Выхлопные газы, их состав и действие на организм человека

Выхлопные газы — основной источник токсичных веществ двухтактного и четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, которые загрязняют нашу окружающую среду. Наиболее остро это ощущается в крупных городах. Отработавшие газы — это неоднородная смесь различных газообразных веществ с разнообразными химическими и физическими свойствами, состоящая из продуктов полного и неполного сгорания топлива, избыточного воздуха, аэрозолей и различных микропримесей (как газообразных, так и в виде жидких и твердых частиц), поступающих из цилиндров двигателей в его выпускную систему. В своем составе они содержат около 300 различных веществ, большинство из которых — токсичны.

Основными нормируемыми токсичными компонентами выхлопных газов двигателей являются оксиды углерода, азота и углеводорода. Кроме того, с выхлопными газами в атмосферу поступают предельные и непредельные углеводороды, альдегиды, канцерогенные вещества, сажа и другие компоненты.

При работе двигателя на этилированном бензине в составе выхлопных газов присутствует свинец, а у двигателей, работающих на дизельном топливе — сажа.

Мероприятия по снижению концентрации токсичных веществ в выхлопных газах

В настоящее время Правительства всех стран вводит определенные нормы на концентрацию вредных веществ в выхлопных газах автомобилей. Поэтому производители автомобилей, чтобы попасть на рынок, вынуждены проводить модернизацию систем ДВС с целью снижения уровня токсичных веществ.

Такими системами могут служить каталитические нейтрализаторы, сажевые фильтры, мочевина и многое другое. Так, например, для дизельных двигателей устанавливаются нейтрализаторы выхлопных газов, которые позволяют снизить токсичность на 80%. В системах безниновых двигателй устанавливают антитоксикатор в систему питания, что также позволяет добиться снижения концентрации вредных веществ.

Недоксид или моноксид — он же угарный газ (CO)

Прозрачный, не имеющий запаха ядовитый газ, немного легче воздуха, плохо растворим в воде. Оксид углерода продукт неполного сгорания топлива, на воздухе горит синим пламенем с образованием диоксида углерода (углекислого газа). В камере сгорания двигателя CO образуется при неудовлетворительном распыливании топлива, в результате холоднопламенных реакций, при сгорании топлива с недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации диоксида углерода при высоких температурах. При последующем сгорании после воспламенения (после верхней мертвой точки, на такте расширения) возможно горение оксида углерода при наличии кислорода с образованием диоксида. При этом процесс выгорания CO продолжается и в выпускном трубопроводе. Необходимо отметить, что при эксплуатации дизелей концентрация CO в выхлопных газах невелика (примерно 0,1 — 0,2%), поэтому, как правило, концентрацию CO определяют для бензиновых двигателей.

Оксиды азота (NO, NO2, N2O, N2O3, N2O5, в дальнейшем NOx)

Оксиды азота являются одними из наиболее токсичных компонентов отработавших газов. При нормальных атмосферных условиях азот представляет собой весьма инертный газ. При высоких давлениях и особенно температурах азот активно вступает в реакцию с кислородом. В выхлопных газах двигателей более 90% всего количества NOx составляет оксид азота NO, который ещё в системы выпуска, а затем и в атмосфере легко окисляется в диоксид (NO2). Оксиды азота раздражающе воздействуют на слизистые оболочки глаз, носа, разрушают легкие человека, так как при движении по дыхательному тракту они взаимодействуют с влагой верхних дыхательных путей, образуя азотную и азотистую кислоты. Как правило, отравление организма человека NOx проявляется не сразу, а постепенно, причем каких либо нейтрализующих средств нет.

Закись азота (N2O гемиоксид, веселящий газ) газ с приятным запахом, хорошо растворим в воде. Обладает наркотическим действием.

NO2 (диоксид) бледно-желтая жидкость, участвующая в образовании смога. Диоксид азота используется в качестве окислителя в ракетном топливе. Считается, что для организма человека оксиды азота примерно в 10 раз опаснее CO, а при учете вторичных превращений в 40 раз. Оксиды азота представляют опасность для листьев растений. Установлено, что их непосредственное токсичное влияние на растения проявляется при концентрации NOx в воздухе в пределах 0,5 — 6,0 мг/м3. Азотная кислота вызывает сильную коррозию углеродистых сталей. На величину выброса оксидов азота оказывает значительное влияние температура в камере сгорания. Так, при повышении температуры от 2500 до 2700 К скорость реакции увеличивается в 2,6 раза, а при уменьшении от 2500 до 2300 К — уменьшается в 8 раз, т.е. чем выше температура, тем выше концентрация NOx. Ранний впрыск топлива или высокие давления сжатия в камере сгорания также способствуют образованию NOx. Чем выше концентрация кислорода, тем выше концентрация оксидов азота.

Углеводороды (CnHm этан, метан, этилен, бензол, пропан, ацетилен и др.)

Углеводороды органические соединения, молекулы которых построены только из атомов углерода и водорода, являются токсичными веществами. В выхлопных газах содержится более 200 различных CH, которые делятся на алифатические (с открытой или закрытой цепью) и содержащие бензольное или ароматическое кольцо. Ароматические углеводороды содержат в молекуле один или несколько циклов из 6 атомов углерода, соединенных между собой простыми или двойными связями (бензол, нафталин, антрацен и др.). Имеют приятный запах. Наличие CH в отработавших газах двигателей объясняется тем, что смесь в камере сгорания является неоднородной, поэтому у стенок, в переобогащенных зонах, происходит гашение пламени и обрыв цепных реакций Не полностью сгоревшие CH, выбрасываемые с выхлопными газами и представляющие собой смесь нескольких сотен химических соединений, имеют неприятный запах. CH являются причиной многих хронических заболеваний. Токсичны также и пары бензина, которые являются углеводородами. Допустимая среднесуточная концентрация паров бензина составляет 1,5 мг/м3. Содержание CH в выхлопных газах возрастает при дросселировании, при работе двигателя на режимах принудительного холостого хода (ПХХ, например, при торможении двигателем). При работе двигателя на указанных режимах ухудшается процесс смесеобразования (перемешивания топливовоздушного заряда), уменьшается скорость сгорания, ухудшается воспламенение и, как результат, — возникают его частые пропуски. Выделение CH вызывается неполным сгоранием вблизи холодных стенок, если до конца сгорания остаются места с сильным локальным недостатком воздуха, недостаточным распыливанием топлива, при неудовлетворительном завихрение воздушного заряда и низких температурах (например, режим холостого хода). Углеводороды образуются в переобогащенных зонах, где ограничен доступ кислорода, а также вблизи сравнительно холодных стенок камеры сгорания. Они играют активную роль в образовании биологически активных веществ, вызывающих раздражение глаз, горла, носа и их заболевание, и наносящих ущерб растительному и животному миру.

Углеводородные соединения оказывают наркотическое действие на центральную нервную систему, могут являться причиной хронических заболеваний, а некоторые ароматические CH обладают отравляющими свойствами. Углеводороды (олефины) и оксиды азота при определенных метеорологических условиях активно способствуют образованию смога.

Смог от выхлопных газов.

Смог (Smog, от smoke дым и fog — туман) ядовитый туман, образуемый в нижнем слое атмосферы, загрязненной вредными веществами от промышленных предприятий, выхлопными газами от автотранспорта и теплопроизводящих установок при неблагоприятных погодных условиях. Он представляет собой аэрозоль, состоящую из дыма, тумана, пыли, частичек сажи, капелек жидкости (во влажной атмосфере). Возникает в атмосфере промышленных городов при определенных метеорологических условиях. Поступающие в атмосферу вредные газы вступают в реакцию между собой и образуют новые, в том числе и токсичные соединения. В атмосфере при этом происходят реакции фотосинтеза, окисления, восстановления, полимеризации, конденсации, катализа и т.д. В результате сложных фотохимических процессов, стимулируемых ультрафиолетовой радиацией Солнца, из оксидов азота, углеводородов, альдегидов и других веществ образуются фотооксиданты (окислители).

Низкие концентрации NO2 могут создать большое количество атомарного кислорода, который в свою очередь образует озон и вновь реагирует с веществами, загрязняющими атмосферный воздух. Наличие в атмосфере формальдегида, высших альдегидов и других углеводородных соединений также способствует вместе с озоном образованию новых перекисных соединений. Продукты диссоциации взаимодействуют с олефинами, образуя токсичные гидроперекисные соединения. При их концентрации более 0,2 мг/м3 наступает конденсация водяных паров в виде мельчайших капелек тумана с токсичными свойствами. Их количество зависит от сезона года, времени суток и других факторов. В жаркую сухую погоду смог наблюдается в виде желтой пелены (цвет придает присутствующий в воздухе диоксид азота NO2 капельки желтой жидкости). Смог вызывает раздражение слизистых оболочек, особенно глаз, может вызвать головную боль, отеки, кровоизлияния, осложнения заболеваний дыхательных путей. Ухудшает видимость на дорогах, увеличивая тем самым количество дорожно-транспортных происшествий. Опасность смога для жизни человека велика. Так, например, лондонский смог 1952 г. называют катастрофой, так как за 4 дня от смога погибло около 4 тыс. человек. Наличие в атмосфере хлористых, азотных, сернистых соединений и капелек воды способствует образованию сильных токсичных соединений и паров кислот, что губительно сказывается на растениях, а также сооружениях, особенно на исторических памятниках, сложенных из известняка. Природа смогов различна. Например, в Нью-Йорке образованию смога способствуют реакции фтористых и хлористых соединений с капельками воды; в Лондоне присутствие паров серной и сернистой кислот; в Лос-Анджелесе (калифорнийский или фотохимический смог) наличие в атмосфере оксидов азота, углеводородов; в Японии — присутствие в атмосфере частиц сажи и пыли.

X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2018

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ АВТОТРАНСПОРТА, ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА

Наиболее распространенные загрязнители – зола и пыль различного состава, оксиды цветных и черных металлов, различные соединения серы, азота, фтора, хлора, радиоактивные газы, аэрозоли и т.п. Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха приходится на долю оксидов углерода – около 200 млн. тонн в год, пыли – около 250 млн. тонн в год, золы – около 120 млн. тонн в год, углеводородов – около 50 млн. тонн в год.

Одним из источников загрязнения атмосферы является автотранспорт, от использования которого происходит огромный выброс самых разнообразных химических веществ. В городах используется огромное количество машин с двигателями дизельного типа. А ведь известно, что выхлопной газ от дизельного двигателя содержит намного больше токсичных и ядовитых веществ, чем от карбюраторного двигателя. Более 200 вредных для организма человека веществ содержит отработанный газ двигателей внутреннего сгорания (ДВС), основой которого являются: окись углерода и азота, диоксиды азота и серы.

Положение с выхлопными газами автотранспорта еще и усугубляется тем, что во всех городах России практически не ведется контроль выхлопных газов на содержание СО. Посты технического обслуживания не оснащены приборами для проведения газоанализа и регулировки двигателей автомобилей.

По статистике, в среднем один легковой автомобиль выбрасывает в атмосферу за день около одного килограмма разных токсичных и канцерогенных веществ. Причем подобные вещества способны аккумулироваться и находиться в окружающей среде до 5 лет.

Зачастую выхлопными газами называют все выбросы в городскую атмосферу, в том числе котельных, заводов и других промышленных предприятий. На самом деле этим термином правильно называть только транспортные выбросы, которые появляются в результате переработки топлива. Также их называют отходящими газами.

Выхлопные газы – продукт работы двигателей внутреннего сгорания, и, учитывая стремительный рост количества транспорта за последние 50 лет и, в частности, прирост личного автотранспорта в городах, выхлопные газы в воздухе городов обосновались всерьез и надолго, а количество их только растет.

Важно знать, что лишь один автомобиль способен всего лишь за сутки поставить в воздух около килограмма таких вредных соединений. Большее вредное влияние здоровью человека, растительности, животным, а также почве и водным ресурсам оказывают машины, двигатели которых работают на дизеле, нежели на бензине или газе, при этом вырабатывается большее количество сажи.

Согласно статистике, грузовые машины и автобусы вырабатывают больше выхлопных газов, нежели легковые автомобили. Этот факт напрямую связан с режимом работы и объемами двигателей внутреннего сгорания автомобилей.

Так, например, легковая машина дает за сутки порядка 220 мг/м3 угарного газа, автобус 230 мг/м3, а небольшой грузовик целых 500 мг/м3. Легковушка дает 45 мг/м3 оксида азота, автобус 18 мг/м3, а небольшой грузовик – 70 мг/м3. Также автобус, в отличие от легковушки, постоянно выбрасывает в воздух оксиды серы, углерода и соединения свинца.

Выхлопные газы автомобилей – это сочетание двухсот-трехсот химических соединений, которые являются достаточно вредными для организма человека. Они получаются при сгорании различного автомобильного топлива и отходят в открытую атмосферу. Наибольший объем токсинов присутствует в выхлопных газах, когда двигатель работает на холостом ходу и на сниженных скоростях. При таких режимах происходит плохое выгорание топлива и отход несгоревших элементов топлива в количестве более чем в десять раз превышающем выхлопы при стандартном режиме автомобиля.

В составе выхлопных газов разных видов топлива, могут быть такие вредные элементы как:

оксиды азота и углерода;

диоксиды азота и серы;

некоторое количество сажи;

разные соединения свинца;

Содержание основных химических веществ в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания меняется в зависимости от типа двигателя, бензиновый или дизельный, однако основной набор остается прежним (табл. 1). При работе двигателя на этилированном бензине в составе выхлопных газов присутствует свинец, а у двигателей, работающих на дизельном топливе — сажа.

Химический состав выхлопных газов автомобиля

Объемная доля в бензиновом двигателе, %

Объемная доля в дизельном двигателе, %

Водяной пар H2O

Диоксид углерода СО2

Оксид углерода (CO – угарный газ)

Диоксид серы SO2

Как видно из таблицы, в состав выхлопных газов достаточно разнообразен, и большая часть компонентов токсична. По химичес­кому составу и свойствам, а также ха­рактеру воздействия на организм че­ловека их подразделяют на группы.

Это нетоксичные вещества (азот, кислород, водород, водяной пар, углекислый газ и другие естественные компоненты атмосфер­ного воздуха).

Это оксид углеро­да или угарный газ (СО) — продукт неполного сгорания топлива.Оксид углерода обладает наркотическим действием, раздражающе действует на кожу и слизистые оболочки. Оксид углерода при вдыхании связывается с гемоглобином крови, вытесняя из нее кислород, в результате чего наступает кислородное голодание, которое, прежде всего сказывается на центральную нервную систему. 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, т.е. уменьшение переноса кислорода к тканям, особенно пагубно для миокарда (сердечной мышцы).

В ее составе окси­ды азота — NO и NO2. Вызывает сильное раздражение слизистых оболочек глаз, при высоких концентрациях оксидов азота (свыше 0,004%) возникают астматические проявления и отек легких.

В эту группу входят различные углеводороды (со­единения типа СxНy). Углеводороды, наряду с токсичными свойствами, обладают также канцерогенным действием. Особой канцерогенной ак­тивностью отличается бензапирен (С29Н12), содержащийся в отработав­ших газах бензиновых двигателей и дизелей.

Эту группу состав­ляют органические соединения — аль­дегиды. В отработавших газах содер­жатся в основном формальдегид, ак­ролеин и уксусный альдегид. Эти со­единения, раздражают органы зрения, дыхательные пути, поражают центральную нервную систему, почки, печень. При фотохимическом смоге воспаляются глаза, слизистые оболочки носа и горла, отмечаются симптомы удушья, обострение легочных и нервных заболеваний, бронхиальной астмы.

Компоненты этой группы — сажа и другие дисперсные частицы. Адсорбируя на своей повер­хности бензапирен, сажа оказывает более сильное негативное воздей­ствие, чем в чистом виде. Сажа как любая мелкая пыль действует на органы дыхания, но главная опасность заключается в том, что на ней адсорбируются канцерогенные вещества, следовательно, возрастает риск заболеваний раком.

К этой группе от­носят сернистые соединения — сер­ный ангидрид, сероводород, которые имеют место в отработавших газах, когда используется топливо с повы­шенным содержанием серы. Сернис­тые соединения оказывают раздража­ющее действие на слизистые оболоч­ки горла, носа, глаз человека. Сернистый газ вызывает онкологические заболевания. Вдыхание влажного воздуха, содержащего оксид серы, особенно опасен для людей, страдающих сердечнососудистыми заболевания. Длительное вдыхание сернистого газа повышенной концентрации действует на организм особо токсично, вызывая нарушение деятельности нервной системы.

В состав этой группы входят свинец и его соедине­ния. Эти компоненты появляются в отработавших газах при использова­нии этилированного бензина.Соединения свинца поражают органы и ткани организма, нервную систему, желудочно – кишечный тракт, нарушают обменные процессы, приводят к росту онкологических заболеваний. Опасность отравления соединениями свинца усугубляется тем, что они, как канцерогенные вещества не удаляются из организма, а накапливаются в нем, также как в почве и растениях. В организме человека свинец удерживается белками эритроцитов, затем поступает в плазму крови и достигает почек, печени и др. органов. В костях свинец накапливается постепенно и надолго остается в них.

Поражение десен, расстройство кишечника, заболевание почек, сосудов и центральной нервной системы, угнетение синтеза белка, отрицательное воздействие на генетический аппарат клетки – результат отравления свинцом. Если с водой человек получает больше 0,1 мг ионов свинца в сутки, то это может привести к повышенной утомляемости, депрессии, нарушению функций нервной системы, анемии, почечной недостаточности, судорогам. Ионы свинца можно удалить из воды, осадив их в виде сульфидов.

Свинцовое отравление даже на ранних стадиях влияет на головной мозг, в результате чего у детей снижается интеллект, нарушается координация движений, ухудшается слух и память.

Из 1000 т загрязняющих веществ, ежедневно попадающих в воздух из выхлопов автомобилей, 200 т угарно­го газа, 800 т углеводородов и других соединений. Приоритетной вредной примесью в отработавших газах автомобилей, работающих на бензине, является оксид углерода (СО), доля которого составляет в среднем 69% общего количества выбросов вредных веществ. Доли остальных примесей распределены следующим образом: 17% приходится на оксиды азота (NOх) и 14% — на суммарные углеводороды (СН) (см.приложение 4).

Вследствие содержания в выхлопных газах автомобилей вредных и даже ядовитых веществ, а также при постоянном действии таких элементов на органы человека, они способны вызывать развитие острых и хронических болезней.

Автомобиль стал бы гораздо безвреднее для окружающей его среды, если бы в его двигателе углеводородное топливо превращалось исключительно в углекислый газ и водяные пары. Но… Температура горения топлива бывает или слишком высокой, или очень низкой, что приводит к его неполному сгоранию. Кроме того, не следует забывать о качестве самого горючего и примесях, содержащихся в нем. Все это, как известно, приводит к возникновению токсичных веществ: оксида углерода, оксидов азота и серы, несгоревших углеводородов и прочих газов, а также твердых частиц сажи и соединений свинца.

Сегодня именно транспортные выбросы являются основной причиной загрязнения воздуха в городе и постоянно оказывают влияние на здоровье человека.

Состав выхлопных газов достаточно разнообразен, и большая часть компонентов токсична. Выхлопные газы автомобиля могут нанести вред здоровью, и достаточно серьезный. Прежде всего, оксид углерода или угарный газ не имеет вкуса и запаха, но при высокой концентрации вызывает головокружение, головную боль, тошноту, может приводить к обморокам.

Такав далеко не весь перечень воздействия интенсивно выделяемых на первый взгляд невинного голубоватого дымка глушителя автомобиля. Вред от выхлопных газов автомобиля во многом объясняют канцерогены – сажа и бензопирен, которые способствуют развитию опухолей, особенно — злокачественных.

Рассматривая выхлопные газы и вред, который они приносят, нужно добавить и про влияние этого химического коктейля целиком: длительный контакт с выхлопными газами приводит к смерти, в частности — от отравления конкретно угарным газом. Наибольшая опасность этих выбросов состоит в их количестве, распространенности и мелком размере частиц, что позволяет выхлопам проходить через естественные барьеры организма и попадать в легкие. При постоянном воздействии выхлопных газов на организм может развиваться иммунодефицит, страдают сосуды головного мозга; нервная, дыхательная, сердечнососудистая системы. Кроме того, большая часть токсичных веществ, входящих в состав выхлопных газов, может взаимодействовать друг с другом и с другими компонентами атмосферы, что способствует образованию смога.

Выхлопные выбросы действуют сразу непосредственно на внутренние органы дыхания, причем у детей младшего возраста намного значительнее, чем у взрослых. Это объясняется тем, что самая большая концентрация выбросов находится на уровне лица маленьких детей.

Химические соединения, что есть в составе выхлопных газов, в особенности тяжелые металлы, характеризуются свойством накапливаться в организме.Вследствие чего начинается зашлаковывание организма с последующим развитием серьезных заболеваний.

Наибольший вред выхлопные газы оказывают на водителей и пассажиров автотранспорта, которым приходится подолгу стоять в пробках, так как концентрация оксида углерода внутри автомобиля может превышать предельно допустимые нормы. Выхлопные газы от автотранспорта образуют смог (smog, от smoke — дым и fog — туман) — ядовитый туман в нижнем слое атмосферы. Смог состоит из тумана, дыма, частичек сажи, пыли, капелек жидкости (во влажной атмосфере). Вредные газы, поступающие в атмосферу, вступают в реакцию между собой и образуют новые, токсичные соединения. Смог, состоящий из азотных, сернистых соединений и капелек воды, вызывает раздражение слизистых оболочек, головную боль, осложнения заболеваний дыхательных путей, отеки и т. д.

Так как выхлопные газы способствуют снижению количества кислорода в крови и мешают нормальному газообмену, следует выводить организм на полезные прогулки в пригород или в удаленный от дороги парк, чтобы получить порцию свежего воздуха.

При постоянном воздействии выхлопов стоит разнообразить свое меню антиоксидантами, которые содержатся в ягодах, фруктах, зеленых овощах и зеленом чае, а также в семечках, и пить больше воды, так как она способствует детоксикации. Такой “допинг” помогает организму справляться с последствиями вдыхания химического коктейля и поддерживает здоровье.

Каждый человек должен задуматься о том, какие серьёзные последствия несёт атмосфера, пропитанная вредными химическими веществами. Жизнь, данная нам однажды природой не должна нарушаться искусственными факторами, которые негативно сказываются на здоровье человека.

Однако исключить из жизни наличие автотранспорта невозможно или проблематично, но вполне возможно и необходимо сократить количество вредных примесей содержащихся в выхлопных газах. Одним из путей экологизации автомобильного транспорта является перевод его на альтернативные виды топлива.

В последние годы ведется активная разработка биологических видов топлива, электромобилей и возможных модификаций двигателя, что позволит отказаться от углеводородного “корма” автомобилей и сократит количество вредных выхлопных газов. Однако пока это все вопрос скорее будущего, а не настоящего, поэтому сейчас лучше защищаться от выбросов. Для защиты сферы обитания человека, правительство должно принимать законы, призванные оптимизировать движение городского транспорта. Кроме того, в настоящее время следует делать акцент на производстве экологически чистого транспорта, разрабатывать альтернативные энергоисточники для транспортных средств, развивать бизнес по прокату велосипедов и озеленять город.