3090

Влияние продуктов сгорания углеводородов на экосферу

Реферат

Экология и защита окружающей среды

Введение Экосфера - биотоп биосферы; совокупность свойств Земли как планеты, создающих условия для развития жизни. Пространственно экосферы включает в себя тропосферу, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы. Интенсивное развитие энергетики, промыш...

Русский

2012-10-24

38.8 KB

32 чел.

Введение

Экосфера - биотоп биосферы; совокупность свойств Земли как планеты, создающих условия для развития жизни. Пространственно экосферы включает в себя тропосферу, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Интенсивное развитие энергетики, промышленности и транспорта неизбежно вызывает рост потребления углеводородного топлива, что, в свою очередь, увеличивает количество продуктов его сгорания, выбрасываемых в атмосферу.

По данным многолетнего мониторинга, количество выбрасываемых в атмосферу химических соединений, веществ и элементов продуктов сгорания топлива удваивается каждые 15 лет, в связи с чем проблема загрязнения атмосферы продуктами сгорания топлива относится к одной из глобальных проблем современности.

Главная цель этой работы: показать влияние продуктов сгорания углеводородов на экосферу.

Задачи:

  1.  Узнать о происхождении вредных веществ.
  2.  Рассмотреть продукты сгорания углеводородов и их влияние на экосферу.


1. Откуда появляются вредные вещества

Источниками загрязнения атмосферы дымовыми газами – продуктами сгорания являются практически все тепловые двигатели и установки, сжигающие углеводородное топливо.

Атмосферный воздух, так необходимый для организации цепной реакции окисления (процесса горения) углеводородного топлива, поставляет в зону горения азот (около 78 процентов), кислород (около 21 процента) и 15 других химических веществ, соединений и элементов (до 1 процента).

Следует отметить, что для сжигания одного килограмма углеводородного топлива в зону горения подается от 12-14 (для газообразного топлива) до 25 и более (для твердого топлива) килограммов атмосферного воздуха.

Между тем в реакциях окисления участвует только кислород воздуха, а все другие компоненты выбрасываются в воздушный бассейн в виде экологически опасных загрязнителей, преобладающими из которых являются оксиды и диоксиды азота, называемые «воздушными». В объеме горения весь воздух нагревается до температуры сгорания, часть его окисляет компоненты топлива, а избыток в виде горячих газов выбрасывается в атмосферу, являясь причиной теплового загрязнения и повышенного выхода вредных «воздушных» компонентов в составе дымовых газов.

Углеводородное топливо, в свою очередь, поставляет в зону горения все химические вещества, соединения и элементы, содержащиеся в его составе. Элементарный состав горючей части углеводородного топлива в основном одинаков, однако структура топлива различна, а его химический состав включает примеси, характерные для мест добычи (геологические особенности местности) и технологии получения данного вида топлива. Так, газообразное топливо поставляет в зону горения углерод и азотсодержащие соединения.

Жидкое топливо, в зависимости от вида и качества, дополнительно вносит в зону горения серу и элементы, содержащиеся в механических примесях (ванадий, железо, кальций, натрий и др.) и в присадках (магний, марганец, свинец и др.). И, наконец, твердое топливо наряду с вышеуказанными элементами добавляет в зону горения примеси, которые могут включать алюминий, титан, барий, фосфор, мышьяк, сурьму, кадмий, ртуть, селен, олово, никель и другие элементы. Химические элементы, поставляемые в зону горения топливом, принято называть «топливными». Топливные элементы преобразуются в химические производные уже при температурах 600-700 °С на начальном этапе горения.

Кроме того, для нагрева воздуха, не участвующего в процессах горения, дополнительно затрачивается углеводородное топливо, что приводит к увеличению выхода опасных «топливных» составляющих в выбрасываемых в атмосферу продуктах сгорания.

Очевидно, что все находящиеся в топливе вещества, соединения, элементы, поступившие в зону горения в составе воздуха и топлива, пройдя определенные превращения в условиях высоких температур, не исчезают бесследно.

Большая (до 98 процентов) их часть оседает на поверхностях нагрева, а меньшая (около 2 процентов), – проходя транзитом зону горения, выбрасывается в воздушный бассейн в составе дымовых газов.

Исследования дымовых уходящих газов топливосжигающих установок показывают, что в их составе основными загрязнителями атмосферного воздуха являются оксиды углерода (до 50%), оксиды серы (до 20 процентов), оксиды азота (до 6-8%), углеводороды (до 5-20%), сажа, оксиды и производные минеральных включений и примесей углеводородного топлива.

В свою очередь, выхлопные и отработавшие газы тепловых двигателей выбрасывают в воздушный бассейн более 70 процентов оксидов углерода и углеводородов (бензолы, формальдегиды, бенз(а)пирен), около 55 процентов оксидов азота, до 5,5 процента воды, а также сажу (тяжелые металлы), гарь, копоть и т.д.

Дымовые газы установок и двигателей содержат десятки тысяч химических веществ, соединений и элементов, более двухсот из которых являются высокотоксичными и ядовитыми.

При выходе в атмосферу выбросы содержат продукты реакций в твердой, жидкой и газовой фазах. Изменения состава выбросов после их выхода могут проявляться в виде: осаждения тяжелых фракций; распада на компоненты по массе и размерам; химические реакции с компонентами воздуха; взаимодействия с воздушными течениями, облаками, атмосферными осадками, солнечным излучением различной частоты (фотохимические реакции) и др.

В результате состав выбросов может существенно измениться, могут образоваться новые компоненты, поведение и свойства которых (в частности, токсичность, активность, способность к новым реакциям) могут значительно отличаться от исходных. Не все эти процессы в настоящее время изучены с достаточной полнотой, но по наиболее важным имеются общие представления, касающиеся газообразных, жидких и твердых веществ.

Наибольший экологический ущерб атмосфере и окружающей природной среде в целом наносят такие вещества, как оксиды азота и углерода, альдегиды, формальдегиды, бенз(а)пирен и другие ароматические соединения, которые относятся к отравляющим веществам.

Кроме того, при работе любой установки и двигателя выбрасывается около 1,0-2,0 процента потребляемого топлива, которое оседает на поверхностях (земли, воды, деревьев и т.п.) в виде несгоревших углеводородов, сажи, пыли и золы.

Дымовые газы имеют неприятный запах и оказывают вредное, а порой смертельное воздействие флору и фауну. Газовое и тепловое загрязнение воздушного бассейна способствует образованию кислотных дождей, задымлению атмосферы, изменяет характер облачности, что приводит к усилению парникового эффекта.

Газы энергетических установок загрязняют воздух и территорию (акваторию) в районах их расположения. Значительные выбросы вредных компонентов в атмосферу происходят при запуске, прогреве и смене режимов работы установок и двигателей.

Наибольшую опасность для человека и живых организмов представляют компоненты, вызывающие раковые заболевания, это канцерогенные вещества, представленные в дымовых и выхлопных газах полициклическими ароматическими углеводородами (СxНy).

К числу обладающих большей канцерогенной активностью, в первую очередь, следует отнести 3,4 бенз(а)пирен (С20Н12), который образуется при нарушении организации процесса горения. Наибольший выход канцерогенных веществ, в частности 3,4 бенз(а)пирена, наблюдается на нестационарных и переходных режимах.


2. Продукты сгорания углеводородов

2.1 Диоксид серы, или сернистый ангидрид (сернистый газ)

Наиболее широко распространенное соединение серы – сернистый ангидрид (SO2) – бесцветный газ с резким запахом, примерно вдвое тяжелее воздуха, образующийся при сгорании серосодержащих видов топлива (в первую очередь угля и тяжелых фракций нефти).

Сернистый газ особенно вреден для деревьев, он приводит к хлорозу (пожелтению или обесцвечиванию листьев) и карликовости. В атмосфере он окисляется и реагирует с водяным паром с образованием вторичного загрязнителя – серной кислоты (Н24). Капли кислоты могут переносятся на значительные расстояния, разрушая большую часть пространства. Наиболее опасная форма загрязнения воздуха наблюдается при реакции сернистого ангидрида с взвешенными частицами, сопровождающейся образованием солей серной кислоты, которые активно загрязняют почву. Наличие в атмосфере сернистых газов препятствует фотосинтезу растений, При концентрации SО2 в воздухе более 0,9 мг/м3 происходит изменение процессов фотосинтеза растений; через 5... 10 дней хвоя сосны, ели начинает рыжеть и преждевременно опадает. Присутствие в отработавших газах (ОГ) серы делает невозможным использование каталитических нейтрализаторов, предназначенных для снижения токсичности ОГ.

2.2 Оксиды углерода и сажа

Оксид углерода – очень ядовитый газ без цвета, запаха и вкуса. Он образуется при неполном сгорании древесины, ископаемого топлива, при сжигании твердых отходов и частичном анаэробном разложении органики. Примерно 50% угарного газа образуется в связи с деятельностью человека, в основном в результате работы двигателей внутреннего сгорания автомобилей. Оксид углерода (СО) образуется во время сгорания при недостатке кислорода или при диссоциации СО2. Основное влияние на образование СО оказывает состав смеси: чем она богаче, тем выше концентрация СО. Время жизни в атмосфере 2 - 42 месяца. При окислении в атмосфере переходит в СО2

Двуокись углерода (СО2 ) – неядовитый газ. Одним из основных продуктов сгорания углеводородных топлив является диоксид углерода (СО2), который не относится к токсичным газам. Важнейшими источниками антропогенных выбросов СО2 являются: тепловые и электрические станции - 27%, промышленность - 20%, отопление жилых помещений и малая энергетика - 20%, транспорт - 17%. Годовая эмиссия СО2 составляет 130...1100 млрд. т/год. Основное количество СО2 производится природными источниками, и только примерно 1...3 % связаны с технической деятельностью человека (антропогенные выбросы). Увеличение концентрации техногенного углекислого газа в атмосфере является одной из главных причин наблюдающегося потепления климата, что связано с парниковым эффектом этого газа. В верхних слоях атмосферы всегда располагалась смесь газов, состоящая на 60... 90 % из водяного пара. Эта смесь газов препятствует отводу теплоты от поверхности нашей планеты, повышая ее среднюю температуру на 33°С (от -18°С до +15°С). В увеличении средней температуры на поверхности земли и заключается “парниковый” эффект, который обусловил благоприятные условия для возникновения и развития жизни на Земле. За последние 100 лет повышение средней температуры поднялось примерно на 0,45°С, что выразилось в известном потеплении климата. При дальнейшем неконтролируемом усилении “парникового” эффекта может произойти интенсивное таяние ледников, которое может привести к глобальной катастрофе.

Снижение антропогенных выбросов  СО2стало острой экологической проблемой. В то же время известно, что чем больше СО2 образуется при сгорании углеводородных топлив, тем оно совершеннее. Поэтому решение проблемы уменьшения антропогенных выбросов СО2 возможно путем:

- уменьшения количества сжигаемого углеводородного топлива, т.е. повышения топливной экономичности теплоэнергетических устройств и тепловых двигателей;

- применения топлив с малым содержанием углерода (сжатый и сжиженный газы, спирты и эфиры);

- использования водорода;

- перехода к широкому применению альтернативных источников энергии (энергия солнца и ветра, гидроэнергия, атомная и ядерная энергия).

Сажа представляет собой твердый продукт, состоящий в основном из углерода. Кроме углерода в саже содержится 1..3 % (по массе) водорода.

Сажа образуется при температуре выше 1500К в результате объемного процесса термического разложения (пиролиза) при сильном недостатке кислорода. Формально реакция пиролиза выражается уравнением:

Сn Нm« nС + 1/2 mН2 .

При одинаковом количестве атомов углерода по степени увеличения склонности к образованию сажи углеводороды располагаются следующим образом: парафины, олефины, ароматики. Наличие сажи в ОГ дизелей обуславливает черный дым на выпуске.

Сажа - не единственное твердое вещество, содержащееся в ОГ. Другие твердые вещества образуются из содержащейся в дизельном топливе серы, а также в виде аэрозолей масла и несгоревшего топлива. Все вещества, которые оседают на специальном фильтре при прохождении через него ОГ, получили общее название - частицы.

Сажа, содержащаяся в отработавших газах, обладает большей токсичностью, чем обычная пыль. На поверхности частиц сажи адсорбируются канцерогенные вещества. Видимым автомобильный выхлоп становится при концентрации сажи 130 мг/м3.

2.3 Взвешенные частицы

Взвешенные частицы, включающие пыль, сажу, пыльцу и споры растений и пр., сильно различаются по размерам и составу. Они могут либо непосредственно содержаться в воздушной среде, либо быть заключены в капельках, взвешенных в воздухе (аэрозоли). В целом за год в атмосферу Земли поступает около 100 млн. т. аэрозолей антропогенного происхождения. Это примерно в 100 раз меньше, чем количество аэрозолей естественного происхождения – вулканических пеплов, развеваемой ветром пыли и брызг морской воды. Примерно 50% частиц антропогенного происхождения выбрасывается в воздух из-за неполного сгорания топлива на транспорте, заводах, фабриках и тепловых электростанциях. По данным Всемирной организации здравоохранения, 25-35% объема воздуха содержит множество аэрозолей.

               

2.4 Летучие органические соединения (ЛОС)

Это ядовитые пары в атмосфере. Они являются источником множества проблем, в том числе играют главную роль при образовании фотохимических окислителей.

Антропогенные источники выбрасывают в атмосферу множество ядовитых синтетических органических веществ, например, бензол, хлороформ, формальдегид, фенолы, толуол, трихлорэтан и винилхлорид. Основная часть этих соединений поступает в воздух при неполном сгорании углеводородов автомобильного топлива, на теплоэлектростанциях, химических и нефтеперегонных заводах.

Углеводороды (СН) состоят из исходных или распавшихся молекул топлива, которые не принимали участия в сгорании. Углеводороды появляются в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания вследствие гашения пламени вблизи относительно холодных стенок камеры сгорания, в “защемленных” объемах, находящихся в вытеснителях и в зазоре между поршнем и цилиндром над верхним компрессионным кольцом.

В дизелях углеводороды образуются в переобогащенных зонах смеси, где происходит пиролиз молекул топлива. Если в процессе расширения в эти зоны не поступит достаточное количество кислорода, то СН окажется в составе ОГ.

Количество различных индивидуальных углеводородов, входящих в эту группу токсичных веществ, превышает 200.

Так, углеводороды под действием солнечных лучей могут взаимодействовать с NОх, образуя биологически активные вещества, которые вызывают появление так называемого смога.

Особое влияние оказывают выбросы бензола, толуола, полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и в первую очередь бензапирена (С20Н12 ). Эта группа высокотоксичных веществ образуется в результате пиролиза легких и средних фракций топлива при температуре 600...700К. Такие условия возникают вблизи холодных поверхностей цилиндра при наличии там несгоревших углеводородов. Токсичность газообразных низкомолекулярных углеводородоав возрастает при наличии в воздухе других загрязнений, которые в совокупности под действием солнечной радиации образуют фотохимические оксиданты смога. ПДК максимально-разовая составляет 5 мг/м3.

Полициклические ароматические углеводороды, содержащиеся в выбросах двигателей, являются канцерогенными, из которых наибольшей активностью обладает бензапирен (С20Н12), содержащийся в отработавших газах дизелей. ПДК составляет 0,1 мкг/100 м3 воздуха.

2.5 Оксиды азота

Оксид (NO) и диоксид (NO2) азота образуются при сгорании топлива при очень высоких температурах (выше 1000 К) и избытке кислорода. NО является неустойчивым компонентом, который в течение от 0,5...3 до 100 ч (зависит от концентрации в воздухе) окисляется до NО2  красно-бурого цвета, который хорошо заметен в атмосфере большинства крупных городов. Токсичность NО2 в 7 раз выше токсичности NО. Образование NO увеличивается с ростом температуры газов и концентрации кислорода и не зависит от углеводородного состава топлива. При растворении оксидов азота в воде образуются кислоты, которые являются одной из главных причин выпадения так называемых «кислых» дождей, приводящих к гибели лесов. Образование в приземном слое озона также является одним из следствий наличия в нем оксидов азота. В стратосфере закись азота инициирует цепочку реакций, приводящих к разрушению озонового слоя, защищающего нас от воздействия ультрафиолетового излучения Солнца. Основными источниками диоксида азота в городах являются выхлопные газы автомобилей и выбросы теплоэлектростанций (причем использующих не только ископаемые виды топлива). Кроме того, диоксид азота образуется при сжигании твердых отходов, так как этот процесс происходит при высоких температурах горения. Также NO2 играет не последнюю роль при образовании фотохимического смога в приземном слое атмосферы. Наибольшую опасность оксиды азота представляют как активный компонент при образовании фотохимического смога. Максимально-разовая концентрация оксидов азота в атмосфере населенных пунктов - 0,085 мг/м3.Реагируя с атмосферной влагой, оксиды азота образуют азотную кислоту, вызывающую коррозию металлов, уничтожение растительности и т.д.

2.6 Озон

Озон образуется при расщеплении либо молекулы кислорода (О2) либо диоксида азота (NО2) с образованием атомарного кислорода (О), который затем присоединяется к другой молекуле кислорода. В этом процессе участвуют углеводороды, связывающие молекулу оксида азота с другими веществами. Хотя в стратосфере озон играет важную роль как защитный экран, поглощающий коротковолновую ультрафиолетовую радиацию, в тропосфере он как сильный окислитель разрушает растения, строительные материалы, резину и пластмассу. Озон имеет характерный запах, служащий признаком фотохимического смога. При высоком содержании в малоподвижной и влажной атмосфере NO2, О3 и СН возникает туман коричневого цвета, который получил название “смог” (от английских слов Smoke - дым и fog -туман).

Заключение

Одним из перспективных направлений по снижению газового и теплового загрязнения воздушного бассейна является устранение причин возникновения вредных выбросов путем активного воздействия на процессы их образования. Или, говоря другими словами, качественное и количественное изменение механизмов формирования опасных загрязнителей воздушного бассейна. Как было указано выше, источниками вредных выбросов являются производные химических веществ, соединений и элементов, содержащихся как в атмосферном воздухе, так и в ископаемом топливе. В связи с этим качественное и количественное снижение опасных элементов, веществ и соединений в дымовых газах может быть достигнуто, во-первых, путем уменьшения количества вредных составляющих в исходных топливе и воздухе, участвующих в процессе горения. Во-вторых, подачей в зону горения минимально возможного количества воздуха из атмосферы с температурой подогрева, при которой количество кислорода в его составе наибольшее.

Список литературы

  1.  Ахметов Н. А. Общая и неорганическая химия. М., 2001.– 729 с.
  2.  Даценко И.И. Воздушная среда и здоровье. Львов, 1981.– 148 с.
  3.  Пинигин М.А. Охрана атмосферного воздуха. М., 1989.– 236 с.

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

64867. Русская литература и жанровая система первой трети XIX века 37.5 KB
  Русская литература первой трети 19 века Это время А. В истории русской литературы это время будут еще называть золотым веком русской поэзии. В это время на всероссийском престоле находится Александр I сместивший Павла I.
64868. Философия: смысл и значение 76 KB
  Научная картина мира. Образ Я это точка вокруг которой сфера мира. В этом определении фиксируется единство в сознании человека трех образов: образ мира образ себя и образ себя в мире. Универсалии категории культуры предельно обобщенная система...
64869. Цель и содержание курса ОБЖ. Основные задачи курса, роль в подготовке специалиста. Законодательные акты 19.44 KB
  Формирования ГО предназначены для проведения аварийно-спасательных и других неотложных работ при угрозе и возникновении ЧС в мирное и военное время. Формирования ГО создаются по территориально-производственному принципу в организациях в районах городах областях и подразделяются на территориальные и объектовые.
64871. Литература средних веков и эпохи возрождения. Зарубежная литература на рубеже античности и средневековья 18.9 KB
  В эпоху возрождения средневековье воспринимали критически. Романтикам было свойственно идеализировать прошлое и они увидели в средневековье множество привлекательных моментов. Тысячелетний период принято делить на 3 этапа: Раннее средневековье с 5 по 10 век...
64873. Грамматика. Разделы грамматики как науки 107 KB
  Грамматическая система гораздо более стабильна по сравнению с лексической, которая легко и быстро меняется под влиянием внеязыковых факторов. Основа грамматической системы языка может оставаться относительно неизменной на протяжении веков.
64874. Лексикология. Разделы лексикологии 115 KB
  Объекты лексикологии это слово как лексическая единица ЛЕ лексика словарный состав как совокупность слов определенным образом организованная структурированная. При общем объекте имеет свой предмет: в фонетике изучается звуковая сторона слова в морфемике строение слова...
64875. ПОЛІТОЛОГІЯ ЯК НАУКОВА ТЕОРІЯ 117.5 KB
  Навіть якщо людина вважає себе аполітичною вона змушена визнавати та поважати рішення політичних властей. Політика це діяльність держави та політичних установ через які здійснюється організація і управління різними видами соціальної діяльності а також регулюються відносини що витікають з обміну результатами цієї діяльності.