ЛР-5-Автотранспорт (1). Оосвсмр стр. 2 В крупных городах на долю автотранспорта приходится более половины объема вредных выбросов в атмосферу. В мегаполисах эта величина еще больше СанктПетербург 71 %, Москва 88 %
 Скачать 425.88 Kb.
|
|
ООСвСМР стр. 1 Лабораторная работа №5 Вредные воздействия на ОС в результате работы автотранспорта Цель работы получить основные навыки в практическом определении выброса вредных веществ в результате работы двигателей автотранспорта. Оценка влияния токсичных продуктов от работы двигателей транспорта на живые организмы и окружающую среду. а) б) в) г) Рис. 1 Путь развития двигателестроения (в картинках) а) двигатель Бенца; б) современного легкового авто г) оппозитный двигатель (мотоцикл д) танка Армата Теория В антропогенном загрязнении большую роль играют не только стационарные промышленные предприятия, но и мобильные источники, особенно автотранспорт, количество которого с увеличением размеров городов и населения постоянно повышается. Если 15 − 20 лет назад атмосферу города загрязняли в основном отходы промышленности и энергетики, то сегодня пальма первенства перешла к химическим фабрикам на колесах − автотранспорту, на долю которого приходится до 90 % всех выбросов в атмосферу. ООСвСМР стр. 2 В крупных городах на долю автотранспорта приходится более половины объема вредных выбросов в атмосферу. В мегаполисах эта величина еще больше Санкт-Петербург – 71 %, Москва – 88 %. Уровень загрязнения воздуха оксидами азота и углерода, углеводородами и другими вредными веществами на большинстве автомагистралей враз превышает предельно допустимые концентрации. Большинство марок применяемого ныне бензина содержит в качестве антидетонационной присадки тетраэтилсвинец (0,41 – 0,82 гл. Бензин с такой присадкой называют этилированным, ее применение позволяет сократить потребление топлива, но загрязняет атмосферу соединениями свинца. Технический уровень эксплуатация автомобилей постоянно совершенствуется. Повышаются требования национальных стандартов. Однако, даже в этих условиях во субъектах Российской Федерации отмечается, превышение действующих нормативов по токсичности и дымности. Исследование данного вопроса является актуальной технической проблемой (задачей. Влияние на человека отработавших газов автомобилей Во многих странах, ив первую очередь индустриально развитых и густонаселенных, нарастает загрязнение поверхности Земли механическими примесями в виде золы, пыли, шлаков. Такое загрязнение особенно велико в районах размещения крупных транспортных узлов. При сжигании в автотранспортных установках топлива в воздух выбрасывается с продуктами сгорания сернистый ангидрид, который, соединяясь с атмосферной влагой, образует сернистую и серную кислоты, попадающие в конечном счете в почву и воду. Подобные агрессивные вещества оказывают очень вредное влияние прежде всего на растительный мир, угнетая леса на больших территориях. Скапливаясь в воздухе, они угрожают также животному миру и человеку, интенсивно разрушают металлические конструкции, лакокрасочные покрытия, бетонные и каменные сооружения. Большой вред наносится зданиям, мостам, архитектурным памятниками другим сооружениям. Доля отработавших газов автомобилей в загрязнении атмосферного воздуха больших городов изменяется в зависимости от времени и пропорциональна интенсивности движения транспортных средств. Минимальная концентрация вредных веществ наблюдается в ночные часы, когда их содержание в воздухе в несколько раз меньше, чем днем. Максимальная концентрация отмечается в часы пик. Атмосфера улиц самоочищается в результате проветривания. При одной и той же интенсивности движения большее загрязнение воздуха отмечается в районах, плотно застроенных высокими зданиями, и вдоль дорог с узкой проезжей частью. В автомобильных двигателях химическая энергия топлива преобразуется в тепловую, а затем в механическую работу. Процесс высвобождения химической энергии реализуется посредством горения, при котором реагенты энергоносителя соединяются с кислородом. Продукты окислительных реакций содержат оксид углерода, оксиды азота, оксиды серы, углеводороды, альдегиды, ООСвСМР стр. 3 соединения свинца, бенз(а)пирен, оксиды серы, углеводороды и другие побочные продукты горения. По воздействию на организм человека компоненты отработавших газов подразделяются − на токсичные – оксид углерода, оксиды азота, оксиды серы, углеводороды, альдегиды, соединения свинца − канцерогенные – бензапирен; − раздражающего действия – оксиды серы, углеводороды. Влияние перечисленных компонентов отработанных газов на организм человека зависит от их концентрации в атмосфере и продолжительности действия. Оксид углерода при вдыхании попадает в кровь и образует комплексное соединение с гемоглобином – карбоксигемоглобин. Оксид углерода реагирует с гемоглобином враз быстрее, чем кислород, что приводит к развитию кислородной недостаточности. Признаками кислородной недостаточности являются нарушения в центральной нервной системе (ЦНС), поражения дыхательной системы, снижение остроты зрения. Увеличенные среднесуточные концентрации оксида углерода способствуют возрастанию смертности лиц с сердечно-сосуди- стыми заболеваниями (ССЗ). Оксид углерода в воздухе в зависимости от степени концентрации вызывает слабое отравление через 1 ч (концентрация С = 0,05 об. %), потерю сознания через несколько вдохов (С = 1 об. %). Из оксидов азота наибольшую опасность представляет диоксид азота Воздействие оксидов азота на человека приводит к нарушению функций легких и бронхов. Воздействию оксидов азота в большей степени подвержены дети и люди, страдающие сердечно-сосудистыми заболеваниями. Оксиды азота в воздухе в зависимости от концентрации вызывают раздражение слизистых оболочек носа и глаз (С = 0,001 об. %), начало кислородного голодания (С = 0,001 об. %), отек легких (С = 0,008 об. %). Сернистый ангидрид в воздухе даже в относительно низких концентрациях увеличивает смертность от ССЗ, способствует возникновению бронхитов, астмы и других респираторных заболеваний. Углеводороды в результате фотохимических реакций с оксидами азота, попадающими в воздух с выхлопными газами автотранспорта, под действием солнечного излучения образуют фотохимический смог. Продукты этих реакций называются фотохимическими окислителями. Это агрессивные химические соединения, токсичные для растений, животных и человека. Фотохимический смог вызывает головные боли, тошноту, раздражение слизистых оболочек глаз и токсичный – способный вызвать отравление, ядовитый 2 канцерогенный – способствуетвозникновению злокачественных опухолей ООСвСМР стр. 4 дыхательных путей, ухудшает состояние при хронических респираторных заболеваниях. Бензапирен, попадая в организм человека, постепенно накапливается до критических концентраций и стимулирует образование злокачественных опухолей. Сажа не представляет непосредственной опасности для человека, но является адсорбентом канцерогенных веществ и способствует усилению влияния других токсических компонентов, например сернистого ангидрида. Свинец способен накапливаться в организме, попадая в него через дыхательные пути, с пищей и через кожу. Поражает ЦНС и кроветворные органы. В первую очередь воздействию токсических составляющих отработавших газов подвергается водитель автомобиля. Анализ воздуха в кабинах транспортных средств показал, что концентрация оксида углерода (особенно в кабинах грузовых автомобилей) может превышать предельно допустимые нормы. Выбросы SO 2 являются причиной выпадения сернокислотных осадков, способствующих закислению почвы, воды и разрушению облицовки зданий. Возрастание концентрации оксида углерода опасно возникновением парникового эффекта, который приводит к возрастанию температуры воздуха у поверхности Земли. Таблица Состав смеси выхлопных газов для ДВС представлен в таблице Компоненты выхлопного газа Содержание по объему, % Примечание Двигатели Бензиновые Дизели на Метане на Пропан бутане на Водороде Азот (N 2 ) 74,0-77,0 76,0-78,0 71,5 71,4 65,2 Нетоксичен Кислород (О) 0,3-8,0 2,0-18,0 – – Нетоксичен Пары воды НО) 3.0-5,5 0,5-4,0 19,0 17,24 34,8 Нетоксичен Диоксид углерода (СО) 0,01-16,0 1,0-10,0 9,5 11,36 – Нетоксичен Оксид углерода СО) 0,1-5,0 0,01-0,5 – – – Токсичен Оксиды азота (NO x ) 0,0-0,8 0,0002-0,5000 – – – Токсичны Альдегиды 0,0-0,2 0,001-0,009 – – – Токсичны Оксид серы 0,0-0,002 0,0-0,03 – – – Токсичен Углеводороды Токсичны Сажа, гм 0,0-0,04 0,01-1,10 – – – Токсична н канцероген Бензопропилен, мг/м 3 0,01-0,02 до 0,01 – – – Канцероген Замечание следует напомнить, что в воздухе содержится 79% азота и 21% кислорода. ООСвСМР стр. 5 Влияние пыли на здоровье человека Запылённость окружающего воздуха вокруг транспорта может показаться несущественным вредным фактором. Однако это не так. Рассмотрим подробнее. Степень запыленности воздуха при движении автомобильного транспорта зависит от следующих факторов времени года, типа покрытия дороги и вида почвы, направления ветра, интенсивности движения, грузоподъемности автомобиля, типа шин. Основная часть пыли – кварц На городских магистралях в уличной пыли обнаруживаются также примеси кальция, кадмия, свинца, хрома, цинка, меди, железа. Присутствие перечисленных примесей определяется функционированием автомобильного транспорта и обработкой магистралей антиобледенительными составами. Увеличивают выброс пыли шины, оснащенные шипами. Износ дорожного полотна при их использовании в зимний период составляет 2 – 4 мм. В целом ряде стран использование шипованных шин запрещено, за исключением ограниченного числа автомобилей специального назначения. Воздействие пыли увеличивает скорость изнашивания машин и механизмов и оказывает вредное влияние на организм человека. Вредное воздействие пыли на организм человека зависит от ее дисперсности, твердости частиц, формы пылинок и т. д. Мелкодисперсная пыль наиболее опасна, потому что оседает в легких и бронхах и при длительном вдыхании приводит к возникновению профессиональных заболеваний. Особенно опасны для организма кислотосодержащие аэрозоли, адсорбирующие канцерогенные вещества. Первые нарушают кислотное равновесие тканевых клеток вторые, постепенно накапливаясь в организме, могут явиться причиной возникновения злокачественных опухолей. Свинец Наиболее опасно загрязнение окружающей среды соединениями свинца. И прежде всего за счет именно автотранспорта. В последнее время отмечено (отчёт РосСтат), что в Российской Федерации выброшено около 6 тыс.т соединений свинца, из них почти 4 тыс. тот автомобилей, 700 тот предприятий цветной металлургии пот от авиационных и ракетных двигателей, ТЭЦ 200 тот предприятий лакокрасочной, стекольной и оборонной промышленности. Отказ от этилированного бензина может снизить загрязнение соединениями свинца в несколько раз. Значительна роль архитектурно-планировочных мероприятий и зеленых насаждений в снижении количества и уменьшении вредности выбросов. Специальные развязки и объезды, улучшение качества дороги ликвидация ненужных участков торможения могут увеличить среднюю скорость движения транспорта. При этом если скорость возрастает, к примеру, с 20 до 60 км/ч, общее количество выбросов уменьшится враз, а наиболее вредных (например, бенз(а)пирена) – еще значительнее. Приостановке у светофоров выбросы вредных веществ увеличиваются в 1,5 – 2 раза даже по сравнению сдвижением автомобилей на ООСвСМР стр. 6 первой скорости. Дороги с интенсивным движением следует выносить за пределы жилых и рекреационных зон или хотя бы защищать эти зоны зеленым щитом от загазованности. Даже однорядная высадка деревьев с кустарниками высотой м) на ширине 3 – 4 м снижает уровень загазованности на 10 – 15 %, а при четырех рядах шириной 30 – 50 м – на 60 – 70 %. Новые виды топлива Пагубное влияние транспорта на состояние окружающей среды вызывает необходимость применения новых экологически чистых видов топлива. К ним относится прежде всего сжиженный или сжатый газ. Важность этого вопроса для России подтверждается тем, что на уровень федерального закона вынесен законопроект Об использовании природного газа в качестве моторного топлива, вызвавший очень большой интерес не только у специалистов транспорта, но и у экологов. В мировой практике в качестве моторного топлива наиболее широко используется сжатый природный газ, содержащий не менее 85 % метана. По энергоемкости м природного газа эквивалентен 1 л бензина марки АИ. В таблице приведено сопоставление удельных выбросов в процентах для ДВС автомобилей по результатам комплексных испытаний при условии, что выбросы от ДВС на неэтилированном бензине приняты за 100 %. Сравнение содержания токсичных компонентов в выхлопных газах ДВС, % Вид топлива Токсичные компоненты выхлопных газов CO C x H y NO x Сажа Бенз(а)пирен Бензин 100 100 100 Нет 100 Бензин двигатели с нейтрализаторами) 25 – 30 10 25 Нет 50 Анализ показывает, что применение газа сокращает выбросы окислов углерода в 3 – 4 раза окислов азота в 1,5 – 2 раза углеводородов (не считая метана) враз частиц сажи и двуокиси серы (дымность) дизельных двигателей враз. Особо следует остановиться на выбросах углеводородов. Фотохимический смог образуется в результате химического взаимодействия оксидов азота и углеводородов, попадающих в воздух с выхлопными газами автотранспорта, под действием солнечного излучения, которые претерпевают в атмосфере фотохимическое окисление. Продукты этих реакций называются фотохимическими окислителями. Это агрессивные химические соединения, токсичные для растений, животных и человека. Фотохимический смог наблюдается в виде голубоватой дымки или беловатого тумана из-за образования аэрозольных частиц. Фотохимический смог вызывает головные боли, тошноту, раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей, ухудшает состояние при хронических респираторных заболеваниях. В бензиновых двигателях основное количество углеводородов приходится на этан и этилена в газовых – наметан (при неидеальном сгорании. Легче всего ООСвСМР стр. 7 под воздействием ультрафиолетового излучения окисляются непредельные углеводороды, такие как этилен. Предельные углеводороды, включая метан, более стабильны. Поэтому в ограничительных стандартах автомобильных выбросов ряда стран углеводороды учитываются без метана, хотя пересчет ведется наметан. Важно иметь ввиду, что при использовании газового (природного) топлива увеличивается моторесурс двигателя в 1,4 – 1,8 раза срок службы свечей зажигания – в 4 раза моторного масла – в 1,5 – 1,8 раза межремонтный пробег – в 1,5 – 2 раза. При этом снижаются уровень шума на 3 – 8 дБ и время заправки. Все это обеспечивает быструю окупаемость затрат при переводе транспорта на газомоторное топливо. Следует отметить, что имеет место вопрос безопасности использования га- зомоторного топлива. В целом взрывоопасная смесь газовых топлив с воздухом образуется при концентрациях в 1,9 – 4,5 раза больших, чем с бензином и дизельным топливом, что снижает опасность образования такой смеси. Однако определенную опасность представляют утечки газа через неплотность соединений. В этом отношении наиболее опасен сжиженный нефтяной газ, который в результате утечки образовывает местные скопления, способные разливаться, что при возгорании увеличивает очаг пожара. Кроме сжиженного (сжатого газа) многие специалисты предрекают большое будущее жидкому водороду как практически идеальному с экологической точки зрения моторному топливу. Но существуют проблемы, связанные и со свойствами самого водорода, и сего производством. Как горючее для транспорта водород удобнее и безопаснее в жидком виде, где в пересчете на 1 кг он превосходит по калорийности керосин в 6,7 раза и жидкий метан в 1,7 раза. В тоже время плотность жидкого водорода меньше, чему керосина почти на порядок, что требует больших баков, которые необходимо теплоизолировать, что также влечет за собой дополнительный веси объем. Высокая температура горения водорода приводит к образованию значительного количества экологически вредных окислов азота, если окислителем является воздух. Истинный перелом в мировой топливной базе на основе водорода может быть достигнут путем принципиального изменения способа его производства, когда исходным сырьем станет вода, а первичным источником энергии – солнце или сила падающей воды. Меры по повышению экологической чистоты Известно, что количество бенз(а)пирена в выхлопных газах резко возрастает на режимах торможения автомобилей – до 50 – 100 мг за 1 мин работы на низкосортном бензине. Если это количество распределить равномерно, оно способно создать концентрацию, равную предельно-допустимой концентрации ПДК, в громадном объеме воздуха – чуть меньше 1 км. Пути снижения вредного воздействия этих выбросов, следующие − отказ от этилированного бензина для исключения выбросов соединений свинца и уменьшения непредельных углеводородов. Переход на газ или неэтилированный бензин (токсичность при этом снижается в 18 – 22 раза, повышение полноты сгорания за счет автоматического ООСвСМР стр. 8 управления процессом, специальных систем и регулировок. Это сказывается и на расходе бензина. Уже сегодня технологические возможности позволяют достичь уровень 2,5 л на 100 км на небольшой легковой автомобиль. − замена бензиновых двигателей, где это возможно, дизельными, дающими менее вредные выбросы. − решение вопросов по созданию электротранспорта, в том числе по величине пробега с одной зарядки и снижению выбросов от аккумуляторных батарей. Перевод общественного транспорта на электрическую тягу там, где нет дефицита энергии (метро, троллейбусы и др − разработка гибридного транспорта ДВС+электродвигатель; − применение СУГ-ов и компримированного газа в виде топлива − разработка перспективных моделей на водороде, конденсаторах большой ёмкости, спирте, рекуперативных автомобилей. В основу идущей ниже методики расчета выбросов вредных веществ автомобильным транспортом заложен нормируемый удельный выброс по автомобилям отдельных групп (грузовые, автобусы, легковые) для каждого типа двигателя (бензиновый, дизельный) в зависимости от движения по городу или вне населенных пунктов. При этом выброс вредных веществ корректируется в зависимости отряда наиболее существенных факторов. Практическая работа Количество выбросов вредных веществ, поступающих от автотранспорта в атмосферу, может быть определено расчетным методом. Исходные данные для расчета количества выбросов − число единиц автотранспорта, проезжающего по выделенному участку автотрассы в единицу времени − нормы расхода топлива автотранспортом (средние нормы расхода топлива автотранспортом при движении в условиях города приведены в табл. Замеры Место проведения автотрасса, перекресток-светофор. Приборы секундомер смартфона. Ход работы 1. Зафиксируйте время – 𝑡 = 10 мин. 2. Определите число машин, останавливающихся у светофора – 𝑛. 3. Определите количество переключений − торможение − набор скорости − холостой ход ООСвСМР стр. 9 4. Число переключений 𝑘 5. Результаты занесите в табл Таблица Результаты подсчётов Тип машин 𝑡, мин 𝑛 𝑘 СО 𝑚 СО 2 𝑚 NO 2 𝑚 сажи 𝑚 св 𝑀 1. Легковые, бенз 1. Легковые, диз. 2. Джипы, кроссоверы 2. Джипы, кроссоверы дизельные 3. Грузовые, бенз Газели) 3. Грузовые, диз. 4. Автобус, диз. С учётом того, что к носителям наиболее критических видов вредных выбросов оксиды азота, свинец, угарный газ, – относятся бензиновые и дизельные двигатели, то автомобили с газобаллонным оборудованием в расчёт небе- рутся. Гибриды – полагается, что их настолько мало, что можно подними понимать обычные легковые авто и кроссоверы (в плане выхлопных газов. Электро- и водородные – отсутствуют полностью на сегодняшний день ив расчёт небе- рутся. Суммарные вредные выбросы могут быть определены по формуле (0.1) общ 𝑀 легк + груз+ авт 𝑡 𝑛 𝑘 (СО+ СО+ 𝑚 NO 2 + сажи+ св) (0.1) где 𝑖 – вид транспорта легковые, грузовые, автобусы – бензин/дизель; 𝑡 – длительность времени замеров, сек 𝑛 – количество машин 𝑘 – количество переключений (ориентировочно, можно взять 𝑘=4); СО – масса угарного газа. Расчёт см. ниже СО – масса углекислого газа 𝑚 NO 2 – масса диоксида азота сажи масса сажи св – масса свинца. ООСвСМР стр. 10 Таблица Нормы расхода топлива Тип автотранспорта Удельный расход топлива бензин, (л/ч) Удельный расход топлива дизельное топливо, (л/ч) Легковые автомобили 8 – 9 5 – 7 Джипы, кроссоверы 9 – 12 6 – 8 Автобусы дизельные – 20 – 25 Грузовые автомобили 15-20 25 – 30 Замечание у Вас в задании – 10 мин берётся Значения эмпирических коэффициентов 𝑗, определяющих выброс вредных веществ от автотранспорта в зависимости от вида горючего, приведены в табл. 0.4 Таблица Коэффициенты выброса вредных веществ Вид топлива Значение коэффициента𝑗(л/на литр топлива) Угарный газ Оксид углерода) Диоксид углерода Диоксид азота Сажа Свинец Бензин 0,6 0,1 0,04 0 * Дизельное топливо 0,1 0,03 0,04 0,005 – Замечание для получения более точных результатов можно обратиться к табл. 0.1. Коэффициент 𝑗 численно равен количеству вредных выбросов соответствующего компонента при сгорании в двигателе автомашины количества топлива, равного удельному расходу (л/ч). * – свинец добавляется в бензин из расчёта 0,37г/кг·(0,37г на 1 кг бензина. С учётом плотности бензина, – 710кг/м 3 , – можно вычислить по исходным данным (число бензиновых машин) сколько свинца попало в воздух с выхлопными газами. Это необходимо для дальнейшего анализа, см. табл. 0.5. Таблица Результирующая таблица Вид вредного выброса Кол-во, л объем) Масса, г Объем воздуха для разбавления, м 3 Значение ПДК, мг/м 3 Класс опасности Угарный газ 3,0 4 Углеводороды 0,1 3 Диоксид азота 0,04 2 Сажа – – Соединения свинца 0,0003 1 Замечание плотности газов (для определения массы) взять из справочной литературы. Про свинец – см. * (выше) ООСвСМР стр. 11 Рассчитайте количество чистого воздуха, необходимое для разбавления выделившихся вредных веществ для обеспечения санитарно-допустимых условий окружающей среды, заполняя табл. 0.5. Сделайте выводи оцените экологическую ситуацию на исследуемом участке автотрассы, сравнив фактическую концентрацию выбросов, поступивших в атмосферу, с ПДК. Результаты необходимо свести в общую картину. Это удобно сделать в графической форме. (см. Л.Р. №1, №3). По абсциссе отложите типы авто, по ординате величину выбросов. Контрольные вопросы 1. Какие виды вредного воздействия на окружающую среду оказывает автомобильный транспорт 2. В чём отличие карбюраторных, инжекторных, дизельных, газовых, водородных, электрических, гибридных двигателей 3. Сравните выброс токсичных продуктов вышеуказанных двигателей 4. Какой бензин называют этилированным 5. От каких факторов в основном зависит количество выбросов в атмосферном воздухе в больших городах 6. Как подразделяют по воздействию на организм человека компоненты отработавших газов 7. Какие вещества составляют основную часть пылевых выбросов от работы автотранспорта 8. Как влияют пылевые выбросы на здоровье человека 9. Каковы пути снижения вредного воздействия выбросов от работы автотранспорта. Что такое фотохимический смог Процесс образования и влияние на человека. К чему приводит загрязнение почвы свинцом сажей 12. Каковы последствия загрязнения воздуха газами – CO, C x H y , NO x |