Хлорфторуглероды ( ХФУ ) и гидрохлорфторуглероды ( ГХФУ ) представляют собой полностью или частично галогенированные углеводороды , содержащие углерод (C), водород (H), хлор (Cl) и фтор (F), образующиеся как летучие производные метана , этана и пропана .
Наиболее распространенным примером является дихлордифторметан (R-12). R-12 также обычно называют фреоном, и он использовался в качестве хладагента. Многие ХФУ широко использовались в качестве хладагентов , пропеллентов (в аэрозольных приложениях), газовых систем пожаротушения и растворителей . В результате того, что ХФУ способствуют истощению 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) и гидрофторолефины (ГФО) [1], включая R-410A , R-134a и R-1234yf . [2] [3] [4]
Как и в более простых алканах , углерод в CFC связывается с тетраэдрической симметрией. 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. [5]
Физические свойства CFC и HCFC можно настраивать путем изменения количества и идентичности атомов галогена . В целом, они летучи, но менее летучи, чем их исходные алканы. Пониженная летучесть объясняется молекулярной полярностью, вызванной галогенидами , которая вызывает межмолекулярные взаимодействия. Так, метан кипит при температуре -161 °C, тогда как фторметаны кипят при температуре от -51,7 (CF 2 H 2 ) до -128 °C (CF 4 ). CFC имеют еще более высокие температуры кипения, поскольку хлорид еще более поляризуем, чем фторид. Из-за своей полярности CFC являются полезными растворителями, а их температуры кипения делают их пригодными в качестве хладагентов. ХФУ гораздо менее огнеопасны, чем метан, отчасти потому, что содержат меньше связей CH, а отчасти потому, что в случае хлоридов и бромидов высвобождающиеся галогениды подавляют свободные радикалы, поддерживающие пламя.
Плотности CFC выше, чем у соответствующих им алканов. В целом, плотность этих соединений коррелирует с числом хлоридов.
ХФУ и ГХФУ обычно производятся путем галогенного обмена, начиная с хлорированных метанов и этанов. Иллюстративным является синтез хлордифторметана из хлороформа :
Бромированные производные образуются в результате свободнорадикальных реакций гидрохлорфторуглеродов, заменяющих связи CH на связи C-Br. Показательно получение анестетика 2-бром-2-хлор-1,1,1-трифторэтана («галотана»):
ХФУ и ГХФУ используются в различных приложениях из-за их низкой токсичности, реакционной способности и воспламеняемости. [6] Каждая перестановка фтора, хлора и водорода на основе метана и этана была исследована, и большинство из них были коммерциализированы. Кроме того, известно много примеров с более высоким содержанием углерода, а также родственных соединений, содержащих бром. Используются в качестве хладагентов , вспенивающих агентов , аэрозольных пропеллентов в медицинских целях и обезжиривающих растворителей.
Ежегодно производятся миллиарды килограммов хлордифторметана в качестве предшественника тетрафторэтилена , мономера, который преобразуется в тефлон . [7]
Для фторированных алканов должна использоваться специальная система нумерации с префиксами Freon-, R-, CFC- и HCFC-, где самое правое значение указывает число атомов фтора, следующее значение слева — число атомов водорода плюс 1, а следующее значение слева — число атомов углерода минус один (нули не указываются), а оставшиеся атомы — это хлор .
Фреон-12, например, указывает на производное метана (только две цифры), содержащее два атома фтора (вторая 2) и не содержащее водорода (1-1=0). Следовательно, это CCl 2 F 2 . [8]
Другое уравнение, которое можно применить для получения правильной молекулярной формулы соединений класса CFC/R/Freon, заключается в том, чтобы взять нумерацию и добавить к ней 90. Полученное значение даст число атомов углерода в качестве первой цифры, вторая цифра даст число атомов водорода, а третья цифра даст число атомов фтора. Остальные неучтенные углеродные связи заняты атомами хлора. Значение этого уравнения всегда является трехзначным числом. Простым примером является уравнение CFC-12, которое дает: 90+12=102 -> 1 углерод, 0 водородов, 2 атома фтора и, следовательно, 2 атома хлора, что приводит к CCl2F2 . Главное преимущество этого метода выведения молекулярного состава по сравнению с методом, описанным в параграфе выше, заключается в том, что он дает число атомов углерода в молекуле. [9]
Фреоны, содержащие бром, обозначаются четырьмя цифрами. Изомеры , общие для производных этана и пропана, обозначаются буквами, следующими за цифрами:
Реакция ХФУ, которая приводит к истощению озона, представляет собой фотоиндуцированный разрыв связи C-Cl: [10]
Атом хлора, часто записываемый как Cl . , ведет себя совсем иначе, чем молекула хлора (Cl 2 ). Радикал Cl . долгоживущ в верхних слоях атмосферы, где он катализирует превращение озона в O 2 . Озон поглощает УФ-B-излучение, поэтому его истощение позволяет большему количеству этого высокоэнергетического излучения достигать поверхности Земли. Атомы брома являются еще более эффективными катализаторами; поэтому бромированные ХФУ также регулируются. [11]
ХФУ были выведены из обращения в соответствии с Монреальским протоколом из-за их роли в разрушении озонового слоя .
Воздействие ХФУ на атмосферу не ограничивается их ролью в качестве химикатов, разрушающих озоновый слой. Инфракрасные полосы поглощения не позволяют теплу на этой длине волны покидать атмосферу Земли. ХФУ имеют самые сильные полосы поглощения от связей CF и C-Cl в спектральной области 7,8–15,3 мкм [14] — называемой «атмосферным окном» из-за относительной прозрачности атмосферы в этой области. [15]
Сила полос поглощения CFC и уникальная восприимчивость атмосферы на длинах волн, где CFC (на самом деле все ковалентные фторсодержащие соединения) поглощают излучение [ 16], создает «супер» парниковый эффект от CFC и других нереакционноспособных фторсодержащих газов, таких как перфторуглероды , HFC , HCFC , бромфторуглероды , SF6 и NF3 . [17] Это поглощение «атмосферного окна» усиливается низкой концентрацией каждого отдельного CFC. Поскольку CO2 близок к насыщению с высокими концентрациями и несколькими инфракрасными полосами поглощения, баланс излучения и , следовательно, парниковый эффект имеют низкую чувствительность к изменениям концентрации CO2 ; [ 18] увеличение температуры примерно логарифмическое. [19] Наоборот, низкая концентрация ХФУ позволяет их воздействию линейно увеличиваться с массой, [17] 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. [20]
По данным НАСА от 2018 года, дыра в озоновом слое начала восстанавливаться в результате запрета ХФУ. [21] Однако исследование, опубликованное в 2019 году, сообщает о тревожном росте ХФУ, что указывает на нерегулируемое использование в Китае. [22]
До и в течение 1920-х годов холодильники использовали токсичные газы в качестве хладагентов, включая аммиак, диоксид серы и хлорметан. Позже, в 1920-х годах, после серии смертельных случаев, связанных с утечкой хлорметана из холодильников, началось крупное сотрудничество между американскими корпорациями Frigidaire, General Motors и DuPont по разработке более безопасной, нетоксичной альтернативы. Томасу Миджли-младшему из General Motors приписывают синтез первых хлорфторуглеродов. Корпорация Frigidaire получила первый патент под номером 1 886 339 на формулу ХФУ 31 декабря 1928 года. На демонстрации для Американского химического общества Миджли ярко продемонстрировал все эти свойства, вдохнув газ и используя его, чтобы задуть свечу [23] в 1930 году. [24] [25]
К 1930 году General Motors и Du Pont основали Kinetic Chemical Company для производства фреона, а к 1935 году более 8 миллионов холодильников, использующих R-12, были проданы Frigidaire и ее конкурентами. В 1932 году Carrier начал использовать R-11 в первом в мире автономном домашнем кондиционере, известном как «атмосферный шкаф». В результате того, что ХФУ в значительной степени нетоксичны, они быстро стали предпочтительным хладагентом в крупных системах кондиционирования воздуха. Кодексы общественного здравоохранения в городах были пересмотрены, чтобы обозначить хлорфторуглероды как единственные газы, которые можно было использовать в качестве хладагентов в общественных зданиях. [26]
Рост ХФУ продолжался в течение следующих десятилетий, что привело к пиковым годовым продажам в размере более 1 миллиарда долларов США с ежегодным производством более 1 миллиона метрических тонн. Только в 1974 году два химика из Калифорнийского университета, профессор Ф. Шервуд Роуленд и доктор Марио Молина, впервые обнаружили, что использование хлорфторуглеродов вызывает значительное истощение концентрации озона в атмосфере. Это инициировало экологические усилия, которые в конечном итоге привели к принятию Монреальского протокола. [27] [28]
Во время Второй мировой войны различные хлоралканы были стандартным использованием в военных самолетах, хотя эти ранние галоны страдали от чрезмерной токсичности. Тем не менее, после войны они постепенно стали более распространенными и в гражданской авиации. В 1960-х годах фторалканы и бромфторалканы стали доступны и были быстро признаны высокоэффективными противопожарными материалами. Многие ранние исследования с галоном 1301 проводились под эгидой вооруженных сил США, в то время как галон 1211 изначально в основном разрабатывался в Великобритании. К концу 1960-х годов они стали стандартными во многих приложениях, где вода и порошковые огнетушители представляли угрозу повреждения защищаемой собственности, 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 сильных пожаров в замкнутых пространствах с минимальным риском для персонала.
К началу 1980-х годов бромфторалканы широко использовались на самолетах, кораблях и крупных транспортных средствах, а также в компьютерных установках и галереях. Однако начали высказываться опасения относительно воздействия хлоралканов и бромалканов на озоновый слой . Венская конвенция об охране озонового слоя не распространяла те же ограничения на бромфторалканы, вместо этого потребление бромфторалканов было заморожено на уровне 1986 года. Это связано с тем, что аварийный сброс систем пожаротушения считался слишком малым по объему, чтобы оказать существенное воздействие, и слишком важным для безопасности человека, чтобы вводить ограничения. [29]
С конца 1970-х годов использование ХФУ строго регулировалось из-за их разрушительного воздействия на озоновый слой . После разработки своего детектора электронного захвата Джеймс Лавлок первым обнаружил широко распространенное присутствие ХФУ в воздухе, обнаружив молярную долю 60 ppt ХФУ-11 над Ирландией . В самофинансируемой исследовательской экспедиции, закончившейся в 1973 году, Лавлок продолжил измерять ХФУ-11 как в Арктике, так и в Антарктике, обнаружив наличие газа в каждой из 50 собранных проб воздуха и сделав вывод, что ХФУ не опасны для окружающей среды. Однако эксперимент предоставил первые полезные данные о присутствии ХФУ в атмосфере. Вред, наносимый ХФУ, был обнаружен Шерри Роуленд и Марио Молиной , которые, прослушав лекцию по теме работы Лавлока, приступили к исследованию, в результате которого в 1974 году появилась первая публикация, предполагающая эту связь. Оказывается, что одна из самых привлекательных особенностей ХФУ — их низкая реакционная способность — является ключом к их наиболее разрушительным эффектам. Отсутствие реакционной способности у ХФУ дает им продолжительность жизни, которая может превышать 100 лет, что дает им время для диффузии в верхние слои стратосферы . [30] Попав в стратосферу, ультрафиолетовое излучение солнца становится достаточно сильным, чтобы вызвать гомолитический разрыв связи C-Cl. В 1976 году в соответствии с Законом о контроле за токсичными веществами Агентство по охране окружающей среды запретило коммерческое производство и использование ХФУ и аэрозольных пропеллентов. Позднее это было заменено поправками 1990 года к Закону о чистом воздухе для решения проблемы истощения стратосферного озона. [31]
К 1987 году в ответ на резкое сезонное истощение озонового слоя над Антарктидой дипломаты в Монреале разработали 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 столетия. В 1990 году дипломаты встретились в Лондоне и проголосовали за значительное усиление Монреальского протокола, призвав к полной ликвидации ХФУ к 2000 году. К 2010 году ХФУ должны были быть полностью ликвидированы и в развивающихся странах.
Поскольку единственными доступными для стран, присоединившихся к договору, являются ХФУ, получаемые в результате переработки, их цены значительно выросли. Прекращение производства во всем мире должно также положить конец контрабанде этого материала. Однако существуют текущие проблемы контрабанды ХФУ, признанные Программой ООН по окружающей среде (ЮНЕП) в докладе 2006 года под названием «Незаконная торговля веществами, разрушающими озоновый слой». ЮНЕП оценивает, что в середине 1990-х годов через черный рынок прошло от 16 000 до 38 000 тонн ХФУ. В докладе оценивается, что ежегодно в развивающиеся страны контрабандой ввозится от 7 000 до 14 000 тонн ХФУ. Наибольший объем контрабанды приходится на страны Азии; По состоянию на 2007 год было установлено, что на долю Китая, Индии и Южной Кореи приходилось около 70% мирового производства ХФУ [32] , Южная Корея позже запретила производство ХФУ в 2010 году [33]. Также были рассмотрены возможные причины продолжающейся контрабанды ХФУ: в отчете отмечалось, что многие холодильные системы, которые были разработаны для работы с использованием запрещенных продуктов ХФУ, имеют длительный срок службы и продолжают работать. Стоимость замены оборудования этих предметов иногда дешевле, чем оснащение их более безопасным для озонового слоя оборудованием. Кроме того, контрабанда ХФУ не считается значительной проблемой, поэтому предполагаемые штрафы за контрабанду невысоки. В 2018 году внимание общественности было привлечено к вопросу о том, что в неизвестном месте в Восточной Азии с 2012 года в нарушение протокола производится, по оценкам, 13 000 метрических тонн ХФУ в год. [34] [35] Хотя окончательный отказ от ХФУ вероятен, предпринимаются усилия по устранению текущих проблем несоблюдения требований.
К моменту принятия Монреальского протокола стало ясно, что преднамеренные и случайные выбросы во время испытаний и обслуживания систем составляют значительно большие объемы, чем аварийные выбросы, и, следовательно, галоны были включены в договор, хотя и со многими исключениями. [36] [37] [38]
В то время как производство и потребление ХФУ регулируются Монреальским протоколом, выбросы из существующих банков ХФУ не регулируются соглашением. В 2002 году в существующих продуктах, таких как холодильники, кондиционеры, аэрозольные баллончики и другие, было примерно 5791 килотонн ХФУ. [39] Примерно треть этих ХФУ, по прогнозам, будет выброшена в течение следующего десятилетия [ когда? ], если не будут приняты меры, что создаст угрозу как озоновому слою, так и климату. [40] Часть этих ХФУ можно безопасно уловить и уничтожить с помощью высокотемпературного контролируемого сжигания, которое разрушает молекулу ХФУ. [41]
В 1978 году Соединенные Штаты запретили использование ХФУ, таких как фреон, в аэрозольных баллончиках, что стало началом длинной серии нормативных мер против их использования. Критический патент DuPont на производство фреона («Процесс фторирования галогенуглеводородов», патент США № 3258500) должен был истечь в 1979 году. Совместно с другими промышленными коллегами DuPont сформировала лоббистскую группу «Альянс за ответственную политику в отношении ХФУ», чтобы бороться с регулированием озоноразрушающих соединений. [42] В 1986 году DuPont, имея на руках новые патенты, изменила свою предыдущую позицию и публично осудила ХФУ. [43] Представители DuPont предстали перед Монреальским протоколом, призывая запретить ХФУ во всем мире, и заявили, что их новые ГХФУ удовлетворят мировой спрос на хладагенты. [43]
Использование некоторых хлоралканов в качестве растворителей для крупномасштабного применения, например, в химчистке, было прекращено, например, директивой IPPC о парниковых газах в 1994 году и директивой ЕС о летучих органических соединениях (ЛОС) в 1997 году. Разрешенное использование хлорфторалканов допускается только в медицинских целях.
Бромфторалканы в значительной степени выведены из обращения, а в некоторых странах, таких как Нидерланды и Бельгия, с 1 января 2004 года запрещено владение оборудованием для их использования на основании Монреальского протокола и руководящих принципов Европейского союза.
Производство новых запасов прекратилось в большинстве (вероятно, во всех) странах в 1994 году. [44] [45] [46] Однако многие страны по-прежнему требуют, чтобы самолеты были оснащены системами пожаротушения на основе галона, поскольку для этого применения не было найдено безопасной и полностью удовлетворительной альтернативы. Есть также несколько других, узкоспециализированных применений. Эти программы перерабатывают галон через «банки галона», координируемые Корпорацией по переработке галона [47], чтобы гарантировать, что выброс в атмосферу происходит только в случае настоящей чрезвычайной ситуации, и сохранить оставшиеся запасы.
Временной заменой ХФУ являются гидрохлорфторуглероды (ГХФУ), которые разрушают стратосферный озон, но в гораздо меньшей степени, чем ХФУ. [48] В конечном итоге гидрофторуглероды (ГФУ) заменят ГХФУ. В отличие от ХФУ и ГХФУ, ГФУ имеют потенциал разрушения озонового слоя (ODP) 0. [49] Компания DuPont начала производить гидрофторуглероды в качестве альтернативы фреону в 1980-х годах. К ним относятся хладагенты Suva и пропелленты Dymel. [50] Натуральные хладагенты — это экологически чистые решения, которые пользуются все большей поддержкой со стороны крупных компаний и правительств, заинтересованных в сокращении выбросов, вызывающих глобальное потепление, от холодильного оборудования и систем кондиционирования воздуха .
Гидрофторуглероды включены в Киотский протокол и регулируются в соответствии с Кигалийской поправкой к Монреальскому протоколу [51] из-за их очень высокого потенциала глобального потепления (ПГП) и признания вклада галоидуглеродов в изменение климата. [52]
21 сентября 2007 года около 200 стран согласились ускорить полную ликвидацию гидрохлорфторуглеродов к 2020 году на спонсируемом ООН саммите в Монреале . 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. [53] Индия успешно достигла полного отказа от ГХФУ-141b в 2020 году. [54]
Сообщалось, что уровни ГХФУ в атмосфере начали снижаться в 2021 году из-за их поэтапного отказа в соответствии с Монреальским протоколом. [55]
Хотя новое производство этих хладагентов было запрещено, большие объемы все еще существуют в старых системах и, как утверждается, представляют непосредственную угрозу для нашей окружающей среды. [56] Предотвращение выбросов этих вредных хладагентов было оценено как одно из наиболее эффективных действий, которые мы можем предпринять для смягчения катастрофического изменения климата. [57]
Работа над альтернативами хлорфторуглеродам в хладагентах началась в конце 1970-х годов после публикации первых предупреждений о нанесении ущерба стратосферному озону.
Гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) менее стабильны в нижних слоях атмосферы, что позволяет им распадаться до достижения озонового слоя. Тем не менее, значительная часть ГХФУ распадается в стратосфере, и они способствовали большему накоплению хлора там, чем первоначально предсказывалось. Более поздние альтернативы, не содержащие хлора, гидрофторуглероды (ГФУ) имеют еще более короткий срок службы в нижних слоях атмосферы. [48] Одно из этих соединений, ГФУ-134a , использовалось вместо ХФУ-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 (ГХФУ-141b) заменил ГФУ-134a из-за его низких значений ОРП и ПГП. А согласно Монреальскому протоколу, ГХФУ-141b должен быть полностью выведен из обращения и заменен веществами с нулевым ОРП, такими как циклопентан , ГФО и ГФУ-345a, до января 2020 года. [58]
Среди природных хладагентов (наряду с аммиаком и углекислым газом) углеводороды оказывают незначительное воздействие на окружающую среду и также используются во всем мире в бытовых и коммерческих холодильных установках, а также становятся доступными в новых сплит-системах кондиционирования воздуха. [59] Различные другие растворители и методы заменили использование ХФУ в лабораторной аналитике. [60]
В дозированных ингаляторах (ДАИ) в качестве пропеллента был разработан заменитель, не оказывающий влияния на озоновый слой, известный как « гидрофторалкан ». [61]
Разработка гидрофторолефинов (ГФО) в качестве замены гидрохлорфторуглеродов и гидрофторуглеродов началась после принятия поправки Кигали к Монреальскому протоколу в 2016 году, которая призвала к поэтапному отказу от хладагентов с высоким потенциалом глобального потепления (ПГП) и замене их другими хладагентами с более низким ПГП, близким к ПГП диоксида углерода. [62] ГФО имеют потенциал разрушения озонового слоя 0,0 по сравнению с 1,0 основного ХФУ-11, и низкий ПГП, что делает их экологически более безопасными альтернативами ХФУ, ГХФУ и ГФУ. [63] [64]
Гидрофторолефины служат функциональной заменой для приложений, где когда-то использовались гидрофторуглероды с высоким ПГП. В апреле 2022 года EPA подписало предварительно опубликованное окончательное правило Листинга HFO-1234yf в рамках Программы политики значительных новых альтернатив (SNAP) для кондиционирования воздуха в транспортных средствах внедорожного назначения и сервисного оборудования для небольших баллонов с хладагентом. Это постановление позволяет HFO-1234yf занять место в приложениях, где когда-то использовались озоноразрушающие ХФУ, такие как R-12, и ГФУ с высоким ПГП, такие как R-134a. [65] Поэтапный отказ и замена ХФУ и ГФУ в автомобильной промышленности в конечном итоге сократят выбросы этих газов в атмосферу и, в свою очередь, внесут положительный вклад в смягчение последствий изменения климата. [66] [67]
Поскольку временная история концентраций ХФУ в атмосфере относительно хорошо известна, они стали важным ограничением циркуляции океана. ХФУ растворяются в морской воде на поверхности океана и впоследствии переносятся вглубь океана. Поскольку ХФУ инертны, их концентрация в глубине океана отражает просто свертку их атмосферной временной эволюции и циркуляции и смешивания океана.
Хлорфторуглероды (ХФУ) — это антропогенные соединения, которые выбрасываются в атмосферу с 1930-х годов в различных целях, таких как кондиционирование воздуха, охлаждение, вспениватели в пенах, изоляционные и упаковочные материалы, пропелленты в аэрозольных баллончиках и в качестве растворителей. [68] Попадание ХФУ в океан делает их чрезвычайно полезными в качестве временных трассеров для оценки скоростей и путей циркуляции океана и процессов смешивания. [69] 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 сделало датирование водных масс более проблематичным. [69] Кстати, производство и выбросы гексафторида серы (SF6 ) в атмосферу быстро возросли с 1970-х годов. [69] Подобно ХФУ, SF6 также является инертным газом и не подвержен влиянию химических или биологических процессов в океане. [70] Таким образом, использование ХФУ совместно с SF6 в качестве трассера решает проблемы датирования воды из-за снижения концентрации ХФУ.
Использование CFC или SF 6 в качестве трассера океанической циркуляции позволяет выводить скорости океанических процессов из-за зависящей от времени функции источника. Прошедшее время с момента последнего контакта подповерхностной водной массы с атмосферой является возрастом, полученным с помощью трассера. [71] Оценки возраста могут быть получены на основе парциального давления отдельного соединения и отношения парциального давления CFC друг к другу (или SF 6 ). [71]
Возраст водного пакета можно оценить по возрасту парциального давления CFC (pCFC) или возрасту парциального давления SF 6 (pSF 6 ). Возраст pCFC образца воды определяется как:
где [CFC] - измеренная концентрация CFC (пмоль кг −1 ), а F - растворимость газа CFC в морской воде как функция температуры и солености. [72] Парциальное давление CFC выражается в единицах 10–12 атмосфер или частях на триллион (ppt). [73] Измерения растворимости CFC-11 и CFC-12 ранее были измерены Уорнером и Вайсом [73]. Кроме того, измерение растворимости CFC-113 было измерено Бу и Уорнером [74] , а SF6 - Ваннинкхофом и др. [75] и Буллистером и др. [76]. Авторы, упомянутые выше, выразили растворимость (F) при общем давлении 1 атм как:
где F = растворимость, выраженная либо в моль л −1 , либо в 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 необходимо определить с помощью метода наименьших квадратов, подходящего для измерений растворимости. [74] Это уравнение выводится из интегрированного уравнения Вант-Гоффа и логарифмической зависимости солености Сеченова. [74]
Можно отметить, что растворимость ХФУ увеличивается с понижением температуры примерно на 1% на каждый градус Цельсия. [71]
После того, как парциальное давление CFC (или SF 6 ) получено, оно затем сравнивается с атмосферными временными историями для CFC-11, CFC-12 или SF 6 , в которых pCFC напрямую соответствует году с тем же самым. Разница между соответствующей датой и датой сбора образца морской воды является средним возрастом для пакета воды. [71] Возраст пакета воды также можно рассчитать, используя отношение двух парциальных давлений CFC или отношение парциального давления SF 6 к парциальному давлению CFC. [71]
Согласно паспортам безопасности материалов, ХФУ и ГХФУ являются бесцветными, летучими, нетоксичными жидкостями и газами со слегка сладким эфирным запахом. Чрезмерное воздействие при концентрациях 11% или более может вызвать головокружение, потерю концентрации, угнетение центральной нервной системы или сердечную аритмию . Пары вытесняют воздух и могут вызвать удушье в замкнутых пространствах. Кожное поглощение хлорфторуглеродов возможно, но слабо. При этом легочное поглощение вдыхаемых хлорфторуглеродов происходит быстро, пиковые концентрации в крови достигаются всего за 15 секунд, а устойчивые концентрации выравниваются через 20 минут. Поглощение перорально проглоченных хлорфторуглеродов в 35–48 раз ниже по сравнению с вдыханием. [77] Хотя они не воспламеняемы, их продукты сгорания включают плавиковую кислоту и родственные ей виды. [78] Нормальное профессиональное воздействие оценивается в 0,07% и не представляет серьезной опасности для здоровья. [79]