hoá học môi trường là một môn khoa học tổng hợp về các hiện tượng hoá học trong môi trường
Trang 1
Giáo trình
HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG
(ENVIRONMENTAL CHEMISTRY)
ThS HOÀNG THÁI LONG
Huế − 2007
Trang 2MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
DANH MỤC HÌNH 4
DANH MỤC BẢNG 6
1 MỞ ĐẦU 7
1.1 Một số khái niệm 7
1.1.1 Môi trường 7
1.1.2 Hóa học môi trường 7
1.1.3 Ô nhiễm môi trường 7
1.1.4 Chất gây ô nhiễm 7
1.1.5 Đường đi của chất gây ô nhiễm (pollutant pathways) 7
1.2 Cấu trúc và các thành phần môi trường của Trái đất 8
1.2.1 Cấu trúc của Trái đất 8
1.2.2 Thành phần môi trường của Trái đất 11
1.3 Quá trình phát triển của sự sống trên Trái đất 12
1.4 Chu trình địa hóa 14
2 KHÍ QUYỂN VÀ SỰ Ô NHIỄM KHÍ QUYỂN 16
2.1 Cấu trúc của khí quyển 16
2.1.1 Tầng đối lưu 17
2.1.2 Tầng bình lưu 18
2.1.3 Tầng trung lưu 18
2.1.4 Tầng nhiệt lưu 18
2.2 Sự hình thành và thành phần của khí quyển 18
2.2.1 Sự hình thành khí quyển 18
2.2.2 Thành phần của khí quyển 19
2.3 Các phản ứng của oxy trong khí quyển 21
2.4 Ô nhiễm không khí 25
2.4.1 Sulfua dioxit 26
2.4.2 Các oxit của nitơ 29
2.4.3 Các oxit cacbon 32
2.4.4 Hydrocacbon 34
2.4.4.1 Mêtan 34
2.4.4.2 Các hydrocacbon khác mêtan (non-methane hydrocarbons - NMHCs) 34
2.4.4.3 Các dẫn xuất halogen của hydrocacbon 35
2.4.5 Các hạt lơ lửng trong tầng đối lưu 37
2.4.5.1 Muội than (soot) 37
2.4.5.2 Các hạt hợp chất chì 38
2.4.5.3 Tro bay (fly ash) 38
2.4.5.4 Amiăng (asbestos) 38
2.4.5.5 Biện pháp giảm thiểu ô nhiễm do hạt chất rắn lơ lửng 38
2.5 Tác động tổng hợp của các chất ô nhiễm không khí 41
2.5.1 Hiệu ứng nhà kính 41
2.5.2 Sự suy giảm nồng độ ozon trong tầng bình lưu 43
2.5.2.1 Tầng ozon 43
2.5.2.2 Các phản ứng tạo thành và phân hủy ozon trong tầng bình lưu 43
2.5.2.3 Sự suy giảm nồng độ ozon trong tầng bình lưu 44
2.5.3 Sương khói (smog) 46
2.5.3.1 Sương khói kiểu London 46
Trang 32.5.3.2 Sương khói kiểu Los Angeles 47
2.5.4 Mưa axit 49
3 THỦY QUYỂN VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC 51
3.1 Tài nguyên nước và chu trình nước 51
3.2 Thành phần của nước tự nhiên 52
3.2.1 Các khí hòa tan 52
3.2.2 Chất rắn 52
3.2.2.1 Chất rắn lơ lửng và chất rắn hòa tan 52
3.2.2.2 Các chất vô cơ hòa tan 54
3.2.2.3 Các chất hữu cơ 56
3.2.3 Thành phần sinh học của nước tự nhiên 57
3.3 Sự tạo phức trong nước tự nhiên và nước thải 57
3.4 Vai trò của vi sinh vật trong các chuyển hóa hóa học của môi trường nước 59
3.4.1 Phản ứng chuyển hóa cacbon 59
3.4.2 Phản ứng chuyển hóa nitơ 60
3.4.3 Phản ứng chuyển hóa lưu huỳnh 61
3.4.4 Phản ứng chuyển hóa photpho 61
3.4.5 Phản ứng chuyển hóa sắt 61
3.5 Ô nhiễm môi trường nước 62
3.5.1 Các nguồn gây ô nhiễm nước 62
3.5.2 Các tác nhân gây ô nhiễm nước 64
3.5.2.1 Các ion vô cơ hòa tan 64
3.5.2.2 Các chất hữu cơ 68
3.5.2.3 Dầu mỡ 75
3.5.2.4 Các chất có màu 75
3.5.2.5 Các chất gây mùi vị 75
3.5.2.6 Các vi sinh vật gây bệnh (pathogens) 75
3.5.3 Các yêu cầu về chất lượng nước - Tiêu chuẩn chất lượng nước 77
3.6 Xử lý nước thải 80
3.6.1 Các phương pháp sinh học để xử lý nước thải 80
3.6.1.1 Các phương pháp hiếu khí 81
3.6.1.2 Các phương pháp kỵ khí 82
3.6.1.3 Một số phương pháp xử lý sinh học thông dụng khác 83
3.6.2 Các phương pháp cơ lý hóa học để xử lý nước thải 84
3.6.2.1 Phương pháp lắng và keo tụ 84
3.6.2.2 Phương pháp hấp phụ 85
3.6.2.3 Phương pháp trung hòa 85
3.6.2.4 Phương pháp oxy hóa 85
4 ĐỊA QUYỂN VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT 86
4.1 Khái niệm về đất 86
4.2 Bản chất và thành phần của đất 86
4.2.1 Các thành phần vô cơ của đất 87
4.2.2 Các thành phần hữu cơ của đất 88
4.3 Nước và không khí trong đất 90
4.3.1 Nước trong đất 90
4.3.2 Không khí trong đất 91
4.4 Dịch đất 91
4.5 Phản ứng axit-bazơ và phản ứng trao đổi ion trong đất 91
4.5.1 Sự tạo thành axit vô cơ trong đất 91
4.5.2 Điều chỉnh độ axit của đất 92
Trang 44.5.3 Cân bằng trao đổi ion trong đất 92
4.6 Chất dinh dưỡng vi lượng và đa lượng trong đất 93
4.6.1 Chất dinh dưỡng đa lượng 93
4.6.1.1 Nitơ 93
4.6.1.2 Photpho 95
4.6.1.3 Kali 95
4.6.2 Chất dinh dưỡng vi lượng 95
4.7 Sự xói mòn và thoái hóa đất 97
4.7.1 Xói mòn đất 97
4.7.2 Sa mạc hóa 97
4.7.3 Đất và tài nguyên nước 98
4.8 Ô nhiễm môi trường đất 98
4.8.1 Ảnh hưởng của hoạt động nông nghiệp 98
4.8.1.1 Sử dụng phân bón 98
4.8.1.2 Sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật 98
4.8.1.3 Chế độ tưới tiêu 99
4.8.2 Ảnh hưởng của hoạt động sinh hoạt và công nghiệp 100
5 HÓA CHẤT ĐỘC TRONG MÔI TRƯỜNG 101
5.1 Hóa chất độc trong môi trường 101
5.2 Độc học môi trường 101
5.3 Tính bền vững của độc chất trong môi trường 103
5.3.1 Phân hủy phi sinh học 103
5.3.2 Phân hủy sinh học 104
5.3.3 Quá trình suy giảm nồng độ không do phân hủy 104
5.4 Tích lũy sinh học 105
5.4.1 Nhưng yêu tô anh hương đên sự tich luy sinh hoc 106
5.5 Độc tính 107
5.5.1 Độ độc cấp tính 107
5.5.2 Cơ chế gây độc cấp tính 108
5.5.3 Độ độc mãn tính 109
5.6 Tác dụng độc hại của một số chất 110
5.6.1 Hóa chất bảo vệ thực vật 110
5.6.1.1 Tác dụng độc hại của thuốc trừ sâu cơ clo 110
5.6.1.2 Tác dụng độc hại của thuốc trừ sâu cơ photpho và cacbamat 112
5.6.1.3 Tác dụng độc hại của metyl izocyanat (MIC) 113
5.6.2 Kim loại 113
5.6.2.1 Các cơ chế gây độc phổ biến và bộ phận cơ thể bị tổn hại 114
5.6.2.2 Tác dụng độc hại của asen 115
5.6.2.3 Tác dụng độc hại của cadmi 117
5.6.2.4 Tác dụng độc hại của chì 117
5.6.2.5 Tác dụng độc hại của thủy ngân 118
5.6.3 Tác dụng độc hại của một số chất độc khác 121
5.6.3.1 Tác dụng độc hại của cacbon monooxit (CO) 121
5.6.3.2 Tác dụng độc hại của các oxit nitơ (NOx) 121
5.6.3.3 Tác dụng độc hại của khí sunfurơ (SO2) 122
5.6.3.4 Tác dụng độc hại của ozon và PAN 122
5.6.3.5 Tác dụng độc hại của cyanua (CN−) 122
5.6.3.6 Các chất gây ung thư (carcinogens) 123
TÀI LIỆU THAM KHẢO 127
Trang 5DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Cấu trúc của Trái đất .8
Hình 1.2 Mặt cắt ngang của bề mặt Trái đất .9
Hình 1.3 Các mảng lục địa chính .10
Hình 1.4 Sự dịch chuyển của các mảng lục địa 10
Hình 1.5 Hai dạng tế bào Prokaryote và Eukaryote .13
Hình 1.6 Mô hình tổng quát của chu trình địa hóa 14
Hình 2.1 Các thành phần của khí quyển 16
Hình 2.2 Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao trong khí quyển 17
Hình 2.3 Trao đổi oxy giữa khí quyển, địa quyển, thủy quyển và sinh quyển 21
Hình 2.4 Cấu trúc của (a) pyrrole, (b) một vòng porphyrin, (c) chlorophyll 23
Hình 2.5 Vai trò của ATP và NADPH trong các phản ứng quang hợp 24
Hình 2.6 Các nguồn gây ô nhiễm khí quyển tự nhiên và nhân tạo 26
Hình 2.7 Nồng độ (trung bình 1 giờ) hàng ngày của các chất ô nhiễm ở Los Angeles, USA 30
Hình 2.8 Các chuyển hóa hóa học chủ yếu của NOx trong tầng đối lưu .31
Hình 2.9 Các phản ứng oxy hóa mêtan chủ yếu khi có mặt NOx trong tầng đối lưu vào ban ngày (xảy ra trong cả không khí sạch lẫn không khí bị ô nhiễm) 34
Hình 2.10 (a) pyren; (b): benzopyren 37
Hình 2.11 Thiết bị lắng quán tính (cyclon) .39
Hình 2.12 Thiết bị lọc bụi bằng túi vải 39
Hình 2.13 Thiết bị lọc bụi Venturi .40
Hình 2.14 Sơ đồ nguyên tắc lọc bụi tĩnh điện .40
Hình 2.15 Hiệu ứng nhà kính 41
Hình 2.16 Sơ đồ mô tả lốc xoáy hình thành vào mùa Đông ở Nam cực 44
Hình 2.17 Lỗ thủng lớn nhất của tầng ozon ở Nam cực ghi nhận được (21-30/9/2006) 45
Hình 2.18 Sương khói năm 1952 tại London .46
Hình 2.19 Điều kiện và sự tạo thành sương khói quang hóa 47
Hình 2.20 (A) Các phản ứng tạo thành sương khói; (B) Các phản ứng tạo thành PAN .48
Hình 2.21 Sương khói tại Los Angeles .48
Hình 2.22 Mưa axit hủy hoại rừng cây ở dãy núi Blue Ridge, North Carolina 50
Hình 2.23 Mưa axit ăn mòn tượng đá vôi 50
Hình 3.1 Chu trình nước 51
Hình 3.2 Sơ đồ xác định và quan hệ giữa chất rắn lơ lửng và chất rắn hòa tan .53
Hình 3.3 Công thức cấu tạo dự đoán của axit fulvic .58
Hình 3.4 Sơ đồ tách chiết các hợp chất humic từ xác thực vật đã phân hủy 58
Hình 3.5 Các kiểu tạo phức của hợp chất humic với ion kim loại .59
Hình 3.6 Chu trình Nitơ 60
Hình 3.7 Trẻ em dị tật do ảnh hưởng của vụ nhiễm độc thủy ngân ở Minamata 67
Hình 3.8 Công thức cấu tạo của các hợp chất DDT, DDD, DDE 70
Hình 3.9 Công thức cấu tạo của một số hóa chất bảo vệ thực vật thông dụng 70
Hình 3.10 Công thức cấu tạo của các nhóm dioxin và chất dioxin (TCDD) 71
Hình 3.11 Cấu trúc của phân tử biphenyl (mỗi vị trí được đánh số có thể có một nguyên tử clo thế vào tạo thành các phân tử PCB) 72
Hình 3.12 Chrysence và benzo(a)pyrene là các hợp chất thuộc nhóm PAHs 73
Hình 3.13 Sơ đồ hệ xử lý nước thải theo kỹ thuật bùn hoạt hóa 81
Hình 3.14 Bể lọc nhỏ giọt để xử lý nước thải đô thị .82
Trang 6Hình 3.15 Sơ đồ hệ thống UASB 83
Hình 3.16 Sơ đồ biểu diễn hoạt động của ao tùy nghi 84
Hình 4.1 Các tầng đất 87
Hình 4.2 Sự chuyển hóa của nitơ trong đất 94
Hình 4.3 Muối tích tụ trên bề mặt đất ở một vùng canh tác 99
Hình 5.1 Ảnh hưởng của nắng (quang phân) và mưa (thủy phân) đến sự phân hủy của parathion 104
Hình 5.2 Tương quan giữa hàm lượng chất béo trong cơ thể của nhiều loại động vật ở hồ Ontario (thuộc Ngũ Đại Hồ) và hàm lượng PCBs trong toàn bộ cơ thể 106
Hình 5.3 Sự tích lũy DDT qua chuỗi thức ăn trong môi trường nước 112
Hình 5.4 Quá trình nhập bào (endocytosis) và quá trình xuất bào (exocytosis) 114
Hình 5.5 Nhiễm độc asen gây hoại tử bàn tay và mất ngón tay .115
Hình 5.6 Công thức cấu tạo của ALA - dehydraza enzim và porphobilinogen 118
Hình 5.7 Phức chelat của chì với các chất chống độc 118
Hình 5.8 Bàn tay bị biến dạng của nạn nhân bị ngộ độc Hg ở Minamata 119
Hình 5.9 Sự khuếch đại sinh học của thủy ngân trong chuỗi thức ăn .120
Trang 7DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Các nguyên tố chính trong các phần cấu trúc của Trái đất 9
Bảng 1.2 10 nguyên tố hóa học trong vũ trụ, Trái đất, vỏ Trái đất, đại dương, khí quyển (không khí khô) và sinh quyển (% khối lượng) 11
Bảng 2.1 Thành phần chính của không khí khô tầng đối lưu .20
Bảng 2.2. Các chất khí có hàm lượng thấp trong không khí khô ở tầng đối lưu .20
Bảng 2.3 Thời gian lưu của một số chất gây ô nhiễm khí quyển 26
Bảng 2.4 Một số ảnh hưởng của SO2 đối với con người 27
Bảng 2.5 So sánh khả năng hấp thụ bức xạ của các khí nhà kính 42
Bảng 2.6 So sánh sự đóng góp vào hiệu ứng nhà kính của các khí nhà kính .42
Bảng 3.1 Sự phân bố tài nguyên nước toàn cầu 51
Bảng 3.2 Thành phần hóa học trung bình của nước sông hồ và nước biển toàn cầu 54
Bảng 3.3 Tải lượng tác nhân ô nhiễm do con người đưa vào môi trường hàng ngày 63
Bảng 3.4 Nồng độ tối đa cho phép của một số kim loại nặng trong các loại nước theo Tiêu chuẩn Việt Nam về môi trường 67
Bảng 3.5 Giá trị giới hạn cho phép của các thông số và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước mặt (TCVN 5942-1995) 78
Bảng 3.6. Giá trị giới hạn cho phép và các thông số và nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải công nghiệp (TCVN 5945-1995) 79
Bảng 4.1 Hàm lượng các nguyên tố hóa học trong đá và đất (‰ w/w) 88
Bảng 4.2 Các loại hợp chất hữu cơ chính trong đất 89
Bảng 5.1 Các nguyên tố độc hại trong nước thiên nhiên và nước thải .102
Bảng 5.2 Thời gian bán hủy của một số hóa chất độc bền vững trong môi trường 103
Bảng 5.3 Tích lũy sinh học trong cá của một số chất gây ô nhiễm 105
Bảng 5.4 Giá trị phân tích và giá trị tính toán của hệ số tích lũy sinh học trong cá của một số hóa chất có khả năng chuyển hóa sinh học khác nhau 107
Bảng 5.5 Phân loại độ độc theo Hodge & Sterner .107
Bảng 5.6 Phân loại độ độc (liều độc qua đường ăn uống có thể gây chết người) theo Gosselin, Smith & Hodge 108
Bảng 5.7 Phân loại độ độc cấp tính của hóa chất độc đối với cá và động vật .108
Bảng 5.8. Độ độc cấp tính và độ độc mãn tính của một số loại thuốc trừ sâu xác định trong phòng thí nghiệm trên các loài cá 110
Bảng 5.9 Đặc tính hóa học và sinh hóa của thủy ngân và các hợp chất của nó 120
Bảng 5.10 Ảnh hưởng độc hại của CO đối với con người ở các nồng độ khác nhau 121
Bảng 5.11 Ảnh hưởng độc hại của NO2 với con người ở các nồng độ khác nhau 121
Bảng 5.12 Phân loại các chất gây ung thư theo IARC và EPA .124
Bảng 5.13 Danh mục các tác nhân, chất, hỗn hợp chất gây ung thư ở người và ngành nghề có nguy cơ bị phơi nhiễm 124