IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ ПЕРЕДВИЖНЫМИ ТРАНСПОРТНЫМИ СРЕДСТВАМИ

Исайкин Д.Н., Сорокин И.Ю., Френкель Е.Н.

Военный институт материального обеспечения

Вольск, Россия

ATMOSPHERIC POLLUTION BY VEHICLE

Isaykin D.N., Sorokin I.Yu., Frenkel` E.N.

Volsk Military Logistic Institute

Volsk, Russia

Введение

Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха поступают от энергетических установок, работающих на углеводородном топливе (бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, уголь, природный газ и другие). Количество загрязнения определяется составом, объёмом сжигаемого топлива и организацией процесса сгорания.

Основными источниками загрязнения атмосферы являются транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Доля загрязнения атмосферы от газотурбинных двигательных установок (ГТДУ) и ракетных двигателей (РД) пока незначительна, поскольку их применение в городах и промышленных центрах ограничено. В местах активного использования ГТДУ и РД (аэродромы, испытательные станции, стартовые площадки) загрязнения, поступающие в атмосферу от этих источников сопоставимы с загрязнениями от ДВС и ТЭС, обслуживающих эти объекты.

Основные компоненты, выбрасываемые в атмосферу при сжигании различных видов топлива в двигателях всех видов, – нетоксичные диоксид углерода СО₂ и водяной пар Н₂О. Однако кроме них в атмосферу выбрасываются и вредные вещества, такие как оксид углерода, оксиды серы, азота, соединения свинца, сажа, углеводороды, в том числе канцерогенный бенз(а)пирен С₂₀Н₁₂, несгоревшие частицы топлива и т.п.

1. Наземный транспорт

Автотранспорт является источником загрязнения атмосферы, количество автомашин непрерывно растет, особенно в крупных городах; а вместе с этим растет валовой выброс вредных продуктов в атмосферу.

В последние десятилетия в связи с быстрым развитием автотранспорта и авиации существенно увеличилась доля выбросов, поступающих в атмосферу от подвижных источников: грузовых и легковых автомобилей, тракторов, тепловозов и самолетов. Согласно оценкам, в городах на долю автотранспорта приходится (в зависимости от развития в данном городе промышленности и числа автомобилей) от 30 % до 70 % общей массы выбросов. В США в целом по стране, по крайней мере, 40 % общей массы пяти основных загрязняющих веществ составляют выбросы подвижных источников.

Автомобильный парк растёт быстрее, чем народонаселение. В настоящее время с конвейеров автозаводов всего мира ежегодно сходит более 50 млн автомобилей, т.е. в среднем, при двухсменной работе – 170 автомобилей каждую минуту!

За сорок послевоенных лет автомобильный парк вырос более чем в десять раз и в 1987 г. превысил полумиллиардный рубеж. В 1998 г. автомобильный парк вырос до 700 млн. В настоящее время парк автомобилей превысил миллиардную отметку (рис. 1). Практически все современные автомобили снабжены двигателями внутреннего сгорания. При сравнительно небольшой массе этот двигатель развивает значительную мощность, экономичен, достаточно надёжен, работает на сравнительно недорогом топливе. По мере роста автомобильного парка, стал проявляться существенный недостаток этого двигателя – с выхлопными газами в окружающий воздух поступают вредные для здоровья человека вещества.

Рис. 1 – Численность мирового парка автомобилей (млн шт)

Каждый автомобиль выбрасывает более 3 кг вредных веществ ежедневно. Когда автомобилей стало слишком много, в крупных городах заметно ухудшилось состояние атмосферного воздуха.

Токсическими выбросами ДВС являются отработавшие и картерные газы, пары топлива из карбюратора и топливного бака. Основная доля токсических примесей поступает в атмосферу с отработавшими газами ДВС. С картерными газами и парами топлива в атмосферу поступает ~45 % С_хH_у от их общего выброса.

Исследования состава отработавших газов ДВС показывают, что в них содержится несколько десятков компонентов, основные из которых приведены в табл. 1. Диоксид серы образуется в отработавших газах в том случае, когда сера содержится в исходном топливе (дизельное топливо).

Анализ данных приведённых в табл. 1, показывает, что наибольшей токсичностью обладает выхлоп карбюраторных ДВС за счёт большего выброса СО, NO_x, C_xH_y и др. Дизельные ДВС выбрасывают в больших количествах сажу, которая в чистом виде не токсична. Однако частицы сажи несут на своей поверхности частицы токсичных веществ, в том числе и канцерогенных. Сажа может длительное время находиться во взвешенном состоянии в воздухе, увеличивая тем самым время воздействия токсических веществ на человека.

Таблица 1

Состава отработавших газов ДВС

Компоненты	Содержание компонента, об. доли, %		Примечание
	Карбюраторные ДВС	Дизельные ДВС
N2 O2 H2O (пары) CO2 H2 CO NOx CnHm Альдегиды Сажа Бенз(а)пирен	74–77 0,3–8 3,0–5,5 5,0–12,0 0–5,0 0,5–12,0 до 0,8 0,2–3,0 до 0,2 мг/л 0–0,04 г/м3 10–20 мкг/м3	76–78 2–18 0,5–4,0 1,0–10,0 - 0,01–0,50 0,0002–0,5 0,009–0,5 0,001–0,09 мг/л 0,01–1,1 г/м3 до 10 мкг/м3	Нетоксичен Токсичен

Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу, поступающих в атмосферу в составе отработавших газов, зависит от общего технического состояния автомобилей и, особенно, от двигателя – источника наибольшего загрязнения. Так, при нарушении регулировки карбюратора выбросы СО увеличиваются в 4–5 раз.

Применение этилированного бензина¹, имеющего в своём составе соединения свинца, вызывает загрязнение атмосферного воздуха весьма токсичными соединениями свинца. Около 70 % свинца, добавленного к бензину с этиловой жидкостью, попадает в атмосферу с отработавшими газами, из них 30 % оседает на земле сразу, а 40 % остаётся в атмосфере. Один грузовой автомобиль средней грузоподъёмности выделяет 2,5–3 кг свинца в год. Концентрация свинца в воздухе зависит от содержания свинца в бензине:

- Содержание свинца в бензине, г/л…………0,15 0,20 0,25 0,50

- Концентрация свинца в воздухе, мкг/м³…..0,40 0,50 0,55 1,00

Исключить поступление высокотоксичных соединений свинца в атмосферу можно заменой этилированного бензина на неэтилированный, что давно практикуется во всех городах ряда стран Западной Европы.

Валовые выбросы вредных веществ автомобильным транспортом России (тогда еще СССР) составляют, млн т/год:

Автомобили: 1960 г.1970 г.1980 г. 1990 г. 2010 г.

Грузовые 9,05 18,99 30,63 41,82 60,01

Легковые 0,82 1,3 4,23 12,91 19,55

Автобусы 0,65 2,1 4,16 8,56 21,34

Всего: 10,52 22,39 39,02 54,04 100,90

Мировым парком автомобилей с ДВС ежегодно выбрасывается, млн т:

оксида углерода – 260

летучих углеводородов – 40

оксидов азота – 20.

Доля участия автомобильного транспорта в загрязнении атмосферного воздуха некоторых крупных городов мира составляет, %:

Оксид углерода Оксиды Азота Углеводороды

Москва 96,3 32,6 64,4

Санкт-Петербург 88,1 31,7 79

Токио 99 33 95

Нью-Йорк 97 31 63

В некоторых городах концентрация СО в течение коротких периодов достигает 200 мг/м³ и более, при нормативных значениях максимально допустимых разовых концентраций 40 мг/м³ (США) и 10 мг/м³ (Россия).

Таким образом, основными причинами загрязнения воздуха от автотранспорта являются:

1) плохое состояние технического обслуживания автомобилей;

2) низкое качество применяемого топлива;

3) наличие свинцовых добавок в бензине;

4) неразвитость системы управления транспортными потоками;

5) низкий процент использования экологически чистых видов транспорта.

Каждый автомобиль выбрасывает в атмосферу с отработавшими газами около 200 различных компонентов. В выхлопных газах содержатся углеводороды – несгоревшие или не полностью сгоревшие компоненты топлива, доля которых резко возрастает, если двигатель работает на малых оборотах или в момент увеличения скорости на старте, т.е. во время заторов и у красного сигнала светофора. Именно в этот момент, когда нажимают на акселератор, выделяется больше всего несгоревших частиц: примерно в 10 раз больше, чем при работе двигателя в нормальном режиме.

Создаваемые в городах системы движения в режиме «зеленой волны», существенно сокращающие число остановок транспорта на перекрёстках, призваны сократить загрязнение атмосферного воздуха в городах. Большое влияние на качество и количество выбросов примесей оказывает режим работы двигателя, в частности соотношение между массами топлива и воздуха, момент зажигания, качество топлива, отношение поверхности камеры сгорания к её объему и др. При увеличении отношения массы воздуха и топлива, поступающих в камеру сгорания, сокращаются выбросы оксида углерода и углеводородов, но возрастает выброс оксидов азота.

Несмотря на то что дизельные двигатели более экономичны, таких веществ, как СО, HхCу, NОx, выбрасывают не более, чем бензиновые, они существенно больше выбрасывают дыма (преимущественно несгоревшего углерода), который к тому же обладает неприятным запахом создаваемым некоторыми несгоревшими углеводородами). В сочетании же с создаваемым шумом дизельные двигатели не только сильнее загрязняют среду, но и воздействуют на здоровье человека гораздо в большей степени, чем бензиновые.

К несгоревшим газам относят и обычный углекислый газ, образующийся в том или ином количестве повсюду, где что-то сжигают. В выхлопных газах двигателя, работающего на нормальном бензине и при нормальном режиме, содержится в среднем 2,7 % оксида углерода. При снижении скорости эта доля увеличивается до 3,9 %, а на малом ходу – до 6,9 %. Оксид углерода, углекислый газ и большинство других газовых выделений двигателей тяжелее воздуха, поэтому все они скапливаются у земли.

В выхлопных газах содержатся также альдегиды, обладающие резким запахом и раздражающим действием. К ним относятся акролеины и формальдегид; последний обладает особенно сильным действием. В автомобильных выбросах содержатся также оксиды азота. Двуокись азота играет большую роль в образовании продуктов превращения углеводородов в атмосферном воздухе. В выхлопных газах присутствуют неразложившиеся углеводороды топлива. Среди них особое место занимают непредельные углеводороды этиленового ряда, в частности гексен и пентен.

Из-за неполного сгорания топлива в двигателе автомашины часть углеводородов превращается в сажу, содержащую смолистые вещества. Особенно много сажи и смол образуется при технической неисправности мотора и в моменты, когда водитель, форсируя работу двигателя, уменьшает соотношение воздуха и горючего, стремясь получить так называемую «богатую смесь». В этих случаях за машиной тянется видимый хвост дыма, который содержит полициклические углеводороды и, в частности, бенз(а)пирен².

Шумовое воздействие от автотранспорта сравнимо с болевыми воздействиями от шума при работе отбойного молотка и трактора, но к тому же для городского жителя является более чувствительным по суммарному времени влияния.

Глобальная автомобилизация кроме загрязнения воздуха преподнесла человечеству ещё одну проблему: куда девать машины, отслужившие свой срок? Из огромного мирового парка автомобилей таких машин ежегодно оказывается несколько миллионов. В Западной Европе в 1995 г. пришлось ликвидировать около 15 млн автомобилей, в США – порядка 12 млн. В результате, во всем мире ежегодно оказывается до 7 млн т неиспользуемых отходов.

2. Авиация и ракетоносители

Применение газотурбинных двигательных установок в авиации и ракетостроении поистине огромно. Все ракетоносители и все самолеты (кроме пропеллерных на которых стоят ДВС) используют тягу этих установок. Выхлопные газы газотурбинных двигательных установок (ГТДУ) содержат такие токсичные компоненты, как СО, NО_x, углеводороды, сажу, альдегиды и др.

Исследования состава продуктов сгорания двигателей, установленных на самолетах «Боинг-747», показали, что содержание токсичных составляющих в продуктах сгорания существенно зависит от режима работы двигателя (табл. 2).

Таблица 2

Содержание токсичных веществ в продуктах сгорания двигателя самолёта

Число оборотов двигателя	Содержание, г/кг топлива
	СО	NOx	CхHу
0.56 n*	87.9	0.7	9.8
0.83 n	2.3	1.5	0.3
0.90 n	--	4.4	--

*n – номинальное число оборотов двигателя

Как следует из табл. 2, высокие концентрации СО и CхHу характерны для ГТДУ на пониженных режимах (холостой ход, руление, приближение к аэропорту, заход на посадку), тогда как содержание оксидов азота NOx (NO, NO₂, N₂O₅) существенно возрастает при работе на режимах близких к номинальному (взлёт, набор высоты, полётный режим).

Суммарный выброс токсичных веществ самолетами с ГТДУ непрерывно растёт, что обусловлено повышением расхода топлива до 20–30 т/ч и неуклонным ростом числа эксплуатируемых самолётов (данные США):

1975 г. 1985 г. 1990 г.

Самолеты, шт. 5629 6028 6721

Суммарное топливо, млн. т в год. 45,5 97 142

Выбросы NО_x, млн. т в год. 0,287 0,548 0,832

Наибольшее влияние на условия обитания выбросы ГТДУ оказывают в аэропортах и зонах, примыкающих к испытательным станциям. Сравнительные данные по выбросам вредных веществ в аэропортах показывают, что поступления от ГТДУ в приземный слой атмосферы составляют:

Оксиды углерода – 55 %,

Оксиды азота – 77 %,

Углеводороды – 93 %,

Аэрозоль – 97 %,

остальные выбросы выделяют наземные транспортные средства с ДВС.

Загрязнение воздушной среды транспортом с ракетными двигательными установками происходит главным образом при их работе перед стартом, при взлёте и посадке, при наземных испытаниях в процессе их производства и после ремонта, при хранении и транспортировке топлива, а также при заправке топливом летательных аппаратов. Работа жидкостного ракетного двигателя сопровождается выбросом продуктов полного и неполного сгорания топлива, состоящих из частиц ·O, NO_x, ·OH и др.

При сгорании твёрдого топлива из камеры сгорания выбрасываются Н₂О, CO₂, HCl, CO, NO, Cl·, а также твёрдые частицы Al₂O₃ со средним размером 0,1 мкм (иногда до 10 мкм).

В двигателях космического корабля «Шатл» сжигается как жидкое, так и твёрдое топливо. Продукты сгорания топлива по мере удаления корабля от Земли проникают в различные слои атмосферы (табл. 3), но большей частью в тропосферу.

Таблица 3

Состав продуктов сгорания топлива двигателя космического корабля

Атмосферный слой	Высота, км	Продукты сгорания, кг
		HCl	Cl	NO	CO	CO2	H2O (пар)	Al2O3
Приземный слой	0–0,5	24666	2741	1697	131	55075	46674	39284
Тропосфера	0,5–13	78517	9657	4618	839	172570	152677	26385
Стратосфера	13–50	59732	11727	239	2189	147684	146393	110304
Нижняя мезосфера	50–67	0	0	0	0	0	15542	0
Мезосфера – термосфера	67	0	0	0	0	0	119045	0

В условиях запуска у пусковой системы образуется облако продуктов сгорания, водяного пара от системы шумоглушения, песка и пыли. Объём продуктов сгорания можно определить по времени (обычно 20 с) работы установки на стартовой площадке и в приземном слое. После запуска высоко температурное облако поднимается на высоту до 3 км и перемещается под действием ветра на расстояние 30–60 км, оно может рассеяться, но может стать и причиной кислотных дождей.

При старте и возвращении на Землю ракетные двигатели неблагоприятно воздействуют не только на приземный слой атмосферы, но и на космическое пространство, разрушая озоновый слой Земли. Масштабы разрушения озонового слоя определяются числом запусков ракетных систем и интенсивностью полётов сверхзвуковых самолетов. За 40 лет существования космонавтики в СССР и позднее России произведено свыше 1800 запусков ракет-носителей. По прогнозам фирмы Aerospace в XXI в. для транспортировки грузов на орбиту будет осуществляться до 10 запусков ракет в сутки, при этом выброс продуктов сгорания каждой ракеты будет превышать 1,5 т/сут.

Согласно ГОСТ 17.2.1.01-76³ выбросы в атмосферу классифицируют:

1. по агрегатному состоянию вредных веществ в выбросах, это – газообразные и парообразные (SO₂, CO, NO_x, углеводороды и др.); жидкие (кислоты, щёлочи, органические соединения, растворы солей и жидких металлов); твёрдые (свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и др.);

2. по массовому выбросу, выделяя шесть групп, т/сут:

1. менее 0,01 вкл.;

2. свыше 0,01 до 0,1 вкл.;

3. свыше 0,1 до 1,0 вкл.;

4. свыше 1,0 до 10 вкл.;

5. свыше 10 до 100 вкл.;

6. свыше 100.

В связи с развитием авиации и ракетной техники, а также интенсивным использованием авиационных и ракетных двигателей в других отраслях народного хозяйства существенно возрос их общий выброс вредных примесей в атмосферу. Однако на долю этих двигателей приходится пока не более 5 % токсичных веществ, поступающих в атмосферу от транспортных средств всех типов.

Заключение

Нельзя сказать, что вопросу загрязнения транспортом не уделяется никакого внимания. Все больше обычные поезда заменяются электровозами, разрабатываются и уже выпускаются автомобили на аккумуляторных батареях и электромобили, при современных темпах прогресса можно надеяться на то, что вскоре появятся и экологически чистые авиационные и ракетные двигатели. Правительства принимают решения против загрязнения планеты. За примером далеко ходить не надо. Инспекторы ГАИ уже наказывают водителей, чьи машины выбрасывают в атмосферу токсичных веществ больше нормы.

Охрана природы – задача нашего века, проблема, ставшая социальной. Снова и снова мы слышим об опасности, грозящей окружающей среде, но до сих пор многие из нас считают их неприятным, но неизбежным порождением цивилизации и полагают, что мы ещё успеем справиться со всеми выявившимися затруднениями.

Однако воздействие человека на окружающую среду приняло угрожающие масштабы. Чтобы в корне улучшить положение, понадобятся целенаправленные и продуманные действия. Ответственная и действенная политика по отношению к окружающей среде будет возможна лишь в том случае, если мы накопим надёжные данные о современном состоянии среды, обоснованные знания о взаимодействии важных экологических факторов, если разработает новые методы уменьшения и предотвращения вреда, наносимого Природе Человеком.

Литература

1. Бензпирен [Интернет-ресурс] https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B5%D0%BD%D0%B7%D0%BF%D0%B8%D1%80%D0%B5%D0%BD

2. Военная экология : учебник для высших военных учебных заведений МО РФ [Текст] / под ред. В.И. Исакова. – МО РФ, 2005. – 976 с.

3. Игнатович, Н.И. Чем опасен транспорт для людей, животных и растений? [Текст] / Н.И. Игнатович, Н.Г. Рыбальский. – М.: РЭФИА. – 1996. – 71 с.

4. Кучер, М.И. Экология : учеб. пособие [Текст] / М.И. Кучер, под ред. проф. Е.Э. Френкеля. – Вольск: ВВИМО, 2016. – 71 с.

5. Кучер, М.И. Экономика природопользования в воинской части : практикум [Текст] / М.И. Кучер, под ред. проф. Е.Э. Френкеля. – Вольск: ВВИМО, 2015. – 265 с.

6. Неверова, О.А. Древесные растения и урбанизированная среда. Экологические и биотехнические аспекты [Текст] / О.А. Неверова, Е.Ю. Колмогорова. – Новосибирск: Наука. – 2003.

7. Организация экологической безопасности военной деятельности: учеб. пособие для руководящего состава ВС, других войск, воинских формирований и органов РФ [Текст]. – М.: Филиал ФГУП «Воениздат», 2005. – 480 с.

1 С 1 июля 2003 года запрещён в Российской Федерации: Федеральный закон от 22.03.2003 № 34-ФЗ «О запрете производства и оборота этилированного автомобильного бензина в Российской Федерации»

2 Бензпире́н, или бензапире́н – ароматическое соединение, представитель семейства полициклических углеводородов, вещество первого класса опасности.

Образуется при сгорании углеводородного жидкого, твёрдого и газообразного топлива (в меньшей степени при сгорании газообразного). В окружающей среде накапливается преимущественно в почве, меньше в воде. Из почвы поступает в ткани растений и продолжает своё движение дальше в пищевой цепи, при этом на каждой её ступени содержание БП в природных объектах возрастает. Контроль содержания бензпирена в природных продуктах производится методом жидкостной хроматографии. Обладает сильной люминесценцией в видимой части спектра (в концентрированной серной кислоте – А 521 нм (470 нм); F 548 нм (493 нм)), что позволяет обнаруживать его в концентрациях до 0,01 миллиардных долей люминесцентными методами.

3 ГОСТ 17.2.1.01-76* (СТ СЭВ 1366-78). Охрана природы. Атмосфера. Классификация выбросов по составу (введён в действие Постановлением Госстандарта СССР от 31.03.1976 № 725) (ред. от 01.02.1980)

12

Код для цитирования: Скопировать