Bài giảng Hóa môi trường - Chương 2: Khí quyển và hóa học của khí quyển - Ngô Xuân Huy

Nội dung text: Bài giảng Hóa môi trường - Chương 2: Khí quyển và hóa học của khí quyển - Ngô Xuân Huy

1. CHƯƠNG 2 KHÍ QUYỂN VÀ HĨA HỌC CỦA KHÍ QUYỂN
2. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ 2.1.1. Cấu trúc khí quyển Khí quyển là lớp không khí trên bề mặt trái đất, không có giới hạn, tuy nhiên so với chiều dày của trái đất (đường kính trái đất khoảng 6500km) thì nó lại như một lớp da rất mỏng bao quanh quả đất.
3. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ 2.1.1.1. Tầng đối lưu Tầng đối lưu (troposphere) chiếm khoảng 70% khối lượng khí quyển, ở độ cao từ 0 đến 11 km, càng lên cao nhiệt độ càng giảm. Độ cao của tầng đối lưu cĩ thể thay đổi khoảng vài km, tùy thuộc vào các yếu tố, nhiệt độ, bề mặt đất (khoảng 8 km ở hai cực, 18 km ở vùng xích đạo). Tầng này quyết định khí hậu của Trái đất, thành phần chủ yếu là N2, O2, CO2 và hơi nước.
4. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ 2.1.1.1. Tầng đối lưu Khí trong khí quyển tập trung chủ yếu ở tầng đối lưu, với khối lượng khoảng 4,12.1015 tấn so với tổng khối lượng khí trong khí quyển là 5,15×1015 tấn. Mật độ khơng khí và nhiệt độ trong tầng đối lưu khơng đồng nhất. Mật độ khơng khí giảm rất nhanh theo độ cao (hàm số mũ).  Nếu khơng bị ơ nhiễm, thì nhìn chung thành phần của khí quyển ở tầng đối lưu khá đồng nhất, do cĩ dịng đối lưu liên tục của các khối khơng khí trong tầng. Tầng đối lưu là một vùng xốy, do cĩ sự mất cân bằng trong tốc độ sưởi ấm và làm lạnh giữa vùng xích đạo và ở hai đầu cực.
5. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ 2.1.1.1. Tầng đối lưu Phần trên cùng của tầng đối lưu cĩ nhiệt độ thấp nhất (vào khoảng −56°C) được gọi là đỉnh tầng đối lưu hoặc lớp dừng (tropopause), đánh dấu sự kết thúc xu hướng giảm nhiệt theo độ cao trong tầng đối lưu, và bắt đầu cĩ sự tăng nhiệt độ. Ở đỉnh tầng đối lưu do nhiệt độ rất thấp, hơi nước bị ngưng tụ và đơng đặc nên khơng thể thốt khỏi tầng khí quyển thấp. Nếu khơng cĩ đỉnh tầng đối lưu, đĩng vai trị như tấm chắn rất hữu hiệu, hơi nước cĩ thể bay lên các tầng khí quyển bên trên và sẽ bị phân tích dưới tác dụng của bức xạ tử ngoại cĩ năng lượng lớn. Hydro tạo thành do phản ứng phân tích sẽ thốt khỏi khí quyển (hầu hết hydro và heli vốn cĩ trong khí quyển đã thốt khỏi khí quyển theo con đường này).
6. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ 2.1.1.2. Tầng bình lưu Tầng bình lưu (stratosphere) ở độ cao từ 11 đến 50 km, nhiệt độ tăng theo độ cao, từ − 56°C đến khoảng −2°C. Thành phần chủ yếu của tầng này là O3, ngồi ra cịn cĩ N2, O2 và một số gốc hĩa học khác. Phía trên đỉnh tầng đối lưu và phần dưới của tầng bình lưu là tầng ozon, nhiệt độ trong tầng này gần như khơng đổi.
7. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ 2.1.1.2. Tầng bình lưu Ozon ở vùng này đĩng một vai trị cực kỳ quan trọng, nĩ cĩ tác dụng như lá chắn bảo vệ cho cuộc sống trên bề mặt Trái đất, tránh được tác dụng cĩ hại của tia tử ngoại từ ánh sáng Mặt trời. O3 + hν (λ: 220 − 330 nm) → O2 + O + Q (làm tăng nhiệt độ) Trong tầng bình lưu, khơng khí ít bị khuấy động, do đĩ thời gian lưu của các phần tử hĩa học ở vùng này khá lớn. Nếu các chất gây ơ nhiễm bằng cách nào đĩ xâm nhập vào tầng này, thì chúng sẽ tồn tại và gây ảnh hưởng tác động trong một thời gian dài hơn nhiều so với ảnh hưởng của chúng ở tầng đối lưu.
8. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ 2.1.1.3. Tầng trung lưu Tầng trung lưu (tầng trung quyển, mesosphere) ở độ cao từ 50 km đến 85 km, nhiệt độ giảm theo độ cao, từ − 2°C đến − 92°C, do khơng cĩ nhiều các phần tử hĩa học hấp thụ tia tử ngoại, đặc biệt là ozon. + + Thành phần hĩa học chủ yếu trong tầng này là các gốc tự do O2 , NO được tạo thành do oxy và nitơ oxit hấp thụ bức xạ tử ngoại xa.
9. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ 2.1.1.4. Tầng nhiệt lưu  Tầng nhiệt lưu (tầng nhiệt, tầng ion, thermosphere), ở độ cao từ 85 đến trên 500 km. Nhiệt độ trong tầng này tăng từ − 92°C đến 1200°C. Trong tầng này, do tác dụng của bức xạ Mặt trời, nhiều phản ứng hĩa học xảy ra với oxy, ozon, nitơ, nitơ oxit, hơi nước, CO2 , chúng bị + phân tách thành nguyên tử và sau đĩ ion hĩa thành các ion O2 , + + - - - O , O, NO , e , NO2 , NO3 , và nhiều hạt bị ion hĩa phản xạ sĩng điện từ sau khi hấp thụ bức xạ Mặt trời ở vùng tử ngoại xa (UV-C, λ < 290 nm).
10. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ NGỒI RA Ngồi các tầng trên, người ta cịn cĩ khái niệm tầng điện ly hay tầng ngồi (exosphere) và tầng ion (ionosphere). Tầng ngồi bao quanh Trái đất ở độ cao lớn hơn 800 km, cĩ chứa các ion oxy O+ (ở độ cao 1500 km). Một phần hydro ở tầng này cĩ thể tách ra và đi vào vũ trụ (khoảng vài nghìn tấn năm). Mặt khác, các dịng plasma do Mặt trời phát ra và bụi vũ trụ (khoảng 2 g/km2) cũng đi vào khí quyển Trái đất. Nhiệt độ của tầng này tăng rất nhanh đến khoảng 1700°C.
11. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ NGỒI RA Tầng ion là khái niệm dùng để chỉ phần khí quyển ở độ cao từ 50 km trở lên, trong vùng này khơng khí cĩ chứa nhiều ion. Sự cĩ mặt của các ion trong vùng này đã được biết đến từ năm 1901, khi người ta phát hiện ra hiện tượng phản xạ của sĩng radio của lớp khí quyển tầng cao. Giới hạn trên của khí quyển và đoạn chuyển tiếp vào vũ trụ rất khĩ xác định, cho tới nay, người ta mới ước đốn khoảng 500 − 1000 km.
12. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ Hình 2.2. Sự biến đổi nhiệt độ của khí quyển
13. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ Hình 2.3. Sự biến đổi áp suất của khí quyển
14. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ 2.1.2. Thành phần khơng khí sạch và khơ  Khơng khí được cấu tạo từ nhiều khí khác nhau, trong đĩ thành phần chính là khí N2 chiếm khoảng 78,9% thể tích, khí O2 chiếm khoảng 20,9% thể tích, tiếp theo là Argon, khí cacbonic  Trong khơng khí cũng luơn tồn tại một lượng hơi nước khơng cố định.  Lớp khí quyển bao quanh Trái đất là mơi trường để truyền bức xạ Mặt trời vào Trái đất (hồng ngoại, tử ngoại, rơn ghen, tia gamma).  Phần lớn bức xạ này nằm trong khoảng bước sĩng 200 – 2000 nm một nửa số này cĩ bước sĩng 380 – 870 nm là tia mà mắt người cĩ thể nhìn thấy được. Chỉ cĩ 45% tổng lượng năng lượng Mặt trời là tới được Trái đất cịn 24,5% bị khí quyển hấp thụ, 30,5% bị phản xạ bởi mây và bề mặt Trái đất.
15. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ Khí Cơng thức Thành phần Thời gian lưu ở (ppm) tầng đối lưu (năm) Ni tơ N2 780,840 6.000000 Ơxy O2 209,460 4500 Argon Ar 9,340 - Cacbon CO2 315 2 - 4 đioxit Nêon Ne 18 - Hêli He 5,2 - Mê tan CH4 1,0 - 1,5 7 Krypton Kr 1,1 - Nitơ Oxit N2O 0,5 200 Hyđrơ H2 0,5 - Xênơn Xe 0,08 -
16. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ Hình 2.4. Thành phần khí quyển
17. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ Thời gian lưu cĩ thể được định nghĩa như sau: . Thời gian lưu đĩng vai trị quan trọng trong việc xác định một chất cĩ phân bố rộng trong mơi trường hay khơng. . Một chất dù là tự nhiên hay nhân tạo thì thời gian lưu cũng liên quan chặt chẽ với việc phân bố trong mơi trường. . Một chất hịa trộn tốt, nghĩa là phân bố rộng trong mơi trường thì sẽ cĩ thời gian lưu dài, và ngược lại. . Ví dụ CFCs cĩ thời gian lưu dài, tạo nên một vấn đề mơi trường tồn cầu. .Ngược lại, các khí acid chỉ tồn tại vài ngày trong khí quyển và mưa acid vì vậy chỉ mang tính chất khu vực.
18. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ 2.1.2.1. Oxygen . Tổng lượng oxy cĩ trong khí quyển tại một thời điểm vào khoảng 1,8x1019mol, tương đương với 1,2x1018 kg. . Quá trình chính sinh ra oxy trong khí quyển là phản ứng quang hợp (5,0x1015 mol/năm, tức 4,0x1014 kg/năm). . Quá trình quang hợp hầu như cân bằng với các quá trình tiêu thụ oxy, đĩ là quá trình hơ hấp, phân hủy chất hữu cơ và quá trình đốt các nhiên liệu hĩa thạch. . Oxy cĩ thời gian tồn lưu lâu trong khí quyển (vài nghìn năm). Điều này cĩ nghĩa là nĩ được phân bố đều trong khí quyển, khơng cĩ sự thay đổi về áp suất riêng phần của O2 giữa nơi này và nơi khác.
19. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ 2.1.2.2. Nước . Tại một thời điểm bất kỳ, chỉ cĩ khoảng 7x1014 mol nước tồn tại ở dạng khí so với khoảng 9,5x1019 mol tồn tại trên bề mặt ở dạng lỏng. . Với lượng bốc hơi từ đại dương (2,2x1016 mol/năm) và từ các sơng hồ (3,5x1015mol/năm) so với lượng nước ngưng tụ trên Mặt đất (5,5x1015mol/năm) và trên các đại dương (1,9x1016mol/năm), cĩ thể tính được thời gian tồn lưu trung bình của nước trong khí quyển là 3x10-2 năm (10 ngày). . Nước phân bố khơng đều trong khí quyển, về cả khơng gian và thời gian. . Áp suất riêng phần cực đại của nước đạt được tại một nhiệt độ nhất định được gọi là áp suất hơi bão hồ (hoặc áp suất hơi cân bằng). Áp suất hơi bão hịa tăng nhanh theo nhiệt độ.
20. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ Bảng 2.2. Áp suất hơi bão hịa tăng theo nhiệt độ. p(H O), p(H O), p(H O), t, oC 2 t, oC 2 t, oC 2 atm atm atm -20 0,00102 0 0,00603 20 0,02307 -15 0,00163 5 0,00861 25 0,03126 -10 0,00257 10 0,01188 30 0,04187 -15 0,00396 15 0,01683 35 0,05418
21. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ 2.1.2.3. Nitrogen 18 . Khí quyển chứa khoảng 3,9x10 kg nitrogen. Nguồn tiêu thụ N2 chủ yếu là quá trình cố định nitơ sinh học (2x1011kg/năm), quá trình sản sinh NO do sét và do quá trình đốt (7x1010 kgN/năm). N2 + O2 -> 2NO . Ngồi ra, các quá trình cơng nghiệp cũng cố định thêm khoảng 5x1010 kg/năm. N2 + 3H2 -> 2NH3 + - . Nitơ cĩ trong nước và đất ở dạng NH4 hoặc NO3 được chuyển hĩa sinh học thành các protein và nucleic acid. Quá trình phân hủy các chất này dưới tác dụng của vi khuẩn lại giải phĩng nitơ và khí quyển ở dạng N2 và N2O. . Do tốc độ sinh ra và mất đi của N2 rất nhỏ so với lượng cĩ trong khí quyển 7 nên thời gian tồn lưu cửa N2 là rất lớn ( 10 năm).
22. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ 2.1.2.4. Carbon dioxide 16 . Lượng CO2 cĩ trong khí quyển là 1,4x10 mol. Ngược lại với oxy, nguồn sản sinh chủ yếu của CO2 trong khí quyển là quá trình hơ hấp, quá trình đốt và quá trình phân hủy chất hữu cơ. 15 . Quang hợp là quá trình tiêu thụ CO2 quan trọng (1,5x10 mol/năm). Bên cạnh đĩ, vì CO2 dễ tan trong nước nên cũng cần kể đến quá trình trao đổi CO2 với đại dương. . Hàng năm đại dương sử dụng hết 7x1015mol và trả lại vào khí quyển 6x1015 mol CO2. Kết quả là thời gian lưu của CO2 trong khí quyển khoảng 2 năm. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây cho thấy lục địa tiêu thụ nhiều CO2 hơn các đại dương. . Kết quả giám sát nồng độ CO2 qua nhiều năm cho thấy nồng độ CO2 trong khí quyển khơng đồng đều và cĩ xu hướng tăng dần.
23. 2.1. CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN VÀ THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ 2.1.2.5. Hydrogen . Hydrogen chiếm một phần rất nhỏ của khí quyển (0,5ppm). . Tồn bộ khí quyển chứa 180.000 tấn H2 và lượng tiêu thụ hàng năm là 90.000 tấn, và vì vậy thời gian lưu của H2 trong khí quyển là 2 năm. . Khí hydro hịa trộn khá tốt trong khí quyển và nồng độ biến đổi theo chu kỳ năng, tăng cao vào tháng 4 và giảm mạnh vào tháng 10. . Bên cạnh đĩ, nồng độ H2 trong khí quyển cũng tăng vào khoảng 0,6%/năm. . Tuy nhiên, khác với CO2, chu kỳ biến đổi nồng độ H2 ở Bắc bán cầu và Nam bán cầu cùng pha với nhau.
24. 2.2. CÁC PHẢN ỨNG XẢY RA TRONG KHÍ QUYỂN . Các chất ơ nhiễm sau khi thốt ra khỏi nguồn thải đi vào khí quyển cĩ thể bị biến đổi về lượng hoặc cũng cĩ thể chuyển thành các chất khác là các quá trình: pha lỗng, sa lắng (sa lắng khơ và sa lắng ướt), các chất phản ứng với nhau. . Các thành phần trong khí quyển cĩ thể tham gia vào phản ứng hĩa học thuần túy dưới điều kiện đồng thể hoặc dị thể. . Năng lượng cần thiết để tiến hành các phản ứng giữa những thành phần chính trong tầng đối lưu nhiều khi quá lớn. . Việc nghiên cứu các phản ứng hĩa học hoặc quang hĩa, các quá trình vận chuyển và phát tán hoặc tích tụ các chất ơ nhiễm cĩ ý nghĩa quan trọng đối với việc nghiên cứu quá trình hình thành và biến đổi các chất ơ nhiễm trong khí quyển.
25. 2.2. CÁC PHẢN ỨNG XẢY RA TRONG KHÍ QUYỂN 2.2.1. Phản ứng hĩa học trong khí quyển Là các phản ứng xảy ra chủ yếu do các va chạm cĩ hiệu quả giữa các tác nhân phản ứng cĩ mặt trong khí quyển gây ra: . Phản ứng kết hợp . Phản ứng trao đổi . Phản ứng oxi hĩa - khử . .Ngồi ra cũng cịn cĩ các quá trình hịa tan, sa lắng -Sa lắng khơ: là quá trình thanh lọc bằng cách hấp thu (hấp thụ hoặc hấp phụ) các chất ở bề mặt Trái đất nhờ thảm thực vật, hịa tan các chất trong nước mặt (sơng, hồ, ao, nước biển). -Sa lắng ướt: là thanh lọc nhờ mưa. . Các phản ứng cĩ thể xảy ra ở các pha đồng thể hoặc dị thể.
26. 2.2. CÁC PHẢN ỨNG XẢY RA TRONG KHÍ QUYỂN 2.2.2. Phản ứng quang hĩa trong khí quyển Một số nguyên tắc của phản ứng quang hĩa như sau: . Phản ứng quang hĩa chỉ xảy ra với các phần tử cĩ khả năng hấp thụ các photon mà nĩ gặp. . Mỗi photon được hấp thụ cĩ thể kích hoạt chỉ với một phần tử duy nhất ở quá trình quang hĩa đầu tiên. . Theo qui luật hấp thu năng lượng thì trước hết các photon được hấp thụ bởi các phần tử ở những trạng thái cĩ năng lượng thấp, do đĩ đối với quá trình quang hĩa thì những trạng thái kích động năng lượng thấp rất cĩ ý nghĩa.
27. 2.2. CÁC PHẢN ỨNG XẢY RA TRONG KHÍ QUYỂN 2.2.2. Phản ứng quang hĩa trong khí quyển Hiệu quả hấp thụ quang hĩa được định nghĩa qua mức hấp thụ của một quá trình quang hố: = (số phân tử tham gia phản ứng) / (số photon bị hấp phụ) Đối với phản ứng phân li quang hĩa: AB + h → A + B Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào cường độ phát xạ ánh sáng Mặt trời; bề mặt hấp thụ, cường độ hấp thụ của chất tham gia phản ứng. Một số phản ứng phân li quang hĩa: O3 + h ( < 360 nm) → O2 + O NO2 + h ( < 420 nm) → NO + O CH2O + h ( < 360 nm) → H2 + CO
28. 2.2. CÁC PHẢN ỨNG XẢY RA TRONG KHÍ QUYỂN 2.2.2. Phản ứng quang hĩa trong khí quyển - Khĩi quang hĩa Trong khí quyển, ở tầng đối lưu, hàm lượng ơzơn thấp khoảng 50ppb, ở độ cao sát mặt biển, hàm lượng ơzơn khoảng 20 - 40 ppb và đạt cực đại vào mùa hè từ 40 - 60 ppb. Ơzơn tham gia vào phản ứng quang hĩa và cùng với sản phẩm của quá trình quang hĩa là các gốc hoạt tính như: OH, NO, O, O2, HO2, lại tiếp tục tham gia phản ứng với các hợp chất hydrocarbua (là những chất khơng hấp thụ sĩng ngắn), các ơxít nitơ trong khí quyển sẽ hình thành nhiều chất ơ nhiễm thứ cấp như andehyt, và peroxyl acetyl nitrat hay PAN (C2H3O5N), tập hợp tất cả các chất trên tạo thành khĩi quang hĩa trong khí quyển.
29. 2.2. CÁC PHẢN ỨNG XẢY RA TRONG KHÍ QUYỂN 2.2.2. Phản ứng quang hĩa trong khí quyển Khĩi quang hĩa lần đầu tiên được được quan tâm ở Los Angeles, California (Mỹ) vào những năm 1940. Cơ chế của sự hình thành khĩi quang hĩa (1) Phản ứng quang hĩa cơ bản tạo nguyên tử ơxi NO2 + h ( < 420 nm)  NO + O (2) Các phản ứng với oxy O2 + O  O3 O3 + NO  NO2 + O2
30. 2.2. CÁC PHẢN ỨNG XẢY RA TRONG KHÍ QUYỂN 2.2.2. Phản ứng quang hĩa trong khí quyển Do phản ứng thứ hai xảy ra rất nhanh nên nồng độ O3 vẫn cịn thấp cho đến khi nồng độ NO giảm xuống. Xe ơtơ phát thải NO cĩ tác dụng giữ O3 ở nồng độ thấp ổn định. (3) Sự hình thành sản phẩm của các gốc hydrocarbon tự do O + RH  R* + nhiều sản phẩm khác * O3 + RH  R + nhiều sản phẩm khác (4) Các phản ứng dây chuyền nhân lên, phân nhánh và kết thúc * NO + ROO  NO2 + nhiều sản phẩm * NO2 + R  sản phẩm (ví dụ như PAN)
31. 2.2. CÁC PHẢN ỨNG XẢY RA TRONG KHÍ QUYỂN 2.2.2. Phản ứng quang hĩa trong khí quyển Một số dây chuyền phản ứng của các chất, hidrocarbon phản * ứng với các gốc O, O3, HO : + * RH + O + O2  ROO + HO * + RH + HO + O2  ROO + H2O
32. 2.2. CÁC PHẢN ỨNG XẢY RA TRONG KHÍ QUYỂN 2.2.2. Phản ứng quang hĩa trong khí quyển Phản ứng quang hĩa mêtan Nhiều phản ứng liên quan đến sự ơxi hĩa hidrocarbon trong khí quyển được nghiên cứu bằng cách xem xét sự ơxi hĩa mêtan. Giống như các chất hidrocarbon khác, mêtan phản ứng với một nguyên tử ơxi (thơng thường là sản phẩm của phản ứng quang hĩa NO2) tạo ra gốc hydroxyl quan trọng và gốc alkyl. + - CH4 + O  H3C + HO
33. 2.2. CÁC PHẢN ỨNG XẢY RA TRONG KHÍ QUYỂN 2.2.2. Phản ứng quang hĩa trong khí quyển Gốc metyl sinh ra phản ứng với phân tử ơxi tạo ra gốc peroxyl rất hoạt động: + - H3C + O2  H3COO - + CH4 + HO  H3C + H2O - + CH3COO + NO  H3CO + NO2 + CH3CO + O3  rất nhiều sản phẩm khác nhau. + - H3CO + O2  CH2O + HOO
34. 2.2. CÁC PHẢN ỨNG XẢY RA TRONG KHÍ QUYỂN 2.2.2. Phản ứng quang hĩa trong khí quyển Solar radiation Ultraviolet radiation NO Nitric O NO oxide 2 H O 2 O Molecular 2 Nitrogen Water Atomic oxygen dioxide oxygen Hydrocarbons PANs Peroxyacyl O HNO3 Aldehydes 3 Nitric acid nitrates (e.g., formaldehyde) Ozone
35. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.1. Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.1. Các nguồn phát sinh ra các chất ơ nhiễm khơng khí a. Dựa vào nguồn phát sinh chia thành hai nhĩm chính: tự nhiên và nhân tạo •+ Nguồn tự nhiên (1). Ơ nhiễm do hoạt động của núi lửa Hoạt động của núi lửa phun ra một lượng khổng lồ các chất ơ nhiễm như tro bụi, khí SOx-, NOx, cĩ tác hại nặng nề và lâu dài tới mơi trường. (2). Ơ nhiễm do cháy rừng Cháy rừng do các nguyên nhân tự nhiện cũng như các hoạt động thiếu ý thức của con người, chất ơ nhiễm như khĩi, bụi, khí SOx,- NOx, CO, THC (3). Ơ nhiễm do bão cát
36. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.1. Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.1. Các nguồn phát sinh ra các chất ơ nhiễm khơng khí a. Dựa vào nguồn phát sinh chia thành hai nhĩm chính: tự nhiên và nhân tạo Hiện tượng bão cát thường xảy ra ở những vùng đất trơ và khơ khơng cĩ lớp phủ thực vật. Ngồi việc gây ra ơ nhiễm bụi, nĩ cịn làm giảm tầm nhìn. (4). Ơ nhiễm do đại dương Do quá trình bốc hơi nước biển cĩ kéo theo một lượng muối (chủ yếu là NaCl) bị giĩ đưa vào đất liền. Khơng khí cĩ nồng độ muối cao sẽ cĩ tác hại tới vật liệu kim loại. (5). Ơ nhiễm do phân hủy các chất hữu cơ trong tự nhiên Do lên men chất hữu cơ bãi rác, đầm lầy tạo ra các khí như metan (CH4), các hợp chất gây mùi hơi hợp chất nitơ (ammoniac – NH3), hợp chất lưu huỳnh (hydrosunfua – H2S, mecaptan) và thậm trí cĩ cả các vi sinh vật.
37. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.1. Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.1. Các nguồn phát sinh ra các chất ơ nhiễm khơng khí + Các nguồn nhân tạo (1) Ơ nhiễm do sản xuất cơng nghiệp và tiểu thủ cơng nghiệp: Ví dụ các nhà máy sản xuất hĩa chất, sản xuất giấy, luyện kim loại, nhà máy nhiệt điện (sử dụng các nhiên liệu than, dầu ). Hoạt động nơng nghiệp sử dụng phân bĩn, phun thuốc trừ sâu diệt cỏ, nơng nghiệp. Dịch vụ thương mại: chợ buơn bán. Các nguồn trên cĩ thể coi là các nguồn cố định. (2) Ơ nhiễm giao thơng: Do khí thải ơ tơ, xe máy, tàu thủy, xe lửa, máy bay . Coi là các nguồn lưu động. (3) Ơ nhiễm do sinh hoạt: Do đốt nhiên liệu phục vụ sinh hoạt, phục vụ vui chơi giải trí.
38. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.1. Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.1. Các nguồn phát sinh ra các chất ơ nhiễm khơng khí + Các nguồn nhân tạo (1) Ơ nhiễm do sản xuất cơng nghiệp và tiểu thủ cơng nghiệp: Ví dụ các nhà máy sản xuất hĩa chất, sản xuất giấy, luyện kim loại, nhà máy nhiệt điện (sử dụng các nhiên liệu than, dầu ). Hoạt động nơng nghiệp sử dụng phân bĩn, phun thuốc trừ sâu diệt cỏ, nơng nghiệp. Dịch vụ thương mại: chợ buơn bán. Các nguồn trên cĩ thể coi là các nguồn cố định. (2) Ơ nhiễm giao thơng: Do khí thải ơ tơ, xe máy, tàu thủy, xe lửa, máy bay . Coi là các nguồn lưu động. (3) Ơ nhiễm do sinh hoạt: Do đốt nhiên liệu phục vụ sinh hoạt, phục vụ vui chơi giải trí.
39. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.1. Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.1. Các nguồn phát sinh ra các chất ơ nhiễm khơng khí b. Theo qui mơ tác động Nguồn điểm Nguồn đường Nguồn vùng Hình 2.7. Ơ nhiễm nguồn đường
40. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.1. Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.1. Các nguồn phát sinh ra các chất ơ nhiễm khơng khí b. Theo qui mơ tác động Hình 2.8. Ơ nhiễm nguồn vùng
41. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.1. Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.1. Các nguồn phát sinh ra các chất ơ nhiễm khơng khí STT Ngành sản xuất Các chất ơ nhiễm đặc trưng Nhà máy nhiệt điện, lị nung, nồi hơi Bụi, SO , NO , CO , hydrocacbon đốt bằng nhiên liệu aldehyt.x x x Chế biến thực phẩm Bụi, mùi . Sản xuất nước đá Ồn, NH (nếu dùng gas ammoniac) . Chế biến hạt điều Bụi, mùi3 hơi, các phenol Thuốc lá Bụi, mùi hơi, nicơtin Dệt, nhuộm Bụi, hợp chất hữu cơ Giấy Bụi, mùi hơi Sản xuất hĩa chất . Acid sunfuric SO . Superphotphat Bụi,x HF, H SiF , SO . Amoniac NH 2 6 3 . Keo, sơn, vecni Bụi,3 hợp chất hữu cơ bay hơi . Xà bơng, bột giặt Bụi, kiềm . Lọc dầu Các hydrocacbon, bụi, COx , SOx , NOx .
42. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.1. Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.1. Các nguồn phát sinh ra các chất ơ nhiễm khơng khí Sành sứ, thuỷ tinh, vật liệu xây • Bụi, COx , HF dựng Luyện kim, lị đúc • Bụi, SO2 , COx , NOx , Nhựa, cao su, chất dẻo • Bụi, mùi hơi, dung mơi hữu cơ, SO2 Thuốc trừ sâu • Bụi, mùi hơi, dung mơi hữu cơ, TBVTV Thuộc da • Mùi hơi (do các hợp chất sunlfua, mecaptan, amoniac) Bao bì • Mùi hơi của các dung mơi hữu cơ, bụi Khí thải giao thơng • Bụi, chì, NOx , SOx , COx , hợp chất hữu cơ Khí thải do đốt phục vụ sinh hoạt Bụi, mùi hơi, COx.
43. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.1. Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.2. Phân loại các chất ơ nhiễm khơng khí Cĩ nhiều cách phân loại khác nhau về các chất ơ nhiễm khơng khí. a. Theo nguồn gốc phát sinh + Các chất gây ơ nhiễm sơ cấp Là những chất trực tiếp thốt ra từ các nguồn và tự chúng đã cĩ đặc tính độc hại. Ví dụ như khí SO2 , NO, H2S, NH3, CO, HF. + Các chất gây ơ nhiễm thứ cấp Bao gồm những chất được tạo ra trong khí quyển do tương tác hĩa học giữa các chất gây ơ nhiễm sơ cấp với các chất vốn là thành phần của khí quyển. Ví dụ SO3, H2SO4, MeSO4, NO2, HNO3,
44. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.1. Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.2. Phân loại các chất ơ nhiễm khơng khí b. Theo trạng thái vật lý -Khí như SO2, NO, H2S, NH3, CO, NO2, SO3. -Hơi (lỏng) như hơi dung mơi hữu cơ. -Particulate matter: các hạt như bụi, khĩi, thường cĩ kích thước từ 0,1 đến 100 m. -Ơ nhiễm vật lý: Bao gồm các yếu tố vi khí hậu (nhiệt độ, độ ồn, rung, ánh sáng, độ ẩm, tốc độ giĩ ), ơ nhiễm chất phĩng xạ.
45. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.1. Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.3. Các chất ơ nhiễm trong khí quyển a. Bụi . Bụi là những chất ở dạng rắn hay lỏng cĩ kích thước khác nhau, được hợp thành từ nhiều chất khác nhau. . Những hạt bụi nhỏ nhờ sự vận chuyển của khí quyển cĩ thể đưa đi khắp nơi trong khí quyển, ngay cả Bắc cực, vùng cách xa các nguồn ơ nhiễm của khu cơng nghiệp, cũng phải chịu đựng sương mù Bắc cực từ tháng mười đến tháng năm mỗi năm. . Bụi được đặc trưng bằng thành phần hĩa học, thành phần khống cũng như phân bố kích thước hạt và phụ thuộc nguồn gốc phát sinh.
46. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.1. Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.3. Các chất ơ nhiễm trong khí quyển a. Bụi . Các Sol khí là những phần tử rắn hoặc lỏng cĩ đường kính nhỏ hơn 1 m. .Các hạt bụi cĩ kích thước 1m thuộc loại kích thước bé, thường sinh ra từ quá trình sản xuất cơng nghiệp, giao thơng, tự nhiên. Tốc độ lắng > 10 x 10-5m/s.
47. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.1. Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.3. Các chất ơ nhiễm trong khí quyển Nguồn phát Dạng bụi Thành phần chính sinh Sản xuất năng Bụi tro, bồ hĩng Các oxít kim loại, muối kim lượng loại, carbon Sản xuất than Bụi than Carbon Luyện kim Bụi lị Oxit kim loại, kim loại, phụ gia, quặng Xây dựng Bụi khống Xi măng, thạch cao Chế biến gỗ Bụi gổ Xenlulo Cơng nghiệp dệt Bụi sợi Vải bơng, vải sợi nhân tạo.
48. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.1. Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.3. Các chất ơ nhiễm trong khí quyển + Tác động vật lý của bụi lên khí quyển . Những hạt bụi nhỏ cĩ khả năng keo tụ là tác nhân làm giảm quá trình khuếch tán. . Các hạt bụi nhỏ hơn kết lại với nhau tạo thành những hạt lớn hơn cĩ kích thước đủ lớn để lắng xuống, đây là một trong hai cơ chế của quá trình tách bụi khỏi khí quyển. . Một cơ chế khác là kỹ thuật lọc sạch bằng nước mưa và một dạng khác là ngưng hơi nước trong khí quyển. . Bụi cũng cĩ tác động trở lại với khí trong khí quyển.
49. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.1. Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.3. Các chất ơ nhiễm trong khí quyển + Tác động vật lý của bụi lên khí quyển g.d2.( ) . V = 1 2 18. Trong đĩ: V: tốc độ lắng, cm/s. g: gia tốc trọng trường, cm/s2. 3 1: khối lượng riêng của hạt bụi, g/cm . 3 2: khối lượng riêng của khơng khí, g/cm . : độ nhớt của khơng khí, poise. d: đường kính hạt
50. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.1. Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.3. Các chất ơ nhiễm trong khí quyển + Tác động vật lý của bụi lên khí quyển . Kích thước hạt bụi thường thể hiện ở đường kính hạt bụi, đơi khi người ta biểu thị bằng bán kính hạt. .Tốc độ lắng bụi là một hàm phụ thuộc kính thước hạt bụi và khối lượng riêng. .Tốc độ lắng rất quan trọng trong việc xác định ảnh hưởng của bụi trong khí quyển. .Với những hạt bụi hình cầu cĩ đường kính lớn hơn và xấp xỉ 1 m, quá trình lắng tuân theo định luật Stock
51. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.1. Ơ nhiễm khơng khí 2.3.1.3. Các chất ơ nhiễm trong khí quyển + Tác động vật lý của bụi lên khí quyển . Định luật Stock cũng cĩ thể sử dụng để biểu thị ảnh hưởng của đường kính của một hạt bụi cĩ dạng khơng hình cầu bất kỳ. Những đường kính này được gọi là đường kính Stock. . Hầu hết các loại sol khí thì khơng biết được đường kính và khối lượng riêng. . Nếu giả sử khối lượng riêng của khơng khí là 1 g/cm3, thì đường kính tính theo phương trình trên được gọi là đường kính sa lắng rút gọn.
52. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.2. Hậu quả của ơ nhiễm khơng khí - Mưa acid - Hiệu ứng nhà kính - Suy giảm tầng ozon
53. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.2. Hậu quả của ơ nhiễm khơng khí 2.3.2.1. Mưa acid . Mưa acid là sự kết hợp của mưa, sương mù, tuyết, mưa đá với oxit lưu huỳnh, oxit nitơ sinh ra do quá trình đốt cháy các nhiên liệu khống tạo thành acid sunfuric, acid nitric cĩ nồng độ lỗng (pH < 5,6), rồi theo mưa tuyết rơi xuống Mặt đất . Các nguy hại của mưa acid chủ yếu là làm cho sơng hồ bị acid hố, cây cối bị khơ héo, các loại cá bị chết, đe dọa sức khỏe con người. . Dựa vào di chuyển của giĩ, mây mưa acid cĩ thể đi từ vùng này đến vùng khác nên phạm vi nguy hại càng rộng lớn.
54. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.2. Hậu quả của ơ nhiễm khơng khí 2.3.2.1. Mưa acid
55. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.2. Hậu quả của ơ nhiễm khơng khí 2.3.2.1. Mưa acid
56. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.2. Hậu quả của ơ nhiễm khơng khí 2.3.2.1. Mưa acid
57. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.2. Hậu quả của ơ nhiễm khơng khí 2.3.2.2. Hiệu ứng nhà kính . Nhiệt độ của Trái đất được quyết định bởi sự cân bằng giữa năng lượng Mặt trời và năng lượng bức xạ nhiệt từ bề mặt Trái đất. . Bức xạ nhiệt của Mặt trời là bức xạ sĩng ngắn dễ dàng xuyên qua lớp khí nhà kính (CO2, NOx, CH4, CFC ), cịn bức xạ nhiệt từ Trái đất là bức xạ nhiệt sĩng dài nên khơng thể xuyên qua lớp khí nhà kính này, do đĩ nĩ làm cho nhiệt độ khí quyển quanh Trái đất nĩng lên và được gọi là hiệu ứng nhà kính.
58. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.2. Hậu quả của ơ nhiễm khơng khí 2.3.2.2. Hiệu ứng nhà kính Hình 2.14. Hiệu ứng nhà kính
59. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.2. Hậu quả của ơ nhiễm khơng khí 2.3.2.2. Hiệu ứng nhà kính Hình 2.15. Các nguồn gây hiệu ứng nhà kính
60. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.2. Hậu quả của ơ nhiễm khơng khí 2.3.2.2. Hiệu ứng nhà kính . Gia tăng số lượng các khí nhà kính như CO2, CFC, ơzơn (O3), NO2, N2O Tỉ lệ tác động của chúng trong hiệu ứng nhà kính là: CO2: 50%, CFC: 20%, CH4: 16%, O3:8%, N2O:6%. . Các khí này khơng hấp thu các bức xạ của Mặt trời nên các bức xạ hồng ngoại từ Trái đất bị các khí nhà kính hấp thu, ngăn khơng cho năng lượng thốt ra ngồi khơng gian, khiến cho nhiệt độ khí quyển tăng lên, sinh ra hiệu ứng nhiệt. . Các khí nhà kính là các khí cĩ khả năng hấp thu bức xạ hồng ngoại. Như đã trình bày ở phần trước, khí nitơ, oxy và argon khơng phải khí nhà kính.
61. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.2. Hậu quả của ơ nhiễm khơng khí 2.3.2.3. Sự suy giảm tầng ơzơn . Suy giảm tầng ơzơn do việc đưa vào bầu khí quyển một số khí thải cĩ tác dụng làm suy giảm tầng ơzơn. . Hiện nay, tầng ơzơn trên khí quyển Trái đất ngày càng mỏng đi. . Những chất gây suy giảm tầng ozơn Việc sử dụng rộng rãi chất CFC (Chloroflourcarbons) Hợp chất oxit nitơ . Phương sách bảo vệ tầng ơzơn cĩ hiệu quả nhất là từng bước giảm dần và đi tới cấm hẳn việc sản xuất và sử dụng CFC và các hợp chất hĩa học phá hoại tầng ơzơn.
62. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.2. Hậu quả của ơ nhiễm khơng khí 2.3.2.3. Sự suy giảm tầng ơzơn Hình 2.20. Lỗ thủng tầng ơzơn
63. 2.3. Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ HẬU QUẢ CỦA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ 2.3.2. Hậu quả của ơ nhiễm khơng khí 2.3.2.4. Biến đổi khí hậu . Tất cả các yếu tố trên cùng gĩp phần làm cho thiên nhiên mất đi khả năng tự điều chỉnh vốn cĩ của mình. Trái đất nĩng lên cĩ thể mang lại những tác động bất lợi sau đây:  Mực nước biển dâng cao  Thời tiết trên Trái đất sẽ bị đảo lộn. Hình 2.21. Diễn biến nhiệt độ khí quyển theo thời gian