Исследование качественного состава твердых частиц выхлопов ДВС автомобилей без пробега

УДК 502/504;574

© В.В. Чернышев, Ю.А. Васянович, А.С. Зубцова, К.С. Голохваст, 2014

ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВЕННОГО СОСТАВА ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ ВЫХЛОПОВ ДВС АВТОМОБИЛЕЙ БЕЗ ПРОБЕГА*

Твердые частицы выхлопных газов являются серьезным загрязнителем атмосферы современного города. В данной работе были исследованы твердые частицы выхлопов автомобилей без пробега (до 1000 км) (n=17). Обнаружено, что твердые частицы выхлопных газов, обнаруженные в СВГ автомобилей без пробега состоят из частиц сажи и пепла, металлосодержащих (Au, Pt, Pd, Ir, Cr, Fe, Cu, Zr, Ni) и минеральных частиц, занесенных извне. Ключевые слова: автомобили, выхлопные газы, твердые частицы, загрязнение атмосферы.

В результате исследований установлено, что отработавшие газы автомобильных двигателей представляют серьезную опасность для здоровья людей и наносят серьезный вред окружающей среде (Bunger et al., 2000, 2006; Cooney, Hickey, 2011; Jenerowicz et al., 2012; Behrendt et al., 2014).

Очевидно, что в процессе эксплуатации автомобиля, технические параметры ухудшаются, увеличиваются выбросы вредных веществ, но выхлопы условно новых машин, которые имеют пробег до 1000 км не исследуется, и, к сожалению, не регламентируется.

Цель нашего исследования — изучение качественного состава твердых частиц выхлопов автомобилей без пробега.

Методы

Для проведения экспериментов, согласно классификациям ОН 025270-66 нами были выбраны наиболее значимые с точки зрения экологии (по выбросам) и широко представленные в городской среде типы автомобилей (на примере г. Владивосток, Россия).

Автомобили без пробега были любезно предоставлены коллегами авторов. Для машин были введены условные коды, чтобы не обозначать производителя и модель (табл. 1).

* Работа выполнена при поддержке Научного Фонда ДВФУ (№ 13-06-0318-м_а), Министерства образования и науки Российской Федерации (№ 14.594.21.0006) и в рамках выполнения государственной работы «Обеспечение проведения научных исследований» № 467.

Таблица 1

Машины, взятые в эксперимент

Код автомобиля Объем двигателя Тип топлива

KP 2013 1.0 бензин

VC 2012 1,1 бензин

WP 2013 1.6 бензин

VT 2012 1,8 бензин

VC 2012 2,0 бензин

KS 2012 2,0 бензин

VT 2012 2,0 дизель

VTi2012 2,0 бензин

VCr 2012 2,0 дизель

VA 2012 2,0 дизель

WTi 2013 2.0 бензин

WA 2013 2.0 дизель

KMu 2013 2.0 дизель

KS 2013 2.4 бензин

VTo 2012 3,0 дизель

KM 2013 3.0 дизель

WT 2013 3.6 бензин

Автомобили заправлялись бензином и дизельным топливом одной марки на заправочной станции одной и той же нефтяной компании, расположенной во Владивостоке. В двигателях использовалось масло одной и той же фирмы, но с учетом типа двигателя.

Методика проведения замеров запатентована (Голохваст и др., 2014). В качестве объекта исследования нами была выбрана суспензия выхлопных газов (СВГ), полученная нижеописанным образом. Для получения СВГ и проведения замеров нами было использовано следующее оборудование и материалы: пластиковая тара емкостью 20 л, шланг из поливинилхлорида (длиной 1 м и диаметром 50 мм для каждого замера), вода дистиллированная (объем 10 л на каждый замер). Пропускание выхлопных газов через воду имеет цель охладить и уловить большую часть содержащихся в них твердые частицы (до 80%). Перед замером емкость и шланг промывались деионизированной водой, полученной на установке по получению ультрачистой воды SGWASSER Ultra Clear TWF/EL-ION UV plus TM (Siemens, Berlin, Germany).

Морфологический анализ частиц осуществляли на сканирующем микроскопе Hitachi S3400-N.

Результаты

При исследовании с помощью электронной микроскопии с энергодисперсионным анализом было выявлено, что подавляющее число твердых частиц выхлопа машин без пробега, представляют собой пеплы, сажу, силикаты (по-видимому, из засасываемого окружающего воздуха) и соединения металлов.

Пепловый и сажевый компонент преобладает в весовом количестве в выхлопах и дизельных и бензиновых двигателей. Чаще всего можно отметить в образцах выхлопов две формы недо-горевших частиц: свободно лежащая микродисперсная грязь (рис. 1) и сорбированная на более крупных частицах (минералах и метал-лосодержащих).

Минеральные (чаще алюмосиликатные) частицы попадают в выхлопы из атмосферного воздуха, проникая через воздушный фильтр автомобиля (рис. 2, а и б).

Рис. 1. Частицы сажи (светлосерые), пеплов (темно-серые) и микрочастицы металлов (Ге/Сг/7п) (белые) из суспензии выхлопных газов автомобиля № 2013 (объем 2 литра, бензин). Измерительный отрезок 30 мкм

б

а

Рис. 2. Минеральные (преимущественно, алюмосиликатные) частицы из суспензии выхлопных газов автомобиля: а - КЯ 2013 (объем 1.6 литра, бензин), б -ШТ1 2013 (объем 2.0 литра, бензин). Сканирующая электронная микроскопия во вторичных электронах. Измерительный отрезок а - 40 мкм, б - 100 мкм

Минеральные частицы в выхлопах безусловно являются минорными компонентами. Среди минеральных типов чаще всего выявляются алюмосиликаты, встречаются также барит, галит и даже моноциты (фосфаты Рг, Ьа, Се). Минеральные частицы сами по себе являются компонентами природного фона и опасности для здоровья не представляют. Однако, стоит отметить, что «пролетая» через двигатель, они сорбируют на своей поверхности, большое количество токсичных компонентов (сажа и металлы).

Металлосодержащие частицы, обнаруженные в пробах автомобилей, по размерам можно разделить на две большие группы: микро-(до 10—20 мкм) (рис. 3, а) и макро (от 100 мкм). Частицы металлов размером от 10 до 100 мкм встречаются намного реже (рис. 4, а).

Рис. 3: а - Ее/Сг-содержащая микрочастица из суспензии выхлопных газов автомобиля КБ 2012 (объем 2 литра, бензин); б - спектр. Измерительный отрезок 10 мкм

б

Рис. 4: а - Ее/Сг-содержащая микрочастица из суспензии выхлопных газов автомобиля КБ 2013 (объем 2.4 литра, бензин). б - 7г-содержащая микрочастица из суспензии выхлопных газов автомобиля КБ 2013 (объем 2.4 литра, бензин). Сканирующая электронная микроскопия во вторичных электронах. Измерительный отрезок а) 50 мкм, б) 30 мкм

а

а

б

Ит 1 н

бооп

Си

Ли

Ре

Си

А Си Ли

10

Рис. 5: а - Au/Ag-содержaщaя микрочастица из суспензии выхлопных газов автомобиля КБ 2013 (объем 2.4 литра, бензин); б - спектр точки 2. Сканирующая электронная микроскопия во вторичных электронах. Измерительный отрезок 2,5 мкм

Микрочастицы являются продуктами сгорания масла и топлива (Бе, РЬ, Сг, 2п, Бг), а макрочастицы — элементы выхлопной системы (преимущественно Бе-содержащие) (рис. 4, а и б). Достаточно часто встречают в пробах микрочастицы соединений 2г (рис. 4, а), которым легируют стали для повышения их механических свойств и коррозиеустойчивости.

О биологических эффектах воздействия соединений 2г на организм человека и животных ничего не известно.

Интересным фактом является наличие среди твердых микрочастиц большого количества драгоценных металлов. Происхождением эти частицы обязаны каталитическим нейтрализаторам, поскольку они имеют примерно один и тот же размер (200-300 нм), спектр металлов (Аи, Ag, Р1;, Рё, 1г) и обнаружены только в СВГ бензиновых двигателей (рис. 5).

Биологические эффекты драгоценных металлов изучены мало, но одно очевидно — вряд ли насыщение воздушной среды наночастицами положительно скажется на здоровье людей.

Стоит отметить, что частицы металлов и их соединений относятся исследователями к числу наиболее токсичным элементов и в медицины появилась новая нозологическая форма — метал-лоаллергоз (Тихонов, Цыган, 2004; БаигесЬои е! а1., 2011).

Качественный анализ твердых частиц выхлопов позволяет сделать вывод, что твердые частицы автомобилей с пробегом и без практически не отличаются по составу.

Заключение

Особого внимания среди твердых частиц выхлопов заслуживает сажа и пепел, преобладающая по массовой доли. Как мы видим, это сложно компонентная система, содержащая не только углерод, но и большое количество металлов, и в том числе токсичных и редкоземельных (Cr, Ni, Cu, Fe, Pr, Nd, La, Ce и другие). Неудивительно, что ранее была показана способность частиц выхлопов повышать риск раковых заболеваний и служить причиной преждевременной смертности, вызывая осложнения респираторных и сердечнососудистых заболеваний (Cooney, Hickey, 2011; Yanamala et al., 2013), тем более что некоторые из них являются наноразмерными (Wang, Pui, 2013; Mastrofrancesco et al., 2014).

Итак, как мы видим, пробег автомобиля практически не влияет на размер твердых частиц, которые выбрасываются в окружающею среду и машины без пробега (условно до 1000 км) не являются «чистыми» с точки зрения выбросов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Голохвасда К.С., Гульков А.Н., Паничев А.М., Чайка В.В., Чернышев В.В. Патент № 2525051. Способ замера параметров выхлопных газов ДВС. Опубликовано 10.08.2014. Бюл. 22.

2. Тихонов М.Н., Цыган В.Н. Металлоаллергены: общая характеристика и оценка неблагоприятного воздействия на здоровье работающих // Современная медицина, 2004. — № 2. — С. 23-76.

3. Behrendt H., Alessandrini F., Buters J., Krämer U., Koren H., Ring J. Environmental pollution and allergy: historical aspects // Chem Immunol Allergy, 2014. Vol. 100. P. 268-77.

4. Bunger J., Muller M.M., Krahl J., Baum K., Weigel A., Hallier E., Schulz T.G. Mutagenicity of diesel exhaust particles from two fossil and two plant oilfuels // Mutagenesis, 2000. Vol. 15, № 5. P. 391-397.

5. Bünger J., Krahl J., Weigel A., Schröder O., Brüning T., Müller M., Hallier E., Westphal G. Influence of fuel properties, nitrogen oxides, and exhaust treatment by an oxidation catalytic converter on the mutagenicity of diesel engine emissions // Arch. Toxicol., 2006. Vol. 80(8). P. 540-546.

6. Cooney D.J., Hickey A.J. Cellular response to the deposition of diesel exhaust particle aerosols onto human lung cells grown at the air-liquid interface by in-ertial impaction // Toxicology in Vitro. - 2011. - Vol. 25 (8). - P. 1953-1965.

7. Faurschou A., Menne T., Johansen J.D, Thyssen J.P. Metal allergen of the 21st century—a review on exposure, epidemiology and clinical manifestations of palladium allergy // Contact Dermatitis. 2011. Vol. 64(4). P. 185-95.

8. Mastrofrancesco A., Alfe M., Rosato E., Gargiulo V., Beatrice C., Di Blasio G., Zhang B., Su D.S., Picardo M., Fiorito S. Proinflammatory Effects of Diesel Exhaust Nanoparticles on Scleroderma Skin Cells // Journal of Immunology Research. - 2014. - Vol. 2014. - Article ID 138751, 9 pages.

9. Wang J., Pui D.Y.H. Dispersion and filtration of carbon nanotubes (CNTs) and measurement of nanoparticle agglomerates in diesel exhaust // Chemical Engineering Science. - 2013. - Vol. 85 (14). - P. 69-76.

10. Yanamala N., Hatfield M.K., Farcas M.T., Schwegler-Berry D., Hummer J.A., ShurinM.R., BirchM.E., Gutkin D.W., Kisin E., Kagan V.E., Bugarski A.D., Shvedova A.A. Biodiesel versus diesel exposure: Enhanced pulmonary inflammation, oxidative stress, and differential morphological changes in the mouse lung // Toxicology and Applied Pharmacology, 2013. Vol. 272, Issue 2. P. 373-383.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Чернышев Валерий Валерьевич — аспирант, chvv@mail.ru,

Васянович Юрий Анатольевич — доктор технических наук, профессор,

vasyanovich_2011@mail.ru,

Зубцова Алиса Сергеевна — магистрант, ассистент кафедры безопасности в чрезвычайных ситуациях и охрана окружающей среды,

Голохваст Кирилл Сергеевич — кандидат биологических наук, доцент, директор НОЦ по направлению нанотехнологии, droopy@mail.ru, Инженерная школа, Дальневосточный федеральный университет.

UDC 502/504;574

A QUALITATIVE STUDY COMPOSITION OF PARTICULATE MATTER EMISSIONS ENGINE VEHICLES WITHOUT MILEAGE

Chernyshev V. V., postgraduate student, school of Engineering, far Eastern Federal University, Russia,

Vasyanovich Y.A., doctor of technical Sciences, Professor, School of engineering, far Eastern Federal University, Russia,

Zubtsova A.S., graduate student, School of engineering, far Eastern Federal University, Russia,

Golohvast K.S., candidate of biological Sciences, associate Professor, School of engineering, far Eastern Federal University, Russia.

The solid particles of the exhaust gases are a major polluter of the atmosphere of a modern city. In this work it was studied the solid particles of fumes of cars without mileage (1000

km) (n=17). Found that solid particles of the exhaust gas detected in the CSA cars without run are composed ofparticles of soot and ash, metallic (Au, Pt, Pd, Ir, Cr, Fe, Cu, Zr, Ni) and mineral particles, imported.

Key words: cars, exhaust gases, particulate matter, air pollution.

REFERENCES

1. Golohvast K.S., Gul'kov A.N., Panichev A.M., Chajka V.V., Chernyshev V.V. Patent № 2525051. Sposob zamera parametrov vyhlopnyh gazov DVS (Method of measuring parameters of exhaust gases of internal combustion engines). Opublikovano 10.08.2014. Bjul. 22.

2. Tihonov M.N., Cygan V.N. Metalloallergeny: obshhaja harakteristika i ocenka ne-blagoprijatnogo vozdejstvija na zdorov'e rabotajushhih (Metallofullerene: a General overview and assessment of adverse effects on workers ' health) // Sovremennaja medicina, 2004. No 2. pp. 23-76.

3. Behrendt H., Alessandrini F., Buters J., Krämer U., Koren H., Ring J. Environmental pollution and allergy: historical aspects // Chem Immunol Allergy, 2014. Vol. 100. pp. 268-77.

4. Bunger J., Muller M.M., Krahl J., Baum K., Weigel A., Hallier E., Schulz T.G. Mutagenicity of diesel exhaust particles from two fossil and two plant oilfuels // Mutagenesis, 2000. Vol. 15, No 5. pp. 391-397.

5. Bünger J., Krahl J., Weigel A., Schröder O., Brüning T., Müller M., Hallier E., West-phal G. Influence of fuel properties, nitrogen oxides, and exhaust treatment by an oxidation catalytic converter on the mutagenicity of diesel engine emissions // Arch. Toxicol., 2006. Vol. 80(8). pp. 540-546.

6. Cooney D.J., Hickey A.J. Cellular response to the deposition of diesel exhaust particle aerosols onto human lung cells grown at the air-liquid interface by inertial impaction // Toxicology in Vitro. 2011. Vol. 25 (8). pp. 1953-1965.

7. Faurschou A., Menne T., Johansen J.D, Thyssen J.P. Metal allergen of the 21st century - a review on exposure, epidemiology and clinical manifestations of palladium allergy // Contact Dermatitis. 2011. Vol. 64(4). pp. 185-95.

8. Mastrofrancesco A., Alfe M., Rosato E., Gargiulo V., Beatrice C., Di Blasio G., Zhang B., Su D.S., Picardo M., Fiorito S. Proinflammatory Effects of Diesel Exhaust Nanoparticles on Scleroderma Skin Cells // Journal of Immunology Research. 2014. Vol. 2014. Article ID 138751, 9 p.

9. Wang J., Pui D.Y.H. Dispersion and filtration of carbon nanotubes (CNTs) and measurement of nanoparticle agglomerates in diesel exhaust // Chemical Engineering Science. 2013. Vol. 85 (14). pp. 69-76.

10. Yanamala N., HatfieldM.K., Farcas M.T., Schwegler-Berry D., Hummer J.A., Shurin M.R., Birch M.E., Gutkin D.W., Kisin E., Kagan V.E., Bugarski A.D., Shvedova A.A. Biodiesel versus diesel exposure: Enhanced pulmonary inflammation, oxidative stress, and differential morphological changes in the mouse lung // Toxicology and Applied Pharmacology, 2013. Vol. 272, Issue 2. pp. 373-383.