NOx, CO และฝุ่นละอองคืออะไร และทำไมจึงเป็นอันตรายต่อเรา?

NOx, CO และสารแขวนลอย เป็นกลุ่มก๊าซและสารมลพิษหลักสามประเภทที่ปล่อยออกมาทางท่อไอเสียของยานพาหนะที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายใน: ออกไซด์ของไนโตรเจนเกิดจากปฏิกิริยาระหว่างไนโตรเจนในอากาศกับออกซิเจนที่อุณหภูมิการเผาไหม้สูง คาร์บอนมอนอกไซด์เป็นผลจากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์เนื่องจากออกซิเจนไม่เพียงพอ ส่วนสารแขวนลอยประกอบด้วยเขม่าละเอียดที่พบเห็นได้โดยเฉพาะในเครื่องยนต์ดีเซล ทั้งสามชนิดล้วนเป็นอันตรายต่อระบบหายใจและระบบไหลเวียนโลหิต จึงเป็นเป้าหมายสำคัญของมาตรฐานการปล่อยไอเสีย

NOx คืออะไร และเครื่องยนต์สร้างมันขึ้นได้อย่างไร?

NOx เป็นชื่อเรียกรวมของออกไซด์ของไนโตรเจน องค์ประกอบที่พบมากที่สุดสองชนิดคือไนตริกออกไซด์ (NO ไนโตรเจนหนึ่งอะตอมกับออกซิเจนหนึ่งอะตอม) และไนโตรเจนไดออกไซด์ (NO2 ไนโตรเจนหนึ่งอะตอมกับออกซิเจนสองอะตอม) NO สามารถเปลี่ยนเป็น NO2 ได้ผ่านปฏิกิริยาเคมีในชั้นบรรยากาศ; ในรายงานคุณภาพอากาศ NO2 ถูกใช้เป็นตัวชี้วัดของกลุ่ม NOx ทั้งหมด ขอแก้ไขความสับสนที่เกิดขึ้นบ่อย ณ จุดนี้: ไนตรัสออกไซด์ (N2O) ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกที่ส่งผลต่อสภาพภูมิอากาศ เป็นสารมลพิษที่แตกต่างจาก NOx

กลไกการเกิดเป็นเรื่องของเคมีพื้นฐาน อุณหภูมิภายในกระบอกสูบของเครื่องยนต์มีเพียงพอที่จะทำให้โมเลกุลไนโตรเจน (N2) และออกซิเจน (O2) ในอากาศเกิดปฏิกิริยากันเอง นี่ไม่ใช่เป้าหมายที่ต้องการของการเผาไหม้ แต่เป็นผลพลอยได้ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของอุณหภูมิสูง ยิ่งอุณหภูมิและแรงดันสูงขึ้นเท่าไร ยิ่งเกิด NOx มากขึ้นเท่านั้น

เครื่องยนต์ดีเซลจึงโดดเด่นในเรื่องนี้ เครื่องยนต์ดีเซลทำงานด้วยอากาศส่วนเกิน กล่าวคือการเผาไหม้แบบ "lean" ที่มีออกซิเจนมาก; ออกซิเจนต่อหน่วยเชื้อเพลิงและค่าอุณหภูมิ-แรงดันของกระบอกสูบทำให้การผลิต NOx มีมากและรุนแรงกว่าเครื่องยนต์เบนซิน ด้วยเหตุนี้ การควบคุม NOx จึงมุ่งเน้นไปที่ฝั่งดีเซลมาโดยตลอด; และการปล่อย NOx จากยานพาหนะก็ได้รับการควบคุมมาตั้งแต่ทศวรรษ 1960

คาร์บอนมอนอกไซด์: ไร้กลิ่น ไร้สี มีพิษ

คาร์บอนมอนอกไซด์เกิดจากการเผาไหม้ของคาร์บอนที่ไม่สมบูรณ์ เป็นก๊าซพิษที่ไม่มีกลิ่นและไม่มีสี สรีรวิทยาเบื้องหลังอันตรายของมันชัดเจน: เมื่อ CO เข้าสู่กระแสเลือด มันจะรบกวนการลำเลียงออกซิเจน ผลลัพธ์คือความเหนื่อยล้า ปวดหัว เวียนศีรษะ และความไม่มีสมาธิ ซึ่งเกิดจากการที่สมองได้รับออกซิเจนไม่เพียงพอ อาการแรกเริ่มได้แก่ ปวดหัว ง่วงนอน และคลื่นไส้; การสัมผัสในระดับรุนแรงอาจนำไปถึงการอาเจียนและการสูญเสียสติ เนื่องจากไม่มีกลิ่น การสัมผัสในระดับรุนแรงจึงอาจถึงระดับเสียชีวิตได้โดยไม่ถูกสังเกตเห็น

ภาวะการสัมผัสในระยะยาวก็ไม่ใช่เรื่องที่ควรมองข้าม; การสัมผัส CO เรื้อรังมักเชื่อมโยงกับความบกพร่องด้านความจำ ความสนใจ และสมาธิ รวมถึงความผิดปกติของการเคลื่อนไหวแบบพาร์กินสันมากที่สุด นอกจากนี้ยังทราบกันดีว่าการสัมผัสไอเสียเป็นประจำเป็นปัจจัยที่ก่อให้เกิดปัญหาระบบทางเดินหายใจ เช่น หลอดลมอักเสบ โรคหืด และมะเร็งปอด

ข่าวดีในแง่เทคนิคคือ: CO เป็นสารมลพิษที่สามารถเปลี่ยนเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ที่ไม่มีพิษได้ในตัวเร่งปฏิกิริยา ความเสี่ยงยังคงอยู่ในก๊าซที่ไม่สามารถเข้าถึงตัวเร่งปฏิกิริยาได้ หากระบบท่อไอเสียมีรอยรั่ว CO อาจรั่วไหลออกภายนอกโดยไม่ผ่านการบำบัด ด้วยเหตุนี้ ความสมบูรณ์ของระบบท่อไอเสียจึงไม่ใช่แค่ปัญหาเรื่องเสียงรบกวน แต่เป็นเรื่องของความปลอดภัย

ทำไมฝุ่นละอองจึงอันตรายเทียบเท่า PM2.5?

ฝุ่นละอองคือส่วนผสมของอนุภาคของแข็งและของเหลวขนาดเล็กในอากาศ นั่นคือสิ่งที่เราเรียกในภาษาพูดทั่วไปว่า "เขม่า" หรือ "ควันดำ" ขนาดของอันตรายสัมพันธ์โดยตรงกับขนาดของอนุภาค อนุภาค PM2.5 ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่า 2.5 ไมครอน สามารถแทรกซึมลึกเข้าไปในระบบทางเดินหายใจและระบบไหลเวียนโลหิตได้ด้วยขนาดที่เล็ก ส่วนอนุภาคขนาดจิ๋วที่คิดเป็น80-95%ของมลพิษเขม่าจากดีเซล มีขนาดเล็กพอที่จะเข้าสู่เซลล์ปอดได้

PM ถูกพิจารณาว่าเป็นปัจจัยหลักของผลกระทบต่อสุขภาพที่ไม่พึงประสงค์ซึ่งเกี่ยวข้องกับการสัมผัสไอเสียดีเซล ผลกระทบที่หน่วยงานด้านสุขภาพระบุไว้มีดังนี้:

• การเสียชีวิตก่อนวัยอันควรในผู้ที่มีโรคหัวใจหรือโรคปอด
• หัวใจวายที่ไม่ถึงแก่ชีวิตและการเต้นของหัวใจผิดจังหวะ
• อาการหืดกำเริบ การอักเสบของระบบทางเดินหายใจ และการหายใจลำบาก
• เมื่อการสัมผัสเพิ่มขึ้นในระยะสั้น ความเสี่ยงต่อการเสียชีวิตเฉียบพลันเพิ่มสูงขึ้นในผู้ที่มีโรคหัวใจและหลอดเลือดหรือโรคทางเดินหายใจที่มีอยู่แล้ว

ผลกระทบไม่ได้จำกัดอยู่แค่ด้านสุขภาพเท่านั้น มลพิษฝุ่นละอองลดการมองเห็น ส่งผลกระทบต่อสภาพภูมิอากาศและระบบนิเวศในทางลบ และทำให้เกิดความเสื่อมโทรมของวัสดุ กล่าวคือ เขม่าที่ปล่อยออกจากท่อไอเสียเป็นทั้งปัญหาทางเดินหายใจและปัญหาด้านวิศวกรรมสิ่งแวดล้อม

ไฮโดรคาร์บอนที่ยังไม่เผาไหม้ (HC): มาจากไหน?

ในตารางไอเสียยังมีสารมลพิษอีกชนิดหนึ่งที่ไม่ค่อยปรากฏชื่อบ่อยเท่า NOx แต่อยู่ในตารางเดียวกัน: ไฮโดรคาร์บอนที่ยังไม่เผาไหม้ แหล่งที่มาของมันฟังดูคุ้นเคย ก๊าซ blow-by ที่รั่วออกจากฝาครอบเพลาข้อเหวี่ยงและไหลย้อนกลับเข้าห้องเผาไหม้ ส่วนผสมของเชื้อเพลิง-อากาศที่ติดอยู่ในช่องว่างร่องลูกสูบ เชื้อเพลิงเหลวในท่อรับไอดี และฟิล์มน้ำมันบนผนังกระบอกสูบ ล้วนเป็นแหล่งหลักของมัน ในการทำงานที่ภาระสูง ช่องว่างร่องลูกสูบเป็นแหล่งหลักของการปล่อย HC

ยังมีแหล่งที่มาอีกแหล่งหนึ่งที่อยู่นอกห้องเผาไหม้: การระเหยของเชื้อเพลิง นอกจากการปล่อยมลพิษออกทางท่อไอเสียแล้ว ยังต้องรวมความสูญเสียจากการระเหยของเชื้อเพลิงจากถังและท่อส่งด้วย ตัวอย่างเช่น ส่วนผสมเอทานอลในสัดส่วนต่ำสามารถทำให้น้ำมันเบนซินระเหยง่ายขึ้น ซึ่งเพิ่มการปล่อยมลพิษจากการระเหย การเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ ออกซิเจนไม่เพียงพอ หรือเงื่อนไขการเผาไหม้ที่ไม่ดี คือปัจจัยด้านการเผาไหม้ที่เพิ่ม HC โดยตรง

มาตรฐานการปล่อยมลพิษใดกำหนดเป้าหมายก๊าซใด เพราะเหตุใด?

มาตรฐานการปล่อยมลพิษ Euro คือชุดของกฎเกณฑ์ที่กำหนดปริมาณสารมลพิษสูงสุดที่ยานพาหนะหนึ่งสามารถปล่อยได้ตามกฎหมาย ถูกนำมาใช้ในปี 1992 พร้อมกับการบังคับใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ตรรกะนั้นง่าย: เนื่องจากกลไกการทำลายของมลพิษแต่ละชนิดแตกต่างกัน จึงมีการกำหนดขีดจำกัดแยกกันสำหรับแต่ละชนิด เนื่องจาก CO โจมตีการลำเลียงออกซิเจน, NO2 โจมตีทางเดินหายใจ และ PM โจมตีหัวใจและปอด มาตรฐานจึงวัดทั้งสามชนิดแยกจากกัน

ประวัติศาสตร์ของมาตรฐานก็สะท้อนตรรกะของการแยกแยะนี้เช่นกัน: ตั้งแต่ขั้นตอน Euro 2 เป็นต้นมา ยุโรปกำหนดขีดจำกัดที่แตกต่างกันสำหรับรถยนต์ดีเซลและรถเบนซิน รถดีเซลอยู่ภายใต้ขีดจำกัด CO ที่เข้มงวดกว่า แต่ได้รับอนุญาตให้มี NOx สูงกว่า ส่วนรถเบนซินได้รับการยกเว้นจากมาตรฐานอนุภาคจนถึง Euro 4 Euro 6 มีผลบังคับใช้ในเดือนกันยายน 2014 โดยเข้มงวดขีดจำกัด NOx และ PM ของรถดีเซลอย่างมีนัยสำคัญ และกำหนดข้อบังคับที่จำกัดจำนวนอนุภาคขนาดเล็ก ไม่ใช่เพียงมวล ในทั้งเครื่องยนต์ดีเซลและเครื่องยนต์เบนซินหัวฉีดตรง (GDI) ในฝั่งดีเซล ข้อบังคับนี้จำเป็นต้องให้มีการนำไฟล์เตอร์อนุภาคดีเซล (DPF) มาใช้อย่างแพร่หลาย

ส่วนความแตกต่างระหว่างห้องแล็บกับถนนจริงกลายเป็นศูนย์กลางของการถกเถียงหลัง Dieselgate ตั้งแต่เดือนกันยายน 2017 เป็นต้นมา ยานพาหนะต้องผ่านการทดสอบ RDE ซึ่งวัดผลในสภาวะการขับขี่จริง ผลลัพธ์วัดได้จริง: ในช่วงที่อยู่ภายใต้กฎของ Euro การปล่อย NOx ลดลง 84% จากปี 2001 ถึงปี 2017 ขีดจำกัดที่เข้มงวดยังบังคับให้ระบบ SCR แพร่หลายในรถดีเซลอีกด้วย

ก๊าซเหล่านี้ถูกทำให้สะอาดอย่างไรก่อนไหลออกจากท่อไอเสีย?

ห่วงโซ่การบำบัดหลังท่อไอเสียสมัยใหม่ออกแบบโซลูชันแยกกันสำหรับมลพิษแต่ละชนิด SCR (Selective Catalytic Reduction) ฉีดสารน้ำไอเสียดีเซลจากยูเรีย - หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า AdBlue - เข้าไปในกระแสไอเสีย ในตัวเร่งปฏิกิริยา NOx จะถูกปรับให้เป็นไนโตรเจนและน้ำที่ไม่เป็นอันตราย การลด NOx สามารถเข้าใกล้ 90% ในกระบวนการเดียวกัน HC และ CO ลดลง 50-90% และ PM ลดลง 30-50% ส่วน DPF ดักจับเขม่าฝุ่นไว้ทางกายภาพ การผสมผสาน DPF + SCR + DEF ทั้งดักจับเขม่าและลด NOx ส่วน SDPF ที่รวมฟังก์ชัน SCR เข้ากับไฟล์เตอร์ทำหน้าที่เดียวกันนี้ในหน่วยเดียว มีมาตรการป้องกันภายในกระบอกสูบด้วยเช่นกัน: EGR (การหมุนเวียนไอเสียกลับ) ส่งไอเสียบางส่วนกลับเข้าสู่กระบอกสูบ ลดปริมาณออกซิเจนและอุณหภูมิการเผาไหม้ เนื่องจากอุณหภูมิลดลง NOx ที่เกิดขึ้นจึงลดน้อยลง

ด้วยเหตุนี้ โปรไฟล์การปล่อยมลพิษของรถยนต์รุ่นใหม่จึงเปลี่ยนไปอย่างชัดเจน แม้รุ่นใหม่จะปล่อย CO2 มากขึ้นเล็กน้อย แต่ก็ลดการปล่อย CO และ NOx ลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับรุ่นก่อนหน้า ในมุมมองวิศวกรรม นี่คือการแลกเปลี่ยนที่ยอมรับได้: ผลกระทบต่อสภาพภูมิอากาศกับผลกระทบจากมลพิษเป็นคนละมาตราส่วนกัน และก่อนปี 2015 คำจำกัดความของ "ยานพาหนะปล่อยมลพิษต่ำ" มุ่งเน้นเพียง CO2 ต่ำเท่านั้น หลัง Dieselgate มลพิษอย่าง NOx จึงเข้ามามีบทบาทเด่น

เบื้องหลังข้อถกเถียงเรื่อง NOx ในยุโรปคืออะไร?

ในปี 2015 มีการเปิดเผยว่า Volkswagen ได้บิดเบือนระบบควบคุมการปล่อยไอเสียของรถยนต์ดีเซลเพื่อให้ผ่านการทดสอบในห้องปฏิบัติการ โดยรถเหล่านี้ปล่อยออกไซด์ของไนโตรเจนมากกว่าที่แจ้งไว้บนถนนจริงถึง 40 เท่า เหตุการณ์ครั้งเดียวนี้ไม่ได้จบลงแค่ปัญหาของผู้ผลิตรายเดียว: ในปีต่อ ๆ มามีหลักฐานปรากฏว่าผู้ผลิตรถดีเซลเกือบทุกรายในยุโรปใช้กลยุทธ์ที่ถูกกฎหมายหรืออาจผิดกฎหมายเพื่อให้ต่ำกว่าขีดจำกัดการทดสอบ ข้อเท็จจริงที่ว่าการทดสอบในห้องปฏิบัติการไม่สะท้อนการขับขี่จริง ยังอธิบายถึงความยืดเยื้องของข้อถกเถียงในฐานะปัญหาความน่าเชื่อถือของมาตรฐานด้วย

ตัวเลขด้านสุขภาพสะท้อนความรุนแรงของข้อถกเถียงนี้ มีการคำนวณว่าการปล่อยไอเสียเกินมาตรฐานจากรถยนต์ Volkswagen ที่จำหน่ายในเยอรมนีอาจก่อให้เกิดการเสียชีวิตก่อนวัยอันควรประมาณ 1,200 ราย การปล่อย NOx จากรถดีเซลที่เกินมาตรฐานในปี 2015 ถูกเชื่อมโยงกับการเสียชีวิตก่อนวัยอันควรทั่วโลกราว 38,000 ราย โดยภาระส่วนใหญ่อยู่ในยุโรป ในยุโรปมีผู้เสียชีวิตก่อนวัยอันควรราว 10,000 คนต่อปีจากการปล่อยไอเสียของรถดีเซลที่เกินขีดจำกัดตามกฎหมาย และมีการประเมินว่าการสัมผัส NO2 ในเมืองมีส่วนทำให้เกิดการเสียชีวิตก่อนวัยอันควรประมาณ 75,000 รายบนทวีปยุโรปในปี 2012 ต้นทุนด้านสุขภาพจากมลพิษทางอากาศจากยานพาหนะทางถนนในสหภาพยุโรปถูกประเมินอยู่ที่ 67-80 พันล้านยูโรต่อปี

งานวิจัยเกี่ยวกับการสัมผัส NO2 ในระยะยาว รายงานความเชื่อมโยงระหว่างการเสียชีวิตจากทุกสาเหตุ การเสียชีวิตจากระบบหายใจและหัวใจและหลอดเลือด กับอาการทางระบบหายใจและสมรรถภาพปอดในเด็ก

ตารางนี้ไม่ได้ก้าวไปทางเดียวเสมอไป ระหว่างปี 2005-2023 การเสียชีวิตที่มีสาเหตุจาก PM2.5 ในสหภาพยุโรป ลดลง 57% และเป้าหมายการลดลง 55% ในปี 2023 ก็บรรลุผลสำเร็จ นั่นคือเมื่อการกำกับดูแล เทคโนโลยี และการตรวจสอบทำงานร่วมกัน การพัฒนาที่วัดผลได้ก็เป็นไปได้ ความเห็นเกี่ยวกับแนวทางแก้ไขก็แตกต่างกันด้วย: แนวทางหนึ่งเน้นไปที่เทคโนโลยีควบคุมการปล่อยไอเสียและการบังคับใช้มาตรฐาน ขณะที่อีกกระแสหนึ่งเสนอว่าการลด NOx ที่เร็วที่สุดต้องผ่านการเปลี่ยนผู้ใช้รถที่กินน้ำมันมากที่สุดไปสู่รถยนต์ไฟฟ้า

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับ NOx, CO และฝุ่นละออง

ทำไม PM2.5 จึงอันตรายกว่า PM10?

คำตอบซ่อนอยู่ที่ขนาด อนุภาค PM2.5 มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่า 2.5 ไมครอน จึงสามารถแทรกซึมลึกเข้าไปในระบบหายใจและระบบไหลเวียนโลหิตได้ ขณะที่อนุภาคที่ใหญ่กว่าอย่าง PM10 ไม่สามารถไปถึงความลึกระดับนั้นได้ ยิ่งความลึกของการแทรกซึมมากขึ้น ผลกระทบระดับเซลล์และความเสี่ยงในการเข้าสู่ระบบหัวใจและหลอดเลือดก็ยิ่งสูงขึ้น

ดีเซลหรือเบนซินปล่อย NOx มากกว่ากัน?

ดีเซล เครื่องยนต์ดีเซลทำงานที่อุณหภูมิและแรงดันสูงกว่า ด้วยการเผาไหม้ที่มีออกซิเจนมาก จึงปล่อย NOx ในปริมาณที่มากกว่า นี่ยังเป็นคำตอบด้วยว่าทำไมการควบคุม NOx ของดีเซลจึงต้องใช้ระบบเสริมอย่าง SCR และ EGR

อาการของการเป็นพิษจาก CO มีอะไรบ้าง?

อาการเริ่มแรกคือปวดหัว เวียนศีรษะ ง่วงนอน และคลื่นไส้ ในระยะที่แย่ลงจะเกิดอาเจียนและสูญเสียสติ เนื่องจาก CO ไม่มีกลิ่นและไม่มีสี การสัมผัสจึงไม่ถูกสังเกตเห็นจนกว่าอาการจะปรากฏขึ้น

อากาศภายในรถอาจสกปรกกว่าจริงหรือ?

ใช่ ในการจราจรหนาแน่น อากาศที่หายใจเข้าไปภายในรถอาจแย่กว่าที่คนเดินบนถนนเส้นเดียวกันหายใจเข้าไป เพราะก๊าซไอเสียสามารถเข้าสู่ภายในห้องโดยสารได้โดยตรง นี่คือตัวอย่างที่จับต้องได้ว่าทำไมการปิดหน้าต่างและการตั้งค่าการหมุนเวียนอากาศจึงมีความสำคัญ

โดยสรุป: สารมลพิษแต่ละชนิดที่ปล่อยออกจากท่อไอเสียต่างมีกลไกการก่อตัว เส้นทางการทำลาย และวิธีแก้ไขที่ออกแบบมาเพื่อต่อต้านมันเป็นของตัวเอง NOx เป็นลายเซ็นของอุณหภูมิสูง CO เป็นลายเซ็นของการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ PM เป็นลายเซ็นของเขม่า และ HC เป็นลายเซ็นของเชื้อเพลิงที่ไม่ถูกเผาไหม้ เนื่องจากมาตรฐานวัดทั้งสี่อย่างนี้แยกจากกัน จึงทำให้เข้าใจได้ง่ายขึ้นว่าเทคโนโลยีแต่ละอย่างมีอยู่เพื่ออะไร

แหล่งอ้างอิง

• Vehicle NOx emissions: The basics
• Nitrogen Oxides (NOx)
• Basic Information about NO2 | US EPA
• What is nitrogen oxide and how do cars create it?
• Nitrogen Oxides | ToxFAQs™ | ATSDR
• Health and Environmental Effects of Particulate Matter (PM)
• Carbon Monoxide & Health | California Air Resources Board
• Border Agents Exposure to Carbon Monoxide (CO)
• Inhalable Particulate Matter and Health (PM2.5 and PM10)
• A systematic review of the health effects associated with diesel exhaust
• European emission standards
• Facts About SCR
• Impact of excess NOx emissions from diesel cars on air quality
• VW's excess emissions and premature deaths
• New study quantifies impact of NOx emissions from diesel vehicles
• Air pollution | European Environment Agency
• Unburned hydrocarbon emission mechanisms in small engines
• In-car air pollution