KHÓI MÙ QUANG HÓA I. ĐỊNH NGHĨA: Khói mù quang hóa được gọi dưới tên “smog” sương khói (ghép hai từ tiếng Anh fog sương mù và smoke khói). Theo đó, smog được định nghĩa là lớp mù quang hóa gây ra bởi sự tương tác giữa bức xạ cực tím của mặt trời và bầu khí quyển bị ô nhiễm bởi các hydrocarbon và oxit nitrogen thoát ra từ khí thải động cơ”. Khói mù quang hóa là một dạng ô nhiễm không khí sinh ra khi ánh sáng mặt trời tác dụng lên khí thải động cơ xe máy, khí thải công nghiệp... để hình thành nên những vật chất như ozone, aldehit và peroxyacetylnitrate (PAN). Khói mù quang hóa xảy ra ở tầng đối lưu của khí quyển – nơi tập trung phần lớn các chất khí gây ô nhiễm : NOx, các hợp chất VOCs (Volatile Organic Compounds) … II. THÀNH PHẦN VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH: Dựa vào các nghiên cứu, người ta đã có thể kết luận rằng khói mù quang hóa được tổng hợp từ NO, NO2, HNO3, CO, các nitrat hữu cơ (PAN), O3, các chất hữu cơ bay hơi(VOCs) và các chất oxy hóa quang hóa. Vì thế cơ chế hình thành nên khói mù quang hóa cũng là cơ chế hình thành nên các hợp chất trên, đồng thời đó là các điều kiện khiến các hợp chất này có thể tồn tại trong khí quyển. Sự quang phân của NO2 khởi đầu cho sự hình thành khói mù quang hóa. NO2 + hv → NO + O Nguyên tử oxy được giải phóng phản ứng với phân tử O2 để tạo ra ozon O + O2 + M → O3 + M Ozon sinh ra phản ứng với phân tử NO để tái sản sinh ra NO2 và phân tử O2. NO + O3 → NO2 + O2 NO2, O2 và hydrocarbons phản ứng với nhau dưới điều kiện ánh sáng mặt trời tạo peroxyacetylnitrate(CH3COOONO2) PAN NO2 + O2 + hydrocarbons → CH3COOONO2 Nhưng việc thải ra một lượng lớn NOx, CO, các hợp chất carbonyl và các hydrocarbon bởi các nguồn nhân tạo đã phá vỡ chu trình quang phân chu trình không làm cho nồng độ của NO2 và O3 trong không khí tăng lên nếu như không bị phá vỡ. CO và hydrocarbons, thông qua phản ứng của chúng với các gốc hydroxyl thêm vào đó là sự quang phân của các hợp chất carbonyl, phá hủy chu trình quang phân thông thường thông qua việc hình thành các gốc peroxyl. Các gốc peroxyl này ngăn chặn phản ứng giữa O3 và NO, vì vậy làm kết thúc chu trình và làm tích tụ O3 trong không khí.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
BÀI TIỂU LUẬN MÔN: HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG
ĐỀ TÀI:
KHÓI MÙ QUANG HÓA
Giáo viên h ướng dẫn: ng d n: ẫn: Sinh viên th c hi n: ực hiện: ện: Mã s SV: ố SV:
NGUYỄN BÁ ÁI TRẦN QUANG TẠO 2205150151
Tp.HCM, tháng 3 năm 2016
Trang 2MỤC LỤC
I ĐỊNH NGHĨA: 2
II THÀNH PHẦN VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH: 2
III CÁC ĐIỀU KIỆN HÌNH THÀNH KHÓI MÙ QUANG HÓA: 7
IV TÍNH CHẤT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA KHÓI MÙ QUANG HÓA 8
V ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ: 9
VI KẾT LUẬN 11
TÀI LIỆU THAM KHẢO 12
KHÓI MÙ QUANG HÓA
Trang 3I ĐỊNH NGHĨA:
- Khói mù quang hóa được gọi dưới tên
“smog” - sương khói (ghép hai từ tiếng
Anh fog - sương mù và smoke - khói)
Theo đó, smog được định nghĩa là "lớp
mù quang hóa gây ra bởi sự tương tác
giữa bức xạ cực tím của mặt trời và bầu
khí quyển bị ô nhiễm bởi các
hydrocarbon và oxit nitrogen thoát ra từ
khí thải động cơ”
- Khói mù quang hóa là một dạng ô nhiễm không khí sinh ra khi ánh sáng mặt trời tác dụng lên khí thải động cơ xe máy, khí thải công nghiệp để hình thành nên những vật chất như ozone, aldehit và peroxyacetylnitrate (PAN)
- Khói mù quang hóa xảy ra ở tầng đối lưu của khí quyển – nơi tập trung phần lớn các chất khí gây ô nhiễm : NOx, các hợp chất VOCs (Volatile Organic Compounds) …
- Dựa vào các nghiên cứu, người ta đã có thể kết luận rằng khói mù quang hóa được tổng
hợp từ NO, NO 2 , HNO 3 , CO, các nitrat hữu cơ (PAN), O 3 , các chất hữu cơ bay hơi(VOCs) và các chất oxy hóa quang hóa Vì thế cơ chế hình thành nên khói mù quang
hóa cũng là cơ chế hình thành nên các hợp chất trên, đồng thời đó là các điều kiện khiến các hợp chất này có thể tồn tại trong khí quyển
- Sự quang phân của NO2 khởi đầu cho sự hình thành khói mù quang hóa
NO2 + hv → NO + O
- Nguyên tử oxy được giải phóng phản ứng với phân tử O2 để tạo ra ozon
O + O2 + M → O3 + M
- Ozon sinh ra phản ứng với phân tử NO để tái sản sinh ra NO2 và phân tử O2
NO + O3 → NO2 + O2
- NO2, O2 và hydrocarbons phản ứng với nhau dưới điều kiện ánh sáng mặt trời tạo peroxyacetylnitrate(CH3CO-OO-NO2) - PAN
NO2 + O2 + hydrocarbons → CH3CO-OO-NO2
- Nhưng việc thải ra một lượng lớn NOx, CO, các hợp chất carbonyl và các hydrocarbon bởi các nguồn nhân tạo đã phá vỡ chu trình quang phân- chu trình không làm cho nồng
độ của NO2 và O3 trong không khí tăng lên nếu như không bị phá vỡ CO và hydrocarbons, thông qua phản ứng của chúng với các gốc hydroxyl thêm vào đó là sự
Trang 4quang phân của các hợp chất carbonyl, phá hủy chu trình quang phân thông thường thông qua việc hình thành các gốc peroxyl Các gốc peroxyl này ngăn chặn phản ứng giữa O3 và
NO, vì vậy làm kết thúc chu trình và làm tích tụ O3 trong không khí
Hình 2.1: Mô phỏng quá trình hình thành khói mù quang hóa
* Các phản ứng xảy ra trong quá trình hình thành khói mù quang hóa:
a Phản ứng tạo ra các gốc hydroxyl:
+ Các gốc hydroxyl xuất hiện trong không khí do sự xuất hiện của nước bởi các phản ứng sau:
O3 + hv → O + O2 (λ < 315nm)
O + H2O →
2OH-+ Sự hình thành OH đánh dấu sự bắt đầu của chuỗi phản ứng phức tạp trong khí quyển
b Phản ứng của OH với carbon monoxide(CO):
+ OH phản ứng với CO để tạo thành CO2 và H (gốc hydro tự do linh động) Gốc hydro tự
do này nhanh chóng phản ứng với O2 trong không khí để tạo ra HO2 ( gốc hydroxyl )
CO + OH- → CO2 +
H-H- + O2 + M → HO2- + M
( M là phân tử thứ ba để thu nhận năng lượng thừa )
+ HO2 sau đó phản ứng với NO để sinh ra OH v à NO2
HO2-+ NO → NO2 +
Trang 5OH-+ NO2 được sinh ra ở trên hấp thụ năng lượng từ mặt trời và lại quang phân để sinh ra
NO và O và kế tiếp là O3
+ Vì vậy OH và CO tiếp tục tái thiết lại NO2 thông qua việc sản sinh ra O3 và do đó tích
tụ O3 trong không khí
+ Sự hình thành O3 không thể diễn ra mãi khi cả hai chu trình quang phân bị phá vỡ và không bị phá vỡ đều chịu sự chi phối bởi các yếu tố luôn thay đổi như bóng mây, vị trí của mặt trời trong ngày và thời gian ( ngày, đêm )
c Phản ứng của OH- với các hợp chất carbonyl:
+ Trong các hợp chất carbonyl như anđehit và xeton, OH phản ứng với chúng, tách nguyên tử hidro ra khỏi nhóm carbonyl, tạo thành nước:
RCHO + OH- → RC(O)- + H2O
RC(O)R’ + OH- → RO(O)CH( )R” + H2O
+ R’’ là R’ với một H bị tách ra Gốc aldocarboxyl R(CO)- hay gốc ketocarbonyl RO(O)CH(-)R’’ được hình thành rất linh động và tạo thành gốc acyl Gốc acyl này được sinh ra một cách nhanh chóng, phản ứng với O2 trong không khí để tạo thành gốc peroxyl RC(O)O2 hay RC(O)CH(O2 )R’’ Các gốc peroxyl này phản ứng với NO để tái sản sinh
ra NO2 không phải thông qua phản ứng với O3 mà bởi aldocarbonylperoxyl RC(O)O2 và ketocarbonylperoxyl RC(O)CH(O2 )R’’
RC(O)- + O2 → NO2 + RC(O)O2
RC(O)O2 + NO → NO2 +
RC(O)O-RC(O)CH(-)R” + O2 → RC(O)CH(O2)R”
RC(O)CH(O2)R” + NO → NO2 + RC(O)CH(O)R”
+ Điều này dẫn đến việc tích tụ O3 nhiều hơn trong không khí Hơn nữa, RC(O)O- hay RC(O)CH(O )R’’ được tạo ra là những gốc tự do và phản ứng vói phân tử O2 để tạo ra gốc alkylperoxyl RO2 hay RC(O)O2 và CO2
RC(O)O- + O2 → RO2 + CO2
RC(O)CH(O)R” + O2 → RC(O)O2 +R”C(O)H
+ Gốc RO2 hay RC(O)O2 này lại tái hình thành NO2 thông qua phản ứng với NO, NO lại hình thành nên gốc alkyloxy, gốc alkyloxy này đến lượt mình lại phản ứng với O2 để làm tăng các aldehyde và HO2
-RO2 + NO → NO2 + RO
R(O)O2 + NO → NO2
Trang 6+RC(O)O-+ Điều này lại khởi đầu một chuỗi phản ứng mà sẽ xảy ra cho tới khi hình thành một sản phẩm trung gian là HCHO HCHO lại phản ứng với OH , sinh ra HC(O) và H2O HC(O) phản ứng tiếp với O2 cho ra HO2
HCHO + OH- → HC(O)- + H2O
HCO- + O2 → CO + HO2
-+ Điều này lại dẫn đến sự tích tụ ozon trong khí quyển nhiều hơn và tái hình thành OH Nếu OH không thể lặp lại chu trình với một alđêhit khác thì nó sẽ đi đến cuối chu trình bằng việc sản sinh ra axit nitric HNO3 Gốc aldocarbonylperoxyl cũng có thể tham gia phản ứng cuối cùng vói NO2 để tạo thành nitrate
OH- + NO2 → NHO3
RC(O)O2- + NO2 → RC(O)O2NO2
+ Nếu R ở phản ứng trên là một gốc metyl, sản phẩm cuối sẽ là peroxyacetylnitrate, một hợp chất độc hơn
d Phản ứng của OH với các hydrocarbon:
+ Gốc hydroxyl tự do sẽ nhận một nguyên tử hidro khi nó phản ứng với alkane để hình thành H2O và một gốc tự do mới là gốc alkyl, gốc alkyl này phản ứng với phân tử O2 để hình thành gốc alkyloperoxy
RH + OH- → R- + H2O
R- + O2 → RO2
-+ Sau đó, RO2- phản ứng với gốc peroxyl và phá hủy chu trình quang phân thông thường
e Sự quang phân của các hợp chất carbonyl:
+ Các hợp chất carbonyl tự chúng có thể hấp thụ năng luợng từ ánh sáng mặt trời thông qua phản ứng quang phân
RCHO + hv → R- +
HC(O)-RC(O)R’ + hv → R- +
R’CO-+ Các gốc sinh ra tham gia các phản ứng như trên đã trình bày gây ra sự tích tụ ozon trong không khí
Trang 7Sơ đồ tóm tắt các phản ứng xảy ra trong sương mù quang hóa:
Step1: O3 + hv + H2O → 2OH- + O2
Step2: 2OH- + 2R-H + 2O2 → RO2- + 2H2O
Step3: 2RO2- + 2NO → 2NO2 +
2RO-Step4: 2NO2 + hv → 2NO + 2O
Step5: 2O2 + 2O → 2O3.
Trang 8* Các chất gây ra khói mù quang hóa:
- Phải có nguồn tạo ra các nitơ oxit
(NOx) và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
(VOCs) (VOCs là "những chất hóa học
phản ứng được với nitơ oxit trong khí
quyển, dưới tác dụng của tia cực tím (của
ánh nắng) tạo thành sương mù, có chứa
ozon (O3), alđehyt, peoxyt axetyl nitrat
và một lượng nhỏ các chất oxy hóa)
- Phản ứng quang hóa học dưới tác dụng
của nitơ oxit phân hủy dung môi hữu cơ
tạo ra những tác nhân oxy hóa:
VOCs + ánh sáng + NO2 + O2→ O3 +
NO + CO2 + H2
- Nồng độ cao của hai chất này trong không khí có liên quan đến quá trình công nghiệp hóa và quá trình vận chuyển
* Thời gian trong ngày:
- Thời gian trong ngày là một yếu tố rất quan trọng về lượng sương mù quang hóa xuất hiện:
+ Vào lúc sáng sớm, giao thông làm tăng lượng thải của các oxit nitơ và VOCs khi chúng ta lái xe đi làm
+ Vào khoảng giữa buổi sáng, lượng xe cộ lưu thông giảm, các oxit nitơ và VOCs bắt đầu phản ứng và hình thành NO2, làm tăng nồng độ của nó
+ Khi mà ánh sáng mặt trời trở nên gắt hơn vào lúc trưa, NO2 bị phá vỡ và sản phẩm phụ của nó được sinh ra và làm tăng nồng độ O3 trong không khí Cùng lúc đó, một số phân tử NO2 được sinh ra có thể phản ứng với các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi để sinh ra các hóa chất độc hại như PAN (Peroxyacyl nitrate)
+ Khi mặt trời lặn, việc sản sinh ra O3 tạm thời ngừng lại Lượng O3 còn tồn tại trong không khí được tiêu thụ bởi một vài phản ứng khác nhau
* Một vài yếu tố khí tượng :
- Mưa có thể làm giảm bớt sương mù quang hóa vì các chất ô nhiễm được rửa trôi khỏi không khí cùng với nước mưa
- Gió có thể thổi sương mù quang hóa đi và thay thế nó bằng không khí trong lành Tuy nhiên, lượng chất ô nhiễm bị thổi đi có thể gây ô nhiễm ở những khu vực xa hơn
Trang 9- Hiện tượng đảo nhiệt có thể làm tăng sự nghiêm trọng của khói mù quang hóa Thông thường thì trong ngày, không khí gần bề mặt bị đốt nóng và bốc lên cao mang theo các chất ô nhiễm lên độ cao cao hơn Tuy nhiên, nếu sự đảo nhiệt phát triển thì các chất ô nhiễm có thể bị giữ lại gần bề mặt của trái đất Các quá trình đảo nhiệt gây ra sự suy giảm
sự trộn lẫn không khí và vì vậy làm giảm phân tán chất ô nhiễm theo chiều thẳng đứng Các quá trình đảo nhiệt có thể kéo dài từ vài ngày đến vài tuần
*Địa hình:
- Địa hình cũng là một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến mức độ nghiêm trọng của hiện tượng khói mù quang hóa Các khu vực dân cư tập trung trong các thung lũng thì dễ
bị ảnh hưởng bởi khói mù quang hóa hơn vì những đồi núi bao quanh họ có khuynh hướng làm giảm dòng không khí do đó làm tăng nồng độ các chất gây ô nhiễm Thêm vào đó, các thung lũng thường nhạy cảm với khói mù quang hóa vì sự đảo nhiệt tương đối mạnh có thể phát triển thường xuyên trong những khu vực này
Tác động lên sức khỏe của con người:
- Khói mù quang hóa được đặc trưng bỏi hàm lượng O3 cao trong không khí Nồng độ ozon thấp ở tầng không khí gần mặt đất có thể làm cay mắt, mũi và cổ họng Khi sương
mù tăng lên, nó có thể gây ra nhiều vấn đề về sức khỏe nghiêm trọng hơn như:
- Hen xuyễn, viêm phế quản, ho và tức ngực
- Làm tăng sự nhạy cảm đối với các lây nhiễm về đường hô hấp
- Làm giảm chức năng của phổi
- Ôxy là chất khí duy trì sự sống (nếu trong khí thở có ít hơn 15% ôxy thì cơ thể đã có thể chết ngạt), nhưng ôzôn lại là khí độc hại Ôzôn gây phù phổi nặng, làm co thắt và tê liệt đường hô hấp khiến người bệnh không có phản ứng khi có các dị vật lọt vào Vì vậy, khi tiếp xúc lâu dài với ôzôn sẽ có nguy cơ bị tích tụ các dị vật trong phế quản và phổi, là điều kiện có khả năng dẫn đến ung thư
- Việc tiếp xúc với sương mù quang hóa trong thời gian dài thậm chí có thể gây tổn thương các mô phổi, gây ra sự sớm lão hóa ở phổi, và góp phần gây ra bệnh phổi mãn tính
- Các Peroxyacetylnitrate và các chất oxi hóa khác cùng với ozone là những chất kích thích mắt mạnh nhất
Tác động lên thực vật và các lọai vật chất
- Các cây trồng cũng như những loài thực vật nhạy cảm khác thì bị gây hại nhiều hơn là sức khỏe của con nguời ở nồng độ ozon thấp Một vài loại cây như thuốc lá, rau bina, cà chua và đậu đốm là những lọai nhạy cảm với ozon Những lá cây trong khu vực có khói
mù quang hóa xuất hiện những đốm màu nâu trên bề mặt lá sau đó chuyển sang màu
Trang 10vàng Lớp ozon ở tầng mặt đất có thể hủy họai lá cây, làm giảm sự phát triển, khả năng sinh sản và quá trình sinh sản Nó có thể gây ra sự mất khả năng tự vệ trước các lọai côn trùng cũng như bệnh tật và thậm chí còn gây chết cây
- Đối với các loại vật liệu: ozon dễ dàng phản ứng với những loại vật liệu hữu cơ, làm tăng sự hủy họai ở cao su, tơ sợi, nilong, sơn và thuốc nhuộm
- Giảm các khí thải từ các động cơ :
+ Thiết bị chuyển đổi-xúc tác (catalytic converters) trong các ống bô xe là một cách để giảm lượng CO và NO sinh ra Chất xúc tác được sử dụng là Platin hoặc hợp chất của Platin và Rodi
Platin xúc tác cho phản ứng của những hidrocacbon chưa cháy hết( ví dụ
như pentan) và ozy để sinh ra CO2 và hơi nước:
C5H12 (pentane) + 8O2 (platinum catalyst) → 5CO2 + 6H2O
Rôđi xúc tác cho phản ứng giữa CO và NO để hình thành nên CO2 và N2:
2CO + 2NO rhodium catalyst → 2CO2 + N2
+ Giảm các khí thải từ các nhà máy: Các nhà máy phải có các hệ thống xử lý khí thải đạt tiêu chuẩn, các ống khói phải đủ độ cao
+ Phải tìm kiếm và khuyến khích việc sử dụng các nguồn năng lượng sạch
+ Đối với các quốc gia và các tổ chức quốc tế: Cần có các luật định, các hiệp ứơc qui định cụ thể về vấn đề này
- Để giảm bớt sự hình thành khói mù quang hóa thì cần thiết phải kiểm soát các nguồn thải những chất ô nhiễm sơ cấp như: NO và VOCs trong không khí Đó là một vấn đề phức tạp và không thể giải quyết một cách dễ dàng Nó đòi hỏi phải có sự hợp tác giữa chính phủ, các khu công nghiệp và các cá nhân
* Kiểm soát VOCs:
- Nồng độ VOCs cao ( >500 ppm): 3 phương pháp thường sử dụng phổ biến với hàm lượng VOCs cao là:
+ Phương pháp ngưng tụ hơi đông lạnh có nghĩa là sư ngưng tụ xảy ra ở nhiệt độ xấp xỉ
âm 80oC
+ Phương pháp hấp thụ hơi bằng dung môi hòa tan được ứng dụng phổ biến ở những nơi
mà VOCs được làm cho nổi bong bóng thông qua một dung môi hữu cơ có khả năng tiếp nhận VOCs dưới dạng dòng khí
Trang 11+ Phương pháp flaring( pp đốt ) có thể được sử dụng để xử lí lưu lượng và nồng độ cao của các chất hữu cơ dễ bay hơi và thường đi kèm với các biện pháp thu hồi khác
- Nồng độ VOCs vừa phải (100-500 ppm): Đối với nồng độ VOCs vừa phải của nguồn thải, thì phương pháp hấp thụ carbon tái sinh hay đốt cháy hòan tòan được sử dụng
- Nồng độ VOCs thấp ( <100 ppm):Các dòng không khí có chứa hàm lượng VOCs thấp được cho đi qua một hộp nhỏ có chứa carbon hoạt hóa ( 1 hộp chỉ xài một lần ).Carbon hoạt hóa sẽ có khả năng lưu trữ 6.6 kg VOCs trên một kg carbon ở nồng độ 100 ppm và 0.33 kg VOCs trên 1 kg carbon ở nồng độ 5 ppm Ở nồng độ cao hơn, thì sự kết hợp giữa việc hấp thụ và thiêu đốt carbon là cần thiết
- Các tấm lọc sinh học: Hệ thống lọc sinh học sử dụng vi khuẩn để làm giảm hàm lượng VOCs
- Lọc sinh học TRG: lọc sinh học khử chất ô nhiễm bằng cách cho dòng không khí đi qua một môi trường xốp, ẩm có chứa rất nhiều vi sinh vật
- Phương pháp ngưng tụ lạnh: cho phép thu hồi các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi để sử dụng lại
- Kiểm soát VOCs bằng cách sử dụng các chất oxihoá: làm suy giảm sự phát thải thường
sử dụng như các chất oxi hoá và các chất hấp thụ, các kĩ thuật xử lí không khí như sự quay vòng và từng đợt, và sử dụng các thiết bị điều chỉnh để kiểm soát sự phát thải ở mỗi nhà máy
+ Máy oxi hóa nhiệt tái sinh (regenerative thermal oxidation-RTO)
+ Các máy oxi hóa có khả năng thu hồi nhiệt (recuparative thermal oxidizers)
+ Các máy oxi hóa sử dụng xúc tác(catalytic oxidizers)
- Phương pháp khử không xúc tác có chọn lọc: urê được phun vào ống khí ở nhiệt độ 1600-2100oF với sự có mặt của O2, urê phân huỷ, tạo ra NH2 Sau đó xảy ra phản ứng:
NH2 + NO N2 + H2O Phản ứng này làm giảm sự phát thải NO
* Kiểm soát NOx:
- Phương pháp khử không xúc tác có chọn lọc ( selective non-catalytic reduction): urê được phun vào ống khí ở nhiệt độ 1600-2100oF với sự có mặt của O2, urê phân huỷ, tạo
ra NH2 Sau đó xảy ra phản ứng: NH2 + NO N2 + H2O
Phản ứng này làm giảm sự phát thải NO
- Phương pháp khử sử dụng xúc tác có chọn lọc ( selective catalytic reduction-SCR ): Trong phương pháp này amoni được phun vào ống khí Amoni phân hủy NO một cách chọn lọc để tạo thành nitơ và nước trong môi trường có oxi Phản ứng này thường xảy ra với sự có mặt chất xúc tác là platin Trong pp này, ống khí nóng được cho đi qua chất xúc
