Зона грибного отчуждения

Различаются ли по принципу работы двигатели автомобилей, тепловозов и винтовых самолетов или вертолетов? Нужно ли им разное или одинаковое топливо?

Фраза «Грибы поглощают компоненты выхлопных газов» достаточно общая. Чем могут различаться составы выхлопных газов автомобильного, авиационного и тепловозного двигателей.

Вспомните, производные каких элементов труднее всего включаются в круговорот веществ в природе и, как следствие, хуже выводятся из организма.

Обычно опасность сбора грибов у дорог объясняют общими словами вроде таких: «при сгорании топлива в воздух и почву с выхлопными газами попадают вещества, которые могут оказывать на организм человека канцерогенное, мутагенное и токсическое действие».

Из условия задачи можно понять, что вещества, которые попадают (или/и попадали) в окружающую среду, а точнее — в почву (растущее плодовое тело гриба накапливает в себе опасные вещества из почвы), с выхлопными газами автомобилей, винтовых самолетов и вертолетов опаснее для организма, чем вещества из выхлопных газов железнодорожных тепловозов. Такая разница вызвана, как несложно догадаться, использованием разных типов двигателей и разного топлива.

Двигатели винтовой авиации и большинство автомобильных — это бензиновые двигатели внутреннего сгорания, в которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой. Важно чтобы эта смесь хорошо сжималась, но не взрывалась раньше времени (от сжатия и высоких температур). Это свойство называется устойчивостью топлива к детонации. Чистый бензин — получаемая при перегонке фракция нефти — не годится в качестве топлива для бензинового двигателя. Чтобы улучшить антидетонационные качества, бензин можно химически модифицировать и/или добавлять в него антидетонационные присадки.

Двигатели тепловозов — преимущественно дизельные и работают за счет самовоспламенения распыленного в камере сгорания топлива от воздействия разогретого при сжатии воздуха. Дизельные двигатели более «всеядны»: в качестве топлива можно использовать практически все тяжелые фракции ректификации нефти от керосина до мазута и даже сырая нефть, а также рапсовое масло, отработанный кулинарный жир и т. д. Причем, все эти виды дизельного топлива годятся без какой-либо модификации.

Для полноты картины нужно добавить, что в «большой авиации» используются в основном керосиновые реактивные двигатели, однако для решения задачи это не важно — охранная зона аэропортов обычно довольно большая, так что совсем близко к ним грибы не пособираешь.

Любое топливо, полученное из нефти, — это смесь, в основном состоящая из насыщенных и ароматических углеводородов. Отличие лишь в деталях: например, в ряду бензин — керосин — мазут увеличиваются молекулярная масса и температура кипения углеводородов.

Если сравнивать усредненный состав выхлопных газов современных бензиновых и дизельных двигателей, можно увидеть, что принципиальных различий в содержании вредных веществ, выбрасываемых каждым из двигателей, нет. Ниже приведена таблица из статьи Выхлопные газы. В ней, правда, указаны данные для дизельных автомобильных двигателей, но дизельные двигатели тепловозов работают по тому же принципу, что и автомобильные, поэтому относительный состав их выхлопных газов будет весьма близким, если не идентичным.

К токсичным и мутагенным компонентам выхлопных газов относят продукты неполного сгорания углеводородного топлива — монооксид углерода (угарный газ), углеводороды, альдегиды, сажу и бензапирены, а также образующиеся при горении оксиды азота. Из них в почве имеют шанс накапливаться только углеводороды, сажа и бензапирены, а остальные опасны лишь при непосредственном вдыхании выхлопов. В долгосрочной перспективе угарный газ смешается с атмосферой и будет медленно окисляться до углекислого газа, оксиды азота или продукты их реакции с водой — азотная и азотистая кислоты и их соли — будут усваиваться растениями, альдегиды окислятся до спиртов, которые будут усваиваться микроорганизмами, а газообразные углеводороды (метан, этан, пропан и бутаны) также попадут в атмосферу и будут участвовать в химических процессах там, а не в почве.

Сравнение выхлопных газов дизельного и бензинового двигателей показывает, что они мало отличаются в «обогащении» почвы опасными веществами: бензапиренов выделяется примерно одинаково, дизельный двигатель выделяет больше сажи, зато бензиновый автомобильный — больше углеводородов. Собственно говоря, именно отсутствие значительных отличий и привело к тому, что для новых автодорог и железных дорог «санитарные нормы» для сбора грибов одинаковые.

Рис. 2. Плакат «Остерегайтесь отравлений этилированным бензином» и похожие плакаты, предупреждающие о вреде этилированного бензина, раньше висели на бензоколонках. Художники В. В. Данилова, Д. А. Дмитриев, 1956 год. Изображение с сайта litfund.ru

Получается, что в таблице не указана причина большей опасности автомобильных дорог. Но это логично, поскольку наиболее опасные для почвы вещества с июля 2003 года в России в выхлопных газах автомобильных двигателей просто не должны образовываться (из-за закона №34-ФЗ). Речь об органических и неорганических соединениях свинца, присутствовавших в выхлопных газах из-за того, что долгое время для увеличения мощности двигателя и повышения октанового числа бензина использовался этилированный бензин, в который в качестве антидетонационной присадки добавляли тетраэтилсвинец (Pb(C₂H₅)₄). А вот в авиационном бензине, который применяется для винтовой авиации, тетраэтилсвинец применяется и по сей день.

Поскольку «свинцовые» присадки использовались довольно долго, продукты полного и неполного сгорания тетраэтилсвинца, естественно, накапливались вдоль дорог. Если знать средний годовой пробег машины и расход топлива, то можно прикинуть масштабы бедствия. Содержание свинца в этилированных бензинах колебалось от 0,15 до 0,37 г/л, а, например, в 1995 году в России насчитывалось 19,6 млн автомобилей. По некоторым данным суммарное поступление свинца в атмосферу от автотранспорта в тот год оценивается величиной около 4000 тонн.

Ветра разносили свинецсодержащие аэрозоли из выхлопов на расстояния до километра от автотрасс. Придорожная растительность уменьшает этот эффект (ослабляет ветер и поглощает вредные вещества), так что это одна из причин, по которым вдоль дорог, проходящих среди использующихся земель сельскохозяйственного назначения, стали высаживать лесозащитные полосы.

С конца 1970-х годов в СССР начался процесс отказа от использования тетраэтилсвинца, который завершился, как уже говорилось, в 2003 году. Тем не менее, обочины дорог еще значительно загрязнены свинцом, а поскольку он и его производные относятся к первому классу опасности, следует все же воздержаться от сбора грибов у автотрасс, какой бы заманчивой ни казалась идея «припарковался у обочины, зашел в лес, набрал полный багажник».

Этилированный бензин, а точнее — бензин, содержащий тетраэтилсвинец, стал массово производиться с 1920-х годов. В свое время он позволил автомобилям массового производства стать конкурентом, а потом и вытеснить транспортные средства на гужевой тяге. Но несмотря на это в 2010 году был включен журналом Time в список пятидесяти наихудших изобретений в истории человечества.

Изобретатель октановой шкалы бензинов и других видов топлива сэр Гарри Рикардо (1885–1974). Фото с сайта imechearchive.wordpress.com

В бензиновых двигателях внутреннего сгорания сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой. Для эффективной работы двигателя необходимо, чтобы эта смесь могла быть максимально сжата — то есть до минимально возможного объема. Поджог смеси при максимальном сжатии увеличивает количество полезной работы, которую, расширяясь, совершают продукты горения смеси, что влияет и на скорость автомобиля, и на расход топлива. Но иногда топливо при сжатии взрывается самостоятельно, до поджога искрой. Этот «самоподжог» называется детонацией. Детонация понижает эффективность двигателя и способствует его более быстрому износу (заметим, что в то же самое время основой функционирования дизельного двигателя является, наоборот, способность к самовозгоранию при сжатии). Способность топлива сопротивляться детонации при сжатии называется октановым числом. Первую октановую шкалу углеводородного топлива в 1921 году предложил британский инженер Гарри Рикардо (Harry Ricardo).

Низкое октановое число (около 66 единиц) бензинов прямой перегонки (полученных только с помощью ректификации нефти — то есть физическими методами и без дальнейшей химической переработки отгоняемой фракции) не позволяло увеличить мощность двигателей внутреннего сгорания с поджогом топливовоздушной смеси и развивать высокие скорости.

Томас Миджли (1889–1944). Фото с сайта ru.wikipedia.org

В 1921 году американский инженер Томас Миджли (Thomas Midgley,  старых источниках — Томас Мидгли) обнаружил, что впервые полученное в 1852 году и нигде ранее не применявшееся металлоорганическое соединение — тетраэтилсвинец — увеличивает октановое число бензина. Два года спустя, в 1923 году три американские корпорации — General Motors, DuPont и Standard Oil создали совместное предприятие Ethyl Gasoline Corporation. Слово «этил» в названии было использовано специально, чтобы не пугать людей словом «свинец». Почти сразу у рабочих на производстве стали проявляться симптомы хронического отравления свинцом. В 1924 году сам Миджли ушел в отпуск, чтобы вылечиться от отравления свинцом, но скрыл этот факт. Он, как и Ethyl Corporation, всегда следовал практике твердого отрицания токсичности продукции.

В нашей стране тетраэтилсвинец не применялся до 1942 года. Но, получив по ленд-лизу у союзников партии грузовиков и американских и английских истребителей, СССР пришлось срочно закупать этиловую жидкость, чтобы добавлять тетраэтилсвинец в отечественные бензины для повышения их детонационной способности, — низкое октановое число советских бензинов приводило к быстрому износу американских и британских двигателей, спроектированных под топливо с более высоким октановым числом. Этиловая жидкость представляла собой раствор тетраэтилсвинца в бромэтане или дибромпропане (раньше она стояла на бензоколонках в цистернах с предупреждающей надписью «Этил — яд!»). Броморганические соединения не только хорошо растворяют тетраэтилсвинец, позволяя вводить его в бензин, но и способствовали тому, что продукты сгорания тетраэтилсвинца легче уходили с выхлопными газами, а не оседали на деталях двигателя. Сначала этилирование бензина было организовано на армейских складах горючего, а затем — на нефтеперерабатывающих заводах.

Ограничивать использование присадок с тетраэтилсвинцом из-за возрастающего свинцового отравления окружающей среды начали там же, где их изобрели — в США. Этот процесс шел с 1970 года, а к 1986 году производство и применение этилированных бензинов было полностью запрещено. В Европе тетраэтилсвинец попал под запрет в 2000 году (хотя некоторые страны отказались от него и ранее), в России — в 2003 году (хотя, опять же, большая часть автотранспортных средств ко времени запрета уже была переведена на более экологически чистые версии топлива). В настоящее время тетраэтилсвинец все еще используется в Йемене, Палестине, Афганистане и Северной Корее.

Сейчас октановое число бензина повышают двумя путями. Первый — химическая переработка бензина прямой гонки. К таким методам относятся процессы крекинга и риформинга, в которых длинные углеводородные цепи расщепляются на более короткие и происходит изомеризация линейных углеводородов в разветвленные (углеводороды с длинными и линейными цепями понижают октановое число топлива, а с короткими и разветвленными — повышают).

Применяют и антидетонационные присадки. Это также металлоорганические соединения — цимантрен (трикарбонил(η⁵-циклопентадиенил)марганец, Mn(η⁵-C₅H₅)(CO) и ферроцен (бис-η⁵-циклопентадиенилжелезо(II), η⁵-С₅Н₅)₂Fe). При сгорании этих веществ образуются практически неопасные для окружающей среды оксиды марганца и железа, однако твердые частички этих оксидов могут (как, впрочем, и твердые продукты сгорания тетраэтилсвинца) приводить к засорению двигателя. Для увеличения октанового числа можно добавлять в топливо и кислородсодержащие соединения — спирты и эфиры (октановое число этанола составляет 100 единиц), однако добавление небольшого количества антидетонационных присадок к продукту химической переработки прямой гонки эффективнее, чем просто введение большого количества добавок в бензиновую нефтяную фракцию, полученную только ректификацией нефти без последующей химической переработки.