Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.1. Các nguồn phát sinh chất ô nhiễm không khí a. Nguồn tự nhiên

1. Hoạt động núi lửa: tro bụi, SOx, NOx,

2. Cháy rừng: khói, bụi, CO, SOx, NOx

3. Bão cát: bụi, giảm tầm nhìn

4. Đại dương: muối (NaCl)

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.1. Các nguồn phát sinh chất ô nhiễm không khí a. Nguồn tự nhiên

5. Phân hủy các chất hữu cơ: CH4, NH3, H2S, mecaptan (MeSH), VSV…

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.1. Các nguồn phát sinh chất ô nhiễm không khí a. Nguồn tự nhiên

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.1. Các nguồn phát sinh chất ô nhiễm không khí a. Nguồn nhân tạo

Ngành sản xuất Các chất ô nhiễm đặc trưng Nhà máy nhiệt điện, nồi hơi, lò nung

đốt bằng nhiên liệu

Bụi, SOx, NOx, COx, hydrocacbon, aldehyt.

Chế biến thực phẩm Bụi, mùi, NH3, phenol…

Thuốc lá Bụi, mùi hôi, nicotin

Dệt, nhuộm Bụi, hợp chất hữu cơ

Giấy Bụi, mùi hôi

Sản xuất hóa chất:

- Axit sulfuric - superphotphat - Amoniac

- Keo, sơn, vecni - Chất tẩy rửa - Lọc dầu

SOx

Bụi, HF, H2SiF6, SO3 NH3

Bụi, dung môi hữu cơ Bụi, kiềm…

Hydrocacbon, bụi, SOx, NOx, COx

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.1. Các nguồn phát sinh chất ô nhiễm không khí b. Nguồn nhân tạo

Ngành sản xuất Các chất ô nhiễm đặc trưng Sành sứ, thủy tinh, vật liệu xây dựng Bụi, COx, HF

Luyện kim, lò đúc Bụi, SO2, NOx, COx

Nhựa, cao su, chất dẻo Bụi, mùi hôi, dung môi hữu cơ, SO2 Thuốc trừ sâu Bụi, mùi hôi, dung môi hữu cơ, CBVTV Thuộc da Mùi hôi (sulfur, amoniac, mecaptan)

Bao bì Bụi, mùi hôi, dung môi hữu cơ

Khí thải giao thông Bụi, hợp chất của chì, hợp chất hữu cơ, SOx, NOx, Cox

Khí thải do đốt phục vụ sinh hoạt Bụi, COx

Các chất gây ô nhiễm Quá trình vật lý, hóa học (Sink)

Loại ra khỏi không khí

Chuyển thành chất gây ô nhiễm thứ cấp

CO2 Quang hợp

Hòa tan vào đại dương

H2S SO2

Oxi hóa trong Không khí

Sink: các chất ô nhiễm vẫn chỉ tồn tại trong khí quyển dưới dạng vết.

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

1. Sulfua dioxit (SO2)

 Tính chất vật lý: có mùi khó chịu (ngưỡng mùi từ 1 – 3 ppm)

 Nguồn: núi lửa (67%), hoạt động sinh học, nhân tạo (đốt nhiên liệu hóa thạch, luyện quặng sulfua kim loại)

Các chất có chứa lưu huỳnh Vi sinh vật H2S; (CH3)2S Oxi hóa SO2

 Có 2 quá trình sink chính của SO2: - Hấp thụ lên các bề mặt

- Bị oxy hóa trong khí quyển tạo thành SO3 hay H2SO4

Thời gian lưu của SO2 trong tầng đối lưu rất ngắn

 Ô nhiễm khí SO2 thường chỉ xảy ra ở từng khu vực mà không mang tính toàn cầu.

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

Nồng độ (ppm) Thời gian tiếp xúc Ảnh hưởng

0,03 – 0,5 Liên tục Viêm cuống phổi

0,3 – 1,0 20 giây Thay đổi hoạt động của não

0,5 – 1,4 1 phút Ngửi thấy mùi

0,3 – 1,5 15 phút Tăng độ nhạy thị giác

1,0 – 5,0 30 phút Ngạt thở, mất khả năng khứu giác 1,6 – 5,0 > 6 giờ Co đường hô hấp (khí quản, phổi) 5,0 – 20,0 > 6 giờ Tổn thương phổi có thể phục hồi

> 20,0 > 6 giờ Phù phổi nước, tê liệt, chết

1. Sulfua dioxit (SO2)

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

 4 hướng chủ yếu để hạn chế phát thải SO2: - Xử lí loại SO2 khỏi khí thải;

- Loại lưu huỳnh khỏi nhiên liệu trước khi đốt;

- Sử dụng loại nhiên liệu chứa ít lưu huỳnh;

- Thay thế việc đốt nhiên liệu bằng các nguồn năng lượng khác.

1. Sulfua dioxit (SO2)

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

 Tính chất vật lí: không màu, tạo cảm giác say (khí vui)

 Tính chất hóa học: ít hoạt động hóa học (thời gian lưu khoảng 20 năm)

 Nguồn phát sinh: denitrat hóa của VSV trong đk thiếu oxy trong đất, nước, đốt nhiên liệu hóa thạch

 Phân bố: khắp nơi trong tầng đối lưu, nồng độ trung bình vào khoảng 0,3 ppm, hằng năm tăng thêm khoảng 0,2%.

2. Các oxit của nitơ

Nitơ oxit (N2O)

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

2. Các oxit của nitơ

Nitơ oxit (N2O)

N2O thâm nhập vào tầng bình lưu:

2N2O + hν → 2N2 + O2 N2O + O * → 2NO

Ảnh hưởng về mặt môi trường:

- ô Khớ nhà kớnh ằ

- NO tham gia vào quá trình phá hủy tầng ozon

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

Nitric oxit (NO) và nitơ dioxit (NO2)

 Tính chất vật lí: NO không màu; NO2 màu nâu vàng, sốc khó chịu

 Tính chất hóa học: hoạt tính hóa học cao (thời gian lưu trong tầng đối lưu ngắn, biến động mạnh), NO dễ dàng bị oxi hóa thành NO2

 Nguồn tự nhiên: là quá trình cháy của sinh khối (cháy rừng), sấm chớp, oxy hóa NH3, hoặc do các quá trình kỵ khí xảy ra dưới đất (đối với NO).

 Nguồn nhân tạo: đốt sinh khối hoặc nhiên liệu hóa thạch.

 Trong các nguồn phát thải thì NO chiếm hơn 90% lượng NOx

2. Các oxit của nitơ

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

 Nồng độ của NO2 dao động trong khoảng từ 1 ppb đến 0,5 ppm trong khoảng thời gian ô nhiễm cao điểm ở vùng đô thị, phụ thuộc vào ánh nắng Mặt trời và mật độ giao thông:

- Mật độ xe cộ tham gia giao thông tăng → nồng độ NO tăng

- Sự gia tăng lượng bức xạ UV → nồng độ NO2 tăng (do NO bị oxi hóa) Nitric oxit (NO) và nitơ dioxit (NO2)

2. Các oxit của nitơ

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

peroxyacyl nitrate

Nitric oxit (NO) và nitơ dioxit (NO2)

2. Các oxit của nitơ

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

Ảnh hưởng về mặt môi trường:

- Trong tầng đối lưu NOx bị oxi hóa thành axit nitric tạo mưa axit.

- NOx là điều kiện cần để tạo ra sương khói quang hóa.

- Trong tầng bình lưu, NOx tham gia vào các quá trình hóa học làm ảnh hưởng đến nồng độ ozon trong vùng này.

Nitric oxit (NO) và nitơ dioxit (NO2)

2. Các oxit của nitơ

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

Các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm NOx

- Sử dụng chất xúc tác để chuyển hóa NOx trong khí thải động cơ xe máy - Sử dụng quá trình “đốt 2 giai đoạn” có thể giảm đến 90% lượng NOx trong khí thải các nhà máy phát điện.

- NOx trong khí thải nhà máy có thể xử lý bằng cách sục khí thải qua dung dịch H2SO4 hay dung dịch chứa Ca(OH)2 và Mg(OH)2

Nitric oxit (NO) và nitơ dioxit (NO2)

2. Các oxit của nitơ

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí 3. Khí CO

 Nguồn tự nhiên: hình thành từ CH4 (lượng này gấp 10 lần lượng nhân tạo), từ đại dương (10% lượng CO tạo ra từ quá trình đốt cháy)

 Nồng độ CO trong khí quyển: 0,12 – 0,15 ppm (có thể tăng lên 2 – 20 ppm ở đô thị)

 Các quá trình sink của CO:

- di chuyển lên tầng bình lưu và bị oxi hóa

- hấp thụ vào đất và thực vật (có khoảng 16 loại vi khuẩn trong đất có khả năng hấp thụ CO từ không khí)

- bị oxi hóa bởi gốc hydroxyl

OH● + CO → H● + CO2

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí 3. Khí CO

Tác hại của CO:

- CO kết hợp với hemoglobin tạo ra hợp chất bền vững HbO2 + CO → O2 + HbCO

(hemoglobin đã bị oxy hóa) (cacboxyhemoglobin)

Làm giảm hồng cầu → giảm khả năng hấp thụ oxi của hồng cầu để nuôi

dưỡng tế bào cơ thể, thiếu oxy cho quá trình hô hấp, ảnh hưởng đến hành vi, hoạt động và có thể gây tử vong.

- CO là khí nhà kính

-Làm giảm nồng độ gốc hydroxyl → giảm tác dụng loại trừ các chất ô nhiễm khác của gốc hydroxyl

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí 3. Khí CO

Các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm CO:

 Tối ưu hóa quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch

 Cấm đốt rừng

 Tìm kiếm năng lương thay thế

4. Các hydrocacbon

Mêtan (CH4)

 Mêtan được tạo thành trong khí quyển do nguồn tự nhiên và nhân tạo:

- Hoạt động của VSV kỵ khí đưa vào khí quyển 8,6.1012 đến 2,9.1013 mol C/năm

- Hoạt động của con người (trồng lúa nước, chăn nuôi, thải chất thải rắn, khai thác nhiên liệu hóa thạch…) đưa vào khí quyển 1,5.1013 đến 3,6.1013 mol C /năm

 Thời gian lưu của mêtan trong khí quyển khá lâu (3 năm) → phân bố khắp tầng đối lưu

 Nồng độ mêtan trong tầng đối lưu khoảng 1,75 ppm, tốc độ gia tăng 1 – 2%/năm

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

 Có 3 quá trình sink của mêtan trong tầng đối lưu:

● 2 – 7% hấp thụ bởi đất

● 6 – 12% chuyển vào tầng bình lưu

● phần mêtan còn lại bị phân hủy trong tầng đối lưu:

4. Các hydrocacbon

Mêtan (CH4)

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

Phản ứng quan trọng nhất là phản ứng của mêtan với gốc hydroxyl:

CH4 + OH● → CH3● + H2O

Tuy nhiên sự gia tăng nồng độ CO trong tầng đối lưu đã làm giảm khoảng 70% lượng gốc OH● theo phản ứng:

CO + OH● → H● + CO2 4. Các hydrocacbon

Mêtan (CH4)

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

Mêtan là khí nhà kính, nó đóng góp vào sự ấm lên toàn cầu. Sự ấm lên này sau đó lại làm gia tăng nồng độ mêtan do một lượng lớn khí này đang bị giữ trong băng dưới dạng CH4.nH2O (n ≈ 6) được giải phóng, vì vậy hiệu ứng nhà kính sẽ tiếp diễn ở mức độ cao hơn.

Ảnh hưởng của mêtan đối với môi trường:

4. Các hydrocacbon

Mêtan (CH4)

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

Các hydrocacbon khác

 Ngoài mêtan trong khí quyển còn có hơn 600 loại hydrocacbon khác.

 Dung môi hữu cơ: benzen, butan, etan, hexan, pentan, propan, toluen…

 Đa số đều là khí nhà kính

 Trong tầng đối lưu, chúng bị oxi hóa thành nhiều chất ô nhiễm thứ cấp, nhiều chất trong số này góp phần tạo nên sương khói quang hóa

4. Các hydrocacbon

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

Các dẫn xuất halogen của hydrocacbon

“Khi một hay nhiều nguyên tử hydro của hydrocacbon bị thay thế bằng những nguyên tử halogen (F, Cl, Br, I) sẽ tạo thành các dẫn xuất halogen”. Nhiều hợp chất trong số này rất đáng quan tâm về khía cạnh môi trường.

Chlorofluorocacbons (CFCs)

CFCs là các hợp chất bay hơi có từ 1 đến 2 nguyên tử cacbon trong phân tử liên kết với các nguyên tử clo và flo. Các CFC thường gặp là CCl3F (CFC-11), CCl2F2 (CFC-12), C2Cl3F3 (CFC-113), C2Cl2F4 (CFC-114) và C2ClF5 (CFC-115)

4. Các hydrocacbon

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

Chlorofluorocacbons (CFCs)

 CFCs là các hợp chất nhân tạo trước đây không có trong tự nhiên. CFCs được sử

dụng lần đầu tiên tại Mỹ vào thập niên 1930 để làm tác nhân làm lạnh (hãng Du Pont và General Motors Coporation). CFC-11 (CCl3F) và CFC-12 (CCl2F2) phổ biến nhất.

 CFCs trơ về mặt hóa học, không độc, không cháy, không mùi, nhiệt độ sôi thấp (-30°C), dễ bị hóa lỏng dưới áp suất → tác nhân làm lạnh cho tủ lạnh, dung môi, chất tạo xốp, khí nén trong các bình xịt…

 Thời gian lưu của CFCs rất lâu (hàng chục đến hàng trăm năm) → phân bố khắp tầng đối lưu và thâm nhập vào tầng bình lưu.

Các dẫn xuất halogen của hydrocacbon

4. Các hydrocacbon

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

Chlorofluorocacbons (CFCs)

 Trong tầng bình lưu CFCs bị suy giảm dần do bị phân tích dưới tác dụng của ánh sáng

CF2Cl2 + hν (λ < 250 nm) → •CF2Cl + Cl•

nguyên tử clo vừa được giải phóng sẽ tham gia xúc tác cho quá trình phân hủy phân tử ozon của tầng ozon:

Cl• + O3 → ClO• + O2 ClO• + O → Cl• + O2

Các dẫn xuất halogen của hydrocacbon

4. Các hydrocacbon

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

Các Halon và các hydrocacbon brom hóa

 Halon là các hợp chất tương tự CFC nhưng có chứa flo, clo và brom. Các halon thường gặp là CBrClF2 (Halon-1211), CBrF3 (Halon-1301) và C2Br2F4 (Halon-2402).

 Halon được dùng vào mục đích cứu hỏa, các hợp chất hydrocacbon brom hóa như bromometan (CH3Br) được dùng để diệt nấm

 Các halon đều bị phân tích dưới tác dụng của ánh sáng trong tầng bình lưu, giải phóng ra nguyên tử brom→ làm tăng tốc độ phân hủy ozon.

Các dẫn xuất halogen của hydrocacbon

4. Các hydrocacbon

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

Các Halon và các hydrocacbon brom hóa

 Nồng độ các hợp chất halon trong khí quyển tuy đang tăng, nhưng vẫn còn khá thấp (CF2ClBr: 1,7.10-3 ppb; CF3Br: 2,0.10-3 ppb; CH3Br: 0,013 ppb).

 Công ước Montreal (1987) đã quyết định hạn chế sử dụng và sản xuất CFCs, halons

 Hợp chất được đề xuất thay thế cho CFCs là các hydrocloroflorocacbon (HCFCs) có chứa các nguyên tử hydro trong phân tử, các hợp chất này dễ bị phân hủy trong tầng đối lưu, do đó chỉ một phần nhỏ thâm nhập vào tầng bình lưu

Các dẫn xuất halogen của hydrocacbon

4. Các hydrocacbon

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

Các Halon và các hydrocacbon brom hóa

 Việc tìm kiếm hợp chất thay thế halon gặp nhiều khó khăn → một lượng lớn halon vẫn đang được sử dụng vào mục đích cứu hỏa. Điều đáng lo ngại là do khá

bền vững trong tầng đối lưu, nên ngay cả khi đã hạn chế, thậm chí cấm hẳn việc sản xuất, sử dụng, thì cũng phải đến thể kỷ 22, nồng độ của các CFC, halon, và các hợp chất liên quan trong khí quyển mới giảm lại còn bằng mức nồng độ năm 1960.

Các dẫn xuất halogen của hydrocacbon

4. Các hydrocacbon

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí 5. Bụi

Bụi là một tập hợp nhiều hạt vật chất vô cơ hoặc hữu cơ cơ kích thước nhỏ bé, tồn tại trong không khí dưới dạng bụi bay, bụi lắng, hơi, khói mù.

> 10 μm: bụi

0,1 – 10 μm: sương mù

< 0,1 μm: khói

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí 5. Bụi

a. Bụi vô cơ

Chủ yếu là các oxit kim loại được tao ra khi đốt cháy nhiên liệu có chứa kim loại đó.

Quá trình đốt quặng pyrite:

3FeS2 + 8O2 → Fe3O4 + 6SO2

Quá trình đốt than đá có chứa lượng nhỏ canxicacbonat CaCO3 → CaO + CO2

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí 5. Bụi

a. Bụi vô cơ

Oxi hóa SO2 tạo thành axit sulfuric ngưng tụ thành các hạt sương nhỏ SO2 + 1/2O2 + H2O → H2SO4

Nếu có mặt các khí ô nhiễm có tính bazơ như NH3: H2SO4 + 2NH3 → (NH4)2SO4

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí 5. Bụi

a. Bụi vô cơ

Thành phần của bụi vô cơ trong khí quyển ô nhiễm: muối, oxit,

các kim loại, các chất phóng xạ, các hợp chất của nitơ và lưu huỳnh - Al, Fe, Ca, Si: phát tán từ đất, bụi đá, sự cháy của than đá

-C: quá trình cháy không hoàn toàn của hợp chất hữu cơ

- Na, Cl: từ biển, Cl từ quá trình cháy hợp chất hữu cơ chứa clo

- Sb, Se: các nguyên tố dễ bay hơi, quá trình đốt dầu, than đá, chất thải - V: đốt cháy dầu cặn

- Pb: đốt cháy nguyên liêu có chứa chì

Các hạt hợp chất chì

 Trên 90% chì trong khí quyển có nguồn gốc từ hoạt động nhân tạo

 Tetraankyl chì, thường là Pb(C2H5)4, được đưa vào nhiên liệu động cơ Otto để làm tăng chỉ số octan.

Nhiên liệu pha chì

C2H4Br2 C2H4Cl2

Tránh tích tụ chì trong động cơ

Cháy PbBr2, PbBrCl hay PbCl2

Ở dạng các hạt nhỏ thoát ra khỏi động cơ và phân tán trong khí quyển

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí 5. Bụi

a. Bụi vô cơ

Việc sử dụng phụ gia chì cho nhiên liệu đã gây ra hai vấn đề cần quan tâm về khía cạnh môi trường:

- chì có trong khói thải đã gây “ngộ độc” hệ xúc tác lắp trong ống xả để giảm phát thải CO, NOx và các hydrocacbon.

- các hạt bụi chì gây tác hại cho con người qua đường hô hấp và tiêu hóa (gây kích thích và tê liệt thần kinh)

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí 5. Bụi

a. Bụi vô cơ

Các hạt hợp chất chì

V. Sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí quyển

KHÍ QUY Ể N

V.2. Các chất ô nhiễm không khí 5. Bụi

a. Bụi hữu cơ

Có nguồn gốc chủ yếu từ quá trình cháy nhiên liệu và thực vật.

Các hợp chất đa vòng hình thành khi ngưng tụ các parafin có trong nhiên liệu (PAHs: polycyclic aromatic hydrocarbons):

pyren benzopyren