Загрязняющие вещества в выхлопных газах автотранспорта.

Выхлопные газы автомобилей, а также газы, образующиеся при испарении топлива, масла, содержат около 200 химических соединений. В зависимости от особенностей их воздействия на организм человека указанные ЗВ подразделяют на 7 групп.

В 1-ю группу входят химические соединения, содержащиеся в естественном составе атмосферного воздуха: вода (в виде пара), водород, азот, кислород и диоксид углерода. Автотранспорт выбрасывает в атмосферу такое огромное количество пара, что в Европе и Европейской части России оно превышает по массе испарения всех водоемов и рек. Из-за этого растет облачность, а число солнечных дней заметно снижается. Все это способствует росту вирусных заболеваний, снижению урожайности сельскохозяйственных культур.

Во 2-ю группу включен оксид углерода (ПДК 20 мг/мі; IV класс опасности). Этот бесцветный газ без вкуса и запаха, вдыхаемый человеком, соединяется с гемоглобином крови и подавляет его способность снабжать ткани организма кислородом. В результате наступает кислородное голодание организма, и возникают нарушения деятельности центральной нервной системы. Последствия воздействия зависят от концентрации оксида углерода в воздухе; так, при концентрации 0,05% через 1 час появляются признаки слабого отравления, а при 1% наступает потеря сознания после нескольких вздохов. Оксид углерода может быть косвенной причиной многочисленных аварий на дорогах. Его действие на водителя автомашины в небольших концентрациях сходно с действием алкоголя или состоянием утомления. В гаражах, в тоннелях и даже на напряженных магистралях содержание оксида углерода часто достигает токсичных для человека уровней.

В 3-ю группу входят оксид азота NO (ПДК 5 мг/мі, III кл.) – бесцветный газ и диоксид азота NO2 (ПДК 2 мг/мі, III кл.) – газ красновато-бурого цвета с характерным запахом. Попадая в организм человека, они образуют азотистую и азотную кислоты (ПДК 2 мг/мі, III кл.). Последствия зависят от концентрации в воздухе; так, при концентрации 0,0013% происходит слабое раздражение слизистых оболочек глаз и носа, при 0,002% - образование метагемоглобина, при 0,008% - отек легких.

В 4-ю группу входят углеводороды. К наиболее опасным из них относится 3,4-бенз(а)пирен (ПДК 0,00015 мг/мі, I кл.) – мощный канцероген.

В 5-ю группу входят альдегиды. Наиболее опасны для человека акролеин и формальдегид. Акролеин – альдегид акриловой кислоты (ПДК 0,2 мг/мі, II кл.). Концентрация 0,00016% является порогом восприятия запаха, при 0,002% запах трудно переносим, при 0,005% непереносим, а при 0,014% через 10 минут наступает смерть. Формальдегид (ПДК 0,5 мг/мі, II кл.) – бесцветный с резким запахом газ, при концентрации 0,007% вызывает легкое раздражение слизистых оболочек глаз и носа, а также верхних органов дыхания, при концентрации 0,018% осложняется процесс дыхания.

В 6-ю группу входит сажа (ПДК 4 мг/мі, III кл.), оказывающая раздражающее действие на органы дыхания. Частицы сажи активно адсорбируют на своей поверхности бенз(а)пирен, из-за чего резко ухудшается здоровье детей, страдающих респираторными заболеваниями (их частота у детей Москвы на 48% превышает среднюю величину по России), лиц, больных астмой, бронхитом, воспалением легких, а также престарелых людей. Исследования, проведенные в США, показали, что 50-60 тыс. человек умирают ежегодно от загрязнения воздуха сажей.

В 7-ю группу свинец и его соединения. В бензин в качестве антидетонационной присадки вводят тетраэтилсвинец (ПДК 0,005 мг/мі, I кл.). Поэтому около 80% свинца и его соединений, загрязняющих воздух, попадают в него при использовании этилированного бензина: при сжигании 1 л указанного бензина в воздух поступает 0,2-0,4 г синца.

В результате сжигания жидкого топлива в воздух ежегодно выбрасывается, по разным оценкам, от 180 тыс. до 260 тыс. т свинцовых частиц, что в 60-130 раз превосходит естественное поступление свинца в атмосферу при вулканических извержениях (2-3 тыс. т/год).

При вдыхании городского воздуха крупные свинцовые аэрозоли задерживаются в бронхах и носоглотке, а те, что имеют размер менее 1мкм (их примерно 70-80%), попадают в легкие, а затем проникают в капилляры и, соединяясь с эритроцитами, отравляют кровь. Анемия, постоянные головные боли, мышечная боль – признаки свинцового отравления – проявляются при содержании в крови свинца 80 мкг/100 мл. Соединения свинца особенно вредны для интеллектуальных способностей детей. В организме ребенка остается до 40% попавших в него соединений.

В почвах вокруг дорог накапливаются валовые и подвижные формы свинца и других тяжелых металлов. Анализ полученных зависимостей выявил проявление двух зон транспортного засоления почв: первая расположена на расстоянии r0 ≤ 30 м от полотна дороги, а вторая находится на удалении 30-100 м.

На московской кольцевой дороге крупные частицы свинца оседают на обочинах на расстоянии до 30 м, а при отсутствии зеленых насаждений – до 400 м.

Свинец и его соединения снижают активность ферментов, нарушают обмен веществ, способствуя тем самым снижению урожаев, потерям в животноводстве, постоянной гибели деревьев. Поскольку в растениях может аккумулироваться значительное количество свинца, употреблять в пищу злаки и фрукты, выращенные вдоль автодорог, опасно.

Фотохимический смог:

образование и последствия.

Отдельные компоненты выхлопных газов автотранспорта в атмосфере могут вступать в дальнейшие реакции, давая вторичные продукты.

Озон и многочисленные активные органические соединения образуются в результате химических взаимодействий между оксидами азота и летучими углеводородами, стимулируемых солнечным светом. Так как последний сообщает энергию для этих растений, их продукты называют фотохимическими окислителями.

Под действием световой энергии диоксид азота распадается на монооксид NO и атом кислорода, а тот соединяется с О2, образуя озон О3. Процесс спонтанно (самопроизвольно) обратим. Если отсутствуют другие факторы, озон и монооксид азота вновь реагируют с образованием NO2 и О2, поэтому заметного накопления озона не происходит. Однако в присутствии углеводородов NO реагирует с ними, в результате чего образуются очень агрессивные и вредные соединения, известные под названием пероксиацилнитратов (ПАН); кроме того, монооксид азота, таким образом, связывается и происходит накопление озона.

Следует указать, что химические вещества, которые содержатся в выхлопных газах, обладают подчас значительным временем «жизни» в атмосферном воздухе, поэтому процесс самоочищения последнего от различных ингредиентов может колебаться от 1 часа до нескольких тысяч лет (табл. 2).

Таблица 2.

Время «жизни» компонентов выхлопных газов ДВС

при взаимодействии атмосферными составляющими

до разложения 60% исходного количества примеси

(по данным ЕРА, США)

Компонент	Реакции с ОН‾	Реакции с О2	Реакции с NO3‾	Реакции с NO2‾
NO2	2 дня	12 часов	1 час	2 часа
NO	4 дня	1 мин	3 мин	20 мин
HNO2	4 дня	>33 дней	―	―
HNO3	180 дней	―	―	―
SO2	26 дней	200 лет	―	600 лет
NH3	140 дней	―	―	―
CH3NH2	12 часов	2 года	―	―
NCH	2 года	―	―	―
H2S	5 дней	2 года	4 дня	―
CH3SN	8 часов	―	1 час	―
Пропан	19 дней	7 тыс. лет	―	―
н-Бутан	9 дней	4,5 тыс. лет	9 лет	―
1,2-Дихлорэтан	100 дней	―	―	―
Формальдегид	3 дня	20 тыс. лет	210 дней	23 дня

Особое внимание заслуживает фотохимический смог, в возникновении которого вносят вклад отдельные компоненты выхлопных газов автотранспорта.

Фотохимический смог, инициируемый солнечным светом, представляет собой желтовато-коричневатую дымку над городами, уменьшающую видимость, с наличием химических веществ, которые вызывают раздражение дыхательных путей и слезоточивость. Указанный цвет объясняется присутствием диоксида азота NO2, а раздражение вызывают озон, алифатические альдегиды и органические нитраты.

Появление фотохимического смога инициируется сочетанием следующих факторов:

солнечный свет

оксиды азота NOx

углеводороды

температура выше 18єC

При этих значениях реакции происходят достаточно быстро для устойчивого формирования вредных веществ.

Известно, что ранним утром уровень загрязнения низкий. Концентрация NO и несгоревших углеводородов возрастает, когда люди отправляются на работу в автомашинах. С восходом солнца в утренние часы и увеличением интенсивности излучения, NO превращается в NO2 и, соответственно, возрастает содержание озона и альдегидов. Последние достигают максимума в полдень, при наибольшей солнечной активности. Надо отметить, что концентрация NOx падает после 10 часов утра и не возрастает снова во время вечернего транспортного пика.

Выбросы автомобилей служат причиной увеличения концентрации NO, которая затем окисляется в NO2. Диоксид азота фотолизуется на солнечном свете, и эта реакция протекает тем быстрее, чем выше интенсивность фотонов. Происходит накопление «приземного» (в противоположность атмосферному) озона и его фотолиз ведет к формированию ОН. Выбросы автомашин также поставляют органические вещества (субстраты) реакций с OH; промежуточные и побочные продукты окисления этих веществ – такие, как альдегиды и органические нитриты, - являются компонентами смога, вызывающими раздражение слизистых оболочек. Многие из этих реакций зависят от температуры и поэтому в жаркое время года смог проявляется гораздо заметнее.

Впервые фотохимический смог зафиксирован в г. Лос-Анжелесе (штат Калифорния, США), обладающем своеобразным климатом. В городе с огромным числом автомобилей весьма часты температурные инверсии – до 260 дней в году. Инверсионный слой располагается на небольшой высоте, а интенсивность солнечной радиации в этом месте достаточно велика, поэтому явно выраженный фотохимический туман наблюдается здесь более 60 дней в году.

Все четыре условия фотохимического смога должны проявиться одновременно, поэтому место и время возникновения этого явления могут быть предсказаны. Так как именно автотранспорт поставляет NOx и углеводороды, поэтому фотохимический смог – явление, характерное для больших, насыщенных автомобилями городов, особенно расположенных в низких широтах и в котлованах. Таковыми являются Нью-Йорк, Чикаго, Бостон, Детройт, Токио, Милан, Москва и др.

Следует подчеркнуть, что в густонаселенных районах Северной Америки, Европы возможен трансграничный перенос ЗВ. Так, причиной возникновения смога в Торонто (Канада) признаны выбросы автомобилей в соседних городах среднего Запада США. Россия (ее европейская территория) в качестве трансграничных загрязнений «получает» 129 тыс. тонн соединений серы из Германии, 128 тыс. тонн из Польши, 395 тыс. тонн – с Украины, в то же время Украина получает из России 37 тыс. тонн, Беларусь – 14 тыс. тонн и т.д. Трансграничные загрязнения в России составляют 48% от всей суммы выпадения серы на ее государственной территории.

Фотохимический туман сопровождается неприятным запахом, резко снижается видимость, у людей воспаляются глаза, слизистые оболочки носа и горла, возникает удушье, обостряются легочные заболевания, бронхиальная астма. Фотохимический туман вызывает коррозию металлов, растрескивание красок резиновых и синтетических изделий, портит одежду, нарушает работу транспорта.

Озон и ПАН (компоненты смога) особенно токсичны для растений. При концентрации 0,1 ppmv O3 в воздухе даже астматики еще не испытывают раздражающего воздействия, в то время как скорость фотосинтеза у растений падает вдвое. Это очень серьезная проблема в южных сельскохозяйственных регионах, таких как Краснодарский край в России, Калифорния в США, центральная часть Таиланда, юго-запад Кореи, где развитое сельское хозяйство сочетается с развитой промышленностью и высокой плотностью населения, использующего большое количество автомобилей. Только в Калифорнии потери сельскохозяйственной продукции от таких газов, как O3 и ПАН, оцениваются ежегодно в миллиарды долларов.

Сокращение выбросов автотранспорта,

работающего на углеводородном топливе.

Автомобильными двигателями выделяются в воздух городов более 95% оксида углерода, около 65% углеводородов и 30% оксидов азота. Расплачиваться за это приходится ухудшением здоровья людей, как собственников автомобилей, так и пешеходов. К тому же на фоне безудержного роста числа автомобилей в России увеличивается доля подержанных, длительно эксплуатируемых, в частности иностранного производства.

В защите среды обитания от загрязнения автомобильными выхлопами наша страна существенно отстала от развитых стран Запада, причем по многим показателям. Двигатели даже новых отечественных автомобилей, выбрасывают в расчете на 1 км пройденного пути в 3-5 раз больше вредных веществ, чем их зарубежные аналоги. Проверки показывают, что каждый пятый автомобиль эксплуатируется с повышенной токсичностью или дымностью отработанных газов. В ряде городов содержание оксида углерода в воздухе над автомагистралями в 10-12 раз превышает предельно допустимую норму. По оценкам медиков и экологов, автотранспорт заметно сокращает среднюю продолжительность жизни населения.

В связи с этим возникла острая необходимость в осуществлении таких мероприятий, которые бы позволили снизить выбросы автотранспорта или ослабить его негативное воздействие на качество среды обитания людей, особенно жителей городов.

Планировочно-градостроительные мероприятия. Они включают специальные приемы застройки и озеленения автомагистралей, размещение жилой застройки по принципу зонирования. В первом эшелоне застройки – от магистрали – размещаются здания пониженной этажности, затем – дома повышенной этажности и в глубине застройки - детские и лечебно-оздоровительные учреждения. Тротуары, жилые, торговые и общественные здания изолируются от проезжей части улиц с напряженным движением многорядными древесно-кустарниковыми посадками. Важное значение имеют сооружения транспортных развязок, кольцевых дорог, использование подземного пространства для размещения гаражей и автостоянок.

Технологические мероприятия: замена двигателя на более экономичный и менее токсичный, замена топлива (улучшение качества, альтернативные виды топлива), совершенствование рабочего процесса двигателя, расширение парка и использования муниципального электротранспорта (метро, трамвай, троллейбус).

Санитарно-технологические мероприятия: каталитический дожег выхлопных газов, фильтрация твердых частиц, установка трехступенчатых систем нейтрализации выхлопных газов. Каталитические нейтрализаторы используют для обезвреживания выхлопных газов автомобиля путем химического превращения отдельных вредных веществ, содержащихся в них, при помощи катализаторов.

Административные мероприятия: ужесточение стандартов на токсичность выхлопных газов, установка нормативов качества топлива, установление допустимых региональных нормативов выбросов, вывод из города транзитного транспорта, вывод из города складских баз, терминалов и т.д.

Тем не менее этого недостаточно. Чтобы не оставаться на задворках международного автомобилестроения, следует сделать мощный рывок, основанный на массовом внедрении передовых природоохранных технологий.