В мировом балансе техногенного загрязнения атмосферного воздуха на долю автомобильного транспорта приходится 40 % объема выбросов вредных веществ (в крупных городах эта цифра достигает значения 60-80 %, например, в Санкт-Петербурге — 71 %, в Москве — 88 %). В странах СНГ относительное участие основных источников в загрязнении атмосферы распределяется следующим образом: теплоэлектростанции — 27 %, предприятия черной и цветной металлургии — 24,3 и 10,5 соответственно; автотранспорта — 23, нефтехимии — 15,5; строительных материалов — 8,1; химии 1,3 %. Основные источники образования вредных токсичных выбросов, начиная от попадания топлива в топливный бак и заканчивая его превращением в двигателе в механическую энергию, в процентном содержании для разных типов двигателей приведены в табл. 5.22 [31]. Таблица 5.22 Источники образования токсикантов Тип двигателя Компонент Отработанные газы, % Картерные газы, % Пары топлива (испарение), % Карбюраторный СО 95 5 — Дизельный СО 98 2 — Карбюраторный CXHV 55 5 40 Дизельный СхНу 90 2 8 Карбюраторный NO» 98 2 — Дизельный NOx 98 2 .•■ — Первым источником вредных выбросов от автотранспорта являются испарения топлива, которое попадает в атмосферу из топливных баков, элементов системы питания двигателей: стыков, шлангов и т.д. Они состоят из углеводородов топлива различного состава (15-20 %). Дизельные двигатели выбрасывают меньшее количество паров топлива из-за его большей вязкости, более высокого давления и более герметичной системы по сравнению с карбюраторными двигателями. Такие источники загрязнения, как испарение и утечка различных других жидкостей, применяемых при эксплуатации автомобиля, также относят к группе Паров ГСМ, а именно — утечка масла, испарение охлаждающей жидкости и т.п. Картерные газы представляют собой смесь газов, проникающих через неплотности поршневых колец из камеры сгорания в картер, и паров масла, находящихся в картере, а затем подающихся в окружающую среду. У дизелей объем картерных газов намного меньше (по сравнению с карбюраторным двигателем) за счет процесса образования рабочей смеси. Загрязняющие вещества делятся на 4 класса опасности (табл. 5.23). Таблица 5.23 Классы опасности веществ Классы опасности Примеры веществ I — чрезвычайно опасные Бенз(а)пирен, озон, свинец. П— высоко опасные . Медь, оксиды азота, бензол, кислоты: соляная, серная, азотная Ш — умеренно опасные Марганец, органическиекислоты IV — мало опасные Бензин, этилов ый спирт, дизельное топливо Выхлопные газы автомобилей (табл. 5.24) представляют собой смесь 200-1200 веществ, многие из которых еще очень мало изучены. К вредным токсичным выбросам относятся СО, NOx, CxHy, RxCHO, SO2, сажа, дым. Процентное соотношение годовых выбросов загрязняющих компонентов отходящих газов приведено на рис. 5.12. Оксид углерода (СО) — газ без цвета, без запаха, легче воздуха. Во время работы дизеля концентрация СО незначительна (0,1-0,2 %). У карбюраторных двигателей при работе на холостом ходу и малых нагрузках содержание СО достигает 5-8 %. Оксиды азота (NOx) — самый токсичный газ из отходящих газов. Азот — инертный газ при нормальных условиях, а при высоких температурах активно реагирует с кислородом. Поэтому чем больше нагрузка двигателя, тем выше температура в камере сгорания, и соответственно увеличивается выброс оксидов азота. Так, например, при температуре 2227-2027 °С ско- Таблица 5.24 Основные компоненты со значениями концентраций в отходящих газах карбюраторного и дизельного ДВС Компонент Объемная доля компонента, % Примечание
Карбюраторные ДВС Дизельные ДВС
№ 74,0-77,01 76,0-78,0 Нетоксично О, 3,0- 8,0 2,0-18,0 Нетоксично СО, 3,0-5,5 0,5-4,0 Малотоксично н, 5,0-12,0 1.0-10,0 Токсично со 0-5,0 — Токсично N0, (в пересчете на N,00 до 0,8 0,01-0,50 Токсично CxHv 0,2-3,0 0,0002-0,50 Токсично Альдегиды до 0,2 мг/л 0,001-0,09 мг/л Токсично Сажа 0-0,04 г/м3 0,01-11,0 гЛч3 Токсично Бенз(а)пирен 10,0-20,0 мкг/м3 до 10 мкг/м3 Канцерогенно рость реакции падает в 8 раз, а при увеличении температуры от 2227 до 2427 °С скорость реакции увеличивается в 2,6 раза [30]. Углеводороды (СхНу) имеют неприятный запах. Большое количество углеводородов выбрасывается в режиме холостого хода. При сжигании 1 кг дизельного топлива получается 80-100 г токсичных компонентов (г): 20- СО; 20-40- NO; 4-10- СН; 10-30- SO; 3-5-сажи; 0,8-1,0 — альдегидов. Карбюраторный двигатель выбрасывает СО приблизительно в 7 раз, а альдегидов примерно в 3 раза больше дизеля, выбросы же остальных компонентов этих двигателей почти одинаковы. В то же время дизель выбрасывает большее (примерно в 10-15 раз) количество SO2 (рис. 5.13).
С выхлопными газами в атмосферный воздух выделяются также тяжелые металлы (свинец, цинк, кадмий, хром, марганец и медь). По разным оценкам в воздух ежегодно выбрасывается от 180 до 260 тыс. т свинцовых соединений, что в 60-130 раз превосходит поступление свинца в атмосферу при вулканических извержениях, которые составляют 2-3 тыс. т в год. Отработанные газы (СО, СН, N0, сажа и др.) представляют собой смесь газообразных продуктов сгорания топлива, избыточного воздуха и различных микропримесей (газообразных, жидких и твердых частиц, поступающих из цилиндров двигателя в его выпускную систему). Оксид углерода и другие газовые выделения тяжелее воздуха, поэтому они скапливаются у поверхности земли и, соединяясь с гемоглобином крови, негативно влияют на живые организмы. Так как из-за неполного сгорания в выхлопных газах содержатся неразло-жившиеся углеводороды топлива (гексен, пентен), часть углеводородов превращается в сажу, содержащую смолистые вещества. Сажа представляет собой смесь мельчайших частиц углерода, содержащихся в продуктах сгорания, и придает выхлопным газам серую, темно-серую и черную окраску. Повышенное содержание сажи — результат несовершенного смесеобразования за счет пониженного наполнения цилиндров. Зачастую энергетические условия в цилиндре дизельного двигателя оказываются недостаточными для того чтобы молекула топлива разрушилась полностью. Более легкие атомы водорода диффундируют в богатый кислородом слой, вступают с ним в реакцию и как бы изолируют углеводородные атомы от контакта с кислородом. Количества образования сажи зависит от температуры, давления в камере сгорания, типа топлива и соотношения топливо-воздух (рис. 5.14) [31]. Сажа в чистом виде не является токсичным веществом. Токсичность сажи проявляется в ее способности адсорбировать на своей поверхности канцерогенные и мутагенные вещества, содержащиеся в выхлопных газах. Так, на частицах сажи адсорбируется до 10 % смолистых веществ, часть которых обладает канцерогенными свойствами. В результате затрудняется их рассеивание в приземном слое. При увеличении нагрузки на дизельные двигатели при неизменном количестве воздуха, увеличивается количество топлива, поступающего в камеру сгорания. В результате соотношение ^"^0 уменьшается. По мере увеличения нагрузки растет температура в камере сгорания, что приводит к увеличению образования СОх и NOx. В то же время вследствие увеличения концентрации топлива в рабочей смеси и уменьшения парциального давления кислорода увеличивается выброс СхНу и содержание сажи в отходящих газах. Усредненные оценки поведения некоторых первичных и вторичных загрязнителей, связанных с отработанными газами автомобильных двигателей, приведены в табл. 5.25. Таблица 5.25 Поведение токсикантов в атмосфере Токсичное вещество Расстояние переноса, км Время рассеивания или трансформации, ч N0 10 1 NCb 100 48 S02 100 48 ПАУ 1000 72 HN03 1000 72 H2SO4 1000 96 сш Масштабы Земли до 90 000
Альдегиды и органические кислоты являются активными предшественниками фотохимического смога, при образовании которого продукты неполного сгорания расщепляются под воздействием солнечного света, освобождая мелкие частицы углеводорода, адсорбирующие на своей поверхности другие токсичные соединения бензина и дизельного топлива. Степень загрязнения атмосферного воздуха в районе автодорог зависит от многих факторов: • степени загрузки автомагистралей; • типа автодороги (ее назначения); • состояния дорожного покрытия; • условий регулировки движения; • рельефа местности; • системы озеленения и характера застройки примагисгральных территорий; • климата; • загрязненности воздушного бассейна от других источников и фоновых концентраций загрязняющих веществ; • метеорологических условий и синоптических ситуаций, при которых наблюдаются максимальные концентрации загрязняющих веществ, их частота и продолжительность. Существенное влияние на токсичность отходящих газов оказывают режимы движения автомобиля, которые можно разделить на установившиеся и неустановившиеся. В городских условиях эксплуатации преобладающими являются неустановившиеся режимы, характеризующиеся постоянным изменением скорости автомобиля. Так, в городе движение автомобиля осуществляется разгонами, замедлениями, работой двигателя на холостом ходу и движением с относительно постоянной скоростью, причем сочетание этих фаз может быть самым разнообразным. В целом же в условиях города продолжительность режимов в балансе времени для условий города примерно такова: холостой ход— 23 %, разгон— 39, постоянная скорость— 12, замедление — 26 %. Режим холостого хода характеризуется возрастанием выбросов продуктов неполного сгорания. Снижение качества смесеобразования и распределения рабочей смеси по цилиндрам, а также возрастание количества остаточных газов в цилиндрах ДВС ухудшают процесс сгорания топлива. На холостом ходу температура в камере сгорания невелика, поэтому содержание NOx в отходящих газах на холостом ходу ДВС незначительно. С другой стороны, в этом режиме работы ДВС увеличивается количество углеводородов и угарного газа. Также резко возрастает содержание СхНу в период пуска ДВС, так как в нескольких первых циклах работы двигателя горения не происходит. Основная доля выброса NOx приходится на режим разгона (до 85 %), что связано с увеличением температуры в камере сгорания. Значительную часть времени работы двигателя в условиях города составляют режим замедления или режим принудительного холостого хода. При нагрузочных режимах, следующих за режимом принудительного холостого хода, выброс СО примерно на 135 %, а СхНу на 250 % больше, чем при установившемся режиме движения с той же скоростью. А в карбюраторном двигателе на режимах разгона и торможения по сравнению с равномерным движением выброс СО увеличивается в 4-5 раз, а бенз(а)пирена — в 5-7 раз. Дизельные двигатели при неустановившихся режимах выделяют мало токсичных компонентов отходящих газов, нов период разгона наблюдается увеличение дымности. Кроме этого режимы движения, а следовательно, загрязнение воздушного бассейна города определяются геометрическими характеристиками улич-но-дорожной сети, типом автомобиля, квалификацией водителя, параметрами транспортного потока и качеством регулирования дорожного движения. Так, концентрация токсических веществ на перекрестках в 2,5-4 раза выше, чем на перегоне. Также большое значение имеет расстояние между регулируемыми пересечениями. Разнородность состава транспортного потока (из-за значительных различий тягово-динамических, тормозных, скоростных качеств отдельных транспортных средств) также является причиной частого изменения режимов движения (табл. 5.26-5.27). Таблица 5.26 Продолжительность режимов движения в Москве Режимы движения Продолжительность режима движения в общем балансе времени, %
Легковые автомобили Грузовые автомобили Автобусы Холостой ход Ускорение Постоянная скорость Замедление 22 37 12 29 17 42 16 25 29 38 9 24 Таблица 5.27 Влияние регулирования движения на загрязнение атмосферного воздуха Режим движения Выброс вредных веществ легковым автомобилем, г/км
СО СхНу N0, Безостановочное движение автомобиля на перегоне 18,2 1,37 1,09 Движение автомобиля при наличии средств регулирования 19,6 1,5 1,07 Движение автомобиля на перегоне при наличии одного перекрестка ,21,5 1,56 1,06 Движение автомобиля при наличии , двух перекрестков 24,2 1,62 1,05 Химический состав атмосферы формируется не только за счет антропогенных и естественных факторов ее загрязнения, но и в результате химических превращений веществ в воздухе. Попадая в воздух, компоненты отработанных газов, взаимодействуя с другими веществами, могут образовывать новые соединения, зачастую с более высокой токсичностью. Так, например, при переходе NO в NO2 при соединении с кислородом воздуха масса вредного вещества возрастает в 1,5 раза, а токсичность — в 7 раз. Поэтому атмосферный воздух следует рассматривать как вторичный реактор дообразова-ния вредных веществ. Так, во влажной атмосфере происходит окисление и фотоокисление диоксида серы, катализируемое металлизированными частицами, а также взаимодействие оксидов серы с аммиаком с образованием ионов аммония и сульфит- или сульфат-ионов. Диоксид азота под влиянием света разлагается с вьщелением атомарного кислорода, который, соединяясь с кислородом воздуха, образует озон. Попадающий в атмосферу фтористый кремний разлагается с образованием фтористого водорода, который затем диссоциирует на ионы фтора и водорода. Таким образом, концентрации примесей в атмосфере определяется балансом между их поступлением и их вьщелением из атмосферы. При нарушении баланса изменяется сложившееся содержание веществ в воздухе. Кроме соединений, поступающих в атмосферу с отходящими газами автомобилей, в воздушную среду поступает огромное количество мелкодисперсных частиц — (960-2615)-10б т/год. Содержание пыли в воздухе зависит от времени года, климатических и погодных факторов, наличия или отсутствия растительности и т.д. (табл. 5.28). Пыль образуется в результате износа покрытий, происходящего в результате трения шин автомобилей, естественного выветривания дорожных материалов из-за процесса старения и коррозии вяжущего, а также низкого качества строительных и ремонтных работ. В результате постепенного истирания образуются частицы пылевидных и глинистых фракций с размером частиц менее 10 мкм, при шелушении и выкрашивании — до 100 мкм. В первые 2-3 года эксплуатации автодороги за счет истирания, а также по мере старения происходит процесс выкрашивания, возрастающий на асфальтобетонных покрытиях до максимального после 6-7 лет эксплуатации дороги. Таблица 5.28 Валовые выбросы пыли из-за износа покрытий проезжей части автомобильных дорог общественного пользования Год Протяженность сети автомобильных дорог, тыс.км Объемы выбросов пыли на автодорогах, тыс.т
с щебеночным и гравийным покрытием грунтовых с щебеночным и гравийным покрытием грунтовых 1995 157,4 " 56,2 2095,9 313,9 1997 167,5 58,2 2231,5 331,2 Время жизни взвешенных веществ в атмосфере зависит от их физико-химических свойств, метеорологических и других факторов. Основные процессы удаления аэрозолей из атмосферы: осаждение частиц под действием гравитации, конденсация, вымывание дождем и др. Покрытия автодорог разделяются по категориям пылеобразующей способности. Выделяют 3 типа покрытий [30]: • сильнопылящие, с ориентировочным пылевыделением более 60 мг/м3; • среднепылящие, с пылевыделением 10-60 мг/м3; • слабопылящие — пылевыделение менее 10 мг/м3. При отсутствии возможности замера пылевыделения на дороге без предварительных ориентировочных расчетов фактическая концентрация пыли принимается в соответствии с данными табл. 5.29. Можно проследить зависимость выбросов пыли в различных областях России от протяженности дорог со щебеночным и гравийным покрытием (рис. 5.15). Концентрация пыли в воздухе значительно снижается по мере удаления от автодороги (табл. 5.30). Таблица 5.29 Фактическая концентрация пыли для разных типов покрытий Наименование покрытия С^мг/м3 Щебеночные, гравийные и другие виды материалов, обработанные вяжущими 1-3 Щебеночные из твердых пород, построенные по методу заклинки 10-20 Гравийные 20-40 Щебеночные (известняк), построенные по методу твердых смесей 40-60 Грунтовоулучшенные 60-100 Грунтовые 100 Таблица 5.30 Фактическая среднесуточная концентрация пыли в зависимости от расстояния от дороги Сф, мг/м Значение коэффициента к0на удалении от кромки покрытия, м
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Загрязнение биосферы автотранспортным комплексом» з дисципліни «Основи природокористування: екологічні, економічні та правові аспекти»
