Экологические свойства легких топлив

Широкое использование транспорта, работающего на углеводородном топливе, приводит к сильному загрязнению окружающей среды. При сжигании бензина в двигателях автотранспорта образуется огромное количество загрязняющих веществ, что выводит в настоящее время на первый план экологические требования к топливу.

Загрязнение окружающей среды, связанное с применением бензина, происходит как на этапах хранения, транспортирования и заправки (утечки, разливы, испарение), так и на этапе его непосредственного использования – сжигания, где основным источником загрязнения являются уже отработавшие газы.

Согласно ГОСТ 12.1.007–76, вредные вещества по степени воздействия на организм человека, подразделяются на четыре класса опасности: первый – чрезвычайно опасные; второй – высокоопасные; третий – умеренно опасные; четвертый – малоопасные.

Токсические свойства компонентов топлива различны. Алкановые углеводороды (четвертый класс опасности) являются наркотиками. С увеличением числа атомов углерода в молекуле до девяти их действие усиливается, далее – ослабевает. Алкены и алкадиены благодаря наличию двойных связей, а следовательно, большей химической активности более опасны. Цикланы также более опасны, чем алкановые углеводороды. Ароматики, и особенно бензол (второй класс опасности), обладают высокими токсическими свойствами. Они воздействуют на процесс воспроизводства крови, на центральную нервную систему и опорно-двигательный аппарат. Сам бензин относится к четвертому классу [7, 31], однако его токсичность сильно увеличивает содержание свинца. ТЭС относится к первому классу опасности.

Токсичность отработавших газов оценивается индексом токсичности различных веществ относительно вредности оксида углерода.

Оксид углерода (CO) – ядовитый газ без цвета и запаха. В организме человека он соединяется с гемоглобином крови, затрудняет газообмен в клетках и приводит к кислородному голоданию. Степень его токсичности принимается за единицу.

Оксиды азота (NO_x – всего пять соединений: NO, NO₂, N₂O₃, N₂O₄, N₂O₅) в дыхательных путях образуют азотную и азотистую кислоты, вызывающие серьезные заболевания легких. Степень токсичности NO_x приблизительно на порядок выше, чем CO.

Сернистый газ (SO₂) сам по себе не ядовит, но при соединении с водой раздражает глаза, нос и горло, вредно влияет на легкие, уменьшает прозрачность атмосферы.

Углеводороды (CH и CHO – известно более 200 токсичных соединений) в отработавших газах содержатся в виде как простых, так и сложных полициклических соединений. Наиболее опасные полициклические ароматические соединения – канцерогены – накапливаются в организме и стимулируют образование злокачественных опухолей. К ним в первую очередь относятся 1,2-бензантрацен (C₈H₁₂), 3,4-бетапирен (C₂₂H₁₄), 1,2-бензпирен и 3,4-бензпирен (C₂₀H₁₂) и др. Наиболее токсичный 3,4-бензпирен, часто называемый бенз-a-пиреном, является признанным индикатором присутствия в отработавших газах (ОГ) других канцерогенов.

Сажа (углерод – C) сама по себе нетоксична. Главная ее опасность состоит в том, что она носитель канцерогенных веществ, адсорбирующихся на поверхности ее конгломератов. Сажа засоряет дыхательные пути и является причиной различных хронических заболеваний. Вместе с углеводородами сажа участвует в образовании “смогов”, вызывающих раздражение глаз, горла и носа.

При сжигании бензина образуются также стойкие аэрозоли, соединения свинца, альдегиды и другие вредные вещества [7]. По относительной токсичности, принимая токсичность CO за единицу, основные вредные компоненты ОГ могут быть выстроены в следующий ряд [31]:

CO: CH: NO_x: C: Pb = 1: 1,26:16,5:41,1: 22400. (19)

Соединения свинца (бромистый свинец, фосфат свинца) помимо воздействия на организм человека выводят из строя каталитические системы нейтрализации ОГ автомобильных двигателей, поэтому предельная норма концентрации свинца в бензине в конце 1990-х годов была снижена до 0,17 г/дм³, по действующим российским стандартам она составляет примерно 0,01 г/дм³, а по перспективным нормативным документам допускается только примесь в пределах 0,005 г/дм³.

В странах Европы и в США осуществляется переход к использованию реформулированных бензинов с повышенными требованиями к фракционному составу, давлению насыщенных паров, содержанию ароматиков, бензола, олефинов и серы, с обязательным содержанием оксигенатов и моющих присадок. Моющие присадки, удаляющие уже накопившиеся отложения, призваны поддерживать топливную систему в чистоте, что снижает токсичность двигателя по компонентам CO и CH. Бензины по стандартам России 1997–2002 гг. приближаются по своим показателям к европейским [38].

Следует отметить, что индекс токсичности по четырем основным компонентам – CO, CH, NO_x и C – современного бензинового двигателя составляет примерно 580, а дизеля – 640 [31]. Этот факт опровергает ошибочное мнение о лучшей экологичности дизеля, особенно при переходе на использование реформулированных бензинов.