Автомобильные присадки и добавки

Антидымные препараты

На первом месте по количественному содержанию и степени отрицательного воздействия на человека, животный и растительный мир стоят газообразные выбросы мобильной техники. В глобальном масштабе автотракторным парком выбрасывается в атмосферу 20…27 млн т оксида углерода (II), 2…2,5 млн т углеводородов, 6…9 млн т оксидов азота, 200…230 млн т оксида углерода (IV), а также до 100 тыс. т сажи. В Российской Федерации только дизели тракторов и комбайнов выбрасывают свыше 5 млн т вредных веществ в год (табл. 24).

Таблица 24. Выбросы дизелей мобильной техники в России

В отличие от промышленных и автотранспортных выбросов, загрязняющих атмосферу, выбросы мобильной сельскохозяйственной техники распространяются, хотя и неравномерно, но на все обрабатываемые площади. При этом загрязняющие вещества попадают в атмосферу на высоте до 4 м от уровня почвы, что повышает их экологическую опасность.

На величину выбросов вредных веществ с отработавшими газами (ОГ) большое влияние оказывает техническое состояние двигателя, например, в дизелях любая неисправность элементов системы топливоподачи повышает дымность ОГ, а выработка моторесурса двигателя увеличивает выброс токсичных веществ (табл. 25). Так, из‑за износа деталей цилиндропоршневой группы дымность может увеличиться в два раза.

Наиболее опасны для человека, животного и растительного мира сажа, бензапирен, оксиды азота, альдегиды, оксид углерода (II) и углеводороды. Степень их воздействия на организм человека зависит от концентрации вредных соединений в атмосфере, состояния человека и его индивидуальных особенностей.

По степени воздействия на организм человека вредные вещества подразделяются на четыре класса опасности: I-й — чрезвычайно опасные; II-й — высокоопасные; III-й — умеренно опасные; IV-й — малоопасные. Из веществ, содержащихся в ОГ, к первому классу опасности принадлежит бензапирен. Он опасен даже при малой концентрации, поскольку обладает свойством аккумулироваться в организме до критических концентраций.

Для каждого компонента ОГ существуют предельно допустимые концентрации (ПДК), определяемые из принципа полного отсутствия их воздействия на человека. ПДК основных токсичных компонентов ОГ и их классы опасности представлены в табл. 25.

Таблица 25. Предельно допускаемые концентрации основных токсичных выбросов выхлопа дизеля

Одно из первых мест в общем уровне токсичности занимает сажа, так как, во — первых, ее выбросы значительны (определяют повышенную дымность) и достигают по массе 1 % от расхода топлива, во — вторых, она выступает в роли накопителя ПАУ. Так, выбросы сажи дизелем 6Ч 15/18 в смену достигают 1,2…1,6 кг, а дизелем 6Ч 13/14 — до 3 кг. Наличие сажи в ОГ приводит к появлению неприятных ощущений, загрязненности воздуха и ухудшению видимости. Частицы сажи высокодисперсны (диаметр 50…180 нм, масса не более 10–10 мг), поэтому они долго остаются в воздухе, проникают в дыхательные пути и пищевод человека. Подсчеты показывают, что частицы сажи размером до 150 нм могут находиться в воздухе во взвешенном состоянии около восьми суток. Если относительно крупные частицы сажи размером 2… 10 мкм легко выводятся из организма, то мелкие размером 50…200 нм задерживаются в легких и вызывают аллергию.

Высокое содержание сажи (20…90 %) является обычным для частиц в ОГ дизельных двигателей. Частицы сажи сформированы в так называемой газовой стадии и вызваны неполным процессом сгорания. При этом частицы меньше 50 нм, обнаруживаемые в дизельной эмиссии, в основном образованы из серы, которая все еще входит в состав дизельного топлива.

Бензапирен относится к группе полициклических ароматических углеводородов, отличающихся высокой канцерогенностью, и является среди них наиболее опасным. Данное вещество в 3 млн раз токсичнее оксида углерода (II) и в 40 тыс. раз — оксидов азота.

Проблема предотвращения загрязнения окружающей среды канцерогенными ПАУ выходит за рамки крупных промышленных городов. Повышенное содержание бензапирена наблюдается повсеместно, причем отмечено сезонное колебание концентрации бензапирена в почве сельскохозяйственных полей. Опасность подобного загрязнения заключается в возможности перехода бензапирена в возделываемые культуры, а затем в организм человека. Наибольшее его количество найдено в пробах кочанной капусты (15,6…24 мкг/кг), наименьшее — в пробах помидоров (0,22 мкг/кг). В хлебном зерне его содержится от 0,68 до 1,44 мкг/кг.

Среди вредных соединений ОГ дизелей оксиды азота являются одними из наиболее токсичных выбросов после бензапирена (NOx в 75 раз токсичнее оксида углерода (II)).

Оксиды азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа, остаются в легких в виде азотной и азотистой кислот, образующихся в результате их взаимодействия с влагой верхних дыхательных путей. Опасность воздействия оксидов азота заключается в том, что отравление организма проявляется не сразу, а постепенно, причем каких‑либо нейтрализующих средств нет.

Важность мероприятий, направленных на уменьшение содержания оксидов азота в ОГ двигателей, объясняется как отрицательным влиянием на здоровье людей, так и тем, что они являются причиной образования смога, выпадения кислотных дождей.

Оксид углерода (II) является одним из основных нормируемых параметров, так как составляет значительный объем токсичных соединений, входящих в ОГ дизелей. Попадая в организм человека вместе с вдыхаемым воздухом, СО снижает функцию кислородного питания, выполняемую кровью. Он вытесняет кислород из крови и образует с гемоглобином стойкое соединение — карбоксигемоглобин. Вступая в реакцию с гемоглобином крови, СО блокирует его возможность снабжать организм кислородом. В результате этого у человека наступает удушье, нарушаются функции центральной нервной системы, возможна потеря сознания.

Наибольшей опасности отравления оксидом углерода (II) подвергаются люди, находящиеся в закрытых, плохо проветриваемых помещениях рядом с работающим двигателем. Опасно также находиться в кабине транспортного средства с негерметичной системой выпуска ОГ.

Из огромного количества углеводородных соединений различных классов наиболее активную роль в образовании смога играют олефины. Вступая в реакции с оксидами азота под воздействием солнечного облучения, они образуют озон и другие фотооксиданты — биологически активные вещества, вызывающие раздражение глаз, горла, носа, заболевания этих органов у человека и наносящие ущерб растительному и животному миру.

В России действуют природоохранные стандарты ГОСТ 17.2.2.05–97 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы определения выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей, тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин» и ГОСТ 17.2.2.02–98 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы определения дымности отработавших газов дизелей, тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин» (введены в действие соответственно с 01.06.1999 г. и 01.01.2000 г.). Стандарты в части методов определения дымности и выбросов оксидов азота, оксида углерода и углеводородов в основном соответствуют международному стандарту ИСО 789/4—86 «Сельскохозяйственные тракторы. Методы испытаний. Часть 4. Измерение дымности отработавших газов» и Правилам ЕЭК ООН № 96 «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения дизелей для установки на сельскохозяйственных и лесных тракторах в отношении выброса этими дизелями загрязняющих веществ». В то же время установленные этими государственными стандартами нормы выбросов и дымности менее жесткие, чем регламентированные Правилами № 96 на дизели, предназначенные для установки на сельскохозяйственные и лесные тракторы.

Существующие предельные значения выбросов в странах Евросоюза приведены в нормативах «Euro -1, 2, 3, 4, 5» (табл. 26).

Табл. 26. Нормы выбросов токсичных компонентов отработавших газов дизельных двигателей, г/кВт×ч

* — В Россия с 1 января 2008 г.;

** — Для двигателей рабочим объемом менее 0,75 л и максимальным числом оборотов свыше 3000 мин -1 ;

*** — Неметановые углеводороды.

Заметного снижения выбросов транспортными средствами вредных веществ в России можно ожидать лишь в случае поступления на отечественный рынок техники, соответствующей требованиям «Euro -2» и «Euro -3».

Антидымные препараты автохимии выпускаются для применения в качестве присадок к топливу и добавок к моторным маслам. В целом препараты этого класса предназначены для уменьшения дымности выхлопа двигателя, повышения компрессии, а также снижения угара масла и шумности работы двигателя.

При этом топливные препараты выполняют функции, в основном характерные для различных очистителей топливных систем двигателя, такие как улучшение процесса сгорания топлива, очистка отложений в топливной системе и снижение нагарообразования.

Масляные присадки направлены на раскоксовывание поршневых колец и камеры сгорания двигателя, стабилизацию вязкости моторного масла, образование защитных антифрикционных слоев, повышающих компрессию в двигателе.

Использование в дизельных видах топлива в качестве антидымных присадок соединений, содержащих ионы — комплексообразователи кобальта, церия, титана, железа, меди, никеля в концентрации 0,2 %, позволяет снизить содержание сажи в отработанных газах с 3,24 до 2,2 г/кг (на 38 %), а также оксидов азота с 29,6 до 16…24 г/кг. Значительному снижению эмиссии частиц сажи с отработавшими газами способствует введение в дизельное топливо соединений меди, никеля, церия в концентрации 0,025…0,18 г/л вместе с жидкими углеводородами в количестве 0,8…13 мл/л. Имеются предложения по использованию бифункциональной присадки к топливу для уменьшения коррозии и сажеобразования в отработавших газах. Она содержит соли железа, марганца, меди с алифатическими сульфокислотами С12—С30, соли кальция и бария с алифатическими и ароматическими кислотами.

Антидымная добавка к дизельному топливу снижает дымообразование путем выжигания сажи и продуктов химического недожога в камере сгорания до окончания сгорания основной массы топлива и начала процесса расширения рабочей смеси.

Среди металлсодержащих присадок к топливу, обладающих противодымным эффектом, главное место принадлежит солям органических кислот. С повышением содержания металла, т. е. зольности, растет эффективность противодымных присадок к топливу.

При использовании металлсодержащих присадок в пламени происходит интенсивная ионизация металлов. При этом ионы металлов, как в ламинарном, так и в диффузионном пламени, снижают скорость зародышеобразования частиц сажи и ее коагуляции. В результате этого либо уменьшается количество образовавшейся сажи, либо значительно снижается размер частиц, что способствует более полному их выгоранию. Этот механизм наиболее характерен для металлов первой группы периодической системы, но проявляется также и при использовании пластичных металлов, таких как медь, свинец, олово, никель.

Одним из путей уменьшения вредных выбросов в отработавших газах автомобиля является введение в дизельное топливо наноразмерных частиц оксида церия. Соответствующая технология «Fuel Borne Nanocatalyst» разработана английской фирмой «Oxonica» при Оксфордском университете. Специалисты фирмы создали добавку в топливо «Envirox», представляющую собой наноразмерные частицы оксида церия в органической основе. Находясь в составе топлива, эти частицы обеспечивают более полное сгорание углеводородов и уменьшение количества вредных выбросов. Рабочая концентрация оксида церия в топливе — 5 ppm (миллионных долей на литр), т. е. на железнодорожную цистерну топлива достаточно 150…200 г нанопорошка. Эффект от применения добавки «Envirox» — экономия топлива до 10…15 % и резкое снижение содержания оксидов азота. Филиппинская топливная компания «Independent Philippine Petroleum Co.» с марта 2005 года производит и реализует экологически чистое топливо «Diesel Premium Plus» .

Аналогичные работы по изучению каталитических свойств наночастиц оксидов церия и циркония ведутся в Брукхейвенской национальной лаборатории Управления энергетических исследований и разработок США. В марте 2006 года на очередном Национальном семинаре Американского химического общества было показано, что наночастицы оксидов, попадая на поверхность каталитического конвертера, действуют как буфер, поддерживающий каталитическую эффективность на одном и том же уровне, независимо от режимов работы двигателя.

Наиболее эффективно применение антидымных присадок после комплексной обработки двигателя с помощью различного рода очистителей топливной системы комплексного действия с целью длительного поддержания и усиления эффекта восстановления технико — экономических параметров двигателя.

Для снижения содержания несгоревших твердых частиц в отработавших газах предлагается добавлять в дизельное топливо соли марганца в сочетании с солями меди, а для улучшения процесса горения — соли марганца, меди, свинца, кобальта, цинка, церия, никеля, а также поверхностно — активные вещества и парафины.

При применении солей железа их растворяют в воде до получения растворов с концентрацией катионов железа 10 %, а затем проводят осаждение. Полученный осадок отфильтровывают, тщательно промывают дистиллированной водой и сушат при температуре 105 °C.