполнении тяжелой работы и интенсивном дыхании вышеуказанные эффекты наступают в три раза быстрее.

Реальным условием снижения поступления СО в атмосферу является перевод работы автотранспорта на газ. Поступление СО снижается при работе газовых автомобилей на бензине – на 69%, на ДТ - на 53%, автобусов на бензине – на 76%, на ДТ – на 44%. ( ).

Особую роль в удалении оксида из атмосферы играет растительность, связывающая его и превращая в менее опасный диоксид (СО₂). В отличие от пыли и аэрозолей, уменьшающих количество света, падающего на поверх­ность земли, и соответственно тепла, газы накапливают тепло, повышая температуру в нижних слоях атмосферы.

Диоксид серы (SO₂) в отличие от ранее рассмотренных может оказывать прямое токсическое воздействие на жи­вые организмы. Природным его источникам являются лес­ные пожары, микробиологические превращения серосо­держащих соединений разрушение (ржавление) металла. Диоксид серы антропогенного про­исхождения образуется при сгорании угля и нефти, в ме­таллургических производствах и при различных химико-технологических процессах. Большая часть его выбросов (около 87 %) связана с энергетикой и промышленностью. Оксиды серы SO₂ и SО₃ являются продуктами сгорания топлива, недостаточно очищенного от серы, которые содержатся в природной нефти.

Время пребывания SO₂ в атмосфере в среднем исчисля­ется двумя неделями. Это газ, легко растворимый в воде, может разноситься воздушными потокам на сотни кило­метров с выпадением в виде кислотных дождей, т.к. в атмосфере, особенно влажной, окисляясь, преобразуется в кислоту, особенно в зимний отопительный сезон. Часто яв­ляется причиной образования смога. Находясь в атмосфере это соединение подвергается реакции, образуя твердые час­тицы и кислоты. Причем во время переноса в атмосфере газ в очень малой степени теряет свою активность.

В виде кислоты разрушает металл (особенно бронзу), известковую кладку, оштукатуренную поверхность, стекло. Для защиты металлических поверхностей рекоменду­ется использовать тонкую оксидную пленку из алюминия, цинка, никеля, хрома. От воздействия кислотных дождей разрушаются и многие органические материалы — кожа, бумага, ткани, резина. Обесцвечиваются красители.

Попадая в организм, диоксид серы раздражает слизис­тую оболочку и дыхательные пути, вызывая сильный кашель уже при концен­трации 13 мг/м³. У людей, чувствительных к нему, даже кратковременное воздействие вызывает спазмы дыхатель­ных путей, приступы астмы. Требуется немедленное меди­цинское вмешательство! В тяжелых случаях может воз­никнуть отек легких. При длительном воздействии у че­ловека пропадает чувствительность к запахам и вкусам. При совестном воздействии диоксида серы и пыли возрас­тает опасность заболевания хроническим бронхитом, вос­палением гортани.

При контакте с растениями газ вызывает пожелтение листа, некроз (отмирание листа).

Окиси азота (NO_х) Эти вещества, образующиеся посредством соединения атмосферного азота и кислорода под воздей­ствием тепловой энергии, выделяющейся в результате ра­боты двигателей внутреннего сгорания, . Непосредственно в зоне пла­мени присутствует только N0 (до 95 % всех окси­дов азота в ОГ), который в атмосферном воздухе медленно окисляется до высших оксидов, в том числе до NO₂.

Они представляют со­бой целый ряд опасностей для здоровья человека. Сами по себе окиси азота разрушают легкие. Атмосферная реакция приводит к образованию мельчайших частиц нитратов, очень глубоко проникающих в легкие. Те же нитраты реа­гируют с водной средой — влагой в легких или водяными парами в атмосфере - и образуют кислоты НNO₃ и HNO₂, которые приводят к отеку легких. Наконец, при ярком солнечном свете окиси азота реагируют с несгоревшими бензиновыми парами и другими углеводородами, образуя низкоатмосферный озон, или «смог» - красно-бурую дымку, обволакивающую большинство городов мира. Кроме того, оксид углерода образуется при курении и использовании горелок на газе и нефтепродуктах.

Альдегиды (R_XCHO) могут образовываться в зо­нах камеры сгорания с переобедненной или пере­обогащенной рабочей смесью на режимах запуска и прогрева двигателя и пр., т. е. когда топливо сжигается при низких температурах. При высоких температурах альдегидов не наблюдается.

Сажа С. В цилиндре ДВС с внутренним смесе­образованием появление сажи объясняется сле­дующим образом: более легкие атомы водорода то­плива диффундируют в богатом кислородом слое, вступают с ним в реакцию и как бы изолируют уг­леводородные атомы от контакта с кислородом. Такие условия возможны вследствие неоднород­ности заряда по концентрации и температуре, что ведет к возникновению условий для контакта вы­сокотемпературных зон горения с переобогащен­ным топливом. Наибольшая концентрация сажи имеет место при а < 1,2...1,3.

Образование сажи в цилиндре двигателя с внешним смесеобразованием зависит от давления в камере сгорания, температуры, типа топлива, коэф­фициента избытка воздуха и в расчетах, как правило, не принимается во внимание. Несмотря на невысо­кую удельную концентрацию сажи в ОГ АТС с бен­зиновыми двигателями, суммарный выброс соизме­рим с выбросами дизельных автомобилей. Ни­же приведена аналитическая зависимость концен­трации сажи от коэффициента избытка воздуха для двигателя с внешним

смесеобразованием.

Топливная зола является продуктом сгорания топлива и моторного масла,

попадающего в камеру сгорания. В се составе содержатся металлы, их растворимые и нерастворимые соли, недогоревшие смолы и т. д. Содержание топливной золы в топ­ливе находится на уровне 0,01 % и выше.

Свою и немалую долю в загрязнение воздуха вносит табачный дым, который содержит много опасных веществ, включая никотин, оксид углерода, мышьяк, свинец, никель, кадмий, различные смолы. Курильщики больше страдают от болезней сердца и кровообращения, заболеваний дыхательных путей (рак легких, эмфмзема и др.).