Автотранспорт как источник загрязнения окружающей среды

Кириллов Александр 9 класс

Школа № 91 г Красноярска

Загрязнение воздуха  города автомобильным транспортом.

 

Красноярск сегодня входит в  десятку самых неблагополучных  городов России по загрязнению воздуха. Большой вред загрязнению воздуха причиняют транспортные средства.

В Красноярске на 980 тысяч жителей приходится до 900 тысяч единиц автотранспорта. Протяженность сети автомобильных дорог общего пользования - 11990 км, плотность дорог - 5 км на 1000 кв. км территории, в том числе с твердым покрытием - 4,6 км. Пассажирскими перевозками занимаются 33 автотранспортных предприятия. Они обслуживают 236 междугородных, 220 пригородных и 109 городских маршрутов. Сервисное обслуживание пассажиров осуществляется на 10 автовокзалах и 20 пассажирских автостанциях. Красноярск связан автобусными маршрутами с 10 городами края и 18 районными центрами.

 Доля автотранспорта  во вредных  выбросах в атмосферу доходит  до 60%. Ежегодно с отработанными газами в окружающую среду попадает 800 тысяч тонн токсических веществ. Всего по России на долю  автомобильного парка приходится свыше 20 млн. тонн выбросов в год. Выхлопные газы ДВС вызывают 70% детских болезней. Медики считают, что болезни человечества на 68% вызваны вдыханием отравленного воздуха. Так, заболевание раком на 60-80% зависит от состояния окружающей среды.

Целью данной работы является: изучить транспортную нагрузку на ул. Тельмана и пр. Металлургов, оценить количество угарного газа, попадающего в окружающую среду с выхлопными газами автомобилей. На основе полученных данных выработать предложения по улучшению экологической ситуации.

Часть 1. Автотранспорт как основной источник загрязнения атмосферного воздуха.

 

К основным токсичным выбросам автомобиля относятся: отработавшие газы, картерные газы и топливные испарения. Отработавшие газы, выбрасываемые двигателем, содержат окись углерода (СО), углеводороды (С_ХH_Y), окислы азота (NO_X), бензапирен, альдегиды и сажу. Распределение основных компонентов выбросов у карбюраторного двигателя следующее: отработавшие газы содержат 95% СО, 55% С_ХH_Y и 98% NO_X, картерные газы по – 5% С_ХH_Y, 2% NO_X, а топливные испарения – до 40% С_ХH_Y.

Содержание токсичных выбросов в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания представлены в таблице.1

Таблица 1.

Содержание токсичных  выбросов в отработавших газах двигателей.

 

Компоненты	Доля токсичного компонента в отработанных газах  ДВС
	Карбюраторные		Дизельные
	В %	на 1000л топлива, кг	в %	на 1000л топлива, кг
CO	0,5-12,0	до 200	0,01-0,5	до 25
NOX	до 0,8	20	до 0,5	36
СХHY	0,2 – 3,0	25	0,009-0,5	8
Бензапирен	-	до 10 мкг/м3	-	-
Альдегиды	до 0,2мг/л	-	0,001-0,09мг/л	-
Сажа	до 0,04 г/м3	1	0,01-1,1г/м3	3

 

Основными токсичными веществами –  продуктами неполного сгорания являются сажа, окись углерода, углеводороды, альдегиды.

Вредные токсичные выбросы можно разделить на два вида: регламентированные и нерегламентированные. Они действуют на организм человека по-разному. Вредные токсичные выбросы: СО, NO_X, C_XH_Y, R_XCHO, SO₂, сажа, дым.

СО (оксид углерода) – этот газ без цвета и запаха, более легкий, чем воздух. Образуется на поверхности поршня и на стенке цилиндра, в котором активация не происходит вследствие интенсивного теплоотвода стенки, плохого распыления топлива и диссоциации СО₂ на СО и О₂ при высоких температурах.

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% из-за работы на обогащенных смесях. Это достигается для того, чтобы при плохих условиях смесеобразование обеспечить требуемое для воспламенения и сгорания число испарившихся молекул.

NO_X (оксиды азота) – самый токсичный газ из отработанных газов.

N₂ – Инертный газ при нормальных условиях. Активно реагирует с кислородом при высоких температурах.

Выброс с отработанными газами зависит от температуры среды. Чем больше нагрузка двигателя, тем выше температура в камере сгорания, и соответственно увеличивается выброс оксидов азота.

Кроме того, температура в зоне горения (камера сгорания) во многом зависит  от состава смеси. Слишком обедненная или обогащенная смесь при горении выделяет меньшее количество теплоты, процесс сгорания замедляется и сопровождается большими потерями теплоты в стенке, т.е. в таких условиях выделяется меньшее количество NO_x, а выбросы растут, когда состав смеси близок к стехиометрическому (1 кг топлива к 15 кг воздуха). Для дизельных двигателей состав NO_x зависит от угла опережения впрыска топлива и периода задержки воспламенения топлива. С увеличением угла опережения впрыска топлива удлиняется период задержки воспламенения, улучшается однородность топливовоздушной смеси, большее количество топлива испаряется, и при сгорании резко (в 3 раза) увеличивается температура, т.е. увеличивается количество NO_x.

Кроме того, с уменьшением угла опережения впрыска топлива можно существенно снизить выделение оксидов азота, но при этом значительно ухудшаются мощностные и экономические показатели.

Углеводороды (С_xН_y) - этан, метан, бензол, ацетилен и др. токсичные элементы. Отработанные газы содержат около 200 разных углеводородов.

В дизельных двигателях С_xН_y образуются в камере сгорания из-за гетерогенной смеси, т.е. пламя гаснет в очень богатой смеси, где не хватает воздуха за счет неправильной турбулентности, низкой температуры, плохого распыления.

ДВС выбрасывает большее количество С_xН_y, когда работает в режиме холостого хода, за счет плохой турбулентности и уменьшения скорости сгорания.

Дым - непрозрачный газ, белого, синего, черного цвета. Цвет зависит от состояния отработанных газов.

Белый и синий дым - это смесь капли топлива с микроскопическим количеством пара; образуется из-за неполного сгорания и последующей конденсации.

Белый дым образуется, когда двигатель находится в холодном состоянии, а потом исчезает из-за нагрева. Отличие белого дыма от синего определяется размером капли: если диаметр капли больше длины волны синего цвета, то глаз воспринимает дым как белый.

К факторам, определяющим возникновение  белого и синего дыма, а также  его запах в ОГ, относятся температура  двигателя, метод образования смеси, топливные характеристики (цвет капли зависит от температуры ее образования: при увеличении температуры топлива дым приобретает синий цвет, т.е. уменьшается размер капли).Кроме того, бывает синий дым от масла. Наличие дыма показывает, что температура недостаточна для полного сгорания топлива. Черный дым состоит из сажи.

Дым отрицательно влияет на организм человека, животных и растительность.

Сажа - представляет собой бесформенное тело без кристаллической решетки; в ОГ дизельного двигателя сажа состоит из неопределенных частице с размерами 0,3... 100 мкм.

Причина образования сажи заключается  в том, что энергетические условия в цилиндре дизельного двигателя оказываются достаточными, 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.

Образование сажи зависит от температуры, давления в камере сгорания, типа топлива, отношения топливо-воздух.

Содержание сажи в ОГ уменьшается с увеличением угла опережения впрыска топлива, а при уменьшении угла опережения впрыска топлива выделение сажи заметно возрастает.

Количество сажи зависит от температуры  в зоне сгорания.

Существуют другие факторы образования  сажи – наличие зоны обогащенной смеси и зоны контакта топлива с холодной стенкой, а также неправильная турбуленция смеси.

Скорость сжигания сажи зависит  от размера частиц, например, сажа сжигается  полностью при размере частиц меньше 0,01 мкм.

SO₂ (оксид серы) - образуется во время работы двигателя из топлива, получаемого из сернистой нефти (особенно в дизелях); эти выбросы раздражают глаза, органы дыхания.

SO₂ и H₂S - очень опасны для растительности.

Главным загрязнителем атмосферного воздуха свинцом в Российской Федерации в настоящее время является автотранспорт, использующий этилированный бензин: от 70 до 87 % общей эмиссии свинца по различным оценкам. РЬО (оксиды свинца) - возникают в ОГ карбюраторных двигателей, когда используется этилированный бензин, чтобы увеличить октановое число для уменьшения детонации (это очень быстрое, взрывное сгорание отдельных участков рабочей смеси в цилиндрах двигателя со скоростью распространения пламени до 3000 м/с, сопровождающееся значительным повышением давления газов). При сжигании одной тонны этилированного бензина в атмосферу выбрасывается приблизительно 0,5... 0,85 кг оксидов свинца. По предварительным данным, проблема загрязнения окружающей среды свинцом от выбросов автотранспорта становится значимой в городах с населением свыше 100 000 человек и для локальных участков вдоль автотрасс с интенсивным движением. Радикальный метод борьбы с загрязнением окружающей среды свинцом выбросами автомобильного транспорта - отказ от использования этилированных бензинов. По данным 1995г. 9 из 25 нефтеперерабатывающих заводов России перешли на выпуск неэтилированных бензинов. В 1997 году доля неэтилированного бензина в общем объеме производства составила 68%. Однако, из-за финансовых и организационных трудностей полный отказ от производства этилированных бензинов в стране задерживается.

Альдегиды (R_xCHO) - образуются, когда топливо сжигается при низких температурах или смесь очень бедная, а также из-за окисления тонкого слоя масла в стенке цилиндра.

При сжигании топлива при высоких температурах эти альдегиды исчезают.

Загрязнение воздуха идет по трем каналам: 1)ОГ, выбрасываемые через выхлопную трубу (65%); 2)картерные газы (20%); 3)углеводороды в результате испарения топлива из бака, карбюратора и трубопроводов (15%).

Часть 2. Влияние состояния атмосферного воздуха на человека.

 

Чувствительность населения к  действию загрязнения атмосферы  зависит от большого числа факторов, в том числе от возраста, пола, общего состояния здоровья, питания, температуры и влажности и  т.д. Лица пожилого возраста, дети, больные, страдающие хроническим бронхитом, коронарной недостаточностью, астмой, являются более уязвимыми.

Общая схема реакции организма  на воздействие загрязнителей ОС по данным Всемирной организации  здравоохранения (ВОЗ) имеет следующий  вид

 

 

Проблема состава атмосферного воздуха и его загрязнения от выбросов автотранспорта становится все более актуальной.

Среди факторов прямого действия (все, кроме загрязнения окружающей среды) загрязнение воздуха занимает, безусловно, первое место, поскольку воздух – продукт непрерывного потребления организма. 

Одним чрезвычайно вредным компонентом автомобильных выхлопов является свинец. Это наиболее токсичен элемент. Ежегодно в атмосферу выбрасывается около 200 тысяч тонн свинца.

Оксиды свинца накапливаются в организме человека, попадая в него через животную и растительную пищу. Свинец и его соединения относятся к классу высокотоксичных веществ, способных причинить ощутимый вред здоровью человека. Свинец влияет на нервную систему, что приводит к снижению интеллекта, а также вызывает изменения физической активности, координации, слуха, воздействует на сердечно-сосудистую систему, приводя к заболеваниям сердца. Свинцовое отравление (сатурнизм) занимает первое место среди профессиональных интоксикаций.

Содержание свинца в растениях, которые растут около дорог, зависит от расстояния растения до дороги. Норма РЬ в Европе – 10 мг РЬ в 1 кг травы.

Современные исследования в области  влияния состояния атмосферного воздуха на здоровье населения можно характеризовать следующей качественной таблицей общего плана.

Таблица 2.

 

Кратность превышения ПДК	Состояние здоровья населения
1	Нет изменений в состоянии здоровья
2-3	Изменение состояния здоровья по некоторым  показателям
4- 7	Выраженные функциональные сдвиги
8- 10	Рост специфической и неспецифической заболеваемости
100	Острые отравления
500	Летальные отравления

 

Диоксид углерода обладает наркотическим  действием, раздражающе действует  на кожу и слизистую оболочку. Оксид  углерода при вдыхании связывается  с гемоглобином крови, вытесняя из нее кислород, в результате чего наступает кислородное голодание, сказывающееся, прежде всего на центральной нервной системе. Высокая концентрация оксида углерода даже при кратковременном воздействии может вызвать смерть; небольшие дозы вызывают головокружение, головную боль, чувство усталости и замедленную реакцию. Оксид углерода – один из факторов, вызывающих болезнь сердца стенокардию, так как уменьшение переноса кислорода к тканям особенно пагубно для миокарда (сердечной мышцы). Диоксид азота вызывает сильное раздражение слизистых оболочек глаз, а при вдыхании – образование азотной и азотистой кислоты в дыхательных путях. Альдегиды (кислородосодержащие производные углеводородов) раздражающе действуют на глаза, дыхательные пути, поражающие центральную нервную систему, почки и печень. При фотохимическом смоге воспаляются глаза, слизистые оболочки носа и горла, отмечаются симптомы удушья, обострение легочных и нервных заболеваний, бронхиальной астмы. Сернистый газ приводит к росту онкозаболеваний. Вдыхание влажного воздуха, содержащего диоксид серы, особенно опасно для людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. Длительное вдыхание повышенных концентраций сернистого газа повышенных концентраций действует на организм общетоксично, вызывая нарушения деятельности нервной системы. Как любая мелкая пыль, сажа действует на органы дыхания, но главная опасность заключается в том, что на ней адсорбируются канцерогенные вещества, следовательно, возрастает риск заболевания раком.

 

 

 

Часть 3. Исследования состояния воздушной среды пр. Металлургов и ул. Тельмана.

 

Исследования проводились на этих улицах не случайно. Школа № 91 находится в микрорайоне находящемся между ул. Тельмана и пр. Металлургов, и весь транспорт проходит по ним. Поставив перед собой задачу, вычислить токсические продукты от работы транспорта, проводились измерения в течение одного месяца 2 раза в день (с 8 до 18 часов). Обработав результаты эксперимента, получили следующие данные.

 

Таблица 3.

Состав выхлопных газов  бензиновых и дизельных  двигателей (г/мин).

 

Компоненты выхлопных  газов	Бензиновые двигатели	Дизельные двигатели
Оксид углерода СО (II)	0,035	0,017
Оксид углерода СО2 (IV)	0,217	0,2
Оксид азота NO2	0,002	0,001
Сажа	0,04	1,1