CC BY
64
ХАРАКТЕРИСТИКА ДЫМОВОЙ ЭМИССИИ И ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ЗОЛЫ ПРИ ЛАБОРАТОРНОМ ГОРЕНИИ ЛЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Светлана Анатольевна Попова
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, г. Новосибирск, ул.
Институтская, 3, младший научный сотрудник, тел. (383) 3330787, e-mail:
Ольга Васильевна Чанкина
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, г. Новосибирск, ул.
Институтская, 3, научный сотрудник, тел. (383) 3330787, e-mail: [email protected]
Валерий Иванович Макаров
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, г. Новосибирск, ул.
Институтская, 3, к.х.н., старший научный сотрудник, тел. (383) 3330787, e-mail:
Горение биомассы является важным источником аэрозоля в атмосфере. Дымовая эмиссия оказывает сильное влияние на химический состав, радиационный баланс атмосферы и на здоровье человека. В работе представлены экспериментальные данные о продуктах горения, полученных в лабораторных условиях, коры и хвои сосны обыкновенной (Pinus sylvestris). Изучен многоэлементный состав растительных субстратов, характерных для лесных экосистем Центральной Сибири.
Ключевые слова: горение биомассы, дымовая эмиссия, элементный состав, лесные материалы.
CHARACTERIZATION OF SMOKE EMISSION AND ELEMENTAL COMPOSITION OF ASH FROM LABORATORY BURNING OF FOREST MATERIALS
Svetlana A. Popova
Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Novosibirsk, Institutskaya str., 3, junior researcher, tel. (383) 3330787, e-mail: [email protected]
Olga V. Chankina
Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Novosibirsk, Institutskaya str., 3, researcher, tel. (383) 3330787, e-mail: [email protected]
Valerii I. Makarov
Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Novosibirsk, Institutskaya str., 3, senior researcher, tel. (383) 3330787, e-mail: [email protected]
Biomass burning is known as a powerful source of environmental pollution. Smoke emission can produce effect on the chemical, optical, and radiative properties of atmosphere, forest ecosystems, and various biological media (soil, water, plants, etc.). The chemical composition of the combustion products of bark and needles of а pine (Pinus sylvestris) is presented. The multielement composition of various plants of the Central Siberian wood ecosystems is studied.
Key words: biomass burning, smoke emission, elemental composition, forest materials.
Горение биомассы (природные пожары и контролируемые выжигания) является мощным источником загрязнения окружающей среды. Выделяемая при горении биомассы дымовая эмиссия может влиять на химические, оптические и радиационные свойства атмосферы, на процессы облакообразования [1, 2]. Лесные пожары являются главным фактором, вносящим существенные изменения в лесные экосистемы. В России сосредоточено около 23 % лесов планеты, примерно 40 % которых находятся в Сибири [3]. По оценкам [4], ежегодно на территории России пожарам подвергаются свыше 10 млн га бореальных лесов в результате которых в атмосферу выделяется 3-10 млн т аэрозольного вещества.
При лесных пожарах, когда горит растительный покров, подстилка, почвенный гумус, трудно сделать вывод о связи исходного состава лесных горючих материалов с химическим составом образующейся эмиссии, т.к. мощность и состав продуктов горения зависят от типа горючего материала, режима горения (пламенное или тлеющее), метеорологических условий и т.д. Поэтому, возникает необходимость в проведении экспериментов по горению индивидуальных растительных материалов.
Цель данной работы - представить экспериментальные данные о химическом составе дымовой эмиссии веток и хвои сосны обыкновенной на примере тлеющего горения, проведённого в лабораторных условиях. Получить данные о многоэлементном составе некоторых растительных материалов характерных для лесных экосистем Центральной Сибири - багульника болотного, лишайника, древесины сосны и лиственницы, хвои и веток сосны в исходном субстрате и зольном остатке.
Отбор проб проводился с использованием лабораторной установки. Суть отбора состоит в том, что образец измельчённого растительного материала нагревается до температуры тлеющего горения (300-500°С), и выделяемая дымовая эмиссия сначала осаждается на фильтре (дисперсная фаза), а затем вымораживается при - 50°С (парообразные продукты). Определение
химического состава продуктов тлеющего горения лесных горючих материалов проводилось методом хромато-масс-спектрометрии. Содержание оксида углерода, диоксида углерода, метана не определяли. Многоэлементный состав лесных материалов до и после сжигания измерялся рентгенофлуоресцентным методом с использованием синхротронного излучения (РФА СИ). В результате анализа получены значения концентраций следующих элементов: К, Са, Т1, Мп, Бе, Со, N1, Си, гп, Вг, ЯЪ, Бг, &, Мо, РЬ.
Экспериментально показано, что в качественном составе дымовой эмиссии хвои и веток сосны не наблюдается существенных различий. Однако, мощность эмиссии по ряду органических соединений различна. В качестве примера на рис. 1 представлен состав дымовой эмиссии, содержание веществ которой составляет более 50 %. Следует отметить, что присутствие бенз(а)пирена (считающегося вредным для здоровья человека) в эмиссиях тлеющего горения лесных материалов не обнаружено.
Рис. 1. Состав дымовой эмиссии (мкг/г)
В табл. 1 приведены данные о многоэлементном составе различных видов растительности, взятых до выжигания. Анализ данных свидетельствует о различии в содержании элементов в зависимости от вида материала. Отметим, что все представленные в табл. 1 лесные субстраты обогащены К, Са, Мп.
Таблица 1. Элементный состав растительных образцов до сжигания (мкг/г)
Багульник Лишайник Древесина лиственницы Древесина сосны Хвоя сосны Ветки сосны
К 6377 1491 1378 1632 3412 2771
Са 6208 917 1616 1613 6761 5378
Ті 90 242 17 13 н.о. 11
Мп 2029 50 303 51 2279 596
Ее 219 944 76 197 81 88
Со 0,1 0,27 н.о. 0,04 0,005 0,034
N1 1,2 0,70 0,67 0,65 1,5 2,0
Си 4 2,0 10,2 2,2 2,5 6,2
Zn 32 18 13 16 88 65
Вг 1,1 1,01 0,37 0,13 1,1 2,9
ЯЬ 25 4,5 0,5 0,5 5,2 3,3
8г 9 16 8 7 13 17
Zr 13 138 0,29 0,14 0,015 0,034
Мо 0,01 0,18 0,08 0,06 0,076 0,085
РЬ 0,3 4,6 0,4 1,2 1,2 5,2
В табл. 2 отражено изменение содержания элементов в золе тех же субстратов. Показано увеличение концентраций определяемых элементов в зольном остатке. Это связано с выгоранием органической составляющей растительных материалов и концентрированием элементов минеральной части.
Однако, при пересчёте содержания элементов в золе относительно сгоревшего материала (по массе), концентрация элементов практически не меняется. Это подтверждает выводы представленные в работе [4] о незначительной эмиссии элементного состава (порядка 3-5 %).
Таблица 2. Элементный состав зольного остатка после сжигания (мкг/г)
Багульник Лишайник Древесина лиственницы Древесина сосны Хвоя сосны Ветки сосны
K 63540 6021 7391 11279 21727 17741
Ca 101544 8977 18076 43172 57962 45533
Ti 551 3212 222 204 21 50
Mn 24983 442 4261 1842 18672 5952
Fe 2390 6781 845 2368 648 755
Co 0,3 2,1 0,2 0,8 н.о. 0,28
Ni 39 44 16,3 30,9 9,1 37
Cu 68 27 37 30 17 32
Zn 306 75 60 220 436 345
Br 7,1 4,9 3,4 13 216 159
Rb 104 8,7 1,3 3,8 14 12
Sr 57 37 26 52 35 48
Zr 5,8 55 0,9 4,5 0,605 1,6
Mo 0,03 0,08 0,16 0,11 0,046 0,18
Pb 14 28 14 18 4,2 24
Таким образом, в работе представлены экспериментальные данные о продуктах горения, полученных в лабораторных условиях, коры и хвои сосны обыкновенной (Pinus sylvestris). Показан многоэлементный состав растительных субстратов, характерных для лесных экосистем Центральной Сибири.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Simoneit B.R.T., Rogge W.F., Mazurek M.A., Standley L.J., Hildemann L.M., Cass G.R. Lignin pyrolysis products, lignans, and resin acids as specific tracers of plant classes in emissions from biomass combustion // Environ. Sci. Technol. - 1993. - №12. - P. 2533-2541.
2. Рахимов Р.Ф., Макиенко Э.В., Шмаргунов В.П. Вариации оптических постоянных и спектра размеров дымовых аэрозолей, образованных при термическом разложении разносортных древесных материалов // Оптика атмосферы и океана - 2010. - №4. - С. 248258.
3. Долгодворова С .Я., Черняева Г.Н. Биологические ресурсы лесов Сибири. Красноярск: Институт леса и древесины СО РАН, 1980. С. 137-143.
4. Самсонов Ю.Н., Беленко О.А., Иванов В.А. Дисперсные и морфологические характеристики дымовой аэрозольной эмиссии от пожаров в бореальных лесах Сибири // Оптика атмосферы и океана - 2010. - №6. - С. 423-431.
© С.А. Попова, О.В. Чанкина, В.И. Макаров, 2012
