1. Основные загрязняющие компоненты автотранспорта

Основными загрязняющими компонентами, выбрасываемыми в атмосферу автотранспортом являются СО, органические вещества, а также твердые частицы.

Монооксид углерода. Этот компонент выхлопных газов имеет сравнительно продолжительный период существования в атмосфере (до трех месяцев). В воздухе отдельных районов крупных городов его содержание может достигать 100 млн.^-1. постоянное воздействие СО вызывает у людей головную боль и снижает умственную активность. После двух часов пребывания в такой среде способность крови переносить кислород снижается на 90% по сравнению с нормой. Ухудшение физиологических функций организма взрослого человека имеет место при концентрации СО 17 млн.^-1, что ниже уровня концентрации во многих городских районах.

Макрочастицы. Большинство твердых частиц в составе выхлопных газов имеют диаметр менее 0,9 мкм. Эти частицы образуют аэрозоли. Частицы в выхлопах двигателей содержат свинец, и они являются основным источником загрязнения атмосферы свинцом. При сгорании топлива, содержащего в качестве добавки тетраметилсвинец Pb (СН₃)₄ для увеличения октанового числа, выделяются хлориды и бромиды свинца в виде макрочастиц. Особенно опасны летучие органические формы свинца, способные накапливаться в тканях головного мозга и обладающие нейротоксичным действием. Эти токсиканты попадают в атмосферу главным образом при испарении бензина, поэтому наибольшие их концентрации обнаруживаются вблизи автозаправочных станций.

Летучие органические вещества. В США по различным оценкам на долю автомобильного транспорта приходится от 53 до 53% выбросов углеводородов. Можно предполагать, что вклад транспорта в загрязнение воздуха будет увеличиваться, несмотря на применяемые меры по обезвреживанию выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. Это связано с ростом числа автомобилей: отмечается, что темп роста автомобильного парка во всем мире опережает соответствующий показатель численности населения.

Эмиссия органических соединений различными узлами автомобилей с искровым зажиганием распределяется следующим образом: на долю выхлопных газов приходится свыше 50% общего количества выбрасываемых соединений, испарение из бака и карбюратора дает около 20%, а утечки из картера – около 25% углеводородов.

Картерные газы обогащаются органическими соединениями за счет просачивания части паров топлива из цилиндров двигателя. Одной из причин неполного сгорания топлива и выделения углеводородов с отработанными газами является тушение пламени вблизи стенок камеры сгорания. Считается, что эмиссия углеводородов за счет этого процесса составляет примерно 9% от их содержания в отработанных газах. Другой причиной выброса несгоревших углеводородов является образование мелких трещин на стенках цилиндров двигателя, собирающих часть топлива.

Количество органических соединений, выделяющихся с отработавшими газами, зависит от многих факторов. Среди них главным является тип двигателя и его техническое состояние, режим работы и состав топлива. Степень выгорания углеводородов определяется в значительной мере соотношением топлива и воздуха в горячей смеси. Бензиновые двигатели с искровым зажиганием работают при соотношении топливо/воздух, близком к стехиометрическому, тогда как двигатели компрессионного типа (дизели) работают при избытке воздуха. Степень сжатия топливной смеси в дизеле значительно выше, хотя максимальные температуры в обоих двигателях близки и составляют примерно 2200^○С. Условия сгорания топлива в них отличаются, что приводит к различиям в составе компонентов отработавших газов. Бензиновые двигатели выбрасывают больше несгоревших углеводородов и продуктов их неполного окисления (оксид углерода и альдегиды), чем дизели.

Соотношение топлива и воздуха в горючей смеси изменяется при различных режимах работы одного и того же двигателя. Наиболее неблагоприятные условия горения, когда снижается подсос воздуха и смесь чрезмерно обогащается топливом, создаются при торможении. Обогащенная смесь поступает в двигатель и на холостом ходу. В соответствии с этим изменяется количество несгоревших углеводородов. Исследования, проводившиеся в различных странах, показывают, что концентрации углеводородов в отработавших газах бензиновых двигателей на холостом ходу, при крейсерной скорости, ускорении и торможении характеризуется отношением 2,3:1,0:1,3:9,2, соответственно. Это означает, что в условиях городов наибольшие количества загрязнений выделяются с отработавшими газами при кратковременных остановках на перекрестках.

Вот выработанные рекомендации для водителей: избегать высоких скоростей, приобретать новые марки автомобилей, причем с высоким километражем на литр, не заливать доверху бензобак, избегать длительного холостого хода, хорошо накачивать шины.

Отработавшие газы представляют собой многокомпонентную смесь, состоящую не только из исходных углеводородов, но и из продуктов их неполного окисления, термической деструкции и некоторых других превращений. В составе отработавших газов идентифицировано более 500 органических соединений.

Концентрации индивидуальных соединений в выхлопных газах варьируют в очень широких пределах. В наибольших количествах содержатся простейшие углеводороды С₁ – С₄. Наряду с ними обнаружено большое число других компонентов – сильно разветвленных алканов, алкилнафтенов, полиалкилзамещенных бензолов и нафталинов и т.д. Более 47% общего количества углеводородов приходится на метан, ацетилен и этилен. Наиболее многочисленную группу составляют непредельные углеводороды. Если учесть, что ацетилен и алканы С₁ – С₃ не входят в состав жидкого моторного топлива, а содержание алкенов в них обычно невелико, то можно вычислить вклад продуктов деструкционных процессов в образование углеводородной составляющей отработавших газов. При оптимальных режимах работы двигателя он равен примерно 67%. Несгоревшие углеводороды представлены бензолом, его гомологами (20%) и алканами С₄ – С₈ (около 13%). Таким образом, отработавшие газы автотранспорта оказываются обогащенными более реакционноспособными и токсичными соединениями, чем исходное топливо.

В результате частичного окисления углеводородов топлива и продуктов их термической дестврукции образуется большое число кислородосодержащих соединений. В их числе – уксусный, пропиленовый, кротоновый, тиглиновый, бензойный, толуоловый альдегиды, метилэтилкетон и другие карбонильные соединения, метанол, этанол, фенол и крезолы, бензиловый и некоторые другие спирты, отдельные представители простых и сложных эфиров (например, метиловый эфир муравьиной кислоты) и кислородосодержащих гетероциклических производных. Общее содержание легколетучих кислородсодержащих соединений в выхлопе автомобиля гораздо ниже, чем углеводородов, но эти соединения обладают высокой биологической активностью и чрезвычайно опасны для здоровья человека.

Наряду с перечисленными компонентами в отработавших газах двигателей автомобиля обнаружен ряд азот- и серосодержащих соединений, ацетонитрила, пропионитрила, акрилонитрила, нитрометана и нитроэтана. В выхлопных газах обнаружены также этилсульфид и диметилсульфид. Процессы испарения и выброса несгоревшего топлива ответственны за выделение в атмосферу дибром- и дихлорэтана. В выхлопе двигателей внутреннего сгорания и дизелей найдены тетрахлорметан, тетра- и трихлорэтилен.

В меньших количествах автотранспорт выбрасывает в атмосферу азот- и серосодержащие гетероциклические соединения с конденсированными ядрами - алкилзамещенные карбазол, дибензкарбазол и их производные. Исходным атериалом для их синтеза служат соединения ряда индола, хинолина, тиазола, бензотиофена и дибензотиофена, содержащиеся в широкой лигроино-керосиновой фракции нефти, выкипающей в пределах 120-320^○С.

В отличие от бензиновых искровых двигателей, дизели выбрасывают большое число тяжелых углеводородов и их производных. Среди них обнаружено более 100 алканов С₁₀-С₃₂ и их изомеров, более 25 алкилциклогексанов С₁₀-С₂₂, около 60 алкилбензолов и алкилнафталинов С₁₁-С₁₄.

Выхлопы дизельного двигателя имеют характерные дым и запах. Черный дым состоит в основном из частиц углерода, образование которых служит указанием на недостаточную переработку топлива. Его устранение достигается лишь при работе двигателя с мощностью, составляющей 90% от максимальной. Белый дым представляет собой мелкий туман, образующийся из частично испарившегося топлива и капелек воды. Он выделяется при холостом ходе и перебоях зажигания. В белом дыме велико содержание альдегидов, действующих раздражающе на человека. Голубой дым содержит капельки жидких углеводородов и воды, меньших по размеру, чем в белом дыме. Он образуется лишь в холодную погоду из-за охлаждения на воздухе выхлопных газов.

Особое опасение вызывают присутствующие в отработавших газах обоих типов двигателей полиядерные ароматические углеводороды (ПАУ), а также их кислород- и азотсодержащие производные. Дело в том, что многие ПАУ обладают канцерогенными свойствами. В последние годы было показано, что некоторые производные ПАУ, в особенности, содержащие карбонильную группу и нитрогруппу, являются сильными мутагенами. В литературе содержится мало сравнительных данных о количествах ПАУ, выбрасываемых дизелями и двигателями с искровым зажиганием. Есть сведения, что в среднем эмиссия ПАУ бензиновыми двигателями в два раза выше, чем дизельными.

Полиядерные ароматические углеводороды с числом конденсированных колец более трех не содержат в топливе для двигателей внутреннего сгорания в сколько-нибудь заметных количествах. Вместе с тем хорошо известно, что конденсированные ароматические системы образуются в процессе пиролиза легких и средних фракций нефти уже при 600-700^○С. Такие процессы имеют место и в камере сгорания двигателей. Общее число образующихся соединений очень велико. Список обнаруженных в отработавших газах ПАУ включает свыше 150 соединений с молекулярными массами от 128 до 302, содержащих от двух до семи ароматических колец. Среди них представители нафталиновых, антраценовых, тетраценовых, хризеновых, пиреновых, бензопиреновых производных. Частичное окисление ПАУ приводит к образованию альдегидов и кетонов в больших количествах присутствующих в отработавших газах дизелей.

В отработавших газах дизельных двигателей найдены также продукты нитрования полиядерных ароматических углеводородов – изомерные нитроантрацены, нитрофенантрены, нитрофлуорантены, а также их гомологи. В выделяемых дизелями частицах сажи (черный дым) присутствуют многие из этих соединений, а также 1-нитропирен и динитрозамещенные ПАУ (2,7-динитрофлуорен, 4,4´-динитробифенил).

Помимо перечисленных источников поступления углеводородов в атмосферу существует еще один, также связанный с автомобильным транспортом. Это – потери топлива при его транспортировании и заправке. Перед поступлением к потребителю бензин 2-3 раза переливается из емкости в емкость и при этом частично испаряется. По некоторым оценкам, в ходе этих операций в атмосферу поступает около 1,4 Тг углеводородов.

К характеристике загрязнения окружающей среды различными видами транспорта следует подходить комплексно, учитывая как прямое воздействие - загрязнение продуктами сгорания топлива, шум, возможно естественную убыль продуктов при транспортировке, так и косвенное – загрязнение во время строительства транспортных путей и инфраструктуры объектов. Специфика загрязнения определяется видом транспорта.

Автомобиль является источником выбросов более 280 компонентов. Они неоднозначны по степени токсичности. Опасность представляют углеводороды, среди которых находятся представители всех гомологических рядов, в том числе ароматические углеводороды. Среди них встречаются канцерогены. В зависимости от качества топлива в отходящих газах встречаются диоксид серы и соединения свинца (при использовании тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора). В России около 75 % выпускаемых бензинов являются этилированными и содержат от 0,17 до 0,37 г/л свинца.

Выбросы автомобилей опасны не только потому, что содержат большое количество токсичных элементов, но и потому, что сразу поступают в активную зону биосферы – они находятся на уровне дыхания человека. Выбросы поступают непосредственно в приземный слой атмосферы, где скорость ветра незначительна и поэтому газы плохо рассеиваются. Большинство ингредиентов, содержащихся в выхлопе, являются тяжелыми газами, поэтому происходит их накопление в местах ветрового затишья. Дальность распространения выбросов автомобиля зависит от погоды, направления и скорости ветра, рельефа местности. Автомобильный транспорт является источником сильного шумового загрязнения.