Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Ежегодно в мире в автомобильных двигателях внутреннего сгорания сжигается около 2 млрд. т нефтяного топлива. При этом коэффициент полезного действия в среднем составляет 23%, остальные 77% уходят на обогрев окружающей среды.

В крупных городах автомобиль является основным источником загрязнения атмосферного воздуха. Он выделяет в воздух более 95% оксида углерода, около 65% углеводородов и 30% оксидов азота. В атмосферный воздух от автотранспорта поступают канцерогенные и опасные вещества, вызывающие различные заболевания. Оценки, выполненные для действующего парка автотранспортных средств, показывают, что в целом по России от автотранспорта ежегодно в атмосферу поступает 27 тыс. т формальдегида и 1,5 т бенз(а) пирена.

Известно, что топливо сгорает в камере при взаимодействии с кислородом воздуха. Этот процесс сопровождается интенсивным выделением тепла, которое и преобразуется в работу. Воспламенение и сгорание бензиновоздушной (горючей) смеси длится тысячные доли секунды, и к такому быстрому процессу она недостаточно хорошо приспособлена: в смеси остаются газы от предыдущего цикла, препятствующие доступу кислорода к частицам топлива, не удается добиться ее идеального перемешивания. В результате не все топливо окисляется до конечных продуктов, и для нормального протекания процесса сгорания топливо приходится добавлять.

Автомобиль загрязняет атмосферный воздух не только токсичными компонентами отработанных газов, парами топлива, но и продуктами износа шин, тормозных накладок. В городские водоемы и почву попадают топливо и масла, моющие среда, грязная вода после мойки, сажа. В атмосферный воздух постоянно поступают пары топлива из баков, наиболее заметные в летний период в местах массовых стоянок автомобилей. Наибольший ущерб здоровью наносят машины, стоящие в непосредственной близости от жилых домов.

1. Фотохимический туман

С 30-х гг. XX в. над Лос-Анджелесом в теплое время года стал появляться смог - туман влажностью около 70%. Это явление назвали фотохимическим туманом, так как для его возникновения необходим солнечный свет, вызывающий сложные фотохимические превращения смеси углеводородов и окислов азота, поступивших в воздух в результате автомобильных выбросов, в вещества, значительно превышающие по своей токсичности исходные атмосферные загрязнения.

Фотохимический туман сопровождается неприятным запахом, резко снижает видимость, у людей воспаляются глаза, слизистые оболочки носа и горла, возникает удушье, обостряются легочные заболевания, бронхиальная астма. Фотохимический туман повреждает и растения. Сначала на листьях появляется водное набухание, через некоторое время нижняя поверхность листьев приобретает серебристый или бронзовый оттенок, а верхняя становится пятнистой с белым налетом. Затем наступает быстрое увядание.

Фотохимический туман вызывает коррозию металлов, растрескивание красок резиновых и синтетических изделий, портит одежду, нарушает работу транспорта.

Основной причиной фотохимического тумана являются отработанные газы автомобилей. На каждом километре пути легковой автомобиль выделяет около 10 г. окиси азота.

Фотохимический туман возникает в загрязненном воздухе в результате фотохимических реакций, протекающих под действием солнечного излучения. В ясные дни солнечная радиация вызывает расщепление молекул двуокими азота с образованием окиси азота и атомарного кислорода: соединяясь с молекулярным кислородом, атомарный кислород образует озон. Казалось бы, озон, окисляя окись азота, должен вновь превратиться в кислород, а окись азота - в двуокись. Но этого не происходит, так как окись азота вступает в реакцию с содержащимися в отработанных газах олефинами, которые расщепляются и образуют осколки молекул. Так появляется избыток озона.

В результате продолжающегося фотолиза новые массы двуокиси азота расщепляются и дают дополнительное количество озона, возникает цепная реакция, и в атмосфере происходит постепенно накопление озона. Ночью процесс образования озона прекращается. При вступлении озона в реакцию с олефинами образуются различные перекиси, которые и составляют характерные для фотохимического тумана продукты окисления (оксиданты).

В настоящее время во многих крупных городах мира - Нью-Йорке, Чикаго, Бостоне, Детройте, Токио, Милане - образуется фотохимический туман. В городах России подобных явлений не наблюдалось, однако условия для них могут возникнуть.

2. Оценка токсических выбросов

Для уменьшения загрязнения атмосферного воздуха отработанными газами необходим повседневный технический контроль состояния автомобилей. Все автохозяйства обязаны следить за исправностью машин, выпускаемых на линию. Низкий уровень технического обслуживания, отсутствие контроля приводят к расстройству узлов и систем автомобиля, а выбросы вредных веществ в атмосферный воздух возрастают.

В мире действуют три основных стандарта, по которым измеряются предельно допустимые выбросы автомобиля страны-производителя:

европейский международный, утвержденный в 1993 г.;

американский (более жесткий), который планируется объединить с европейским для упрощения процедуры контроля;

японский (самый строгий).

Российский стандарт экологической безопасности 1978 г. не только не соответствует нынешним мировым требованиям, но и отстает от них на 15 лет.

Госстандарт России в соответствии с международными обязательствами, вытекающими из участия Российской Федерации в Женевском соглашении, с 1 июля 2000 г. ввел в действие в качестве государственных стандартов РФ Правило ЕЭК ООН, которое устанавливает требования к загрязняющим выбросам и дымности отработавших автомобильных газов. Это должно привести к уменьшению выброса загрязненных веществ автомобилем на дизельном топливе в 2,0-2,8 раза и примерно в 10 раз при использовании неэтилированного бензина и нейтрализатора отрабатывающих газов.

Контроль за соблюдением экологических требований при эксплуатации автомобильного транспорта осуществляют региональные отделения Российской транспортной инспекции в тесном взаимодействии с органами Госкомэкологии России. Для этого приобретаются газоанализаторы и дымомеры, оборудуются передвижные лаборатории по контролю за состоянием автотранспорта, проводятся проверки качества топлива на лицензируемых АЗС.

Согласно закону об «Охране атмосферного воздуха» (1999 г.), запрещаются производство и эксплуатация транспортных средств, содержание вредных (загрязняющих) веществ, в выбросах которых превышает установленные технические нормативы выбросов.

Технический норматив выброса - норматив выброса вредного (загрязняющегося) вещества в атмосферный воздух, который устанавливается для передвижных и стационарных источников выбросов, технологических процессов, оборудования и отражает максимально допустимую массу выброса вредного (загрязняющего) вещества в атмосферный воздух в расчете на единицу продукции, мощности, пробега транспортных или иных передвижных средств и другие показатели.

Органы государственной власти субъектов РФ могут в пределах своей компетенции вводить ограничение въезда транспортных и иных передвижных средств в населенные пункты, места отдыха и туризма и регулировать передвижение транспортных средств.

Транспортные и иные передвижные средства, выбросы которых оказывают вредное воздействие на атмосферный воздух, подлежат регулярной проверке в порядке, определенном правительством РФ.

Юридические лица и граждане при производстве и эксплуатации транспортных и иных передвижных средств и установок должны обеспечивать соблюдение установленных технических нормативов выбросов.

3. Мониторинг атмосферного воздуха в местах скопления автотранспорта

фотохимический токсический автотранспорт атмосферный

В 2000 г. руководство Москомприроды решило организовать мониторинг атмосферного воздуха в местах наибольшего скопления автотранспорта. Для этого в городе было создано 50 постов непрерывного контроля (10 стационарных и 40 мобильных). Все они оборудованы американской техникой. Приборы представляют собой небольшие ящики, которые были размещены на столбах на Таганской площади, Садовом кольце в районе Сухаревской площади, на проспекте Мира, в районе Рижского вокзала, а также установлены на автотранспорте. Анализ отобранных проб воздуха позволит разработать профилактические мероприятия.

В 2001 г. в некоторых районах Москвы появились автоматы, отслеживающие уровень загрязнения воздуха. Особое внимание уделяется району третьего транспортного кольца. Здесь работают автоматические анализаторы - специальные системы, определяющие уровень примесей в воздухе, и в первую очередь выхлопных газов.

4. Повышение качества автомобильных бензинов

В настоящее время большое значение для улучшения экологической обстановки имеет запрещение в качестве автомобильного топлива этилированного бензина.

В большинстве северных стран континента он практически уже не используется. Кроме того, все новые автомобили оборудованы специальным катализатором и могут заправляться только неэтилированным топливом.

Европейский Союз потребовал от всех стран ЕС к 2000 г. полностью прекратить использование свинца при производстве автомобильного горючего. В крайнем случае, срок может быть продлен до 2002 г.

В настоящее время производители автозаправочных средств разработали специальные добавки к бензину, не содержащие свинца, но не снижающие эффективность топлива. Так, российские ученые совместно с коллегами из нидерландской транснациональной компании Ай-Си-Ди создали фетерол - высокооктановую добавку к бензину, делающую его экологически почти безвредным, полностью соответствующим зарубежным и отечественным санитарным нормам. Производство такого бензина освоено на ряде российских заводов. Имеется реальная возможность изготавливать до 300 тыс. т. фетерола ежегодно и производить на его основе 2-2,5 млн. т экологически чистых бензинов.

АО «Омский каучук» наладило крупнейшее в России производство метилтретичнобутилового эфира (МТБЭ) - добавки к бензинам, улучшающей их качество и экологическую чистоту.

В качестве кислородсодержащих добавок можно использовать различные спирты, например МТБЭ, полученный из метилового спирта и изомера бутилена. Его применение снижает содержание в автомобильных выхлопах угарного газа на 10-20%, несгоревших углеводородов - на 5-10% и вредных летучих соединений - на 13-17%.

В России МТБЭ производят в Нижнем Новгороде, городе Чайковском, а также в городе Тольятти, где выпускается смесь МТБЭ и бутилового спирта.

В 1998 г. создано государственное предприятие «Московская служба технического контроля на транспорте», которое занимается проблемами снижения вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду. Предприятие занимается созданием системы технического контроля качества реализуемых моторных топлив, масел и присадок к ним, а также научно-методическим, информационным и инженерным обеспечением работы этой системы.

В 1998 г. Мосгордумой принят закон «О плате за выбросы загрязняющих веществ передвижными источниками на территории города Москвы», которым устанавливается порядок взимания этой платы. Он касается как организаций, торгующих моторным топливом в столице, так и граждан, приобретающих его.

Согласно закону, сумма материальной компенсации за причиненный городу и его жителям ущерб зависит от вида топлива. Полученные средства направляются на проведение природоохранных мероприятий в столице.

В 1999 г. вступил в действие закон Москвы «Об ответственности за реализацию моторного топлива, не соответствующего экологическим требованиям». Целью закона является дальнейшее снижение вредного воздействия автотранспортных средств на окружающую природную среду и здоровье населения Москвы.

Согласно этому закону, реализация моторного топлива, не соответствующего экологическим требованиям, является нарушением условий лицензирования данного вида деятельности на территории Москвы.

За реализацию топлива, не соответствующего экологическим требованиям, на юридических лиц налагается в административном порядке штраф в размере пятикратной величины незаконного дохода, получаемого в результате реализации моторного топлива, не соответствующего экологическим требованиям, но не менее 50 МРОТ.

Средства, получаемые от штрафов, налагаемых за правонарушения, направляются в бюджет Москвы (50%) и на специальный счет внебюджетного экологического фонда (50%).

Полное вытеснение бензина со свинцом позволит решить многие социальные и экологические проблемы - появится возможность установить на автомобиле нейтрализаторы выхлопов, будут спасены гектары зеленых насаждений, снизится заболеваемость болезнями почек и дыхательных путей.

5. Нейтрализаторы

Устанавливаемые в выхлопных трактах автомобилей нейтрализаторы снизили суммарный выброс токсичных веществ автотранспортом.

Испытания каталитических катализаторов, разработанных в нашей стране, показали, что они снижают уровень окиси углерода в отработанных газах на 80%, углеводородов - на 70%, окиси азота - на 50%. В целом токсичность выброса уменьшается в 10 раз. Процесс окисления, протекающий при прохождении отработанных газов через слои катализатора практически беспламенный.

Лучшим катализатором оказалась платина, но этот дорогой и дефицитный материал не может применяться широко. Были предприняты поиски других, более дешевых и доступных катализаторов. Ученые пришли к выводу, что в известной степени платину могут заменить палладий, рутений, а также окись меди, окись хрома, окись никеля и двуокись марганца.

В нейтрализаторах российского производства используется окись алюминия. Как и в термореакторе, процесс окисления окиси углерода и углеводородов требует подачи дополнительного воздуха, а процесс восстановления окиси азота не требует подачи воздуха. Современные каталитические нейтрализаторы выполняются в виде двухкамерного реактора: в одной камере осуществляется окисление окиси углерода и углеводородов, а во второй восстановление окиси азота.

Нейтрализаторы этого типа применяются на автомобилях с бензиновыми и дизельными двигателями. Одна из трудностей состоит в том, что в отработанных газах дизелей содержится кислород (10% и более), в присутствии которого реакция восстановления окиси азота не происходит, а для окисления окиси углерода этого кислорода недостаточно. Поэтому обычные каталитические реакторы без дополнительных устройств обеспечивают у дизелей нейтрализацию несгоревших углеводородов и альдегидов, а окись углерода нейтрализуют лишь в небольшой доле.

По мере эксплуатации созданных приборов обнаружились и другие их недостатки. Так, при наличии бензинового двигателя с высокой степенью сжатия, работающего на этилированном бензине, поверхность катализатора быстро обволакивается свинцом. На катализаторе осаждаются сажа и сера, что существенно ослабляет его действие и практически выводит из строя после сравнительно небольшого пробега.

В России около 15,5 млн. машин, находящихся в личном пользовании граждан, по большей части горожан. Какова перспектива оснащения индивидуального транспорта системами нейтрализации?

В течение трех последних лет в Москве на городском общественном транспорте было установлено 19 тыс. нейтрализаторов, снижающих уровень вредных выбросов на 20 тыс. т ежегодно. В 2003 г. с помощью этого приспособления предполагается сделать экологически чистыми 24 650 столичных автобусов.

Законом предусматривается создание сети сертифицированных мастерских со специально подготовленными специалистами. Без них нейтрализаторы на машинах не появятся. Стоимость российского нейтрализатора составляет 1000 руб., а установка обойдется в 200 руб. Поощрять покупку транспортных средств, отвечающих экологическим нормам, городские власти могут за счет налоговой скидки при регистрации новой машины.

В 1998 г. южноафриканская фирма «Эдване индастриал рисерч» объявила об изобретении нового каталитического конвертера, который позволяет устранять до 95% вредных веществ из выхлопных газов автомобиля.

Если до сих пор подобные конвертеры изготовлялись с использованием платины, то инженеры фирмы предложили использовать марганец, что снизило стоимость изделия в 4 раза. Новый катализатор на марганцевой основе можно использовать со всеми видами дизельного топлива и бензина со свинцовыми добавками и без таковых.

6. Автомобили на газе

Перевод автомашин на газовое топливо позволит почти в 100 раз снизить выбросы в атмосферу канцерогенных веществ. Сократится и расход нефтепродуктов: каждая тысяча газобаллонных автомобилей сэкономит на грузовых перевозках 12 тыс. т., на таксомоторных - 6 тыс. т, на пассажирских автобусах - 30 тыс. т в год. Значительно сократятся затраты и на охрану окружающей среды и воздушного бассейна.

Наиболее реальной альтернативой бензину и дизельному топливу является сжиженный или сжатый газ. Запасы его в несколько раз превосходят запасы нефти, да и технология переработки проще, чем технология извлечения бензина из нефти. Кроме того, для перехода на газообразное топливо практически не требуется вносить конструктивные изменения в двигатели внутреннего сгорания. Что же касается выбросов вредных компонентов, то концентрации окислов углерода и азота в выхлопе мотора, работающего на газе, значительно ниже, чем в выхлопе бензинового мотора, даже снабженного самым современным техкомпонентным каталитическим нейтрализатором с замкнутым контуром. Наконец, газовое топливо практически не содержит соединений свинца и серы.

В России к 1999 г. в 135 городах построено около 300 АГНКС, позволяющих ежедневно заправлять природным газом около 120 тыс. автомобилей и автобусов. Реальная цена газа составляет всего 1 руб. 40 коп. за литр газа.

Основная проблема в смене топливной аппаратуры. Импортное оборудование для карбюраторных автомобилей стоит 200-300 долларов, для инжекторных - 460-57 - долларов. Отечественное несколько дешевле: для «Жигулей» - 2900 руб., «Волг» - 3500 руб.

Автомобили работающие на природном газе, не будут ставиться на учет как источники вредных воздействий на атмосферный воздух. Соответственно их владельцам не придется получать разрешение на выброс вредных веществ.

7. Водород - автомобильное топливо XXI в.

Использование водорода в качестве основного вида топлива может коренным образом изменить всю будущую техническую цивилизацию. Важнейшая проблема современности - охрана окружающей среды от загрязнения - будет практически решена.

Характеристики водорода как моторного топлива уникальны: высокая теплота сгорания - 120 МГж/кг (у бензина почти в 3 раза ниже); хорошая воспламеняемость; безвредность отработанных газов; высокая скорость сгорания (в 4 раза выше, чем у смеси «бензин-воздух»).

В мире производится около 50 млн. т водорода в год. В основном путем конверсии жидкого и газообразного топлива. Под конверсией понимают химическую реакцию углеводородов с водяным паром (паровая конверсия) либо с паром и кислородом (парокислородная конверсия), либо с кислородом (кислородная конверсия), в результате которых образуются водород и окиси углерода.

Разработан ряд перспективных методов получения водорода. Например, путем электролиза воды. По различным данным из воды ежегодно получают от 0,5 до 1,5 млн. т. водорода (1-3% общего количества). Пока получение электролизного водорода обходится более чем в 2 раза дороже, чем конверсионного, но при использовании промышленных электролизеров следующего поколения в будущем водород может сравняться со стоимостью с конверсионным, а затем стать дешевле.

Хорошо известны процессы получения водорода с помощью угля. Чаще таким путем вырабатывают не чистый водород, а его смесь с монооксидом углерода - синтез-газ и искусственные энергоносители. Совершенствование этих процессов должно привести к снижению затрат на получение водорода и синтез газа и к их применению в районах крупных угольных месторождений.

В Институте водородной энергетики и плазменных технологий разработана принципиальная новая схема водородного автомобиля. Окисление происходит не в двигателе внутреннего сгорания, а в электрохимическом генераторе, где и вырабатывается электрическая энергия, вращающая основной вал двигателя. Трансформация энергии водорода в электроэнергию с помощью электро-химического генератора, основанная на полимерных мембранах, позволяет это делать при температуре кипения воды, что исключает синтез окислов азота из воздуха, неизбежно возникающий при высоких температурах в других системах. В итоге на выхлопе - чистая вода.

Топливные элементы - это прорыв в технологии на пути к экологически чистому автомобильному двигателю. Основным горючим является водород - его пропускают через полимерные мембраны с катализаторами, которые вызывают химическую реакцию с кислородом воздуха: водород превращается в воду, а химическая энергия его сгорания - в электрическую. Еще одно достоинство двигателя на топливных элементах - высокий КПД.

Заключение

Количество выделяемых в окружающую среду вредных веществ зависит от численности и структуры автомобильного парка, а также от технического состояния автомобилей и в первую очередь их двигателей. Только из-за отсутствия необходимой регулировки карбюратора бензинового двигателя внутреннего сгорания выброс оксида углерода может возрасти в 4-5 раз.

На состав отработанных газов двигателя большое влияние оказывает режим работы автомобиля в городских условиях. Низкая скорость движения и частые её изменения, многократные торможения и разгоны способствуют повышенному выделению вредных веществ.

Проверки показывают, что каждый пятый автомобиль эксплуатируется с повышенной токсичностью или дымностью отработанных газов. В крупных городах доля загрязнения воздуха автотранспортом достигает 70-80% общего уровня загрязнения. По оценкам медиков и экологов, автотранспорт заметно сокращает среднюю продолжительность жизни населения.

По данным Министерства здравоохранения Великобритании, загрязнение атмосферного воздуха выхлопами автотранспорта является причиной поражения сердечно-сосудистой системы человека. Самыми опасными признаны элементы, содержащиеся в выхлопных газах автомобилей. Именно они во время перепадов давления, жары и повышенной влажности воздействуют на сердечно-сосудистую систему, а также являются причиной возникновения респираторных заболеваний.

Количество автотранспортных средств в России в 1998 г. достигло 23,7 млн. единиц подвижного состава, в том числе 18,8 млн. легковых автомобилей, 627 тыс. автобусов и 4,626 млн. грузовых автомобилей.

В 2000 г. по сравнению с 1999 г. Москве удалось снизить выбросы в атмосферу от автотранспорта на 160 тыс. т. Этому способствовало открытие новых участков третьего транспортного кольца, там выше средняя скорость и, соответственно, меньше выбросов.

В Российском НИИ технологии материалов для этого процесса разработан новый катализатор, обеспечивающий полную конверсию метанола, высокую стабильность и отсутствие побочных продуктов. Причем свойства этого катализатора не ухудшаются при использовании технического метанола.

Метанол имеет следующие недостатки. Выхлопы автомобилей на метаноле содержат в 2 раза больше формальдегида, чем выхлопы автомобилей на бензине, однако при работе на метаноле количество выбрасываемых углеводородов, способных превращаться в формальдегид, уменьшается в десятки раз. Следовательно, уровень формальдегида даже понизится. Если же полностью контролировать метанол в «синтез-газ», то ни один канцероген, включая формальдегид, присутствовать в выхлопе не будет.

Самым перспективным сырьем для получения метанола является уголь, запасы которого в отличие от нефти и газа намного больше. Спрос на метанол как транспортное топливо откроет новый рынок сбыта для угля.

Список литературы

1. Большая Российская энциклопедия: В зот. / Председатель Науч. - ред. совета Ю.С. Осипов. Отв. ред. С.Л. Кравец. Т. «Россия». - М.: Большая Российская энциклопедия, 2004.

2. Новиков Ю.В. Экология среды и человека: Учебное пособие для вузов. - М.: Агентство «ФАИР», 1998.

3. Новиков Ю.В. Экология окружающей среды и человек: Учебное пособие для вузов, средних школ и колледжей. - 2-е изд., испр. и под. / Ю.В. Новиков. - М.: ФАИР-ПРЕСС, 2003.

4. Охрана окружающей среды: Учебник для вузов / Автор-состовитель А.С. Степановских. - М.: ЮНИТН-ДАНА, 2001.

Размещено на Allbest.ru