Загрязнение воздуха при сгорании топлива

Ключевые слова и понятия

4.1. Антропогенноезагрязнение

4.2. Летучие органические соединения (ЛОС)

4.3. Первичными загрязняющими веществами.

4.4. Вторичные загрязняющие вещества.

4.5. Фотохимический смог

4.6. Токсичные вещества

Входная информация

Приступая к изучению данной темы, Вам необходимо восстановить в памяти (или восполнить) знания из прошлых периодов обучения:

- из курса средней школы: значение понятий атом, молекула, химический элемент, простые и сложные вещества, органические соединения, углеводороды.

- из курса «Химия» для студентов технических специальностей: экзотермические реакции (4.?.-блок «Химия»), катализатор (5.3.-блок «Химия»), углеводороды (блок «Химия»), алкенов (блок «Химия»), полициклические углеводороды (блок «Химия)

Экзотермические реакции (4.?.) – реакции, протекающие с выделением теплоты (∆H < O).

Катализаторы(5.3- блок «Химия».) – вещества, в присутствии которых скорость химических реакций увеличивается.

Углеводороды (блок «Химия») – органические вещества, в состав которых входят углерод и водород, общая формула СпН2п+2.

Алкены (блок «Химия»).- углеводороды, в структуру которых входит двойная связь, общая формула СпН2п.

Полициклические углеводороды (блок «Химия) - органические циклические соединения с конденсированными кольцами.

Структура темы

1 Загрязнение воздуха при сгорании топлива

2 Загрязнение атмосферы двигателями внутреннего сгорания

3 Воздействие выхлопных газов на человека

3.1. Опасное воздействие оксида углерода (П) (СО)

3.2. Опасное воздействие оксида серы (1У) SO₂

3.3. Опасное воздействие оксида (NO) и диоксида (NO₂) азота

3.4. Образование фотохимического (городского) смога

3.5. Опасное воздействие соединений свинца.

4. Способы очистки выхлопных газов:

Примерно 10% загрязнения атмосферы(2.1.) происходит вследствие естественных природных процессов, как, например, вулканические извержения. Остальные 90% загрязнителей имеют антропогенное (4.1.) происхождение. Основными их источниками являются: сжигание ископаемого топлива на электростанциях (выбросы дыма) и в двигателях автомобилей; производственные процессы, не связанные с сжиганием топлива, но приводящие к загрязнению атмосферы.

Антропогенное происхождение загрязнения атмосферы(4.1.) – загрязнение атмосферы в результате деятельности человека.

Загрязнение воздуха при сгорании топлива

Наиболее широкое применение в качестве топлива находят нефть, уголь, природный газ. В некоторых странах также широко используется древесина. Основными компонентами угля, нефти и древесины является углерод, кислород и водород. В меньших количествах присутствуют сера, азот, а также следы других веществ, например, металлов (в виде их сульфатов и оксидов).

ВНИМАНИЕ!!! Природный газ перед использованием обычно очищают от содержащихся в нем соединений серы (H₂S и SO₂), чтобы предотвратить коррозию трубопроводов.

Количество серосодержащих соединений в топливе зависит как от его типа, так и от места добычи. Содержание серы в нефти и угле изменяется от 0.01 до 0.5%. В нефти они практически полностью входят в состав органических соединений (так называемая органическая сера). В угле около 50 % серы входит в состав органических соединений, остальные 50% серы – в состав неорганических соединений. Это мелкие кристаллы пирита FeS₂ и сульфаты: Fe₂(SO₄)₃; MgSO₄; CaSO₄ и др.

При сгорании топлива происходит окисление соединений водорода и углерода (1.1.,1.2.), сопровождающееся выделением энергии:

С + О₂ ® CO₂ - 393,5 кДж/моль (1.1)

H₂ + 1/2 O₂ ® H₂O - 285 кДж/моль (1.2)

Если концентрация кислорода недостаточна для полного окисления углерода, то осуществляется реакция (1.3.):

C + 1/2 O₂ ® CO -111 кДж/моль (1.3.)

либо часть образующегося по реакции (60) СО₂ вступает в следующую реакцию с углеродом (1.4.)

C+ CO₂ ® 2CO +172 кДж/моль (1.4.)

ЗАПОМНИТЕ!!! При сгорании топлива в недостаточном количестве кислорода может выделяться большое количество СО и уменьшаться (по сравнению с полным сгоранием) выделение тепла.

При неполном сгорании нефти или угля летучие органические соединения (ЛОС)(4.2.) уходят в атмосферу, образуя один из компонентов дыма, что характерно для небольших домашних печей.

Летучие органические соединения (ЛОС) (4.2.) – газообразные органические соединения с небольшой молекулярной массой, образовавшиеся за счет деструкции молекул топлива при высоких температурах при его неполном сгорании

В больших печах летучие соединения, обладающие высокой горючестью, воспламеняются от излучения горячих стенок печи и сгорают полностью до образования углекислого газа и воды.

Наиболее крупным природным источником ЛОС являются растения, ежегодно выделяющие примерно 350 млн.т изопрена (С₅Н₈) и 450 млн.т терпенов (С₁₀Н₁₆). Другое ЛОС – газ метан (СН₄), образующийся в сильно увлажненных местностях (например, на болотах или рисовых плантациях), а также продуцируемый бактериями в желудках термитов и жвачных животных. В атмосфере ЛОС обычно окисляются до оксидов углерода – угарного (СО) и углекислого (СО₂) газа.

Сера и азот, входящие в состав угля и нефти также сгорают с образованием соответствующих оксидов. Так, сера сгорает с выделением теплоты в соответствии с реакцией (1.5.):

S + O₂ ® SO₂ - 296,9 кДж/моль (1.5.)

При температуре пламени в меньшей степени происходит дальнейшее окисление оксида серы (У1) по реакциям (1.6.,1.7.):

SO₂ + O^· ® SO₃ (1.6.)

SO₂ + 1/2O₂ ® SO₃ - 99 кДж/моль (1.7.)

В составе оксидов, образующихся в обычном пламени, лишь около 1% содержится SO₃. Молекула серного ангидрида SO₃ является стабильной молекулой. Однако при низких температурах скорость ее образования в отсутствии катализатора(5.3.-блок «Химия»)) незначительна. При температурах характерных для пламени более стабильной является молекула сернистого ангидрида SO₂.

В процессе горения выделяется также и оксид NO. Источником его образования является частично азот, содержащийся в топливе. По разным данным окисляется от 18 до 80% такого азота. Остальная часть его образуется в результате реакций с атмосферным азотом в пламени и прилегающих к нему слоях.

ЗАПОМНИТЕ!!! При сгорании топлива в пламени сгорает и атмосферный азот.

Наиболее характерны реакции (1.8.,1.9.):

N₂ + O^· ® NO + N^· + 315 кДж/моль (1.8.)

N^·+ O₂ ® NO + O - 133 кДж/моль (1.9.)

Попадая в атмосферу, оксид NO медленно в результате сложных фотохимических реакций превращается в оксид NO₂. Упрощенная схема этой реакции (1.10):

NO + 1/2 O₂ ® NO₂ - 57.07 кДж/моль (1.10)

В условиях высоких температур в пламени оксиды NO и NO₂ образуются из активных атомов N^· и O^·, а также из гидроксидного радикала ОН ^·. Причем последняя реакция (1.11.) протекает очень быстро.

N^· + OH^· ® NO + H^· - 165 кДж/моль (1.11.)

СЛЕДУЕТ ПОНИМАТЬ!!! Количество образовавшегося оксида серы SO₂ зависит только от содержания серы в топливе, то количество образовавшихся оксидов азота (NO и NO₂) в большей степени определяется способом сжигания топлива и температурой пламени.

Образование твердых частиц (дыма) при сгорании топлива зависит от содержания твердых негорючих материалов в топливе и от полноты сгорания углерода.

В настоящее время разработаны и широко внедрены способы улавливания частиц дыма, извлечение оксидов SO₂ и NO. Способы улавливания диоксида азота NO₂ пока что разработаны слабо.

В таблице 4.1. приведены данные по содержанию оксидов азота и серы, образовавшихся при сжигании некоторых видов топлива.

Таблица 4.1. Содержание газообразных выбросов от сжигания топлива (10^-4%) без учета выбросов от двигателей внутреннего сгорания

Топливо	Оксиды азота	Содержа-ние SO2	Содер-жание SO3
ПДК 1971р. США	ПДК 1975р. США	Среднее
Нефть			70-500	200-700	3-12
Уголь			200-1200	1100-2100	10-18
Природный газ			60-1600	-	-