HẬU QUẢ VÀ BIỆN PHÁP GIẢM THIỂU CÁC YẾU TỐ GÂY THỦNG TẦNG OZONE

Sự suy giảm tầng ozon là hiện tượng giảm lượng ôzôn trong tầng bình lưu. Từ năm 1979 cho đến năm 1990 lượng ozon trong tầng bình lưu đã suy giảm vào khoảng 5%. Vì lớp ôzôn ngăn cản phần lớn các tia cực tím có hại không cho xuyên qua bầu khí quyển Trái Đất, sự suy giảm ôzôn đang được quan sát thấy và các dự đoán suy giảm trong tương lai đã trở thành một mối quan tâm toàn cầu, dẫn đến việc công nhận Nghị định thư Montreal hạn chế và cuối cùng chấm dứt hoàn toàn việc sử dụng và sản xuất các hợp chất cacbon của clo và flo (CFC - chlorofluorocacbons) cũng như các chất hóa học gây suy giảm tầng ôzôn khác như tetraclorit cácbon, các hợp chất của brôm (halon) và methylchloroform.

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục tiêu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

5 Nội dung nghiên cứu

CHƯƠNG I: OZON

1.1 Tính chất vật lý của ozon

1.2 Tính chất hóa học của tầng ozon

1.3 Quá trình tạo thành và phân hủy ozon trong khí quyển

1.4 Lỗ thủng tầng ozon

CHƯƠNG II: KHÍ CFC & OZONE

1 Tổng quan về khí CFC

2 Nguyên nhân hình thành khí CFC

3 Cơ chế phân hủy ozon của khí CFCs

4 Ảnh hưởng của khí CFCs đến tầng ozone

CHƯƠNG III: HIỆN TRẠNG LỖ THỦNG TẦNG OZON

CHƯƠNG IV: HẬU QUẢ VÀ BIỆN PHÁP GIẢM THIỂU CÁC YẾU TỐ GÂY THỦNG TẦNG OZONE

1 Hậu quả

2 Biện pháp

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, vấn đề thủng tầng ozon là một vấn đề mag tính cấp thiết và quan trọng đối với nhân loại Con người, động vật, thực vật,… sẽ gặp những khó khăn khi tầng ozon bị tổn thương Khi tầng ozon bị thủng, những tia cực tím từ Mặt Trời

sẽ chiếu xuống Trái Đất gây ra những vấn đề về sức khỏe và môi trường xung quanh Có thể nói rằng tầng ozon như một lá chắn khổng lồ bao quanh Trái Đất, bảo vệ hành tinh của chúng ta.

Con người phát hiện ra tầng ozon từ khoảng 150 năm trước Các nhà nghiên cứu khoa học hiện nay, đã phát hiện ra sự thay đổi của tầng ozon với diện tích lớn.

Vì vậy, nhóm chúng tôi thực hiện bài nghiên cứu này để hiểu rõ hơn về tầng ozon cũng như là nguyên nhân dẫn đến thủng tầng ozon ở Nam Cực.

2 Mục đích

- Tìm hiểu về tầng ozon trong khí quyển.

- Quá trình hình thành và phân hủy ozon.

- Tìm hiểu cơ chế, nguyên nhân gây thủng tầng ozon.

- Tìm hiểu hiện trạng lỗ thủng tầng ozon ở Nam Cực.

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng: ozon và hiện tượng thủng tầng ozon

- Phạm vi: Nam Cực

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương phá thu thập và tập hợp tài liệu.

- Phương pháp đánh giá nhanh.

5 Nội dung nghiên cứu

- Thực trạng về hiện tượng thủng tầng ozon ở Nam Cực

- Nguyên nhân gây thủng tầng ozon

- Đề xuất phương pháp giải pháp làm giảm thiểu hiện tượng thủng tầng ozon

ở Nam Cực.

CHƯƠNG I: OZON

1.1 Tính chất vật lý của ozon

Ozon (O3) là chất khí có màu lam nhạt, có mùi hắc đặc trưng và trong suốt; ở nồng

độ cao có màu xanh da trời, ở thể lỏng có màu lục thẫm…; nhiệt độ nóng chảy là -193°C, nhiệt độ sôi là -111,9°C; tỷ trọng (so với không khí) d = 1,6858; trong môi trường nước có độ pH = 0 có thế oxy hóa khử là 2,07V Ozone là chất hấp thụ mạnh các tia tử ngoại, tia nhìn thấy và tia hồng ngoại Ozone có khả năng hấp thụ cao nhất ở bước sóng là 254nm đối với các tia tử ngoại, ở bước sóng là 600nm đối với các tia nhìn thấy và ở bước sóng là 900nm đối với tia hồng ngoại

Ozone dễ hòa tan trong nước hơn oxy và sự hòa tan của ozone trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất riêng phần của nó trong không khí, khi nhiệt dộ càng tăng khả năng hòa tan Ozone trong nước càng giảm

1.2 Tính chất hóa học của Ozon

- Ozon có hoạt tính oxy hóa rất cao, đóng vai trò như một tác nhân oxy hóa mạnh trong rất nhiều phản ứng hóa học như: phản ứng với các chất hữu cơ ( Phenol, các hợp chất đa vòng, các hợp chất Amin, các hợp chất có liên kết đôi (C=C) và liên kết đơn (C-H)…), Ngoài ra, ozon còn có khả năng khử mùi, màu, khử trùng đối với nước và nước tahir

- Ozon không bền, dễ dàng bị phân hủy thành Oxi phân tử và Oxi nguyên tử

Ví dụ: O3 = O2 + O

- Dễ dàng oxi hóa các iodua đến iot tự do: O3 + 2KI +H2O = I2 + O2 + 2 KOH

- Giấy tẩm dung dịch Kali iodua và hồ tinh bột (giấy iot tinh bột) chuyển ngay thành màu xanh khi có mặt Ozon trong không khí

- Tác dụng với các phân tử thuộc nhóm Halogen Flo, Clo, Brom, Iot

- Khử các chất gây ô nhiễm có trong nước bằng phương phương pháp hóa học (sắt, asen, hidro sulfid, nitorit và các chất hữu cơ phức tạp liên kết với nhau tạo

ra “màu” của nước)

1.3 Quá trình hình thành và phân hủy ozon trong khí quyển.

1.3.1 Quá trình hình thành ozon trong khí quyển

- Quá trình tạo thành ozon trong khí quyển: Trong tự nhiên ôzôn được tạo ra do các phản ứng quang hóa của oxy, oxit nitơ, đặc biệt ôzôn được tạo ra mạnh tại các tầng cao (bình lưu) của khí quyển, nơi mà cường độ các tia ánh sáng cứng (cực tím, tia X, v.v ) rất lớn

-Ôzon trong bầu khí quyển được tạo thành khi các tia cực tím chạm phải các phân tử oxy, tạo thành hai nguyên tử oxy đơn, được gọi là oxy nguyên tử Ôxy nguyên tử kết hợp cùng một phân tử oxy tạo thành phân tủ ozon Phân tử ozon

có hoạt tính cao, khi bị tia cực tím chạm phải, lại tách ra thành một phân tử oxy

và một oxy phân tủ Đây là một quá trình liên tục gọi là chu kỳ ôxy-ôzon

O2(k) + hν → O*

(k) + O(k) λ < 175 nm

O2(k) + hν → 2 O(k) 175 nm < λ < 245 nm

O* (k) →M O(k)

O2(k) + O(k) → O3(k)

- Ozon trong tầng đối lưu được hình thành từ các chất khí tạo ra trong quá trình sản xuất công nghiệp, hoạt động giao thông dưới tác dụng của bức xạ cực tím của mặt trời

NO2 + hv  NO + O

O + O2  O3

- Khi tia cực tím chiếu vào ozon, nó chia ozon thành phân tử O2 và nguyên tử của oxy nguyên tử Oxy nguyên tử kết hợp với N2 để tạo thành các nito oxit, sau đó nó

bị phá vỡ bởi ánh sáng nhìn thấy để tái tạo ozon

- Trong công nghiệp, người ta tạo ôzôn bằng cách phóng điện trong ôxy hoặc trong

không khí

1.3.2 Quá trình phân hủy ozon trong khí quyển

- Quá trình phân hủy ozon trong khí quyển: ozon trong tầng bình lưu và đối lưu

bị phân hủy bởi các tia tử ngoại như sau:

O3(k) + hν → O*

(k) + O2(k) λ < 310 nm

O3(k) + hν → O(k) + O2(k) λ > 310 nm

O3(k) + O(k) → 2O2 (k) 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)

Ngoài ra ozon có thể bị phá hủy bởi các nguyên tử clo, flo hay brom trong bầu khí quyển Các nguyên tố này có trong một số hợp chất bền nhất định, đặc biệt là chlorofluorocacbon (CFC), đi vào tầng bình lưu và được giải phóng bởi các tia cực

tím

Các nguyên tử clo được tạo thành sẽ trở thành chất xúc tác phá hủy các phân tử ozon trong một chu trình khép kín Trong chu kỳ này, một nguyên tử clo tác dụng với phân tử ozon, lấy đi một nguyên tử oxy (tạo thành ClO) và để lại một phân tử oxy bình thường Tiếp theo, một oxy nguyên tử tự do sẽ lấy đi oxy từ ClO và cuối cùng là một phân tử oxy và một nguyên tử clo, bắt đầu lại chu kỳ Một nguyên tử clo đơn độc sẽ phân hủy khoảng 100.000 phân tử ozon

1.4. Lỗ thủng tầng ozon

CHƯƠNG II: KHÍ CFC & OZON

1 Tổng quan về khí CFC

Cloroflorocacbon (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 thường gặp là CCl3F (CFC-11), CCl2F2 (CFC-12), C2Cl3F3 (CFC-113),

C2Cl2F4 (CFC-114) và C2ClF5 (CFC-115) CFC được sử dụng lần đầu tiên tại Mỹ vào thập niên 1930 để làm tác nhân làm lạnh Trong số các CFC thì CFC-11 (CCl3F) và CFC-12 (CCl2F2) được dùng phổ biến nhất Nồng độ của chúng trong khí quyển lần lượt là 0,280 ppbv và 0,484 ppbv CFC là các chất trơ về mặt hóa học, không độc, không cháy, không mùi, nhiệt độ sôi thấp nhưng dễ bị hóa lỏng dưới áp suất, do đó chúng được xem là các chất lý tưởng để làm tác nhân làm lạnh cho tủ lạnh Từ khi CFC được tìm ra, tủ lạnh trở thành thông dụng Trước đó các tác nhân làm lạnh như

SO2, NH3, đều là các chất độc, nên tủ lạnh chỉ được dùng trong công nghiệp Ngoài ra, CFC còn được dùng làm dung môi, chất tạo xốp khi sản xuất đệm, chất đẩy trong các bình xịt khí Do có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nên sản lượng CFC trước đây liên tục gia tăng Do khá trơ về mặt hóa học, có thời gian lưu trong khí quyển rất dài (hàng chục, thậm chí hàng trăm năm), nên hiện nay các CFC đã phân bố khắp tầng đối lưu và một phần đã thâm nhập vào tầng bình lưu

Bảng 3.1 Các chất CFC chủ yếu

Freon 11- triclofloruametan

CFCl3

Hệ thống điều hoà không khí, hệ thống lạnh, chất bọt làm sạch, chất đẩy sol khí

Freon 12 – Diclofloruanmetan

CF2Cl2 Hệ thống lạnh, chất đẩy sol khí, chất khử trùng Freon 12- CF3Cl Hệ thống lạnh

Freon 22- CHF2Cl Chất đẩy sol khí

Freon 114-CF2ClCF2Cl(C2F4Cl2)

Hệ thống lạnh, chất tự làm sạch, chất đẩy sol khí

Freon 115- CF2ClCF3 (C2F5Cl)

Chất halon:CF2ClBr Dập tắt lửa

CFC cũng như các chất halon là các chất có tính ổn định cao Tuy nhiên bức xạ cực tím (sóng ngắn) xuất hiện trong tầng bình lưu phân li chúng Các phân tử Cl, F, Br của CFC và halon được biến đổi thành các nguyên tử (gốc) tự do hoạt tính nhờ các phản ứng quang hoá:

CFCl3 + hv => CFCl2 + Cl CFCl2 + hv => CFCl + Cl CF2Cl2 + hv => CF2Cl + Cl CF2Cl + hv => CFCl + Cl Các nguyên tử Cl, F, Br tác dụng huỷ diệt O3 theo phản ứng:

Cl + O3 => ClO + O2 ClO +O3 => Cl +2O2 Như vậy một nguyên tử Cl (hay F, Br) có thể tác dụng với 100000 phân tử O3

để biến O3 thành O2

Nồng độ, thời gian và tác dụng phân huỷ O3 của một số CFC như sau:

Bảng 3.2 Các số liệu một số hợp chất CFC gây lỗ thủng tầng Ozone

Tên gọi Công thức

hoá học

Nồng độ trong khí quyển toàn cầu (ppb)

Thời gian tồn tại trong khí quển (năm)

Tỉ lệ phát thải đến tầng bình lưu (%)

Tác dụng phân huỷ O3

ở tầng bình lưu (107 kg/năm)

Cacbon

Bảng 3.3 Ước tính phần trăm phát thải của các hợp chất clo trong tầng bình lưu

Tên thương mại/Tên hóa học Công thức hóa học Phần trăm phát thải

(%)

Tên thương mại/Tên hóa học Công thức hóa học Phần trăm phát thải

(%)

2 Nguyên nhân hình thành khí CFC

CFC ược sử ụng rất rộng rãi làm chất tải lạnh (trong hệ thống điều hòa không khí và thiết bị lạnh) CFC cũng được sử dụng như chất đẩy và làm tan sol khí Năm 1940 người ta đã phát triển loạt CFC được chế tạo dễ dàng làm chúng được nhanh chóng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như chất đẩy khí, dung môi làm sạch, bọt nhựa, bao bì đựng thức ăn, chất khử trùng dụng cụ phẫu thuật, y tế, thuốc xông miệng, làm sạch và tẩy nhờn dụng cụ điện,…v…v… Do khí CFC có tính ăn mòn cao và độ độc (tuy độ độc thấp), việc sử ụng chúng đã hạn chế nhiều

3 Cơ chế phân hủy ozon của khí 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

- Khi CFCs đến được tầng bình lưu, dưới tác dụng của tia cực tím nó bị phân hủy tạo ra Clo nguyên tử, và Clo nguyên tử có tác dụng như một chất xúc tác để phân hủy Ozone Một nguyên tử Clo có thể phá hủy 100.000 phân tử ozone Methyl bromide khi lên đến tầng bình lưu sẽ bị tia cực tím phân hủy để cho ra Brom nguyên tử, một nguyên tử brom có khả năng phá hủy các phân tử ozone gấp 40-50 lần một nguyên tử clo

- Phản ứng phân hủy ozon của Clo:

CFCl3(k) + hν → CFCl2•(k) + Cl(k) λ < 250 nm

CF2Cl2•(k) + hν → CF2Cl•

(k) + Cl(k) λ < 230 nm

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)

ClO•

(k) + NO2(k) →M ClONO2(k)

- Phản ứng phân hủy ozon của metylbromit và halon:

Halon là nhóm 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)

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)

Br(k) + HO2•(k) → HBr(k) + O2(k)

Br(k) + H2O2(k) → HBr(k) + HO2•(k)

BrO•

(k) + NO2(k) →M BrONO2(k)

Nếu các CFC phân tử tồn tại lâu, thời gian tái tạo phải tính bằng thập kỷ Người

ta tính rằng một phân tử CFC mất trung bình là 15 năm để đi từ mặt đất lên đến các tầng trên của khí quyển và có thể ở đó khoảng một thế kỷ, phá hủy đến cả trăm ngàn phân tử ôzôn trong thời gian này

Hoạt động của các núi lửa sẽ phóng thích vào khí quyển một lượng lớn chlorine, nhưng nó dễ hoà tan vào hơi nước trong khí quyển và sẽ theo mưa rơi trở xuống Trái đất Trong khi đó CFCs không bị phân hủy ở tầng đối lưu và không hòa tan

vào hơi nước, do đó nó có thể dễ dàng lên đến tầng bình lưu Các kết quả đo đạt từ

1985 cho thấy, việc gia tăng nồng độ của chlorine ở tầng bình lưu tỷ lệ thuận với lượng CFC sản xuất, sử dụng và phóng thích bởi các hoạt động của con người

4 Ảnh hưởng của khí CFCs đến tầng ozon

Khí CFCs đi vào tầng bình lưu và tích lũy trong thời gian dài (nhiều năm), làm thoát ra các gốc Cl, F, Br tự do – những chẩ này phá huy Ozone ở tầng bình lưu và hậu quả của

nó là lớp Ozone bị loãng Những chỗ bị loang lổ Ozone o bị loãng được hiểu là „Lỗ thủng ozone“ Lỗ thủng của tầng ozone theo định nghĩa của Cục Môi Trường (EPA) là khu vực có hàm lượng ozone thấp hơn 220 đơn vị dobson (DU)

CFC là chất ô nhiễm chịu trách nhiệm chính cùng với Nox, CH4 là những chất chủ yếu gây lỗ thủng Ozone

CHƯƠNG III: HIỆN TRẠNG LỖ THỦNG TẦNG OZON Ở NAM CỰC

Từ những năm 1980, lỗ thủng tại vùng Nam Cực đã ngày một rộng ra do lượng khí CFC thải ra quá nhiều

Con người bắt đầu tiến hành đo đạc tầng ozon từ các trạm trên mặt đất vào năm

1956 ở vịnh Halley, Nam cực Diện tích lỗ thủng ở Nam cực tháng 9 năm 2000 là 11,4 triệu dặm vuông

Lỗ thủng lớn thứ 2 hình thành năm 2003 và bao phủ 11,1 triệu dặm vuông Những lỗ thủng tầng Ôzôn lớn này che phủ toàn bộ phần Nam Cực và đỉnh phía Nam của Nam Mỹ Để dễ hình dung, diện tích bao phủ to gấp ba lần diện tích nước Mỹ không kể Alaska, hoặc Châu Úc

Và các số liệu đo đạc về diện tích của lỗ thủng từ năm 1979 đến nay:

Năm 1979 Việc đo lỗ thủng tầng Ôzôn bằng vệ tinh lần đầu tiên được NASA

thực hiện vào năm này

Năm 1998 Lỗ thủng lớn che phủ 10,5 triệu dặm vuông vào tháng 9 năm 1998.

Đó là kích thước lớn kỷ lục trước năm 2000

Năm 2000 Lỗ thủng tầng Ôzôn khổng lồ đạt tới 11,4 triệu dặm vuông vào

tháng 9 năm 2000 Đó là lỗ thủng lớn nhất đã từng đo được Diện tích xấp xỉ ba lần diện tích nước Mỹ Sau đó, năm 2003, lỗ thủng tầng Ôzôn che phủ 11,1 triệu dặm vuông là lỗ thủng lớn thứ 2

Năm 2001 Vào tháng 9 năm 2001, lỗ thủng tầng Ôzôn bao phủ khoảng 10 triệu

dặm vuông Lỗ thủng này nhỏ hơn năm 2000, nhưng vẫn lớn hơn tổng diện tích của Nước Mỹ, Canada và Mexico

Năm 2002 Lỗ thủng tầng Ôzôn thu hẹp lại và tháng 9 năm 2002 là lỗ thủng

nhỏ nhất từ năm 1998 Lỗ thủng ở Nam Cực năm 2002 không những nhỏ hơn năm

2000 và 2001, mà còn tách ra thành 2 lỗ riêng biệt Kích thước nhỏ có thể do điều kiện nóng ấm không bình thường và sự phân tách có thể do các khu vực thời tiết của tầng bình lưu khác thường

Năm 2003 Lỗ thủng tầng Ôzôn che phủ 11,1 triệu dặm vuông, và là lỗ thủng

kỷ lục đứng thứ hai Năm 2000 là năm lỗ thủng lớn nhất Lỗ thủng lớn do gió lặng và thời tiết rất lạnh