ان محركات الاحتراق الداخلي، المستعملة في وسائل النقل والشحن والطائرات والآلات الصناعية والزراعية ومضخات المياه والمولدات الكهربائية، مسؤولة عن أكثر من 70 في المئة من التلوث الهوائي في الدول الصناعية، على رغم القوانين الصارمة المفروضة على استعمالها. والنسبة ليست أقل كثيراً في الدول النامية، نظراً الى رداءة الآلات المستخدمة فيها وغياب الصيانة والرقابة المستمرة على انتاج الغازات الملوثة.
الهيدروكربونات هي المواد الرئيسية التي يتكون منها الوقود النفطي (البنزين، الديزل، الغاز الطبيعي، وغيرها). وهي تنطلق في الجو اما نتيجة التبخر المباشر للوقود أثناء تعبئته أو من خزان الوقود، واما في شكل غازات غير محترقة مع غازات العادم التي تخرج من المحركات. وتتفاعل الهيدروكربونات في الجو مع اوكسيدات النيتروجين تحت أشعة الشمس، فتتكون منها مركبات ضارة تدعى المؤكسدات الضوئية الكيميائية (photochemical oxidants) ومن أهمها البيروكسي أسيتيل. كما تنتج غاز الاوزون الذي يتفاعل مع المواد العضوية ويؤثر على العيون ويسبب صعوبة في التنفس.
في بريطانيا مثلاً، 78 في المئة من الهيدروكربونات في الجو تأتي من عوادم المحركات. ولا يعي السائقون كم يكلفهم استهلاك الوقود عندما تعمل محركات سياراتهم بصورة رديئة، وكم هي كميات الوقود الاضافية المصروفة في المسافات المقطوعة مقارنة بما قد يكلفه اصلاح محرك السيارة. وهناك تأثيرات أخرى على المحرك، اذ تترسب المواد الكربونية داخله وتقصر عمره. والى التأثيرات البيئية، فان للهيدروكربونات المختلفة تأثيراً على الصحة، اذ تسبب اضطرابات في الجهاز التنفسي وتزيد احتمالات الاصابة بسرطان الدم.
ويدخل النيتروجين في تركيب الوقود المحروق. وتشير الاحصاءات في الدول الاوروبية الى أن 51-ـ60 في المئة من اوكسيدات النيتروجين في الجو منبعثة من محركات الاحتراق الداخلي. وهذه غازات سامة متى تجاوزت معدلات معينة، وتؤدي الى دمع العين وحساسية في الحنجرة. كما أنها من مسببات المطر الحمضي.
أول اوكسيد الكربون هو أحد الغازات الناجمة عن الاحتراق غير الكامل لوقود المحركات. ويقدر أن 90 في المئة من كميته المنتشرة في الجو ناتجة من محركات الاحتراق الداخلي. ومهما تحسن احتراق الوقود داخل المحركات، فلن نستطيع التخلص كلياً من أول اوكسيد الكربون. ولكن يمكن تقليل انبعاثه الى حد أدنى. وهو غاز سام تبدأ أعراض سميته بالصداع والتقيؤ، اذ يلتصق بهيموغلوبين الدم فيعيق نقله للاوكسيجين الى أجزاء الجسم مما يؤدي الى حالة تسمم.
من جهة أخرى، أي وقود يحترق جيداً يولد ثاني اوكسيد الكربون. وهو من الغازات المسببة لأثر الدفيئة (greenhouse effect) أو الاحتباس الحراري، أي ارتفاع درجة حرارة جو الارض، اذ تمتص هذه الغازات الحرارة المنعكسة عن سطح الارض وتمنعها من مغادرة المجال الجوي. ويتوقع العلماء ارتفاع درجة حرارة الجو ما بين درجة و3,5 درجات خلال القرن المقبل.
والرصاص من الملوثات الخطرة أيضاً، ومنذ فترة طويلة يضاف الى البنزين لتنظيم عملية الاحتراق داخل المحركات. وهو غير موجود أصلاً في النفط الخام. وينطلق الرصاص مع غازات العادم في شكل جزيئات صغيرة تبقى محمولة في الهواء لفترة طويلة. وفي السنوات الأخيرة عمل على انتاج بنزين خال من الرصاص، وتحويل السيارات الى استعماله. ويتم ذلك بسهولة عن طريق تعيير المحرك، ولا يكلف الا بضعة دولارات. وفي الدول الغربية يشجع الناس على استخدام البنزين الخالي من الرصاص عن طريق تقليل الضريبة المفروضة عليه ليكون أرخص ثمناً. وتبذل جهود مماثلة في كثير من البلدان العربية. أما وقود الديزل فلا يضاف اليه الرصاص. وللرصاص في الجو أثر سيئ على نمو الأطفال، لأن ترسبه في الجسم يؤثر في الجهاز العصبي والدماغ ومستوى الذكاء.
أما الجزيئات التي تتولد من المحركات فهي على أنواع، تبعاً للمواد التي يحويها الوقود. الديزل يولد جزيئات أكثر من البنزين بمقدار 06 في المئة. وتتولد الجزيئات نتيجة الاحتراق غير الكامل للوقود، فينبعث دخان أسود، أو دخان أبيض مائل الى الزرقة نتيجة احتراق الزيوت عندما تكون المحركات في حال سيئة. وتكثر هذه الانبعاثات في البلدان النامية لانعدام الرقابة الحكومية ولعدم اهتمام الناس ووعيهم للأمر. وتؤثر الجزيئات في الجهاز التنفسي. واذا تركزت بكثافة في الرئتين فقد تسبب السرطان.
ويعتبر ثاني اوكسيد الكبريت من أخطر الغازات التي تصدر عن احتراق وقود الديزل. وهو من مسببات المطر الحمضي الذي يتلف المزروعات ويتأكل الأبنية والمعادن. وتؤدي انبعاثاته العالية الى الاصابة بأمراض في جهاز التنفس مثل الربو.
الياف الأسبستوس (الأميانت) أيضاً من المواد الملوثة للجو، وقد حظرت معظم الدول استخدامها في صناعات كثيرة. وكانت تدخل في صناعة المكابح (الفرامل) وصحون القابض (دبرياج) في السيارات. وعند الاحتكاك تتطاير ألياف الأسبستوس. وهي مضرة للصحة وتؤدي الى الاصابة بالسرطان الرئوي نتيجة تجمعها في الرئتين. وما زالت مصنوعات كثيرة من الأسبستوس تستخدم في البلدان العربية.
وتدخل غازات التبريد في مكيفات السيارات والطائرات. ومنها مركبات الكلوروفلوروكربون (CFC) وهي من غازات الدفيئة، كما أنها عامل رئيسي في تلف طبقة الاوزون. ومن أهم غازات التبريد هذه فريون 12 وفريون 22 اللذان سيمنع استخدامهما في المكيفات في الغرب بحلول السنة 2000.
الضجيج نوع آخر من الملوثات. وكل المحركات تصدر أصواتاً تختلف باختلاف نوعها وحجمها والوقود المستخدم. فمحركات الديزل أكثر ازعاجاً من محركات البنزين. والشاحنات الكبيرة والآليات الضخمة أكثر ازعاجاً من السيارات والآلات الصغيرة. الأصوات العالية والمزعجة تولد الضجر والارهاق وتؤذي الجهاز السمعي. وتقوى الأصوات الصادرة من المحركات عندما يتلف نظام العادم.
ديزل أم بنزين؟
أيهما أكثر تلويثاً: محركات الديزل أم محركات البنزين؟ ان أفضل طريقة للاجابة عن هذا السؤال هي اجراء مقارنة بين ما تنتجه محركات الديزل ومحركات البنزين من ملوثات. بصورة عامة، تعطي محركات الديزل طاقة أكبر بنسبة 25 في المئة في الليتر الواحد مما تعطيه محركات البنزين. ويشمل هذا الرقم نسبة 15 في المئة هي الزيادة في الطاقة الكامنة في الديزل مقارنة مع البنزين. لذا يمكن أن تستهلك محركات الديزل كمية أقل من الوقود لقطع مسافة معينة أو لأداء عمل معين، وبالتالي تنتج تلوثاً أقل. وتنفث محركات البنزين ضعفي ما تنفثه محركات الديزل من اوكسيدات النيتروجين، و25 في المئة أكثر من الهيدروكربونات، وضعفي ما تنتجه محركات الديزل من أول اوكسيد الكربون وثاني اوكسيد الكربون، لان كفاءة الحرق في الديزل أفضل. لكن محركات الديزل تنتج نحو أربعة أضعاف ما تنتجه محركات البنزين من غاز ثاني اوكسيد الكبريت.
وبما أن محركات الديزل تستخدم التحمية عند التشغيل، يسخن المحرك بسرعة مقارنة بمحركات البنزين. والمحرك، بصورة عامة، يصدر تلوثاً أكبر عندما يعمل بأقل من معدلاته الحرارية الاعتيادية، حين يكون بارداً مثلاً، لذا تكون محركات الديزل أقل تلويثاً عند التشغيل أو في المسافات الصغيرة، بشرط أن تكون في حال جيدة. كما أن وقود الديزل لا يضاف اليه الرصاص لتحسين كفاءته، لذا لا ينفث رصاصاً. لكنه قد ينتج من الجزيئات أكثر 40 في المئة مما ينتجه محرك البنزين. وتشجع بلدان اوروبية كثيرة على استخدام الديزل باعتباره أقل تلويثاً، فازداد استخدام الديزل في بريطانيا مثلاً من 5 الى 25 في المئة بين 1991 و1993، وهو في ازدياد مستمر..
تكنولوجيات تقليل التلوث
الاهتمام المتزايد بتخفيف مشكلة التلوث انعكس أبحاثاً وتجارب علمية أسفرت عن تشكيلة من التكنولوجيات الحديثة التي باتت تعتمد في صناعة السيارات وتشغيلها. ومن هذه التكنولوجيات:
المحول الحفاز (calalytic converter)
يوضع هذا المحول في مجاري غازات العادم لمحركات البنزين. وهو عبارة عن مصفاة مصنوعة من مواد مسامية ومن خلطة خاصة، تقوم بتقليل اوكسيدات النيتروجين بنسبة تصل الى 75 في المئة والهيدروكربونات بنسبة 50 في المئة وأول اوكسيد الكربون بنسبة 40 في المئة، عن طريق تحويلها الى غازات أقل ضرراً مثل النيتروجين وبخار الماء. ولكن لا تأثير لهذا المحول على ثاني اوكسيد الكبريت. وهو يستخدم مع الوقود الخالي من الرصاص، لأن استخدامه مع الوقود العادي يؤدي الى ترسب الرصاص فيه وانسداد مسامه.
حفاز الأكسدة (oxidation catalyst)
وهو يستخدم مع محركات الديزل، ويمكن استخدامه في مجاري العادم لمحركات البنزين أيضاً. ويقوم بتقليل الهيدروكربونات بنسبة 35 في المئة وأول اوكسيد الكربون بنسبة 50 في المئة والجزيئات بنسبة 25 في المئة. ولكنه أقل فاعلية مع اوكسيدات النيتروجين وغير فاعل مع ثاني اوكسيد الكبريت.
مصفاة الكربون (arbon canister)
وهي جهاز يقوم بسحب وتقليل الأبخرة الهيدروكربونية المنطلقة من الوقود أثناء التعبئة، واعادتها الى خزان المحطة. وهو يوضع في طرف خرطوم التعبئة في محطات الوقود. وقد بدأ استعماله بكثرة في الولايات المتحدة وبعض الدول الاوروبية.
البنزين "المهذب": أصبح البنزين الخالي من الرصاص معتمداً في معظم البلدان. والى ذلك، تضاف الى البنزين مواد تحتوي على الاوكسيجين لتحسين احتراق الوقود وتقليل الغازات الملوثة الصادرة منه. وهذه المواد هي MTBE المستخرجة من الغاز الطبيعي كمنتج ثانوي، والايثانول المستخرج من الذرة، ومادة ETBE.
وقود أقل تلويثاً: تجرى تجارب ناجحة لاستخدام أنواع من الوقود تصدر تلوثاً أقل، مثل الغاز الطبيعي والميثان والايثانول والميثانول. وفي شوارع اوروبا والولايات المتحدة سيارات تعمل بالغاز الطبيعي. كما تتسابق شركات كبرى على انتاج سيارات كهربائية لا تطلق أي ملوثات. ومن هذه الشركات جنرال موتورز وبيجو ورينو وسيتروين وهوندا وفيات.
وهناك مساع حثيثة لصنع سيارة شمسية تعتمد على توليد الطاقة الكهربائية من أشعة الشمس. وفي العام 1988 قطعت سيارتان شمسيتان، كل براكب واحد، المسافة بين أثينا (اليونان) وبرشلونة (اسبانيا)، احداهما من تصميم جامعة ويلز والثانية من امبيريال كولدج في بريطانيا. وتستخدم محركات كهربائية في الرافعات العاملة في المخازن المغلقة، لكي لا تصدر تلوثاً داخل المخازن.
ومن بدائل محركات الاحتراق الداخلي استخدام المحركات البخارية أو التربينية التي تعتمد على الاحتراق الخارجي المستمر، وهي تصدر تلوثاً أقل بكثير.
من جهة أخرى، تجرى تجارب لتقليل التلوث الصادر عن الطائرات، وذلك بتحسين كفاءة الاحتراق في محركاتها، لأن كمية الغازات الصادرة عنها باتت مصدر قلق مع ازدياد عدد الطائرات في أجواء العالم.
تدابير مفيدة
من الامور المهمة التي تجدر مراعاتها لتقليل التلوث وتخفيف تأثيره:
- توعية الناس حول تلوث الهواء ومصادره الأساسية وتأثيره في البيئة والصحة، وادخال موضوع البيئة ضمن المنهج الدراسي، وتنظيم برامج تدريبية، وتثقيف المجتمع من خلال التلفزيون والنشرات الاعلامية.
- تقليل الازدحام داخل المدن، وتشجيع النقل العام. ان سير المركبات ببطء يستهلك معدلات أكبر من الوقود وينتج كميات أكبر من الملوثات، مقارنة بالسرعة الاقتصادية التي تبلغ 75 - 85 كيلومتراً في الساعة. في بعض المناطق تمنع السيارات الخاصة من المرور في الشوارع الرئيسية خلال أوقات الازدحام، لتشجيع الناس على استخدام وسائل النقل العام. كما تمنع شوارع في المناطق التجارية الا على المشاة ووسائل النقل العام، وترفع رسوم مواقف السيارات. وتعتمد بلدان كثيرة نظام تشجيع السيارات التي تقل أكثر من راكب واحد (car pooling)، فتخصص لها معابر خالية من الازدحام.
- تحديد السرعة على الطرق. عندما تسير السيارات بسرعات عالية تستهلك المحركات كميات أكبر من الوقود، مما يعني تلوثاً أكبر. وتعتبر الطرق السريعة مصدراً رئيسياً لتلوث الهواء. وتشير بعض الدراسات الى أن الانطلاق بسرعة 90 - 110 كيلومترات في الساعة يزيد استهلاك الوقود بنحو 20 في المئة (لمحرك متوسط قياس ليترين)، والانتقال الى سرعة 140 كيلومتراً في الساعة يضاعف الاستهلاك.
- تشجيع استخدام البنزين الخالي من الرصاص، بترخيص سعره وبيان مضار الرصاص.
- اجراء فحص سنوي (رسمي) للمحرك والسيارة باستعمال جهاز يقيس مقدار أول اوكسيد الكربون والهيدروكربونات الصادرة من السيارة. وفي هذا السبيل، يوضع في العادم أنبوب يسحب عينة ويعطي قراءة لكمية الملوثات الناتجة. ويتم على أثر ذلك تعيير المحرك وصيانته بحسب مواصفاته الأصلية. ولا ننسَ أن اطارات السيارات، اذا كان ضغط الهواء فيها أقل من المعدل، تؤدي الى استهلاك المحركات كميات أكبر من الوقود. لذا يجب المحافظة على ضغط قياسي للاطارات.
- منع استيراد أو استخدام الفرامل والقوابض المصنوعة من الأسبستوس، وابدالها بأنواع أخرى أكثر أماناً من الناحية البيئية.
وفي النهاية، يبقى تقليل التلوث الهوائي مهمة عامة تشارك فيها الدولة والمؤسسات والأفراد.
د. علي محمد علي، مهندس متخصص بمحركات الاحتراق الداخلي
كادر
أسلحة جديدة لمحاربة التلوث
كمبريدج، بريطانيا ـ البيئة والتنمية
يواجه صانعو السيارات ضغطاً متزايداً لحثهم على التخفيف من انبعاثات العادم. وقد بدأت القوانين الصادرة في هذا المجال تزداد صرامة، اذ يحاول عدد متزايد من الدول الحد من مستويات التلوث في الجو.
هذا ما حمل الشركات على مضاعفة جهودها لمحاولة فهم المشاكل الكيميائية المعقدة التي تطرحها عملية الاحتراق في محركات السيارات، تمهيداً لحلها. ومن هذه الجهود الناجحة تطوير شركة كومباستشن البريطانية أداة استجابة فائقة السرعة تتيح للمهندسين أن يدرسوا عن كثب مصادر انبعاثات الهيدروكربون.
تفحص هذه الأداة تركز انبعاثات الهيدروكربون في المحرك خلال كل جزء من ألف من الثانية، مما يؤمن صورة دقيقة جداً عن تقلبات الانبعاث الحاصل. وتستخدم هذه الآلة تكنولوجيا مكشاف تأين اللهب (FID) وقد حسنت من أداء المعدات السابقة لأنها تكشف التغيرات الكبرى والفائقة السرعة الحاصلة في انتاج الهيدروكربون في المحركات خلال مراحل قصيرة عابرة
وتمثل الانبعاثات الناتجة من هذه المراحل، والتي تحصل خلال التشغيل أو التسريع أو الابطاء أو تغيير درجة السرعة، قسماً كبيراً من الملوثات المنبعثة من محركات السيارات، خصوصاً في المدن. ويصعب على خبراء الانبعاثات عادة أن يراقبوا هذه المراحل العابرة ويرصدوها بدقة. لكن الأمر تحسن الآن. فخلافاً لآلات كشف تأين اللهب الأخرى المعيارية، فان مكشاف كومباستشن قادر على تسجيل التقلبات السريعة والدقيقة جداً التي تحصل خلال دورة واحدة للعمود المرفقي، مما يعطي المهندسين معلومات أوفى عن انتاج الهيدروكربون والوسائل الممكنة للتخفيف منه..وقد سارعت شركات من أنحاء العالم الى اعتماد هذا المكشاف الجديد، خصوصاً في الولايات المتحدة حيث تستخدمه الآن شركات فورد وجنرال موتورز وكرايزلر وغيرها، ومراكز أبحاث ومستشفيات طليعية. كما لجأت شركات بريطانية وألمانية ويابانية الى اعتماد هذه الأداة على نطاق واسع، ومنها روفر ودايملرـ بنز وBMW وفولكسفاغن وهوندا ونيسان وتويوتا.
وتوسع شركة كومباستشن تكنولوجيتها حالياً لمواجهة تحد آخر في مجال الأبحاث، هو القياس الدقيق لأوكسيد النيتروز. فقد بينت التجارب التي أجريت على نموذج جديد صورة واضحة عن تغير سريع وحاد في انبعاثات أوكسيد النيتروز في محرك يدور بسرعة ثابتة. وهذا مهم جداً للمهندسين الذين بدأوا يحولون اهتمامهم الى المراحل العابرة الأصعب توقعاً. وتخطط الشركة لاطلاق أداة قياس أوكسيد النيتروز الجديدة خلال سنة 1997، مما يعطي الباحثين في العالم سلاحاً آخر صغيراً ولكن فعالاً في نضالهم لخفض مستويات التلوث.