CC BY
0
УДК 631.45 Б01: 10.24412/1728-323Х-2024-2-52-57
СОСТАВ ДОРОЖНОЙ ПЫЛИ ГОРОДА КРАСНОЯРСКА
С. А. Шахматов, аспирант, Сибирский федеральный университет (СФУ), shachmatov2002@mail.ru, г. Красноярск, Россия,
Р. А. Шарафутдинов, кандидат географических наук, доцент, Сибирский федеральный университет (СФУ), rsharafutdinov@sfu-kras.ru, г. Красноярск, Россия
Аннотация. Представлены результаты анализа проб частиц мелко- и среднедисперсной пыли, полученные методами количественного анализа химических элементов, содержащихся в пыли, улавливаемой салонными фильтрами автомобилей. Пробы исследованы методом атомно-эмиссион-ного спектрального анализа с индуктивно-связанной плазмой, электронной микроскопии и жидкостной хроматографии. В составе пыли выявлено высокое содержание меди, железа, алюминия, хлоридов магния, натрия, кальция и калия, а также бенз(а)пирена. В результате анализа морфологических характеристик и элементного состава частиц установлены основные источники эмиссии загрязняющих веществ. Показана значимость применения салонных фильтров с целью минимизации негативного влияния на здоровье факторов техногенного характера.
Abstract. The results of the analysis of the samples of fine and medium-dispersed dust particles obtained in the city of Krasnoyarsk by quantitative analysis of chemical elements contained in dust captured by cabin filters of cars are presented. The samples were studied by atomic emission spectral analysis with inductively coupled plasma, electron microscopy and liquid chromatography. The dust contains a high content of copper, iron, aluminum, magnesium, sodium, calcium and potassium chlorides, as well as benz(a)pyrene. As a result of the analysis of the morphological characteristics and elemental composition of the particles, the main sources of pollutant emissions have been identified. The importance of using cabin filters in order to minimize the negative impact of man-made factors on health is shown.
Ключевые слова: автотранспорт; улично-дорожная сеть, мелкодисперсная пыль, пылеперенос, тяжелые металлы, газообразные соединения, загрязнение воздуха, пойменные почвы, Красноярск.
Keywords: motor transport, road network, fine dust, dust transfer, heavy metals, gaseous compounds, air pollution, floodplain soils, Krasnoyarsk.
Автотранспорт и улично-дорожная сеть (УДС) города, на примере Красноярска, является источником высоких концентраций, как газообразных загрязняющих веществ, так и тяжелых металлов, влияющих не только на жизнь человека, но и на компоненты окружающей среды [1—3].
Загрязняющие вещества, обнаруженные в почвах, снежном покрове придорожных пространств, а также в фильтрах, захватывающих различные фракции пыли, поступающей в салон автотранспорта, по нашему мнению, формируются непосредственно в пределах элементов улично-дорож-ной инфраструктуры, частично осаждаются на поверхностных биогеохимических и аэродинамических барьерах, вторично поступают в атмосферу в результате взаимодействия колес с полотном дороги. В этом отношении химический состав различных фракций пыли, захватываемой фильтрами автотранспорта, способен репрезентативно отображать геохимическую обстановку в пределах улично-дорожной инфраструктуры.
Действительно, влияние автомобильного транспорта с улично-дорожной сетью на окружающую среду признается огромным большинством исследователей [4]. Степень воздействия зависит от множества факторов: возраста и износа парка подвижного состава, использования некачественных сортов ГСМ, уровня технологичности и технической оснащенности транспортных предприятий, состояния и покрытия улично-до-рожной сети города, наличие «грязной» дорож-
ной инфраструктуры, открытых участков грунта, отсутствие ливневой канализации и очистных сооружений [5].
Для выяснения спектра загрязняющих веществ, формирующихся в пределах дорожной инфраструктуры города Красноярска, в загрязнении прилегающей территории, а также для оценки значимости возможного влияния на здоровье людей, нами был выполнен анализ химических элементов и отдельных соединений (бенз(а)пире-на), содержащихся в пыли, улавливаемой салонными фильтрами, обеспечивающих захват частиц размером 2,5 мкм и более [6].
В случае передвижения автомобиля исключительно по улицам города, улавливаемая салонным фильтром дорожная пыль репрезентативно отражает спектр характерных химических элементов и веществ, присутствующих в приземном слое воздуха непосредственно в пределах магистрали (УДС города).
Аэрозольная пыль состоит из дисперсионной среды (воздуха) и дисперсной фазы — твердых и жидких частиц, взвешенных в воздухе и различающихся по своему физико-химическому составу и происхождению [7]. Твердые и частично жидкие частицы, размером крупнее 2,5 мкм с очень высокой вероятностью захватываются неткаными материалами фильтрующих элементов, однако по отношению к ч астицам размером 0,5—2,5 мкм их эффективность значительно снижается.
Газообразные соединения, такие как оксиды азота, углерода, серы, обеспечивающие значительный вклад в загрязнение атмосферного воздуха в зонах расположения дорожно-транспортной инфраструктуры, практически не задерживаются обычными пылевыми фильтрами и в нашем исследовании не изучались.
В настоящем исследовании были выбраны следующие салонные фильтры: 8201153808 (Renault Duster); Fram CF11862 (Toyota Camry 2020); MMF020028 (Kia K900 2021); 971333M000 (Hyundai Equus 2016); BIG Filter GB-9911 (Toyota Camry 2022).
Владельцы представленных выше служебных автомобилей эксплуатировали в период 2021— 2022 годов в 87—99 % времени в черте города Красноярска. Поквартально фильтры извлекались и передавались в лабораторию для обработки по единой схеме. Качество конечной очистки и пылеемкость фильтров разных моделей не рассматривалась.
В лабораторных условиях фильтры всех марок разрезались на фрагменты размером 50 х 50 мм. Твердые частицы удалялись из материала фильтровальных элементов в стеклянные пробирки, наполненные 96 % этиловым спиртом, ультразвуковым воздействием частотой 40 кГц в течение 30—35 мин.
После процедуры отделения пробирки подвергались центрифугированию, верхний слой спирта сливался, а смоченный осадок передавался для исследования методом атомно-эмис-сионного спектрального анализа с индуктивно -
связанной плазмой на спектрометре ICP OES Spectrometer ICAP-PRO X Duo 10611. Результаты количественного элементного анализа представлены в таблице.
Часть пылевого материала, отделенного от фильтрующего элемента, была изучена с помощью сканирующего электронного микроскопа TESCAN VEGA 3 SBH с системой энергодисперсионного микроанализа OxfordX-Act в RAD-цент-ре ГМК «Норильский никель». Были установлены морфологические характеристики и элементный состав пылевых частиц в размерном диапазоне 0,5—20 мкм. Также в материале, извлеченном из фильтрующих элементов, осуществлено определение концентрации бенз(а)пирена в соответствии с ПНД Ф 16.1:2:2.2:2.3:3.39—2003.
Анализируя полученные результаты валовых концентраций элементов, внимания заслуживает высокая (7788,2 мг/кг) концентрация меди в исследуемой пыли. В пределах дорожной сети формирование частиц меди размером 0,5—25 мкм обеспечивается в результате процесса торможения, при котором происходит износ накладок тормозных колодок. В их составе с целью снижения износа колодок и диска, а также увеличения эффективности теплоотвода, медь в виде сплавов вводится на этапе производства.
Различные производители вводят медь в различных формах (опилки, стружка), а также с целью удешевления продукции различные ее сплавы. Как правило, это латуни различных марок — ЛС74-3, Л96, ЛАЖ60-1-1 и другие, имеющие различный состав, но всегда содержащие зна-
Таблица
Содержание химических элементов в дорожной пыли (мг/кг)
IV квартал 2021 г.
Al As B Ba Be Bi Ca Cd Ce Co Cr Cu Fe Hg K La Li
30 794 15 94 837 1,5 6,2 55 554 3,6 37 17,2 83,6 7789 41 271 0,32 10 878 23 16,4
Mg Mn Mo Na Ni P Pb Rb S Sb Sc Se Sn Sr Te Ti V
11 420 829 22,4 12 221 57 1074 53 46 1941 16,8 4,85 3,2 25,7 484 9,7 2818 76,8
I квартал 2022 г.
Al As B Ba Be Bi Ca Cd Ce Co Cr Cu Fe Hg K La Li
29 822 16 98 769 1,2 5,3 48 425 3,8 33 18,4 75,4 7934 40 021 0,43 12 405 21 15,2
Mg Mn Mo Na Ni P Pb Rb S Sb Sc Se Sn Sr Te Ti V
11 322 991 21,8 10 952 72 958 49 42 2043 15,1 4,79 3,4 27,7 462 9,4 2620 78,1
II квартал 2022 г.
Al As B Ba Be Bi Ca Cd Ce Co Cr Cu Fe Hg K La Li
27 640 17 88 803 1,9 5,8 46 819 4,8 38 20,2 82,8 8163 44 518 0,52 11 216 25 15,9
Mg Mn Mo Na Ni P Pb Rb S Sb Sc Se Sn Sr Te Ti V
9852 1024 24,5 11 207 76 907 63 40 2283 18,7 4,6 3,3 27,6 474 9,7 2418 68,2
у
I I I I I I I I I I
2 мкм
Частица пыли, состоящая из меди (62 %), цинка (34 %) железа (4 %)
Морфологический облик частицы, представленнной преимущественно оксидом углерода, являющейся продуктом конденсации отработанных газов автотранспорта
Рис. 1. Частицы пыли размером 4 мкм
чимое количество цинка, достигающее 48—50 %. Вероятно, этим объясняется достаточно высокая концентрация цинка в составе пыли, образующейся в пределах дорожной сети, достигающая 663,9 мг/кг (рис. 1) [6].
Поскольку подвижные формы меди обладают высокой токсичностью по отношению к водным экосистемам, чем определяется невысокая величина ее ПДК в водоемах рыбохозяйственного значения (1 мкг/л) [8—10], поверхностный сток неочищенных вод с городских улиц в реку Енисей представляет значительные экологические риски. В этом отношении важное экологическое значение играет развитость и степень сохранности пойменного почвенно-растительного комплекса в пределах городской черты города Красноярска [6].
В свете изложенного, важно отметить, что для крупных городов России, расположенных на берегах рек, назрела потребность в организации коммунальных систем, обеспечивающих максимально полный перехват и очистку поверхностных вод, поступающих с элементов дорожной инфраструктуры в поверхностные водные объекты. Кроме того, на сегодняшний день в развитых странах наметилась тенденция отказа производителей тормозных колодок от использования меди и ее замещение керамическими композитами. Данный процесс происходит при участии государства, прежде всего, за счет введения планомерных нормативных ограничений [11]. Так, по природоохранным соображениям, в 2009 году
нормативы, ограничивающие применение меди в тормозных колодках, введены в штате Калифорния, а в 2010 году в штате Вашингтон [12]. Указанное направление, исходя из обозначенных реалий, в ближайшем будущем следует признать актуальным и для России.
В составе ч астиц, отделенных от фильтрующего материала, широко представлены частицы сажи, состоящие на 89—99 % из углерода (рис. 1), их размер изменяется в диапазоне от 2 до 100 мкм, форма весьма разнообразна. В размерном интервале от 2 до 18 мкм это сложные, вытянутые дискообразные образования. Они являются продуктом сгорания и конденсации дизельного топлива. Около 80 % подобных частиц содержат до 5 % N1, Бе, присутствие которых обусловлено поступлением продуктов износа деталей двигателя и компонентами присадок к топливу и моторному маслу. Наличие в составе частиц от долей процента до 2 % серы определяется присутствием ее в исходном топливе. Не более 4 % подобных частиц в размерной группе 2,5—15 мкм могут содержать до 4—5 % хлора в качестве второстепенного компонента.
Массовая доля в исследованных пробах частиц указанного выше состава и морфологии демонстрировала среднюю корреляцию (г^ = 0,61) с концентрацией бенз(а)пирена.
Известно, что бенз(а)пирен в атмосфере находится преимущественно в связанном твердыми частицами атмосферной пыли различного размера виде, при этом размер частиц влияет на его
биологическую доступность [13]. Таким образом, фильтрация воздуха, поступающего в салон автотранспорта, способна снижать поступление бенз(а)пирена в организм.
Общее содержание бенз(а)пирена в изученных пробах пыли изменялось за период наблюдения в диапазоне от 0,56 до 1,14 мг/кг, что значительно
превышает концентрацию данного соединения в почвенном покрове города Красноярска [14].
В составе пылевых частиц отчетливо выделяются структуры, состоящие из хлоридов №, К, Са, и Mg. Такие частицы часто имеют фасетки, что свидетельствует о том, что монокристаллическая структура может быть вполне характерна для них (рис. 2). Соотношение щелочных и щелочноземельных металлов к хлору в частицах достаточно стабильно и без учета примесей, и близко типичным хлоридам. Частицы достаточно мелкие, их диаметр обычно находится в пределах 0,5—2,5 мкм, в то же время крупные образования сложной формы, имеют достаточно большие размеры, превышающие 20 мкм, что является следствием сложных процессов, связанных с осаждением, растворением и перекристаллизацией во внешних условиях.
Несмотря на то что частицы хлоридов составляю менее 2 % от всех изученных, их появление четко привязано к сезонам года — максимум характерен для апреля—июня. По нашему м нению, их источником являются реагенты с большим количеством хлористых соединений, применяемые или применявшиеся в течение последних лет на дорогах и тротуарах города Красноярска.
В основном они состоят из хлорида натрия, хлорида калия и хлорида кальция. Например, водный хлорид магния MgCl2 -6^0 часто входил в состав противогололедных материалов, приме -
Рис. 3. Микронные и субмикронные твердые частицы пыли, покрывающие поверхность хвои Ртш $й>тса, произрастающей
на расстоянии 6 м от внешней границы проезжей части
няемый совместно либо вместо песчано-солевой смесью на дорогах, однако его широкое использование было ограничено во многих городах России с 2013 года в силу токсичности, высокой коррозионной активности и низкой эффективности как противогололедных материалов. Тем не менее, хлорид магния не исчез из продажи, он приобретается и используется различными компаниями, в том числе для борьбы с гололедом на придомовых территориях и тротуарах.
Их концентрация в составе дорожной пыли определяется интенсивностью применения противогололедных реагентов, которая, в свою очередь, сопряжена с погодными условиями, в частности, с количеством твердых атмосферных осадков, выпадающих в течении короткого временного интервала, не позволяющих удалить их ограниченным парком снегоуборочной техники.
Важно заметить, что частицы пыли, покрывающие поверхность хвои древесных пород, по элементному составу и морфологическому облику в
целом повторяют состав материала, полученного из салонных фильтров автотранспорта (рис. 3).
Таким образом, можно констатировать, что источником высоких концентраций меди, цинка и хлора в почвах и пыли придорожных пространств города Красноярска является автотранспорт и применяемые при эксплуатации улич-но-дорожной сети противогололедные реагенты. Повышенное содержание меди и цинка в составе пыли обусловливается износом накладок тормозных колодок автотранспорта.
Высокие концентрации бенз(а)пирена в составе пыли, задержанной автомобильными салонными фильтрами, указывают на то, что использование последних, а также их своевременная замена имеет большое значение в плане снижения негативного воздействия техногенных факторов окружающей среды на здоровье человека. В большей степени это актуально для людей, длительное время проводящих за рулем автомобиля в плотных городских автомобильных потоках.
Библиографический список
1. Катола В. М. Пыль: источники образования, общая характеристика, пылевые заболевания (краткий обзор) / В. М. Катола. Физиол. Патол. Дыхание, 2018. — С. 111—116.
2. Шао Л. Ю., Лю П. Дж., Джонс Т., Ян С. С., Ван У. Х., Чжан Д. З., Ли Ю. В., Ян С.-Х., Син Дж. П., Хоу С. и др. Обзор методов анализа отдельных частиц в атмосфере: методологии и их применение в экологических исследованиях // Резолюция Гондваны. — 2022. — № 110. — С. 347—369.
3. Злобин В. Б., Орешкова М. А. Влияние автотранспорта на состояние атмосферы г. Красноярска // Актуальные проблемы авиации и космонавтики — 2017. — Красноярск, 2017. — 774 с.
4. Недикова Е. В., Зотова К. Ю. Особенности влияния автомобильных дорог и автотранспорта на окружающую среду // Экономика и экология территориальных образований. — 2016. — № 2. — 174 с.
5. Сердюкова А. Ф. Влияние автотранспорта на окружающую среду / А. Ф. Сердюкова, Д. А. Барабанщиков. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 25 (211). — С. 31—33.
6. Орбан Е. С., Шарафутдинов Р. А. Источники загрязнения пойменных почв урбанизированных территорий тяжелыми металлами / Актуальные проблемы науки и образования в условиях современных вызовов. Сборник материалов XVI Международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 2022. — С. 127—135.
7. Колесникова В. М., Салимгареева О. А., Ладонин Д. В., Вертянкин Д. Ю., Шелегина А. С. Морфологические и минералогические характеристики атмосферных микрочастиц и химического загрязнения уличной пылью в московском регионе // Атмосфера. — 2023. — Т. 4, № 2. — 403 с.
8. Левина Э. Н. Общая токсикология металлов. — Л.: Медицина, 1972. — 184 с.
9. Антонович Е. А., Подрушняк А. Е., Щуцкая Т. А. Токсичность меди и ее соединений // Современные проблемы токсикологии. — 1999. — № 3 [Электронный журнал]. — URL: http://www.nbuv.gov.ua/portal/Chem_Biol/Spt/index.html).
10. Лужников Е. А., Суходулова Г. Н. Клиническая токсикология: Учеб. пособие для мед. вузов. — М.: МИА, 2008. — 434 с.
11. Тормозные колодки без меди. Электронный журнал: www.allied-nippon.com. (URL: https://www.allied-nippon.com/ novosti/novosti-kompanii/tormoznye-kolodki-bez-medi/). 06.06.2023.
12. Асланов Н. Р., Масодиков Ж. Х. Влияние на экологию вредных частиц, выбрасываемых в окружающую среду в результате коррозии автомобильных тормозных колодок // Железнодорожный транспорт: актуальные вопросы и инновации.— 2024. — № 4. — С. 151—157.
13. Rongyan Liu et al. Impact of particle size on distribution, bioaccessibility, and cytotoxicity of polycyclic aromatic hydrocarbons in indoor dust // Journal of Hazardous Materials. Volume 357, Pages 341—347.
14. Бутенко Г. С., Полонская Д. Е. Содержание 3,4-бенз(а)пирена в почвах техногенно загрязненных территорий // Вестник КрасГАУ. — 2012. — № 7. — С. 86—90.
CHEMICAL PROPERTIES OF ROAD DUST IN KRASNOYARSK
S. A. Shakhmatov, Postgraduate student, Siberian Federal University (SIBFU), shachmatov2002@mail.ru, Krasnoyarsk, Russia, R. A. Shrafutdinov, Ph. D. (Geography), Associate Professor, Siberian Federal University (SIBFU), rsharafutdinov@sfu-kras.ru, Krasnoyarsk, Russia
References
1. Katola V. M. Py'l': istochniki obrazovaniya, obshhaya xarakteristika, py'levy'e zabolevaniya (kratkij obzor) [Dust: sources of education, general characteristics, dust diseases (a brief overview)]. Physiol. Patol. Breathing. 2018. P. 111—116 [in Russian].
2. Shao L. Y., Liu P. J., Jones T., Yang S. S., Wang W. H., Zhang D. Z., Li Y. W., Yang C.-X., Xing J. P., Hou C., et al. A review of atmospheric individual particle analyses: Methodologies and applications in environmental research. [Gondwana Research]. 2022. 110. P. 347—369. [in English].
3. Zlobin V. B., Oreshkova M. A. Vliyanie avtotransporta na sostoyanie atmosfery' g. Krasnoyarska [The influence of motor transport on the state of the atmosphere of Krasnoyarsk]. Collection "Actual problems of aviation and cosmonautics — 2017". 2017. 774 p. [in Russian].
4. Nedikova E. V., Zotova K. Yu. Osobennosti vliyaniya avtomobil'ny'x dorog i avtotransporta na okruzhayushhuyu sredu [Features of the influence of highways and motor transport on the environment]. Economics and ecology of territorial formations. No. 2. 2016. 174 p. [in Russian].
5. Serdyukova A. F. Vliyanie avtotransporta na okruzhayushhuyu sredu / A. F. Serdyukova, D. A. Barabanshhikov. — Tekst: neposredstvenny'j [Influence of motor transport on the environment. A. F. Serdyukova, D. A. Barabanshchikov]. Text: direct young scientist. 2018. No. 25 (211). P. 31—33 [in Russian].
6. Orban E. S., Sharafutdinov R. A. Istochniki zagryazneniya pojmenny'x pochv urbanizirovanny'x territory tyazhely'mi metallami [Pollution sources of fluvisols by heavy metals in urbanized territories. Conference proceedings. Current problems of science and education in the context of modern challenges]. Collection of materials of the XVI International Scientific and Practical Conference, St. Petersburg, 2022. P. 127—135 [in Russian].
7. Kolesnikova V. M., Salimgareeva O. A., Ladonin D. V., Vertyankin D. Yu., Shelegina A. S. Morfologicheskie i mineralog-icheskie xarakteristiki atmosferny'x mikrochasticz i ximicheskogo zagryazneniya ulichnoj py'l'yu v moskovskom regione [Morphological and mineralogical characteristics of atmospheric microparticles and chemical pollution by street dust in the Moscow Region]. Atmosphere. Vol. 4. No. 2. 2023. 403 p. [in Russian].
8. Levina E. N. Obshhaya toksikologiya metallov [General toxicology of metals]. Leningrad, Medicine. 1972. 184 p. [in Russian].
9. Antonovich E. A., Podrushnyak A. E., Shchutskaya T. A. Toksichnost' medi i ee soedinenij. Sovremenny'e problemy' tok-sikologii [Toxicity of copper and its compounds]. Modern problems of toxicology. 1999. No. 3. (Electronic journal. URL: http:// www.nbuv.gov.ua/portal/Chem_Biol/Spt/index.html) [in Russian].
10. Luzhnikov E. A., Sukhodulova G. N. Klinicheskaya toksikologiya [Clinical toxicology]. Textbook for medical universities. MIA. 2008. 434 p. [in Russian].
11. Tormozny'e kolodki bez medi [Brake pads without copper]. Electronic journal: www.allied-nippon.com. (URL: https:// www.allied-nippon.com/novosti/novosti-kompanii/tormoznye-kolodki-bez-medi). 06.06.2023.[in Russian].
12. Aslanov N. R., Masodikov J. H. Vliyanie na e'kologiyu vredny'x chasticz, vy'brasy'vaemy'x v okruzhayushhuyu sredu v re-zul'tate korrozii avtomobiTny'x tormozny'x kolodok [The impact on the ecology of harmful particles released into the environment as a result of corrosion of automobile brake pads]. Railway transport: current issues and innovations. No. 4. 2024. P. 151—157 [in Russian].
13. Rongyan Liu, et al. Impact of particle size on distribution, bioaccessibility, and cytotoxicity of polycyclic aromatic hydrocarbons in indoor dust. Journal of Hazardous Materials. Vol. 357. P. 341—347 [in English].
14. Butenko G. S., Polonskaya D. E. Soderzhanie 3,4-benz(a)pirena v pochvax texnogenno zagryaznenny'x territorij [The content of 3,4-benz(a)pyrene in soils of technogenically polluted territories]. Bulletin of KrasGAU. 2012. No. 7. P. 86—90 [in Russian].
