Chương 6 ĐỘC HỌC MÔI TRƯỜNG CÁC QUÁ TRÌNH
6.4. Chiết tách, vận chuyển và gia công dầu mỏ
Hàng năm theo thống kê được, trung bình có hàng triệu tới chục triệu tấn mét khối dầu đi vào các biển và đại dương của trái đất, gây ô nhiễm môi trường biển. Hơn một nửa số đó có liên quan tới vận chuyển dầu. Dầu thường khai thác ở các nơi xa thị trường tiêu thụ, những hoạt động vận chuyển là tất yếu, và không thể tránh được rủi ro. Mặc dầu những tai nạn bồn chứa và đường ống chỉ chiếm 25 30% lượng dầu mất do vận chuyển, phạm vi môi trường của những vụ tràn dầu khổng lồ đang gây nên sự quan tấm đặc biệt của cộng đồng. Sự tràn đổ dầu không chỉ thiệt hại mất đi nguồn tài nguyên thiên nhiên, sự khắc phục cũng rất khó khăn, ảnh hưởng đến đất đai, vùng ven biển, đến các nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá (cá, hải sản, chim di cư), đến sinh thái, khí hậu. Mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trước hết là vào thành phần hoá học ban đầu của dầu tràn đổ.
Dầu thô là hỗn hợp phức tạp của hàng nghìn hợp chất hoá học, chiếm 98% là hợp chất hữu cơ bao gồm các hiđrocacbon béo, xicloankan và thơm.
Các hiđrocacbon béo gồm các n-ankan và iso-ankan, chiếm khoảng 60 đến > 90%
hàm lượng hiđrocacbon của dầu thô. Các hiđrocacbon no ít hơn năm cacbon là khí, từ 5 17 hoặc 18 cacbon là lỏng, từ 20 35 cacbon là rắn (sáp).
Xicloankan hoặc naphten, tương tự ankan nhưng được tạo vòng gồm chủ yếu các vòng năm và sáu cạnh có và không có các nhóm nhánh.
Các hiđrocacbon thơm gồm các hợp chất thơm đơn vòng hoặc đa vòng. Các hợp chất thơm đơn vòng trong dầu thô là benzen, toluen, etylbenzen và các xilen (BTEX).
Naphtalen, antraxen, piren và coronen là các hiđrocacbon thơm đa vòng (PAH) có hai, ba, năm và sáu vòng, tương ứng.
Ngoài các hiđrocacbon thuần khiết trong dầu thô còn chứa những lượng nhỏ các hợp chất hữu cơ chứa oxi, lưu huỳnh, nitơ như phenol, thiophen, pirol. Các nhóm hợp chất dị tố quan trọng tạo ra các nhựa (phân tử khối < 700 1000) và các asphanten (phân tử khối, 1.000 10.000).
Dầu thô chỉ một lượng nhỏ được sử dụng trực tiếp, còn thì được cất phân đoạn để tách các phân đoạn nhẹ sử dụng làm nhiên liệu. Xăng gồm các hiđrocacbon C4 C10
và có thể chứa tới 30%là các olefin (mạch thẳng hoặc mạch vòng nhận được bằng quá trình crăckinh xúc tác) được thêm vào để giảm nổ, và do đó cũng làm tăng tính độc của xăng lên.
Các hợp chất hiđrocacbon nặng trong dầu thô thực tế không tan trong nước, trong khi đó các phân tử nhỏ, đặc biệt là các hiđrocacbon thơm như benzen, toluen tan một phần. Các hợp chất nhẹ cũng là những chất dễ bay hơi, và sự bay hơi đóng một vai trò quan trọng trong sự khuếch tán của dầu hơn là hoà tan (từ 10 100 lần nhanh hơn là hoà tan trong nước). Sự quang oxi hoá bởi ánh sáng mặt trời các thành phần của dầu, đặc biệt là các hiđrocacbon thơm thành những hợp chất phân cực hơn như các phenol, quinon, sunfoxit, mặc dù quá trình xảy ra chậm. Một hậu quả quan trọng của sự quang oxi hoá các hợp chất thơm tạo ra các nhựa có tính hoạt động bề mặt, ổn định nhũ nước trong dầu dẫn đến sự hình thành các sản phẩm rắn bền vững như là các mảng cục đen hắc ín, chưa nói đến sự quang oxi hoá các hiđrocacbon khí (C1, C2) tạo ra các tác nhân oxi hoá độc đóng góp vào sự ô nhiễm khí quyển.
Dưới những điều kiện thích hợp, sự sinh phân huỷ bới các vi sinh vật (ví dụ, vi khuẩn) có thể đóng một vai trò chủ yếu trong sự phân tán dầu trong môi trường biển, làm tăng tác động sinh thái của sự tràn dầu.
6.4.2. Độc học môi trường của dầu
Các ảnh hưởng độc của dầu đối với môi trường có thể chia làm hai loại.
Các thành phần nặng nhớt có ảnh hưởng che phủ các sinh vật thở qua lọc oxi gây ra sự thiếu oxi. Ảnh hưởng này có thể trầm trọng thêm bởi sự phân huỷ vi sinh của dầu;
nó có thể mở rộng và kéo dài sự phát sinh các điều kiện thiếu oxi mô trong môi trường sinh vật đáy. Chim bị phủ dầu mất đi sự cách và tính chất đẩy nước lông của chúng và trở nên bị ngấm nước và giảm thân nhiệt. Tập tính rỉa lông cũng có thể gây ra sự nhiễm độc các hiđrocacbon.
Các thành phần nhẹ liên quan tới sự độc của dầu đối với các sinh vật biển và tăng lên bởi các sản phẩm dầu đã được tinh luyện. Như ta biết chỉ một số thành phần của dầu
thô và dầu tinh luyện có tính độc cao đối với sinh vật biển: các ankan phân tử khối thấp (C1 C10), đơn vòng thơm (BTEX), PAH hai và ba vòng, và các hợp chất dị vòng. Các loại trai, sò mai mềm và tôm hùm chết nhiều do sự vận chuyển chất độc nhanh. Các phân đoạn bay hơi cao (BTEX) cũng đóng góp vào ảnh hưởng gây mê, có thể dẫn đến sự chết của động vật giáp xác và cá có vây.
Tính độc cấp liên quan đến tính tan của các nhóm hiđrocacbon. Đối với các phân tử có cùng kích thước tính tan của nhóm thơm gấp 200 600 lần nhóm xicloankan, tính tan của nhóm xicloankan gấp 5 lần nhóm n-ankan, và độ tan của hiđrocacbon trong nước biển bằng 70% so với độ tan của chúng trong nước ngọt.
Nhiều thử nghiệm sinh học đối với dầu đã được tiến hành để xác định liều gây độc của dầu trong môi trường nước, tuy nhiên chưa đưa ra được các kết quả cuối cùng.
6.4.3. Sự sử dụng các chất phân tán
Sự sử dụng các tác nhân phân tán tạo ra tình trạng tiến thoái lưỡng nan cho công nghiệp dầu. Các tác nhân phân tán được dùng để tạo nhũ nhằm rửa sạch các khoang tàu vận chuyển dầu và cho các mục đích khác. Các tác nhân phân tán chứa các chất hoạt động bề mặt ankylphenol và các hiđrocacbon thơm như toluen và benzen. Chúng đều là hoá chất độc hại như ta biết ở các phần trước. Các nhũ khi tan ra giải phóng các chất độc hơn bản thân dầu gây chết nhiều loài bản địa.
Mặc dù thành phần chính xác của các tác nhân phân tán hiện nay không được biết vì mang tính độc quyền, hầu hết chúng gồm chủ yếu là các chất hoạt động không ion, như sorbitan monooleat, sunfosucxinat, este polietilenglicol của các axit béo chưa no. Một lượng chất hoạt động bề mặt (5 25%) được dùng trong pha chế các tác nhân phân tán.
Các chất hoạt động bề mặt này được trộn trong chất mang dung môi nước hoặc các hợp chất hiđroxi trộn lẫn với nước, hoặc các hiđrocacbon pha loãng để giảm độ nhớt của toàn hỗn hợp. Sự thử hiệu quả của các chất phân tán cho kết luận tỉ lệ dầu: chất phân tán là 20 : 1 là thích hợp cho hầu hết các áp dụng. Giả thiết rằng chiều dày trung bình của dầu là 0,1 mm ở trong vết dầu loang trên biển thì nó tương đương 7 lít chất phân tán đòi hỏi cho mỗi hecta nước bị loang dầu.
Chương 7
SỐ PHẬN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT ĐỘC TRONG MÔI TRƯỜNG 7.1. Sự vận chuyển và số phận của các chất độc trong môi trường
7.1.1. Mở đầu
Để đặc trưng cho tình trạng của hoá chất, người ta cần đo lường hoá chất trong các phạm vi môi trường khác nhau (nghĩa là không khí, đất, nước và các hệ sinh vật), hiểu được sự chuyển động và vận chuyển hoá chất ở bên trong và giữa các phạm vi môi trường, và theo dõi hoá chất được trao đổi chất, được phân huỷ, được lưu trữ hoặc được tập trung như thế nào bên trong mỗi phạm vi.
Hơn 100.000 hoá chất được giải phóng vào môi trường toàn cầu mỗi năm qua các quá trình sản xuất, sử dụng và thải bỏ của chúng. Để hiểu biết và tiên liệu sự rủi ro tiềm tàng do sự ô nhiễm môi trường đối với con người và các sinh vật, chúng ta cần phải kết hợp sự hiểu biết về tính độc của hoá chất và tính cách môi trường của nó. Mô hình hộp đơn giản dưới đây (hình 7.1) mô tả mối quan hệ giữa nguồn chất độc, số phận của nó trong môi trường, phơi nhiễm hoặc liều hiệu quả, và các ảnh hưởng sinh học gây ra.
Mô hình phơi nhiễm–đáp ứng
Nguồn chất độc Sự phơi nhiễm chất độc Các ảnh hưởng của chất độc Hình 7.1. Mô hình số phân môi trường
(Những mô hình như thế này giúp xác định môi trường làm thay đổi sự phơi nhiễm gây ra từ các nguồn khác nhau của chất độc)
Sự đánh giá viễn cảnh tương lai hoặc dự đoán sự độc hại của hoá chất có thể được bắt đầu bởi đặc tính của nguồn ô nhiễm, mô hình hoá số phận của hoá chất để dự đoán sự phơi nhiễm, và sử dụng các hàm sự phơi nhiễm – đáp ứng hoặc liều – đáp ứng để dự đoán các ảnh hưởng của chất độc (đi từ trái sang phải). Sự áp dụng chung có thể để đánh giá các ảnh hưởng tiềm tàng của sự thải chất thải mới. Sự đánh giá quá khử có thể tiến hành theo chiều ngược lại, bắt đầu với một số ảnh hưởng quan sát được và các biến cố đã qua để tìm nguyên nhân có khả năng. Giả thiết như chúng ta có các hàm liều/phơi nhiễm – đáp ứng tin cậy, chìa khoá cho sự sử dụng kết quả mối quan hệ đơn giản này, để biểu
Sự vận chuyển và mô hình số phận Các yêu tố môi trường làm thay đổi sự phơi nhiễm
thị sự mô tả định tính và mô hình định lượng của nguồn và số phận của chất độc trong môi trường.
Các chất độc được giải phóng vào môi trường theo nhiều con đường, và chúng có thể đi xa khắp nơi trong quá trình tồn tại của chúng. Sự có mặt của chất độc trong môi trường ở một điểm cho theo thời gian và không gian có thể trải qua ba hậu quả có thể: nó có thể tĩnh tại và bổ sung vào chất độc tồn lưu và gây nhiễm tại chỗ; nó có thể được vận chuyển đến nơi khác; hoặc nó được chuyển hoá thành các phần tử hoá học khác. Sự ô nhiễm môi trường và sự phơi nhiễm do sử dụng hoá chất bị biến đổi bởi sự vận chuyển và chuyển hoá của hoá chất trong môi trường. Sự pha loãng và phân huỷ có thể làm giảm bớt nguồn phát thải, trong khi đó các quá trình tập trung và tích tụ hoá chất có thể khuếch đại nguồn phát thải. Số phận thực tế của chất độc phụ thuộc vào kiểu sử dụng của hoá chất, váo các tính chất lí hoá, kết hợp với các đặc tính môi trường mà hoá chất được giải phóng vào đó.
Về mặt khái niệm và toán học, sự vận chuyển và số phận của chất độc trong môi trường rất giống như những gì trong cơ thể sống. Các chất độc có thể đi vào cơ thể hoặc hệ môi trường qua rất nhiều đường (ví dụ, qua da, qua miệng, hít thở ngược với ống khói, đường ống thải, nước tháo bề mặt,…). Các chất độc được phân bố lại từ điểm vào của chúng bằng động lực giòng (dòng máu, dòng nước hoặc sự chuyển động không khí) và các quá trình vận chuyển giữa các môi trường như sự phân bố (sự phân bố máu – lipit, phân bố đất - nước) và sự tạo phức (liên kết với protein, liên kết vào các chất hữu cơ tự nhiên). Các chất độc được chuyển hoá trong cả cơ thể người và môi trường thành các chất hoá học khác bởi các phản ứng như thuỷ phân, oxi hoá, khử hoá. Rất nhiều quá trình enzim tham gia vào sự hoạt hoá và khử độc các hoá chất trong cơ thể người và sinh vật rất giống các con đường sinh chuyển hoá trong môi trường.
Thêm nữa, về mặt sinh lí, dựa trên các mô hình dược độc học giống như là các mô hình số phận môi trường. Trong cả hai trường hợp chúng ta chia một hệ phức tạp thành các hệ ít ngăn đơn giản hơn để xác định tốc độ vận chuyển giữa các ngăn và tốc độ chuyển hoá bên trong mỗi ngăn (động học độc học). Sự khác nhau giữa chúng là hệ môi trường phức tạp hơn nhiều do chúng có nhiều con đường đi vào, nhiều ngăn hơn, nhiều biến số hơn và thiếu sự kiểm soát trên tất cả các biến số cho nghiên cứu hệ thống.
7.1.2. Nguồn các chất độc đi vào môi trường
Nguồn môi trường của chất độc được chia làm hai loại: nguồn điểm và nguồn không điểm.
Nguồn điểm là các sự thải riêng của các hoá chất và thường có khả năng nhận biết và đo lường được, như các cửa cống nước thải của thành phố hoặc công nghiệp, sự tràn đổ dầu hoặc hoá chất, ống khói, đập ngăn và các sự phóng thải thường xuyên khác vào bầu khí quyển (đốt rác thải), nước rỉ khai mỏ,… Nguồn không điểm là các sự đưa vào phân tán hơn trên diện rộng, không có điểm vào đơn có khả năng nhận biết như nước tràn nông nghiệp (chứa thuốc trừ dịch hại và phân bón), nguồn thải từ các động cơ (ô tô, xe máy), sự lắng đọng không khí, sự giải hấp hoặc dò rỉ từ các diện tích rộng (trầm tích, đuôi quặng), sự ngấm nước ngầm. Các nguồn không điểm thường gồm nhiều nguồn điểm nhỏ như các hầm tàu tự hoại, ôtô xe máy, cũng có thể xem như là các nguồn riêng (điểm).
Sự nhận biết và sự đặc trưng nguồn chỉ là tương đối đối với phạm vi hoặc hệ môi trường quan tâm. Ví dụ, có thể có hàng chục nguồn chất độc chảy vào sông gây độc cho đời sống thuỷ sinh hoặc người uống nước hoặc ăn cá bắt ở đó. Tuy nhiên các nguồn chất độc có thể trộn lẫn trong sông tạo ra một nguồn điểm lớn và đồng thể theo dòng chảy vào hồ hoặc chảy ra cửa sông.
Với nguồn điểm, tốc độ (đơn vị g/giờ) chất độc phát thải bởi nguồn (tốc độ phát thải khối) có thể được xác định từ tích của nồng độ chất độc trong môi trường (g/m3) và tốc độ dòng của môi trường (m3/giờ). Tuy nhiên, sự đo lường các nồng độ vết của hoá chất trong những nền mẫu dòng chảy phức tạp là việc làm vô nghĩa. Thường các phương pháp phân tích được quy định bởi các cơ quan môi trường để quan trắc không đủ nhạy hoặc không đủ chọn lọc đối với sự đo lường các chất độc quan trọng hoặc các sản phẩm trao đổi chất hoạt động của chúng. Sự xác định tốc độ phát thải khối đối với các nguồn không điểm thường rất khó khăn. Ví dụ, sự lắng đọng khí quyển của các chất độc vào nước nền có thể phụ thuộc rất cao vào cả không gian và thời gian, và vào sự nạp dụng hàng năm cao có thể gây ra sự lắng đọng liên tục các nồng độ vết khó cho việc đo lường.
Sự dung nạp các thuốc trừ dịch hại từ cánh đồng trồng trọt vào nước nền lân cận cũng biến đổi theo thời gian và không gian như chỉ ra đối với thuốc trừ cỏ atrazin (hình 7.2).
Mưa tiếp sau khi sử dụng atrazin, tạo ra các rãnh chảy nhỏ tải 100 lần cao hơn so với ngay chính hai tuần sau mưa. Một sự tải nhỏ hơn nhiều, nhưng kéo dài, tăng lên trong sự tải atrazin xảy ra ở rìa của cánh đồng sau mưa. Vậy ta cần xác định phạm vi không gian quan tâm khi nhận biết và đặc trưng nguồn. Nếu điều quan tâm là số phận của atrazin bên trong cánh đồng, thì nguồn được xác định là tốc độ sử dụng. Nếu điều được quan tâm là số phận và sự nhiễm của atrazin trong nước nền lân cận, thì nguồn được xác định là các rãnh chảy nhỏ và nước tháo từ rìa cánh đồng. Trong trường hợp sau người ta cần phải tiến hành đo lường gần đúng trong cánh đồng hoặc sử dụng mô hình vận chuyển atrazin từ cánh đồng.
Hình 7.2 Sự tải atrazin từ cánh đồng trồng trọt vào nước nền lân cận. Sự tải cao phụ thuộc vào mưa và sự có mặt các rãnh chảy nhỏ thu hoá chất và hướng sự chuyển động của nó vào môi trường.
7.1.3. Các quá trình vận chuyển hoá chất trong môi trường
Tiếp theo sự giải phóng chất độc vào phạm vi môi trường, các quá trình vận chuyển sẽ quyết định sự phân bố không gian và thời gian của nó trong môi trường. Sự vận chuyển hoá chất xảy ra cả ở bên trong các phạm vi môi trường (sự vận chuyển nội pha hay sự vận chuyển đồng thể) và giữa các phạm vi môi trường (sự vận chuyển giữa các pha hay sự vận chuyển dị thể).
Sự vận chuyển hoá chất pha đơn Sự lưu chuyển:
Sự lưu chuyển là sự chuyển động thụ động của hoá chất trong môi trường vận chuyển cỡ lớn. Các ví dụ sự lưu chuyển hoá chất pha đơn (sự lưu chuyển đồng thể) bao gồm sự vận chuyển hoá chất trong không khí vào ngày có gió hoặc hoá chất được hoà tan trong nước chuyển động trong dòng chảy, trong nước tràn bề mặt (nguồn không điểm), hoặc dòng chất thải (nguồn điểm).
Tốc độ vận chuyển lưu chuyển pha đơn (N, g/giờ) được miêu tả đơn giản bằng biểu thức toán học là tích số của nồng độ hoá chất trong môi trường lưu chuyển (C, g/m3) với tốc độ dòng của môi trường (G, m3/giờ):
N = G C
Sự kiện m-a lín
Nồng độ atrazin (mg/L)
Rìa cánh đồng Rãnh chảy nhỏ
Thời kì sử dông atrazin
4 5 6 7 8 9 (tháng) 0
500 - 1000 - 1500 - 2000 -