Краткая история антидетонационных добавок для бензина

Thread Content

В октябре 2002 года британская газета The Guardian опубликовала список «самых ужасных изобретений человечества», и «эту честь» получили пластиковые пакеты. Год спустя китайское издательство «Новый мир» также выпустило книгу под названием «Самые ужасные изобретения человечества». Эта книга, явно написанная китайцем, имеет на обложке фальшивый английский название; автор также умышленно использовал два очень западных псевдонима — «Эйкор» и «Марк», пытаясь создать впечатление, что это книга, переведённая из-за границы, или, по крайней мере, собрание материалов. В книге подробно критикуются 20 изобретений: речь идет не только о сигаретах, наркотиках и **, но также об Интернете, клонировании, генетически модифицированных организмах, электронных играх, глютамате натрия и жвачке. По этому можно судить о качестве книги. 　　Среди этих 20 «самых ужасных изобретений человечества», конечно же, есть автомобиль. Действительно, в глазах современных защитников окружающей среды автомобили стали почти мишенью для критики ； Даже обычные граждане, сталкиваясь с все более интенсивным дорожным движением и загрязненным воздухом, который невозможно улучшить, не могут не жаловаться на растущее количество автомобилей в городе. Однако, возможно, из-за нежелания, мало кто задумывается о том, сколько усилий вложили инженеры-автомобилисты для улучшения характеристик автомобилей и предотвращения дальнейшего загрязнения окружающей среды! 　　Здесь я расскажу лишь о одном вопросе, тесно связанном с охраной окружающей среды — антидетонационных добавках в бензин. 　　Те, у кого есть автомобиль, знают, что принцип работы бензинового двигателя заключается в следующем: сначала с помощью карбюратора или инжектора бензин превращается в мелкие капли, которые смешиваются с воздухом и попадают в цилиндр ； Затем эту смесь сжимает поршень, что приводит к повышению температуры. После того, как смесь воспламеняется от искры, возникающей в спиртовой свече, выделяется огромное количество энергии, которая заставляет вал двигателя вращаться, а это, в свою очередь, приводит в движение колеса. 　　В отличие от дизельных двигателей, бензиновые двигатели должны зажигаться с помощью свечи зажигания для сгорания смеси топлива и воздуха, а не за счёт самовозгорания этой смеси. Однако, если в бензине присутствуют такие компоненты, как н-гептан, которые очень легко горят, они могут самовозгораться в цилиндре. Это приводит к возникновению гораздо более высоких температур, чем при нормальном сгорании смеси. В результате возникают сильные ударные волны, из-за чего двигатель начинает вибрировать и издавать шум. Это явление называется детонацией, или взрывным сгоранием; в народе его ещё называют «стуком в цилиндры». 　　Взрывной сгорание не только повреждает двигатель, но и приводит к трате бензина, поэтому вопрос улучшения антивзрывных свойств бензина всегда был важной темой исследований в области автомобильной инженерии. 　　Инженеры сначала определили несколько показателей, по которым оценивается стойкость бензина к детонации; самым распространенным из них является октановое число. Это название появилось потому, что было обнаружено, что в бензине присутствует вещество под названием 2,2,4-триметилпентан — в народе его называют изооктаном — которое обладает высокой стойкостью к детонации. Поэтому его, наряду с нормальным онептаном, стали использовать в качестве критерия для оценки стойкости бензина к детонации. Было установлено, что октановое число нормального онептана составляет 0, а октановое число изооктана — 100. Благодаря таким правилам с помощью специальных приборов можно определить октановое число бензина. Октановое число может делиться на октановое число, определяемое методом исследований (research octane number, сокращенно RON), и октановое число, определяемое методом двигателя (motor octane number, сокращенно MON); это результаты измерений, полученные в разных условиях. В нашей стране в настоящее время для обозначения классов бензина используется показатель RON. Например, бензин с маркировкой 90# означает бензин с показателем RON 90, а бензин с маркировкой 93# — бензин с показателем RON 93. Бензин с таким показателем обладает лучшей стойкостью к детонации по сравнению с бензином 90#. 　　Однако бензин, получаемый в результате прямой дистилляции нефти (основными компонентами которого являются линейные алканы), имеет очень низкий показатель RON — всего 40–60. Каталитический бензин, получаемый в результате кракинга тяжелой нефти, имеет высокое содержание ароматических углеводородов. Поскольку показатель RON для ароматических углеводородов обычно выше, чем для линейных алканов, показатель RON каталитического бензина также выше, чем у бензина, полученного методом прямой перегонки. Однако он все равно остается ниже 90. Если заставить современные легковые автомобили использовать в качестве топлива необработанную бензиновую нефть или крекинговый бензин, от вибраций при езде у человека все тело просто развалится на части. 　　Как повысить антидетонационные свойства бензина? Один из простых способов — добавить туда некоторые особые химические вещества — это и есть антидетонационные добавки для бензина. Первым, кто внес выдающийся вклад в этой области, был американский химик Томас Мидгли-младший (Thomas Midgley, Jr., 1889–1944). На самом деле изначально он изучал инженерию машиностроения и в 1911 году окончил Корнельский университет ； В 1916 году, присоединившись к компании Dayton Engineering Company, он самостоятельно изучал химию в течение нескольких лет ради исследования антидетонационных добавок для бензина. В то время химики ещё плохо разбирались в механизме горения, поэтому поиски Микели подходящего антивзрывного вещества можно было описать как поиски иголки в стоге сена. Сегодня трудно представить, что одной из теорий, направлявших его в поисках взрывозащитных веществ, была периодическая таблица элементов Менделеева! 　　В 1918–1920 годах Микили открыл, что бензол и этанол могут служить антивзрывными веществами, и подал на них патенты. В 1921 году Микелили сумел найти эффективное взрывозащитное вещество — это был тетраэтилолов, который впоследствии нашел широкое применение. Тетраэтилолов был впервые открыт немцами в 1854 году. Это маслянистая жидкость с фруктовым ароматом; достаточно добавить небольшое количество его в бензин, чтобы повысить его устойчивость к детонации. К тому же его легко синтезировать, а цена на него низкая. В 1923 году в США появилась бензин с добавлением свинца для автомобилей, и вскоре он стал популярен по всему миру. 　　Однако ещё в I веке до н.э. древние греки знали, что свинец является токсином ； Современная медицина показывает, что свинец накапливается в организме человека и наносит серьезный ущерб сердечно-сосудистой, нервной и пищеварительной системам. В 1887 году было обнаружено, что свинец представляет ещё большую опасность для детей. К 1904 году стало ясно, что именно красители, содержащие свинец, являются причиной отравления детей свинцом. Через пять лет Франция, Бельгия и Австрия первыми запретили использование белила на основе свинца (химическая формула — карбонат свинца) в качестве красителя. Ещё за год до появления на рынке бензина с содержанием свинца для автомобилей, Агентство по общественному здравоохранению США уже публично предупреждало о высокой токсичности топлива, содержащего свинец ； В 1925 году бензин с содержанием свинца для автомобилей на некоторое время был снят с рынка. Все это показывает, что люди с самого начала знали о вреде тетраэтилолова. Просто в то время люди, взвесив все за и против, решили, что преимущества превышают недостатки. Давайте представим себе, сколько двигателей пришлось бы списать досрочно, если бы не использовали тетраэтилолов Какой же ущерб это приведет к расточительству, какой вред окружающей среде? 　　К 1960-м годам оценка преимуществ и недостатков изменилась. С одной стороны, экологи обнаружили, что тетраэтилолов — это важный загрязнитель атмосферы и основной источник свинца в воздухе ； С другой стороны, люди уже не могут терпеть всё более серьезное загрязнение воздуха. Это предопределило судьбу тетраэтилолова — покинуть историческую арену. В последние два десятилетия XX века основные развитые страны постепенно перешли на бензин без свинца. Наша страна также прекратила производство бензина с содержанием свинца для автомобилей 1 января 2000 года. 　　В то же время инженеры-автомобилисты также ищут замену тетраэтилолову. В 1959 году в США был разработан антивзрывной агент под названием MMT. Как и тетраэтилолов, это органический металлический соединение. Однако MMT не получил широкого распространения; в 1978 году в США было запрещено его дальнейшее использование (в нашей стране оно до сих пор используется в небольших количествах). В 1970-х годах органические соединения, содержащие кислород, привлекли внимание ученых. Было найдено несколько эффективных антивзрывных веществ; среди них наиболее широкое распространение получил метилтрет-бутиловый эфир (MTBE). Его производство было начато в Италии в 1973 году. Токсичность MTBE очень низка; в настоящее время не существует убедительных доказательств его канцерогенности (IARC относит его к 3-й категории). Кроме того, у MTBE высокий показатель RON — 117. Благодаря наличию кислорода в молекуле он способствует более эффективному сгоранию бензина и снижает выбросы токсичных газов. Поэтому бензин, содержащий MTBE, называется «чистым бензином». 　　Но к 1996 году в двух районах города Сент-Моника в штате Калифорния, США, было закрыто 50% объектов водоснабжения лишь из-за обнаружения MTBE в грунтовых водах. В итоге несколько штатов США приняли решение запретить использование MTBE в качестве антидетонационного вещества. Это создает впечатление, что ученые снова недооценили опасность того или иного химического вещества, словно трагедия с ДДТ повторяется. Я заметил, что некоторые «защитники окружающей среды» в нашей стране начали использовать пример запрета на использование MTBE в США в качестве нового оружия для критики строительства химических заводов ； К тому же, так же как они распространяли ложные слухи о высокой канцерогенности PX, так и сейчас они утверждают, что MTBE является «сильным канцерогеном», используя провокационные заявления, чтобы подстрекать невежественную публику. 　　Какова же истинная правда? В ходе расследования было установлено, что MTBE в грунтовых водах города Сан-Моника поступает не от автомобилей, а в результате утечки с одной старой заправки. Можно сказать, что это было совершенно случайное событие. Поэтому, несмотря на громкие призывы в США к запрету использования MTBE на всей территории страны, ЕС и Япония остаются равнодушными и по-прежнему используют MTBE. Конечно, фактом является и то, что MTBE относительно сложно подвергается естественному разложению. Поэтому в настоящее время ЕС и Япония отдают предпочтение другому антидетонационному веществу, которое легче разлагается — этил-тертиаль-бутиловому эфиру (ETBE). Его характеристики такие же хорошие, как у MTBE. 　　Другим заменителем MTBE является этанол. Как уже упоминалось выше, ещё до того, как были обнаружены превосходные антикоррозионные свойства тетраэтилолова, Микелили уже выяснил, что этанол также обладает антикоррозионными свойствами. Основной причиной отсутствия тогда технологий повышения антидетонационных свойств бензина с использованием этанола было то, что этанол является гидрофильным веществом. При наличии даже небольшого количества воды в бензине этанол массово переходит в воду, в результате чего антидетонационные свойства бензина снижаются ； К тому же сухой этиловый спирт сам по себе обладает влагоемкостью; бензин, не содержащий воды, при контакте с воздухом начинает разделяться на слои из-за поглощения влаги. В то время было сложно преодолеть этот технический барьер, поэтому бензин с этиловым спиртом не получил развития. Даже сегодня бензин с этиловым спиртом не подходит для длительного хранения и транспортировки. Цена этанола также выше, чем у бензина, поэтому при массовом использовании бензина с добавлением этанола цены на нефть неизбежно вырастут. Поэтому, несмотря на активные призывы к использованию бензина с этиловым спиртом в США, его реальное количество в наличии невелико — хотя в целом полное использование этилового спирта, возможно, является тенденцией будущего. 　　Рассказав о истории развития антидетонационных добавок для бензина, я не могу не высказать нескольких мыслей. Конечно, в истории технологического развития человечества были такие трагедии, как использование ДДТ и талидомида, а также катастрофы вроде лондонского смога и болезни минаматы. Но это всё же крайние примеры. Люди с самого начала применения химикатов обладали хотя бы минимальным представлением о их вреде ； Многие химикаты, о которых известно, что они вредны, продолжают использоваться на протяжении длительного времени, часто из-за отсутствия альтернатив после тщательного взвешивания плюсов и минусов. Человечество не было уничтожено собственными руками; напротив, благодаря всё более обширным научным знаниям мы живём всё лучше и лучше. 　　Да, кроме науки, что ещё может спасти человечество? Разве нужно полагаться на импульсивные эмоции или невежественный страх?