Очистка выхлопных газов автотранспорта с помощью коксуской шунгитистой породы

В настоящее время в решении экологических проблем различных отраслей промышленности большую роль играют сорбенты. Это твёрдые тела или жидкости, избирательно поглощающие (сорбирующие) из окружающей среды газы, пары или растворённые вещества. Важнейшие твёрдые сорбенты – активные угли, силикагель, оксид алюминия, цеолиты, ионообменные смолы.

Объектом нашего исследования являются коксуские шунгиты двух видов: карбонатный (ТК) и сланцевый (ТС) разного фракционного состава (1–2,5 мм и 3,5–5,0 мм)), представляющие собой твердый сырьевой материал черного цвета без специфического запаха, добываемые на территории Казахстана и вырабатываемые ТОО «ГР «Коксу».

Исследования выполнены на немодифицированных образцах шунгита различной степени дисперсности, обладающие незначимой сорбционной способностью, но обладающими особенными физико-химическими свойствами, позволяющими эффективно очищать газовые выбросы.

Описание установки. Общий вид установки и отбор проб показан на рис. 1.

Установка состоит из насоса-пробоотборника, индикатора, подсоединённого к адсорберу, наполненного шунгитом и тонким слоем колец Рашига, с помощью резинового шланга малого диаметра.

Методика эксперимента. Для экспериментальных исследований были отобраны пробы выхлопных газов автомобилей: ToyotaV6 (1997 года выпуска) и «Меrsedes» (1990 г. выпуска), заправленных бензином марки Ecoforce А-92 АЗС«Helios».

1, 3 – шланги силиконовые; 2 – адсорбер с насадкой из колец Рашига и слоев шунгита 2-х видов; 4 –индикаторная трубка-газоопределитель; 5 – насос-пробоотборник (аспиратор)

Рис. 1. Установка для адсорбции выхлопных газов с использованием коксуского шунгита и отбор проб

На рис. 2, а представлен образец шунгита, приготовленный для засыпки в сорбционную трубку. При отборе проб использовался ручной насос-пробоотборник НП-3М марки Christmas объемом 800 см3 и индикаторные трубки-газоопределители ГХ-М, применяемые для экспресс- контроля химических веществ в газовоздушных средах; контроля воздуха воздушной зоны; технологического контроля; контроля промышленных выбросов; аварийных выбросов в условиях ЧС и в очагах химических загрязнений, местах выброса СДЯВ; контроля источников загрязнения атмосферы (рис.2, б).

Шкала индикаторных трубок имеет следующий предел измерения, об.доли, %: CO – 0,25; CO2 – 2,0; H2S – 0,0066; SO2–0,007; NO+NO2 – 0,005.

Рис. 2. Подготовленный образец шунгита (а) и индикаторные трубки (б)

Объемная доля измеряемого газа определяется по шкале изменения цвета индикатора.

Для изучения способности шунгита удалять газы, при каждом опыте засыпались свежие партии образцов шунгитов в различной последовательности. Выявлены соотношения материалов и последовательность их засыпки, оптимальные для достижения максимальной степени очистки.

Измерение состава выхлопных газов. Измерение процентного содержания газов (CO, CO2, H2S, SO2, NO+NO2) в составе выхлопного газа, прошедшего государственную проверку на токсичность с содержанием выхлопа СО2 1,5 об.%., проводилось с помощью аспиратора и индикаторных трубок. Из выхлопной трубы производился отсос выброса с помощью аспиратора (не менее 10 откачиваний). Результаты исследований сведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты измерений выхлопных газов автомобиля Toyota V6, 1997 года выпуска, заправленного бензином марки Ecoforce А-92 АЗС«Helios» с использованием коксуского шунгита марок ТК и ТС фракции 1–2,5 мм

Опреде ляемый газ

Содержание газа*

Предел шкалы индикаторных трубок, об.доля, %

Исходный состав

Фракция коксуского шунгита

1–2,5 мм

Смесь ТК и ТС

Показания индикатора, см

об. доля %

марки ТК

марки ТС

1:1

об.%

Эффект очистки,

%

об.%

Эффект очистки,

%

об.%

Эффект очистки,

%

CO

1,5–1,7

0,005

0

100,0

0,0005

90,0

0,0015

70,0

0,25

CO2

5,3–5,45

1,5

0,2

86,67

0,4

73,34

1,2–1,4

20,0

2,0

H2S

0

0

0

-

0

-

-

-

-

SO2;

0

0

0

-

0

-

-

-

-

NO +

NO2

0,5

0,0005

0

100,0

0,001

-

0,0003–

0,0004

40,0

0,005

*Примечание: Исследованы выхлопные выбросы автомобиля, которые прошли диагностику на токсичность –состояние удовлетворительное

Из табл. 1 видно, что при содержании CO в составе выхлопного газа 0,005 %, после пропускания через слой ТК 1–2,5 мм – показание индикатора составило 1,5–1,7 см, то после использования шунгита ТК изменение цветаиндикатора не произошло, что говорит о полной очистке пробы от СО, т.е. об уменьшении объема этого газа приблизительно в 15 раз. Объемная доля CO2 уменьшилась в семикратном размере. Показания для H2S, SO2, NO+NO2 остались без изменений.

Степень очищения выхлопного газа от СО и СО2 при использовании ТС в несколько раз ниже по сравнению с ТК. Однако NO+NO2 0,001 об.%. Изменений в индикаторах для H2S и SO2 не произошло.

При применении смеси ТК и ТС в соотношении 1:1 процентная доля оксидов углерода в несколько раз больше чем с использованием шунгитов раздельно. Содержание азотистых компонентов выхлопного газа значительно уменьшилось, но при всем этом больше, чем после использования ТК в качестве адсорбента. Наличие серы в пробе газа не наблюдалось.

Исследования показали, что при определенной последовательности расположения слоев шунгита различных марок и определенном фракционном составе получались результаты, оптимум которых обладает новизной.

Аналогично были проведены исследования выхлопных газов автомобиля «Меrsedes» до и после очистки с использованием шунгитовой загрузки (табл. 2).

Таблица 2. Результаты измерений выхлопных газов автомобиля «Меrsedes» 1990 г. выпуска, заправленного бензином марки Ecoforce А-92 АЗС«Helios» с использованием смеси коксуского шунгита марок ТК и ТС (50:50 по массе) различных фракций

Определ яемый газ

Содержание газа*

Предел шкалы индикаторных трубок, об. %

Исходный состав

Фракции смеси коксуского шунгита марки ТК и ТС 50:50, мм

Показания шкалы, см

об. %

1–2,5

3,5–5

об. %

Эффект очистки, %

об. %

Эффект очистки, %

CО2

0,37

0,37

0,03

91,89

0,015

95,95

2,0

NO +

NO2

0,5

0,0005

0,00045–

0,00048

4,0

0,0002–

0,00021

58,0

0,005

H2S

2,0

0,0002

0

100,00

0

100,00

0,0066

SO2

1,0

0,0001

0

100,00

0

100,00

0,007

NO2

0,9

0,00009

0,00005

44,45

0

100,00

0,005

CO

27,0

0,0027

0,0015

44,45

-

-

0,25

*Примечание: Исследованы выхлопные выбросы автомобилей, которые прошли диагностику на токсичность – состояние удовлетворительное

Из табл. 2 следует, что исследуемые автомобили работают на качественном бензине, коксуский шунгит обладает очищающим эффектом в пределах 90–99,9 %.

Известно, при работе двигателя на этилированном бензине в составе выхлопных газов присутствует свинец, а у двигателей, работающих на дизельном топливе – сажа (табл.3).

Таблица 3. Статистический состав выхлопных газов автомобилей

Компоненты выхлопного газа

Содержание по объему, %

Примечание

Двигатели

бензиновые

дизели

Азот

74,0–77,0

76,0–78,0

нетоксичен

Кислород

0,3–8,0

2,0–18,0

нетоксичен

Пары воды

3,0–5,5

0,5–4,0

нетоксичны

Диоксид углерода

5,0–12,0

1,0–10,0

нетоксичен

Оксид углерода

0,1–10,0

0,01–5,0

токсичен

Углеводороды неканцерогенные

0,2–3,0

0,009–0,5

токсичны

Альдегиды

0–0,2

0,001–0,009

токсичны

Оксид серы

0–0,002

0–0,03

токсичен

Сажа, г/м3

0–0,04

0,01–1,1

токсична

Бензапирен, мг/м3

0,01–0,02

до 0,01

канцероген

Выхлопные газы дизельных двигателей содержат СО небольшой концентрации (примерно 0,1–0,2 %), поэтому, как правило, концентрацию CO определяют для бензиновых двигателей.

Оксиды азота (NO, NO2, N2O, N2O3, N2O5 или NOx) являются одними из наиболее токсичных компонентов отработавших газов. В выхлопных газах двигателей более 90% всего количества NOx составляет оксид азота NO, который еще в системе выпуска и в атмосфере легко окисляется в диоксид (NO2). Закись азота (N2O – гемиоксид, веселящий газ) – газ с приятным запахом, хорошо растворим в воде. Обладает наркотическим действием. NO2 (диоксид) – бледно-желтая жидкость,

участвующая в образовании смога. Диоксид азота используется в качестве окислителя в ракетном топливе. Считается, что для организма человека оксиды азота примерно в 10 раз опаснее CO, а при учете вторичных превращений – в 40 раз.

В выхлопных газах содержатся более 200 видов углеводородов (CnHm – этан, метан, этилен, бензол, пропан, ацетилен и др.) и пары бензина. Допустимая среднесуточная концентрация паров бензина составляет 1,5 мг/м3. Содержание CnHm в выхлопных газах возрастает при дросселировании, при работе двигателя на режимах принудительного холостого хода, при торможении. Углеводороды (олефины) и оксиды азота при определенных метеорологических условиях активно способствуют образованию смога.

Количество отходящих газов автомобилей в основном определяется массовым расходом топлива автомобилями.

Расход в «городском» режиме, л/100км

9,1

8,6

7,0

6,4

8

Расход, равномерно 60 км/ч, л/100км 4,5

3,5

3,7

3,2

6,7

 

Пути снижения выбросов и токсичности: сокращение расхода топлива; организация движения автомобилей в городе (значительная часть выбросов происходит в пробках и на светофорах); снижение содержания углеводородов в отходящих газах, более чем в 2 раза, возможно применением в качестве топлива попутных нефтяных (пропан, бутан), или природного газов, при том, что главный недостаток природного газа – низкий запас хода, для города не столь значим;

Значительно снижены выбросы (снижен расход топлива) в современных конструкциях двигателей с инжекторным питанием стабильной стехиометрической смесью неэтилированного бензина с установкой катализатора, газовых двигателях, агрегатах с нагнетателями и охладителями воздуха, применением гибридного привода. Испытания SAE показали, что эффективный способ снижения выбросов оксидов азота (до 90 %) и в целом токсичных газов – впрыск в камеру сгорания воды.

Стандарты Евро-3 регламентируют выбросы: СН до 0,2 г/км, CO до 2,3 г/км и NOy до 0,15г/км;

По Евро-4 выбросы: СН до 0,1 г/км, CO до 1,0 г/км и NOy до 0,08 г/км.

Таким образом, результаты исследований показали, что активнее проявляет себя к анализируемым газам (оксиду углерода (II), диоксиду углерода (IY), диоксиду азота (IY), оксиду азота (II)) карбонатный шунгит. При использовании смеси карбонатный + силикатный шунгит более активна фракция 3,5–5 мм. Эффект очистки, например, от диоксида углерода колеблется в пределах 20,0–100 %. Причем последовательность засыпки слоев, при которых получены наилучшие результаты – карбонатный, затем сланцевый.

 

Теги: Экология
Год: 2011
Город: Алматы
loading...