›
›

Bài giảng Hóa học môi trường

pdf 199 trang hapham 90
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Hóa học môi trường", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_hoa_hoc_moi_truong.pdf

Nội dung text: Bài giảng Hóa học môi trường

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA MÔI TRƯỜNG - BỘ MÔN HÓA HỌC BÀI GIẢNG HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI - 2009 1
  2. LỜI NÓI ĐẦU Loài người sinh tồn và phát triển trong mối quan hệ mật thiết với các yếu tố môi trường sau: - các thành tố sinh thái tự nhiên (đất, nước, khí quyển, thiên tai ). - các thành tố sinh thái nhân tạo (đô thị hóa, các thành tựu khoa học kỹ thuật trong đời sống ). - các thành tố sinh thái xã hội nhân văn (khai thác tài nguyên, tác động của công nghiệp hóa, hiện đại hóa; bùng nổ dân số ). Từ thập niên 80, thế kỷ 20 trở lại đây, đã chứng kiến hàng loạt thảm họa về môi trường Trái đất (thảm họa thiên tai; sự cố hạt nhân, ô nhiễm không khí, mưa axit, suy thoái quỹ đất; cạn kiệt nguồn nhiên liệu; lan tràn hóa chất bảo vệ thực vật, ô nhiễm nguồn nước; thủng tầng ozon, hiện tượng ấm lên toàn cầu ). Điều này đã dẫn đến tích lũy trong môi trường các yếu tố vật lý, hóa học, sinh học vượt quá giới hạn cho phép, trở nên độc hại với con người. Bởi vậy, bảo vệ môi trường trở nên là vấn đề cấp thiết, vấn đề toàn cầu để loài người có thể sinh tồn và phát triển bền vững trên Trái đất. Chúng ta cần nghiên cứu và thực hiện các biện pháp bảo vệ môi trường, xử lý các suy thoái môi trường để đảm bảo sự sinh tồn và phát triển bền vững của loài người. Công việc to lớn đó đòi hỏi sự phối hợp, góp sức của nhiều ngành khoa học, trong đó có ngành hóa học. Hóa học môi trường là môn học nghiên cứu các quá trình hóa học xảy ra trong môi trường. Cụ thể là nghiên cứu sâu về các hiện tượng hóa học xảy ra trong môi trường khí quyển, thủy quyển, đất giúp hiểu biết về bản chất các nguồn gây ô nhiễm, các phản ứng hóa học, sự lan truyền, hiệu ứng và sự tồn tại của các chất hóa học trong không khí, nước, đất; tác hại của chúng với đời sống của con người; một số biện pháp bảo vệ môi trường khí quyển, nước, đất 2
  3. Đây là bài giảng Hóa học môi trường được biên soạn đầu tiên để phục vụ công tác giảng dạy cho sinh viên khoa Môi trường, trường Đại học Thủy Lợi. Trong quá trình biên soạn, chúng tôi đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới nhất của thế giới về vấn đề hóa học môi trường, nhưng chắc chắn không trách thiếu sót; rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các bạn đọc để nâng cao chất lượng của bài giảng. 3
  4. MỤC LỤC BÀI GIẢNG 1 LỜI NÓI ĐẦU 2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 8 CHƯƠNG 1. HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG KHÍ QUYỂN 10 1.1. SỰ HÌNH THÀNH KHÍ QUYỂN 10 1.2. CẤU TRÚC CỦA KHÍ QUYỂN 12 1.2.1. Mật độ và áp suất không khí 12 1.2.1.1. Mật độ không khí 12 1.2.1.2. Áp suất không khí 12 1.2.2. Cấu trúc khí quyển theo biến thiên nhiệt độ 14 1.2.1.1. Tầng đối lưu 14 1.2.1.2. Tầng bình lưu 15 1.2.1.3. Tầng trung lưu 16 1.2.1.4. Tầng nhiệt lưu 16 1.2.1.5. Tầng điện li 16 1.3. THÀNH PHẦN CỦA KHÍ QUYỂN 18 1.4. CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC CHỦ YẾU TRONG KHÍ QUYỂN 21 1.4.1. Phản ứng quang hóa 22 1.4.2. Phản ứng của oxi trong khí quyển 23 1.4.2.1. Tiêu thụ oxi 23 1.4.2.2. Tái tạo oxi 23 1.4.3. Phản ứng của các hợp chất N trong khí quyển 24 1.4.4. Phản ứng của các hợp chất S trong khí quyển 26 a. Phản ứng quang hóa 26 b. Phản ứng với một số gốc hóa học 26 c. SO2 phản ứng với NH3 trong khí quyển 27 d. Phản ứng tạo thành H2SO4 27 e. Các phản ứng trong khí quyển của H2S 27 1.4.5. Phản ứng của các hợp chất C trong khí quyển 27 a. Các oxit của C 27 b. Phản ứng với ankan 27 c. Phản ứng với anken 28 d. Phản ứng với aren 28 1.4.6. Phản ứng của các gốc tự do trong khí quyển 28 a. Gốc hydroxil (HO•) và hydroperoxi (HOO•) 29 b. Một số gốc tự do khác 30 1.4.7. Phản ứng axit bazơ 31 1.5. Ô NHIỄM KHÍ QUYỂN 31 1.5.1. Các nguồn ô nhiễm khí quyển 31 4
  5. 1.5.2. Các chất ô nhiễm khí quyển điển hình 32 1.5.2.1. Các oxit của lưu huỳnh 32 1.5.2.2. Các oxit của nitơ 33 1.5.2.3. Các oxit của cacbon 34 1.5.2.4. Các hydrocacbon 35 1.5.2.5. Bụi 37 1.5.3. Tác động của ô nhiễm khí quyển ở qui mô toàn cầu 40 1.5.3.1. Hiệu ứng nhà kính 40 1.5.3.2. Biến đổi tầng ozon 43 1.5.3.3. Mưa axit 49 1.5.4. Ô nhiễm đô thị 52 1.5.4.1. Sương khói kiểu London 52 1.5.4.2. Sương khói quang hóa 54 1.5.4.3. Chỉ số ô nhiễm (Pollution Index) 56 1.5.5. Ô nhiễm trong nhà 59 1.5.5.1. Nguồn và đặc điểm chất ô nhiễm trong nhà 60 1.5.5.2. Một số nguồn ô nhiễm trong nhà 61 1.5.5.3. Một số biện pháp giảm thiểu không khí trong nhà 63 1.5.6. Tiêu chuẩn chất lượng môi trường không khí 63 1.5.7. Một số biện pháp bảo vệ môi trường không khí 64 a. Quản lý và áp dụng các công cụ pháp lý 64 b. Thực hiện định kỳ kiểm toán nguồn thải 65 c. Áp dụng các công cụ kinh tế quản lý tài nguyên không khí 65 d. Sử dụng các nguồn nhiên liệu và năng lượng thân thiện với môi trường 66 CHƯƠNG 2. MÔI TRƯỜNG THỦY QUYỂN 68 2.1. TÀI NGUYÊN NƯỚC VÀ VÒNG TUẦN HOÀN CỦA NƯỚC 69 2.1.1. Phân bố tài nguyên nước trên Trái Đất 69 2.1.2.Vòng tuần hoàn của nước 70 2.1.3. Đặc điểm của nước 71 2.2. THÀNH PHẦN CỦA NƯỚC TỰ NHIÊN 72 2.2.1. Thành phần hóa học của nước tự nhiên 73 2.2.1.1. Đặc điểm chung 73 2.2.1.2. Các ion chủ yếu 74 2.2.1.3. Các khí hòa tan 75 2.2.2. Thành phần sinh học của nước thiên nhiên 77 2.2.2.1. Tảo 77 2.2.2.2. Nấm 78 2.2.2.3. Động vật đơn bào 79 2.2.2.4. Vi khuẩn và virút 79 2.3. CÁC PHẢN ỨNG CHỦ YẾU TRONG THỦY QUYỂN 80 2.3.1. Phản ứng tạo phức 80 2.3.2. Phản ứng hòa tan và kết tủa 81 2.3.3. Phản ứng oxy hóa khử 82 2.3.4. Phản ứng hóa học có xúc tác vi sinh 82 2.3.4.1. Phản ứng chuyển hóa cacbon 82 2.3.4.2. Phản ứng chuyển hóa nitơ 83 5
  6. 2.3.4.3. Phản ứng chuyển hóa lưu huỳnh 84 2.3.4.4. Phản ứng chuyển hóa photpho 85 2.3.4.5. Phản ứng chuyển hóa một số kim loại 86 2.4. Ô NHIỄM NƯỚC 87 2.4.1. Nguồn thải các chất gây ô nhiễm nước 87 2.4.1.1. Nguồn ô nhiễm tự nhiên 88 2.4.1.2. Nguồn ô nhiễm nhân tạo 88 2.4.2. Các chất gây ô nhiễm nước điển hình 92 2.4.2.1. Các hợp chất và ion của N, P 92 2.4.2.2. Các kim loại nặng 93 2.4.2.3. Các chất hữu cơ 94 2.4.2.4. Dầu mỡ 95 2.4.2.5. Các chất tạo màu 95 2.4.2.6. Các vi sinh vật gây bệnh 95 2.4.3. Ô nhiễm biển 95 2.4.3.1. Nguồn ô nhiễm 95 2.4.3.2. Ô nhiễm biển do tràn dầu 96 Protofoa 98 96 98 1,70 98 Ctenophora 98 24 98 0,60 98 Pteropoda 98 48 98 0,20 98 Amphipoda 98 48 98 0,80 98 96 98 0,05-0,20 98 96 98 0,90-4,90 98 2.4.3.3. Bảo vệ môi trường biển 98 2.4.3.4. Các vấn đề bảo vệ môi trường biển của Việt Nam 99 2.4.4. Ô nhiễm sông, hồ 100 2.4.4.1. Nguyên nhân ô nhiễm 100 2.4.4.2. Vài nét về ô nhiễm sông tại Việt Nam 101 2.4.5. Ô nhiễm nước ngầm 103 2.4.5.1. Các khả năng và nguyên nhân ô nhiễm 103 2.4.5.2. Vài nét về ô nhiễm nước ngầm tại Việt Nam 105 2.4.7. Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng môi trường nước 108 2.4.7.1. Các thông số đánh giá chất lượng môi trường nước 108 2.4.7.2. Các tiêu chuẩn đối với môi trường nước 109 6
  7. 2.4.8. Một số biện pháp bảo vệ môi trường nước 114 2.4.8.1. Bảo vệ môi trường nước mặt 114 2.4.8.2. Các biện pháp quản lí nước ngầm 115 CHƯƠNG 3. HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG ĐẤT 117 3.1. KHÁI NIỆM VÀ THÀNH PHẦN CỦA ĐẤT 118 3.1.1. Khái niệm về đất 118 3.1.2. Phong hóa và quá trình tạo thành đất 119 a) Phong hóa lí học (cơ học) 121 b) Phong hóa hóa học 121 c) Phong hóa sinh học 123 3.1.3. Thành phần hóa học của đất 123 3.1.3.1 . Nước và khí trong đất 127 3.1.3.2. Thành phần vô cơ 129 3.1.3.3. Thành phần hữu cơ 137 3.2. PHẢN ỨNG HÓA HỌC TRONG ĐẤT 140 3.2.1. Phản ứng tạo thành axit vô cơ trong đất 140 3.2.2. Phản ứng điều chỉnh độ pH của đất 141 3.2.3. Phản ứng trao đổi ion trong đất 142 3.3. SỰ XÓI MÒN VÀ THOÁI HÓA ĐẤT 144 3.3.1. Xói mòn đất 145 3.3.2. Axit hóa môi trường đất 146 3.3.3. Sa mạc hóa 149 3.4. Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT 150 3.4.1. Khái quát chung 150 3.4.2. Các loại hình ô nhiễm đất 153 3.4.2.1. Ô nhiễm đất do tác nhân hoá học 153 3.4.2.2. Ô nhiễm đất do tác nhân vật lí 162 3.4.2.3. Ô nhiễm đất do tác nhân sinh học 164 3.4.3. Các thông số cơ bản và tiêu chuẩn đánh giá chất lượng đất 165 3.4.4. Một số biện pháp bảo vệ môi trường đất 169 CHƯƠNG 4. CÁC VÒNG TUẦN HOÀN TRONG TỰ NHIÊN 172 4.1. VÒNG TUẦN HOÀN CACBON 175 4.2. VÒNG TUẦN HOÀN OXI 178 4.3. VÒNG TUẦN HOÀN NITƠ 180 4.4. VÒNG TUẦN HOÀN LƯU HUỲNH 184 4.5. VÒNG TUẦN HOÀN CỦA PHOTPHO 186 4.6. VÒNG TUẦN HOÀN KIM LOẠI NẶNG 188 4.6.1 Nguồn kim loại nặng trong môi trường 188 4.6.2 Hoá học của vòng tuần hoàn kim loại nặng 190 4.6.2.1 Vòng tuần hoàn của asen 190 4.6.2.2 Vòng tuần hoàn của chì 192 4.6.2.3 Vòng tuần hoàn của thuỷ ngân 194 Tài liệu tham khảo 198 7
  8. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT API Chỉ số ô nhiễm không khí (Air Pollution Index) AQI Chỉ số chất lượng không khí (Air Quality Index) CFC Cloroflorocacbon DU Đơn vị Dobson IR Vùng hồng ngoại (Infrared ray) 8
  9. PAH Hyđrocacbon thơm đa vòng (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) PAN Peroxyaxetyl nitrat PM10 Bụi có đường kính nhỏ hơn 10 μm PM2,5 Bụi có đường kính nhỏ hơn 2,5 μm POP Các chất hữu cơ ô nhiễm khó phân hủy ppbv Nồng độ phần tỷ tính theo thể tích ppmv Nồng độ phần triệu tính theo thể tích pptv Nồng độ phần nghìn tỷ tính theo thể tích TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam UV Vùng tử ngoại (Ultra Violet) VIS Vùng khả kiến (Visible) VOC Các chất hữu cơ dễ bay hơi WHO Tổ chức Y tế thế giới 9
  10. CHƯƠNG 1. HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG KHÍ QUYỂN Không khí là hỗn hợp tự nhiên của các chất khí, chủ yếu là nitơ và oxi, hình thành nên khí quyển Trái đất. Dưới tác động của không khí và nước trên bề mặt Trái đất, xảy ra những quá trình hình thành nên thời tiết và khí hậu. Không khí là nguồn cung cấp oxi cần thiết cho hoạt động bình thường của các sinh vật trên Trái đất, vì vậy việc bảo vệ không khí trong lành là mối quan tâm của con người vì chất lượng cuộc sống. Hiện nay, do các ngành công nghiệp phát triển, khí quyển Trái đất bị phá hoại nghiêm trọng: mật độ khí gây ô nhiễm thải vào khí quyển ngày càng tăng (các khí CO2, CH4 ) làm nhiệt độ Trái đất tăng dần, do đó làm thay đổi khí hậu toàn cầu, đe dọa nghiêm trọng sự sống trên Trái đất. Mọi người trên toàn thế giới phải chung tay giải quyết vấn nạn này. Mục đích chương 1 - Hiểu rõ về cấu trúc và thành phần khí quyển. - Nắm được các phản ứng chủ yếu trong khí quyển. - Nhận biết được nguồn thải và chất ô nhiễm khí quyển - Hiểu được tác động của ô nhiễm khí quyển ở qui mô toàn cầu, ô nhiễm đô thị và ô nhiễm trong nhà. - Hiểu về các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng không khí và một số biện pháp bảo vệ môi trường không khí. 1.1. SỰ HÌNH THÀNH KHÍ QUYỂN Khí quyển được hình thành và tiến hóa trong khoảng thời gian dài, có thể lên đến hàng tỷ năm. Các dữ kiện quan trọng làm tiền đề và dẫn tới hình thành sự sống trên Trái đất cũng như thành phần khí quyển như bây giờ gồm sự tạo thành các chất hữu cơ hữu sinh, oxi và ozôn. 10
  11. Ban đầu, theo giả thuyết được nhiều nhà khoa học chấp nhận nhất, thành phần của khí quyển chủ yếu gồm CO2, NH3 và hơi nước. Các khí này được tạo thành từ CH4 và các khí khác có trong lòng đất sau đó đi vào khí quyển qua hoạt động của núi lửa. Bên cạnh đó, có sự xuất hiện của các vi sinh vật đầu tiên ở dưới đáy đại dương. Một trong số đó là vi khuẩn xyanô. Chúng là những sinh vật đầu tiên có khả năng quang hợp để sản xuất ra oxi. Dần dần, do tác dụng của tia tử ngoại, sấm chớp, tia phóng xạ và hoạt động của vi sinh vật, các chất ban đầu trong khí quyển phản ứng với nhau tạo thành amino axit và đường, các chất hữu cơ cần thiết cho sự sống. Các dạng sinh vật sống bắt đầu xuất hiện phong phú và phát triển trong đại dương. Các loài thực vật được tạo ra và là nguồn sản xuất oxi chủ yếu cho khí quyển, thông qua phản ứng quang hợp. Theo thời gian, lượng oxi tăng lên một cách đáng kể và lượng cacbon đioxít trong khí quyển giảm đi. Cacbon được tích tụ vào trong các nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày nay, trong trầm tích và các lớp động vật. Oxi tạo thành tương tác với NH3 để tạo ra nitơ. Ngoài ra, một lượng lớn O2 đã được Fe(II) hấp thụ để tạo thành Fe2O3. Quá trình này tạo thành một lượng lớn Fe2O3 sa lắng và là bằng chứng cho sự tạo thành của O2 tự do trong khí quyển thời kỳ đầu. Hình 1.1. Bầu khí quyển Tiếp theo, O2 phản ứng với các chất trong khí quyển tạo thành ozôn. Với sự xuất hiện của ozon, Trái đất có một tấm lá chắn hữu dụng, bảo vệ các loại hình 11
  12. sinh vật sống trước bức xạ tử ngoại đến từ Mặt trời. Cuối cùng, Trái đất trở thành một môi trường sống thân thiện và có thành phần hóa học giống như bây giờ. 1.2. CẤU TRÚC CỦA KHÍ QUYỂN Cấu trúc của khí quyển có thể được xem xét qua sự biến thiên theo độ cao của ba đại lượng quan trọng gồm mật độ, áp suất và nhiệt độ không khí. Khí quyển gồm 99% là oxi và nitơ nên các khí này là tác nhân quyết định chính đến giá trị của hai đại lượng mật độ và áp suất. Đại lượng còn lại, nhiệt độ không khí, phụ thuộc vào sự phân bố của các khí có khả năng hấp thụ các tia tử ngoại và phát xạ các tia hồng ngoại. Tùy thuộc vào biến thiên nhiệt độ không khí theo độ cao, cấu trúc khí quyển có thể được chia thành các lớp khác nhau. 1.2.1. Mật độ và áp suất không khí 1.2.1.1. Mật độ không khí Mật độ không khí (kg/m3) được tính bằng khối lượng khí trên một đơn vị thể tích. Do oxi và nitơ tập trung gần bề mặt Trái đất, mật độ không khí giảm theo hàm mũ khi độ cao tăng. Ước tính khoảng 50% các khí nằm dưới độ cao 5,5 km và 99,9% các khí trong khí quyển nằm dưới độ cao 48 km. Mật độ không khí được tính toán gần đúng theo phương trình trạng thái: p ρ = t t RT 3 Trong đó: ρt , và pt lần lượt là mật độ (kg/m ) và áp suất (Pa) khí quyển (K). R và T lần lượt là hằng số khí (287,1 J/kg) và nhiệt độ khí quyển. Mật độ của không khí tại mực nước biển đạt giá trị khoảng 1,2 kg/m3. Mật độ của khí quyển thường được các nhà khí tượng học, các trung tâm vũ trụ tính toán và sử dụng để dự báo thời tiết và tình trạng quỹ đạo của các vệ tinh. 1.2.1.2. Áp suất không khí Áp suất không khí được tính bằng tỷ số giữa áp lực của không khí trên một đơn vị diện tích. Do khi độ cao của lớp khí tăng, mật độ không khí giảm nên áp 12
  13. suất không khí cũng giảm theo. Áp suất tiêu chuẩn tại bề mặt nước biển là 1013 mb trong khi áp suất tại các độ cao ứng với 50%, 90%, 99% và 99,9% khối lượng không khí trong khí quyển lần lượt là 500 mbar, 100 mbar, 10 mbar và 1 mbar (1 mbar = 100 N/m2 = 100 Pascal). Áp suất không khí được tính gần đúng theo công thức: g ()zz12− RT12− ppe21= . Trong đó: p2 và p1 lần lượt là áp suất (Pa) tại độ cao hình học z1 và z2 (m) T1-2 – trị số nhiệt độ tuyệt đối trung bình (K) giữa các độ cao z1, z2 g – gia tốc trọng trường (9,81 m/s2) Hình 1.2. Biến thiên của áp suất không khí theo độ cao khí quyển Áp suất khí quyển liên quan trực tiếp tới mật độ không khí. Điều đó có nghĩa là áp suất khí quyển dao động theo khu vực và thời gian. Áp suất khí quyển giảm khoảng 50% khi lên tới độ cao chừng 5 km (tương đương với khoảng 50% của tổng khối lượng không khí nằm trong phạm vi 5 km bề mặt Trái Đất). Áp suất 13
  14. trung bình của khí quyển tại mực nước biển đạt giá trị khoảng 101,3 kPa hay 760 mm thủy ngân. 1.2.2. Cấu trúc khí quyển theo biến thiên nhiệt độ Căn cứ vào sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao, người ta thường chia khí quyển thành hai phần: phần trong và phần ngoài. Phần trong gồm bốn tầng: tầng đối lưu (troposhere), tầng bình lưu (stratosphere), tầng trung lưu (mesosphere) và tầng nhiệt lưu (thermosphere). Phần ngoài là tầng điện li (exosphere). Các tầng được phân cách bởi các lớp dừng. Các quá trình quan trọng ảnh hưởng tới nhiệt độ không khí gồm đối lưu, dẫn nhiệt và phát xạ. 1.2.1.1. Tầng đối lưu Tầng đối lưu bao gồm lớp khí quyển bao quanh Trái đất, có độ cao tại xích đạo từ 16 – 18 km, tại các cực từ 7 – 9 km và tại các vĩ tuyến trung bình từ 10 – 12 km. Tầng đối lưu chiếm khoảng 70% khối lượng khí quyển với khối lượng khoảng 4,12.1015 tấn. Nếu không bị ô nhiễm, thì thành phần của khí quyển ở tầng đối lưu (chủ yếu gồm N2, O2, CO2 và hơi nước) là khá đồng nhất do có dòng đối lưu liên tục của các khối không khí trong tầng. Nhiệt độ trong tầng đối lưu giảm theo độ cao, từ 15oC ở mặt nước biển đến - 56oC ở đỉnh của tầng này. Nguyên nhân là do hơi nước trong tầng đối lưu hấp thụ mạnh các bức xạ nhiệt từ mặt đất, làm không khí gần mặt đất nóng lên. Tuy nhiên, càng lên cao, mật độ không khí càng giảm, độ truyền nhiệt giữa các lớp khí càng kém và không khí càng ít được nung nóng. Độ giảm nhiệt độ trung bình theo độ cao trong tầng đối lưu nằm trong khoảng từ 0,6 – 0,7oC/100m. Tầng đối lưu được chia thành lớp biên, lớp trung gian và lớp dừng. Lớp biên nằm gần bề mặt Trái đất nhất và có độ cao từ 500m đến 3000m. Mọi hoạt động của con người đều nằm trong lớp biên và do vậy các khí thải từ mặt đất sẽ tích tụ trước tiên trong lớp này. Lớp giữa nằm phía trên lớp biên. Khi có sự thay đổi nhiệt độ của mặt đất, nhiệt độ của lớp biên sẽ có sự thay đổi tương ứng trong thời gian ngắn (thường ít 14
  15. hơn một giờ) trong khi nhiệt độ của lớp giữa sẽ có sự thay đổi tương ứng trong thời gian dài. Lớp dừng có chiều dày khoảng 1 km, nằm ở phía trên cùng của tầng đối lưu. Lớp dừng có nhiệt độ ít thay đổi khi tăng độ cao và lớp ngăn cách giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu. Các chất gây ô nhiễm khí quyển dễ dàng được hòa trộn ở trong tầng đối lưu do có sự luân chuyển đối lưu. Không khí trong tầng đối lưu chuyển động theo chiều thẳng đứng và nằm ngang rất mạnh làm cho nước thay đổi cả ba trạng thái (rắn, lỏng, khí), gây ra hàng loạt quá trình thay đổi vật lý. Những hiện tượng mưa, mưa đá, gió, tuyết, sương mù, đều diễn ra ở tầng đối lưu. Ngoài ra còn sự xáo trộn của các dòng năng lượng và những đám mây hơi nước chuyển động trên phạm vi toàn cầu. Đây là điểm khác biệt điển hình của tầng đối lưu so với các tầng khí quyển khác. Một trong các nguyên nhân tạo nên sự đối lưu là do năng lượng Mặt trời đi đến các vùng khác nhau là không đồng đều tạo nên các vùng có nhiệt độ khác nhau. Có thể kể đến các nguyên nhân do đặc điểm địa hình khu vực (đồi, núi), do mây che Năng lượng nhiệt được truyền từ mặt đất đến các phân tử khí thuộc lớp biên làm chúng chuyển động đi lên. Không khí lạnh từ các điểm lân cận chuyển động tới thay thế lớp khí nóng và tiếp tục lặp lại quá trình trên, tạo nên sự đối lưu theo phương thẳng. Mọi hiện tượng của thời tiết (ví dụ mưa, bão, gió ) đều diễn ra ở tầng đối lưu. Do vậy tầng đối lưu có tác động trực tiếp và quan trọng đến sự sống trên Trái đất. 1.2.1.2. Tầng bình lưu Tầng bình lưu nằm ở độ cao từ 11 đến 50 km. Thành phần hóa học chủ yếu • • • của tầng này là O3, N2, O2, gốc hyđroperoxi (HO2 ) và hyđroxil (HO ). Ký hiệu dùng để chỉ các gốc tự do. Phía trên đỉnh tầng đối lưu và phần dưới của tầng bình lưu là tầng ozon, tập trung ở độ cao 20 – 30 km. Nhiệt độ trong tầng ozon rất ít thay đổi. Tầng ozon có vai trò cực kỳ quan trọng như một tấm lá chắn bảo vệ cho cuộc sống trên bề mặt Trái đất. Ozon có khả năng hấp thụ một số bức xạ tử ngoại và phát xạ các tia hồng ngoại, làm nóng không khí trong tầng bình lưu. Nhờ vậy, 15
  16. khác với tầng đối lưu, nhiệt độ ở tầng bình lưu tăng theo độ cao, từ -56°C đến - 2°C. Nhiệt độ trong tầng bình lưu đạt cực đại ở phía trên đỉnh của tầng do tại độ cao đó ozon hấp thụ phần lớn các tia có bước sóng ngắn trong vùng tử ngoại. Ở tầng bình lưu, ít có dòng đối lưu. Không khí chuyển động chủ yếu theo phương ngang. Do đó phải mất hàng năm, các chất khí mới có thể hòa trộn được với nhau và thời gian lưu của các phần tử hóa học ở tầng này khá lớn. Nếu các chất gây ô nhiễm xâm nhập được vào tầng bình lưu, thì chúng sẽ tồn tại và gây ảnh hưởng tác động lâu dài hơn so với khi còn ở tầng đối lưu. 1.2.1.3. Tầng trung lưu Tầng trung lưu nằm ở độ cao từ 50 km đến 85 km, có thành phần hóa học chủ + + + yếu là O , O2 , O2, NO và N2. Mật độ ozon trong tầng trung lưu khá thấp dẫn đến việc hấp thụ các tia tử ngoại là ít hơn hẳn so với trong tầng bình lưu. Hệ quả là nhiệt độ trong tầng này giảm dần theo độ cao, từ -2oC đến -92oC. 1.2.1.4. Tầng nhiệt lưu Tầng nhiệt lưu nằm ở độ cao từ 85 km đến 500 km. Oxi và nitơ trong tầng nhiệt lưu hấp thụ các bức xạ có bước sóng ngắn, thuộc vùng tử ngoại xa làm nhiệt độ trong tầng này tăng theo độ cao, từ -92oC đến 1200oC, đồng thời tạo thành + + + - - nhiều ion. Các ion chủ yếu trong tầng nhiệt lưu gồm O , O2 , NO , NO2 , NO3 . 1.2.1.5. Tầng điện li Tầng điện li là tầng khí quyển cao nhất, nằm ở độ cao lớn hơn 800 km. Ước tính, giới hạn trên của tầng điện li kéo dài đến độ cao 1000 km, với thành phần chủ yếu là các ion O+, H+, He+. Đây là tầng khí quyển có sự tiếp nhận các dòng plasma do Mặt trời phát ra và bụi vũ trụ. Nhiệt độ của tầng điện li có thể tăng đến 1700oC. Bên ngoài tầng điện li là không gian vũ trụ. Ngoài các tầng trên, còn có khái niệm về tầng ion. Tầng ion nằm ở độ cao lớn hơn 60 km so với tầng trung lưu, không vượt quá phạm vi của tầng nhiệt lưu và có chứa nhiều ion. Tầng ion được chia thành ba vùng: D, E và F dựa theo vào phân bố của các ion trong tầng. 16
  17. Hình 1.3. Minh họa cấu trúc khí quyển theo biến thiên nhiệt độ 17
  18. 1.3. THÀNH PHẦN CỦA KHÍ QUYỂN Khí quyển hiện nay, ở độ cao nhỏ hơn 100 km, chứa một số ít các khí được hòa trộn tốt trong không gian. Các khí đó được gọi là các khí chủ yếu, có phần trăm trong khí quyển tương đối ổn định theo thời gian và không gian. Phần trăm của chúng được trình bày trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Phần trăm của các khí chủ yếu Công thức hóa học Tỷ lệ Phần trăm Nồng độ (ppmv)(*) N2 78,08 780.000 O2 20,95 209.500 Ar 0,93 9.300 Ne 0,0015 15 He 0,0005 5 Kr 0,0001 1 Xe 0,000005 0,05 (*) ppmv: nồng độ phần triệu tính theo thể tích Ngoài các khí chủ yếu, khí quyển còn tồn tại nhiều khí thứ yếu có hàm lượng nhỏ, thành phần thay đổi theo thời gian và không gian. Phần lớn các khí này là các khí nhân tạo và có tác động xấu đến chất lượng môi trường. Bảng 1.2. Phần trăm của các khí thứ yếu Tên chất Công thức Nồng độ (ppbv) Tầng đối lưu Tầng đối lưu Tầng bình tự nhiên ô nhiễm lưu Chất vô cơ 7 6 7 Hơi nước H2O 3.000 – 4x10 5x10 – 4x10 3.000 – 6.000 Cacbon đioxit CO2 365.000 365.000 365.000 Cacbon oxit CO 40 – 200 2.000 – 10 - 60 10.000 18
  19. Tên chất Công thức Nồng độ (ppbv) Tầng đối lưu Tầng đối lưu Tầng bình tự nhiên ô nhiễm lưu Ozon O3 10 – 100 10 - 350 1.000-12.000 Lưu huỳnh đioxit SO2 0,02 – 1 1 – 30 0,01 – 1 Nitơ oxit NO 0,005 – 0,1 0,05 – 300 0,005 – 10 Ni tơ (IV) oxit NO2 0,01 – 0,3 0,2 – 200 0,005 – 10 CFC-12 CF2Cl2 0,55 0,55 0,22 Chất hữu cơ Mêtan CH4 1.800 1.800 – 2.500 150 – 1.700 Êtan C2H6 0 – 2,5 1 - 50 - Eten C2H4 0 – 1 1 - 30 - Formaldehit HCHO 0,1 - 1 1 - 200 - Toluen C6H5CH3 - 1 – 30 - Xylen C6H4(CH3)2 - 1 – 30 - Metyl clorit CH3Cl 0,61 0,61 0,36 (*) ppbv: nồng độ phần tỷ tính theo thể tích Nguồn tạo ra các khí thứ yếu được trình bày trong bảng 1.3. Bảng 1.3. Nguồn tự nhiên và nhân tạo của một số khí thứ yếu Tên chất Nguồn tự nhiên Nguồn nhân tạo Các hợp chất của C CO2 Hô hấp, oxi hóa CO, cháy Đốt cháy dầu, khí ga, than đá, gỗ; rừng nung vôi CH4 Quá trình lên men, khí thoát Khí thoát từ cống rãnh trong đô ra từ đầm lầy, đại dương thị, từ hoạt động khai thác than CO Cháy rừng, oxi hóa Đốt cháy không hoàn toàn gỗ, đốt hyđrocacbon nhiên liệu trong phương tiện giao thông, hoạt động công nghiệp 19
  20. Tên chất Nguồn tự nhiên Nguồn nhân tạo Ankan (từ Hoạt động hiếu khí của vi Khí tự nhiên, khí thải phương tiện êtan đến sinh vật giao thông hexan) Anken (từ Phản ứng phân hủy quang Khí thải phương tiện giao thông êten đến hóa các chất hữu cơ hòa tan hexen) trong đại dương Các chất hữu Rất ít Khí thải phương tiện giao thông, cơ thơm đa phát thải từ sơn, dung môi, xăng vòng dầu Terpen Thực vật Không có (C10H16) CFC và HFC Không có Tủ lạnh Các hợp chất của N NO Cháy rừng, phân hủy kỵ khí Đốt cháy nhiên liệu trong đất NO2 Cháy rừng, bão từ Đốt cháy nhiên liệu N2O Từ hoạt động của vi sinh vật Đốt cháy nhiên liệu trong đất, đại dương NH3 Phân hủy hiếu khí trong đất, Đốt cháy nhiên liệu, quá trình xử lí phân hủy aminôaxit nước thải Các hợp chất của S Dimetyl sunfit Từ hoạt động của vi sinh vật Khí bãi rác (DMS) (Phytoplankton) SO2 Oxi hóa H2S, hoạt động của Đốt cháy nhiên liệu, từ quặng núi lửa sunfit Một số khí khác H2 Đại dương, đất, oxi hóa Khí thải phương tiện giao thông 20
  21. Tên chất Nguồn tự nhiên Nguồn nhân tạo mêtan, isopren O3 Từ O2, từ phản ứng của NO, Máy bay siêu tốc NO2 Nitơ và oxi là hai thành phần chủ yếu của khí quyển. Nitơ là chất khí khá trơ về mặt hóa học, nó hầu như không tham gia các phản ứng hóa học ở điều kiện thường. Ở nhiệt độ cao, hoặc trong tia lửa điện, nitơ tác dụng với oxi tạo thành NO, tác dụng với hydro tạo thành NH3. Một số vi sinh vật trong tự nhiên có thể vượt qua được hàng rào năng lượng cao để phá vỡ liên kết bền vững trong phân tử nitơ, tạo thành các hợp chất của nitơ, cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết cho như cầu phát triển của thực vật trong tự nhiên. Oxi là chất khí quan trọng trong khí quyển đối với động vật trên cạn cũng như với động vật dưới nước. Oxi là chất khí có hoạt tính hóa học cao, vì vậy, trong khí quyển, oxi tham gia vào nhiều phản ứng, tạo thành nhiều sản phẩm khác nhau. Nồng độ oxi trong khí quyển nguyên thủy rất thấp, sau đó tăng dần qua các kỷ nguyên địa chất, chủ yếu do quá trình 1.4. CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC CHỦ YẾU TRONG KHÍ QUYỂN Việc nghiên cứu về các phản ứng hóa học trong khí quyển là khá phức tạp. Nhiều chất tồn tại trong khí quyển với nồng độ thấp nên việc phát hiện và phân tích chúng khá khó khăn. Việc mô phỏng các điều kiện môi trường ở lớp khí quyển cao cũng gặp nhiều trở ngại do có nhiều yếu tố ảnh hưởng. Ở các lớp trên của khí quyển (> 50 km) tồn tại lượng lớn các ion dương và electron, rất khó cho việc mô phỏng trong phòng thí nghiệm. Các ion đó có thể tồn tại trong thời gian dài trước khi kết hợp thành chất trung hòa. Hóa học khí quyển nghiên cứu không khí ở trạng thái không ô nhiễm, ô nhiễm ở mức cao và các mức độ ở giữa hai trạng thái trên. Các chất và tác nhân có khả năng tham gia phản ứng trong khí quyển là khá nhiều và có thể phân loại thành nhóm các chất vô cơ (CO, CO2, NO2, SO2), tác nhân oxi hóa (O3, H2O2, các 21
  22. • • • • gốc tự do HO , HO2 , ROO , NO3 ), chất khử (CO, SO2, H2S), chất hữu cơ (CH4, ankan, anken, aren, HCHO), chất bị oxi hóa (hợp chất cacbonyl, N hữu cơ), axit (HNO3), bazơ (NH3), muối (NH4HSO4) và các tác nhân không bền vững (NO2 ở trạng thái kích thích). Các phản ứng trong khí quyển có thể diễn ra ở pha khí hoặc trên diện tích bề mặt của các hạt bụi và chất lỏng tồn tại trong sol khí và các đám mây. 1.4.1. Phản ứng quang hóa Các phản ứng hóa học xảy ra, trong đó năng lượng cần thiết cho phản ứng được hấp thụ từ các sóng điện từ (thường có bước sóng thuộc vùng tử ngoại và vùng khả kiến) được gọi là phản ứng quang hóa. Quá trình quang hóa gồm nhiều phản ứng hóa học. Các dạng phản ứng quang hóa bao gồm: - Phản ứng hấp thụ năng lượng: * NO2 + hν → NO2 Ký hiệu * dùng để chỉ các chất ở trạng thái kích hoạt, sau khi được hấp thụ năng lượng. Tiếp theo, chất sau khi được kích hoạt có thể tham gia nhiều loại phản ứng: - Phản ứng tỏa nhiệt: các phân tử kích hoạt bị mất năng lượng dưới dạng nhiệt. * O2 → O2 + E Trong đó: E – năng lượng được giải phóng - Phản ứng phân ly: phản ứng diễn ra phổ biến ở tầng cao của khí quyển để tạo thành các nguyên tử oxi. * O2 → O + O * - Phản ứng trực tiếp: O2 + O3 → 2O2 + O - Phản ứng phát xạ: năng lượng của phân tử ở trạng thái kích hoạt có thể mất đi dưới dạng sóng điện từ. Khi bước sóng của tia điện từ nằm trong vùng khả kiến thì phản ứng được gọi là phản ứng phát quang. * NO2 → NO2 + hν 22
  23. * * - Phản ứng trao đổi năng lượng liên phân tử: O2 + M → O2 + M - Phản ứng trao đổi năng lượng nội phân tử: năng lượng được trao đổi ngay trong phân tử làm chúng chuyển từ trạng thái kích hoạt này sang trạng thái kích hoạt khác. A* → A*’ - Phản ứng isomer hóa: phản ứng chuyển từ octo-nitrobenzalđehit sang axit octo-nitrobenzoic thường được dùng trong thiết bị đo lượng phát xạ của bức xạ điện từ: C6H4(NO2)CHO + hν → C6H4(NO)COOH * + - - Phản ứng ion hóa: N2 → N2 + e 1.4.2. Phản ứng của oxi trong khí quyển 1.4.2.1. Tiêu thụ oxi Trong tầng đối lưu, oxi đóng một vai trò quan trọng trong các quá trình xảy ra trên bề mặt Trái đất. Oxi bị tiêu thụ qua các phản ứng chủ yếu: - Phản ứng cháy: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O - Phản ứng đốt nhiên liệu hóa thạch: C + O2 = CO2 - Hô hấp của động vật: {CH2O} + O2 → CO2 + H2O - Oxi hóa và phong hóa các oxit: ví dụ phản ứng 4FeO + O2 = 2Fe2O3 - Phản ứng quang hóa tạo ozon: từ O2 tạo ra O3. 1.4.2.2. Tái tạo oxi Bên cạnh các quá trình tiêu thụ oxi, trong khí quyển oxi được tái tạo nhờ quá trình quang hợp: CO2 + H2O + hν → {CH2O} + O2 Phần lớn lượng oxi có trong khí quyển là sản phẩm của quá trình quang hợp. Lượng cacbon được cố định trong các sản phẩm hữu cơ do quá trình quang hợp trước đây tạo ra, hiện đang phân tán trong tự nhiên chủ yếu duới dạng các hợp chất humic. Chỉ một phần nhỏ lượng cacbon này chuyển thành các loại nhiên liệu 23
  24. hóa thạch. Vì vậy, mặc dầu ngày nay việc đốt nhiên liệu hóa thạch tiêu tốn một lượng lớn oxi, nhưng nguy cơ sử dụng hết oxi trong khí quyển là hoàn toàn không thể xảy ra. Oxi không chỉ tồn tại ở dạng phân tử mà còn tồn tại ở các dạng khác như + + nguyên tử O, ion O và O2 . Dưới tác dụng của tia tử ngoại, O2 bị phân tích thành oxi nguyên tử: O2 + hν → O + O λ < 290 nm * O3 + hν → O2 + O λ = 290 ÷ 320 nm O* bức xạ ra ánh sáng có các bước sóng 636 nm, 630 nm và 558 nm. Các bức xạ đó là một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng phát sáng của khí quyển. Ion O+ được sinh ra trong khí quyển do oxi nguyên tử hấp thụ năng lượng trong vùng bức xạ tử ngoại và tồn tại trong tầng ion: O + hν → O+ + e + + + Sau đó, ion O tiếp tục phản ứng với O2 và N2 tạo thành ion O2 và NO : + + O + O2 → O2 + O + + O + N2 → NO + N + Ion O2 còn được tạo thành do các phản ứng: + O2 + hν → O2 + e λ nằm trong khoảng 17 ÷ 103 nm + + N2 + O2 → N2 + O2 1.4.3. Phản ứng của các hợp chất N trong khí quyển So với các hợp chất của nitơ, N2 tương đối trơ về mặt hóa học do năng lượng liên kết phân tử lớn (E = 942 kJ/mol). Ở điều kiện nhiệt độ cao hoặc khi hấp thụ các tia sóng ngắn (λ < 100 nm), N2 có thể tham gia phản ứng tạo thành NO và + ion N2 : + N2 + hν → N2 + e N2 + O2 → 2NO 24
  25. Trong khi đó, ở tầng đối lưu, sự góp mặt của các oxit N2O, NO, NO2 góp phần đáng kể vào sự ô nhiễm không khí. Các oxit này tham gia vào hàng loạt các phản ứng quang hóa tạo thành các gốc tự do. - Phản ứng quang hóa của N2O: N2O + hν → NO + N N2O + O → 2 NO N2O + O → N2 + O2 - Phản ứng quang hóa của NO: NO + O2 NO2 NO + O3 NO2 + O2 • • NO + HO2 → NO2 + HO • NO + HO → HNO2 - Phản ứng quang hóa của NO2 NO2 + hν → NO + O λ 430 nm Tập hợp các oxit của N còn được ký hiệu chung là NOx. Chúng có thể tham • gia vào quá trình phân hủy O3, tạo thành gốc tự do NO3 : O + O2 + M → O3 + M NO + O3 → NO2 + O2 • NO2 + O3 → NO3 + O2 NO2 + O → NO + O2 • NO2 + O + M → NO3 + M • NO2 + NO3 → N2O5 • NO + NO3 → 2NO2 O + NO + M → NO2 + M Trong các phản ứng trên, M là các phân tử khác như N2 hoặc O2 đóng vai trò tác nhân hấp thụ năng lượng do phản ứng giải phóng ra. Quá trình quang hóa của các oxit NOx bị ngắt mạch do các phản ứng sau: 25
  26. • NO2 + HO → HNO3 • NO2 + HO2 → HO2.NO2 • NO2 + R-C(=O)O2 → R-C(=O)-O-O-NO2 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO N2O5 + H2O → 2HNO3 1.4.4. Phản ứng của các hợp chất S trong khí quyển Các hợp chất của lưu huỳnh tồn tại trong khí quyển xuất phát từ các nguồn chính gồm: đốt cháy nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá), hoạt động giao thông và hoạt động của núi lửa. Các hợp chất của lưu huỳnh, chủ yếu gồm SO2, SO3, H2S, H2SO4 và các muối sunfat, nằm trong không khí một thời gian sau đó sa lắng xuống môi trường đất và đại dương. Theo số liệu ước tính năm 1960, có khoảng 2- 2- 46 triệu tấn S ở dạng SO2 và SO3, 39 triệu tấn ở dạng SO3 và SO4 và 272 triệu tấn ở dạng H2S tồn tại trong khí quyển ở qui mô toàn cầu. - Phản ứng đốt cháy nhiên liệu: 2FeS2 + 11/2 O2 → 4SO2 + Fe2O3 Các hợp chất của lưu huỳnh xuất hiện trong các phản ứng hóa học như chất tham gia hoặc sản phẩm tạo thành. Điều này thể hiện qua các phản ứng trong khí quyển của SO2. SO2 có thể tham gia các phản ứng quang hóa, oxi hóa với sự có mặt của xúc tác, phản ứng với NH3. a. Phản ứng quang hóa * SO2 + hν → SO2 λ = 300 ÷ 400 nm b. Phản ứng với một số gốc hóa học Phản ứng tạo thành SO3: • • SO2 + HO2 → HO + SO3 • • SO2 + RO2 → RO + SO3 (R: gốc alkyl) - Phản ứng với gốc HO• • • SO2 + HO + M → HOSO2 + M • • HOSO2 + O2 → HOSO2O2 • • HOSO2O2 + NO → HOSO2O + NO2 26
  27. c. SO2 phản ứng với NH3 trong khí quyển + 2- NH3 + SO2 + H2O → 2NH4 + SO3 2- SO3 + H2O → H2SO4 2NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4 SO2 + 0,5 O2 → SO3 SO3 + H2O → H2SO4 2+ 2+ H2SO4 + Me → MeSO4 + H2. Trong đó Me là các ion kim loại như Fe , Cu2+ d. Phản ứng tạo thành H2SO4 SO2 + 0,5O2 + H2O → H2SO4 SO2 + H2O H2SO3 + - + 2- H2SO3 H + HSO3 2H + SO3 2- SO3 + H2O H2SO4 e. Các phản ứng trong khí quyển của H2S H2S + O3 → H2O + SO2 Các hợp chất khác của S như SO3, H2SO4 chủ yếu tham gia trong quá trình tạo mưa axit. 1.4.5. Phản ứng của các hợp chất C trong khí quyển a. Các oxit của C Các oxit của C trong khí quyển gồm CO và CO2. Phản ứng của CO2 trong khí quyển diễn ra chủ yếu là phản ứng quang hợp và phản ứng quang hóa tạo CO CO2 + H2O + hν → {CH2O} + O2 CO2 + hν → CO + O Với CO: • CO + OH → H + CO2 b. Phản ứng với ankan - Với CH4 • • HO + CH4 → CH3 + H2O 27
  28. • • CH3 + O2 → CH3O2 • • CH3O2 + NO → CH3O + NO2 • • CH3O + O2 → HCHO + HO2 HCHO là chất trung gian để tạo thành CO: • • HCHO + HO → H2O + HCO • • HCO + O2 → CO + HO2 - Với các ankan khác • • RCH3 + HO → RCH2 + H2O • • RCH2 + O2 → RCH2O2 • • • RCH2O2 + NO → RCH2O + NO2 RCH2O• → R• + HCHO • • RCH2O + O2 → RCHO + HO2 c. Phản ứng với anken • • R-CH=CH2 + HO → R-CH-CH2-OH • • R-CH-CH2-OH + O2 → R-CHO2-CH2-OH • • R-CHO2-CH2-OH + NO → R-CHO-CH2-OH + NO2 • • R-CHO-CH2-OH → R-CHO + CH2OH • • CH2OH + O2 → HCHO + HO2 d. Phản ứng với aren Một ví dụ điển hình là benzen: sản phẩm là phenol và các chất hữu cơ mạch vòng. • C6H6 + HO → C6H5OH + H • • C6H6 + HO → C6H5 + H2O • • C6H5CH2R + HO → C6H5CHR + H2O 1.4.6. Phản ứng của các gốc tự do trong khí quyển Trong khí quyển tồn tại các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử chứa một • • electron độc thân được gọi chung là các gốc tự do. Ví dụ các gốc H3C và CHO được tạo thành từ phản ứng: 28
  29. • • CH3CHO + hν → H3C + CHO Gốc tự do đóng vai trò quan trọng và tham gia vào hầu hết các phản ứng trong khí quyển. Do có chứa electron độc thân, các gốc tự do có khả năng phản ứng cao. Chúng có thể tham gia vào phản ứng dây chuyền, tạo ra hàng loạt chất trong khí quyển. Một số gốc tự do có thể tồn tại trong lớp không khí loãng với thời gian lưu là vài phút hoặc lâu hơn, trước khi kết hợp với các chất khác. Bên cạnh đó, một số gốc tự do không bền, có thời gian lưu rất ngắn do chúng có thể nhanh chóng mất năng lượng dưới dạng nhiệt. a. Gốc hydroxil (HO•) và hydroperoxi (HOO•) Gốc hydroxil là gốc tự do đóng vai trò quan trọng nhất trong các phản ứng hóa học khí quyển. - Quá trình tạo thành gốc HO• • H2O + hν → HO + H O3 + hν → O* + O2 λ < 315 nm • O* + H2O → 2HO Trong phòng thí nghiệm gốc HO• được tạo thành bởi phản ứng: HONO + hν → HO• + NO - Quá trình HO• tham gia các phản ứng: quan trọng nhất là phản ứng với CO, SO2, H2S, RH và NO2: • HO + CO → H + CO2 • HO + SO2 → HSO3 • HO + NO2 → HNO3 • HO + H2S → HS + H2O • • HO + RH → R + H2O R – gốc ankyl Gốc hydroxil được loại bỏ khỏi tầng đối lưu chủ yếu do phản ứng với mêtan hoặc CO. • • CH4 + HO → H3C + H2O • CO + HO → CO2 + H 29
  30. • Gốc H3C và nguyên tử H tạo thành có thể phản ứng với oxi tạo thành gốc metylperoxil và hydroperoxi. • • H3C + O2 → H3COO • H + O2 → HOO Gốc HOO• đóng vai trò trung gian quan trọng trong nhiều phản ứng. Ở trong khí quyển ô nhiễm, HOO• còn được tạo thành từ HCHO: HCHO + hν → H + HCO• • • HCO + O2 → HOO + CO Gốc hydroperoxi tham gia vào phản ứng tạo gốc hydroxil và quá trình ngắt mạch của phản ứng dây chuyền: • • HOO + NO → NO2 + HO • • HOO + O3 → 2O2 + HO • • HOO + O → HO + O2 • • HOO + HO → H2O + O2 • • HOO + HOO → H2O2 + O2 Hàm lượng trung bình của gốc hydroxil phụ thuộc vào từng mùa và ước tính nằm trong khoảng từ 2.105 đến 106 gốc/cm3 ở tầng đối lưu. Ở vùng nhiệt đới, do có độ ẩm và mật độ ánh sáng cao, hàm lượng O* được tạo thành nhiều hơn so với các vùng khác, dẫn tới hàm lượng gốc HO• trong khí quyển cũng cao hơn. b. Một số gốc tự do khác Các gốc tự do đáng chú ý khác gồm gốc alkyl (R•), axyl (RCO•) và ankoxil (RO•). Các gốc ankyl, axyl kết hợp với oxi phân tử tạo các gốc peoxi: ROO• • • (peoxiankyl, gồm cả HO2 ) và RC(=O)OO (peoxiaxyl). - Phản ứng với O2: các phản ứng chủ yếu gồm • • R + O2 → ROO • • RCO + O2 → RC(=O)OO • • RO + O2 → RCHO + HO2 - Các gốc tạo thành có thể tham gia phản ứng với NO: • • ROO + NO → NO2 + RO 30
  31. • • RC(=O)OO + NO → NO2 + RCOO RO• + NO → RONO (nitratankyl) Các gốc cũng có thể phản ứng với nhau tạo ra sự ngắt mạch: • • ROO + ROO → O2 + ROOR 1.4.7. Phản ứng axit bazơ Ngoài phản ứng quang hóa còn có các phản ứng hóa học khác diễn ra trong khí quyển như phản ứng cháy, oxi hóa khử, phản ứng axit bazơ. - Các phản ứng và quá trình tạo các chất mang tính axit: CO2(khí) CO2(dung dịch) + - CO2 + H2O H + HCO3 + - SO2 + H2O H + HSO3 Ngoài ra, các axit khác HNO3 và H2SO4 cũng được tạo thành từ các oxit tương ứng của N và S. - Quá trình tạo các chất mang tính bazơ: NH3 tạo thành từ phân hủy sinh học của hợp chất N, tồn tại đáng kể so với các bazơ khác: - + NO3 + 2CH2O + H → NH3 + 2CO2 + H2O NH3 + HNO3 → NH4NO3 NH3 + H2SO4 → NH4HSO4 1.5. Ô NHIỄM KHÍ QUYỂN 1.5.1. Các nguồn ô nhiễm khí quyển Có năm nhóm gây ô nhiễm sơ cấp chính, đóng góp chủ yếu vào tình trạng ô nhiễm không khí toàn cầu gồm: - Các oxit của lưu huỳnh (chủ yếu là SO2) - Các oxit của nitơ (chủ yếu là NO, NO2) - Các oxit của cacbon (CO, CO2) - Bụi lơ lửng 31
  32. - Các hyđrocacbon Trong các nguồn ô nhiễm từ tự nhiên, nguồn lớn nhất là do núi lửa phun trào (khí SO2, H2S, các sulfua hữu cơ ), do cháy rừng (khí CO, SO2, tro bụi ), bão bụi. Hoạt động của núi lửa và quá trình cháy không kiểm soát được do cháy rừng, diễn ra hàng năm trên thế giới đã thải vào bầu khí quyển một lượng đáng kể các khí ô nhiễm kể trên. Ngoài ra, nguồn ô nhiễm đáng kể khác là bụi vũ trụ. Ngoài phần ô nhiễm do thiên nhiên, con người góp phần vào việc gây ô nhiễm môi trường sống. Các nguồn thải đáng kể đến từ hoạt động sản xuất công nghiệp (quá trình sản xuất điện (nhà máy nhiệt điện), quá trình sản xuất hóa chất, sản xuất vật liệu, luyện kim và khai thác mỏ ) và do giao thông vận tải (giao thông đường bộ, giao thông thủy, giao thông đường sắt, hàng không). Cuối cùng là do hoạt động sinh hoạt của con người (đun bếp, đốt chất thải) và các nguồn ô nhiễm khác (sản xuất nông nghiệp, xây dựng công trình ) 1.5.2. Các chất ô nhiễm khí quyển điển hình 1.5.2.1. Các oxit của lưu huỳnh a. Sulfua dioxit (SO2) SO2 là khí không mầu, có thể phát hiện được mùi ở nồng độ lớn hơn 0,3 ppmv. Nguồn thải SO2 bắt nguồn từ hoạt động tự nhiên và từ hoạt động nhân tạo. Nguồn thải tự nhiên chủ yếu từ hoạt động của núi lửa và từ quá trình chuyển hóa chất do vi sinh vật. Các vi sinh vật thường tham gia quá trình chuyển hóa các chất có chứa lưu huỳnh tạo thành H2S, (CH3)2S, sau đó bị oxi hóa trong không khí tạo thành SO2. Nguồn thải nhân tạo sinh ra do đốt nhiên liệu hóa thạch có chứa lưu huỳnh, như đốt nhiên liệu trong nhà máy nhiệt điện, trong hoạt động công nghiệp, luyện quặng kim loại có chứa sulfua. SO2 gây tác hại đến con người chủ yếu qua đường hô hấp, gây khó thở, đau khí quản và bệnh phổi mạn tính. SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể người qua hít thở hoặc tiếp xúc qua da. Tùy theo nồng độ phơi nhiễm, con đường tiếp xúc và thời 32
  33. gian tiếp xúc mà SO2 có thể có những ảnh hưởng đến con người với mức độ khác nhau. Bảng 1.3. Ảnh hưởng của SO2 đến con người Nồng độ (ppm) Thời gian tiếp xúc Ảnh hưởng 0,03 – 0,5 liên tục với thời gian dài Viêm cuống phổi 1 - 5 30 phút Ngạt thở 5 - 20 > 6 giờ Co thắt thanh quản, tổn thương phổi 20 > 6 giờ Phù phổi, tử vong b. Sulfua trioxit (SO3) Khi xâm nhập vào môi trường, SO2 có thể tham gia phản ứng tạo thành SO3. Nếu người hít thở không khí chứa SO3, chất này sẽ có thể tiếp tục phản ứng và tạo thành H2SO4 trong đường hô hấp. Hậu quả của việc hít phải khí SO3 là các bộ phận của cơ thể như mắt, da, đường hô hấp sẽ bị phá hủy, sưng tấy. 1.5.2.2. Các oxit của nitơ Trong các oxit của nitơ, NO và NO2 là được xem là các chất ô nhiễm sơ cấp đáng lưu ý nhất. NO có thể được tạo thành từ 2 nguồn: tự nhiên và nhân tạo. - Nguồn tự nhiên: là quá trình cháy của sinh khối (cháy rừng), sấm chớp, oxi 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. ● Độc tính - NO2 rất độc hại với sức khỏe con người. Ảnh hưởng độc của NO2 được trình bày trong bảng 2.4. Bảng 2.4. Ảnh hưởng của NO2 đến con người Nồng độ NO2 (ppm) Thời gian tiếp xúc Ảnh hưởng đến con người 50 – 100 < 1 giờ Viêm phổi 150 – 200 < 1 giờ Phá hủy khí quản 33
  34. Nồng độ NO2 (ppm) Thời gian tiếp xúc Ảnh hưởng đến con người ≥ 500 2 – 10 ngày Tử vong - NO tạo liên kết với hemoglobin và làm giảm hiệu suất vận chuyển oxi. Trong không khí, NO tồn tại với hàm lượng thấp hơn nhiều so với CO, vì vậy tác động đến hemoglobin rất nhỏ. 1.5.2.3. Các oxit của cacbon a. Cacbon dioxit (CO2) - Đặc điểm khí: cacbon dioxit là chất khí không màu, hoạt tính hóa học trung bình. CO2 tan được một phần trong nước tạo ra axit cacbonic. - Nguồn thải: CO2 thu được từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cả khí thoát ra từ các núi lửa, sản phẩm cháy của các hợấp c t hữu cơ và hoạt động hô hấp của các sinh vật sống hiếu khí. Nó cũng được một số vi sinh vật sản xuất từ sự lên men và sự hô hấp của tế bào. Các loài thực vật hấp thụ điôxít cacbon trong quá trình quang hợp, và sử dụng cả cacbon và oxi để tạo ra các cacbohyđrat. Ngoài ra, thực vật cũng giải phóng oxi trở lại khí quyển, oxi này sẽ được các sinh vật dị dưỡng sử dụng trong quá trình hô hấp, tạo thành một chu trình. Nó có mặt trong khí quyển Trái Đất với nồng độ thấp và là thành phần chính trong chu trình cacbon. - Độc tính: CO2 không gây tác hại đến cơ thể người mà chủ yếu tác động đến môi trường qua hiệu ứng nhà kính. b. Cacbon monoxit (CO) - Đặc điểm khí: CO là chất khí không màu, không mùi, bắt cháy và có độc tính cao. Nó là sản phẩm chính của quá trình cháy không hoàn toàn của cacbon và các hợp chất chứa cacbon. - Nguồn thải: Có nhiều nguồn sinh ra khí CO. Khí thải của động cơ đốt trong tạo ra CO sau khi đốt các nhiên liệu chứa C. CO cũng tồn tại với một lượng nhỏ nhưng tính về nồng độ là đáng kể trong khói thu ốc lá. Trong gia đình, khí CO được tạo ra khi 34
  35. các nguồn nhiên liệu như xăng, hơi đốt, dầu hay gỗ không cháy hết trong các thiết bị - Độc tính: Khi con người hít thở phải một lượng quá lớn CO sẽ dẫn tới thương tổn do giảm oxi trong máu hay tổn thương hệ thần kinh cũng như có thể gây tử vong. Nồng độ chỉ khoảng 0,1% mônôxít cacbon trong không khí cũng có thể là nguy hiểm đến tính mạng. CO là chất khí không màu, không mùi và không gây kích ứng nên rất nguy hiểm vì người ta không cảm nhận được sự hiện diện của chúng trong không khí. CO có ái lực với hemoglobin (Hb) trong hồng cầu mạnh gấp 230 - 270 lần so với oxi nên khi được hít vào phổi CO sẽ liên kết với Hb thành HbCO do đó máu không thể chuyên chở oxi đến tế bào. CO còn gây tổn thương tim do gắn kết với myoglobin của cơ tim. Triệu chứng ngộ độc CO thường bắt đầu bằng cảm giác bần thần, nhức đầu, buồn nôn, khó thở rồi từ từ đi vào hôn mê. Nếu ngộ độc CO xảy ra khi đang ngủ say hoặc uống r ượu say thì người bị ngộ độc sẽ hôn mê từ từ, ngưng thở và tử vong. 1.5.2.4. Các hydrocacbon a. Các hydrocacbon gây ảnh hưởng trực tiếp tới con người - Các hyđrocacbon thơm đa vòng Hyđrocacbon thơm đa vòng (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAH) là những chất hữu cơ được cấu tạo từ một số nhân benzen (có ít nhất hai vòng benzen trong phân tử) đính trực tiếp với nhau. Phân tử PAH chỉ được tạo thành từ hai loại nguyên tử là cácbon và hyđro. Đã có hơn 200 PAH được phát hiện. Tuy nhiên phần lớn các nghiên cứu trên thế giới thường tập trung vào 18 PAH chủ yếu, có khả năng gây ung thư và đột biến gen vượt trội, cũng như tồn tại với hàm lượng đáng chú ý trong không khí. Các PAH này gồm Naphthalene, Acenaphthylene, Acenaphthene, Fluorene, Phenanthrene, Anthracene, Fluoranthene, Pyrene, Benzo(a)anthracene, Chrysene, Benzo(e)pyrene, Benzo(b)fluoranthene, Benzo(k) 35
  36. fluoranthene, Benzo(a)pyrene, Dibenzo(a,h)anthracene, Benzo(g,h,i)perylene, Indeno(1,2,3-cd)pyrene và Coronene. Anthracene Acenaphthene Benzo[a]pyrene Chrysene (C14H10) (C12H10) (C20H12) (C18H12) Naphthalene Coronene Fluoranthene Pyrene (C10H8) (C24H12) (C16H10) (C16H10) Hình 1.5. Công thức cấu tạo và công thức phân tử của một số PAH - Nguồn gốc: PAH có thể được phát thải từ nguồn tự nhiên và nguồn nhân tạo. Nguồn tự nhiên có thể từ hiện tượng núi lửa phun trào, quá trình hình thành đất đá, cháy rừng, tạo trầm tích. Tuy nhiên, nguồn phát thải PAH chính trong khí quyển lại bắt nguồn từ các hoạt động sống của con người như quá trình đốt cháy không hoàn toàn các nhiên liệu xăng, dầu diesel trong động cơ của các phương tiện giao thông hay trong nhà máy nhiệt điện. Ngoài ra việc đun nấu và sưởi ấm trong sinh hoạt (mùn cưa, than hoa, than tổ ong, gỗ), đốt rác và các quá trình công nghiệp cũng góp phần đáng kể vào phát thải PAH. Sau khi xâm nhập vào khí quyển, PAH có thể tồn tại ở pha khí hoặc hấp phụ lên các hạt bụi lơ lửng. Các PAH có phân tử lượng nhỏ chủ yếu tồn tại ở pha khí trong khí các PAH có từ năm vòng benzen trở lên lại tồn tại chủ yếu ở pha bụi. - Tác hại: 36
  37. PAH có thể xâm nhập vào cơ thể người thông qua thức ăn (do đun nấu ở điều kiện cháy không hoàn toàn), khí thở hoặc qua da khi trực tiếp tiếp xúc với vật liệu chứa họ chất này. PAH hấp phụ trên các hạt bụi mịn có thể thâm nhập vào trong phổi gây ung thư và đột biến gen. Tính độc của mỗi chất trong họ PAH lại phụ thuộc vào công thức cấu tạo của chúng. Nếu các PAH chứa từ 2 đến 3 vòng benzen thì khả năng gây ung thư và đột biến gen khá yếu. Trong khi đó, với các PAH chứa từ 4 đến 5 vòng benzen trở lên thì khả năng gây ung thư và đột biến gen là tương đối mạnh. - Các hydrocacbon khác: Các hydrocacbon đi vào vào không khí do hoạt động sống của con người là rất đa dạng về loại chất và nguồn thải. Ngoài PAH còn có nhiều chất hữu cơ khác có khả năng gây ảnh hưởng trực tiếp đến con người như benzen, toluen (nhà máy sản xuất hóa chất), metylterbutylete (MTBE, chất phụ gia trong xăng), phenol (dùng trong nhà máy sản xuất nhựa và polime) b. Các hydrocacbon gây ảnh hưởng gián tiếp Các hydrocacbon còn có thể là nguồn cung cấp chất phản ứng để tạo thành các sản phẩm thứ cấp, gây hại đến con người. Chúng có thể tham gia phản ứng quang hóa trong khí quyển, góp phần tạo nên sương khói quang hóa, gây ô nhiễm đô thị. Nguồn phát tán các hydrocacbon vào khí quyển chủ yếu từ quá trình đốt nhiên liệu (than đá, dầu mỏ, gỗ ). 1.5.2.5. Bụi a. Phân loại - Phân loại bụi theo kích thước: + Đường kính hạt lớn hơn 10 μm: bụi + Đường kính hạt từ 0,1 μm đến 10 μm: sương mù + Đường kính hạt nhỏ hơn 0,1 μm: khói - Phân loại bụi theo tác hại: + Bụi gây xơ phổi: bụi amiăng, bụi thạch anh 37
  38. + Bụi gây nhiễm trùng + Bụi gây ung thư: bụi quặng, bụi phóng xạ + Bụi gây dị ứng, viêm mũi, hen, nổi ban: bụi phấn hoa, phân hóa học + Bụi gây nhiễm độc: bụi có chứa chì, thủy ngân, benzen - Một số quan niệm khác: Thuật ngữ hạt để chỉ các chất không phải thể khí. Xét theo khía cạnh hệ phân tán thì không khí là môi trường phân tán trong khi các hạt rắn, lỏng là chất phân tán. Nếu chất phân tán ở trạng thái rắn, ta có bụi hay khói. Nếu pha phân tán ở trạng thái lỏng, ta có khái niệm sương mù. Sol khí là những hạt keo lơ lửng phân tán trong không khí với kích thước nhỏ hơn 1 μm. b. Nguồn thải Bụi đến từ nguồn tự nhiên lẫn nguồn nhân tạo. Nguồn tự nhiên lớn nhấn là từ hoạt động của núi lửa và cháy rừng. Nguồn nhân tạo lớn nhất là do đốt nhiên liệu, chủ yếu do đốt nhiên liệu trong động cơ đốt trong của phương tiện giao thông và nhà máy nhiệt điện, tiếp theo là bụi phát sinh từ các hoạt động xây dựng. c. Thành phần của bụi Thành phần của bụi rất đa dạng, phụ thuộc vào nguồn phát sinh. - Bụi vô cơ: Bụi và sol khí là những chất mang chính để chứa kim loại nặng trong khí quyển. Các oxit kim loại là thành phần chính của hạt bụi vô cơ. Loại bụi này được tạo ra từ việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch như than chứa FeS2: 4FeS2 + 11/5 O2 → 2Fe2O3 + 8SO2 CaCO3 có trong tro khi đốt than, chuyển thành oxit và phát thải qua ống khói: CaCO3 → CaO + CO2 Các nguyên tố kim loại có hàm lượng lớn hơn 1 μg/m3 trong bụi gồm Al, Ca, Fe, K, Na. Một số nguyên tố khác tồn tại với hàm lượng nhỏ hơn như C, Cr, Sb, Be, Cd, Co, Cs, Li, Mn, Ni, Se, Sr và V. - Nguồn gốc của các kim loại trong bụi vô cơ: 38
  39. + Al, Fe, Ca, Si: xói mòn đất, bụi đá, đốt than + C: đốt cháy không hoàn toàn các nhiên liệu chứa C + Na, Cl: sol khí từ biển, nguồn Cl từ đốt cháy các rác thải chứa Cl + Sb, Se: đốt than, dầu + Cd: công nghiệp luyện kim + V: đốt cháy cặn dầu thô + Ni: công nghiệp hóa chất và chế biến than + Be: chế biến than và kỹ thuật hạt nhân + Co, Cr: công nghiệp mạ + Pb: đốt cháy nhiên liệu và chất thải chứa Pb Các bụi vô cơ chứa C còn có tên gọi tùy theo thành phần và kích thước như muội than, cacbon đen, tro được phát thải từ khí thải của phương tiện giao thông, lò sưởi, lò thiêu đốt, nhà máy nhiệt điện. Đây là nguồn bụi thải có thể quan sát bằng mắt thường, có khả năng hấp phụ cao. - Bụi hữu cơ Thành phần của bụi hữu cơ khá đa dạng và tùy thuộc vào nguồn thải. Nghiên cứu về thành phần bụi khói từ động cơ ô tô cho thấy cơ hơhn 100 c ất hữu cơ. Các chất tìm thấy chủ yếu gồm n-ankan, axít hữu cơ, PAH, anđehit, xeton, peroxide, este, quinon, lacton và steran. d. Tác hại Các hạt bụi có thể xâm nhập vào cơ thể qua đường hô hấp. Chúng có thể nằm ở nhiều vùng trong hệ thống hô hấp, tùy thuộc vào kích thước. Các hạt có đường kích lớn hơn 10 m có thể dừng lại ở mũi. Các hạt bụi có đường kích nhỏ hơn 10 μm (ký hiệu PM10) có thể thâm nhập vào tận cuống phổi và màng phổi, gây cản trở cơ chế làm sạch của tuyến hô hấp. Tỷ lệ những hạt vào sâu trong phổi là khoảng 70% đối với những hạt có đường kính xấp xỉ 1 μm và 30% đối với những hạt có đường kính từ 1 μm đến 5 μm. 39
  40. Ngoài ra, các hạt bụi có thể chứa các chất độc hại từ khí quyển như SO2, các kim loại nặng (Pb, Cd) làm cho các chất đó phát huy ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người. Phơi nhiễm trong thời gian dài với các hạt lơ lửng kích thước bé có thể gây bệnh phổi như bệnh thủng phổi, bệnh bụi phổi silic, thậm chí có thể gây ung thư (bụi amiăng, bụi kim loại Be ). Công nhân làm việc trong môi trường có chứa bụi silic có thể bị bệnh bụi phổi silic. Công nhân khai thác mỏ thường xuyên tiếp xúc với dạng bụi kiểu này. Công nhân trong ngành dệt có thể bị bệnh phổi từ bụi bông. Công nhân phơi nhiễm với bụi amiăng. Tất cả các bụi trên đều gây các loại bệnh khác nhau hoặc gây tử vong. Đất, bụi, phấn hoa có thể xâm nhập vào mũi, cổ họng, khí quản. Đầu thế kỉ 20, Cục bảo vệ môi trường Mỹ đã ban hành các luật về bụi PM10 và bụi có đường kích nhỏ hơn 2,5 μm (ký hiệu PM2,5). Đường kính của PM2,5 chỉ khoảng một phần bốn mươi của tóc người. Qua đường hô hấp chúng có thể làm viêm phổi. Các hạt nhỏ hơn nữa có thể hấp thụ vào máu và gây ảnh hưởng đến các nơi khác trong cơ thể. Mối quan hệ giữa PM2,5 và bệnh tật là rất đáng kể về mặt thống kê. 1.5.3. Tác động của ô nhiễm khí quyển ở qui mô toàn cầu 1.5.3.1. Hiệu ứng nhà kính a. Hiệu ứng nhà kính tự nhiên Nhiệt độ bề mặt Trái đất được tạo thành bởi sự cân bằng giữa năng lượng Mặt trời chiếu xuống Trái đất và năng lượng bức xạ nhiệt của mặt đất phát vào không gian vũ trụ. Bức xạ Mặt trời bao gồm các bước sóng trong vùng tia gamma, tia X, vùng tử ngoại (Ultra Violet, UV), vùng khả kiến (Visible, VIS) và vùng hồng ngoại (Infrared ray, IR). Khi đến khí quyển Trái đất, khoảng 25% năng lượng bức xạ Mặt trời bị phản xạ trở lại bởi các đám mây và các hạt lơ lửng. Khoảng 25% năng lượng bị giữ lại ở khí quyển, trong đó, thành phần tia gamma và tia X bị các phân tử khí ở tầng trên cùng hấp thụ, còn thành phần UV bị tầng 40
  41. ozon hấp thụ. Khoảng 50% năng lượng của Mặt trời gồm còn phần VIS và một phần IR đến được mặt đất. Sau khi hấp thụ năng lượng, đến lượt mình, mặt đất phát xạ trở lại vào khí quyển các bức xạ có bước sóng dài với thành phần chính là bức xạ IR. Tuy nhiên, các bức xạ này lại bị hấp thụ bởi một số khí, chủ yếu gồm hơi nước, CO2, CH4, N2O, O3 và CH3Cl, rồi phát xạ trở lại bề mặt Trái đất và do đó làm nhiệt độ khí quyển xung quanh Trái đất tăng lên. Hiện tượng này được gọi là “hiệu ứng nhà kính tự nhiên”, đã đóng góp 33 K vào nhiệt độ trung bình của bề mặt Trái đất. Không có hiệu ứng nhà kính tự nhiên, nhiệt độ trung bình của bề mặt Trái đất sẽ là 255 K, quá lạnh cho sự tồn tại của nhiều loài sinh vật. Vì vậy, các khí gây nên hiệu ứng nhà kính có thể ví như một chiếc áo ấm hữu dụng xung quanh Trái đất, góp phần duy trì nhiệt độ thích hợp cho sự sống và cân bằng sinh thái, đảm bảo hoạt động cho các vòng tuần hoàn trong tự nhiên. Hình 1.8. Minh họa về hiệu ứng nhà kính Tuy nhiên, trong nhiều thập kỉ qua, cùng với sự phát triển kinh tế toàn cầu, con người đã thải vào trong tự nhiên một lượng lớn các khí ô nhiễm, làm tăng đột biến hàm lượng các khí nhà kính tự nhiên (CO2, CO) và xuất hiện thêm các khí nhà kính nhân tạo. Hậu quả là hiệu ứng nhà kính tự nhiên bị gia tăng quá mức, dẫn tới làm tăng nhiệt độ Trái đất ở qui mô toàn cầu. Kết quả đo đạc từ năm 1890 đến 1990 cho thấy nhiệt độ trung bình toàn cầu đã gia tăng từ 0,3°C đến 0,6°C. Chênh 41
  42. lệch nhiệt độ này có thể dẫn đến nhiều thay đổi quan trọng về khí hậu. Để hình dung về ảnh hưởng của hiện tượng trên, có thể nhớ lại rằng, trước đây kỷ băng hà đã kết thúc chỉ vì nhiệt độ toàn cầu gia tăng 2°C. b. So sánh vai trò của các khí nhà kính Nếu chỉ xét riêng hiệu ứng nhà kính tự nhiên thì khí nhà kính có vai trò quan trọng nhất là hơi nước, với phần đóng góp xấp xỉ 89%, tiếp đến là CO2 với phần đóng góp xấp xỉ 7,5%. Các khí nhà kính còn lại chỉ đóng góp xấp xỉ 3,5%. Tuy nhiên, khi xét đến việc làm gia tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu thì CO2 lại là tác nhân lớn nhất, chiếm xấp xỉ 46,6%. Hơi nước trong không khí hấp thụ bức xạ hồng ngoại nhiều hơn tất cả các khí nhà kính khác, nhưng nồng độ của hơi nước trong tầng đối lưu gần như không thay đổi nên phần đóng góp của nó không phải là yếu tố chính làm gia tăng hiệu ứng nhà kính. Trong khi đó, các hoạt động sử dụng năng lượng nhân tạo của con người lại chủ yếu dùng các nhiên liệu chứa cacbon đã phát thải một lượng lớn CO2 vào tầng đối lưu, làm nồng độ của chất này lớn hơn nhiều lần so với các khí nhà kính khác. Do đó, dù CO2 có khả năng hấp thụ kém hơn rất nhiều các khí nhà kính khác nhưng phần đóng góp của khí này vào việc gia tăng hiệu ứng nhà kính là cao nhất. Nếu không có các nỗ lực triệt để nhằm hạn chế phát thải các khí nhà kính, thì hiệu ứng này sẽ gia tăng mạnh mẽ trong thế kỷ 21. Bảng 1.5. Ước tính phần trăm đóng góp của một số chất đến hiệu ứng nhà kính tự nhiên và gia tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu Tên chất Công Phần trăm đóng Phần trăm đóng góp /Ký hiệu thức góp vào hiệu ứng vào gia tăng nhiệt độ nhà kính tự nhiên trung bình toàn cầu (%) (%) Hơi nước H2O(k) 88,9 0 Cacbon dioxít CO2(k) 7,5 46,6 Cacbon C(r) 0,2 16,4 42
  43. Tên chất Công Phần trăm đóng Phần trăm đóng góp /Ký hiệu thức góp vào hiệu ứng vào gia tăng nhiệt độ nhà kính tự nhiên trung bình toàn cầu (%) (%) Mêtan CH4(k) 0,5 14,0 Ozon O3(k) 1,1 11,9 Nitơ (I) oxít N2O(k) 1,5 4,2 Metyl clorit CH3Cl(k) 0,3 0 CFC-11 CFCl3(k) 0 1,8 CFC-12 CF2Cl2(k) 0 4,2 HCFC-22 CF2ClH(k) 0 0,6 Cacbon tetraclorit CCl4(k) 0 0,3 (*) CFC: cloroflorocacbon Bảng 1.6. So sánh khả năng hấp thụ bức xạ của các khí nhà kính Khí Công thức Khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ so với CO2 CFC-12 CF2Cl2(k) 15800 CFC-11 CFCl3(k) 12400 Nitơ (I) oxít N2O(k) 206 Mêtan CH4(k) 21 Cacbon dioxít CO2(k) 1 1.5.3.2. Biến đổi tầng ozon a. Phân bố của ozon trong khí quyển Tầng ozon có phân bố khoảng 90% ở phần dưới của tầng bình lưu và khoảng 10% ở trên đỉnh tầng đối lưu (độ cao từ khoảng 15 đến 35 km). Nồng độ ozon trong khí quyển nằm trong khoảng từ 5 ppmv đến 10 ppmv. Để xác định mật độ ozon trong không khí, các nhà khoa học sử dụng đơn vị Dobson (kí hiệu DU). 43
  44. Một DU tương đương với 2,7 x 1016 phân tử ozon/cm2 bề mặt. Năm 2000, mật độ ozon trung bình của khí quyển trong khoảng 90 vĩ độ Nam và 90 vĩ độ Bắc là 293,4 DU. Mật độ của ozon không đồng đều tại mọi điểm trong khí quyển mà đạt cực đại tại độ cao từ 25 km đến 32 km. b. Tác dụng của tầng ozon Trong các bức xạ đến từ Mặt trời, bức xạ tử ngoại có thể gây các ảnh hưởng nặng đến mắt (tổn thương giác mạc), da (cháy nắng, ung thư da), hệ miễn dịch của con người, cũng như sự sống của vi sinh vật, động vật cấp cao và thực vật. May mắn thay, tự nhiên đã có sẵn cơ chế loại bỏ ảnh hưởng trên. Tầng ozon đóng vai trò là lá chắn bảo vệ sinh quyển, có chức năng hấp thụ phần lớn các bức xạ tử ngoại (UV) trước khi chúng đến được bề mặt Trái đất. Các bức xạ tử ngoại được chia thành 2 vùng: UV xa (bước sóng từ 10 – 250 nm) và UV gần (bước sóng từ 250 – 380 nm). Vùng UV gần lại được chia thành ba vùng nhỏ gồm: UV-A (bước sóng từ 320 – 380 nm), UV-B (bước sóng từ 290 – 320 nm) và UV-C (bước sóng từ 250 – 290 nm). Do sự hấp thụ của các khí trong khí quyển (chủ yếu O3 và O2) và các hạt rắn lơ lửng, trong các bức xạ mặt trời đến được bề mặt Trái đất có khoảng 94,8% là bức xạ VIS và IR; khoảng 5,2% là bức xạ UV-A và UV-B. Trong phần UV đến được bề mặt Trái đất, UV-A và UV-B chiếm lần lượt 91% và 9%. Ozon hấp thụ các bức xạ có bước sóng nhỏ hơn 350 nm (hấp thụ mạnh ở vùng bước sóng nhỏ hơn 310 nm và hấp thụ yếu ở vùng bước sóng trong khoảng từ 310 đến 350 nm). Ozon cũng hấp thụ yếu các bức xạ có bước sóng trong khoảng từ 450 nm đến 750 nm. Như vậy, nhờ tác dụng hấp thụ của bầu khí quyển nói chung và tầng ozon nói riêng, phần lớn lượng bức xạ tử ngoại đã bị loại trừ trước khi chiếu xuống bề mặt Trái đất. Bảng 1.7. Vùng hấp thụ và các chất hấp thụ bức xạ UV Vùng UV Chấth ụhấp t chủ yếu Vùng hấp thụ UV xa N2(k) - tầng nhiệt, tầng trung gian 44
  45. Vùng UV Chất hấp thụ chủ yếu Vùng hấp thụ O2(k) - tầng nhiệt, tầng trung gian, tầng bình lưu UV gần - UV-C O3(k) - tầng bình lưu - UV-B O3(k) - tầng bình lưu, tầng đối lưu Hạt rắn lơ lửng - tầng đối lưu - UV-A NO2(k), hạt rắn lơ lửng - tầng đối lưu c. Quá trình tạo thành và phân hủy ozon trong tự nhiên Quá trình tạo thành và phân hủy ozon do các thành phần trong khí quyển được miêu tả trong chu trình Chapman, chu trình tìm ra bởi nhà vật lí người Anh Sidney Chapman (1888 – 1970). Ở tầng bình lưu, oxi bị phân hủy khi hấp thụ các bức xạ UV xa (λ 310 nm O3(k) + O(k) → 2O2 (k) Toàn bộ các phản ứng trên tạo thành một cân bằng động của ozon trong khí quyển. Dựa vào chu trình Chapman, hoàn toàn có thể giải thích được vì sao tồn tại 45
  46. mật độ ozon cực đại tại một độ cao cố định trong khí quyển. Các phản ứng trong chu trình cho thấy, mật độ ozon phụ thuộc vào mật độ của oxi và cường độ bức xạ UV trong khí quyển. Do thực tế, càng lên cao, mật độ của oxi càng giảm dần, trong khi càng xuống thấp cường độ bức xạ UV càng giảm dần nên tại độ cao thuận lợi cho cả hai yếu tố trên (từ 25 - 32 km) thì mật độ ozon sẽ đạt cực đại. Ngoài oxi, các nitơ oxít cũng có vai trò là tác nhân trong chu trình tạo thành và phân hủy ozon. * N2O(k) + O (k) → 2 NO(k) NO(k) + O3(k) → NO2(k) + O2(k) NO2(k) + O(k) → NO(k) + O2(k) O3(k) + O(k) → 2 O2 (k) Các oxít nitơ tham gia và được tạo thành sau phản ứng đóng vai trò như chất xúc tác, tạo nên phản ứng dây chuyền phân hủy ozon. Ở phía trên của tầng bình lưu, độ dài mạch của phản ứng dây chuyền do xúc tác oxít nitơ có thể đến 105. Điều này tương đương với 105 mol ozon bị phân hủy trước khi một mol oxít nitơ bị loại khỏi dây chuyền bởi sự tạo thành axit nitric và axit peroxinitric. Các tác nhân phân hủy ozon phổ biến khác gồm hợp chất của hydro và cacbon diễn ra theo một loạt các phản ứng sau: * • O (k) + H2O (k) → 2 HO (k) * • • O (k) + CH4(k) → HO (k) + CH3 (k) * • • O (k) + H2(k) → HO (k) + H • • HO (k) + O3(k) → HO2 (k) + O2(k) • • HO2 (k) + O3(k) → HO (k) + 2O2(k) Phương trình tổng thu được: 2O3(k) → 3O2(k) • HO2 (k) bị loại khỏi quá trình trên theo phản ứng: • • HO2 (k) + HO (k) → H2O(k) + O2(k) d. Lỗ thủng tầng ozon Sự suy giảm mật độ ozon từ năm 1970 có liên quan đến việc tăng hàm lượng của các hợp chất của clo và brom trong khí quyển. Một số chất tổng hợp do 46
  47. con người sản xuất nhằm phục vụ cho cuộc sống, điển hình là họ chất CFC và hợp chất của brom, đã xâm nhập và làm ô nhiễm khí quyển, đồng thời là tác nhân phân hủy ozon. - Phân hủy ozon do họ chất CFC: CFC là kí hiệu chung của các khí được tổng hợp bằng cách thay thế toàn bộ các nguyên tử H trong CH4 hoặc C2H6 bằng các nguyên tử Cl và F. Các CFC được sản xuất và sử dụng nhiều là CF2Cl2 (CFC-12) và CFCl3 (CFC-11). Các chất CFC được dùng chủ yếu làm chất làm lạnh, chất chữa cháy, dung môi trong mĩ phẩm. Khi khuyếch tán lên tầng bình lưu, chúng bị phân hủy dưới tác dụng của bức xạ tử ngoại thuộc vùng UV xa, sinh ra các nguyên tử Cl. • CFCl3(k) + hν → CFCl2 (k) + Cl(k) λ < 250 nm • • CF2Cl2 (k) + hν → CF2Cl (k) + Cl(k) λ < 230 nm Nguyên tử Cl sinh ra sẽ là xúc tác cho phản ứng dây chuyền phân hủy ozon với giá trị độ dài mạch là khoảng 10 ở ở khu vực phía dưới và khoảng 1000 ở khu vực giữa và phía trên của tầng bình lưu. • Cl(k) + O3(k) → ClO (k) + O2(k) • ClO (k) + O(k) → Cl(k) + O2(k) Phương trình tổng thu được: O(k) + O3(k) → 2O2(k) Cuối cùng, nguyên tử Cl và gốc ClO• bị loại bỏ khỏi phản ứng dây chuyền • khi có phản ứng với CH4, H2, H2O2, gốc HO2 để tạo thành HCl và ClONO2. • Cl(k) + HO2 (k) → HCl(k) + O2(k) • Cl(k) + H2O2(k) → HCl(k) + HO2 (k) • Cl(k) + CH4(k) → CH3 (k) + HCl(k) • Cl(k) + HO2 (k) → HCl(k) + O2(k) • M ClO (k) + NO2(k) ⎯⎯→ ClONO2(k) - Phân hủy ozon do hợp chất của brom: Giống như hợp chất của clo, hợp chất của brom ảnh hưởng tới ozon ở tầng bình lưu. Nguồn chính cung cấp brom là mêtyl bromit và halon. Halon là nhóm 47
  48. chất tổng hợp, sử dụng trong chất chống cháy. Các halon thông dụng gồm CF2ClBr (kí hiệu H-1211), CF3Br (kí hiệu H-1301) và CF2BrCF2Br (kí hiệu H- 2402). Nồng độ CF2ClBr và CF3Br trong tầng đối lưu đều vào khoảng 2 pptv. Mêtyl bromit được tạo thành từ các hoạt động của vi sinh vật ở biển. Ngoài ra, mêtyl bromit còn được sản xuất làm chất khử trùng xông hơi cho ngũ cốc. Mêtyl bromit và các halon bị phân hủy trong tầng bình lưu tạo ra nguyên tử brom. Nguyên tử brom được giải phóng sẽ tham gia vào phản ứng dây chuyền phân hủy ozon. • CH3Br(k) + hν → CH3 (k) + Br(k) λ < 260 nm • Br(k) + O3(k) → BrO (k) + O2(k) • BrO (k) + O(k) → Br(k) + O2(k) Phương trình tổng thu được: O(k) + O3(k) → 2O2(k) Nhìn chung, nồng độ của các hợp chất brom trong tầng bình lưu nhỏ hơn so với nồng độ của các hợp chất clo. Tuy nhiên, hiệu quả của phân hủy ozon bằng xúc tác brom lại lớn hơn so với clo. Nguyên tử Br sinh ra sẽ là xúc tác cho phản ứng dây chuyền phân hủy ozon với độ dài mạch khoảng 100 ở độ cao 20 km và khoảng 104 ở độ cao từ 40 km đến 50 km. Nguyên tử Br bị loại khỏi phản ứng dây chuyền phân hủy ozon chậm hơn so với nguyên tử Cl. Sản phẩm tạo thành là HBr và BrONO2: • Br(k) + HO2 (k) → HBr(k) + O2(k) • Br(k) + H2O2(k) → HBr(k) + HO2 (k) • M BrO (k) + NO2(k) ⎯⎯→ BrONO2(k) - Sự suy giảm mật độ ozon ở Nam Cực: Trong khoảng thời gian từ tháng 10 đến tháng 11 mỗi năm, kể từ năm 1980, luôn có sự suy giảm đáng kể mật độ ozon so với mật độ trung bình trong năm tại Nam Cực. Hiện tượng này tiếp tục lặp lại vào các năm sau, phổ biến vào mùa xuân ở Nam Cực và được nhắc đến với tên gọi “lỗ thủng tầng ozon”. Khi mật độ ozon tại một khu vực nhỏ hơn 220 DU thì được xem là đã xuất hiện lỗ thủng tầng ozon tại khu vực đó. Tháng 11 năm 2000, mật độ ozon tại Nam Cực là 94 DU so với 48
  49. mật độ trung bình ozon toàn cầu là 293,4 DU. Diện tích lỗ thủng là gần 30 x 106 km2, lớn hơn so với diện tích của Bắc Mỹ. Phần lớn lỗ thủng tầng ozon xuất hiện ở độ cao từ 14 đến 18 km. Hình 1.10. Minh họa về sự phát triển của lỗ thủng tầng ozon ở Nam Cực 1.5.3.3. Mưa axit a. Khái niệm Cùng với các hoạt động sản xuất của con người, việc phát thải các oxít của nitơ và các oxít của lưu huỳnh trở nên rất phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới. Khi xâm nhập vào khí quyển, một số oxít của nitơ và lưu huỳnh có thể tham gia phản ứng tạo thành H2SO4 và HNO3, sau đó có thể lắng đọng xuống bề mặt Trái đất dưới dạng khí theo cơ chế sa lắng khô hoặc dưới dạng dung dịch theo cơ chế sa lắng ướt. Nước mưa tự nhiên có giá trị pH xấp xỉ 5,6, do có sự hấp thụ khí CO2 và một số khí axit khác có sẵn trong trong khí quyển. Khi nước mưa hòa tan khí 49
  50. H2SO4, HCl và HNO3 tạo thành từ các nguồn ô nhiễm trong không khí, pH của nước mưa sẽ giảm hơn mức tự nhiên (< 5,6) và tạo nên mưa axit. Thông thường, pH của mưa axit có giá trị từ 4 đến 5 và cá biệt bằng 2. Hình 1.11. Minh họa mưa axit b. Nguồn phát thải khí axit Một số nguồn tạo nên axit H2SO4, HCl và HNO3 bắt nguồn từ tự nhiên. Hoạt động của núi lửa thải vào không khí một lượng lớn SO2 và HCl. Khí SO2 cũng có thể tạo ra từ chất dimetyl sunfit, phát thải từ các hoạt động sống của thực vật biển. Trong khi đó, nguồn ô nhiễm HNO3 tự nhiên chủ yếu đến từ quá trình oxi hóa nitơ đioxit. Một số nguồn phát thải khí axit lại đến từ các hoạt động nhân tạo. Việc sử dụng than làm nhiên liệu được biết đến như nguồn thải khí axit đầu tiên và lớn nhất do hoạt động của con người. Quá trình đốt cháy than tạo thành SO2 và HCl, thường được dùng trong lò gạch, lò sưởi ấm, đun nấu và nhiều hoạt động khác. Các nhà máy nhiệt điện thường xuyên phát thải lượng lớn khí SO2 từ ống khói. Ống khói càng cao, khí SO2 bị lan truyền theo không khí đến các vùng xung quanh càng xa, có thể từ vài trăm thậm chí đến vài nghìn km. Với khoảng cách như vậy, khí axit có thể lan truyền qua các quốc gia và tạo nên sự ô nhiễm ở phạm 50
  51. vi rộng. Các hoạt động giao thông cũng đóng góp một phần không nhỏ vào phát thải khí axit. c. Ảnh hưởng của mưa axit Mưa axit gây ra một loạt các vấn đề về môi trường, trong đó đáng quan tâm là ảnh hưởng của nó đến các nguồn nước tự nhiên. Ảnh hưởng của mưa axit đến các vực nước tự nhiên phụ thuộc vào khả năng trung hòa sẵn có, các ảnh hưởng của axit của vực nướ c đó. Do các loài cá và vi sinh vật chỉ có thể tồn tại trong một khoảng pH nhất định, nên trường hợp mưa axit làm pH của sông, hồ thay đổi mạnh, đời sống của sinh vật trong nước sẽ bị đe dọa. Phần lớn các loài tảo, côn trùng không sống được ở môi trường pH nhỏ hơn 5. Thực tế đã có thời gian cuối năm 1970, khoảng 25 nghìn hồ trên tổng số 90 nghìn hồ ở Thụy Điển bị axit hóa đến mức chỉ có các thực vật và động vật chịu axit có thể sống sót. Ảnh hưởng của mưa axit đến các lưu vực còn được biết đến qua những đợt tuyết tan đầu tiên tại các xứ lạnh. Axit từ mưa, tích tụ vào trong tuyết, khi tan chảy sẽ dẫn đến độ axit trong nước lớn hơn nhiều lần so với ban đầu. Lượng nước đ ó chảy vào các sông, hồ sẽ làm giảm đáng kể pH của môi trường. (a) (b) Hình 1.15. Ăn mòn công trình do mưa axit ở trường đại học Pittsburgh từ năm 1930 (a) đến năm 1934 (b) 51
  52. Mưa axit còn gây tổn hại lá và rễ cây cũng như làm suy giảm mạnh tính đa dạng về loài của hệ động thực vật thủy sinh. Mưa axit có thể ảnh hưởng đến các công trình xây dựng, tượng đá, bể chứa và đường ống dẫn nước. Mưa axit có khả năng ăn mòn cát, đá vôi, đá cẩm thạch, bia đồng và do đó làm hư hại các công trình xây dựng ngoài trời. 1.5.4. Ô nhiễm đô thị Vấn đề ô nhiễm đô thị đã tồn tại từ lâu. Nguồn gốc xuất phát từ việc đốt các nhiên liệu như gỗ, than đá, khí thiên nhiên, dầu, xăng, diesel. Hai dạng điển hình của ô nhiễm khí quyển là sương khói kiểu London và sương khói quang hóa. Các dạng ô nhiễm này dễ xuất hiện ở những vùng có sương mù, sử dụng nhiều than và vật liệu thô và có hiện tượng nghịch đảo nhiệt mạnh, sự phát thải của các hydrocacbon và NOx và sự có mặt của ánh sáng mặt trời. Phần lớn các nơi có ô nhiễm dạng này đều là sự tổng hợp của hai dạng trên. 1.5.4.1. Sương khói kiểu London Sương khói là một thuật ngữ dùng để chỉ một hiện tượng ô nhiễm môi trường, được đưa ra bởi Henry Antoine Des Voeux năm 1905. Sương khói được dùng để miêu tả sự kết hợp giữa khói thải và sương mù. Hiện tượng này xuất hiện ở nhiều thành phố của nước Anh. Sương khói có thể tạo thành ở hầu hết các loại khí hậu, ở những nơi có ô nhiễm không khí ở mức độ cao. Hiện tượng này thường xảy ra ở các vùng có đồi núi bao quanh, đặc biệt là các vùng đông dân, dễ có nhiều nguồn ô nhiễm từ hoạt động sống của con người, tạo nên lượng lớn khí thải. Thường diễn ra vào thời kì khí hậu ấm nóng, tạo điều kiện cho hiện tượng nghịch đảo nhiệt diễn ra mạnh, hạn chế quá trình đối lưu. - Bản chất của hiện tượng sương khói: Các khí thải như SO2 quyện vào các hạt sương, tồn tại sát mặt đất trong thời gian dài, xâm nhập vào đường hô hấp của người dân. Khí SO2 và các khi axit 52
  53. khác, bắt nguồn từ việc đốt nhiên liệu gây hại cho hệ hô hấp, khí quản, phổi và tim. Thời gian trước, sương khói là hệ quả của việc đốt than đá, tạo ra các khí SO2 Thời gian gần đây, sương khói bắt nguồn chủ yếu từ khí thải giao thông và khí thải công nghiệp. Do tác hại của hiện tượng này tại London mà người ta dùng thuật ngữ Sương khói kiểu London để mô tả chung cho hiện tượng này. - Thảm họa sương khói tại London: Các sự cố sương khói kiểu này đã được ghi nhận từ thế kỷ 17. Song sương khói xảy ra tại London từ 05 đến 10/12/1952 là trường hợp đ iển hình và trầm trọng nhất. Sương khói phủ kín các đường phố London và làm chết khoảng bốn nghìn người trong vòng bốn ngày. Tháng 12 năm 1952, thành phố London có đợt lạnh bất thường. Do vậy, người dân London đã đốt một lượng than đá hơn bình thường. Khói tỏa ra từ hơn một triệu ống khói của người dân, thêm vào đó là khói thải và bụi từ ống khói nhà máy đã bị giữ lại do hiện tượng đảo nhiệt của một vùng xoáy phát triển từ phía Nam của nước Anh trong tuần đầu của tháng 12. Ước tính nồng độ hạt bụi có đường kính nhỏ hơn 10 μm (PM10) nằm trong khoảng 3,000 and 14,000 μg/m³ (không khí London hiện tại có PM10 khoảng 30 μg/m³) và nồng độ của SO2 lớn hơn khoảng 7 lần so với mức bình thường (700 ppbv). Khi đêm xuống, gió nhẹ, không khí lạnh và độ ẩm gần mặt đất cao đã tạo nên điều kiện lí tưởng cho sự tạo thành của lớp sương mù dày đặc làm tầm nhìn xa giảm xuống đáng kể. Vào mùa Đông, ban đêm, nhiệt độ gần mặt đất thường xuống rất thấp, tạo ra một khối không khí lạnh có mật độ cao nằm sát mặt đất và một khối không khí tương đối ấm hơn ở bên trên, gọi là hiện tượng đảo nhiệt. Hiện tượng đảo nhiệt hạn chế đáng kể sự di chuyển của lớp không khí gần mặt đất. Vào buổi sáng, Mặt trời thường sưởi ấm dần các lớp không khí và phá vỡ hiện tượng đảo nhiệt cũng như sương tạo thành trong lớp không khí lạnh sát mặt đất. Tất cả các hiện tượng nói trên đều là các hiện tượng tự nhiên thường xảy ra, đặc biệt với 53
  54. các vùng ở vĩ độ cao. Hiện tượng đảo nhiệt thường kết thúc vào buổi sáng khi ánh sáng mặt trời làm tăng nhiệt độ mặt đất và lớp không khí sát nó. Tuy nhiên, vào buổi sáng ngày 6/12/1952, mật độ khói thải quá dày đặc và hơi nước tiếp tục ngưng tụ xung quanh bồ hóng và bụi lơ lửng làm bức xạ của mặt trời không thể phá vỡ được sương khói. Trong điều kiện này các hạt sương phát triển chung quanh các hạt khói, tạo nên hiện tượng sương khói kéo dài và ngày càng trầm trọng hơn, do sự tích tụ tiếp khói than theo thời gian. Điều này làm lớp không khí ô nhiễm được duy trì ở gần mặt đất. Đợt sương mù diễn ra liên tục trong 5 ngày từ ngày 5/12 đến 10/12/1952 trước khi bị gió làm khuyếch tán và di chuyển về phía biển Bắc. Trong thời gian tồn tại, sương mù tiếp xúc với khí SO2 tạo nên dung dịch H2SO4, tồn tại trên các con phố và xâm nhập vào trong các ngôi nhà. SO2 và các hạt lơ lửng có trong khói than là các tác nhân gây hại chính của sự cố sương khói London. Trong điều kiện cùng tồn tại, SO2 và các hạt lơ lửng thường tạo ra nhiều sản phẩm gây ô nhiễm thứ cấp (chủ yếu là axit sulfuric) gây hại cho hệ hô hấp, khí quản, phổi và có thể cả tim (do gây khó thở). Sương mù chứa dung dịch H2SO4 gây nên hàng loạt bệnh gồm viêm phổi, viêm phế quản và ảnh hưởng đến tim. Những người đã có sẵn bệnh hen bị chết do tắc nghẽn đường hô hấp. Một số người chết do ngạt thở, do bệnh tim. Những bệnh khác gồm đau ngực, hại phổi, khó thở, phá hoại đường hô hấp, đau phổi, tăng khả năng bị bệnh hen tấn công. Ngoài London, hàng loạt các thành phố lớn khác trên thế giới cũng có tình trạng tương tự như New York, Los Angeles, Houston, Toronto, Athens và Bắc Kinh. 1.5.4.2. Sương khói quang hóa Khác với sương khói kiểu London, sương khói quang hóa (photochemical smog) có chứa thêm nhiều chất ô nhiễm thứ cấp như ozon, NO2, HNO3, anđêhit và peroxiaxetyl nitrat (CH3C(=O)O2NO2, PAN). Các chất này được tạo ra từ các phản ứng quang hóa bắt nguồn từ các chất ô nhiễm sơ cấp, chủ yếu là khí thải giao 54
  55. thông (NOx và các hydrocacbon chưa bị đốt cháy). Do vậy, sương khói quang hóa thường xảy ra vào ban ngày khi có nắng ấm với mật độ giao thông cao. Đối với động vật và con người, sương khói quang hóa kích thích gây cay bỏng mắt, khó thở, mệt mỏi, gây hại đến khí quản và phổi. Sương khói quang hóa ngăn cản quá trình quang hợp ở thực vật, làm lão hóa cao su, ăn mòn kim loại và nhiều loại vật liệu khác. Do có chứa NO2, nên sương khói quang hóa thường có dạng khói màu nâu nhạt. Cơ chế hình thành các phản ứng sương khói quang hóa là khá phức tạp. Các cơ chế đã được làm rõ là phản ứng tạo thành ozon và PAN, những chất ô nhiễm chiếm phần lớn trong sương khói quang hóa. Khí thải giao thông thường chứa các khí CO, NO2 và NO. Các khí này tham gia phản ứng quang hóa tạo thành ozon: - Phản ứng từ NOx: NO(k) + O3(k) → NO2(k) + O2(k) NO2(k) + hν → NO(k) + O(k) λ < 420 nm O(k) + O2(k) → O3(k) - Phản ứng từ CO: • CO(k) + HO (k) → CO2(k) + H(k) • H(k) + O2(k) → HO2 (k) • • NO(k) + HO2 (k) → NO2(k) + HO (k) NO2(k) + hν → NO(k) + O(k) λ < 420 nm Các khí hydrocacbon tồn tại chủ yếu trong lớp trung gian của tầng đối lưu là mêtan (tối đa 1,8 ppmv), êtan (tối đa 2,5 ppbv) và propan (tối đa 1 ppbv). - Phản ứng từ mêtan • • CH4(k) + HO (k) → CH3 (k) + H2O(k) • • CH3 (k) + O2(k) → CH3O2 (k) • • NO(k) + CH3O2 (k) → NO2(k) + CH3O (k) NO2(k) + hν → NO(k) + O(k) λ < 420 nm O(k) + O2(k) → O3(k) - Phản ứng từ êtan 55
  56. • • C2H6(k) + HO (k) → C2H5 (k) + H2O(k) • • C2H5 (k) + O2(k) → C2H5O2 (k) • • NO(k) + C2H5O2 (k) → NO2(k) + C2H5O (k) NO2(k) + hν → NO(k) + O(k) λ < 420 nm O(k) + O2(k) → O3(k) - Phản ứng từ mêtanal • C2H5O(k) + O2(k) → CH3CHO(k) + HO2 (k) • • CH3CHO(k) + HO (k) → CH3C=O (k) + H2O(k) • • CH3C=O (k) + O2(k) → CH3C(=O)O2 (k) • CH3C(=O)O2 (k) + NO2(k) CH3C(=O)O2NO2(k) (peroxiaxyl nitrat, PAN) Một số ví dụ về sương khói quang hóa ngoài thực tế như ở thành phố Mexico, Tehran, Los Angeles, Bắc Kinh, Tokyo. 1.5.4.3. Chỉ số ô nhiễm (Pollution Index) Mức độ của sương khói được đo bằng thiết bị tự động Nephelometer. Thiết bị này được dùng để xác định hàm lượng bụi lơ lửng trong các dung dịch keo ở dạng lỏng hoặc khí. Sương mù có thể coi như một chỉ thị về chất lượng không khí, tuy nhiên sẽ chính xác hơn nếu biểu thị chất lượng không khí qua những con số cụ thể. Hiện tại có một số chỉ số đánh giá phổ biến như chỉ số chất lượng không khí của Mỹ (American Air Quality Index, AQI) và chỉ số ô nhiễm không khí tại Malaysian (Air Pollution Index, API). a. Chỉ số chất lượng không khí Chỉ số chất lượng không khí (AQI) là chỉ thị tiêu chuẩn cho chất lượng không khí ở một khu vực. AQI là chỉ số đại diện cho nồng độ của một nhóm các chất ô nhiễm gồm: CO, NO2, SO2, O3 và bụi nhằm cho biết tình trạng chất lượng không khí khu vực ven đường hoặc dân cư trong Thành phố, ảnh hưởng đến sức khoẻ người dân. Nhiều nơi trên thế giới sử dụng chỉ số này tuy nhiên qui định về các mức độ có thể khác nhau. 56
  57. Tại Mỹ, chỉ số AQI phân loại chất lượng không khí theo 6 mức độ, chia theo điểm và màu tương ứng gồm: - AQI từ 0 đến 50: màu biểu thị là màu xanh là cây. Chất lượng không khí đạt yêu cầu và ô nhiễm không khí ở mức thấp hoặc không nguy hiểm. - AQI từ 51 đến 100: màu biểu thị là màu vàng. Chất lượng không khí chấp nhận được. Tuy nhiên, một vài chất ô nhiễm vẫn có thể gây ảnh hưởng nhẹ tới một số người. Ví dụ, những người nhạy cảm với ozon có thể có kích thích ở đường hô hấp. - AQI từ 100 đến 150: màu biểu thị là màu da cam. Chất lượng không khí là có hại với một số người ở mức độ thấp, thấp hơn so với mức trung bình của xã hội nói chung. - AQI từ 151 đến 200: màu biểu thị là màu đỏ. Chất lượng không khí là có hại với tất cả mọi người. Những người có tiền sử bệnh, có thể gặp các ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe. - AQI từ 201 đến 300: màu biểu thị là màu tím. Chất lượng không khí là rất có hại. Mọi người đều có thể gặp phải các ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe. - AQI từ 301 đến 500: màu biểu thị là màu nâu. Chất lượng không khí là nguy hại. Sức khỏe của mọi người đều gặp nguy hiểm. Cơ sở tính toán chỉ số AQI dựa theo hướng dẫn của Cơ quan Bảo vệ môi trường Mỹ. Chất lượng không khí được quan trắc mỗi ngày, tại nhiều điểm đại diện cho khu vực đo. Các kết quả đo sau đó được chuyển thành các giá trị AQI theo công thức tiêu chuẩn của Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ. Giá trị AQI được tính cho mỗi chỉ tiêu (CO, NO2, SO2, O3 và bụi) tại mỗi điểm đo. Giá trị AQI cao nhất sẽ là giá trị AQI trong ngày. Ví dụ, tại một ngày nào đó, AQI của O3 và SO2 lần lượt là 90 và 88. Giá trị AQI trong ngày đó sẽ là 90 ứng với chất ô nhiễm chủ yếu trong ngày là O3. Chỉ số AQI tại nhiều nơi tại Mỹ được thông báo hàng ngày trên các tờ báo, tivi, radio và kèm theo các chú ý để người dân có thể phòng tránh các tác động có hại từ môi trường. 57
  58. Chất ô nhiễm: bụi Chỉ số AQI: 130 Cảnh báo: có hại cho một số nhóm sinh vật nhạy cảm Những người bị bệnh tim, phổi và trẻ em có thể gặp Chỉ số chất lượng không khí nguy hiểm Hình 1.18. Một ví dụ về AQI trên báo ở Mĩ Tại nhiều nơi của nước Mỹ, giá trị AQI thường nhỏ hơn 100. Các giá trị lớn hơn 100 chỉ xuất hiện một số lần trong năm. Thông thường, thành phố lớn có ô nhiễm môi trường nhiều hơn và chỉ số AQI có thể vượt giá trị 100 với tần xuất lớn hơn so với các thành phố nhỏ. Giá trị AQI lớn hơn 200 là ít khi xảy ra trong khi giá trị AQI lớn hơn 300 là rất hiếm gặp. Chỉ số chất lượng không khí tương tự đã được sử dụng tại nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Anh, Đan Mạch, Thái Lan, Malaysia, Việt Nam, b. Chỉ số ô nhiễm không khí Tại Malaysia, chất lượng không khí được đánh giá qua chỉ số ô nhiễm không khí (Air Pollution Index, API). Về bản chất, chỉ số này cũng đại diện cho nồng độ của nhóm các tác nhân ô nhiễm gồm CO, NO2, SO2, O3 và bụi nhưng quan niệm về mức độ ô nhiễm là khác với AQI. - Khi API có giá trị từ 0 – 50, chất lượng không khí ở mức tốt, hiển thị bằng màu xanh lá cây. - Khi API có giá trị từ 51 – 100, chất lượng không khí ở mức bình thường, hiển thị bằng màu vàng. - Khi API có giá trị từ 101 – 200, chất lượng không khí ở mức kém, hiển thị bằng màu da cam. - Khi API có giá trị từ 201 – 300, chất lượng không khí ở mức rất kém, hiển thị bằng màu đỏ. 58
  59. - Khi API có giá trị lớn hơn 301, chất lượng không khí ở mức nguy hại, hiển thị bằng màu nâu. Hồng Kông cũng sử dụng chỉ số API từ tháng 7 năm 1995. Tuy nhiên, API ở Hồng Kông lại đại diện cho sáu chất ô nhiễm gồm SO2, NO2, bụi lơ lửng, CO, O3, và Pb. Hồng Kông sử dụng giá trị API tổng quát và API khu vực ven đường. Bảng 1.10. Giá trị API và mức độ ảnh hưởng sức khỏe cộng đồng Nhóm điểm Màu sắc Chất lượng không khí Ảnh hưởng tới sức khỏe 0 - 25 Xanh lá cây Thấp Không có Không ảnh hưởng với cộng 26 - 50 Xanh da trời Trung bình đồng nói chung Không có ảnh hưởng cấp tính nhưng ảnh hưởng mãn niên có 51 - 100 Vàng Cao thể xuất hiện nếu tác nhân ô nhiễm thường xuyên tồn tại ở mức độ này trong thời gian dài. Đỏ Người có bệnh tim hoặc hô hấp có thể bị ảnh hưởng. Cộng đồng 100 - 200 Rất cao nói chung có thể bị một số ảnh hưởng sức khỏe ở mức độ thấp. Người có bệnh tim hoặc hô hấp có thể bị ảnh hưởng đáng kể. 201 - 500 Đen Nghiêm trọng Cộng đồng nói chung có thể bị ảnh hưởng sức khỏe ở phạm vi rộng. 1.5.5. Ô nhiễm trong nhà Ô nhiễm trong nhà (Indoor Air Quality, IAQ) đề cập tới vấn đề không khí bên trong có thể gây hại tới sức khỏe con người. Không khí trong nhà (nhà ở, văn phòng công sở) là nơi mà con người trực tiếp tiếp xúc, tiếp nhận và hô hấp với thời gian nhiều nhất. Các chất gây ô nhiễm trong nhà đặc biệt có ý nghĩa đối với người 59
  60. già, người ốm, trẻ em, người nội trợ, những người mà thời gian ở trong nhà là chủ yếu. Các nguồn ô nhiễm trong nhà có thể gồm vi sinh vật (nấm mốc, vi khuẩn), hóa chất (như CO, CO2, NOx, SO2, radon), hoặc ở các dạng khác (ô nhiễm nhiệt, mùi). Không khí trong nhà thường ô nhiễm hơn so với ngoài trời. Thực tế, không khí trong nhà tiềm ẩn khả năng nguy hại lớn hơn so với môi trường bên ngoài. Sử dụng hệ thống thông gió, lọc và kiểm soát nguồn ô nhiễm là các cách chính để cải thiện chất lượng không khí trong hầu hết các ngôi nhà. 1.5.5.1. Nguồn và đặc điểm chất ô nhiễm trong nhà Một số chất ô nhiễm trong nhà là do ngoài trời đư a vào như khí thải giao thông, bụi, nhất là khi thường xuyên mở cửa sổ. Tuy nhiên, nhiều chất phát sinh từ trong nhà và cũng không kém phần đáng chú ý. Có thể kể đến radon, các oxit nitơ (NOx), oxit cacbon (CO, CO2), khói thuốc lá, formaldehit, các chất hữu cơ bay hơi (volatile organic compounds, VOC), bụi PM10 (các hạt kích thước dưới 10 micron), các chất gây dị ứng từ vật nuôi, sợi amiăng. Bảng 1.11. Một số nguồn thải và chất ô nhiễm trong nhà điển hình Chất ô nhiễm Nguồn ô nhiễm Chất ô nhiễm dạng khí CO Bếp ga, bếp dầu, bếp than, khói thuốc lá, khí thải động cơ ở gara CO2 Bếp ga, lò sưởi, khói thuốc lá, khí thải động cơ ở gara, nguồn từ không khí ngoài trời NO2 Bếp lò, khói thuốc lá, khí thải động cơ ở gara, nguồn từ không khí ngoài trời O3 Không khí ngoài trời, máy photocopy, máy sục ozon để khử mùi và vi khuẩn trong rau quả, máy làm sạch không khí bằng tĩnh điện SO2 Không khí ngoài trời, bếp ga, bếp than 60
  61. Chất ô nhiễm Nguồn ô nhiễm HCHO Gỗ dán, ván ép, đệm mút, bọt xốp, keo dán thảm, khói thuốc lá Các chất hữu cơ Bình xịt khử mùi, chất phụ gia, vật liệu xây dựng, sơn vecni, dễ bay hơi khói thuốc lá, bếp nấu nướng, đốt nhiên liệu (VOC) Radon Phát tán từ đất, vật liệu cấu kiện xây dựng Chất ô nhiễm dạng bụi Chất gây dị ứng Bụi nhà, vật nuôi trong nhà, côn trùng, phấn hoa Amiăng Vật liệu chống cháy, vách ngăn trần, mái bằng tấm amiăng, vật liệu cách nhiệt Nấm Đất, thực vật, thực phẩm Vi khuẩn, vi rút Vật nuôi trong nhà, thực vật, điều hòa không khí Chất hữu cơ Đốt cháy nhiên liệu, khói thuốc lá thơm đa vòng (PAH) 1.5.5.2. Một số nguồn ô nhiễm trong nhà - Các VOC: Các VOC xuất phát từ các trang thiết bị trong nhà như đồ gỗ, vật liệu xây dựng, mỹ phẩm, chất tẩy giặt. Chúng còn phát sinh từ nấm mốc, khói thuốc lá và các nhiên liệu cháy. Người ta đã xác định được từ 30 đến 50 chất khác nhau trong không khí trong nhà ở những vùng không phải là khu công nghiệp, bao gồm hidro- cacbon béo và thơm, các chất halogen hóa và andehit. Lượng VOC sinh ra trong nhà lớn nhất là do sơn trang trí và keo dán. Lượng formaldehit có xuất xứ từ gỗ ép (sàn và đồ gỗ), thảm, các chất cách điện. Người ta còn phát hiện cả các chất bảo quản gỗ trong không khí. Formaldehit kích thích cơ quan xúc giác và hô hấp. Nồng độ formaldehit trên 0,1mg/m3 làm cay mắt 61
  62. và ngứa họng. Nếu tiếp xúc thường xuyên ở nồng độ 0,07mg/m3 sẽ làm tăng khả năng mắc bệnh hen xuyễn và viêm phế quản mãn tính ở trẻ em . Khi nồng độ VOC vượt quá 25mg/m3 có thể gây nhức đầu cấp tính và các tác động trung gian khác, song cũng tuỳ thành phân của VOC mà tác hại đến sức khoẻ khác nhau. Nếu tỷ lệ benzen cao sẽ liên quan đến ung thư. - Radon: Radon xuất phát từ chất phóng xạ radium nằm trong lòng đất. Radon len lỏi qua các kẽ nứt của nền móng nhà hoặc các kẽ hở chung quanh các đường ống đi từ bên ngoài vào trong nhà. Do đó mức radon trong nhà tuỳ thuộc vào thế đất của ngôi nhà, loại đất khu vực đó (địa chất) có thuận tiện để radon bốc ra hay không, tình trạng nền móng của ngôi nhà. Cho nên những phòng dưới hầm sẽ có mức radon cao hơn. Lượng radon trong nhà cũng tuỳ theo độ thoáng khí của nhà đó. - Amiăng: Amiăng là tên gọi của một nhóm các khoáng silicat có dạng sợi, đặc biệt là các khoáng thuộc nhóm xecpentin, công thức gần đúng là Mg3P(Si2O5)(OH)4. Amiăng được sử dụng rất phổ biến trong xây dựng, sản xuất má phanh, tấm vách ngăn, các loại đường ống. Hiện nay, amiăng được xếp vào loại vật liệu gây ô nhiễm không khí. Khi hít không khí có chứa bụi amiăng sẽ bị bệnh phổi do amiăng (asbestosis – một dạng viêm phổi có điều kiện), u tế bào biểu mô của màng khoang lồng ngực và ung thư phế quản. Do đ ó, ngày nay việc sử dụng amiăng bị hạn chế. Nhiều chương trình hành động đã được tiến hành rộng khắp nhằm loại bỏ hoàn toàn vật liệu này ra khỏi ngành xây dựng. - Khói thuốc lá: Khói thuốc lá chứa những hạt nhựa than cực nhỏ và là hỗn hợp của nhiều chất độc như CO, NOx, amoniac, hidroxianua và acrolein, với hàng loạt chất gây ung thư như N-nitrosamin, hidrocacbon thơm đa vòng và benzen. Ngoài ung thư phổi, thuốc lá còn làm chúng ta dễ bị những rối loạn khác về hô hấp như hen suyễn (asthma), nhiễm trùng phổi. Một điều không kém quan trọng là thuốc lá làm ô nhiễm không khí của cả những người chung quanh tuy họ không hút. Tình trạng 62
  63. này là một khó khăn không nhỏ đối với người bác sĩ điều trị những bệnh hô hấp cho người lớn, cũng như trẻ em nhất là về những tháng lạnh mùa đông. 1.5.5.3. Một số biện pháp giảm thiểu không khí trong nhà - Không hút thuốc trong phòng kín - Bếp đun nấu, lò sưởi phải có ông thông gió hút hơi khí thải từ bếp để đẩy hơi khí ô nhiễm ra ngoài nhà. - Các máy văn phòng (máy in, fax) cần để ở chỗ thông thoáng. - Sử dụng các loại nước tẩy rửa, thuốc xịt chứa ít các chất gây hại. - Ngăn ngừa khe thẩm thấu khí radon từ ngoài vào nhà. 1.5.6. Tiêu chuẩn chất lượng môi trường không khí Các tiêu chuẩn qui định nồng độ hoặc giới hạn tối đa cho phép của các chất có hại trong không khí. Theo thời gian, các tiêu chuẩn có thể được điều chỉnh cho phù hợp với tình hình thực tế. Bộ tiêu chuẩn Việt Nam ban hành năm 1995 gồm nhiều tiêu chuẩn (ký hiệu TCVN) về các thành phần môi trường. Hiện nay đã có một số tiêu chuẩn môi trường năm 1995 không còn được ban hành mà thay thế bằng các tiêu chuẩn mới theo văn bản của Bộ. Do đó, cần chú ý khi trích dẫn áp dụng các tiêu chuẩn cho phù hợp với đối tượng áp dụng. Một số tiêu chuẩn Việt Nam được áp dụng thường xuyên về chất lượng môi trường không khí gồm: - Chất lượng không khí xung quanh: + TCVN 5937 – 2005: Chất lượng không khí - Tiêu chuẩn chất lượng không khí xung quanh. + TCVN 5938 – 2005: Chất lượng không khí - Nồng độ tối đa cho phép của một số chất độc hại trong không khí xung quanh. - Chất lượng không khí nơi sản xuất: + TCVN 5939 – 2005: Chất lượng không khí - Tiêu chuẩn tối đa khí thải đối với bụi và các chất vô cơ. 63
  64. + TCVN 5940 – 2005: Chất lượng không khí - Tiêu chuẩn khí thải công nghiệp đối với một số chất hữu cơ. Bảng 1.12. Tiêu chuẩn chất lượng môi trường không khí xung quanh (TCVN 5937:2005) Thông số Trung Trung Trung Trung bình Phương pháp bình 1 bình 8 bình 24 năm (trung xác định giờ giờ giờ bình số học) SO2 350 - 125 50 Pararosalin hoặc huỳnh quang cực tím CO 30.000 10.000 - - Quang phổ hồng ngoại không phân tán NO2 200 - - 40 Huỳnh quang hóa học pha khí O3 180 120 80 - Trắc quang tử ngoại Bụi lơ 300 - 200 140 Lấy mẫu thể lửng tích lớn. Phân (TSP) tích khối lượng Bụi PM10 - - 150 50 Phân tích khối lượng hoặc tách quán tính Pb - - 1,5 0,5 Lấy mẫu thể tích lớn và quang phổ hấp thụ nguyên tử Bên cạnh các tiêu chuẩn Việt Nam còn có các qui định của ngành về môi trường không khí khu vực lao động như quyết định số 3733/2002- QĐ/BYT “Nồng độ các khí thải độc hại trong khu vực sản xuất” 1.5.7. Một số biện pháp bảo vệ môi trường không khí a. Quản lý và áp dụng các công cụ pháp lý - Tổ chức, cá nhân hoạt động sản xuất kinh doanh có phát tán bụi, khí thải phải có trách nhiệm kiểm soát, xử lý bụi và khí thải đạt tiêu chuẩn môi trường. - Quản lý các nguồn thải tĩnh 64
  65. Kiểm soát các nguồn thải tĩnh (ống khói công nghiệp) là một biện pháp quan trọng về quản lý môi trường không khí. Cần áp dụng các tiêu chuẩn phát thải các chất ô nhiễm từ các nguồn tĩnh. Nếu mức độ ô nhiễm của chất thải nào đó vượt quá giới hạn cho phép của tiêu chuẩn chất lượng môi trường thì cần áp dụng biện pháp cưỡng chế để các nguồn đó phải giảm bớt lượh ng t ải quá mức. - Quản lý các nguồn thải di động Các phương tiện giao thông là các nguồn thải di động gây ô nhiễm môi trường không khí. Ở nhiều đô thị lớn trên thế giới, lượng khí thải từ các phương tiện giao thông đang chiếm từ 70 – 80% tổng lượng thải ô nhiễm không khí. Ở rất nhiều nước đã đặt ra tiêu chuẩn xả thải khí đối với các nguồn di động (ôtô, xe máy ). Các cơ quan quản lý tiến hành các chương trình kiểm tra đối với xe mới xuất xưởng, xe nhập khẩu cũng như xe đang lưu hành. b. Thực hiện định kỳ kiểm toán nguồn thải Để quản lý và bảo vệ môi trường cần phải xác định được mức độ ô nhiễm từ các nguồn thải. Đây là công tác kiểm toán nguồn thải, có thể thực hiện được qua một số phương pháp khác nhau như phươ ng pháp cân bằng vật chất, phương pháp sử dụng hệ số thải của Tổ chức Y tế thế giới. Kiểm toán nguồn thải cần được thực hiện theo định kỳ nhằm có cơ sở đánh giá và áp dụng các qui định, tiêu chuẩn của pháp luật với các cơ sở gây ô nhiễm môi trường. c. Áp dụng các công cụ kinh tế quản lý tài nguyên không khí Các công cụ kinh tế cho việc kiểm soát ô nhiễm bao gồm: phí ô nhiễm không khí, phí tiếng ồn máy bay, phí không tuân thủ. Phí không tuân thủ chủ yếu được vận dụng cho ô nhiễm không khí, chất thải, nước thải. Chúng được vận dụng cho quản lý môi trường trong việc tính toán, xác định mức phí và tỷ lệ phí, thanh toán trách nhiệm pháp lý, trợ cấp, quỹ môi trường. Hiện nay, nhiều nước trên thế giới đã áp dụng công cụ này. 65
  66. d. Sử dụng các nguồn nhiên liệu và năng lượng thân thiện với môi trường - Quản lý chất lượng nhiên liệu dùng cho giao thông và công nghiệp Để loại trừ ô nhiễm chì trong không khí đô thị, nhiều nước đã cấm sử dụng xăng pha chì. Sử dụng các nhiên liệu khác thân thiện với môi trường hơn như khí tự nhiên hóa lỏng dùng cho xe ôtô, xăng sinh học dùng cho xe máy (xăng pha etanol, đã dùng phổ biến ở Brasil) cũng là các giải pháp hiệu quả để bảo vệ môi trường. - Sử dụng các nguồn năng lượng thân thiện với môi trường: điện sản xuất từ nhà máy hạt nhân thay thế cho điện từ nhà máy nhiệt điện, năng lượng mặt trời, gió CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1 1. Trình bày thành phần khí quyển, cấu trúc và vai trò của khí quyển. 2. Hãy nêu các loại phản ứng quang hóa phổ biến trong khí quyển 3. Hãy nêu ví dụ về phản ứng của các hợp chất N, C, S, C, O trong khí quyển 4. Hãy nêu vai trò và một số phản ứng đặc trưng của các gốc tự do trong khí quyển 5. Hãy nêu các nguồn gây ô nhiễm khí quyển 6. Hãy nêu đặc điểm và nguồn thải của các nhóm chất gây ô nhiễm khí quyển điển hình. 7. Thế nào là hiệu ứng nhà kính ? Hãy nêu ảnh hưởng của hiệu ứng nhà kính đến khí quyển. Nêu các biện pháp ngăn chặn hiệu ứng nhà kính. 8. Hãy nêu một số tác nhân gây nên hiệu ứng nhà kính. Hãy miêu tả các nguồn thải chính ra khí gây hiệu ứng nhà kính 9. Thế nào là biến đổi tầng ozon ? Hãy nêu ảnh hưởng của lỗ thủng tầng ozon đến đời sống của con người. 66
  67. 10. Hãy nêu một số tác nhân gây phân hủy ozon trong khí quyển. Hãy miêu tả một số phản ứng phân hủy ozon 11. Thế nào là mưa axit. Hãy nêu các ảnh hưởng chính của mưa axit đến sinh vật và môi trường. 12. Hiện tượng chủ yếu gây ô nhiễm đô thị là gì ? Hãy nêu sự khác nhau giữa sươn khói kiểu London và sương khói quang hóa. 13. Chỉ số ô nhiễm là gì ? Hãy nêu những mặt tích cực của việc áp dụng chỉ số ô nhiễm trong bảo vệ môi trường không khí đô thị 14. Hãy nêu các nguồn chủ yếu gây ô nhiễm không khí trong nhà. 15. Vai trò của các tiêu chuẩn chất lượng môi trường không khí ở Việt Nam. Hãy nêu một số biện pháp bảo vệ môi trường không khí 67
  68. CHƯƠNG 2. MÔI TRƯỜNG THỦY QUYỂN Liên Hợp Quốc đã dự báo về những thách thức với loài người trong tương lai trong báo cáo "Tương lai 2008". Theo đó, ngoài vấn đề thay đổi khí hậu, giá lương thực và năng lượng tăng cao, việc khan hiếm nước ngọt cũng là một trong những thách thức lớn nhất với nhân loại trong những năm tiếp theo. Theo số liệu thống kê của Liên Hợp Quốc, hiện nay khoảng 20% dân số thế giới sống tại 30 quốc gia đang phải đối mặt với tình trạng thiếu nước sinh hoạt và con số này trong năm 2025 được dự báo sẽ lên tới 30%. Tại Barcelona, nguồn nước cung cấp quá khô cạn đến mức họ đã phải có nhiều chuyến tầu chuyên trở nước ngọt đến thỏa mãn cơn khát của cả thành phố. Barcelona không phải là trường hợp là duy nhất. Hy Lạp cũng gặp vấn đề tượng tự và đã phải dùng nước chuyển trở từ đảo Síp. Ngay cả Trung Quốc, quốc gia có nhiều dòng sông lớn, cũng đang phải đối mặt với khủng hoảng nước trầm trọng. Các quốc gia phát triển hưởng lợi quá lớn từ nguồn nước ngọt vừa phong phú vừa rẻ tiền. Hiện nay, tình trạng gia tăng dân số toàn cầu, ô nhiễm và thay đổi khí hậu đang dẫn đến việc hình thành một quan niệm mới cho rằng nước là “vàng xanh”. Thị trường nước toàn cầu, kể cả phân phối nước uống, quản lý và xử lý, có giá trị xấp xỉ 500 tỉ đô la Mỹ và sẽ tiếp tục tăng trưởng. Một số nhà nghiên cứu cho rằng trong tương lai, “đỉnh nước” sẽ trở thành vấn đề nguồn lực trung tâm thay cho “đỉnh dầu”. Ngày càng có nhiều hạn chế mới đối với các nguồn cung nước ngọt và sẽ không còn dễ dàng và rẻ, trong việc đắp đập ngăn sông hay khoan giếng so với trước đây. Tuy nhiên, nước không cạn kiệt đi như dầu mỏ mà chỉ bị thay đổi chất lượng sau khi sử dụng. Theo ước tính của Liên Hiệp Quốc, Trái đất có rất nhiều nước, nhưng chủ yếu là nước mặn. Nguồn nước ngọt của Trái đất phân chia vào các ngành công nghiệp (20%), nông nghiệp (70%), và sử dụng cục bộ (10%). 68
  69. Bình thường, nguồn dự trữ nước thiên nhiên lớn hơn lượng nước ngọt mà con người cần sử dụng hàng năm. Tuy nhiên, ô nhiễm môi trường từ nhiều nguồn khác đã khiến nguồn nước sạch khan hiếm dần. Suốt nhiều thập niên qua, con người tiêu thụ nguồn nước sẵn có. Giờ đây con người cần phải học cách quản lý nhu cầu nước cũng như có giải pháp bảo vệ nguồn nước hợp lí. Mục đích chương 2 - Hiểu rõ về vai trò của và thành phần của môi trường nước - Nắm được các quá trình chủ yếu trong môi trường nước. - Nhận biết được nguồn thải và chất ô nhiễm nước. - Hiểu được tác động của ô nhiễm nước biển, sông, hồ và nước ngầm. - Nắm được các thông số cơ bản và tiêu chuẩn đánh giá chất lượng nước. 2.1. TÀI NGUYÊN NƯỚC VÀ VÒNG TUẦN HOÀN CỦA NƯỚC 2.1.1. Phân bố tài nguyên nước trên Trái Đất Trữ lượng tài nguyên nước vào khoảng 1,4 tỉ m3, bao phủ khoảng 3/4 diện tích bề mặt Trái đất, trong đó 97% là nước ở biển và đại dương, 2,2% trên các cực và 0,8% trên các lục địa. Tuy Trái đất chứa một lượng lớn nước như vậy nhưng lượng nước ngọt mà con người có thể sử dụng được lại phân bố không đều giữa các vùng và chỉ chiếm một phần rất nhỏ, khoảng 4,2 triệu km3. Phần lớn nước ngọt nằm ở dạng băng ở hai cực của Trái đất. Ước tính hàng năm, con người mới khai thác và sử dụng được khoảng 4000 km3 nước từ các nguồn nước mưa, nước mặt trong các sông, rạch, ao, hồ và một phần nhỏ từ băng tuyết. Bảng 2.1. Phân bố trữ lượng nước trong môi trường Thành phần môi trường Trữ lượng nước (106 km3) Nước biển, đại dương 1370 Băng, tuyết 29 Nước ngầm 9,5 Nước bề mặt ở đất liền 0,13 Khí quyển 0,013 69
  70. Thành phần môi trường Trữ lượng nước (106 km3) Sinh quyển 0,0006 2.1.2.Vòng tuần hoàn của nước Các nguồn nước trong tự nhiên thường xuyên vận chuyển từ nơi này sang nơi khác tạo nên vòng tuần hoàn nước trong sinh quyển. Có năm thành phần chính trong vòng tuần hoàn nước gồm: nước nằm ở các đại dương và biển; hơi nước trong không khí (chủ yếu ở dạng mây); nước ở thể rắn trong băng, tuyết; nước bề mặt trong đất liền (hồ, ao, sông, suối, lưu vực) và cuối cùng là nước ngầm. Hình 2.1. Vòng tuần hoàn nước trên Trái Đất Ban đầu, nhờ năng lượng Mặt trời, nước bề mặt (ao, hồ, sông, đại dương ) bốc hơi vào khí quyển tạo thành mây. Nước còn có thể thoát ra dưới dạng hơi từ thực vật, làm tăng độ ẩm của không khí. Hơi nước chu chuyển trong các đám mây nhờ gió, khi gặp lạnh sẽ ngưng tụ thành mưa, tuyết rồi rơi xuống bề mặt Trái đất. Nước mưa có thể quay trở lại nguồn nước bề mặt và cũng có thể thấm qua đất thành các lớp nước ngầm. Nước ngầm tiếp tục hướng ra biển, cùng với các nguồn 70
  71. nước bề mặt khác để tuần hoàn trở lại khí quyển. Quá trình tuần hoàn đó được lặp lại trong phạm vi toàn cầu, tạo nên các cân bằng nước và góp phần vào việc điều hòa khí hậu Trái đất. 2.1.3. Đặc điểm của nước Nước là một chất đặc biệt và rất cần thiết cho sự sống. Những tính chất đặc biệt của nước gồm: -29 - Nước có mômen lưỡng cực (0,608.10 C.m) và hằng số điện môi cao (ε0 bằng 78.54 ở 25°C). Nhờ vậy, nước là dung môi có khả năng hòa tan nhiều chất và ion. Do đó, nước là môi trường vận chuyển quan trọng các chất dinh dưỡng đến sinh vật sống. - Nước có nhiệt dung riêng lớn (1 cal/g.oC). Do đó để làm thay đổi nhiệt độ của một lưu vực sông, biển, đại dương cần một lượng nhiệt rất lớn và không dễ gì xảy ra được. Điều này giúp ổn định nhiệt độ trong khu vực cũng như bảo vệ đời sống của các sinh vật trong nước. Ví dụ hiện tượng sốc nhiệt, khi nhiệt độ môi trường nước thay đổi đột ngột sẽ làm chết nhiều loài động vật thủy sinh. Đại dương là một kho giữ nhiệt khổng lồ của Trái đất. Nếu không có tính chất quí báu trên của nước thì sẽ không có sự ổn định về nhiệt độ của đại dương. Một sự thay đổi nhỏ về nhiệt của đại dương cũng có thể gây ra biến đổi lớn về thời tiết toàn cầu. Ví dụ, nhiệt độ nước biển tăng sẽ làm tăng sự trao đổi nhiệt và hơi nước giữa khí quyển và đại dương, qua đó điều chỉnh lại phân bố năng lượng giữa các vùng trên Trái đất thông qua hoàn lưu khí quyển. Hệ quả là các hoạt động đối lưu diễn ra mạnh mẽ hơn sẽ dẫn đến những biến động về thời tiết, như mưa, lốc. Nhiệt độ nước biển tăng làm mở rộng các vùng biển có điều kiện nhiệt độ thích hợp cho việc hình thành bão và áp thấp nhiệt đới, có thể dẫn tới gia tăng tần số và cường độ của bão. - Nhiệt bay hơi của nước lớn (540 cal/g ở 20oC) cũng góp phần làm ổn định nhiệt độ của các lớp nước trong lưu vực và môi trường xung quanh lưu vực. Nó cũng ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển nhiệt và hơi nước giữa môi trường nước và không khí. 71
  72. - Tỷ trọng của nước đạt cực đại ở 4oC (1 kg/l). Điều này có lợi cho việc duy trì sự sống tại các vùng băng giá. Ở vùng lạnh, nước sông hồ không bị đóng băng đến tận đáy. Lớp nước ở phía trên, khi lạnh đến 4oC thì hạ xuống đáy sông hồ, mang theo oxy cho sinh vật và đảm bảo cho sự phân bố đồng đều các chất dinh dưỡng. Các lớp nước ấm hơn ở bên dưới dâng lên. Khi tiếp xúc với không khí trên bề mặt, nước lại bị giảm nhiệt độ đến 4oC, đến lượt mình, lớp nước đó lại chìm xuống tạo sự tuần hoàn theo phương thẳng. Hình 2.2. Băng tan ở đảo Greenland - Nước không có màu, trong suốt, có khả năng để bức xạ thuộc vùng khả kiến và tử ngoại gần truyền qua. Do vậy, phản ứng quang hóa có thể xảy ra ở một độ sâu nước nhất định, giúp tạo ra các chất hữu cơ hữu ích cho vi sinh vật trong nước. Ngoài các tính chất trên, nước còn có sức căng bề mặt (73 dyn/cm3) lớn hơn so với nhiều chất khác tạo thuận lợi cho việc điều chỉnh giọt và hiện tượng bề mặt. Ở áp suất khí quyển, nước sôi ở 100oC, trong khi các phân tử có cấu trúc tương tự (H2S, H2Se, H2Te) lại có nhiệt độ sôi khác xa nhiệt độ sôi của nước. 2.2. THÀNH PHẦN CỦA NƯỚC TỰ NHIÊN 72