ПДК оксида углерода в атмосферном воздухе: источники и опасные свойства угарного газа

Оксид углерода больше известен как опасный угарный газ – вещество, ставшее причиной трагических смертей десятков тысяч людей.

Люди «угорают» во сне в домах с печным отоплением, когда, желая сохранить тепло, закрывают на ночь заслонку.

Если дрова или уголь выгорели не полностью, продукты горения не поступают в вытяжную трубу, угарный газ накапливается в помещении.

Люди вдыхают смертельный газ во сне и погибают, не проснувшись. Но самый распространенный случай гибели людей от высокой концентрации угарного газа – в закрытых гаражах при работающем двигателе.

Давайте рассмотрим, что является основным источником поступления угарного газа в атмосферу и загрязнения ее, каково влияние этого вещества на состояние окружающей среды и здоровье человека и какова объемная доля газа в воздухе.

Свойства

Оксид углерода (CO, монооксид углерода, окись углерода, угарный газ) – бесцветный газ без вкуса и запаха, легче воздуха.

Естественная концентрация в атмосфере 0,01-0,9 мг/м³ (в северном полушарии показатели выше). Соединение активно реагирует с компонентами атмосферы, способствуя глобальному повышению температуры и усилению парникового эффекта на планете.

Молекула CO очень прочна, способна вступать в реакции окисления-восстановления только при высоких темпера­турах, при обычных условиях не вступает в реакцию с водой. Не образует солей, поэтому не взаимодействует с кислотами и щелочами.

На воздухе горит голубоватым пламенем с образованием тепла и углекислого газа, взрывается при зажигании, концентрация угарного газа в воздухе 12,5-74 % взрывоопасна.

Оксид углерода образуется при сгорании органического углеродистого топлива (угля, древесины, бумаги, масла, бензина, газа) в условиях дефицита кислорода, при конверсии метана в присутствии катализаторов.

В промышленности CO образуется при взаимодействии углекислого газа с раскаленным углем. В лабораторных условиях CO получают в результате реакции серной и муравьиной кислот при высоких температурах.

CO используется:

1. Как исходное соединение в органическом синтезе.
2. Как восстановитель в металлургии (при получении металлов из их оксидов — руд).
3. В производстве:

• спиртов;
• углеводородов;
• карбонилов;
• ароматических альдегидов;
• гексагидроксибензола;
• хлорида алюминия;
• метанола и других веществ.

Если угарный газ на свету взаимодействует с хлором в присутствии угля, который выполняет роль катализатора, образуется отравляющее вещество фосген.

Источники поступления в атмосферу

Более 90 % атмосферного CO образуется в результате природных процессов:

• в составе вулканических и болотных газов;
• при сгорании биомассы во время лесных и степных пожаров;
• при неполном анаэробном разложении органических соединений;
• как продукт жизнедеятельности наземной и океанической флоры и фауны, в результате фоторазложения красных, сине-зеленых водорослей, планктона;
• при окислении метана в тропосфере.

Природные источники Земли ежегодно выделяют около 4000 млн т СО, но при этом естественная концентрация газа в атмосфере очень невелика — всего 0,01-0,9 мг/м³ (< 0,0001 %).

В результате антропогенной деятельности выделяется не менее 1250 млн т CO в год. Оксид углерода входит в состав газов, выделяющихся при выплавке и переработке черных и цветных металлов, образуется при проведении взрывных работ.

Другими источниками техногенного СО являются:

• выбросы автотранспорта, ж/д и морского транспорта;
• неисправность газопроводов и газового оборудования;
• химическая индустрия (крекинг-процесс, производство формалина, углеводородов, аммиака, соды, фосгена, метилового спирта, муравьиной и щавелевой кислот, метана);
• производство синтетических волокон;
• угледобывающая промышленность (добыча и транспортировка угля, поверхностное окисление угля в шахтах, тление терриконов);
• производство табака, хлеба;
• утилизация твердых отходов;
• сжигание бытового топлива.

При выплавке 1 млн т стали в атмосферу поступает до 400 т СО. Угольная пыль содержит 0,1-3,9 % СО. Концентрация содержания CO в выхлопных газах дизельных двигателей тепловозов – 70-93 мг/м3, морских судов – до 80 мг/м3.

Структура загрязнения CO выглядит так:

Оксид углерода в составе автомобильных выбросов

Основной антропогенный источник угарного газа – выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания. Оксид углерода – одно из основных токсичных веществ, образующихся при сгорании топлива внутри цилиндра. Выделение этого газа характерно для бензиновых двигателей.

CO при горении является промежуточным продуктом многоэтапного процесса окисления углеводородного топлива. Он образуется при сгорании топлива при недостаточной температуре или в случае проблемной работы системы подачи воздуха, когда подается недостаточно кислорода для окисления угарного газа CO и превращения его в углекислый газ CO₂.

В современных двигателях сгорание протекает быстро. В определенный момент такта расширения окисление CO прекращается и газ с отработавшими газами выбрасывается в атмосферу. В карбюраторных двигателях концентрация CO достигает 10 % за счет дефицита кислорода при переобогащении смеси.

В дизельных двигателях в результате интенсивного сгорания CO в такте расширения и выпуска при общем большом избытке кислорода (воздуха) объем газа обычно фиксируется в границах 0,2 %.

При холостой работе двигателя и на малых нагрузках газообмен резко ухудшается, при этом в цилиндрах возрастает количество остаточных газов. Для компенсации этого фактора в режиме полной нагрузки и достижения максимальной мощности требуется обогащение смеси, что и приводит к увеличению концентрации СО в выхлопных газах.

Угарный газ в частных домах

Оксид углерода – основной загрязнитель воздуха жилых помещений с печным отоплением и использованием твердого топлива.

Утечка угарного газа обычно происходит в частных домах из-за неисправности вентиляции и дымоходных каналов. К тому же газовые приборы и бойлеры нередко выходит из строя, и как результат, в помещении появляется CO.

Распространенной причиной утечки являются:

• плохая тяга над источником открытого огня;
• нарушение правил эксплуатации печей;
• неграмотно устроенная система дымоотведения;
• неисправность газовой плиты.

Проживающим в частном секторе нужно соблюдать особую осторожность при эксплуатации отопительных устройств. Например, при розжиге твердотопливных котлов и печей нельзя раньше времени закрывать вьюшечную заслонку.

Полностью заслонку закрывают только тогда, когда дрова целиком прогорят, и над потемневшими углями перестанут появляться голубые огоньки.

Кроме того, планировка некоторых частных домов предусматривает еще и присоединенный гараж, что может привести к попаданию угарного газа в жилую зону. Особенно опасно, если пристройка недостаточно проветривается (или не проветривается совсем).

Предельно допустимая концентрация

Оксид углерода отнесен к веществам 4 класса опасности.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) CO в атмосферном воздухе городских и сельских поселений, установленные СанПиН 1.2.3685-21:

• максимальная разовая ПДК угарного газа – 5,0 мг/м³;
• среднесуточная – 3,0 мг/м³;
• среднегодовая – 3,0 мг/м³.

Как измерить его содержание?

Для определения присутствия в воздухе оксида углерода используются датчики – специальные приборы, моментально реагирующие на изменение химического состава воздушной среды. Сенсоры CO не устанавливают в непосредственной близости от источников открытого огня, а просто в одном помещении с нагревательным оборудованием.

Если в помещении функционирует несколько агрегатов обогрева, монтируется система из аналогичного числа детекторов. На утечку токсичного газа датчик реагирует звуковым сигналом.

При обнаружении опасных концентраций газа датчик посылает электронный импульс сигнализации. Чем выше уровень CO, тем быстрее сработает сигнализация. Например, в некоторых газоанализаторах сигнализация реагирует на концентрации около 70 ppm за час, а на концентрации 400 ppm среагирует всего за 4 минуты.

Сигнал тревоги звучит с громкостью около 85 дБ – тише, чем газонокосилка, но очень пронзительно.

Некоторые датчики оснащены электромагнитным реле для связи с системой заглушки клапана газопровода. При срабатывании тревоги сенсор моментально перекрывает подачу газа в трубе, обеспечивая полную безопасность.

Устройство определения загазованности не рассчитано на идентификацию дыма. Поэтому, помимо датчика CO, рекомендуется установка системы противопожарной безопасности.

Отдельные приборы обладают функцией оповещения об аварийной ситуации при помощи мобильного телефона – через подключение дополнительной GSM-периферии для уведомления хозяина дома посредством СМС.

Детекторы обнаружения угарного газа могут работать на различных типах датчиков.

Биомиметические сенсоры воспроизводят воздействие CO на гемоглобин крови. В биометическом устройстве находится гель, изменяющий цвет при поглощении CO. Отдельный датчик фиксирует изменение цвета и уведомляет процессор детектора, чтобы подать сигнал тревоги.

Металлооксидные полупроводниковые датчики используют схемы, нанесенные на кремниевый чип. При контакте с угарным газом электрическое сопротивление снижается.

Процессор реагирует на изменение показателя сопротивления звуковым сигналом. Устройства потребляют много электроэнергии, поэтому их обычно подключают к электросети, а не используют батарейки.

По аналогии с датчиками на оксидах металлов, электрохимические сигнализаторы обнаруживают угарный газ по изменениям в электрическом токе. Отличие – вместо чипа установлены электроды, погруженные в химический раствор.

Электрохимические датчики мгновенного обнаружения и реагирования (IDR) часто используются в профессиональных сенсорных устройствах для быстрого обнаружения опасных концентраций CO.

Рассмотрим наиболее популярные разновидности устройств:

• полупроводниковые определители газа
• инфракрасные датчики;
• устройства с электрохимическим методом определения CO.

Детекторы на основе полупроводников

Полупроводниковые сигнализаторы работают по принципу химического взаимодействия атомов веществ. В качестве активного вещества обычно используются диоксиды углерода, олова и рутения.

Метод определения CO заключается в увеличении проводимости загрязненного воздуха. Вследствие этого происходит контакт компонентов детектора, затем срабатывает механизм, сигнализирующий о присутствии угарного газа.

При нагреве из атомов кислорода под воздействием угарного газа выделяются электроны. В результате проводимость капсулы детектора повышается, происходит замыкание контактов датчика, срабатывает тревога.

Проводимость чистого воздуха в устройстве на основе указанных соединений крайне мала, поэтому прибор проявляет активность только в случае наличия CO. Полупроводниковые приборы практически не выдают ложных срабатываний. Исключение – случаи, когда детектор расположен слишком близко к источнику нагрева.

Во избежание попадания механических продуктов горения внутрь корпуса предусмотрен абсорбент – угольная прослойка, а также двойной слой нержавеющей сетки. Чувствительный элемент находится в глубине устройства, под слоем угольного фильтра. Напряжение подключается непосредственно к металлическим клеммам с другой стороны капсулы.

Полупроводниковые сенсоры отличаются износостойкостью и длительным сроком эксплуатации. Устройства подключаются к электросети, но потребляют мало электроэнергии. При этом по уровню определения угарного газа находятся в списке наиболее эффективных.

Инфракрасные анализаторы

У инфракрасных сенсоров в качестве анализатора «работает» воздух, который проверяется на предмет содержания угарного газа посредством инфракрасного облучения. Волновой спектр ИК-элемента поглощает молекулы токсинов монооксида углерода. ИК-детекторы такого типа эффективно идентифицируют и другие токсические примеси, в том числе, метан, аммиак и хлор.

В качестве чувствительного элемента используются светодиоды или нить накаливания. ИК-детекторы анализируют уровень газа с помощью специальных светофильтров, которые настроены на восприятие конкретного спектра.

Если химический состав воздуха изменяется, элемент реагирует на утечку и фиксирует превышение допустимого уровня CO. При этом уровень изменения спектра прямо пропорционален проценту содержания оксида углерода в воздухе. ИК-сенсор запрограммирован на определенный (эталонный) уровень CO. При превышении этой границы срабатывает тревога.

Для индикации загазованности устройство имеет дисплей с подсветкой и систему звукового сигнала. Обнаружив утечку газа, монитор устройства начнет мигать, а сенсор тут же подаст четкий отрывистый писк.

Минус ИК-датчиков – высокая цена, поэтому их устанавливают преимущественно в крупных учреждениях. Питание прибора производится и от сети, и от батареек.

Каталитические газовые детекторы

Электрохимические сенсоры отличаются от остальных небольшим энергопотреблением, так как конструкция прибора не имеет нагревательного элемента, а роль чувствительного вещества выполняет жидкий электролит. По этой причине детектор может работать без подключения к сети, на аккумуляторных батарейках.

Анализ состава воздуха производится путем определения уровня окисления вещества внутри капсулы прибора. Средой электрохимических реакций обычно является гальваническая ячейка с жидким щелочным раствором (преимущественно калиевым).

Недостатки щелочи – небольшая сопротивляемость монооксиду углерода и низкий срок годности.

Производители также создают электролитическую среду на смеси кислотных растворов, такая ячейка более долговечна из-за большей устойчивости к воздействию сторонних молекул.

Молекулы CO соприкасаются с электродом устройства, происходит химическое окисление. Электролит фиксирует уровень возникшего напряжения и соотносит значение показателя к уровню содержания угарного газа в воздухе. Контроль осуществляет микросхема, в которой прописано предельное количество CO (угарного газа) в воздухе, в случае превышения нормы устройство сигнализирует об опасности.

Корпус может иметь угольный фильтр, задерживающий нежелательные молекулы других веществ. Такая система уменьшает вероятность ложной активации. В некоторых моделях утративший свойства электролит можно заменить, повторно заправив гальваническую капсулу.

Основная опасность

Оксид углерода не имеет запаха, и в этом заключается его коварство и опасность.

Опасность отравления CO возникает в закрытых непроветриваемых или недостаточно проветриваемых помещениях. Особенную опасность представляет нахождение в автомобиле с работающим двигателем в закрытом гараже, когда отработавшие газы поступают в плохо герметизированный салон.

Тяжесть отравления угарным газом зависит от:

• его концентрации в воздухе;
• времени пребывания (экспозиции) человека в загазованной CO среде;
• состояния здоровья и наличия хронических заболеваний.

Группы риска:

• беременные женщины;
• курильщики;
• лица с повышенной легочной вентиляцией (дети и подростки, лица, связанные с тяжелым физическим трудом или работающие в условиях нагревающего микроклимата, пациенты с высокой температурой тела);
• люди с заболеваниями сердечно-сосудистой системы, анемией, гипертиреозом.

Что интересно, мужчины более чувствительны к отравлению CO, чем женщины.

Симптомы отравления угарным газом с учетом концентраций и продолжительности воздействия:

Отравление оксидом углерода ослабляет внимание, замедляет реакцию, снижает работоспособность. Легкое отравление не сопровождается потерей сознания или обмороками, но у человека появляется сонливость, тошнота, рвота.

Отравления средней тяжести приводят к потере сознания, у пострадавших отмечаются провалы в памяти, двигательные расстройства, судороги.

При тяжелых отравлениях потеря сознания продолжается более двух часов, происходят судороги, непроизвольные мочеиспускание и дефекация. При вдыхании угарного газа в концентрациях до 1000 мг/м³ первые симптомы отравления появляются уже через 5-10 минут.

Воздействие ядовитого вещества сначала приводит к:

• тяжести и ощущению сдавливания головы;
• боли в висках и области лба;
• головокружению;
• раздражительности;
• усталости.

Затем к неприятным признакам присоединяются:

• слабость;
• чувство страха и жажды;
• ощущение недостатка воздуха;
• пульсация височных артерий;
• тошнота;
• рвота.

При дальнейшем воздействии человек не в состоянии покинуть опасную зону, появляется мышечная слабость, оцепенелость и безучастность, иногда воспринимаемые как приятная истома. Затем приходит сонливость, спутанность и потеря сознания.

Известны редкие атипические формы отравления – внезапная потеря сознания без предварительных симптомов либо острые психические расстройства во время или через пару недель после вдыхания высоких концентраций CO.

CO не накапливается в организме. Хроническое воздействие вызывает адаптацию к CO, что приводит к увеличению показателей гемоглобина и гематокрита.

Жалобы и симптомы хронической интоксикации многообразны и неспецифичны:

• астения;
• одышка;
• сердцебиение;
• боли в области сердца;
• аритмия;
• экстрасистолия;
• стенокардия;
• гипотония;
• тремор;
• вялость рефлексов;
• расстройства речи;
• парезы;
• энцефалопатии.

Человек не может «на глаз» определить концентрацию угарного газа, но при сильном горении концентрация СО и визуальная плотность дыма взаимосвязаны. Если при пожаре на путях эвакуации (коридор, лестничная площадка) видимость ниже 10 м, входить в эту «дымовую завесу» без специальных средств защиты смертельно опасно.

Механизм смертельного действия

Отравление угарным газом представляет собой острое патологическое состояние, несущее угрозу для жизни человека, и без медицинской помощи влечет за собой летальный исход.

Концентрация CO, превышающая предельно допустимые значения, приводит к физиологическим изменениям в организме, а более высокие концентрации – к смерти.

Гемоглобин – белок эритроцитов, который транспортирует кислород от легких ко всем тканям организма. Коварство агрессивного газа CO заключается в том, что он легко преодолевает альвеолярно-капиллярную мембрану, затем растворяется в плазме крови и начинает «цепляться» к эритроцитам.

В молекуле гемоглобина угарный газ соединяется с железом, образуя в легких человека и теплокровных животных карбоксигемоглобин и блокируя кислород. Причина такого взаимодействия в том, что монооксид углерода в 250(!) раз более активно взаимодействует с гемоглобином, чем кислород.

В результате поступление кислорода к тканям нарушается – гемоглобин перестает переносить кислород в клетки организма и забирать из них углекислый газ, человек начинает задыхаться «изнутри», страдает работа центральной нервной системы.

Физиологическая норма содержания карбоксигемоглобина в крови составляет от 1,5 до 3,1%. Повышение карбоксигемоглобина приводит к снижению остроты зрения, потере способности адекватно оценивать время. При содержании до 50 % начинаются нарушения отдельных психомоторных функций головного мозга.

При дальнейшем повышении фиксируются изменения деятельности сердца и легких. Человек ощущает головную боль и сонливость. При концентрации около 80 %, в результате кислородного голодания (удушья) быстро наступает смерть.

Концентрация угарного газа в воздухе 1,2 % считается смертельной – человек делает несколько вдохов, теряет сознание и через 2-3 минуты умирает. Часто отравление газом наступает во время сна, потому что CO невозможно идентифицировать на запах.

К счастью, образование в крови карбоксигемоглобина – обратимый процесс. После прекращения вдыхания CO начинается его постепенное выведение из организма. Концентрация CO в крови здорового человека каждые 4 часа сокращается в два раза.

CO – стабильное соединение. Время его жизни в атмосферном воздухе составляет 2-4 месяца. Но вещество, несмотря на постоянное поступление от различных источников, не накапливается благодаря почвенным грибам, активно его разлагающим, а также переходу CO в углекислый газ.

Способы очистки воздуха

Выбросы CO в атмосферу можно сократить различными способами:

• сорбцией жидкими и твердыми поглотителями;
• дожиганием при температурах выше температуры самовоспламенения CO;
• каталитическим окислением при невысоких температурах.

В химической промышленности для удаления CO используют медноаммиачные соли. Процесс протекает в условиях высокого давления (до 30 МПа) и низких температур, поэтому для металлургической сферы не подходит.

Адсорбция CO цеолитами для металлургии малоперспективна из-за больших объемов газов, слабого поглотительного потенциала цеолитов, а также необходимости предварительной глубокой очистки газов от избыточной влаги и пылевидных загрязнений.

Дожигание СО до СO₂ проводится при соблюдении двух условий: температура процесса > температуры воспламенения СО (630-810 °С), а концентрация CO – выше 12 %. Для очистки газов от оксида углерода также используют промывку газа жидким азотом.

Каталитическое окисление

Каталитическое окисление СО в СO₂ – наиболее рациональный метод обезвреживания оксида углерода в отходящих промышленных газах.

Главный недостаток заключается в том, что в газовом потоке могут содержаться и другие токсичные примеси:

• диоксид серы;
• оксиды азота;
• углеводородные пары.

Кроме того, в выбросах обычно присутствуют:

• механические примеси в виде различных пылей, диоксид углерода;
• кислород;
• азот;
• пары воды.

Некоторые из этих компонентов могут оказаться разрушительными для катализаторов. Например, присутствие в таких выбросах пыли и сернистых соединений ограничивает выбор катализатора — подходят катализаторы только платиновой группы, например, палладиевые.

Очистка агломерационных газов от СО и оксида серы SO₂ проводится в контактном устройстве – трубчатом теплообменнике, где с помощью катализаторов CO окисляется в СO₂, a SO₂ – в SO₃.

В полом цилиндре аппарата установлены две кассеты: нижняя заполнена палладиевым катализатором для окисления СО, а верхняя – ванадиевым катализатором для окисления оксида серы. Газовая смесь с температурой до 150 °С поступает в теплообменник.

Дополнительный подогрев до необходимых 400-450 °С для окисления оксида серы осуществляется за счет сжигания топлива в горелках, установленных внутри устройства.

Абсорбция аммиачным раствором солей меди

Для глубокой очистки газов с высокой загрязненностью CO используют водно-аммиачные растворы закисных (одновалентных) солей меди – ацетата, формиата или карбоната меди.

Для повышения поглотительной способности медно-аммиачных растворов очистка идет в скрубберах с насадкой при низких температурах и высоком давлении.

Добавление к раствору метанола, этанола, этиленгликоля или глицерина увеличивает его абсорбционную способность, позволяет вести обезвреживание газа под меньшим давлением. В результате образуется соединение Cu(NH3)3CO, при нагревании которого CO легко удаляется.

Процесс является физической абсорбцией, при которой поглощается не только CO, но и другие компоненты газовой среды. Очистка жидким азотом типична для азотной промышленности.

Процесс протекает в 3 стадии:

1. Предварительное охлаждение и сушка газовой смеси.
2. Глубокое охлаждение газа и частичная конденсация других примесей.
3. Очистка газовой смеси от оксида углерода, кислорода, метана.

Очистка проводится с помощью колонн тарельчатого типа. Низкие температуры (до -176 °С) обеспечиваются холодильными машинами. Расход жидкого азота зависит от концентрации СО и примесей других газов, от температуры и давления.

Абсорбция медь-алюминий-хлоридными растворами

Процесс идет по следующему алгоритму:

1. Предварительно осушенный газ подается в абсорбер, который орошается регенерированным раствором.
2. Насыщенный CO раствор, выходящий из абсорбера, нагревается до 100 °С и поступает в промежуточный десорбер, в котором поддерживается давление 0,25 МПа. Десорбер орошается регенерированным раствором для поглощения CO, выделяющегося при десорбции.
3. Частично регенерированный раствор после теплообменника направляется в регенератор, где регенерируется при температуре около 180 °С.
4. Раствор охлаждается и подается в отстойник, затем в абсорбер и десорбер.
5. Выделенный из газовой смеси растворитель (толуол) возвращается в систему подготовки раствора.

Конверсия CO с водяным паром и метаном

Окисление СО до СО₂ в промышленных условиях проводится с использованием различных реагентов, но чаще используются водяной пар и метан. Конверсия CO с водяным паром проводится в присутствии железных окисных катализаторов.

Метанирование проводится для очистки газов с небольшими остаточными концентрациями CO (не более 2 %) в газовых потоках после удаления основной массы их при помощи других методов. Очистка газов основана на экзотермической реакции гидрирования CO в присутствии катализаторов.

Одновременно из очищаемой газовой смеси удаляются углекислый газ и кислород. Образующийся метан затем сжигается или используется в технологическом процессе.

Газоконвертор «Ятаган»

Принцип работы газоконвертора «Ятаган» основан на конвертации сложных соединений в более простые и безопасные элементы – на выходе из системы очистки все примеси конвертируются в углекислый газ и водяные испарения. При работе устройства исключено образование побочных продуктов химических реакций.

Газоконвертер состоит из нескольких модулей:

• смесительной камеры для снижения концентрации вредных веществ в газовоздушной смеси;
• модуля с многослойным сеточным фильтром для предупреждения попадания мелких полимеризующихся примесей внутрь устройства;
• плазменной секции для формирования плазменного поля барьерных разрядов, которые вступают в химическую реакцию с молекулами загрязнителей;
• сорбционно-каталитического фильтра для доочистки.

Катализатор на основе графена

Графен – двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Графен обладает высокими показателями жесткости, теплопроводности и подвижности заряда. Вещество экспериментально получено учеными К. Новоселовым и А. Геймом в 2004 году, за что спустя 6 лет они были удостоены Нобелевской премии.

Катализаторы на основе графена эффективно очищают воздух от угарного газа, а также способны ускорять реакции, связанные с использованием этого вещества в химической и металлургической промышленности.

Российские ученые смогли синтезировать композитные двумерные структуры на основе графена. Так как CO не имеет ни вкуса, ни запаха, ни цвета, он смертельно опасен для человека, поэтому надежная система для его обнаружения на производственных участках просто необходима.

Бюджетные графеновые катализаторы успешно решают эту задачу. При этом многослойные комбинации в большинстве случаев не уступают по эффективности дорогостоящим катализаторам на основе платины и золота.

Для работы с угарным газом применяется метод горения в растворах. При нагреве и горении специально подобранных компонентов образуются наночастицы, в составе которых присутствуют графен и нанозерна металлов.

Учеными был создан раствор из лимонной кислоты, нитратов никеля и меди – легко горящая пенообразная структура. В печи, в условиях высоких температур (до 600 °С) раствор сгорает – образуется множество наночастиц, которые представляют собой листы графена, покрытые микроскопическими зернами меди и никеля.

Такие структуры активно взаимодействуют с CO, заставляя газ соединяться с молекулами кислорода воздуха при значительно более низких температурах, чем уже существующие аналогичные катализаторы.

Наночастицы могут использоваться не только для очистки воздуха от угарного газа и для ускорения химических реакций в технологических циклах, но и для создания других графеновых катализаторов, взаимодействующих с иными группами веществ.

Сорбционно-каталитическая очистка

Способ включает пропускание газового потока через слой адсорбента, а затем через слой катализатора окисления оксида углерода на основе оксидов марганца и меди.

Адсорбент, через который проходит очищаемая газовая смесь, охлаждают. После катализатора поток пропускают через подогреваемый адсорбент. Затем направление потока меняется на противоположное с одновременным охлаждением адсорбента на входе потока и подогревом адсорбента на выходе.

Охлаждение и подогрев – задачи термоэлектрических элементов, в которых направление электрического тока переключается синхронно с изменением направления газового потока.

Метод относится к сорбционно-каталитической очистке воздуха, может применяться:

• в системах очистки наземных и подводных обитаемых объектов;
• в устройствах очистки воздуха многоэтажных наземных и подземных гаражей и стоянок закрытого типа, станций техобслуживания, автодорожных тоннелей, складских помещений и терминалов с заездом внутрь автотранспорта;
• для очистки приточной вентиляции помещений в случае забора воздуха в местах его высокого загрязнения выхлопными газами ДВС;
• для очистки воздуха салонов и кабин наземного транспорта.

Очистка автомобильных выбросов

Автотранспорт – источник эмиссии в атмосферу сложной смеси химических соединений. Состав отработавших газов зависит от вида топлива, типа двигателя, условий его эксплуатации, но в большей мере – от эффективности контроля выбросов.

Последнее особенно стимулирует мероприятия по сокращению или обезвреживанию токсичных компонентов, в том числе и оксида углерода.

На долю автотранспорта приходится до 60 % CO, причем концентрация вещества в выхлопных газах достигает 12 %. Для их очистки на автомобилях устанавливают катализаторы дожигания.

Аппараты для очистки отработавших автомобильных газов по принципу действия разделены на 3 основные группы:

1. Фильтры – устройства, задерживающие вредные примеси.
2. Нейтрализаторы – устройства, в которых происходит воздействие на компоненты газов (дожигание несгоревших загрязнителей, химическое преобразование веществ). В результате образуются продукты, безопасные для здоровья человека.
3. Газоочистители (системы газоочистки) – аппараты, сочетающие признаки первой и второй групп.

В качестве профилактики превышения ПДК CO проводится локализация источников выделения CO путем герметизации оборудования, улучшения воздухообмена.

Уменьшить автомобильные выбросы оксида углерода можно, сократив общую токсичность отработавших газов. Это достигается путем изменения конструкции двигателя, эффективной регулировкой, введением в топливо специальных присадок, уменьшающих дымность выхлопа.

Инженерные усовершенствования направлены на систему питания двигателя, угол опережения зажигания (впрыска топлива), конструкцию камер сгорания, частоту холостого вращения вала, способа подготовки топливной смеси и более равномерного распределения ее по цилиндрам в карбюраторных двигателях.

Все существующие методы уменьшения токсичности выбросов основаны на комбинации перечисленных методов.

Чаще используют следующие способы:

1. Обеднение рабочей смеси и изменение угла опережения зажигания, причем эти параметры подбираются оптимально на каждом режиме работы двигателя. Устойчивая работа на обедненных топливовоздушных смесях достигается улучшением качества смесеобразования и увеличением энергии искры, для чего применяют непосредственный впрыск топлива и транзисторное зажигание.
2. В карбюраторных двигателях используют специальные устройства для подачи дополнительного воздуха во впускной трубопровод в режиме разгона или торможения автомобиля.

Самый распространенный метод очистки отработавших газов двигателя – пропускание через устройства, которые функционируют в одном из направлений:

1. Удаляют токсичные примеси, растворяя их в жидкостях или осаждая на поверхности наполнителя.
2. Предварительно химически связывают компоненты газов и задерживают продукты их взаимодействия.

Для обеспечения процессов обезвреживания газов применяется воздействие электрическим током или ультразвуком.

Наиболее эффективным методом уменьшения концентрации CO в отработавших газах является оптимизация процесса сгорания, так как продукты неполного сгорания CO лучше обезвреживаются на стадии их образования, чем в выпускной системе с помощью нейтрализаторов.

Использование системы непосредственного впрыска топлива в двигателях с искровым зажиганием позволяет добиться максимального сокращения выбросов CO.

Благодаря впрыску топлива в пространство перед впускным клапаном обеспечивается качественное распыление топлива и его смешивание топлива, создаются условия для равномерного распределения смеси по отдельным цилиндрам.

Правильная дозировка впрыскиваемого топлива с учетом изменяющихся режимов работы двигателя обеспечивается системой электронного управления. При применении электронного впрыска топлива снижение концентрации CO достигает 50 %.

У двигателей с электронной системой зажигания выделение CO ниже на 20 % в сравнении с двигателями со стандартной системой зажигания.

Повышение качества изготовления, снижение допусков на расходные характеристики позволят снизить выбросы CO на 30-35 %. Ограничение цикловой подачи у дизельных двигателей на 30 % от номинальной способно обеспечить снижение выбросов CO до 80 %.

Технические способы сокращения выбросов оксида углерода можно дополнить выбором рациональных режимов движения автомобильного транспорта в городской черте, так как на концентрацию CO в выхлопных газах влияет множество факторов:

• число разгонов, торможений, переключений передач;
• продолжительность работы на холостом ходу;
• число перекрестков и время простоя при красном свете светофора.

Интересное видео

Сколько угарного газа содержится в воздухе, как он поступает в атмосферу — это и многое другое рассмотрено в следующем видео ролике:

Заключение

Угарный газ – один из наиболее токсичных компонентов продуктов горения. Отравление угарным газом нередко сопровождает неграмотную эксплуатацию газового или твердотопливного или котла, камина, газовой плиты, колонки.

Токсичное вещество выделяют двигатели внутреннего сгорания, газ может поступать в воздух, если используется вышедшее из строя оборудование.

Монооксид углерода уносит тысячи жизней только из-за того, что человек не в состоянии почувствовать угрозу до наступления симптомов. При высокой концентрации газ способен убить в считанные минуты.

Обнаружить опасное вещество в воздухе способны только специальные приборы, потому как коварный газ не имеет ни запаха, ни цвета, оказывает токсическое воздействие на организм при вдохе. О безопасности жилища и рабочих зон на производстве могут позаботиться специальные датчики, предназначенные для круглосуточного мониторинга состава воздуха.