Загрязнение окружающей среды отработавшими газами автомобилей
65% токсичных выбросов автомобилей приходится на отработавшие выхлопные газы, 20% - на картерные газы, 14% - испарение бензина. Если бы двигатели внутреннего сгорания были эффективны на все 100%, то в качестве выхлопа выбрасывалась бы углекислый газ и водяной пар. Однако эффективность сгорания топлива в двигателях низкая, происходит не полное сгорание, а крекинг топлива, поэтому в выхлопных газах содержится около 200 различных соединений.
По характеру воздействия на организм человека, химической структуре и свойствам компоненты отработавших газов можно разделить на шесть основных групп.
Первую группу представляют нетоксичные вещества: азот, кислород, водяные пары, углекислый газ.
Вторую группу составляет окись углерода, или угарный газ, выделяемый двигателями в наибольшем количестве. Он не имеет ни цвета, ни запаха, для него характерно большое сродство с гемоглобином крови, снижает обеспеченность тканей кислородом, нарушает углеводный и фосфорный обмен. Воздействие на организм человека зависит от концентрации СО в воздухе: 0,0016% - безвредно; 0,01 – хроническое отравление при длительном вдыхании; 0,05 – слабое отравление через 1ч.; 1% - потеря сознания после нескольких вдохов.
Третью группу составляют окислы азота NOx, состоящие из окиси NO и двуокиси NO2. По действию на организм человека NOX более опасны, чем СО. В зависимости от объёмной концентрации в атмосфере NOX воздействовать на человеческий организм следующим образом: 0,00001% - абсолютный порог воздействия; 0,0001-0,0003% - порог восприятия запаха; 0,0013% - порог раздражения слизистых оболочек носоглотки, глаз; 0,001%-0,002% - образование метагемоглобина в крови; 0,004-0,008% - отёк лёгких, воспаление дёсен и т. д. При концентрации 0,085 мг/м3 и выше возможно внутреннее кровоизлияние, смерть от асфиксии. NOX является своеобразными катализаторами, способствующими под воздействием ультрафиолетового солнечного облучения окислительному распаду углеводородов и образованию сложных токсичных веществ раздражающего действия. NOX представляет собой кислотообразующие окислы, поскольку при определённых условиях, в присутствии кислорода воздуха могут превращаться в азотную и азотистую кислоты или их соединения. Причём эти реакции могут происходить в организме человека, раздражающе действуя на дыхательные пути, слизистые оболочки глаз. При постоянном воздействии растворов азотной кислоты срок службы железобетонных конструкций снижается в 4-5 раз.
Рассмотренные выше вещества – газы. Однако в выхлопах автомобилей имеются вещества в виде паров и аэрозолей, что приводит к дополнительным трудностям при анализе загрязнения воздуха. В первую очередь к ним необходимо отнести различные углеводороды, которые относятся к четвёртой, самой многочисленной группе. Углеводороды – это соединения типа CnHm, являющиеся представителями всех гомологических рядов: алканов, алкенов, алкадиенов, цикланов, и т. д. Из общего количества органических компонентов отработавших газов предельные углеводороды составляют 32%, непредельные – 27,2%, ароматические – 4%, альдегиды и кетоны – 2,2%. Загрязнение воздуха углеводородами и окислами азота тем более опасно, что NOX под действием длинноволнового солнечного ультрафиолетового облучения являются катализаторами, приводящими к окислительному распаду углеводородов с образованием так называемого фотохимического смога. Количество и интенсивность образования фотооксидантов зависят от концентрации в воздухе исходных компонентов – CnHm и NOx. Критическими для начала фотохимических реакций являются концентрации CnHm более 5 мг/м3 и NOx – 0,15-0,2 мг/м3. Контролируя эти концентрации, можно предупредить появление смога.
В фотохимических реакциях образования смога участвуют также альдегиды, образующие пятую группу компонентов в отработанных газах автомобилей. К ним в основном относятся формальдегид и акролеин. Формальдегид – бесцветный газ с резким запахом, воздействие которого на организм человека зависит от концентрации в воздухе: 0,00037% - безвреден; 0,007% - лёгкое раздражение дыхательных путей и слизистых оболочек носа и глаз; 0,018% - сильное раздражение с осложнениями. Акролеин – бесцветная жидкость с характерным запахом. В объёмной концентрации в воздухе 0,00008% - безвреден; 0,00016% - восприятие запаха; 0,0005% - трудно переносим; 0,002% - непереносим; 0,014% - приводит к смерти через 10 мин.
Кроме газов, паров и аэрозолей автомобили выбрасывают значительное количество твёрдых частиц, которые образуют шестую группу компонентов отработавших газов. Основным компонентом твёрдых выбросов является сажа, состоящая из частиц твёрдого углерода. Термический крекинг топлива наиболее благоприятно происходит в дизельных двигателях, поэтому по сравнению с бензиновыми они выбрасывают сажи гораздо больше (соответственно 40 и 1100 мг/м3). Увеличение выбросов сажи дизельных двигателей происходит при повышении их нагрузки, например, на подъёмах. Поэтому проектирование продольного профиля автомобильных дорог необходимо производить не только из условий допускаемых скоростей автомобилей, но и с учётом допускаемого загрязнения воздуха. Хотя сажа загрязняет воздух, ухудшает видимость и может раздражать дыхательные пути, она в гигиеническом отношении не представляет непосредственной опасности для организма человека. Главная опасность сажи в том, что вследствие значительной активной удельной поверхности (до 75 м2/г) на ней конденсируются CnHm, в том числе бензапирен-3,4, адсорбированный поверхностью сажи, действует на живые клетки сильнее, чем в чистом виде.
В настоящее время для повышения октанового числа бензина и в качестве антидетонационной присадки в карбюраторных двигателях применяется тетраэтилсвинец. В 1литре этилированного бензина содержится 0,4 – 0,8 г металлического свинца, 75% которого в процессе сгорания превращаются в высокотоксичные аэрозоли окислов с величиной частиц до 5мк. Содержание свинцовой пыли в отработавших газах автомобиля колеблется от 0,07 до 400 мг/м3, а мировой парк автомобилей выбрасывает в год свыше 400 тыс. т свинца. Соединения свинца – наиболее токсичные компоненты отработавших газов. Они способны накапливаться в растениях, животных, в организме человека. При содержании свинца в крови 7мг/мл происходят нарушение процесса кровообращения, он повреждает мозг детей, печень и почки взрослых, нарушает функции нервной системы, приводя к параличу.
Чтобы оградить население от шума и отработавших газов при пересечении дорогами населённых пунктов, необходимо устраивать зелёные насаждения в сочетании с защитными барьерами и экранами. Если интенсивность автомобильного движения высока, для зелёных насаждений лучше рекомендовать газоустойчивые породы деревьев и кустарников.