Пример HTML-страницы

Твердые частицы в воздухе. РМ 2.5 и РМ 10

Атмосферные твердые частицы в воздухе (AТM) – это общий термин для различных твердых и жидких твердых частиц, присутствующих в атмосфере.

Переносимые по воздуху твердые частицы представляют собой смесь органических и неорганических  веществ. Это твердые частицы и аэрозоли, состоящие из мелких капель жидкости, сухих твердых фрагментов и твердых ядер с жидкими покрытиями. Частицы сильно различаются по размеру, форме и химическому составу и могут содержать неорганические ионы, соединения металлов, элементарный углерод, органические соединения и соединения земной коры.

В 1918 году британский физический химик Фредерик Джордж Доннан обнаружил важное сходство между коллоидными химическими процессами и атмосферными процессами с облаками, и поэтому ввел термин “аэрозоль” для обозначения дисперсных частиц и капель в воздухе, после термина “гидрозоль”. Аэрозоли представляют собой многофазные системы, состоящие из частиц и газов, и обычно встречаются в виде пыли, дыма, тумана, дымки и т.д. Все они являются аэрозолями. В большей части литературы под атмосферными твердыми частицами и атмосферными аэрозолями подразумеваются твердые частицы в атмосфере.

Твердые частицы являются одним из компонентов аэрозоля. Чтобы частицы были взвешены в воздухе, скорость их осаждения должна быть небольшой. Обычно считается, что сферические частицы в аэрозолях имеют диаметр менее 100 мкм (0,1 мм).

Для описания твердых частиц в аэрозолях часто используются разные термины:

  • Пыль представляет собой твердые частицы, обычно более 1 мкм в диаметре. Пыль может плавать в воздухе в результате механических процессов, таких как ветровая эрозия, а песок, пепел, дорожная пыль и пыльца — все это пыль.
  • Дым обычно относится к мелким частицам, образующимся при сгорании. Мелкие частицы, образующиеся при конденсации водяного пара, также можно назвать дымом.
  • Туман представляет собой взвесь из капель, образующихся в результате конденсации или капель водяного пара. В приземной атмосфере обычно присутствует туман с видимостью менее 1 км и размером частиц обычно более 5 мкм.
  • Дымка состоит из более мелких капель или твердых частиц. За исключением смога, который возникает в пустынных или полупустынных районах, дымка обычно обеспечивает лучшую видимость, чем туман.

В целях регулирования качества воздуха частицы определяются по их диаметру; по массе и составу твердые частицы принято делить на две основные группы:

  • крупные частицы (РМ10) – диаметр менее 10 микрометров;
  • мелкие частицы  (РМ2,5) – диаметр меньше 2,5 микрометров.

Следовательно:

  • PM2,5 включает часть PM10;
  • твердые частицы в атмосфере диаметром несколько микрон это и твердые и мелкие частицы.

твердые частицы рм 10 и рм 2,5

Как правило, частицы диаметром более 10 мкм в основном задерживаются в полости носа, и такие частицы не вдыхаются. Мелкие частицы имеют диаметр менее 2,5 мкм, а частицы диаметром от 2,5 до 10 мкм называются крупными частицами . Вышеупомянутый диаметр частиц на самом деле относится к «медианному размеру», и около 50% частиц меньше среднего размера.

Твердые частицы РМ 2.5  и РМ10 – загрязняющее вещество, оказывающее влияние на здоровье человека.

Более мелкие частицы содержат вторично образовавшиеся аэрозоли, частицы сгорания и повторно конденсированные пары органических веществ и металлов.

Более крупные частицы обычно содержат материалы земной коры и летучую пыль с дорог и промышленных предприятий.

Загрязнение воздуха твердыми частицами представляет собой смесь твердых, жидких или твердых и жидких частиц, взвешенных в воздухе. Эти взвешенные частицы различаются по размеру, составу и происхождению. Удобно классифицировать частицы по их аэродинамическим свойствам, потому что:

(а) эти свойства определяют перенос и удаление частиц из воздуха;

(б) они также регулируют их отложение в дыхательной системе;

(c) они связаны с химическим составом и источниками частиц.

Эти свойства удобно резюмировать аэродинамическим диаметром , то есть размером сферы единичной плотности с такими же аэродинамическими характеристиками. Частицы отбираются и описываются на основе их аэродинамического диаметра, который обычно называют просто размером частиц.

Как твердые частицы влияют на кислотные дожди – читаем здесь.

Содержание
  1. В чем разница между PM10 и PM2,5?
  2. Воздействие частиц на атмосферу
  3. Твердые частицы в атмосфере неорганического происхождения
  4. Твердые частицы в атмосфере органического происхождения
  5. Размеры твердых частиц
  6. Размер отдельных частиц
  7. Определение среднего размера частиц
  8. Гранулометрический состав твердых частиц
  9. Концентрация твердых частиц
  10. Твердые частицы в воздухе, классификация
  11. Классификация частиц
  12. Ультрамелкие частицы
  13. Определение концентрации твердых частиц в воздухе
  14. Как образуются твердые частицы в воздухе?
  15. Какие материалы являются основными компонентами твердых частиц в воздухе?
  16. Причины попадания в атмосферный воздух твердых частиц
  17. Дизельные двигатели
  18. Бензиновый двигатель
  19. Европейские стандарты для автомобилей: твердые частицы и оксиды азота
  20. Большегрузные автомобили 
  21. Сжигание древесины
  22. Пожары биомассы и ветровая эрозия
  23. Другие источники твердых частиц
  24. Какие физические и химические характеристики твердых частиц в воздухе вызывают воздействие на здоровье?
  25. Существует ли порог, ниже которого PM не влияет на здоровье людей?
  26. Система мониторинга выбросов
  27. Методика определения фракционного состава пыли оптическим методом. Расчет концентраций взвешенных частиц. РМ2.5, РМ10 в атмосферном воздухе на основе фракционного состава

В чем разница между PM10 и PM2,5?

ТЧ10 и ТЧ2,5 часто образуются из разных источников выбросов, а также имеют разный химический состав. Выбросы от сжигания бензина, масла, дизельного топлива или древесины производят большую часть загрязнения PM2,5, обнаруженного в наружном воздухе, а также значительную долю PM10. PM10 также включает пыль со строительных площадок, свалок и сельскохозяйственной деятельности, лесных пожаров, сжигания мусора, выбросы от промышленных источников, переносимую ветром пыль с открытых земель, пыльцу и фрагменты бактерий.

ТЧ могут либо напрямую выбрасываться из источников (первичные частицы), либо образовываться в атмосфере в результате химических реакций газов (вторичные частицы), таких как диоксид серы (SO2), оксиды азота (NOX) и некоторых органических соединений. Эти органические соединения могут выделяться как из естественных источников, таких как деревья и растительность, так и из искусственных (антропогенных) источников, таких как промышленные процессы и выхлопные газы транспортных средств.

И PM2,5, и PM10 можно вдыхать, при этом некоторое их количество оседает в дыхательных путях, хотя места отложения частиц в легких зависят от размера частиц. PM2,5 с большей вероятностью попадет и откладывается на поверхности более глубоких частей легкого, в то время как PM10 с большей вероятностью откладывается на поверхностях более крупных дыхательных путей верхней части легкого. Частицы, осевшие на поверхности легких, могут вызывать повреждение тканей и воспаление легких.

Воздействие частиц на атмосферу

Частицы изменяют оптические свойства атмосферы посредством рассеяния и поглощения. Одним из проявлений загрязнения воздуха является снижение видимости. Частицы могут не только обратно рассеиваться, но и поглощать энергию солнечного и инфракрасного излучения земли и атмосферы, тем самым влияя на радиационный баланс атмосферы. Частицы также участвуют в формировании облаков и тумана. Если частицы отсутствуют, процессы конденсации и замерзания, в результате которых образуются капли воды и кристаллы льда, требуют более низких температур. Гомогенная конденсация относится к процессу конденсации без зародышей конденсации, для которого требуется пересыщение 500%, для гомогенной сублимации требуется пересыщение 3000%, для гомогенного замораживания требуется температура -40°С. Однако в присутствии частиц может произойти конденсация при влажности ниже 100 %. Следовательно, на количество капель в облаке и их размер влияют частицы, которые действуют как ядра конденсации. Континентальные облака формируются на ядрах конденсации разного размера, причем в континентальных облаках ядра более многочисленны и имеют меньший диаметр, чем в океанических облаках. Континентальные облака содержат больше капель воды меньшего размера, в то время как океанические облака содержат меньшее количество капель воды большего размера, поэтому континентальные облака с меньшей вероятностью образуют осадки.

Твердые частицы в атмосфере неорганического происхождения

Элементный анализ образцов аэрозолей PM2.5~10 методом флуоресцентной спектроскопии  определил основные химические элементы:

   *** *** ***
  • алюминий (Al)
  • кремний (Si)
  • кальций (Ca)
  • фосфор (P)
  • калий (K)
  • ванадий (Ⅳ)
  • уран (U)
  • титан (Ti)
  • железо (Fc)
  • марганец (Mn)
  • медь (Cu)
  • кобальт (Co)
  • вольфрам (W)
  • хром (Cr)
  • барий (Ba)
  • мышьяк (As)
  • кадмий (Cd)
  •  скандий (Sc)
  • фтор (F)
  • золото (Au)
  • ртуть (H)

В мелких твердых частицах также присутствуют различные соединения и ионы, сульфаты, нитраты и т.д.

Состав частиц связан с их источником, и источник частиц может быть определен путем сравнения доли загрязняющих веществ с долей частиц.

Твердые частицы в атмосфере органического происхождения

Помимо обычных неорганических элементов, атмосферные твердые частицы содержат:

  • элементарный углерод (EC),
  • органический углерод (OC),
  • органические соединения (особенно летучие органические соединения (VOCs),
  • полициклические ароматические углеводороды (PAHs),
  • токсичные вещества,
  • биологические вещества (бактерии, вирусы, плесень и т.д.).

Размер атмосферных твердых частиц, содержащих органические вещества, обычно небольшой, в основном в диапазоне от 0,1 до 5 мкм, и большинство органических частиц образуется в процессе горения.

В твердых частицах имеется много видов органических веществ, основными компонентами которых являются углеводороды, такие как:

   *** *** ***
  • алканы
  • полициклические ароматические углеводороды
  • циклические кетоны
  • олефины
  • нитрозамины
  • хиноны
  • кислоты
  • ароматические углеводороды
  • азагетороциклы
  • фенолы

В мелких твердых частицах также присутствуют различные соединения и ионы, сульфаты, нитраты и т.д.

Атмосферные ПАУ в основном сосредоточены в сегменте мелких частиц.

Размеры твердых частиц

Размер (гранулометрический состав) атмосферных частиц тесно связан с их свойствами и является одной из основных характеристик, учитываемых при отборе проб и методах контроля загрязняющих веществ в атмосфере.

Размер частиц подразделяется на размер одной частицы и средний размер популяции частиц, обычно выраженный в мкм.

Размер отдельных частиц

Форма атмосферных частиц в основном неправильная, а значения размера частиц варьируются в соответствии с различными определениями. Существует два метода определения размера частиц:

  1. метод прямого определения: в соответствии с геометрией частиц, с помощью микроскопии или просеивания и других методов определить размер частиц.
  2. метод косвенного определения: по некоторым физическим свойствам частиц (таким как скорость оседания частиц в воздухе, плотность и т.д.).

В первом случае получают:

  • ориентировочный размер частиц (представительный размер), например, диаметр выступа и диаметр сита;
  • измеренный вторым методом размер частиц называют эквивалентным диаметром.

Определение среднего размера частиц

Твердые частицы в атмосфере это совокупность частиц различных размеров. В практических целях иногда необходимо знать средний размер частиц твердых частиц. Средний размер частиц определяется как диаметр сферической популяции частиц однородного размера с теми же физическими свойствами, что и фактическая популяция частиц в атмосфере.

Гранулометрический состав твердых частиц

Гранулометрический состав частиц также известен как дисперсия частиц, которая относится к соотношению состава частиц различных размеров, либо по числу частиц, либо по площади поверхности, либо по массе. Распределение частиц по размерам в основном представлено графическими методами и методами функции распределения.

Концентрация твердых частиц

Концентрация твердых частиц в атмосфере обычно выражается тремя способами.

  1. Количественная концентрация: выражается в количестве частиц на единицу объема воздуха, обозначается как “шт/л”.
  2. Массовая концентрация: выражается как масса частиц на единицу объема воздуха, записывается как “мг/м3” или “Lag/m3”.
  3. Интенсивность оседания: количество или масса частиц, которые оседают естественным образом на единицу площади в единицу времени, записывается как “ян (снл2-ч) а или “т/(кин2-мо) сила.

Концентрация атмосферных частиц значительно варьируется, и обычно различают:

  • мгновенные и средние концентрации,
  • максимальные или минимальные значения,
  • средние значения.
  1. В средних значениях концентрации следует также различать средние значения за 1 час, за 24 часа или за месяц. Чем длиннее среднее значение, тем оно должно быть меньше; иногда также указывается время непрерывного усреднения, например, среднее значение за 48 часов подряд, или среднее значение за 1 час в течение 8 часов в течение дня и т.д.
  2. Максимальные и минимальные значения должны также указывать на их временной характер, т.е. максимальное (минимальное) значение для каждого дня.

В борьбе с загрязнением воздуха обычно используются массовая концентрация и уменьшение количества пыли, в то время как количественная концентрация в основном используется в контексте технологии сверхчистой очистки воздуха.

Твердые частицы в воздухе, классификация

Состав атмосферных твердых частиц сложен и во многом зависит от их источника.

Существует два основных типа источников:

  • природные источники;
  • антропогенные источники, которые являются более вредными.

Атмосферные твердые частицы в академическом мире можно разделить на первичные и вторичные твердые частицы.

Первичные твердые частицы – это твердые частицы, выброшенные в атмосферу природными и антропогенными источниками загрязнения, непосредственно вызывающими загрязнение, такие как частицы почвы, частицы морской соли, сажа от сгорания и т.д.

Вторичные твердые частицы – это твердые частицы, образующиеся в результате преобразования определенных компонентов загрязняющих газов в атмосфере (например, диоксида серы, оксидов азота, углеводородов и т.д.) друг в друга или между этими компонентами и обычными компонентами в атмосфере (например, кислородом) посредством реакций фотохимического окисления, каталитических реакций окисления или других химических реакций, например, диоксида серы в сульфат.

Классификация частиц

Классификация в соответствии с природой источника твердых частиц:

  • первичные твердые частицы: частицы, выбрасываемые непосредственно из источника, такие как дым и пыль, выбрасываемые из дымоходов, пыль; сдуваемая ветром и волнами и т.д.
  • вторичные твердые частицы: газ, выбрасываемый из источника; частицы, образующиеся в результате физико-химических преобразований в атмосфере (например, H2S и SO2, выбрасываемые из котлов, в процессе атмосферного окисления образуют сульфатные частицы).

Классификация в соответствии с характером твердых частиц:

  • неорганические частицы: такие как частицы металлической пыли, частицы минеральной пыли, частицы пыли строительных материалов и т.д.;
  • органические частицы: такие как растительные волокна, шерсть животных, кератин, перхоть, химические красители и пластмассы и т.д.;
  • живые частицы: такие как одноклеточные водоросли, бактерии, простейшие, бактерии и вирусы и т.д.

Классификация в соответствии с размером частиц:

В соответствии с размером аэродинамического диаметра D, атмосферные твердые частицы могут быть классифицированы как:

  • общее количество взвешенных частиц (TSP): D≤100 мкм;
  • вдыхаемые частицы (обычно известные как PM10): D≤10 мкм;
  • мелкие частицы (обычно известные как PM2.5): D≤2,5 мкм.

Классификация как загрязнителей воздуха

С точки зрения борьбы с загрязнением воздуха, в соответствии с физическими свойствами частиц, обычно используются такие понятия, как “пыль”, “летучая зола”, “дым”, “капли”, “туман” и т.д.

Действующие стандарты качества воздуха ЕС ограничивают ежегодное вдыхание человеком не более 40 микрограммов на кубический метр PM2.5 и 25 микрограммов на кубический метр PM10.

Руководство Всемирной организации здравоохранения ООН рекомендует годовое воздействие не более 20 микрограммов на кубический метр для PM2.5 и 10 микрограммов на кубический метр для PM10.

Частицы пыли: более крупные частицы с размером частиц более 75 мкм.
Пыль: частицы размером от 1 до 75 микрон, обычно образующиеся в результате дробления и работы в промышленном производстве.
Субмикронная пыль: пыль с размером частиц менее 1 микрона.
Сажа: твердые частицы, образующиеся в результате сгорания, сублимации, конденсации и т.д., размер частиц обычно менее 1 микрона.
Туманная пыль: капли, образующиеся в результате конденсации и коалесценции пересыщенных паров, химических реакций и распыления жидкости в промышленном производстве. Размер частиц обычно составляет менее 10 микрон. Жидкий туман, образующийся в результате конденсации и коалесценции пересыщенных паров, также известен как дымка.
Дым: неоднородная система твердых частиц и капель жидкости, включая туманную пыль и сажу, с размером частиц от 0,01 до 1 микрона.
Химический смог: Существует два типа смога: смог серной кислоты и фотохимический смог. Диоксид серы или другие соединения серы, несгоревшая угольная пыль и высокая концентрация тумана и пыли смешиваются, создавая химический эффект, также известный как смог лондонского типа. Фотохимический смог образуется в результате фотохимической реакции углеводородов и оксидов азота в выхлопных газах автомобилей, также известен как смог лос-анджелесского типа.
Сажа: частицы угля, образующиеся в результате неполного сгорания угля или летучей золы в процессе сжигания, с размером частиц от 0,01 до 1 микрона; несгоревшие частицы угля, переносимые дымовыми газами.

Ультрамелкие частицы

Сверхмелкие частицы не измеряются в сетях мониторинга загрязнения воздуха, что не означает, что они не существуют и не влияют на здоровье.

Существует много источников ультрадисперсных частиц. В основном они образуются при сгорании, но также возникают в результате реакций между такими газами, как диоксид серы, оксиды азота и углеводороды в атмосфере, обычно под воздействием солнечной радиации. Они состоят из сульфатов, нитратов, соединений углерода и, возможно, конденсации паров металлов из сбросов промышленных отходов. Они могут иметь природное происхождение, например, органические соединения, выделяемые растениями, такие как терпены, изопрены. В солнечном излучении сверхмелкие частицы имеют голубоватый вид из-за своего небольшого размера и имеют тенденцию рассеивать коротковолновое солнечное излучение.

Очень многие сверхмелкие частицы могут агломерироваться друг с другом или на более крупных частицах, ограничивая время жизни более мелких частиц; эта агломерация не влияет на массовую концентрацию частиц, а только на свойства частиц.

Определение концентрации твердых частиц в воздухе

Вес пыли (микрограммы или миллиграммы) на единицу объема газа в стандартных условиях (т.е. давление 760 мм рт.ст., температура 273 K) называется концентрацией пыли.

Основными методами определения являются:

  1. Гравиметрический метод – метод весовой концентрации. Использование фильтров или других сепараторов для сбора пыли и ее взвешивания является надежным методом определения содержания пыли. Имеются различные измерительные приборы. Например, электростатические анализаторы веса  пыли могут измерять концентрацию до 10 микрограммов пыли на стандартный кубический метр. Если устройство для сбора пыли с известной эффективной площадью поверхности поместить в подходящее место на открытом воздухе и собрать и взвесить достаточное количество частиц пыли, можно определить количество выпавшей пыли.
  2. Метод рассеяния света – используется лазерный пылемер. Прибор непрерывно контролирует концентрацию пыли и одновременно собирает твердые частицы для анализа их состава и выведения коэффициента преобразования массовой концентрации K. Концентрация массы пыли (мг/м3) может считываться напрямую, при этом на выбор предлагаются резцы PM10, PM5, PM2.5, PM1.0 и TSP. В приборе используется мощный насос, что делает его более подходящим для определения концентрации вдыхаемых твердых частиц PM10 в выхлопах центральных кондиционеров, которые должны быть оснащены длинными пробоотборными трубками, а также для мониторинга вдыхаемой пыли PM2.5.
  3. Метод сравнения таблиц спецификации концентраций. Таблица представляет собой схему из квадратов с черными линиями шириной 1,0, 2,3, 3,7, 5,5 и 10,0 мм, прорисованных на различных листах белой бумаги длиной 14 см и шириной 20 см, таким образом площадь, занимаемая черной частью в пределах прямоугольной белой доски, составляет приблизительно 0, 20, 40, 60, 80 и 100%, что позволяет разделить концентрацию сажи на 6 уровней, называемых 0, 1, 2, 3, 4 и 5 степенями соответственно. В стандартных условиях 1 степень концентрации сажи эквивалентна 0,25 г/м3, 2 степень – 0,7 г/м3, 3 степень – 1,2 г/м3, 4 степень – приблизительно 2,3 г/м3 и 5 степень – приблизительно от 4 до 5 г/м3. При использовании измеритель концентрации держат вертикально примерно на той же высоте, что и глаза наблюдателя, а затем смотрят на картон на расстоянии 16 метров от него и 40 метров от дымохода и сравнивают с концентрацией сажи в 30-45 см от отверстия дымохода. При наблюдении наблюдатель должен находиться под прямым углом к потоку дыма, не сталкиваясь с солнечными лучами, и на фоне дымовой трубы не должно быть никаких препятствий, таких как здания или горы.
  4. Фотометрический метод – через исследуемый газ пропускается свет определенной интенсивности или определенное количество исследуемого газа промывается водой, так что частицы пыли в газе попадают в воду. Затем через запыленную воду пропускается свет определенной интенсивности. При этом частицы пыли в газе или воде отражают и рассеивают свет. Интенсивность пропущенного или рассеянного света измеряется фотоэлектрическим прибором и сравнивается со стандартной светимостью, которая может быть преобразована в концентрацию пыли.
  5. Метод подсчета частиц – известный объем пыли осаждается на прозрачную поверхность, и количество частиц пыли подсчитывается под микроскопом. Результат выражается в количестве частиц на кубический сантиметр, которое при необходимости можно перевести в концентрацию пыли, 20 000 частиц пыли составляет приблизительно 100 мг на кубический метр.
  6. Метод косвенного измерения – поток пыли через измерительную трубку является турбулентным, а частицы пыли электрически заряжены из-за трения между частицами пыли и внутренней стенкой трубки. Концентрация пыли может быть измерена косвенно с помощью термопар для измерения тепла излучения, поглощенного частицами пыли от определенного источника света. В ионизационной камере измеряется ослабление потока ионов частицами пыли в воздухе. Этот метод также может быть использован для расчета концентрации пыли. Нижний предел измерения может составлять до 200 частиц пыли на кубический сантиметр.
  7. Химический анализ

Как образуются твердые частицы в воздухе?

Размер взвешенных частиц в атмосфере варьируется: от нескольких нанометров до десятков микрометров. Крупные частицы возникают механически путем дробления более крупных твердых частиц. Эти частицы могут включать переносимую ветром пыль от сельскохозяйственных работ, частицы почвы, грунтовых дорог или пыль от деятельности горнодобывающих предприятий. Движение создает дорожную пыль и турбулентность воздуха, которая поднимает дорожную пыль. У берегов морей и океанов при испарении морских брызг могут образовываться твердые частицы. Пыльцевые зерна, споры плесени, а также части растений и насекомых также относятся к крупным частицам (РМ10).

Более мелкие частицы, называемые мелкой фракцией, в основном образуются из газов. Самые мелкие частицы размером менее 0,1 мкм образуются в результате зародышеобразования, то есть конденсации веществ с низким давлением пара, образующихся в результате высокотемпературного испарения или химических реакций в атмосфере с образованием новых частиц (ядер).

Четыре основных класса источников с достаточно низким равновесным давлением для образования частиц типа ядра могут давать твердые частицы:

  • тяжелые металлы (испаряются при сгорании),
  • элементарный углерод (из коротких молекул углерода, образующихся при сгорании),
  • органические вещества,
  • углерод, сульфаты и нитраты.

Частицы в этом диапазоне или режиме зародышеобразования увеличиваются за счет коагуляции, то есть комбинации двух или более частиц с образованием более крупной частицы, или за счет конденсации, то есть конденсации молекул газа или пара на поверхности существующих частиц. Коагуляция наиболее эффективна для большого количества частиц, а конденсация наиболее эффективна для больших площадей поверхности. Следовательно, эффективность коагуляции и конденсации снижается с увеличением размера частиц. Таким образом, частицы имеют тенденцию «накапливаться» от 0,1 до 1 мкм , так называемый диапазон накопления.

Частицы размером менее микрометра могут быть получены путем конденсации металлов или органических соединений, которые испаряются в процессах высокотемпературного горения. Они также могут быть получены путем конденсации газов, которые были преобразованы в атмосферных реакциях в вещества с низким давлением пара.

Например, диоксид серы окисляется в атмосфере с образованием серной кислоты (H2SO4 ), которая может быть нейтрализована NH3 с образованием сульфата аммония.

Двуокись азота ( NO2) окисляется до азотной кислоты (HNO3), которая, в свою очередь, может реагировать с аммиаком (NH3) с образованием нитрата аммония (NH4NO3).

Частицы, образующиеся в результате промежуточных реакций газов в атмосфере, называются вторичными частицами. Вторичные сульфатные и нитратные частицы обычно являются доминирующим компонентом мелких частиц . При сжигании ископаемого топлива, такого как уголь, нефть или бензин, могут образовываться крупные частицы в результате выброса негорючих материалов (например летучей золы); мелкие частицы в результате конденсации материалов, испарившихся при сгорании, и вторичные частицы, образующиеся в результате атмосферных реакций оксидов серы и оксидов азота, первоначально выделяющихся в виде газов.

Какие материалы являются основными компонентами твердых частиц в воздухе?

Сульфаты и органические вещества являются двумя основными источниками среднегодовых массовых концентраций PM 10 и PM 2.5., за исключением участков у обочин дорог, где минеральная пыль (включая микроэлементы) также является основным источником PM 10 .

Причины попадания в атмосферный воздух твердых частиц

Дизельные двигатели

Дизельные двигатели в легковых и грузовых автомобилях, а также в строительной и сельскохозяйственной технике, локомотивах и судах в течение многих лет являются основной причиной загрязнения воздуха из-за долгосрочных выбросов мелкодисперсных твердых частиц, углеводородов, соединений серы и оксидов азота.

Одним из преимуществ дизельных двигателей является их высокая энергоэффективность. При той же мощности он потребляет меньше топлива, чем бензиновый двигатель, и поэтому выделяет меньше углекислого газа . Это двигатель с самовоспламенением: топливо (дизель) впрыскивается в цилиндр, воздух сжимается и нагревается, а дизель самовоспламеняется без свечи зажигания. При полном сгорании образуется углекислый газ. Однако неоднородная смесь приводит к неполному сгоранию в цилиндре. Капли дизеля не успевают испариться и могут лишь частично сгореть. Следовательно, будут образовываться несгоревшие твердые частицы , органические соединения (ацетальдегид, акролеин, бензол, формальдегид и др.), полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), углерод, оксиды азота, диоксид углерода и др.

Бензиновый двигатель

По сравнению с дизельными двигателями, бензиновые двигатели имеют меньше проблем. В бензиновом двигателе сгорание вызывается электрической искрой от свечи зажигания (двигатель с искровым зажиганием), которая более однородна, но также имеет несгоревшие и более мелкие выбросы частиц, чем дизельные двигатели. По сути, это ультратонкие частицы или наночастицы с размером частиц менее 0,1 мкм. Эти наночастицы очень многочисленны, но их общая масса очень мала. Новый бензиновый двигатель с непосредственным впрыском, высокое давление в цилиндре (100 бар) позволяет снизить расход топлива. Однако, как и в случае с дизельным впрыском, также имеют место выбросы NOx и образование твердых частиц, которые по составу не сильно отличаются от частиц, образующихся в дизельных двигателях, но имеют меньший размер. В обычных двигателях эти оксиды подавляются каталитическими нейтрализаторами. 

Европейские стандарты для автомобилей: твердые частицы и оксиды азота

Стандарты выбросов касаются основных загрязняющих веществ, выбрасываемых легковыми автомобилями (дизель и бензин), и не ограничиваются частицами. Эти стандарты, определенные на европейском уровне, называемые Евро (стандарты Европейского Союза) , регулярно пересматриваются и становятся более строгими. Они выражены в мг/км. Стандарт для дизельных автомобилей был повышен с Евро 5 (Евро V) до Евро 6 (Евро VI) , оксиды азота повышены со 180 мг/км до 80 мг/км, а содержание твердых частиц увеличено с 5 мг/км. до 4,5 мг/км. Евро 1 1992 года составлял 140 мг/км.

Из-за высокой температуры (1400°C) дизельных двигателей или двигателей с непосредственным впрыском образуется большое количество оксидов азота NO и NO 2 , обычно называемых NOx . Поэтому дизельные двигатели считаются основным источником этих загрязнителей. Они активно участвуют в химических и фотохимических реакциях атмосферы и образуют токсичные вторичные соединения. В частности, они являются одним из компонентов, образующих сильные окисляющие вещества, такие как озон . В результате Евро 6 имеет более чем в 2 раза более низкие нормы выбросов NOx по сравнению с Евро 5.

Для ограничения выбросов NOx бензиновые двигатели оснащены каталитическими нейтрализаторами, которые окисляют окись углерода и несгоревшие углеводороды и снижают выбросы NOx. Однако, чтобы быть эффективным, двигатель должен достичь достаточной температуры, что ограничивает его эффективность при коротких поездках. В дизельном двигателе катализатор окисляет окись углерода и углеводороды. За счет неоднородной топливовоздушной смеси, т.е. обогащенной воздухом и кислородом, оксиды азота в цилиндре не восстанавливаются.

Большегрузные автомобили 

Тяжелые грузовые автомобили, перевозящие грузы или пассажиров, оснащены дизельными двигателями, но средства массовой информации редко ставят под сомнение вызываемое ими загрязнение окружающей среды. Они соответствуют европейским стандартам, выраженным в граммах/кВтч, что затрудняет сравнение большегрузных автомобилей и седанов. Последний стандарт Евро-6, действующий с января 2014 года, устанавливает ограничение выбросов твердых частиц на уровне 10 мг/кВтч. С 1993 года выбросы NOx и твердых частиц сократились на 95% и 97% соответственно (Евро 1). Стандарт Евро 6 впервые устанавливает максимальное количество частиц, и эти ограничения делают фильтры твердых частиц обязательными для новых большегрузных автомобилей.

Загрязнение от грузовых автомобилей также проявляется в региональном масштабе в городских районах, вблизи автомагистралей и автомагистралей, и способствует общему загрязнению. Железнодорожные перевозки должны стать нормой. Недавно принятые законы, поощряющие людей путешествовать на автобусах, привели к увеличению выбросов загрязняющих веществ в дополнение к выбросам большегрузных транспортных средств, перевозящих товары. Такой транспорт не предусматривает мероприятий по ограничению выбросов в период загрязнения. Кроме того, в отличие от железнодорожного, паритет дорожной транспортной инфраструктуры не отражается на затратах на автомобильный транспорт, поскольку содержание автомобильных дорог не оплачивается большегрузными автомобилями пропорционально износу дорог, который они вызывают.

Для грузовых автомобилей (и другого оборудования, такого как лодки, локомотивы и т. д.) бензиновые двигатели не могут заменить дизельные двигатели. Часто утверждают, что в ближайшем будущем эти агрегаты будут заменены топливными элементами и электродвигателями. Но эту технологию еще предстоит разработать, и неясно, будет ли она экономически конкурентоспособна с экологически чистыми дизельными двигателями.

Сжигание древесины

При неполном сгорании древесины при горении образуется большое количество загрязняющих веществ, в том числе различные органические соединения, полициклические ароматические углеводороды, диоксины и частицы . Выбросы зависят от вида древесины (лиственных и хвойных пород), содержания водяного пара (важный фактор, должен быть менее 15%), типа камина, температуры горения (может варьироваться от 300 до 700 градусов Цельсия). Когда температура низкая, эффективность сгорания и выбросы особенно важны. 

Пожары биомассы и ветровая эрозия

Глобальное распространение воздействия твердых частиц на здоровье и смертность, особенно наблюдаемое с помощью спутников, не принимает во внимание их отличные от антропогенных частиц свойства.Чтобы определить глобальный уровень смертности от твердых частиц, необходимо учитывать другие источники. Атмосфера в тропической Африке загрязнена выбросами лесных пожаров, большая часть которых сжигается людьмиДревесина также широко используется в приготовлении пищи. Камины иногда размещают в плохо проветриваемых помещениях. Все это приводит к массовому воздействию твердых частиц и других загрязняющих веществ на человека. Загрязнители от сжигания биомассы в районах саванн переносятся в экваториальные леса в засушливые сезоны в северном и южном полушариях, где уровни вторичных загрязнителей, таких как уровни озона, сопоставимы с уровнями, наблюдаемыми в промышленно развитых странах. Это загрязнение дополняется загрязняющими веществами, образующимися в результате ветровой эрозии, что приводит к очень высоким концентрациям частиц, несколько сотен микрограммов на кубический метр, которые переносятся атмосферной циркуляцией на большие расстояния, вплоть до тысяч километров. Эрозия более интенсивна, когда почва сухая, а растительность скудная. Эти частицы имеют размер от 0,1 до 100 микрон.

Экологическая энциклопедия-Дизельные двигатели-Средняя глобальная концентрация PM2,5, 2001–2006 гг.
Средние глобальные концентрации PM2,5 (мкг/м3) за 2001-2006 гг. по данным спутниковых и наземных измерений. Наиболее пострадавшими районами являются тропики, особенно от выветриваемых частиц (песка и пыли).
[Изображение: Аарон ван Дойклар и другие, Перспективы гигиены окружающей среды, 2015 г., т. 123, https://doi.org/10.1289/ehp.1408646]

Другие источники твердых частиц

Есть много других источников твердых частиц. В дорожном транспорте помимо частиц от сгорания топлива также присутствуют частицы, выбрасываемые шинами, тормозами и износом дорог. С начала 20-го века промышленная деятельность и производство энергии на угольных и мазутных электростанциях были основным источником загрязняющих веществ, включая частицы самой разнообразной химической природы, некоторые из которых очень токсичны.

Сельское хозяйство также является основным источником всех видов твердых частиц. Загрязненные территории не ограничиваются городскими районами. Выбросы транспортных средств в городских районах — не единственная причина ухудшения качества воздуха.

В загрязненной среде концентрация загрязняющих веществ вблизи источника загрязнения может быть очень неравномерной. Дозы облучения, которые характеризуют дозы при вдыхании, трудно оценить. Среди многих есть один пример, иллюстрирующий это явление. Некоторые организации сравнивают дозы пешеходов, велосипедистов или автомобилистов, подвергшихся воздействию загрязняющих веществ. Вообще говоря, именно водитель подвергается наибольшей дозе загрязняющих веществ. Это неудивительно. На самом деле во время пробок автомобиль сзади подвергается воздействию выхлопных труб впереди идущего автомобиля. Большинство загрязняющих веществ, выбрасываемых впереди идущим транспортным средством, попадают в автомобиль. Расстояние в несколько метров может разбавлять загрязняющие вещества, тем самым ограничивая загрязнение в автомобилях. Простой совет: водителю автомобиля сзади следует держаться на определенном расстоянии от впереди идущего автомобиля. Установка фильтров твердых частиц, которые более эффективны, чем системы кондиционирования воздуха, будут удалять большую часть твердых частиц, улучшая качество воздуха и уменьшая воздействие.

Какие физические и химические характеристики твердых частиц в воздухе вызывают воздействие на здоровье?

Имеются убедительные доказательства того, что мелкие частицы (<2,5 мкм , PM 2,5 ) более опасны, чем более крупные, с точки зрения смертности, а также сердечно-сосудистых и респираторных конечных точек в панельных исследованиях .

Это не означает, что крупная фракция ПМ 10 является безвредным веществом . В токсикологических исследованиях и исследованиях контролируемого воздействия на человека было обнаружено, что некоторые физические, биологические и химические характеристики частиц вызывают сердечно-легочные реакции.

Возможными важными физическими характеристиками твердых частиц являются размер, поверхность и количество частиц (все они взаимосвязаны). Чем меньше размер частицы, тем больше площадь поверхности, доступная для взаимодействия с дыхательными путями и для адсорбции биологически активных веществ.

Существует ли порог, ниже которого PM не влияет на здоровье людей?

Эпидемиологические исследования на больших популяциях не смогли определить пороговую концентрацию, ниже которой атмосферные ТЧ не влияют на здоровье. Вероятно, что в любой большой человеческой популяции существует такой широкий диапазон восприимчивости, что некоторые субъекты подвергаются риску даже при самом низком конце диапазона концентраций.

Система мониторинга выбросов

система мониторинга выбросов

В идеале измерение концентраций загрязняющих веществ на открытом воздухе (в окружающем воздухе) должно отражать воздействие на население, но это не всегда возможно, поскольку станции мониторинга качества воздуха отбирают образцы из одной фиксированной точки. Важно, чтобы станции мониторинга располагались в районах, где вероятно высокое загрязнение, например, рядом с загруженными основными дорогами и крупными промышленными источниками, чтобы зафиксировать «наихудший сценарий».

Для расчета различных средних значений данные собираются автоматическими станциями мониторинга качества воздуха, которые отбирают и анализируют воздух 24 часа в сутки, это известно как «непрерывный мониторинг».

мониторинг атмосферного воздуха

Оборудование для непрерывного мониторинга стоит дорого в установке и обслуживании, но дает бесценную информацию.В настоящее время используются методы автоматического мониторинга качества воздуха:

по  оксидам азотадиоксиду серыоксиду углеродаозонутвердых частиц (PM 10 и PM 2,5 ) и углерода.

Фактическая методика измерения различается для каждого загрязнителяЭти методы анализируют образец в режиме онлайнпроизводя измерения с высоким временным разрешением (обычно они могут производит средние значения за час или за более короткий период).

Данные могут быть переданы общественности в режимеблизком к реальному временис помощью телеметрии через такие вебсайты.

Чтобы гарантировать точность и надежность получаемых данныхтребуются высокие стандарты работывключая всестороннее обучение оператороврегулярное обслуживаниекалибровку с использованием стандартных газовых смесей и подробные процедуры обеспечения качества / контроля качества.

В результате автоматический мониторинг является относительно дорогим вариантом.

Мониторинг проводится по целому ряду загрязняющих веществ, таких как:

  • твердые частицы PM 10 и PM 2,5 – основные источники – автомобильный транспорт, сжигание твердого топлива;
  • оксиды азота NO и NO 2 – основной источник – автомобильный транспорт;
  • диоксид серы – основной источник сжигание твердого топлива;
  • полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) – основной источник – сжигание твердого топлива;
  • озон – это вторичный загрязнитель, образующийся из оксидов азота и других загрязнителей, особенно летом. Сюда также можно перевезти из других стран, в зависимости от преобладающих ветров;
  • сажа – основной источник сжигание твердого топлива.

ГОСТР 59667-2021. КАЧЕСТВО АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Методика определения фракционного состава пыли
оптическим методом. Расчет концентраций взвешенных частиц. РМ2.5, РМ10 в атмосферном воздухе на основе
фракционного состава

alt:ГОСТ качество атмосферного воздуха.pdfГОСТ качество атмосферного воздуха.pdf

  • Частицы в воздухе являются одним из компонентов сложной смеси — аэрозоля.
  • Диаметр частиц охватывает многие порядки, начиная от сверхмелких частиц в несколько нанометров и заканчивая крупными частицами в сотни микрометров.
  • Частицы разного размера обладают разными физическими свойствами (оседание, инерция, конденсация), которые оказывают большое влияние на способность частиц оседать в системе сбора и дыхательной системе.
  • Ультрадисперсные частицы, как правило, не подлежат измерению массовой концентрации.
  • Частицы обладают определенными оптическими свойствами. Присутствие большого количества частиц в воздухе может повлиять на прозрачность воздуха и уменьшить видимость.
  • Радиационный баланс частиц очень сложен. Частицы способны поглощать часть инфракрасного излучения Земли, вызывая парниковый эффект и глобальное потепление. Но частицы также могут отражать часть солнечной радиации обратно в космос, помогая охлаждать землю.
Людмила Лисичникова
Оцените автора
( Пока оценок нет )
EcoProverka.ru
Добавить комментарий

  1. фомичев в.и. к.т.н.

    пыль играет важную роль на концентрацию влаги в атмосфере и температуру воздух в приземном слое воздух, чем и не не занимается гидро метео служба, отсюда – большие ошибки в прогнозах погоды.

    Ответить
Пример HTML-страницы
Adblock
detector