Хлорфторуглерод - Chlorofluorocarbon

Хлорфторуглероды ( CFC ) и гидрохлорфторуглероды ( HCFC ) представляют собой полностью или частично галогенированные парафиновые углеводороды, содержащие только углерод (C), водород (H), хлор (Cl) и фтор (F), полученные в виде летучих производных метана , этана и пропан . Они также широко известны под торговой маркой DuPont Freon .

Самый распространенный представитель - дихлордифторметан (R-12 или фреон-12). Многие CFC широко используются в качестве хладагентов , пропеллентоваэрозолях ) и растворителей . Поскольку ХФУ способствуют разрушению озонового слоя в верхних слоях атмосферы , производство таких соединений было прекращено в соответствии с Монреальским протоколом , и они заменяются другими продуктами, такими как гидрофторуглероды (ГФУ), включая R-410A и R-134a .

Состав, свойства и производство

Как и в более простых алканах , углерод в CFCs имеет тетраэдрическую симметрию. Поскольку атомы фтора и хлора сильно отличаются по размеру и эффективному заряду от водорода и друг от друга, полученные из метана CFC отклоняются от идеальной тетраэдрической симметрии.

Физические свойства CFCs и HCFCs настраиваются путем изменения количества и идентичности атомов галогена . Как правило, они летучие, но менее летучие, чем их родительские алканы. Уменьшение летучести объясняется молекулярной полярностью, индуцированной галогенидами , которая вызывает межмолекулярные взаимодействия. Таким образом, метан кипит при -161 ° C, тогда как фторметаны кипят между -51,7 (CF 2 H 2 ) и -128 ° C (CF 4 ). ХФУ имеют еще более высокие температуры кипения, потому что хлорид даже более поляризуем, чем фторид. Из-за своей полярности CFC являются полезными растворителями, а их точки кипения делают их пригодными в качестве хладагентов. ХФУ гораздо менее воспламеняемы, чем метан, отчасти потому, что они содержат меньше связей CH, а отчасти потому, что в случае хлоридов и бромидов высвободившиеся галогениды гасят свободные радикалы, поддерживающие пламя.

Плотность CFC выше, чем у их соответствующих алканов. Как правило, плотность этих соединений коррелирует с количеством хлоридов.

ХФУ и ГХФУ обычно производятся путем галогенового обмена, исходя из хлорированных метанов и этанов. Показательным является синтез хлордифторметана из хлороформа :

HCCl 3 + 2 HF → HCF 2 Cl + 2 HCl

Бромированные производные образуются в результате радикальных реакций гидрохлорфторуглеродов, замещающих связи CH связями C-Br. Показательно получение анестетика 2-бром-2-хлор-1,1,1-трифторэтана («галотана»):

CF 3 CH 2 Cl + Br 2 → CF 3 CHBrCl + HBr

Приложения

ХФУ и ГХФУ используются в различных областях из-за их низкой токсичности, реакционной способности и воспламеняемости. Каждая перестановка фтора, хлора и водорода на основе метана и этана была исследована, и большинство из них были коммерциализированы. Кроме того, известно множество примеров более высоких количеств углерода, а также родственных соединений, содержащих бром. Области применения включают хладагенты , пенообразователи , аэрозольные пропелленты в медицине и обезжиривающие растворители.

Миллиарды килограммов хлордифторметана производятся ежегодно в качестве прекурсора тетрафторэтилена , мономера, который превращается в тефлон .

Классы соединений, номенклатура

  • Хлорфторуглероды (CFC): полученные из метана и этана эти соединения имеют формулы CCl m F 4-m и C 2 Cl m F 6-m , где m не равно нулю.
  • Гидрохлорфторуглероды (ГХФУ): полученные из метана и этана эти соединения имеют формулу CCl m F n H 4 − m − n и C 2 Cl x F y H 6 − x − y , где m, n, x и y отличны от нуля.
  • и бромфторуглероды имеют формулы, аналогичные CFC и HCFC, но также включают бром.
  • Гидрофторуглероды (HFC): полученные из метана , этана , пропана и бутана , эти соединения имеют соответствующие формулы CF m H 4-m , C 2 F m H 6-m , C 3 F m H 8-m и C 4 F m H 10 − m , где m ненулевое значение.

Система нумерации

Для фторированных алканов должна использоваться специальная система нумерации с префиксом Freon-, R-, CFC- и HCFC-, где крайнее правое значение указывает количество атомов фтора, следующее значение слева - количество атомов водорода плюс 1, а следующее значение слева - это количество атомов углерода за вычетом единицы (нули не указаны), а остальные атомы - это хлор .

Фреон-12, например, обозначает производное метана (только два числа), содержащее два атома фтора (вторые 2) и не содержащее водорода (1-1 = 0). Следовательно, это CCl 2 F 2 .

Другое уравнение, которое можно применить для получения правильной молекулярной формулы соединений класса CFC / R / Freon, - это взять нумерацию и добавить к ней 90. Полученное значение даст количество атомов углерода в качестве первой цифры, вторая цифра дает количество атомов водорода, а третья цифра дает количество атомов фтора. Остальные неучтенные углеродные связи заняты атомами хлора. Значение этого уравнения всегда представляет собой трехзначное число. Простым примером является CFC-12, который дает: 90 + 12 = 102 -> 1 углерод, 0 атомов водорода, 2 атома фтора и, следовательно, 2 атома хлора, в результате чего получается CCl 2 F 2 . Основное преимущество этого метода определения молекулярного состава по сравнению с методом, описанным в предыдущем абзаце, состоит в том, что он дает количество атомов углерода в молекуле.

Фреоны, содержащие бром, обозначены четырьмя цифрами. Изомеры , которые являются общими для производных этана и пропана, обозначаются буквами после цифр:

Основные ХФУ
Систематическое название Обычное / банальное
имя (а), код
Точка кипения (° C) Формула
Трихлорфторметан Фреон-11, R-11, CFC-11 23,77 CCl 3 F
Дихлордифторметан Фреон-12, R-12, CFC-12 -29,8 CCl 2 F 2
Хлортрифторметан Фреон-13, R-13, CFC-13 −81 CClF 3
Дихлорфторметан R-21, ГХФУ-21 8.9 CHCl 2 F
Хлордифторметан R-22, ГХФУ-22 -40,8 CHClF 2
Хлорфторметан Фреон 31, R-31, ГХФУ-31 −9,1 CH 2 ClF
Бромхлордифторметан BCF, Галон 1211, H-1211, Фреон 12B1 −3,7 CBrClF 2
1,1,2-трихлор-1,2,2-трифторэтан Фреон 113, R-113, CFC-113, 1,1,2-Трихлортрифторэтан 47,7 Cl 2 FC-CClF 2
1,1,1-трихлор-2,2,2-трифторэтан Фреон 113а, R-113а, CFC-113а 45,9 Cl 3 C-CF 3
1,2-дихлор-1,1,2,2-тетрафторэтан Фреон 114, R-114, CFC-114, дихлортетрафторэтан 3.8 ClF 2 C-CClF 2
1-хлор-1,1,2,2,2-пентафторэтан Фреон 115, R-115, CFC-115, хлорпентафторэтан −38 ClF 2 C-CF 3
2-хлор-1,1,1,2-тетрафторэтан R-124, ГХФУ-124 −12 CHFClCF 3
1,1-дихлор-1-фторэтан R-141b, ГХФУ-141b 32 Cl 2 FC-CH 3
1-хлор-1,1-дифторэтан R-142b, ГХФУ-142b −9,2 ClF 2 C-CH 3
Тетрахлор-1,2-дифторэтан Фреон 112, R-112, CFC-112 91,5 CCl 2 FCCl 2 F
Тетрахлор-1,1-дифторэтан Фреон 112а, R-112a, CFC-112a 91,5 CClF 2 CCl 3
1,1,2-трихлортрифторэтан Фреон 113, R-113, CFC-113 48 CCl 2 FCClF 2
1-бром-2-хлор-1,1,2-трифторэтан Галон 2311a 51,7 CHClFCBrF 2
2-бром-2-хлор-1,1,1-трифторэтан Галон 2311 50,2 CF 3 CHBrCl
1,1-дихлор-2,2,3,3,3-пентафторпропан R-225ca, ГХФУ-225ca 51 CF 3 CF 2 CHCl 2
1,3-дихлор-1,2,2,3,3-пентафторпропан R-225cb, ГХФУ-225cb 56 CClF 2 CF 2 CHClF

Реакции

Наиболее важной реакцией CFC является фотоиндуцированный разрыв связи C-Cl:

CCl 3 F → CCl 2 F . + Кл .

Атом хлора, часто обозначаемый как Cl . , ведет себя совсем иначе, чем молекула хлора (Cl 2 ). Радикальный Cl . является долгоживущим в верхних слоях атмосферы, где он катализирует превращение озона в O 2 . Озон поглощает УФ-В излучение, поэтому его истощение позволяет большему количеству этого высокоэнергетического излучения достигать поверхности Земли. Атомы брома - еще более эффективные катализаторы; следовательно, бромированные CFC также подлежат регулированию.

Воздействие парниковых газов

Влияние парниковых газов на атмосферу на потепление за последние годы существенно возросло. Увеличение количества углекислого газа в результате сжигания ископаемого топлива является самой большой общей движущей силой. Относительно меньшее, но значительное воздействие потепления от выбросов наиболее массово производимых CFC (CFC11 и CFC12) будет сохраняться в течение многих последующих десятилетий в будущем.

ХФУ были выведены из обращения в рамках Монреальского протокола из-за их роли в разрушении озонового слоя .

Однако атмосферное воздействие ХФУ не ограничивается их ролью как озоноразрушающих химикатов. Инфракрасные полосы поглощения предотвращают утечку тепла на этой длине волны из атмосферы Земли. CFC имеют самые сильные полосы поглощения от связей CF и C-Cl в спектральной области 7,8–15,3 мкм, называемой «атмосферным окном» из-за относительной прозрачности атмосферы в этой области.

Сила полос поглощения CFC и уникальная восприимчивость атмосферы на длинах волн, при которых CFC (действительно, все ковалентные соединения фтора) поглощают излучение, создают «супер» парниковый эффект от CFC и других инертных фторсодержащих газов, таких как перфторуглероды , HFC , HCFC , бромфторуглероды , SF 6 и NF 3 . Поглощение «атмосферного окна» усиливается низкой концентрацией каждого отдельного CFC. Поскольку CO 2 близок к насыщению с высокими концентрациями и небольшим количеством полос поглощения инфракрасного излучения, баланс излучения и, следовательно, парниковый эффект имеют низкую чувствительность к изменениям концентрации CO 2 ; повышение температуры примерно логарифмическое. И наоборот, низкая концентрация CFC позволяет их эффекту линейно увеличиваться с массой, так что хлорфторуглероды являются парниковыми газами с гораздо более высоким потенциалом усиления парникового эффекта, чем CO 2 .

Группы активно утилизируют устаревшие ХФУ, чтобы уменьшить их воздействие на атмосферу.

По данным НАСА, в 2018 году дыра в озоновом слое начала восстанавливаться в результате запрета на ХФУ.

История

Тетрахлорметан (CCl 4 ) использовался в огнетушителях и стеклянных «противопожарных гранатах» с конца девятнадцатого века до конца Второй мировой войны . Эксперименты с хлоралканами для пожаротушения на военных самолетах начались, по крайней мере, еще в 1920-х годах. Фреон - это торговое название группы ХФУ, которые используются в основном в качестве хладагентов , но также используются в пожаротушении и в качестве пропеллентов в аэрозольных баллончиках . Бромметан широко используется в качестве фумиганта. Дихлорметан - универсальный промышленный растворитель.

Бельгийский ученый Фредерик Свартс стал пионером синтеза ХФУ в 1890-х годах. Он разработал эффективный обменный агент для замены хлорида в четыреххлористом углероде фторидом для синтеза CFC-11 (CCl 3 F) и CFC-12 (CCl 2 F 2 ).

В конце 1920-х Томас Мидгли-младший усовершенствовал процесс синтеза и возглавил попытки использовать CFC в качестве хладагента для замены аммиака (NH 3 ), хлорметана (CH 3 Cl) и диоксида серы (SO 2 ), которые являются токсичными. но были в общем обиходе. При поиске нового хладагента к составу предъявлялись следующие требования: низкая температура кипения , низкая токсичность и отсутствие реакции. На демонстрации для Американского химического общества Мидгли ярко продемонстрировал все эти свойства, вдыхая глоток газа и используя его, чтобы задуть свечу в 1930 году.

Коммерческая разработка и использование

CFCs.svg

Во время Второй мировой войны в военных самолетах стандартно использовались различные хлоралканы, хотя эти первые галоны отличались чрезмерной токсичностью. Тем не менее, после войны они постепенно стали более распространенными и в гражданской авиации. В 1960-х годах стали доступны фторалканы и бромфторалканы, которые быстро были признаны высокоэффективными противопожарными материалами. Многие ранние исследования галона 1301 проводились под эгидой вооруженных сил США, тогда как галон 1211 первоначально в основном разрабатывался в Великобритании. К концу 1960-х годов они были стандартом для многих применений, где водные и порошковые огнетушители представляли угрозу повреждения охраняемого имущества, включая компьютерные залы, телекоммуникационные коммутаторы, лаборатории, музеи и коллекции произведений искусства. Начиная с военных кораблей , в 1970-х годах бромфторалканы также постепенно стали ассоциироваться с быстрым тушением серьезных пожаров в замкнутых пространствах с минимальным риском для персонала.

К началу 1980-х годов бромфторалканы широко использовались на самолетах, кораблях и больших транспортных средствах, а также в компьютерном оборудовании и галереях. Однако начали выражаться опасения по поводу воздействия хлоралканов и бромалканов на озоновый слой . Венская конвенция об охране озонового слоя не покрывала bromofluoroalkanes , как считались, в то время, что аварийный сброс системы пожаротушения был слишком мал по объему , чтобы произвести значительное влияние, и слишком важен для безопасности человека для ограничения.

Регулирование

С конца 1970-х годов использование ХФУ строго регулируется из-за их разрушительного воздействия на озоновый слой . После развития его детектора захвата электронов , Джеймс Лавлок был первым , чтобы обнаружить широкое присутствие ХФУ в воздухе, находя мольную долю 60 п.п. ХФУ-11 по Ирландии . В ходе самофинансируемой исследовательской экспедиции, закончившейся в 1973 году, Лавлок продолжил измерения ХФУ-11 как в Арктике, так и в Антарктике, обнаружив присутствие газа в каждой из 50 собранных проб воздуха и заключив, что ХФУ не опасны для окружающей среды. . Однако эксперимент предоставил первые полезные данные о присутствии ХФУ в атмосфере. Ущерб, причиненный ХФУ, был обнаружен Шерри Роуленд и Марио Молиной, которые, прослушав лекцию по теме работы Лавлока, приступили к исследованию, результатом которого стала первая публикация, предполагающая связь в 1974 году. Оказывается, один из самых привлекательных ХФУ особенности - их низкая реактивность - является ключом к их наиболее разрушительным последствиям. Отсутствие реактивности ХФУ дает им продолжительность жизни, которая может превышать 100 лет, что дает им время для диффузии в верхние слои стратосферы . Попав в стратосферу, солнечное ультрафиолетовое излучение достаточно сильно, чтобы вызвать гомолитический разрыв связи C-Cl. В 1976 году в соответствии с Законом о контроле за токсичными веществами АООС запретило коммерческое производство и использование ХФУ и аэрозольных пропеллентов. Позже это было заменено более широким постановлением EPA в соответствии с Законом о чистом воздухе для решения проблемы истощения стратосферного озона.

Анимация, показывающая цветное представление распределения озона по годам над Северной Америкой через 6 этапов.  Он начинается с большого количества озона, особенно над Аляской, и к 2060 году почти полностью исчезнет с севера на юг.
Прогноз НАСА стратосферного озона в единицах Добсона , если хлорфторуглероды не были запрещены. Анимированная версия .

К 1987 году в ответ на резкое сезонное истощение озонового слоя над Антарктикой дипломаты в Монреале заключили договор, Монреальский протокол , который призывал к резкому сокращению производства ХФУ. 2 марта 1989 года 12 стран Европейского сообщества согласились запретить производство всех ХФУ к концу века. В 1990 году дипломаты встретились в Лондоне и проголосовали за существенное усиление Монреальского протокола, призвав к полной ликвидации ХФУ к 2000 году. К 2010 году ХФУ также должны были быть полностью исключены из развивающихся стран.

Тенденции развития озоноразрушающего газа

Поскольку для стран, присоединившихся к соглашению, доступны только ХФУ, полученные от вторичной переработки, цены на них значительно выросли. Прекращение производства по всему миру должно положить конец контрабанде этого материала. Тем не менее, существуют текущие проблемы контрабанды ХФУ, как это было признано Программой Организации Объединенных Наций по окружающей среде (ЮНЕП) в отчете 2006 года, озаглавленном «Незаконная торговля озоноразрушающими веществами». По оценкам ЮНЕП, в середине 1990-х годов через черный рынок прошло от 16 000 до 38 000 тонн ХФУ. Согласно отчету, от 7000 до 14000 тонн ХФУ ежегодно контрабандным путем ввозятся в развивающиеся страны. Азиатские страны - страны с наибольшим объемом контрабанды; по состоянию на 2007 год на Китай, Индию и Южную Корею приходилось около 70% мирового производства ХФУ. Позднее Южная Корея запретила производство ХФУ в 2010 году. Также были изучены возможные причины продолжения контрабанды ХФУ: в отчете отмечается, что многие страны запретили ХФУ. производящие продукты имеют долгий срок службы и продолжают работать. Стоимость замены оборудования этих предметов иногда бывает дешевле, чем установка на них более безопасного для озона прибора. Кроме того, контрабанда ХФУ не считается серьезной проблемой, поэтому предполагаемые штрафы за контрабанду невелики. В 2018 году внимание общественности было привлечено к вопросу о том, что в неизвестном месте в Восточной Азии с 2012 года производилось примерно 13000 метрических тонн ХФУ в год в нарушение протокола. Хотя возможен постепенный отказ от ХФУ, предпринимаются усилия для решения этих текущих проблем с несоблюдением требований.

Ко времени подписания Монреальского протокола стало понятно, что преднамеренные и случайные сбросы во время испытаний и технического обслуживания системы составляют значительно большие объемы, чем аварийные сбросы, и, следовательно, галоны были включены в договор, хотя и со многими исключениями.

Нормативный пробел

Хотя производство и потребление ХФУ регулируются Монреальским протоколом, выбросы из существующих банков ХФУ этим соглашением не регулируются. По оценкам, в 2002 году в существующих продуктах, таких как холодильники, кондиционеры, аэрозольные баллончики и другие, содержалось около 5791 килотонн ХФУ. Приблизительно одна треть этих ХФУ, по прогнозам, будет выброшена в течение следующего десятилетия, если не будут приняты меры, что создаст угрозу как для озонового слоя, так и для климата. Часть этих ХФУ можно безопасно улавливать и уничтожать.

Регулирование и DuPont

В 1978 году Соединенные Штаты запретили использование ХФУ, таких как фреон, в аэрозольных баллончиках, что положило начало длинной серии нормативных актов против их использования. Срок действия критического патента DuPont на производство фреона («Процесс фторирования галогенуглеводородов», патент США № 3258500) истекал в 1979 году. Вместе с другими промышленными партнерами DuPont сформировала лоббистскую группу «Альянс за ответственную политику в отношении ХФУ» для борьбы с правила использования озоноразрушающих соединений. В 1986 году DuPont, имея новые патенты, изменил свою прежнюю позицию и публично осудил ХФУ. Представители DuPont выступили перед Монреальским протоколом, призывая запретить ХФУ во всем мире, и заявили, что их новые ГХФУ удовлетворят мировой спрос на хладагенты.

Поэтапный отказ от ХФУ

Использование некоторых хлоралканов в качестве растворителей для крупномасштабных применений, таких как химическая чистка, было прекращено, например, директивой IPPC по парниковым газам в 1994 году и директивой ЕС по летучим органическим соединениям (ЛОС) в 1997 году. Разрешено хлорфторалкан используется только в медицинских целях.

Бромфторалканы были в значительной степени прекращены, и владение оборудованием для их использования запрещено в некоторых странах, таких как Нидерланды и Бельгия, с 1 января 2004 года на основании Монреальского протокола и руководящих принципов Европейского Союза.

Производство новых запасов прекратилось в большинстве (возможно, во всех) странах в 1994 году. Однако многие страны по-прежнему требуют, чтобы самолеты были оснащены системами пожаротушения с использованием галона, поскольку для этого применения не было обнаружено безопасной и полностью удовлетворительной альтернативы. Есть также несколько других узкоспециализированных применений. Эти программы рециркулируют галоны через «банки галонов», координируемые Halon Recycling Corporation, чтобы гарантировать, что выбросы в атмосферу происходят только в случае реальной чрезвычайной ситуации, и сохранить оставшиеся запасы.

Временной заменой ХФУ являются гидрохлорфторуглероды (ГХФУ), которые разрушают стратосферный озон, но в гораздо меньшей степени, чем ХФУ. В конечном итоге гидрофторуглероды (ГФУ) заменят ГХФУ. В отличие от ХФУ и ГХФУ, ГФУ обладают озоноразрушающей способностью (ОРС) 0. DuPont начала производить гидрофторуглероды в качестве альтернативы фреону в 1980-х годах. К ним относятся хладагенты Suva и пропелленты Dymel. Натуральные хладагенты - это экологически безопасные решения, которые пользуются все большей поддержкой со стороны крупных компаний и правительств, заинтересованных в сокращении выбросов глобального потепления от холодоснабжения и кондиционирования воздуха.

Поэтапный отказ от ГФУ и ГХФУ

Гидрофторуглероды включены в Киотский протокол и регулируются Кигалийской поправкой к Монреальскому протоколу из-за их очень высокого потенциала глобального потепления и признания вклада галогенуглеродов в изменение климата.

21 сентября 2007 года приблизительно 200 стран согласились ускорить ликвидацию гидрохлорфторуглеродов полностью к 2020 году в Организации Объединенных Наций полета АМС Монреальского саммита. Развивающимся странам был дан срок до 2030 года. Многие страны, такие как США и Китай , которые ранее сопротивлялись таким усилиям , согласились с ускоренным графиком поэтапного отказа.

Разработка альтернатив ХФУ

Работа над альтернативами хлорфторуглеродам в хладагентах началась в конце 1970-х годов после публикации первых предупреждений об ущербе для стратосферного озона.

Гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) менее стабильны в нижних слоях атмосферы, что позволяет им разрушаться до достижения озонового слоя. Тем не менее, значительная часть ГХФУ действительно распадается в стратосфере, и они способствовали накоплению там большего количества хлора, чем первоначально прогнозировалось. Более поздние альтернативы, в которых отсутствует хлор, гидрофторуглероды (ГФУ) имеют еще более короткий срок службы в нижних слоях атмосферы. Одно из этих соединений, HFC-134a , использовалось вместо CFC-12 в автомобильных кондиционерах. Углеводородные хладагенты (смесь пропана и изобутана) также широко использовались в мобильных системах кондиционирования воздуха в Австралии, США и многих других странах, поскольку они обладали превосходными термодинамическими свойствами и особенно хорошо работали при высоких температурах окружающей среды. 1,1-дихлор-1-фторэтан (HCFC-141b) заменил HFC-134a из-за его низких значений ODP и GWP. Согласно Монреальскому протоколу, ГХФУ-141b должен быть полностью выведен из употребления и заменен веществами с нулевым ОРС, такими как циклопентан, ГФО и ГФУ-345а, до января 2020 года.

Среди природных хладагентов (наряду с аммиаком и диоксидом углерода) углеводороды оказывают незначительное воздействие на окружающую среду и также используются во всем мире в бытовых и коммерческих холодильных установках и становятся доступными в новых кондиционерах сплит-систем. Различные другие растворители и методы заменили использование ХФУ в лабораторной аналитике.

В дозированных ингаляторах (MDI) в качестве пропеллента был разработан не влияющий на озон заменитель, известный как « гидрофторалкан ».

Приложения и замены для CFC
заявка Ранее использованный CFC Замена
Холодильное оборудование и кондиционирование CFC-12 (CCl 2 F 2 ); CFC-11 (CCl 3 F); CFC-13 (CClF 3 ); ГХФУ-22 (CHClF 2 ); CFC-113 (Cl 2 FCCClF 2 ); CFC-114 (CClF 2 CClF 2 ); CFC-115 (CF 3 CClF 2 ); ГФУ-23 ( 3 швейцарских франка ) ; ГФУ-134а (CF 3 CFH 2 ); HFC-507 ( азеотропная смесь 1: 1 HFC 125 (CF 3 CHF2) и HFC-143a (CF 3 CH 3 )); HFC 410 (азеотропная смесь 1: 1 HFC-32 (CF 2 H 2 ) и HFC-125 (CF 3 CF 2 H))
Пропелленты в лекарственных аэрозолях CFC-114 (CClF 2 CClF 2 ) ГФУ-134а (CF 3 CFH 2 ); ГФУ-227ea (CF 3 CHFCF 3 )
Пенообразователи для пен CFC-11 (CCl 3 F); CFC 113 (Cl 2 FCCClF 2 ); ГХФУ-141b (CCl 2 FCH 3 ) ГФУ-245fa (CF 3 CH 2 CHF 2 ); ГФУ-365 mfc (CF 3 CH 2 CF 2 CH 3 )
Растворители, обезжиривающие средства, чистящие средства CFC-11 (CCl 3 F); CFC-113 (CCl 2 FCClF 2 ) Никто

Индикатор циркуляции океана

Поскольку временная история концентраций ХФУ в атмосфере относительно хорошо известна, они являются важным ограничителем циркуляции океана. ХФУ растворяются в морской воде на поверхности океана и впоследствии переносятся в глубь океана. Поскольку ХФУ инертны, их концентрация во внутренней части океана просто отражает свертку их атмосферной эволюции во времени и океанической циркуляции и перемешивания.

Возраст океанской воды на основе индикаторов CFC и SF 6

Хлорфторуглероды (ХФУ) представляют собой антропогенные соединения, которые выбрасываются в атмосферу с 1930-х годов в различных областях, таких как кондиционирование воздуха, охлаждение, вспениватели в пенах, изоляционных материалах и упаковочных материалах, пропелленты в аэрозольных баллончиках и в качестве растворителей. Попадание ХФУ в океан делает их чрезвычайно полезными в качестве временных индикаторов для оценки скорости и путей океанической циркуляции и процессов перемешивания. Однако из-за ограничений производства ХФУ в 1980-х годах атмосферные концентрации ХФУ-11 и ХФУ-12 перестали расти, а соотношение ХФУ-11 к ХФУ-12 в атмосфере неуклонно снижалось, что делает водные датировки водных масс более проблематично. Кстати, с 1970-х годов производство и выброс гексафторида серы (SF 6 ) в атмосферу быстро увеличился. Подобно ХФУ, SF 6 также является инертным газом и не подвержен химической или биологической активности океана. Таким образом, использование ХФУ вместе с SF 6 в качестве индикатора решает проблемы датировки воды из-за снижения концентрации ХФУ.

Использование CFC или SF 6 в качестве индикатора циркуляции океана позволяет рассчитать скорости океанических процессов из-за зависящей от времени функции источника. Время, прошедшее с тех пор, как подземная водная масса последний раз контактировала с атмосферой, является возрастом, полученным из индикаторов. Оценки возраста могут быть получены на основе парциального давления отдельного соединения и отношения парциального давления CFC друг к другу (или SF 6 ).

Методы датирования с частичным давлением и соотношением

Возраст участка воды можно оценить по возрасту парциального давления CFC (pCFC) или возрасту парциального давления SF 6 (pSF 6 ). Возраст пробы воды по pCFC определяется как:

где [CFC] - измеренная концентрация CFC (пмоль кг -1 ), а F - растворимость газа CFC в морской воде как функция температуры и солености. Парциальное давление CFC выражается в единицах 10–12 атмосфер или частях на триллион (ppt). Измерения растворимости CFC-11 и CFC-12 были ранее измерены Warner и Weiss. Кроме того, измерение растворимости CFC-113 было измерено Bu и Warner и SF 6 Wanninkhof et al. и Bullister et al. Упомянутые выше авторы тезисов выразили растворимость (F) при общем давлении 1 атм как:

где F = растворимость, выраженная в моль л -1 или моль кг -1 атм -1 , T = абсолютная температура, S = соленость в частях на тысячу (ppt), a 1 , a 2 , a 3 , b 1 , b 2 , и b 3 - константы, которые следует определять по методу наименьших квадратов, соответствующему измерениям растворимости. Это уравнение получено из интегрированного уравнения Ван 'т-Гоффа и логарифмической зависимости солености Сетченова.

Можно отметить, что растворимость CFC увеличивается с понижением температуры примерно на 1% на градус Цельсия.

Как только парциальное давление CFC (или SF 6 ) получено, оно затем сравнивается с атмосферными временными диаграммами для CFC-11, CFC-12 или SF 6, в которых pCFC напрямую соответствует году с таким же. Разница между соответствующей датой и датой сбора пробы морской воды - это средний возраст участка воды. Возраст участка воды также может быть рассчитан с использованием отношения двух парциальных давлений CFC или отношения парциального давления SF 6 к парциальному давлению CFC.

Безопасность

Согласно их паспортам безопасности материалов, ХФУ и ГХФУ представляют собой бесцветные, летучие, нетоксичные жидкости и газы со слабым сладковатым эфирным запахом. Передозировка при концентрациях 11% и более может вызвать головокружение, потерю концентрации, угнетение центральной нервной системы или сердечную аритмию . Пары вытесняют воздух и могут вызвать удушье в замкнутом пространстве. Несмотря на то, что они негорючие, продукты их сгорания включают фтористоводородную кислоту и родственные ей вещества. Нормальное профессиональное воздействие оценивается в 0,07% и не представляет серьезного риска для здоровья.

использованная литература

внешние ссылки