Hoá môi trường - Chương 2: Khí quyển và hóa học của khí quyển

Hoá môi trường - Chương 2: Khí quyển và hóa học của khí quyển

VÀ HÓA HỌC CỦA KHÍ QUYỂN

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

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 có 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

2.1.1.1 Tầng đối lưu

 Khí trong khí quyển tập trung chủ yếu ở tầng đối lưu, với khối lượng

khoảng 4,12.10 15 tấn so với tổng khối lượng khí trong khí quyển là

 Tầng đối lưu là một vùng xoáy, do có sự mất cân bằng trong tốc độ sưởi

ấm và làm lạnh giữa vùng xích đạo và ở hai đầu cực

2.1.1.1 Tầng đối lưu

 Phần trên cùng của tầng đối lưu có 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 có sự tăng nhiệt độ

 Ở đỉnh tầng đối lưu do nhiệt độ rất thấp, hơi nước bị ngưng tụ và đông đặc nên không thể thoát khỏi tầng khí quyển thấp

 Nếu không có đỉnh tầng đối lưu, đóng vai trò như tấm chắn rất hữu hiệu, hơi nước có thể bay lên các tầng khí quyển bên trên và sẽ bị phân tích dưới tác dụng của bức xạ tử ngoại có năng lượng lớn

 Hydro tạo thành do phản ứng phân tích sẽ thoát khỏi khí quyển (hầu hết hydro và heli vốn có trong khí quyển đã thoát khỏi khí quyển theo con đường này)

2.1.1.2 Tầng bình lưu

 Ozon ở vùng này đóng một vai trò cực kỳ quan trọng, nó có tác dụng như

lá chắn bảo vệ cho cuộc sống trên bề mặt Trái đất, tránh được tác dụng có hại của tia tử ngoại từ ánh sáng Mặt trời

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 không có nhiều các phần tử hóa học hấp thụ tia tử ngoại, đặc biệt là ozon

 Thành phần hóa 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

O + , O, NO + , e - , NO 2 - , NO 3 - , và nhiều hạt bị ion hóa phản xạ sóng điện từ sau khi hấp thụ bức xạ Mặt trời ở vùng tử ngoại xa (UV-

C, λ < 290 nm)

 Mặt khác, các dòng plasma do Mặt trời phát ra và bụi vũ trụ (khoảng 2 g/km 2 ) cũng đi vào khí quyển Trái đất Nhiệt độ của tầng này tăng rất nhanh đến khoảng 1700°C

 Giới hạn trên của khí quyển và đoạn chuyển tiếp vào vũ trụ rất khó xác định, cho tới nay, người ta mới ước đoán khoảng 500 − 1000 km

Hình 2.2 Sự biến đổi nhiệt độ của khí quyển

Hình 2.3 Sự biến đổi áp suất của khí quyển

2.1.2 Thành phần không khí sạch và khô

 Không khí được cấu tạo từ nhiều khí khác nhau, trong đó 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 không khí cũng luôn tồn tại một lượng hơi nước không cố định.

 Lớp khí quyển bao quanh Trái đất là môi 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 sóng 200 – 2000 nm một nửa số này có bước sóng 380 – 870 nm là tia mà mắt người có thể nhìn thấy được Chỉ có 45% tổng lượng năng lượng Mặt trời là tới được Trái đất còn 24,5% bị khí quyển hấp thụ, 30,5% bị phản xạ bởi mây và bề mặt Trái đất.

-Hình 2.4 Thành phần khí quyển

Thời gian lưu có thể được định nghĩa như sau:

 Thời gian lưu đóng vai trò quan trọng trong việc xác định một chất có phân

bố rộng trong môi trường hay không

 Một chất dù là tự nhiên hay nhân tạo thì thời gian lưu cũng liên quan chặt chẽ với việc phân bố trong môi trường

 Một chất hòa trộn tốt, nghĩa là phân bố rộng trong môi trường thì sẽ có thời gian lưu dài, và ngược lại

 Ví dụ CFCs có thời gian lưu dài, tạo nên một vấn đề môi trường toàn 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.

 Oxy có thời gian tồn lưu lâu trong khí quyển (vài nghìn năm) Điều này có nghĩa là nó được phân bố đều trong khí quyển, không có sự thay đổi về áp suất riêng phần của O2 giữa nơi này

và nơi khác

2.1.2.2 Nước

 Tại một thời điểm bất kỳ, chỉ có 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 sông hồ (3,5x1015mol/năm) so với lượng nước ngưng tụ trên Mặt đất (5,5x1015mol/năm) và trên các đại dương (1,9x1016mol/năm), có thể tính được thời gian tồn lưu trung bình của nước trong khí quyển là 3x10-2 năm (10 ngày)

 Nước phân bố không đều trong khí quyển, về cả không 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 hoà (hoặc áp suất hơi cân bằng) Áp suất hơi bão hòa tăng nhanh theo nhiệt độ

Bảng 2.2 Áp suất hơi bão hòa tăng theo nhiệt độ.

 Do tốc độ sinh ra và mất đi của N2 rất nhỏ so với lượng có trong khí quyển nên thời gian tồn lưu cửa N2 là rất lớn (10 7 năm).

2.1.2.4 Carbon dioxide

 Lượng CO2 có trong khí quyển là 1,4x10 16 mol Ngược lại với oxy, nguồn sản sinh chủ yếu của CO2 trong khí quyển là quá trình hô hấp, quá trình đốt

và quá trình phân hủy chất hữu cơ

 Quang hợp là quá trình tiêu thụ CO2 quan trọng (1,5x10 15 mol/năm) Bên cạnh đó, 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 7x10 15 mol và trả lại vào khí quyển 6x10 15 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 không đồng đều và có xu hướng tăng dần

2.1.2.5 Hydrogen

 Hydrogen chiếm một phần rất nhỏ của khí quyển (0,5ppm)

 Toàn 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 hòa 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 đó, 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

 Các chất ô nhiễm sau khi thoát ra khỏi nguồn thải đi vào khí quyển có thể bị biến đổi về lượng hoặc cũng có thể chuyển thành các chất khác là các quá trình: pha loãng, sa lắng (sa lắng khô và sa lắng ướt), các chất phản ứng với nhau

 Các thành phần trong khí quyển có thể tham gia vào phản ứng hóa 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 hóa học hoặc quang hóa, các quá trình vận chuyển và phát tán hoặc tích tụ các chất ô nhiễm

có ý nghĩa quan trọng đối với việc nghiên cứu quá trình hình thành và biến đổi các chất ô nhiễm trong khí quyển

Là các phản ứng xảy ra chủ yếu do các va chạm có hiệu quả giữa các tác nhân phản ứng có mặt trong khí quyển gây ra:

 Phản ứng kết hợp

 Phản ứng trao đổi

 Phản ứng oxi hóa - khử…

Ngoài ra cũng còn có các quá trình hòa tan, sa lắng…

-Sa lắng khô: 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, hòa tan các chất trong nước mặt (sông, hồ, ao, nước biển)

-Sa lắng ướt: là thanh lọc nhờ mưa.

 Các phản ứng có thể xảy ra ở các pha đồng thể hoặc dị thể

2.2.1 Phản ứng hóa học trong khí quyển

Một số nguyên tắc của phản ứng quang hóa như sau:

 Phản ứng quang hóa chỉ xảy ra với các phần tử có khả năng hấp thụ các photon mà nó gặp

 Mỗi photon được hấp thụ có thể kích hoạt chỉ với một phần tử duy nhất ở quá trình quang hóa 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 có năng lượng thấp, do đó đối với quá trình quang hóa thì những trạng thái kích động năng lượng thấp rất có ý nghĩa

2.2.2 Phản ứng quang hóa trong khí quyển

Hiệu quả hấp thụ quang hóa được định nghĩa qua mức hấp thụ  của một quá trình quang hoá:  = (số phân tử tham gia phản ứng) / (số photon bị hấp phụ)

Đối với phản ứng phân li quang hóa:

AB + h → A + BTốc 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 hóa:

- Khói quang hóa

Trong khí quyển, ở tầng đối lưu, hàm lượng ôzôn thấp khoảng 50ppb, ở độ cao sát mặt biển, hàm lượng ôzôn khoảng 20 - 40 ppb và đạt cực đại vào mùa hè từ 40 - 60 ppb

Ôzôn tham gia vào phản ứng quang hóa và cùng với sản phẩm của quá trình quang hóa 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 không hấp thụ sóng ngắn), các ôxít nitơ trong khí quyển sẽ hình thành nhiều chất ô nhiễm thứ cấp như andehyt, và peroxyl acetyl nitrat hay PAN (C2H3O5N), tập

hợp tất cả các chất trên tạo thành khói quang hóa trong khí

quyển.

2.2.2 Phản ứng quang hóa trong khí quyển

Khói quang hóa lần đầu tiên được được quan tâm ở Los Angeles, California (Mỹ) vào những năm 1940.

Cơ chế của sự hình thành khói quang hóa

(1) Phản ứng quang hóa cơ bản tạo nguyên tử ôxi

NO2 + h ( < 420 nm)  NO + O(2) Các phản ứng với oxy

O2 + O  O3

O3 + NO  NO2 + O2

2.2.2 Phản ứng quang hóa trong khí quyển

Do phản ứng thứ hai xảy ra rất nhanh nên nồng độ O 3 vẫn còn thấp cho đến khi nồng độ NO giảm xuống Xe ôtô phát thải NO

Một số dây chuyền phản ứng của các chất, hidrocarbon phản

Phản ứng quang hóa mêtan

Nhiều phản ứng liên quan đến sự ôxi hóa hidrocarbon trong khí quyển được nghiên cứu bằng cách xem xét sự ôxi hóa mêtan

Giống như các chất hidrocarbon khác, mêtan phản ứng với một nguyên tử ôxi (thông thường là sản phẩm của phản ứng quang hóa NO2) tạo ra gốc hydroxyl quan trọng và gốc alkyl

CH4 + O  H3C+ + HO

-2.2.2 Phản ứng quang hóa trong khí quyển

Gốc metyl sinh ra phản ứng với phân tử ôxi tạo ra gốc peroxyl rất hoạt động:

2.2.2 Phản ứng quang hóa trong khí quyển

Solar radiation

Ultraviolet radiation

NO Nitric

oxide

H 2 O

Water

NO 2 Nitrogen dioxide

Hydrocarbon s

O 2 Molecular oxygen

HNO 3

PANs Peroxyacyl nitrates Aldehydes

O 3

O Atomic oxygen

2.3.1 Ô nhiễm không khí

2.3.1.1 Các nguồn phát sinh ra các chất ô nhiễm không khí

a Dựa vào nguồn phát sinh chia thành hai nhóm chính: tự nhiên và nhân tạo

•+ Nguồn tự nhiên

(1) Ô nhiễm do hoạt động của núi lửa

Hoạt động của núi lửa phun ra một lượng khổng lồ các chất

ô nhiễm như tro bụi, khí SO x , NO x , có tác hại nặng nề và lâu dài tới môi trường.

(2) Ô nhiễm do cháy rừng

Cháy rừng do các nguyên nhân tự nhiện cũng như các hoạt động thiếu ý thức của con người, chất ô nhiễm như khói, bụi, khí SO x , NO x , CO, THC

(3) Ô nhiễm do bão cát

2.3.1 Ô nhiễm không khí

2.3.1.1 Các nguồn phát sinh ra các chất ô nhiễm không khí

a Dựa vào nguồn phát sinh chia thành hai nhóm chính: tự nhiên và nhân tạo

Hiện tượng bão cát thường xảy ra ở những vùng đất trơ và khô không có lớp phủ thực vật Ngoài việc gây ra ô nhiễm bụi, nó còn làm giảm tầm nhìn.

(4) Ô nhiễm do đại dương

Do quá trình bốc hơi nước biển có kéo theo một lượng muối (chủ yếu là NaCl) bị gió đưa vào đất liền Không khí có nồng độ muối cao sẽ có tác hại tới vật liệu kim loại.

(5) Ô 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 (CH 4 ), các hợp chất gây mùi hôi hợp chất nitơ (ammoniac – NH 3 ), hợp chất lưu huỳnh (hydrosunfua – H S, mecaptan) và thậm trí có cả các vi sinh vật.

2.3.1 Ô nhiễm không khí

2.3.1.1 Các nguồn phát sinh ra các chất ô nhiễm không khí

+ Các nguồn nhân tạo

(1) Ô nhiễm do sản xuất công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp:

Ví dụ các nhà máy sản xuất hóa chất, sản xuất giấy, luyện kim loại, nhà máy nhiệt điện (sử dụng các nhiên liệu than, dầu …) Hoạt động nông nghiệp sử dụng phân bón, phun thuốc trừ sâu diệt cỏ, nông nghiệp Dịch vụ thương mại: chợ buôn bán Các nguồn trên có thể coi

là các nguồn cố định

(2) Ô nhiễm giao thông:

Do khí thải ô tô, xe máy, tàu thủy, xe lửa, máy bay… Coi là các nguồn lưu động.

(3) Ô nhiễm do sinh hoạt:

Do đốt nhiên liệu phục vụ sinh hoạt, phục vụ vui chơi giải trí.

2.3.1 Ô nhiễm không khí

2.3.1.1 Các nguồn phát sinh ra các chất ô nhiễm không khí

+ Các nguồn nhân tạo

(1) Ô nhiễm do sản xuất công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp:

Ví dụ các nhà máy sản xuất hóa chất, sản xuất giấy, luyện kim loại, nhà máy nhiệt điện (sử dụng các nhiên liệu than, dầu …) Hoạt động nông nghiệp sử dụng phân bón, phun thuốc trừ sâu diệt cỏ, nông nghiệp Dịch vụ thương mại: chợ buôn bán Các nguồn trên có thể coi

là các nguồn cố định

(2) Ô nhiễm giao thông:

Do khí thải ô tô, xe máy, tàu thủy, xe lửa, máy bay… Coi là các nguồn lưu động.

(3) Ô nhiễm do sinh hoạt:

Do đốt nhiên liệu phục vụ sinh hoạt, phục vụ vui chơi giải trí.

2.3.1 Ô nhiễm không khí

2.3.1.1 Các nguồn phát sinh ra các chất ô nhiễm không khí

b Theo qui mô tác động

Nguồn điểm Nguồn đường Nguồn vùng

Hình 2.7 Ô nhiễm nguồn đường

2.3.1 Ô nhiễm không khí

2.3.1.1 Các nguồn phát sinh ra các chất ô nhiễm không khí

b Theo qui mô tác động

Hình 2.8 Ô nhiễm nguồn vùng

2.3.1.1 Các nguồn phát sinh ra các chất ô nhiễm không khí

Nhà máy nhiệt điện, lò nung, nồi

Bụi, mùi hôi, các phenol

2.3.1.1 Các nguồn phát sinh ra các chất ô nhiễm không khí

Sành sứ, thuỷ tinh, vật liệu xây

2.3.1 Ô nhiễm không khí

2.3.1.2 Phân loại các chất ô nhiễm không khí

Có nhiều cách phân loại khác nhau về các chất ô nhiễm không khí

a Theo nguồn gốc phát sinh

+ Các chất gây ô nhiễm sơ cấp

Là những chất trực tiếp thoát ra từ các nguồn và tự chúng đã có đặc tính độc hại Ví dụ như khí SO2 , NO, H2S, NH3, CO, HF.

+ Các chất gây ô nhiễm thứ cấp

Bao gồm những chất được tạo ra trong khí quyển do tương tác hóa học giữa các chất gây ô nhiễm sơ cấp với các chất vốn là thành phần của khí quyển Ví dụ SO3, H2SO4, MeSO4, NO2, HNO3,

2.3.1 Ô nhiễm không khí

2.3.1.2 Phân loại các chất ô nhiễm không khí

b Theo trạng thái vật lý

-Khí như SO2, NO, H2S, NH3, CO, NO2, SO3

-Hơi (lỏng) như hơi dung môi hữu cơ

-Particulate matter: các hạt như bụi, khói, thường có kích thước từ 0,1 đến 100 m

-Ô nhiễm vật lý: Bao gồm các yếu tố vi khí hậu (nhiệt độ, độ ồn, rung, ánh sáng, độ ẩm, tốc độ gió ), ô nhiễm chất phóng xạ

2.3.1.3 Các chất ô nhiễm trong khí quyển

Chế biến gỗ Bụi gổ Xenlulo

Công nghiệp dệt Bụi sợi Vải bông, vải sợi nhân tạo