Курс лекций по "Экологии транспорта"

Соединения серы поступают в  атмосферный воздух в виде SO₂, SO₃, H₂S, CS₂. В свободной атмосфере сернистый газ через некоторое время окисляется до серного ангидрида или вступает во взаимодействие с другими соединениями (с УГ). Окисление SO₂ в SO₃ в свободной атмосфере происходит при фотохимических и каталитических реакциях. В обоих случаях конечным продуктом является аэрозоль или раствор Н₂SO₄ в дождевой воде.

Инициатором фотохимического окисления  является солнечное излучение. При  этом молекула SO₂ переходит в возбужденное состояние и реагирует с атмосферным кислородом, другими соединениями. Основные этапы этих реакций описываются следующими уравнениями:

SO₂ + h_v Õ SO₂^*

SO₂ + O₂ = SO₄

SO₄ + 0,5O₂ = SO₃ + O₂

SO₃ + H₂O = H₂ SO₄

Окисление SO₂ усиливает при наличии в атмосфере оксидов азота, которые под действием солнечной радиации продуцируют атомный кислород, окисляющий SO₂ в SO₃. Каталитическое окисление SO₂ происходит в случае растворения его в воде, при наличии в атмосфере аэрозольных частиц из окислов или солей железа и марганца.

Реакция SO₂ с ненасыщенным УГ происходит при активировании SO₂ солнечным светом в присутствии NO_x, O₃ или О. SO₂ может адсорбироваться на поверхности твердых частиц из окислов металлов, гидроокислов или карбонатов и окислятся до сульфатов.

Сероводород и серо углерод при  взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются в свободной атмосфере медленному окислению до SO₃.

Соединения азота, поступающие  в атмосферу от объектов АТК, представлены в основном NO и NO₂

Выделяемый в атмосферу NO под действием солнечного света интенсивно окисляется атмосферным кислородом до NO₂

Кинетика дальнейших превращений  диоксида азота связана с его способностью поглощать ультрафиолетовые лучи и диссоциировать на NO и О в процессах фотохимического смога.

Высокий потенциал самовосстановления атмосферы, трансформация основных компонентов автомобильных выбросов являются причинами того, что время существования исходных загрязняющих веществ в атмосфере составляет от нескольких до нескольких суток, поэтому угрожающая для людей концентрация этих веществ в открытом пространстве не наблюдается.

Однако при определенных природноклиматических условиях в атмосфере они могут стать причиной образования фотохимического смога, представляющего большую угрозу для ОС и человека.

Фотохимический смог – это комплексная  смесь, образующаяся при взаимодействии солнечного света из двух основных компонентов выбросов автомобильных двигателей – NO и углеводородных соединений. Другие вещества (SO₂, ТЧ) также могут участвовать в смоге, но не являются его основными носителями высокого уровня.

Развитию смога способствуют стабильные метеоусловия. Эмиссии вредных веществ удерживаются в атмосфере города в результате инверсии. Инверсия служит своеобразной крышкой на сосуде с реактивами (т.е. над атмосферой города) препятствуя рассеиванию выбросов. При этом новые эмиссии (выбросы) вредных веществ и реакции добавляются к первоначальным. Оксиды формируются в основном из озона, смешанного с другими окислителями, включая слезоточивый газ – пероксиацетилнитрит – ПАН.

Экспериментально установленная  хронология образования смога в  крупных городах представляет собой следующую последовательность этапов: утренний максимум концентраций компонентов, относящийся к пику интенсивности транспортных потоков, сопровождается окислением NO в NO₂ с последующим образованием оксиданта(63) и других продуктов смога: ПАН, альдегиды.

 

Лекция № 5

Показатели токсичности  ОГ и двигателей.

5.1. Единицы измерения концентраций компонентов вредных веществ ОГ и формулы их взаимосвязи.

Основной качественной характеристикой  наличия вредного вещества в выбросах промышленных предприятий является концентрация, т.е. количество вещества в единице объема (реже массы) ОГ. Как известно из физики содержание отдельных компонентов в газовой смеси может выражатсься различными единицами:

1. Объемными долями или %;
2. Массовыми долями или %.

Помимо выражения концентраций компонентов в объемных долях или % малые концентрации удобнее выражать в специальных единицах измерения – частях на миллион, которые обозначаются млн ^– 1 или ч.н.м. (в латыни pm).

Связь между % объема и млн ^–1 следующая:

1% объема = 10⁶ млн ^–1 или 1% объема = 10⁶ млн ^–1

Иногда содержание компонента выражают в следующих единицах: мг/л, г/м³, мг/м³, мкг/м³. При этом масса компонента в газовой смеси относится к объему этой смеси при нормальных условиях р₀ = 0,1МПа и Т₀ = 273,15К

Связь между концентрациями, выраженными в различных единицах, описывается следующими зависимостями:

С(г/л) = С(млн ^–1)10 ^{– 6}

С(мг/л) = С(г/л)10 ³ = С(млн ^{– 1})10 ^–3

С(млн ^–1) = С(мг/л) = С(мг/м³)

С(г/м³) = С(%)

Концентрации вредных веществ  в промышленных выбросах и в ОГ, являются важнейшими характеристиками их токсичности, в то же время не отражают в полной мере токсичности двигателя в целом, так как абсолютный выброс вредного вещества зависит еще и от количества выброса или ОГ. Часовой выброс i-го компонента:

, г/час, (г/с)

где С_i – концентрация компонента в ОГ, г/м³;

V_ОГ – Объемный расход ОГ при н.у., м³/ч, (м3/с);

при a < 1

, м³/ч;

при a ³ 1

, м³/ч

Расход сухих газов ОГ:

Значение абсолютного выброса  вредного вещества необходимого для  определения величины ущерба от этого вещества, но как экологический показатель двигателя он может использоваться только при экологическом совершенствовании конкретного двигателя или при сравнении двигателей, работающих в одинаковых условиях и имеющих одинаковую мощность. В качестве экологических показателей ДВС используются удельные выбросы вредных веществ, отнесенные к эффективной мощности двигателя или к расходу топлива и выражаемые в г/квт.ч или в г/кг топл.

Удельные выбросы веществ с  ОГ определяются по следующим формулам:

е_i = , г/квт.ч

где m _i – массовый выброс, г/л;

N_e – мощность двигателя, квт.

или е_i' =

где g_e – удельный расход топлива, кг/квт.ч.

При нормировании вредных выбросов автомобилями и их двигателями используются также специальные удельные показатели, которые выражаются в соответствующих единицах измерения: г/цикл, г/мм , г/км.

В основе этих показателей также  заложены указанные выше показатели абсолютных и удельных выбросов вредных веществ.

 

5.2. Оценка общей токсичности.

Так как отдельные компоненты газовой смеси ОГ оказывают различное, как по способу, так и по величине, воздействие на организм человека, то оценка общей токсичности ОГ является сложной задачей. Определение общей токсичности ДВС и сравнение экологических показателей различных двигателей и транспортных средств усложняется различием абсолютных и удельных выбросов по отдельным компонентам.

Об опасности того или иного  вещества для человека можно судить по ПДК этого вещества в воздухе. Однако необходимо учитывать, что некоторые  вредные вещества (ПАУ, PbОx) могут накапливаться в ОС и попадать в организм неингаляционным путем (например с пещей) отдельные компоненты ОГ (твердые частицы, пыль) подвергаются вторичному забросу в атмосферу; при определенных условиях в атмосфере некоторые вещества (СН, NO_x...) могут участвовать в реакциях с образованием вредных веществ, чем исходные компоненты.

Все это усугубляет опасность выбросов вредных веществ в атмосферу. Кроме того эти вещества оказывают влияние не только на людей, но и на животных и растительность, что усугубляет их вредное действие.

Для того, чтобы учесть все перечисленные  факторы вводят показатель относительной агрессивности, который количественно показывает во сколько раз рассматриваемое вещество более опасно при попадании в атмосферу по сравнению с каким-то стандартным веществом, действия которого наиболее изучено. Таким веществом валяется СО.

При наличии в атмосфере нестойких  веществ, их относительная суммарная концентрация не должна быть более 1,0:

где С_i – мг/м³;

ПДК_м.р. – мг/м³

Тогда А_i' = ;

А_i' – показатель относительной агрессивности, усл.г/г, усл.кг/кг.

При определении ущерба от загрязнения  атмосферы используют также коэффициент приведения к СО, но с учетом дополнительных факторов:

А_i² = a_i·a_i·d_i·l_i·b_i ,

где а_i – показатель относительной опасности присутствия примеси в воздухе;

a_i – коэффициент, учитывающий вероятность накопления вредного вещества или вторичных загрязнителей в воздухе и других компонентах ОС, а также поступление их в организм человека, a_i = 1¸5;

d_i – коэффициент, учитывающий воздействие вредных веществ на различные реципиенты, помимо человека, d_i = 1¸2;

l_i – коэффициент, учитывающий вероятность вторичного заброса примеси в атмосферу после их оседания на поверхность, l_i =1¸2;

b_i – коэффициент, учитывающий вероятность образования при участии исходных веществ, выброшенных в атмосферу, вторичных загрязнителей, более опасных, чем первичные, b_i =1¸5.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 5.1. Значение ПДК компонентов ОГ и других веществ, связанных с работой ДВС.

№ п/п	Вещество	ПДКР.З., мг/м3	ПДК в атм. воздухе		Кл. опасности
			м.р.	с.с.
1	Оксид азота, NO	30	0,4	0,06	3
2	Диоксид азота, NO2	2	0,085	0,04	2
3	Моноксид углерода, СО	20	5	3	4
4	Диоксид серы, SO2	10	0,5	0,05	3
5	Сажа	4	0,15	0,05	3
6	УГ летучие, низкомолеку-лярные(пары топлив), по С	300	5	1,5	4
7	Бензин топливный, сланце-вый	100	0,05	0,05	4
8	Бенз(a)пирен	1,5·10 - 4		1·10 - 6	1
90	Бензол	5	1,5	0,1	2
10	Формальдегид	0,5	0,035	0,03	3
11	Акролеин	0,2	0,03	0,03	3
12	ТЭС	0,005		3 10 - 6	1
13	Неорганические соедине-ния Pb	0,005	0,001	0,0003	1
14	Озон	0,1	0,16	0,03	3

 

Таблица 5.2. Значения показателя А_i и коэффициентов

№ п/п	Вещество	аi	ai	li	bi	di	Аi
1	Оксид азота, NO	14,1	1	1	1	1,5	21,2
2	Диоксид азота, NO2	27,4	1	1	1	1,5	41,1
3	Моноксид углерода,СО	1	1	1	1	1	1
4	Диоксид серы, SO2	11	1	1	1	2	22
5	Сажа	17,3	2	1	1	1,2	41,5
6	УГ предельные низко-молекулярные (пары топлив) по С	0,63	1	1	5	1	3,16
7	Бензин топливный, сланцевый	3,5	1	1	5	1	17,5
8	Бензальфапирен	6,3·105	2	1	1	1	12,6 105
9	Бензол	11	1	1	1	1	11
10	Формальдегид	200				1,2	240
11	Акролеин	100	1	1	1	1,2	120
12	ТЭС	6,3·104	5	1	1	1	3,15·105
13	Неорганические соединения Pb	6325	5	1	1	1	31625
14	Озон	141,1	1	1	1	1,5	212,1
15	ТЧ дизелей и др. Уста-новок, мазут, газ						200
16	ТЧ бензина ДВС не-этилированного						300
17	ТЧ этилированного бензина						500

 

При оценке социально-экономического ущерба от загрязнения атмосферы городов и промышленных центров используют следующий показатель относительной агрессивности:

,

где – среднесуточная концентрация i-го вещества в воздухе, мг/м³;

 и  – среднесуточные ПДК концентрации.

Как видно из формул значения показателей  относительной агрессивности А_i¹, А_i² и А_i³, значительно отличаются. Если при определении А_i¹ и А_i² используют ПДК^м.р., ПДК^с.с. и ПДК^р.з., то при вычислении А_i³ учитывают и фактическую концентрацию вредного вещества в данном районе города. Поэтому первые два показателя остаются практически постоянными для всей территории, а третий показатель зависит от местоположения расчетной концентрации и соответственно от фактической концентрации вредных веществ в данной точке.