Лекция 8 предотвращение загрязнения воздушного бассейна вредными веществами: тяжелые металлы, нефть, спав, органические соединения

План лекции

1. Проблемы загрязнения атмосферы

2. Пути снижения уровня загрязнения атмосферного воздуха

3. Основные пути снижения концентрации токсикантов в ОГ дизелей

Рекомендуемая литература: 1, 8, 9, 15, 16, 17, 24

1. Проблемы загрязнения атмосферы

К основным загрязнителям атмосферного воздуха относятся – оксиды серы и азота (компоненты кислотных дождей), пыль, монооксид углерода (табл. 14), состав атмосферного природного воздуха приведен в таблице 15.

Таблица 14 – Эмиссия основных загрязнителей атмосферного воздуха

Годы	Эмиссия, тыс. т/год
	Пыль		SО2	СО	NОх
1974	22380		25180	29520	5860
1980	27940		34110	41700	7800
1990	35200		47500	50200	9600
2000	37000		50000	53000	12000
2010		43000	55000	59000	15000

Таблица 15 – Состав природного атмосферного воздуха

Компоненты	Масса, т	Концентрация, % объемн.
Азот	4 · 1015	78,084
Кислород	1,2 · 1015	20,94
Пары воды	1,4 · 1014	1-2
Аргон	0,6 · 1014	0,937
СО2	2,3 · 1012	0,0314
Nе	3 · 109	1,81 · 10-3
Не	8,9 · 1010	5,24 · 10-4
Кr	1,65 · 1010	1,14 · 10-4
Н2	3 · 109	0,5 · 10-4
Хе	2,2 · 109	8,7 · 10-6
О3	3,2 · 109	5 · 10-6
Rn	0,0035	50 · 10-6
NО	4 · 106	2 · 10-6
NО2	4 · 106	1-16 мкг/м3
N2О	2 · 106	5-102 мкг/м3
SО2	4 · 107	10-50 мкг/м3
СО	4 · 107	10-20 мкг/м3
Н2S	4 · 107	10-30 мкг/м3
NН3	2 · 107	5-15 мкг/м3
СН4	3,4 · 109	8,5 · 10-2
СН2О	2 · 107	5-15 мкг/м3

Для характеристики любого источника вредного выброса разработана структура выбросов согласно ГОСТ 17.2.1.01. –76.

Выбросы вредных веществ в атмосферу характеризуют по четырем признакам:

1. по агрегатному состоянию;

2. по химическому составу;

3. по размеру частиц;

4. по массе выброса.

Классификация вредных выбросов (ГОСТ 17.2.1.01.-76 (табл 16)):

1) по агрегатному состоянию

газообразные – (А)

жидкие – (К)

твердые – (Т)

2) по химсоставу

3) по размеру частиц

 0,5 мкм (1)

от 0,5 до 3 мкм (2)

от 3 до 10 мкм (3)

от 10 до 50 мкм (4)

свыше 50 мкм (5)

4) по массе вещества, кг/час

 1 кг/час (1)

от 1 до 10 кг/час (2)

от 10 до 100 кг/час (3)

от 100 до 1000 кг/час (4)

от 1000 до 10000 кг/час (5)

свыше 10000 кг/час (6)

Таблица 16 – Классификация вредных выбросов

SО2 СО NО2 F и его соед. СS2 Н2S Сl2 НСN Н и его соед.

(01) (02) (03) (04) (05) (06) (07) (08) (09)

NН3 Мышьяк ТУВ УВ пред. УВ непред. УВ Аром. О-сод. орг. соед. N-сод. орг. соед. Фенол

(10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18)

Смол. вещ-ва Кислота Щелочи Рb и его соед. Сажа Ме и их соед. Пыль Прочие

(19) (20) (21) (22) (23) (24) (25) (26)

Пример: Расшифруйте источник вредного выброса, код которого приведен ниже:

А. 01. 0. 5 К. 20. 2. 3. Т. 23. 2. 3

Классификация вредных веществ по характеру действия на человека приведена в таблице 17

Таблица 17 – Классификация вредных веществ по характеру действия на человека

№	Группа веществ	Наименование вредных веществ и соединений
1	Нервно-паралитические	Аммиак, анилин, сероводород, тетраэтилсвинец
2	Раздражающие	Хлор, аммиак, сернистый ангидрид, оксиды азота
3	Общеядовитые	Синильная кислота, мышьяк, соли ртути, фосфорсодержащие соединения
4	Удушающие	Фосген, оксид углерода, ацэтилен, инертные газы
5	Прижигающие	Кислоты, щелочи, ангидриды
6	Наркотические	Бензол, эфиры, дихлорэтан, ацетон
7	Мутагенные	Соединения свинца, ртути, хлора, углеводороды ароматич.
8	Канцерогенные	Каменноугольная смола, бенз--пирен
9	Аллергены	Соединения никеля, алкалоиды

2. Пути снижения уровня загрязнения атмосферного воздуха

Для обеспечения экологической безопасности, создания нормальных, здоровых условий труда и отдыха разработаны предельные уровни загрязнения воздушного бассейна – предельно-допустимые концентрации (ПДК).

ПДК нормируется в:

• рабочей зоне (ГОСТ 12.1.005-88);

• населенной местности (СН 245-71).

ПДК в населенной местности подразделяется на:

• ОБУВ (ориентировочно-безопасный уровень воздействия);

• среднесуточная (с/с);

• максимально-разовая (м/р).

ПДК в рабочей зоне – это максимальная концентрация вредного вещества, которая в течение ежедневной работы (кроме выходных и праздничных дней) не более 8 часов в сутки, не более 41 час в неделю не ухудшает состояния здоровья, не приводит к дискомфорту труда, а при длительном воздействии не приводит к профессиональным заболеваниям.

Классификация вредных веществ по степени опасного воздействия приведена в таблице 18.

Таблица 18 –Классификация вредных веществ по степени опасного воздействия на человека

Класс опасности	Наименование класса	ПДК, мг/м3
1-й	чрезвычайно-опасный	 0,1
2-й	высокоопасный	0,1-1
3-й	умеренно-опасный	110
4-й	малоопасный	10 и выше

По видам вредные вещества подразделяют на:

1. вещества однонаправленного действия;

2. вещества разнонаправленного действия.

В случае присутствия в газо-воздушных средах веществ однонаправленного действия санитарная оценка в конкретном промышленном регионе или населенной местности определяется следующим неравенством:

,

(31)

а для веществ разнонаправленного действия санитарная оценка лимитируется тем вредным компонентом, для которого ПДК имеет наименьшее значение:

(32)

Человек подвергается комбинированному воздействию вредных веществ (рис. 24). Возможны следующие разновидности этих воздействий:

1. суммация, аддитивное воздействие;

2. синергизм;

3. антогонизм.

Выбросы в атмосферу, сбросы СВ, депонирование ТБПО

Перенос и рассеивание загрязнений в атмосфере.

Загрязнение гидросферы, почвы.

Загрязнение водного бассейна

Кислотные дожди. Осаждения на водную поверхность и почву

Поступление в организм человека

Т

Аккумулирование с/х продукцией растительных и животных происхождений

ехноген-

ные системы

Загрязнение гидросферы

Рисунок 24 – Цепочка воздействия антропогенных загрязнений на человека

В результате сгорания топлива в судовых силовых дизельных установках образуются отработанные газы, содержащие оксиды серы, азота, углерода, сажу, углеводороды. По санитарным нормам и требованиям экологической безопасности отработанные газы перед выбросом в атмосферу должны быть очищены до безопасного уровня воздействия на окружающую среду.

Суда и многие другие транспортные средства являются достаточно активными источниками загрязнения воздушного бассейна углеводородами, оксидами углерода, азота, серы, фенолами, альдегидами, спиртами, кетонами, твердыми частицами (сажа), тяжелыми металлами (свинец и его соединения).

С гигиенических позиций опасность загрязнения воздуха вредными веществами можно оценить с помощью ПДК и по данным об изменениях показателей здоровья населения.

Загрязняющие вещества в атмосфере находятся в газообразном и аэрозольном состоянии.

Отработанные (выхлопные) газы двигателей транспортных средств наносят существенный вред окружающей среде, биоте и здоровью человека. В их составе содержатся общеядовитые, удушающие компоненты (оксид углерода), компоненты раздражающего характера (оксиды серы, азота), мутагенные (тяжелые металлы, альдегиды, алкалоиды), канцерогенные соединения (углеводороды, бенз()пирен), сажа (твердые частицы).

В таблице 19 приведены составы отработанных газов, образующихся при сжигании бензина и дизельного топлива (г/кг топлива).

Таблица 19 – Состав выхлопных газов, образующихся при сжигании топлива

№ п/п	Компоненты	Бензин	Дизельное топливо
1	Оксид углерода	370	23
2	Оксиды азота	21	41
3	Углеводороды СхНу	30	11
4	Твердые частицы (сажа, окалина и др.)	1,5	8
5	SО2 – сернистый ангидрид	1,5	6
6	Этилированный бензин – свинец	0,01	0
7	Неэтилированный бензин – свинец	0	0

Из трех метеорологических параметров – скорость воздуха, температура, относительная влажность – наиболее существенной в образовании опасных зон является относительная влажность. Если в сухом нейтральном воздухе скорость окисления SО₂ до SО₃ составляет 2% в час, то повышение влажности воздуха до максимальной (90%) и приводит к снижению конверсии до 0,6% в час.

При тумане суммарное количество загрязняющих компонентов в газовой фазе и каплях тумана выше, чем при его отсутствии. Кроме химических реакций в атмосферном воздухе постоянно происходят массообменные и фотохимические процессы, в которых участвуют такие газы, как озон, двуокись азота, сернистый ангидрид. Наибольшее значение имеет фотохимия озона.

Комплекс санитарно-гигиенических исследований показал существенное влияние выбросов на образование туманов, дымов, мглы, которые приводят к загрязнению атмосферы аэрозольными частицами.

Отработанные газы дизельных установок представляют сложную газовую смесь. Четыре компонента – азот, кислород, диоксид углерода и пары воды составляют 99-99,9% объем, а остальные компоненты – 0,1-1% объем, причем последние представляются наиболее вредными для природных экосистем, животных, биоты и человека (табл. 20).

Таблица 20 – Состав отработанных газов (ОГ) от двигателей транспортных средств

№п/п	Компонент	Концентра-ция в ОГ, г/м3	Свойства компонента, загрязненного ОГ
1	Диоксид углерода	40-240	Удушающее, наркотическое действие, парниковый эффект
2	Сернистый ангидрид	0,1-0,5	Раздражающее действие, токсичность
3	Оксид углерода	0,25-2,5	Общеядовитый, удушающий, кроветворный
4	Акролеин	0,001-0,04	Токсичность
5	Оксиды азота (по NО2)	0,5-8	Раздражающий, токсичный, компонент «кислотного» дождя
6	Углеводороды	0,25-2,0	Токсичность, парниковый эффект
7	Бенз()пирен	0,2-0,5	Канцерогенные
8	Сажа	0,05-0,5	Ухудшение видимости, раздражение, болезнь верхних дыхательных путей
9	Вода (пары)	15-100	Влажность, туманообразование
10	Оксиды азота, углеводороды	-	Смогообразование

К 60-м годам ХХ столетия вред, наносимый окружающей среде и человеку ОГ, стал ограничиваться законодательными актами. В Западной Европе действует законодательный документ ЕЭК ООН, в США в 1973 г. введен федеральный стандарт на ограничение дымности и газообразные выделения токсикантов с ОГ.

3. Основные пути снижения концентрации токсикантов в ОГ дизелей:

1. Оптимизация энергетического состояния воздушного заряда.

2. Улучшение экономических и экологических характеристик дизеля путем повышения давления впрыска топлива.

3. Улучшение качества топлива для судовых дизелей, разработка присадок к топливу, повышающих цетановое число компаундированного дизельного топлива, интенсифицирующих процесс окисления, воспламенения.

4. Задержка воспламенения топлива и влияние её на полноту сгорания и состав ОГ дизелей.

5. Улучшение показателей смесеобразования дизельного топлива с воздухом.

6. Снижение уровня токсичности ОГ за счет ввода воды в дизельное топливо.

7. Впрыск метанола непосредственно в камеру сгорания дизельного топлива.

8. Снижение уровня токсичности ОГ с помощью каталитических нейтрализаторов.

9. Улучшение качества топлива для судовых дизелей, разработка присадок к топливу, повышающих цетановое число компаундированного дизельного топлива, интенсифицирующих процесс окисления, воспламенения.

10. Задержка воспламенения топлива и влияние её на полноту сгорания и состав ОГ дизелей.

11. Улучшение показателей смесеобразования дизельного топлива с воздухом.

Вопросы для самопроверки

1. Какие существуют проблемы загрязнения атмосферы?

2. Какие существуют пути снижения уровня загрязнения атмосферного воздуха?

3. Какие существуют основные пути снижения концентрации токсикантов в ОГ дизелей?