3. Очистка выбросов автотранспорта

Автотранспорт является главным загрязнителем городской атмосферы, в больших городах – на 60–90%. Автомобильные выхлопные газы – это смесь многих веществ (до 200). Их примерный состав (объемные проценты): газы воздуха – азота около 75% и кислорода 5–15%; газы от сгорания топлива: диоксида углерода CO₂ – 5–10%, воды – 1–5%, водорода – 0–5%, загрязняющих и токсичных веществ – 1–15%. Основными компонентами смеси вредных веществ являются: оксид углерода СО – 30–70%, углеводороды – 2–20%, оксиды азота – 1–9%. Они также содержат альдегиды, сажу (дизельные двигатели), соединения свинца, бензпирен и др. Доля несгоревших углеводородов и особенно СО резко возрастает (в 10–15 раз) при малых оборотах двигателя во время разгона, торможения, при остановках у светофора, в заторах и т.п.

Мероприятия по снижению выбросов автотранспорта делят на три группы.

1. Градостроительные мероприятия: а) строительство автомагистралей в обход городов и населенных пунктов; б) изоляция зданий от дорог, тротуаров многорядными посадками кустов и деревьев; в) размещение жилых и особенно детских учреждений в глубине кварталов, подальше от дорог; г) сооружений транспортных развязок на разных уровнях, магистралей-дублеров.

2. Организация движения городского транспорта: а) ограничение проезда грузовых машин по городу; б) организация оптимальной работы светофоров («зеленая волна») и транспортных развязок; в) оптимизация скорости движения машин (при 60 км/час – наименьшие загрязнения); г) расширение перевозок пассажиров электротранспортом.

3. Технические мероприятия: а) регулировка двигателей внутреннего сгорания, особенно состава смеси, поступающей в цилиндры; б) снижение, замена и полное исключение свинца в топливе; в) добавление в топливо присадок, снижающих содержание CO, альдегидов, сажи в выхлопных газах; г) замена бензина метанолом, сжатым и сжиженным газом, а еще лучше – водородом; д) нейтрализация (обезвреживание) выхлопных газов; е) фильтрация выхлопных газов дизелей от сажи; ж) замена обычных автомобилей электромобилями.

Примеры. Добавки к бензину смеси спиртов уменьшают содержание CO у карбюраторных двигателей. Добавки, содержащие барий, снижают выброс сажи из дизельных двигателей на 70–90%. Горячие водяные пары способствуют более полному сгоранию топлива, уменьшают детонацию. Замена жидкого топлива на газы, которые сгорают практически полностью, уменьшает содержание CO в выхлопных газах в 3–4 раза.

Очистка выхлопных газов. Очистка выхлопных газов от загрязнений – наиболее реальный и перспективный путь уменьшения загазованности городской атмосферы. Применяют два способа очистки: нейтрализация загрязнений растворами реагентов; каталитическая нейтрализация примесей выхлопов.

Жидкостная нейтрализация – это взаимодействие токсичных веществ с раствором сульфита Na₂SО₃ или карбоната натрия Na₂CO₃ при пропускании через раствор выхлопных газов. Эффективность очистки составляет: от оксида серы SO₂ – до 100%, альдегидов – 50–98%, оксидов азота – около 30–50%, сажи – 60–80%. Недостатки способа: большие размеры и масса нейтрализатора, нет очистки от оксида углерода CO, мала эффективность очистки от оксидов азота. Раствор надо часто менять, жидкость интенсивно испаряется.

Каталитическая нейтрализация – это восстановление и окисление примесей выхлопных газов с образованием безвредных паров воды и газов: азота, СО₂. Для восстановления оксидов азота применяют катализаторы на основе меди, хрома, кобальта, никеля и их сплавов. Для окисления СО и углеводородов используются катализаторы из платиновых металлов.

На рисунке 17б показана схема двухкамерного каталитического нейтрализатора. В первой камере помещен восстановительный катализатор из медно-никелевого сплава (1а), во второй камере – окислительный, платиновый (1б). Сначала в восстановительной среде выхлопных газов оксиды азота (в основном NO) восстанавливаются до свободного азота:

NO + CO = ½N₂ + CO₂;

NO + H₂ = ½N₂ + H₂O.

Во второй части аппарата в газовый поток вводится воздух, кислород которого окисляет, с участием платинового катализатора, оксид углерода и углеводороды:

CO + ½O₂ = CO₂;

C_nH_m + (n + ¼ m)O₂ = nCO₂ + ½ m H₂O.

Каталитические нейтрализаторы уменьшают содержание СО на 70–90%, углеводородов – на 50–85%, оксидов азота – на 70–85%.

Улавливание сажи. Выпуск дизельных грузовых и легковых автомобилей в мире постоянно растет. Основной недостаток дизелей, связанный с использованием высокомолекулярных углеводородов, – большое количество сажи в выхлопных газах. Для улавливания сажи используют фильтры в виде сотовой конструкции из ячеек прямоугольного сечения (рис. 18а) или в виде нескольких последовательно расположенных пористых перегородок (рис. 18б).

Рис. 18. Схемы сотового (а) и перегородчатого (б) фильтров сажи

Материал сотового фильтра – пористый кордиерит. Он механически прочен, химически стоек, термически стабилен, в 30–50 раз уменьшает содержание твердых частиц (эффективность очистки до 75%). Регенерацию фильтра проводят путем сжигания сажи при нагреве фильтра до 500С примерно через 100 км пробега, заменяют его через 10000 км пробега.

Другие методы. Это мембранные методы раздельного улавливания газов, например, водорода – палладиевой мембраной, органических растворителей из воздушных выбросов покрасочных камер – мембранным модулем из полидиметилсилооксана на полисульфоне. Для дезодорации (лат. des – уничтожать, odor – запах) дурно пахнущих газовых выбросов используют их обработку озоном, а также биохимические методы. Последние методы очистки газов основаны на способности микроорганизмов употреблять в своей жизнедеятельности различные органические и неорганические соединения, что приводит к их разрушению и преобразованию. Эти процессы будут рассмотрены в следующей лекции, посвященной очистке от загрязнений сточных вод.