Источники и механизм образования

Под атмосферной пылью понимают взвешенные в воздухе твердые частицы с диаметром более 1 мкм. Эти частицы трудно классифицировать химически, т.к. они могут представлять собой как частицы кварца, так и органические материалы самого различного происхождения, в том числе и цветочную пыльцу.

Аэрозоли представляют собой коллоидные системы, в которых дисперсионной средой служит, как правило, воздух. Диаметр диспергированных частиц, согласно определению коллоидных систем, лежит в пределах 0,1 – 0,001 мкм. В отличие от атмосферной пыли аэрозоли содержат не только твердые, но и жидкие частицы, образованные при конденсации паров или взаимодействии газов. Жидкие капельки могут содержать растворенные в них вещества. Обычно к аэрозолям относят и капельки диаметром 0,1 –1 мкм, тогда как твердые частицы этого же размера характеризуют как тончайшую пыль.

Атмосферная пыль и аэрозоли могут иметь как природное, так и антропогенное происхождение. В результате природных процессов частицы солей попадают в воздух из морской воды, минеральная пыль – из сухой почвы, пыль и зола – при вулканических извержениях, твердые частицы дымов – при лесных пожарах, органические частицы – в результате жизнедеятельности растений и животных, и, наконец, такие твердые продукты, как нитраты и сульфаты, образуются в результате газовых реакций.

Пыль и аэрозоли антропогенного происхождения образуются в результате промышленных выбросов, сжигания топлива, транспортных процессов. Кроме того, сельскохозяйственная деятельность нередко приводит к увеличению ветровой эрозии почв. Считается, что из 1670 мегатонн пыли и аэрозолей, ежегодно выносимых в атмосферу, значительно больше половины приходится на долю природных процессов [2].

Большую долю выбросов пыли и аэрозолей вносит автотранспорт. В настоящее время особое внимание уделяют выбросам твердых частиц с ОГ ДВС.

Под твердыми частицами понимают все вещества, собираемые из выхлопных газов на бумажном фильтре при 51,7^оС (125^оF).

Таким образом, под это определение попадают также связанная вода и жидкие продукты неполного сгорания топлив и масел (рис. 11).

Твердые частицы с ОГ типичного дизеля с наддувом состоят на 68-75% из нерастворимых частиц и на 25-32% - из растворимых.

Сажа (твердый углерод) является основным компонентом нерастворимых твердых частиц. Различают несколько стадий формирования сажи в процессе сгорания:

образование зародышей;

их рост до первичных частиц - кристаллитов (шестиугольных пластинок графита);

коагуляция до развитых конгломератов;

выгорание сложных образований.

На первых двух этапах этой цепи физико-химических превращений, приводящих к появлению первичных частиц, происходят процессы пиролиза (крекинга), гидрогенизации и дегидрогенизации (присоединения или отнятия водорода от промежуточных продуктов); полимеризации (соединение мономеров в полимер); конденсации (присоединение двух и более молекул к первичной с образованием частиц третьего типа).

Выделение сажи из пламени происходит в диапазоне коэффициентов избытка воздуха 0.33 - 0.7. При наличии в отрегулированных двигателях с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием (бензиновых, газовых) практически гомогенной рабочей смеси вероятность появления таких обогащенных зон незначительна. Нет условий для роста и коагуляции первичных частиц, так как высокая температура рабочего тела после прохождения горячего пламени способствует интенсивному выгоранию образовавшейся сажи. У дизелей локальные переобогащенные топливом зоны образуются чаще, и в полной мере реализуются перечисленные выше процессы сажеобразования. Поэтому значения выбросов сажи с ОГ дизелей являются на порядок большими, чем у двигателей с искровым зажиганием.

В состав твердых частиц кроме сажи входят соединения практически всех металлов, которые попадают в топливо вместе с присадками и примесями, при контакте с металлическими поверхностями.

На образование твердых частиц влияют плотность топлива и его фракционный состав, цетановое число, наличие серы и ароматических углеводородов. Все эти показатели, за исключением серы, взаимосвязаны. Чем тяжелее фракционный состав и выше плотность топлива, тем больше ароматических углеводородов и соответственно твердых частиц в продуктах сгорания. Чем больше в топливе серы, тем выше выбросы сульфатов и связанной с ними воды, доля которых в составе твердых частиц может составлять 20%.

Свинец в составе твердых частиц (при использовании этилированных* бензинов) присутствует в виде галогенидов свинца и соединений галогенидов аммония и свинца, которые образуются по сходному с сажей механизму.

Отработавшие газы ДВС – не единственный источник выбросов частиц автотранспортом. Большую опасность представляют выбросы асбеста, образующегося при износе фрикционных накладок сцеплений и тормозов, резиновая пыль, образующаяся при износе шин, а также продукты износа металлических деталей.