4. Отдел экологической безопасности

И ОЦЕНКИ РИСКОВ

1. СО (неполное сгорание углеводородов), СО₂ (сгорание углеводородов в цилиндре двигателя внутреннего сгорания), С_хН_у (несгоревший бензин), Н₂О и N₂ (воздух из камеры сгорания), NO_x (взаимодействие азота и кислорода, содержащихся в воздухе, при проскакивании искры в цилиндре мотора), [SO_х] (сгорание серы или сернистых соединений, содержащихся в бензине), [Pb] (октановые присадки).

Экологические проблемы: СО, СО₂, С_хН_у, Н₂О  парниковый эффект; С_хН_у, Н₂О и NO_x  фотохимический смог, NO_x  озоновый слой, NO_x и [SO_х]  кислотные дожди, [Pb]  токсическое воздействие на организмы.

2. Разложение гидрида титана-железа происходит при температурах, более низких, чем разложение гидрида магния (300^оС); гидрид магния легко реагирует с водой, выделяя водород.

3. Снижение объемов отходов, подлежащих захоронению, за счет увеличения объемов утилизируемых отходов.

4. Снижение сбросов в открытые водоемы. Модернизация и эколого-гигиеническое совершенствование очистных сооружений водоснабжения.

5. Токсичный органический растворитель 1,1,1-трихлорэтан применяется для обезжиривания металлических изделий.

6. Кумол  изопропилбензол (С₆Н₅СН(СН₃)₂). Адсорбенты впитывают органические пары и возвращают их в производственный процесс в качестве сырья.

Дополнительные Методические материалы

• Один легковой автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более 4 т кислорода, выбрасывая с отработанными газами около 800 кг СО, 40 кг N_xO_y и почти 200 кг различных углеводородов (мировой парк автомобилей насчитывает 500 млн. ед. фирмы «Мерседес»). Разрабатываются катализаторы, которые снижают уровень СО в отработанных газах на 80%, углеводородов на 70%, а N_xO_y на 50%. В целом токсичность выброса уменьшается в 10 раз.

Лучший катализатор Pt  слишком дорогостоящий, дефицитный. Более доступны  Pd, Ru, CuO, Cr₂O₃+CrO₃, NiO, MnO₂ и другие.

• Дизельные двигатели позволяют удешевить эксплуатацию автомобилей и уменьшить загрязнение окружающей среды. В топливе для дизельных двигателей отсутствуют свинцовые присадки.

• Жидкие смазочные масла иногда содержат небольшое количество воды. Эта примесь нежелательна, т.к. ухудшает эксплуатационные характеристики масла. Для количественного определения концентрации воды в маслах разработано несколько довольно трудоемких методик (см. ниже). Но прежде чем делать количественный анализ, хорошо бы знать, есть ли в масле вода? Предложите простейший, на ваш взгляд, способ качественного анализа жидких смазочных масел на содержание воды.

(ПРИМЕРНЫЙ ОТВЕТ: Ватный тампон припудрить порошкообразным KMnO₄ и внести в пространство над нагреваемым образцом масла. Если в масле содержится вода, она будет испаряться, частично конденсируясь на тампоне. Тампон окрасится в ярко-красный цвет. Аналогичную процедуру можно провести с прокаленным CuSO₄: белый порошок в присутствии воды приобретает голубой цвет).

• Для количественного определения примеси воды в смазочных маслах можно использовать следующий способ: анализируемый образец растворяют в безводном органическом растворителе. Затем навеску полученного раствора нагревают (t^o100^оС) без доступа воздуха в запаянной ампуле, в которую вносят немного ацетата свинца (IY). Последний легко подвергается гидролизу. Выпадает осадок PbO₂, по массе которого судят о количестве воды в образце. Написать уравнения реакций.

(ОТВЕТ:

Pb(CH₃COO)₄ + HOH PbOH³⁺+ CH₃COOH

PbOH ³⁺+ HOH  Pb(OH)₂²⁺+ CH₃COOH

Pb(OH)₂ ²⁺+ HOH  Pb(OH)₃⁺+ CH₃COOH

Pb(OH)₃⁺+ HOH  Pb(OH)₄+ CH₃COOH

Pb(OH)₄  PbO₂ + H₂O

___________________________________

суммарное уравнение:

Pb(CH₃COO)₄+ 2HOH  PbO₂ + 4CH₃COOH )

• Текстильные материалы, содержащие синтетические волокна, легко электризуются от трения. Поэтому они нуждаются в антистатической обработке, которая состоит, например, в пропитывании ткани ионными соединениями. Предложить неорганические вещества, которые можно использовать для антистатической обработки ткани.

(ПРИМЕРНЫЙ ОТВЕТ: а) соли, например, насыщенный раствор KMnO₄ в присутствии «травителя»  азотной кислоты; б) пропитать ткань слабым раствором уксусной кислоты и высушить).

• При повреждении бензобака автомобиля последствия могут быть самыми трагическими. Но может быть и по-другому: при столкновении бак поврежден, бензин выливается на землю и... не загорается. Именно такие результаты получили шведские инженеры, устроив вблизи Стокгольма испытания бензинового бака базопасной конструкции. Он сделан не из металла, а из специальной двухслойной резины, устойчивой к растворителям. Пространство между слоями под небольшим давлением заполнено жидкостью, которая при соприкосновении с бензином делает его невоспламеняемым.

• Для повышения октанового числа бензина используют тетраэтилсвинец. Это соединение присутствует в парах бензина и попадает в воздух. Предложите способ обнаружения паров Pb(C₂H₅)₄ в воздухе.

(ПРИМЕРНЫЙ ОТВЕТ: задача сводится к получению окрашенных соединений свинца. Для выполнения анализа необходимо пропустить анализируемый воздух через нагретую трубку, заполненную смесью хлора с воздухом. В результате реакции образуется хлорид свинца (II), частично растворимый в воде. Если к этому раствору добавить йодид калия, получится золотисто-желтый осадок йодида свинца).

• Приготовление высокооктанового бензина представляет собой весьма сложный технологический процесс. Цех по производству такого бензина из обычного нефтяного сырья  это комплекс из ряда установок, работающих при высоких температурах и давлениях с применением драгоценных металлов (платины, рутения) в качестве катализаторов. Только нефтяного топлива для получения одной тонны бензина тратится около 300 кг. Получать дизельное топливо значительно проще. К тому же в нефти больше потенциального сырья для его производства, а энергозатрат на его получение в 6 раз меньше. Переход на дизельные двигатели уменьшает потребление нефтяного сырья примерно в 1,5 раза. КПД дизельного двигателя на 20-30% выше «карбюраторного» и, следовательно, уменьшается расход топлива. Например, обычные «Жигули» расходуют на 100 км 8-8,8 л высокооктанового (АИ-93) бензина, а «Жигули» с дизельным двигателем тратят 5-5,5 л дизельного топлива.

• В состав красок в качестве пленкообразователей входят масла. Доля растительного масла в масляных красках составляет около 30%. Естественно желание заменить пищевые продукты в красках на синтетические. Большую часть масла можно с успехом заменить отходами каучукового производства (изопреновый каучук). Растительного масла в «изопреновой краске» всего 5%. Долговечность такой краски (наружное покрытие) около 10 лет.

Каучук придает краске новые свойства. Например, при действии химически агрессивных сред происходит уплотнение поверхности полимеров в результате образования веществ с более упорядоченной структурой и более инертных, чем основной полимер. Так получили лакокрасочные покрытия с добавлением различных каучуков, защищающие от коррозии изделия из металлов и неметаллов при действии кислот, щелочей, ядохимикатов и др.

Прочность лакокрасочного покрытия на стальных конструкциях во многом зависит от способности защитного слоя проникать в мельчайшие поры. Специалисты создали лак, который обеспечивает идеальное прилегание к защищаемой поверхности. Этот лак на 1/3 состоит из хлоропренового каучука, благодаря чему после высыхания на границе между пленкой и металлом не образуется даже мельчайших пузырьков воздуха.

• Автолюбители хорошо знают, что наибольший износ лакокрасочного покрытия происходит на участках, где твердые частицы пыли и песка ударяются о поверхность. Происходит так называемый абразивный износ, когда частицы осуществляют «микрорезание» покрытия.

При создании покрытий, стойких к абразивному износу, какие материалы, на ваш взгляд, следует выбрать:

а) металлокерамику; б) гальванические (никелькадмиевые); в) эпоксидно-каучуковые композиции; г) силикаты?

(ПРИМЕРНЫЙ ОТВЕТ: очень твердые пленки  а,б,г  сравнительно быстро разрушаются, так как они не обладают эластичностью, их обратимые деформации очень малы, т.е. покрытия будут хрупкими. Введение в состав покрытия полимеров, обладающих свойствами высокой эластичности (каучуки), прочности и хорошей адгезией к поверхности, защитит ее надежно и надолго).

• За час работы двигатель может выбросить в атмосферу до 200 г сажи. Если двигатель работает в среднем 5 часов в сутки, какую массу сажи он выбросит в атмосферу за год? Какие материальные убытки понесет фирма, если 1 т выброшенной в атмосферу сажи наносит вред окружающей среде на 1700 у.е. (автомобильный парк фирмы 200 автомобилей)?

• Частицы сажи чрезвычайно вредны, т.к. способны концентрировать на себе канцерогенные вещества и витать в воздухе до двух суток после попадания в атмосферу.

• Сажа  ценное сырье, стоимость 1 т сажи  около 400 у.е. Можно ли получить сажу из выхлопной трубы?

(ПРИМЕРНЫЙ ОТВЕТ: для этого существуют специальные устройства. Отработанные газы из двигателя поступают в герметичную емкость, установленную вместо глушителя. Доход  за счет снижения экологического ущерба (а значит, и экологических штрафов) и за счет утилизации ценного сырья).

• Снижение экологического ущерба от работы автотранспорта возможно по направлениям:

1. Изобретение более экономичных двигателей. Снижение потребления бензина с 0,282 кг/км до 0,202 кг/км уменьшит общее потребление топлива на 20% .

2. Изменение структуры транспортных средств в пользу экологически безопасных. Наибольшее загрязнение дают двигатели на бензине, на этот вид топлива приходится 33% потребления. Дизельные двигатели, хотя и дают много сажи, отличаются меньшим содержанием вредных веществ в выхлопных газах.

3. Внедрение новых (альтернативных) видов топлива, таких, как метанол и растительное масло. Метанол  сырье для производства высокооктановых (ОЧ=98) бензинов на сверхвысококремнеземистых кристаллических цеолитных катализаторах.

Во Франции разработана новая дизельная смесь «Дизель Би», содержащая 50% растительного масла. Эта добавка снижает содержание СО и СО₂ в выбросах. Если добавляется рапсовое масло, то в выбросах содержится вещество, стимулирующее фотосинтез, что способствует усиленному поглощению СО₂.

4. Улучшение дорог, создание шумовых стенок.

5. Регулирование скоростей автомобилей.

• Что делать со старой автопокрышкой?

а) закопать в землю; б) сжечь; в) подвергнуть термомеханическому воздействию, а полученный регенерат использовать на коврики, бытовые дорожки, садовые рукава; г) подвергнуть биодеструкции с помощью микробов до СО₂ и Н₂О; д) получить гранулированный уголь; е) после нагревания до 440-550^о С получить мазут, гудрон;

ж) подвергнуть пиролизу в доменном процессе, использовать для получения чугуна, кокса, нефти. Какой путь наиболее рационален?

• Плохо накачанные шины не только быстрее изнашиваются, но и увеличивают сопротивление движению, а значит, больше сжигается горючего.

автомобиль  реактор на колесах

Топливо для двигателя внутреннего сгорания  бензин или дизельное топливо, полученное в результате переработки нефти, состоит в основном из углеводородов. При полном сгорании, например, октана образуется ряд веществ:

С₈Н₁₈ +12,5О₂ + 47N₂= 8CO₂ +9H₂O + 47N₂ + 5062 кДж/моль.

Азот не участвует в реакции, но нагревается при горении воздушно-бензиновой смеси и таким образом влияет на энергетику процесса.

В химическом аспекте воздействие отработавших газов автомобиля на живые организмы сводится к следующему:

• максимальные энергетические показатели двигателя достигаются в условиях избытка топлива, но при этом из-за недостатка кислорода воздуха часть углеводородов бензина не окисляется до конца, что приводит к образованию элементного углерода (сажи) и оксида углерода (II), оказывающего вредное воздействие на здоровье человека даже при низких концентрациях вследствие более активного по сравнению с кислородом взаимодействия с гемоглобином крови;

• в состав бензина входят алканы нормального, разветвленного и циклического строения, ароматические соединения, ненасыщенные углеводороды с двойными и тройными связями. Эти соединения, попадающие в атмосферу вследствие испарения, а также продукты неполного сгорания топлива, взаимодействуя с оксидом азота, образуют токсичные продукты в составе смога, образование которого характерно для крупных городов;

• в условиях высоких температур, развиваемых в цилиндре двигателя, азот окисляется кислородом воздуха до NO, вызывающего общую слабость, головокружение и тошноту;

• сера, содержащаяся в бензине, окисляется до SO₂, нарушающего процессы дыхания и способствующего повышению кислотности атмосферных осадков;

• при горении бензина в условиях недостатка кислорода и высоких температур образуются ароматические углеводороды, среди которых наиболее опасны полициклические производные, обладающие канцерогенными свойствами, особенно 3,4-бензпирен;

• на стадии воспламенения топлива, а тем более пуска двигателя или при его работе без нагрузки (т.е. в условиях избытка кислорода) осуществляется синтез альдегидов, оказывающих наркотическое действие на центральную нервную систему;

• для устранения преждевременного воспламенения воздушно-бензиновой смеси в бензин добавляются антидетонаторы, среди которых наиболее эффективным является тетраэтилсвинец (С₂Р₅)₄Pb, вводимый в бензин в смеси с дибром- и дихлорэтанами в целях превращения образующегося в камерах сгорания оксида свинца в летучие галогены. Неизбежное попадание свинца в атмосферу весьма опасно вследствие возможного накопления его в крови и тканях человека и животных, в плодах растений, листьях деревьев, чуть ли не во всех живых организмах.

Количество автомобилей на планете растет, оно уже превзошло полумиллиардный рубеж. Объем же газообразных выбросов увеличивается почти в геометрической прогрессии, потому что загруженность дорог и особенно городских улиц автомобилями приводит к снижению скоростей, машины часто останавливаются и трогаются с места, двигатели работают без нагрузки («холостой ход»). Именно в этих режимах наблюдается повышенное выделение вредных веществ в окружающую среду.