Оксиды азота: состав, источники и влияние на окружающую среду

Введение

Термин для оксида азота и диоксида азота DISPLAYTITLE:NOx

В химии атмосферы NOx – это сокращение для оксида азота (NO) и диоксида азота (NO2), оксидов азота, наиболее значимых для загрязнения воздуха. Эти газы способствуют образованию смога и кислотных дождей, а также влияют на тропосферный озон. Эти газы обычно образуются в результате реакции между азотом и кислородом при сгорании топлива, такого как углеводороды, на воздухе, особенно при высоких температурах, например, в двигателях внутреннего сгорания. В районах с интенсивным автомобильным движением, таких как крупные города, выбросы оксидов азота могут быть существенным источником загрязнения воздуха. Эти газы также образуются естественным образом во время гроз. NOx не включает закись азота (N2O), обладающую высоким потенциалом глобального потепления. NOx определяется как сумма NO и соединений, образующихся при окислении NO, включая азотную кислоту, азотистую кислоту (HONO), пентаоксид диазота (N2O5), пероксиацетилнитрат (PAN), алкилнитраты (RONO2), пероксиалкилнитраты (ROONO2), нитратный радикал (NO3) и пероксинитритную кислоту (HNO4).

Формирование смога

Когда летучие органические соединения (ЛОС) реагируют в присутствии солнечного света, образуется фотохимический смог – значительная форма загрязнения воздуха. Концентрация фотохимического смога возрастает летом, когда уровень солнечной радиации выше. Углеводороды, выделяемые в результате промышленной деятельности и транспорта, быстро реагируют с , увеличивая концентрацию озона и пероксидных соединений, в частности пероксиацетилнитрата (ПАН). Особенно восприимчивы к негативному воздействию смога дети, люди с заболеваниями легких, такими как астма, а также те, кто работает или занимается спортом на открытом воздухе: у них может наблюдаться повреждение тканей легких и снижение их функции.

Топливо

Предполагается, что транспортное топливо является причиной 54% антропогенных (т.е. вызванных деятельностью человека). Основным источником образования из топлива, содержащего азот, такого как определенные виды угля и нефти, является преобразование азота, связанного с топливом, в оксиды азота (NOx) во время сгорания. Хотя полный механизм не полностью изучен, существует два основных пути образования. Первый включает окисление летучих азотсодержащих соединений на начальных стадиях сгорания. Во время выделения и до окисления летучих веществ азот реагирует, образуя несколько промежуточных соединений, которые затем окисляются в NO. Если летучие вещества попадают в восстановительную атмосферу, выделяющийся азот может легко превращаться в азотный газ, а не в оксиды азота. Второй путь включает сжигание азота, содержащегося в углеродной матрице, во время сгорания углеродной части топлива. Эта реакция протекает намного медленнее, чем в летучей фазе. Только около 20% азота в конечном итоге выбрасывается в виде оксидов азота, поскольку большая часть оксидов азота, образующихся в этом процессе, восстанавливается до азота углеродом, который представляет собой почти чистый углерод.

Немедленно .

Окислы азота выделяются в процессе производства азотных удобрений. Хотя закись азота выбрасывается при их применении, она затем вступает в реакцию в атмосфере с образованием окислов азота. Этот третий источник обусловлен реакцией атмосферного азота, N2, с радикалами, такими как C, CH и фрагментами CH2, образующимися при сгорании топлива, а не тепловыми или топливными процессами. Эта реакция, происходящая на самой ранней стадии сгорания, приводит к образованию устойчивых соединений азота, таких как NH (моногидрид азота), NCN (дирадикальный цианонитрен), HCN (цианистый водород), •H2CN (цианид водорода) и •CN (циано-радикал), которые могут окисляться до NO. В топливе, содержащем азот, вклад быстрого образования окислов азота относительно невелик и представляет интерес, как правило, только при самых жестких требованиях к выбросам.

Влияние на здоровье и окружающую среду

Существуют убедительные доказательства того, что респираторное воздействие может спровоцировать и усугубить существующие симптомы астмы, и даже привести к развитию астмы в течение более длительного времени. Оно также связано с сердечными заболеваниями, диабетом, исходами родов и общей смертностью, но эти нереспираторные эффекты установлены менее четко. реагирует с аммиаком, влагой и другими соединениями с образованием паров азотной кислоты и связанных с ними частиц. в присутствии солнечного света реагирует с летучими органическими соединениями с образованием озона. Озон может вызывать неблагоприятные последствия, такие как повреждение легочной ткани и снижение функции легких, преимущественно у восприимчивых групп населения (дети, пожилые люди, астматики). Озон может переноситься воздушными потоками и оказывать влияние на здоровье вдали от первоначальных источников. По оценкам Американской ассоциации легких, почти 50 процентов жителей Соединенных Штатов проживают в округах, не соответствующих нормам по озону. В юго-восточной Англии загрязнение озоном на уровне земли обычно наиболее высоко в сельской местности и пригородах, в то время как в центре Лондона и на основных дорогах выбросы NO способны "поглощать" озон с образованием кислорода. также легко реагирует с распространенными органическими химическими веществами и даже с озоном, образуя широкий спектр токсичных продуктов: нитроарены, нитрозамины, а также нитратный радикал, некоторые из которых могут вызывать мутации ДНК. Недавно был обнаружен еще один путь образования озона через , который преобладает в прибрежных районах посредством образования нитрилхлорида при контакте с соленым туманом. Прямое воздействие выбросов оказывает положительное влияние на парниковый эффект. Вместо того, чтобы реагировать с озоном в реакции 3, NO также может реагировать с |HO2* и органическими пероксирадикалами (|RO2*) и тем самым увеличивать концентрацию озона. Как только концентрация превышает определенный уровень, атмосферные реакции приводят к чистому образованию озона. Поскольку тропосферный озон способен поглощать инфракрасное излучение, этот косвенный эффект усиливает глобальное потепление. Существуют также другие косвенные эффекты, которые могут либо увеличивать, либо уменьшать парниковый эффект. Прежде всего, в результате реакции NO с радикалами |HO2* регенерируются радикалы •OH, которые окисляют молекулы метана, что означает, что выбросы могут противодействовать эффекту парниковых газов. Например, судоходство выделяет большое количество , которое является источником в океане. Затем фотолиз |NO2 приводит к образованию озона и дальнейшему образованию гидроксильных радикалов (·OH) посредством фотолиза озона. Поскольку основной поглотитель метана в атмосфере – это реакция с радикалами •OH, выбросы от судоходства могут привести к глобальному охлаждению. Однако в атмосфере может подвергаться сухому или влажному осаждению и возвращаться на сушу в виде |HNO3/|NO3−. Таким образом, осаждение приводит к азотному удобрению и последующему образованию закиси азота (|N2O) в почве, которая является еще одним парниковым газом. В заключение, учитывая несколько прямых и косвенных эффектов, выбросы оказывают отрицательное влияние на глобальное потепление. в атмосфере удаляется несколькими путями. Днем |NO2 реагирует с гидроксильными радикалами (·OH) с образованием азотной кислоты (|HNO3), которая может быть легко удалена сухим и влажным осаждением. Органические пероксирадикалы (|RO2·) также могут реагировать с NO и |NO2, что приводит к образованию органических нитратов. В конечном итоге они распадаются до неорганического нитрата, который является полезным питательным веществом для растений. Ночью |NO2 и NO могут образовывать азотистую кислоту (HONO) посредством поверхностно-каталитической реакции. Хотя реакция протекает относительно медленно, она важна в городских районах. В то время как более ранние исследования предполагали, что биодизель иногда может уменьшать, а иногда и увеличивать выбросы , последующие исследования показали, что смеси до 20% биодизеля в дизельном топливе, одобренном USEPA, не оказывают существенного влияния на выбросы по сравнению с обычным дизельным топливом. В штате Калифорния используется специальная формула дизельного топлива для производства меньшего количества по сравнению с дизельным топливом, используемым в других 49 штатах. Это было признано необходимым Советом по качеству воздуха Калифорнии (CARB) для компенсации сочетания автомобильных пробок, теплых температур, интенсивного солнечного света, PM и топографии, которые способствуют образованию озона и смога. CARB установил специальное регулирование для альтернативных видов дизельного топлива, чтобы гарантировать, что любое новое топливо, включая биодизель, не приведет к существенному увеличению выбросов . Снижение выбросов является одной из самых важных задач для развития автомобильных технологий. Хотя дизельные автомобили, продаваемые в США с 2010 года, значительно чище, чем предыдущие дизельные автомобили, городские районы продолжают искать способы уменьшить образование смога и озона. Образование во время сгорания связано с рядом факторов, таких как температура сгорания. Таким образом, можно наблюдать, что цикл вождения автомобиля или нагрузка на двигатель оказывают большее влияние на выбросы, чем тип используемого топлива. Это может быть особенно верно для современных, чистых дизельных автомобилей, которые непрерывно контролируют работу двигателя в электронном виде и активно управляют параметрами двигателя и работой выхлопной системы для ограничения выбросов менее 0,2 г/км. Низкотемпературное сгорание или LTC технология используется в дизельных грузовиках и некоторых дизельных автомобилях. Использование рециркуляции отработавших газов и каталитических нейтрализаторов в двигателях внутреннего сгорания значительно снизило выбросы транспортных средств. было основным объектом нарушений, допущенных Volkswagen в отношении выбросов. Другие технологии, такие как безымменное окисление (FLOX) и ступенчатое сгорание, значительно снижают термическое в промышленных процессах. Технология Bowin low является гибридом ступенчатого предварительно смешанного лучистого сгорания с основным поверхностным сгоранием, которому предшествует незначительное лучистое сгорание. В горелке Bowin воздух и газообразное топливо предварительно смешиваются в соотношении, равном или превышающем стехиометрическое требование к сгоранию. Технология впрыска воды, при которой вода вводится в камеру сгорания, также становится важным средством снижения за счет повышения эффективности общего процесса сгорания. В качестве альтернативы вода (например, 10–50%) эмульгируется в мазуте перед впрыском и сгоранием. Эта эмульгификация может быть выполнена в линию (нестабилизированная) непосредственно перед впрыском или в виде добавки к топливу с химическими добавками для обеспечения долгосрочной стабильности эмульсии (стабилизированная). Чрезмерное добавление воды способствует горячей коррозии, которая является основной причиной, по которой сегодня предпочтительнее технологии сухого низкого , помимо требования к более сложной системе.

There is strong evidence that respiratory exposure can trigger and exacerbate existing asthma symptoms, and may even lead to the development of asthma over longer periods of time. It has also been associated with heart disease, diabetes, birth outcomes, and all cause mortality, but these nonrespiratory effects are less well established. reacts with ammonia, moisture, and other compounds to form nitric acid vapor and related particles. reacts with volatile organic compounds in the presence of sunlight to form ozone. Ozone can cause adverse effects such as damage to lung tissue and reduction in lung function mostly in susceptible populations (children, elderly, asthmatics). Ozone can be transported by wind currents and cause health impacts far from the original sources. The American Lung Association estimates that nearly 50 percent of United States inhabitants live in counties that are not in ozone compliance. In South East England, ground level ozone pollution tends to be highest in the countryside and in suburbs, while in central London and on major roads NO emissions are able to "mop up" ozone to form and oxygen. also readily reacts with common organic chemicals, and even ozone, to form a wide variety of toxic products: nitroarenes, nitrosamines and also the nitrate radical some of which may cause DNA mutations. Recently another pathway, via , to ozone has been found that predominantly occurs in coastal areas via formation of nitryl chloride when comes into contact with salt mist. The direct effect of the emission of has positive contribution to the greenhouse effect. Instead of reacting with ozone in Reaction 3, NO can also react with |HO2* and organic peroxyradicals (|RO2*) and thus increase the concentration of ozone. Once the concentration of exceeds a certain level, atmospheric reactions result in net ozone formation. Since tropospheric ozone can absorb infrared radiation, this indirect effect of is intensifying global warming. There are also other indirect effects of that can either increase or decrease the greenhouse effect. First of all, through the reaction of NO with |HO2* radicals, •OH radicals are recycled, which oxidize methane molecules, meaning emissions can counter the effect of greenhouse gases. For instance, ship traffic emits a great amount of which provides a source of over the ocean. Then, photolysis of |NO2 leads to the formation of ozone and the further formation of hydroxyl radicals (·OH) through ozone photolysis. Since the major sink of methane in the atmosphere is by reaction with •OH radicals, the emissions from ship travel may lead to a net global cooling. However, in the atmosphere may undergo dry or wet deposition and return to land in the form of |HNO3/|NO3−. Through this way, the deposition leads to nitrogen fertilization and the subsequent formation of nitrous oxide (|N2O) in soil, which is another greenhouse gas. In conclusion, considering several direct and indirect effects, emissions have a negative contribution to global warming. in the atmosphere is removed through several pathways. During daytime, |NO2 reacts with hydroxyl radicals (·OH) and forms nitric acid (|HNO3), which can easily be removed by dry and wet deposition. Organic peroxyradicals (|RO2·) can also react with NO and |NO2 and result in the formation of organic nitrates. These are ultimately broken down to inorganic nitrate, which is a useful nutrient for plants. During nighttime, |NO2 and NO can form nitrous acid (HONO) through surface catalyzed reaction. Although the reaction is relatively slow, it is an important reaction in urban areas. While earlier studies suggested biodiesel could sometimes decrease and sometimes increase emissions, subsequent investigation has shown that blends of up to 20% biodiesel in USEPA approved diesel fuel have no significant impact on emissions compared with regular diesel. The state of California uses a special formulation of diesel fuel to produce less relative to diesel fuel used in the other 49 states. This has been deemed necessary by the California Air Resources Board (CARB) to offset the combination of vehicle congestion, warm temperatures, extensive sunlight, PM, and topography that all contribute to the formation of ozone and smog. CARB has established a special regulation for Alternative Diesel Fuels to ensure that any new fuels, including biodiesel, coming into the market do not substantially increase emissions. The reduction of emissions is one of the most important challenges for advances in vehicle technology. While diesel vehicles sold in the US since 2010 are dramatically cleaner than previous diesel vehicles, urban areas continue to seek more ways to reduce the formation of smog and ozone. formation during combustion is associated with a number of factors such as combustion temperature. As such, it can be observed that the vehicle drive cycle, or the load on the engine have more significant impact on emissions than the type of fuel used. This may be especially true for modern, clean diesel vehicles that continuously monitor engine operation electronically and actively control engine parameters and exhaust system operations to limit emission to less than 0.2 g/km. Low temperature combustion or LTC technology diesel trucks and in some diesel cars. The use of exhaust gas recirculation and catalytic converters in motor vehicle engines have significantly reduced vehicular emissions. was the main focus of the Volkswagen emissions violations. Other technologies such as flameless oxidation (FLOX) and staged combustion significantly reduce thermal in industrial processes. Bowin low technology is a hybrid of staged premixed radiant combustion technology with major surface combustion preceded by minor radiant combustion. In the Bowin burner, air and fuel gas are premixed at a ratio greater than or equal to the stoichiometric combustion requirement. Water Injection technology, whereby water is introduced into the combustion chamber, is also becoming an important means of reduction through increased efficiency in the overall combustion process. Alternatively, the water (e. g. 10 to 50%) is emulsified into the fuel oil before the injection and combustion. This emulsification can either be made in line (unstabilized) just before the injection or as a drop in fuel with chemical additives for long term emulsion stability (stabilized). Excessive water addition facilitates hot corrosion, which is the primary reason why dry low technologies are favored today besides the requirement of a more complex system.