汽车排放污染物的形成与危害

汽车排放污染物是目前增长较快的大气污染源,它对人体的健康造成威胁,特别是对儿童、老人、孕妇以及患有心脏病和呼吸系统疾病的人群伤害更大。

1.一氧化碳 (CO)的形成与危害

一氧化碳是发动机燃料在燃烧过程中,由于空气不足导致缺氧,使得燃料不能完全燃烧而产生的一种无色、无味、无刺激性的窒息性易燃有毒气体。

当混合气过浓,即在理论空燃比以下时,随着空燃比的减小,CO的浓度上升很快。理论上,当混合气空燃比大于理论空燃比时,空气量充分,汽油机排气中就不会产生CO。实际上,由于各缸混合气不一定均匀一致,燃烧室各处的混合气也不均匀,故会出现局部的浓混合气,使得混合气燃烧之后仍有少量的CO产生。即使燃料与空气混合很均匀,由于燃烧后的高温,已经生成CO2也会有一小部分被分解成CO和O2。另外,排气中的H2和HC也可能将排气中的一部分CO2还原成CO。

因CO是一种无色、无味、无刺激性的气体,不易被人察觉,故人们往往在不知不觉中因过量吸入CO而中毒。CO吸入肺部,被血液吸收后,与人体血红蛋白 (血红素Hb)结合成一氧化碳—血红蛋白 (CO-Hb)。血红素的作用是把氧气从肺部输入人体的各功能器官,以维持正常的新陈代谢,但由于CO与血红素的亲和力要比氧与血红素的亲和力大300倍,所以当CO存在时,血红素首先与CO结合,且解离很慢,使其失去与氧亲和并输送氧气的能力,导致人体氧缺乏,当心脏、头脑等器官严重缺氧时,会引起恶心、头晕、头痛等症状,甚至使人窒息、死亡。当大气中CO的浓度达0.007%以上,几小时以后,当人体内CO-Hb浓度达10%时,便会导致头痛、心跳加速等症状;浓度达20%左右时,就会引起中毒;当含量达60%时,人便会因窒息而死亡。

2.碳氢化合物 (HC)的形成与危害

汽车排放的碳氢化合物,除了发动机中排出的未燃燃料分解后产生的气体外,还包括燃料供给系中的燃料蒸发以及燃烧室内气体泄漏而排放出的碳氢化合物,碳氢化合物的成分非常复杂,有200多种各类烃化合物。

汽油机的HC排放量远大于柴油机。不论发动机在何种工况下运转,排气中总会有一定数量的碳氢化合物HC,其中由排气管排出的HC占55%～65%,曲轴箱通风泄漏的占20%～25%,油箱蒸发的占15%～20%。由汽车排气管排入大气中的HC是在气缸内形成的,主要是不完全燃烧、燃烧室壁面激冷效应、缝隙效应、壁面油膜和积炭吸附等多种原因。

HC中的大部分成分对人体健康的直接影响并不明显,但化合物中含有少量的醛 (甲醛、丙烯醛)、醇、酮、酯、酸和多环芳香烃 (苯并芘)等,其中甲醛与丙烯醛对鼻、眼和呼吸道黏膜有刺激作用,可引起结膜炎、鼻炎、支气管炎等症状,且还有难闻的臭味。苯并芘是一种致癌物质,在1g HC中含三四苯并芘约75.4μg,每辆汽车每小时约排300μg三四苯并芘,人体吸入较多易得癌症。HC也是光化学烟雾形成的主要成分。

3.氮氧化合物 (NOX)的形成与危害

汽车排放的氮氧化合物NOX是在高温富氧、大负荷状态下燃料燃烧后生成的产物。NOX是复杂氮氧化合物的总称,它是NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等多种氮氧化合物的总称,其主要成分是NO和NO2,其中NO占绝大部分,大约占99%;NO2的含量相对较少,约占1%。

NO毒性不大,但高浓度的NO能引起神经中枢的障碍,NO排入大气后,很易氧化成剧毒的NO2。NO2是棕色气体,有特殊的刺激性臭味,被人体吸入后,能与肺部的水分结合生成可溶性硝酸,严重时会引起肺水肿、肺气肿,同时还会刺激眼、鼻黏膜,降低嗅觉能力。如大气中NO2的含量为0.0005%就会对哮喘病患者有影响;若在0.01%～0.015%的高浓度下连续呼吸30～60min,就会使人陷入危险状态。

NOX是生成光化学烟雾的组成部分。光化学烟雾属于二次污染物,是NOX和HC在太阳光的照射下生成的一种黄色烟雾,其主要成分是臭氧 (O3),还含有许多过氧化合物。这些物质对眼睛、咽喉有很大刺激作用,使人流泪,引发红眼病、咽喉肿痛、呼吸困难等症状,严重时还会造成呼吸困难、四肢痉挛、神志不清,致人死亡。同时,光化学烟雾对植物的生长也会造成严重危害。

4.微粒物 (PM)的形成与危害

微粒物通常用PM(Particulate Matter)表示,所谓微粒物是指发动机排出的全部废气,在接近大气条件下,除去非化合形态的凝聚水以外,收集到的全部固体状和液体状的微颗粒包括炭烟(Dry Soot,DS)、可溶性有机物 (Soluble Organic Fraction,SOF)、硫酸盐等物质。柴油机排出的微粒物一般要比汽油机高30～80倍。

微粒与炭烟的关系是包含与被包含的关系,炭烟是微粒的主要组成部分,主要是柴油机燃料不完全燃烧的产物,是一种含有大量直径为0.5～1μm的黑色炭颗粒。炭烟排放的变化会导致微粒排放的变化,但两者升高和降低未必成比例。柴油机在高负荷工作时,炭烟在微粒中所占比例升高,而在部分负荷时则有所降低。由于重馏分的未燃烃、硫酸盐以及水分等在炭粒上吸附凝聚,很多情况下炭烟即指微粒物。炭烟孔隙中往往吸附SO2及有致癌作用的苯并芘等。

近年来,国内外采取了许多有效措施,使柴油机的炭烟排放大幅度下降,加上低硫和无硫燃料的使用,硫酸盐的排放也得到了控制,这就使可溶有机成分微粒所占比例明显上升。可溶有机成分在微粒中的比例一方面与燃烧质量有重要关系,另一方面与润滑油窜入有关,并且随着燃烧质量的提高,这部分窜入的润滑油所占的比例也会随之增大。

部分汽车尾气排放中产生的微粒物还包括铅化合物。铅化合物是含铅汽油在燃烧之后从排气管中排除的污染物。汽车尾气中的铅化合物微粒散入大气中,对人体健康十分有害。铅化合物可随呼吸进入血液,并迅速地蓄积到人体的骨骼和牙齿中,它们会干扰血红素的合成,侵袭红细胞,引起贫血;损害神经系统,严重时损害脑细胞,引起脑损伤。当儿童血中铅浓度达0.6～0.8ppm时,会影响儿童的生长和智力发育,甚至出现痴呆症状。铅还能透过母体进入胎盘,危及胎儿。

微粒物悬浮于离地面高1～2m的空气中,容易被人体吸入,对人体健康产生危害,引起头痛、眩晕等症状。微粒物越小,悬浮于空气中时间越长,越容易被人吸入肺部,对人体健康造成的危害越大。同时,微粒物也能造成能见度变差,严重的炭烟形成的黑雾,会妨碍驾驶员的视线,极易引起交通事故。

5.硫化物的形成与危害

硫化物的主要成分是二氧化硫 (SO2),是燃料中的硫 (S)在燃烧后生成的产物。SO2有强烈的刺激性气味,进入人体后遇到水形成具有腐蚀性作用的亚硫酸。当SO2的浓度达0.001%时,咽喉和眼睛能明显感觉到有刺激性;浓度达到0.004%时,能使人在几分钟内中毒。此外,若大气中含有过多的SO2,还会形成 “酸雨”,对土壤及农作物产生危害。

6.二氧化碳 (CO2)的形成与危害

CO2是汽车尾气排放的主要成分之一,当CO2气体积累到一定程度时,会使地球表面的温度上升,产生 “温室效应”,进而破坏生态平衡,影响全球气候变化。CO2气体对人体健康也存在一定的影响。据科学家预测,如果人类对二氧化碳的排放不加限制,到2100年,全球气温将上升2℃～5℃,海平面将升高30～100cm,由此会带来灾难性后果,海拔低的岛屿和沿海大陆就会葬身海底,如上海、纽约、曼谷、威尼斯等许多大城市可能被海水淹没而成为海底城市。

7.光化学烟雾的形成与危害

汽车排气污染最严重的危害是生成 “光化学烟雾”,空气中的二氧化氮和碳氢化合物是造成光化学烟雾的主要因素。光化学烟雾是汽车排放到大气中的HC和NOX在太阳光紫外线照射下产生光化学反应而生成的。由汽车排出的氮氧化合物,在强烈的太阳光照射下会发生光化学分解,生成游离氧原子。游离氧原子的活性很高,在大气中经催化作用,会与普通的氧分子结合生成臭氧。臭氧的氧化性极强,能将汽车排气中的碳氢化合物氧化成甲醛、乙醛和酮类等,并进一步与氮的氧化物反应,生成过氧酰基硝酸酯 (PAN)等一系列强氧化剂。光化学烟雾是具有刺激性的浅蓝色烟雾,包含有臭氧、醛类、过氧酰基硝酸酯等强氧化剂,这些都是通过光化学反应二次生成的,所以叫作二次污染物。

光化学烟雾积聚不散,会刺激人的眼睛、鼻腔和咽喉,诱发各种呼吸道炎症,最突出的危害是刺激眼睛和上呼吸道黏膜,引起眼睛红肿和喉炎。发生光化学烟雾现象时,空气中的臭氧含量会迅速上升,当大气中臭氧浓度达到200～300g/m3时,会引发哮喘导致上呼吸道疾患恶化,使视觉敏感度和视力降低;浓度在400～1600g/m3时,只要接触两小时就会出现气管刺激症状,引起胸骨下疼痛和肺通透性降低,使肌体缺氧;浓度再高,就会出现头痛,并使肺部气道变窄,出现肺气肿等。这些都会对人类的健康造成危害。

另外,光化学烟雾还能使大气的能见度降低,视程变短,对交通安全产生影响。另外,光化学烟雾对植物、农作物以及建筑物也会产生影响。