Возможности снижения уровня загрязнения

Снижение уровня загрязнения атмосферы может быть достигнуто путем совершенствования автомагистралей, внедрения рациональных схем движения в черте города, улучшения конструкции двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и организации строгого контроля качества его работы по экологическим параметрам. Для снижения токсичности автомобильных выбросов используются химические методы очистки. Основной задачей этих методов являются:

• окисление оксида углерода (II) и углеводородов в избытке кислорода воздуха;

• восстановление оксида азота (II) до элементарного азота (окисление NO в NO₂ нежелательно).

Особенность очистки заключается в необходимости проведения реакции в условиях быстрого продвижения по системе ДВС низкоконцентрированных, изменяющихся по составу газов. Кроме того, решение задачи осложняется разнообразием химических продуктов. Необходимость осуществления процесса в условиях движущегося автомобиля, исключающих применение объемных и тяжелых, чувствительных к нагрузкам и вибрациям конструкций усугубляет трудности. При добавлении к газообразным продуктам, выходящим из рабочего цилиндра двигателя, избытка воздуха в специальных реакторах проводят термическое доокисление непрореагировавших углеводородов и СО. Применение в этих реакторах дорогостоящих материалов, повышенный расход горючего делают метод термоокислительной очистки отработавших газов, приводящих к удалению далеко не всех вредных примесей, мало эффективным.

Более приемлемой является каталитическая очистка, хотя очень сложно приготовить катализатор, надежно работающий в условиях очистки отработавших газов автотранспорта. Этот катализатор должен обладать высокоразвитой поверхностью, обеспечивающей быстрое проникновение газов в глубину пор, не плавиться и сохранять каталитическую активность при высоких температурах, т.к. реакции окисления экзотермичны, не снижать активности вследствие механического закрытия пор микрочастицами (сажа, пыль, дым и др.), не разрушаться при трении и вибрациях, возникающих при движении автомобиля. Эти требования более сложны по сравнению с обычно предъявляемыми к промышленным катализаторам.

Установлено, что оксиды Cu, Cr, Mn и Co одинаково эффективны в качестве катализаторов при окислении углеводородов и оксида углерода (II), тогда как V₂O₅ пригоден только при оксилении углеводородов. Хорошие результаты дают смешанные катализаторы, содержащие оксиды меди, кобальта и ванадия, нанесенные на подложку из оксида алюминия. Очень продуктивны катализаторы оксиления углеводородов и СО, содержащие благородные металлы  Pt и Pd  на подложке из SiO₂ и Al₂O₃. Однако они отравляются соединениями свинца и поэтому действуют только в автомобилях, потребляющих бензин, свободный от этих соединений; к тому же эти катализаторы очень дороги.

В целом каталитические способы более эффективны и выгодно отличаются от термических экономией горючего. Оксид азота (II) целесообразно восстанавливать оксидом углерода (II), присутствующим в отработанных газах:

2NO + 2CO = N₂ + 2CO₂ .

Очистку трехкомпонентной смеси (СО, NO_x и углеводороды) легче всего осуществить с использованием набора катализаторов, одни из которых реагируют с NO и CO, а другие после дополнительного введения воздуха способствуют окислению оставшегося СО и углеводородов. Предлагаемые системы очистки делают автомобиль значительно дороже, снижают его мощность и повышают расход горючего. Это сдерживает внедрение очистных устройств. Необходимо создание гетерогенных катализаторов, которые способны в ограниченном объеме окислить различные химические соединения при кратковременном контакте с ними. При этом катализатор должен быть дешевым и длительное время сохранять работоспособность. Но решение этой задачи еще не сделает отработавшие газы автомобиля безопасными для природы и человека, т.к. в них остается свинец, образующийся при разложении антидетонаторов. Из них первым по времени практического внедрения (1923 г.) и по эффективности действия является тетраэтилсвинец (ТЭС). Одновременно ТЭС  экономически наименее приемлемая примесь горючего автомобилей.

Автомобильный бензин, получаемый прямой перегонкой нефти (фракция, выкипающая при температуре не выше 205^оС), в основном состоит из алканов и представляет собой горючее с низкими детонационными характеристиками. С помощью ТЭС увеличивают октановое число бензина. Механизм антидетонационного действия ТЭС до конца не установлен. Вероятно, (C₂H₅)₄Pb, поступая в цилиндр двигателя в виде паров, смешивается с топливной смесью и вследствие возрастания температуры распадается с образованием частиц твердого PbO. Эти частицы блокируют активные атомы кислорода, которые инициируют реакцию, приводящую к взрыву. Дибром- и дихлорэтаны действуют как раскислители и, вступая во взаимодействие с PbO, образуют летучий хлорбромид свинца, выносящийся из цилиндров отработавшими газами. Недостатками применения ТЭС являются негативное действие на биосферу, более быстрый износ двигателя и невозможность применения каталитической системы очистки отработавших газов вследствие ее отравления антидетонатором. Возможны два пути повышения октанового числа горючего без применения ТЭС.

1. Риформинг при температуре 450-540^оС, обеспечивающий каталитическое превращение циклических углеводородов и некоторых алканов в ароматические углеводороды. Недостаток полученного бензина заключается в высоком содержании ароматических углеводородов, негативно воздействующих на окружающую среду и способствующих образованию смога. Альтернативной технологией может быть процесс изомеризации алканов, приводящий к получению соединений с разветвленной цепью, имеющих более высокие октановые числа, чем исходные углеводороды с нормальной цепью, например:

СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃  СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃

СН₃

н-гексан 2-метилпентан

2. Применение антидетонаторов, приближающихся по свойствам к ТЭС, лишенных его негативных свойств. Эффективными оказались некоторые карбонилы переходных металлов  пентакарбонил железа Fe(CO)₅, декакарбонил марганца Mn(CO)₁₀ и тетракарбонил никеля Ni(CO)₄, но первые два соединения недостаточно устойчивы, а последнее чрезвычайно ядовито. Перспективны такие соединения, как циклопентадиенилтрикарбонил марганца (ЦТМ) С₅Р₄Mn(CO)₃ и метил-ЦТМ СН₃С₅Р₄Mn(CO)₃. Это высокоэффективные, в достаточной степени устойчивые и нетоксичные антидетонаторы. Последний, как более дешевый, чем ЦТМ, начинает вытеснять ТЭС.

Все перечисленные методы  окислительные и восстановительные процессы в системах очистки отработавших газов, исключение ТЭС из состава горючего  еще не привели к достаточной экологизации автотранспорта, поэтому ученые и практики обращают все больше внимания на проблему радикальной замены топлива.