--PAGE_BREAK--
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 NOи 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 NO2и О2, поэтому заметного накопления озона не происходит. Однако в присутствии углеводородов NOреагирует 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:
1) солнечный свет
2) оксиды азота NOx
3) углеводороды
4) температура выше 18ºC
При этих значениях реакции происходят достаточно быстро для устойчивого формирования вредных веществ.
Известно, что ранним утром уровень загрязнения низкий. Концентрация NOи несгоревших углеводородов возрастает, когда люди отправляются на работу в автомашинах. С восходом солнца в утренние часы и увеличением интенсивности излучения, NOпревращается в NO2и, соответственно, возрастает содержание озона и альдегидов. Последние достигают максимума в полдень, при наибольшей солнечной активности. Надо отметить, что концентрация NOxпадает 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 NOxи 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 ppmvO3в 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 O3и 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.
Альтернативное топливо.
Спирты. В ряде стран, особенно располагающих обширными плантациями сахарного тростника, все в большей степени заменяют бензин на спиртосодержащее топливо. В Бразилии, например, серийно выпускаются и широко эксплуатируются автомобили, использующие в качестве топлива чистые спирты. Их эксплуатация показала, что в выхлопных газах резко снижено содержание оксидов азота и углеводородов.
С начала 90-х гг. на метаноле работает общественный транспорт Стокгольма. В результате снизился не только выброс вредных веществ (в 5 раз), но и спектр токсичности компонента.
Все чаще внедряются так называемые комбинированные автомобильные топлива: смеси на основе бензина и спиртов (метанола, этанола). При содержании в топливе до 10% спирта не требуется изменять конструкцию двигателей внутреннего сгорания. Более того, введение спирта способствует повышению октанового числа с 88 до 94 при одновременном снижении оксидов азота и углеводородов в выхлопных газах.
Водород. Весьма перспективным заменителем традиционного топлива для автомобилей является водород. Двигатель, работающий на жидком водороде, не дает запахов, не выделяет таких токсичных веществ, как свинец, оксиды азота и углерода. Жидкий водород почти в 10 раз легче бензина. Водородный двигатель в ряде случаев может быть примерно на 50% эффективнее бензинового, поскольку работает на обедненной смеси, имеет более высокую степень сжатия, очень небольшое опережение зажигания и полное сгорание, дает в качестве выхлопа водяной пар.
Ученные разработали систему водородной безопасности – так называемые дожигатели, которые нейтрализуют водород при малейшей его утечке, сигнализируя водителю о неисправности.
Преградой на пути широкого внедрения водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей является сложность получения его в достаточно больших количествах и необходимость обеспечения высокого уровня безопасности при осуществлении процесса горения водорода.
Жидкий азот. В США создан двигатель, в котором вместо бензина используется жидкий азот. Бак с охлажденным до жидкого состояния азотом соединен с испарителем, окруженным «рубашкой», в которой циркулирует воздух. Жидкий азот, попадая в испаритель, превращается (вследствие быстрого повышения температуры) в газ, который выходит под большим давлением из испарителя и приводит в действие электрогенератор. Вырабатываемый последним ток после выпрямления подается для питания электродвигателей, установленных на колесах. Выхлопные газы такого автомобиля состоят из чистого азота, который, естественно, не загрязняет атмосферу.
Разработка альтернативных видов
автотранспорта.
Электромобили. Действуют от батарей-аккумуляторов, периодически подзаряжаемых на станциях. Электромобили бездымны, бесшумны, компактны, их выделения не токичны, они просты в управлении, а эксплуатация значительно экономичнее, особенно в городах. Этому способствует большой среднесуточный пробег автомобилей в городе, скорости и возможность организации сети зарядных станций для батарей-аккумуляторов.
Ныне несколько десятков тысяч электромобилей эксплуатируются в ряде стран, в т.ч. и России для доставки продуктов питания, небольших грузов, почты и т.п. Десятки типов экспериментальных электробусов для перевозки пассажиров действуют в Великобритании, Франции, США и других странах.
Солнечный электромобиль. Он представляет собой комплекс, включающий электрическую систему и солнечный коллектор, который обеспечивает перезарядку аккумуляторной батареи во время его движения или стоянки. Солнечный коллектор поглощает солнечное излучение и превращает его в электричество. Оно «хранится» в батарее до тех пор, пока не потребуется до приведения в действие электродвигателя.
С теоретической точки зрения солнечный автомобиль должен бы двигаться очень долго, так как единственным необходимым для него топливом являлся солнечный свет. Однако серьезным недостатком остается невозможность движения ночью или днем в условиях сплошной облачности.
Автомобиль с инерционным двигателем. В качестве накопителя энергии здесь используется не аккумулятор, а маховик. Такое нововведение позволяет обойтись без двигателя, коробки скоростей, радиатора, стартера и выхлопной трубы. Электроток от стационарного источника используется для раскрутки супермаховика из легких, но прочных на разрыв углеродных волокон. Когда он наберет обороты, напряжение отключается. Однако вращение продолжается несколько часов, поскольку супермаховик заключен в герметичную капсулу, из которой выкачен сопротивляющийся воздух, а магнитный подвес устраняет трение в подшипниках. Эксперименты в этой области показывают, что автомобиль с супермаховиком способен разгоняться до 96,5 км/ч всего за 6,5 с. Пробег без подзарядки также обещает быть впечатляющим – до 600 км.
Автомобили с гибридными двигателями. Предпринимаются активные усилия по устранению недостатков электромобилей и солнечных автомобилей путем создания так называемых гибридных автомобилей.
Идея одного из таких проектов состоит в следующем. Бензин из бензобака попадает в подогреваемый испаритель, а потом сгорает в первом реакторе. Благодаря ограниченному доступу воздуха топливо частично окисляется, образуя водород и оксид углерода CO. Во втором промежуточном реакторе COвзаимодействует с водяным паром и в присутствии катализатора превращается в диоксид углерода CO2и дополнительный водород. А завершается процесс реформинга в третьем реакторе. В результате из бензина получается водород, преобразуемый топливными элементами в электричество, а попутно – диоксид углерода, воду и азот. Рабочая температура системы 80ºC, избыточное тепло удаляется обычным автомобильным радиатором. Расход бензина не должен превышать 3 л на 100 км.
Ведущие фирмы по производству автомобилей все более энергично продвигают на мировой рынок автомобили с гибридными двигателями. Так, концерн «Тойота» (Япония) планирует построить в Китае завод по производству 500 тыс. автомобилей с бензоэлектрическими двигателями. Предполагается к 2010 г. довести выпуск таких автомобилей до 1 млн штук. Компания «Форд» (США) сообщила о намерении в течение ближайших 4 лет довести выпуск гибридных автомобилей до 250 тыс. штук, что составит около 8% от всех выпускаемых автомобилей.
Утилизация отходов автотранспортных средств.
Отходы автотранспортных средств обширны и разнообразны: это сами автомобили, отслужившие свой срок («по старости» или в результате аварии), шины, аккумуляторы, агрегатные узлы и др. Да и сам автомобиль представляет собой немалую ценность, в нем черные и цветные металлы составляют 71 и 3,4% соответственно, полимерные материалы 8,5%, каучук – 4,7%, стекло – 4%, бумага и картон – 0,5%, прочие материалы – 7,8%. В таблице 3, например, представлены данные об образовании изношенных шин ежегодно в разных странах.
Таблица 3.
продолжение
--PAGE_BREAK--