Bài giảng địa hoá môi trường

Với mong muốn trang bị cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật môi trườngnhững kiến thức từ cơ bản đến nâng cao về lĩnh vực Địa hoá môi trường nên cuốntài liệu này được sắp xếp thành 10 chươ

Mục lục

MỞ ĐẦU 7

Chương 1 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG ĐỊA HÓA CỦA MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN 8

1.1 ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN (MTTN) 8

1.1.1 Cấu trúc của môi trường tự nhiên 8

1.1.2 Đặc điểm hóa – lý của môi trường tự nhiên 11

1.2 MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI MTTN 13

1.2.1 Các yếu tố địa lý 13

1.2.2 Các yếu tố địa chất 14

1.2.3 Hoạt động nhân sinh 14

1.3 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÓA MÔI TRƯỜNG KHÍ (KHÍ QUYỂN) 16

1.3.1 Cấu trúc và thành phần của khí quyển 16

1.3.2 Bụi trong khí quyển 18

1.3.3 Các ion và các gốc tự do trong khí quyển 21

1.3.4 Ôxy và ozôn trong khí quyển 21

1.3.5 Các oxit nitơ và SO2 trong khí quyển 23

1.3.6 Các chất hữu cơ trong khí quyển 24

1.3.7 Vai trò địa hóa của khí quyển 25

1.4 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÓA MÔI TRƯỜNG NƯỚC (THỦY QUYỂN) 25

1.4.1 Cấu trúc và tính chất của nước 26

1.4.2 Chu trình của nước 29

1.4.3 Thành phần, phân loại nước thiên nhiên 30

1.4.4 Vai trò địa hóa của nước 35

1.5 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÓA VỎ PHONG HÓA 36

1.5.1 Đặc điểm chung của vỏ phong hóa 36

1.5.2 Hành vi nguyên tố trong quá trình phong hóa 40

1.6 ĐỊA HÓA MÔI TRƯỜNG ĐẤT 44

1.6.1 Dẫn liệu chung về đất 44

1.6.2 Thành phần của đất 46

1.6.3 Di chuyển các nguyên tố hóa học trong đất 48

1.7 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÓA MÔI TRƯỜNG TRẦM TÍCH 50

1.7.1 Một số đặc điểm trầm tích 50

1.7.2 Đặc điểm địa hóa quá trình thành tạo trầm tích 53

1.8 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÓA SINH QUYỂN 56

1.8.1 Thành phần hóa học sinh quyển 56

Bài gi ng Đ a hoá môi trả ị ường

1.8.2 Vai trò của sinh quyển (SQ) 60

Chương 2 ĐẶC ĐIỂM DI CHUYỂN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN 62

2.1 CÁC YẾU TỐ CHÍNH ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ DI CHUYỂN CỦA CÁC NGUYÊN TỐ TRONG MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN 62

2.1.1 Thế ion 62

2.1.2 Thế oxy hóa khử của nguyên tố (Eo) 63

2.1.3 Độ hòa tan của hợp chất 63

2.1.4 Clac và clac tập trung 64

2.1.5 Dạng tồn tại các nguyên tố trong tự nhiên 66

2.2 DẠNG DI CHUYỂN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN 66

2.2.1 Khái niệm 66

2.2.2 Cường độ di chuyển các nguyên tố trong môi trường tự nhiên 67

2.2.3 Các dạng di chuyển của nguyên tố trong MTTN 68

2.3 ĐẶC ĐIỂM TẬP TRUNG, PHÂN TÁN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC 70

2.3.1 Sự tập trung của nguyên tố trong môi trường tự nhiên 70

2.3.2 Phân tán các nguyên tố trong môi trường tự nhiên 71

2.3.3 Tính thống nhất và mâu thuẫn của tập trung và phân tán các nguyên tố hóa học 71

2.4 PHÂN LOẠI NGUYÊN TỐ THEO ĐẶC ĐIỂM DI CHUYỂN 71

2.5 DI CHUYỂN CÁC NGUYÊN TỐ DO HOẠT ĐỘNG KỸ THUẬT CỦA CON NGƯỜI 72

2.5.1 Đặc điểm chung của sự di chuyển các nguyên tố do hoạt động của con người 72

2.5.2 Di chuyển các nguyên tố do hoạt động công nghiệp 75

Chương 3 ĐỊA HÓA Ô NHIỄM 78

3.1 Ô NHIỄM 78

3.1.1 Phông địa hóa và dị thường địa hóa môi trường 78

3.1.2 Ô nhiễm và phân loại 80

3.2 NGƯỠNG SINH THÁI VÀ KHẢ NĂNG ĐỒNG HÓA CHẤT Ô NHIỄM CỦA MÔI TRƯỜNG 83

3.2.1 Ngưỡng sinh thái 83

3.2.2 Khả năng tự đồng hóa chất ô nhiễm của môi trường 84

3.3 ĐỊA HÓA CÁC CHẤT THẢI 85

3.3.1 Chất thải khí 85

3.3.2 Chất thải lỏng 88

3.3.3 Chất thải rắn 94

3.3.4 Di chuyển của các chất ô nhiễm 98

3.4 Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÍ 100

3.4.1 Các chất gây ô nhiễm không khí 100

3.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới ô nhiễm khí 103

3.4.3 Tác động của ô nhiễm không khí 104

3.4.4 Các phương pháp hạn chế ô nhiễm môi trường khí 106

3.5 Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC 107

3.5.1 Các chất ô nhiễm trong môi trường nước 107

3.5.2 Ô nhiễm môi trường biển 108

3.5.3 Tác động của ô nhiễm môi trường nước 114

3.5.4 Phương pháp hạn chế ô nhiễm môi trường nước 115

3.6 Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT 118

3.6.1 Các chất ô nhiễm trong đất 120

3.6.2 Các biểu hiện ô nhiễm đất 124

3.6.3 Tác động của ô nhiễm đất 127

3.6.4 Biện pháp hạn chế ô nhiễm đất 132

3.7 Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG TRẦM TÍCH 134

3.7.1 Ô nhiễm và các chất gây ô nhiễm môi trường trầm tích 134

3.7.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới ONTT 139

3.7.3 Các phương pháp đánh giá chất lượng môi trường trầm tích 139

3.7.4 Các phương pháp hạn chế ô nhiễm trầm tích 146

Chương 4 SỰ DI ĐỘNG THEO NƯỚC CỦA CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC TRONG CẢNH QUAN 147

4.1 Mở đầu 147

4.2 Thành phần hóa học của nước cảnh quan 147

4.3 Hệ số di động theo nước, trình tự di động 148

4.4 Độ hòa tan của các hợp chất tự nhiên 153

4.5 Các quá trình trao đổi 154

4.6 Các điều kiện kiềm – axit của nước tự nhiên 155

4.7 Các hợp chất tổng hợp 159

4.8 Các điều kiện oxi hóa khử của nước tự nhiên 160

4.9 Các điều kiện hóa – lý của nước tự nhiên và trường ổn định của các khoáng vật (biểu đồ Eh – pH) 166

4.10 Quy luật kìm hãm các phản ứng hóa học 169

Bài gi ng Đ a hoá môi trả ị ường

4.11 Sự bóc mòn hóa học 178

4.12 Sự bóc mòn cơ học 179

4.13 Tuần hoàn sinh vật và sự di động theo nước tại các cảnh quan tự lập và các cảnh quan phụ thuộc 180

Chương 5 SỰ DI ĐỘNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ TRONG KHÍ QUYỂN 182

5.1 Thành phần hóa học của khí quyển của cảnh quan 182

5.2 Sự di chuyển muối cùng với nước mưa 183

5.3 Sự di động của các phân tử lơ lửng 184

Chương 6 ĐẶC ĐIỂM DI ĐỘNG CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC TRONG CẢNH QUAN 187

6.1 Nguồn năng lượng của các quá trình địa hóa học 187

6.2 Tính thống nhất của sự di động và tính đa dạng của các loại di động 188

6.3 Quy luật đa dạng nhất của sự di động sinh vật 190

6.4 Sự thay đổi của đá trong cảnh quan 190

6.5 Tính chu kì của sự di động 192

6.6 Sự phát triển của các cảnh quan địa hóa 192

Chương 7 ĐỊA HÓA HỌC CẢNH QUAN VÀ VIỆC TÌM KIẾM KHOÁNG SẢN CÓ ÍCH 195

7.1 Công tác tìm kiếm khoáng sản có ích trong giai đoạn hiện đại 195

7.2 Những phương pháp địa hóa để tìm kiếm khoáng sản có ích 196

7.3 Vai trò của địa hóa học cảnh quan trong việc tìm kiếm khoáng sản 202

Chương 8 BẢN ĐỒ CÁC CẢNH QUAN ĐỊA HÓA 204

8.1 Phương pháp xây dựng bản đồ cảnh quan địa hóa được đặt cơ sở trên sự phân loại các cảnh quan 205

Chương 9 CÁC GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN CHỦ YẾU CỦA CÁC CẢNH QUAN ĐỊA HÓA TRONG QUÁ TRÌNH LỊCH SỬ ĐỊA CHẤT 215

9.1 Giai đoạn phi sinh vật 215

9.2 Bắt đầu của giai đoạn sinh vật (khoảng 3 tỉ năm qua) 217

9.3 Những cảnh quan hoang mạc – sơ khai tiền cambri (3 tỉ - 570 triệu năm về trước) 218

9.4 Các cảnh quan địa hóa nửa đầu của thực vật cổ đại – cambri, orđôvic và silua (570 -400 triệu năm về trước) 222

9.5 Các cảnh quan địa hóa nửa sau của thực vật cổ đại – đêvôn, cacbon và peem hạ (400 – 250 triệu năm về trước) 224

9.6 Các cảnh quan địa hóa thực vật trung sinh – pecm thượng, triat, jura và bạch phiến hạ (250 – 100 triệu năm qua) 226

9.7 Những cảnh quan địa hóa thực vật tân sinh – bạch phấn thượng và tân sinh hạ(100 triệu năm qua – nguyên đại hiện tại) 227Chương 10 ĐỊA HÓA HỌC CỦA CÁC NGUYÊN TỐ DI ĐỘNG THEO NƯỚC

231

10.1 Nguyên tắc của các thành phần cấu tạo hoạt động 23110.2 Những nguyên tố di động theo nước, hoạt động và hoạt động yếu trong môitrường oxi hóa và trơ trong môi trường khử mạnh 25110.3 Những nguyên tố di động theo nước, hoạt động trong điều kiện khử (glay)

và trơ trong điều kiện oxi hóa (Fe, Mn, Co) 264

Tài Liệu tham khảo 273

Bài gi ng Đ a hoá môi trả ị ường

MỞ ĐẦU

Năm 1889, Svante Arrhenius người đoạt giải Nobel đã chỉ ra sự tồn tại củamột "hiệu ứng nhà kính", trong đó sự thay đổi nhỏ nồng độ carbon dioxide trong khíquyển có thể làm thay đổi đáng kể nhiệt độ trung bình của một hành tinh Khoảngmột thế kỷ sau đó, con người nhận ra rằng thay đổi khí hậu có tương quan với sự giatăng của nồng độ carbon dioxide trong khí quyển Điều đó cho thấy rằng các kiếnthức về cơ chế môi trường là cần thiết giúp con người đối phó với vấn đề thực tế của

ô nhiễm Địa hóa môi trường là một trong những ngành khoa học nhanh chóng nổilên nhằm mục đích giúp con người hiểu biết hành vi của chất ô nhiễm trong các hệsinh thái và thiết kế quy trình an toàn cho hệ sinh thái Các ô nhiễm trong quá khứnên được làm sạch, các ô nhiễm trong tương lai nên được dự đoán và tránh được

Với mong muốn trang bị cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật môi trườngnhững kiến thức từ cơ bản đến nâng cao về lĩnh vực Địa hoá môi trường nên cuốntài liệu này được sắp xếp thành 10 chương bao gồm từ các khái niệm về đặc trưngđịa hoá của môi trường tự nhiên đến đặc điểm di chuyển của các nguyên tố trongmôi trường hay các kiến thức về địa hoá ô nhiễm; sự di chuyển theo nước, trongkhông khí của các nguyên tố hoá học Hơn thế nữa, giáo trình còn trang bị cho sinhviên các kiến thức về địa hoá cảnh quan, thành lập bản đồ các cảnh quan địa hoáhay các giai đoạn phát triển chủ yếu của các cảnh quan địa hoá trong quá trình lịch

sử địa chất Đây là tài liệu rất hữu ích cho sinh viên ngành kỹ thuật môi trường vàcác nhà chuyên môn, quản lý hoạch định chính sách môi trường, những người muốntìm hiểu nhanh chóng kiến thức địa hoá môi trường

Người biên soạn chân thành cảm ơn tất cả các tác giả, các nhà khoa học trong

và ngoài nước đã cung cấp các tài liệu liên quan có chất lượng cao để chúng tôi tổnghợp và hoàn thành cuốn tài liệu phục vụ giảng dạy Trân trọng cảm ơn Bộ môn Địasinh thái và Công nghệ môi trường đã tạo điều kiện giúp đỡ, động viên để tập thểtác giả hoàn thành bài giảng

Bài giảng biên soạn chắc chắn còn có những khiếm khuyết và hạn chế này

Để cho bài giảng được ngày một hoàn thiện hơn, mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Bộmôn Địa sinh thái và Công nghệ Môi trường, khoa Môi trường, Trường Đại học Mỏ

- Địa chất

Xin chân trọng cảm ơn!

Chương 1 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG ĐỊA HÓA CỦA MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN

1.1 ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN (MTTN)

1.1.1. Cấu trúc của môi trường tự nhiên

Khái niệm về môi trường tự nhiên: Môi trường tự nhiên bao gồm tất cả những vật

thể sống và không sống xuất hiện một cách tự nhiên trên Trái Đất hoặc một vùng trên TráiĐất Nó là môi trường bao gồm tương tác của tất cả các vật thể sống

Nhìn tổng thể, MTTN đồng nghĩa với đới biểu sinh – nơi xảy ra các quá trìnhbiểu sinh và hình thành đới biểu sinh Theo A.Fesman, có thể phân biệt các quá trìnhbiểu sinh như sau: quá trình biểu sinh chính thống; quá trình hình thành thổ nhưỡng;quá trình đồng sinh (tích tụ trầm tích); quá trình tạo thành đá; quá trình thoái hóa;quá trình sinh muối; quá trình hidrogen; các quá trình tích tụ cơ học, quá trình trượt

lở đất, di chuyển dòng bùn đá, sụt lún đất, xói lở, xói mòn…; quá trình biogen (hoạtđộng sinh vật); quá trình hoạt động kỹ thuật của con người (technogen) Đới biểusinh trên cùng là đới trên cùng của vỏ Trái đất (VTĐ), nơi xảy ra mọi quá trình biếnđổi, thành tạo đá và khoáng vật trong điều kiện bề mặt của Trái đất có sự tham giacủa nước và sinh vật A.Fesman cho rằng, ranh giới của đới biểu sinh trùng với ranhgiới của sinh quyển Giới hạn trên là tầng bình lưu (ở độ cao 10-15km), giới hạndưới (ở độ sâu 3-6km) là nơi sinh vật còn có thể tồn tại được theo K.I.Lukashev,đới biểu sinh là tập hợp tất cả cảnh quan, là lớp áo ngoài cùng của vỏ Trái đất, năngđộng nhất và đa dạng nhất về sự tương tác của bốn địa quyển chính MTTN là sảnphẩm của sự tương tác đó và bao gồm các hợp phần: khí quyển, thủy quyển, phầntrên của thạch quyển và sinh quyển (hình 1.1)

Về phương diện địa hóa, MTTN là là nơi diễn ra quá trình di chuyển cácnguyên tố hóa học dưới tác động chủ yếu của nước, không khí, sinh vật và conngười, trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp đặc trưng cho bề mặt Trái đất

MTTN có một số đặc trưng sau: là nơi có nhiệt sđọ thấp và áp suất không caonhưng có biên độ dao động lớn; là nơi năng động và đa dạng nhất về các quá trìnhtrao đổi năng lượng (W), vật chất với vũ trụ và và các đới của vỏ Trái đất là nơi có

sự tương tác mạnh mẽ nhất giữa bốn địa quyển và quyển trí tuệ; là nơi có sự kết hợpgiữa ba chu trình: chu trình biểu sinh – vũ trụ, chu trình biểu sinh chính thống vàchu trình nội sinh – biểu sinh (hình 1.2); trong mỗi chu trình đều có sự di chuyểnnguyên tố hóa học, thay đổi vật chất và tuần hoàn năng lượng Vì thế có thể coi đớibiểu sinh là hợp phần tự nhiên hết sức đa dạng, phong phú về hình thái, cấu trúc vàthành phần MTTN vừa là sản phẩm của các quá trình biểu sinh vừa là môi trườnghoạt động của chính các quá trình đó Do vậy MTTN không ngừng biến đổi cả theokhông gian và thời gian

B môn Đ a sinh thái và CNMTộ ị Trang 8

3 9

Hình 1.1 Cấu trúc của môi trường

tự nhiên

1 – KQ và tầng ôzôn; 2, 3,

4 – Thủy quyển, gồm nướcmặt lục địa (2), nước biển (3),

và nước dưới đất (4); 5 - Thếgiới sinh vật; 6 – Thổ quyển và

Vỏ phong hóa; 7 – Trầm tíchsông, hồ, ao, biển; 8 – Đá trầmtích có thể chứa vi sinh vật; 9– Các đá macma, biến chất(không chứa sinh vật); 10 –Các thành tạo nhân sinh – Sinhquyển bị chôn vùi (than bùn,than đá, dầu mỏ, v.v…)

MTTN là nơi duynhất của Trái đất có sinhvật, có vật liệu hữu cơ, sựsống và hoạt động của conngười, là đối tượng lao độnggần gũi nhất của con người,

là nguồn dự trữ về nguyênliệu và năng lượng cho mọihoạt động của con người,đồng thời cũng là nơi đồnghóa, chứa đựng, tàng trữchất thải

Môi trường có thểphân ra các hợp phần: KQ(atmosphera); thủy quyển(hydrosphera); thạch quyển(lithosphera); sinh quyển(biosphera); quyển trí tuệ(noosphera)

V.I.Venatski vàA.I.Perenman phân chia cácthành tạo biểu sinh ra: phầntrên thạch quyển (thổnhưỡng, VPH, trầm tích);thủy quyển – nước thiênnhiên (nước mặt và nướcdưới đất); sinh quyển (thếgiới sinh vật, TGSV)

Vò trô Nguyªn tè h

S¶n phÈm phong hãa

Qu¸ tr×nh biÕn chÊt Nãng ch¶y

(theo K.I Luk ashe

v, 1974,

có sửa đổi)

Theo

K.I.Lucashev, MTTNgồm có các hợp phần: khíquyển; thủy quyển (nướcthiên nhiên); phần trêncủa thạch quyển (thổnhưỡng, vỏ phong hóa,tầng loos, băng tích, trầmtích sông, hồ đầm lầy vàbiển, mỏ khoáng sản);sinh quyển bị chôn vùi(dầu mỏ, khí đốt, than đá,than bùn); sinh quyểnsống (TGSV) Bên cạnh

đó, dựa vào đặc điểm củacác thành phần nhân sinh

có trong MTTN người tacòn có thể phân biệt môitrường ở khu côngnghiệp, môi trường đo thị,môi trường nông thôn,v.v…

B môn Đ a sinh thái và ộ ịCNMT

Trang 10

1.1.2 Đặc điểm hóa – lý của môi trường tự nhiên

Đặc điểm hóa lý của MTTN thể hiện qua các thông số: to (nhiệt độ), P (ápsuất), pH, Eh (chế độ ôxy hóa – khử), đặc điểm các phản ứng hóa học, năng lượngquá trình bề mặt, đặc điểm địa hóa của chính các nguyên tố có trong môi trường …

Nhiệt độ (t o ) không khí gần mặt đất và nhiệt độ bề mặt trái đất thay đổi trong

khoảng như sau:

lý, hóa học và sinh học trong MTTN

Áp suất (P) của môi trường tự nhiên dao động trong khoảng 0,n at (tầng bìnhlưu) đến 5000 – 6000 at (ở phần sau đáy đại dương và phần trầm tích ở độ sâu

MTTN có thể được phân chia theo độ pH: Môi trường axit (pH<3) như cácsuối nước nóng, mỏ sunfua bị ô xy hóa, nước thải các nhà máy chưa xử lý; Môitrường axit – axit yếu (pH = 3- 6,5) bao gồm nước ở đầm lầy, than bùn, nướcmưa…; Môi trường trung tính – kiềm (pH =6,5 – 8,5) như nước sông hồ, nước biển;Môi trường kiềm mạnh (pH>8,5) như nước trong thổ nhưỡng kiềm, nước ở vùng samạc, nước thải các nhà máy…

pH có vai trò lớn trong môi trường Trước hết pH ảnh hưởng tới độ hòa tancác nguyên tố và hợp chất Phần lớn các nguyên tố hóa học tạo Cation (Na, K Ca,

Sr, Fe,…) có độ hòa tan lớn nhất trong môi trường axit, giảm dần trong môi trườngtrung tính Nguyên tố tạo anion (Se, Mo, V5+, As,…) hòa tan tốt trong môi trườngkiềm Các nguyên tố lưỡng tính (Al…) hòa tan mạnh trong môi trường kiềm mạnh(pH>9) và axit (pH<4) pH ảnh hưởng đến chiều và tốc độ các phản ứng hóa học,đến quá trình tạo phức, tạo chất keo Dung dịch keo bền vững các hydroxit thườngtạo thành trong môi trường có pH lớn (môi trường kiềm) Ngoài ra, pH quyết định

sự tồn tại của sinh vật: vi sinh vật chỉ có thể tồn tại và phát triển trong môi trường

có giá trị pH xác định và với biên độ dao động nhỏ

Bài gi ng Đ a hoá môi trả ị ường

Độ linh động của các nguyên tố trong MTTN phụ thuộc vào độ pH pH quyếtđịnh sự di chuyển của các nguyên tố vĩ lượng (có clac lớn), còn đối với sự di chuyểncủa các nguyên tố vi lượng thì vai trò của pH mờ nhạt hơn Hành vi của các nguyên

tố vi lượng trong MTTN có tính ―a dual theo (bị cho phối bởi) các nguyên tố vĩlượng

Độ Eh của đới biểu sinh dao động trong khoảng -0,41 ÷ 7,8 V, có khi lớn hơn7,8 V (vùng bị tác động của sản xuất công nghiệp) Eh phụ thuộc vào nhiều yếu tốkhác nhau như độ pH, khả năng lưu thông không khí, hàm lượng các chất ô xy hóahoặc khử, vi sinh vật, vật liệu hữu cơ…

Dựa vào Eh, A.I.Perenman chia MTTN ra: Môi trường oxy hóa có 0,3 (0,4) V, giàu O2 tự do và các chất gây oxy hóa khác Môi trường khử không có

Eh>0,15-H2S với Eh<0,4 đôi khi Eh>0, thường nghèo O2 tự do nhưng giàu tàn tích hữu cơ,khí mê tan cũng như các ion hóa trị thấp như Fe+2, Mn+2 Môi trường khử có H2Svới Eh < 0 đôi khi > 0, không có O2 tự do, giàu dunfat và H2S

Eh có vai trò rất lớn trong MTTN: quyết định tổ hợp cộng sinh các khoángvật, nguyên tố hóa học, tốc độ và chiều các phản ứng hóa học, phản ứng sinh hóa,khả năng hoạt động của sinh vật v.v…

Vai trò tổng hợp của Eh và pH trong MTTN lại còn lớn hơn Eh và pH quyếtđịnh sự tồn tại của thế giới sinh vật Mỗi một nhóm sinh vật chỉ tồn tại trong môitrường có giá trị Eh và pH xác định Thông số này quyết định chiều các phản ứnghóa học Mỗi phản ứng hóa học kèm theo sự trao và nhận điện tử chỉ xảy ra trongđiều kiện với Eh và pH cụ thể Eh và pH quyết định sự tồn tại và chuyển hóa các tổhợp cộng sinh khoáng vật (KV) và cộng sinh nguyên tố Mỗi tổ hợp cộng sinh KVhay tổ hợp cộng sinh nguyên tố chỉ tồn tại trong trường Eh và pH nhất định , ra khỏigiới hạn của trường đó các tổ hợp khoáng vật sẽ bị phá hủy và chuyển thành các tổhợp mới bền vững trong môi trường pH-Eh mới Do đó Eh và pH quyết định đếnhành vi các nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên Vì vậy Eh và pH là chỉtiêu quan trọng để phân loại môi trường

Như vậy, biên động dao động các nguyên tố hóa lý nêu trên của MTTN rấtkhác nhau Những thay đổi đó có hại cho sự tồn tại và phát triển của thế giới sinhvật nói chung và con người nói riêng nên được khoa học môi trường quan tâmnghiên cứu

Trong MTTN với các đặc trưng nêu trên, các phản ứng hóa học có một sốđặc điểm sau:

 Do nhiệt độ và áp suất không cao nên phản ứng hóa hóa học trong MTTN cótốc độ chậm và thường bị kìm hãm Sự kìm hãm này là do sự thiếu hụt khốilượng các hợp phần tham gia phản ứng

 Nhờ dòng nhiệt liên tục của Mặt trời nên các phản ứng có tính liên tục và chu

kỳ (hoặc gần với chu kỳ)

 Các phản ứng xảy ra trong MTTN có thể là phản ứng thu nhiệt (quang hợp,bay hơi…) hoặc tỏa nhiệt (hô hấp của thực vật, ngưng tụ, đóng băng…) Cảhai phản ứng đó đều cần thiết như nhau và đảm bảo sự cân bằng năng lượngcủa môi trường và hệ sinh thái

 Các phản ứng và quá trình xảy ra trong MTTN thường không đạt cân bằnghóa học vì MTTN là hệ mở luôn có sự trao đổi vật chất và năng lượng với

vũ trụ cũng như với phần sâu của Trái đất

 Các phản ứng xảy ra dường như không theo đúng tỷ lượng lý thuyết, dotrong MTTN có nhiều loại vật chất(vô cơ, hữu cơ, chất sống, chất keo…), có

sự thiếu hụt khối lượng của các hợp phần và sự tác động rất phức tạp giữachúng Các phản ứng xảy ra trong MTTN hầu hết là các quá trình thuậnnghịch

1.2 MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI MTTN

Các đặc trưng của môi trường sống phụ thuộc và nhiều yếu tố khác nhau nhưđịa lý, địa chất, các hoạt động nhân sinh, v.v…

1.2.1 Các yếu tố địa lý

Các yếu tố địa lý có ảnh hưởng tới các đặc trưng MTTN bao gồm: Vị trí địalý(tọa độ địa lý, khoảng cách tới biển và đại dương); đặc điểm địa hình (độ dốc, độcao tương đối, độ cao tuyệt đối, chia cắt sâu, chia cắt ngang…); khí hậu; thủy văn

Ảnh hưởng của vị trí địa lý và địa hình đến MTTN thể hiện qua hai quy luật:quy luật phân hóa theo vĩ độ, theo khoảng cách và vị trí so với mặt trời; quy luậtphân hóa theo kinh độ, theo khoảng cách đến biển, đại dương Vị trí địa lý và địahình quyết định chế độ thủy động lực, đặc trưng khí hậu, lớp phủ thực vật, v.v…

Khí hậu được đặc trưng bởi các yếu tố: bức xạ, nhiệt độ lượng mưa, lượngbốc hơi, độ ẩm,… Bức xạ tổng cộng thay đổi từ 55 – 60 kcal/cm2/năm (nam cực)đến 220 kcal/cm2/năm (sa mạc), trung bình là 127 kcal/cm 2/năm (biển) đến 138kcal/cm2/năm (lục địa) Bức xạ là nguồn năng lượng chủ yếu của các quá trình xảy

ra trong MTTN Lượng mưa trên Trái đất thay đổi từ vài chục mm/năm (sa mạc)đến 6000 mm/năm (đảo ở giữa Thái Bình Dương) Độ ẩm tương đối của Trái đấtthay đổi từ 30% đến 100% Độ ẩm phụ thuộc vào bốc hơi bề mặt và bình lưu ẩm.Các thông số nói trên thay đổi trên phạm vi lớn nên khí hậu Trái đất rất đa dạng

Dựa vào nhiệt độ không khí và lượng mưa, tương tác không khí với MTTN,Kiogen(1936) đã chia khí hậu ra: khí hậu nhiệt đới ẩm có nhiệt độ lạnh nhất là > 18oC

và lượng mưa > 756mm/năm; khí hậu khô có nhiệt độ TTB tháng nóng nhất > 10oC vàlượng mưa ≤ 2 (T+7) cm/năm (đối với vùng phân bố ẩm đều), ở đây T là nhiệt độ, và ≤

2 (T+14) cm/năm (đối với vùng có lượng mưa vào mùa hè lớn), và ≤ 2 Tcm/năm (đốivới vùng có lượng mưa vào mùa đông lớn); khí hậu nóng ôn đới có ToTB tháng lạnhnhất : -3o C < T < 18oC, lượng mưa ≥ 2T cm/năm (nếu mưa nhiều

Bài gi ng Đ a hoá môi trả ị ường

vào mùa đông) hoặc ≥ 2(T+14) cm/năm (nếu mưa nhiều vào mùa hè); khí hậu lạnh– ôn đới có độ ẩm vừa phải, TTB tháng nóng nhất >10oC, TTB tháng lạnh nhất < 3oC vàmưa như vùng khí hậu ôn đới; khí hậu lạnh băng tuyết có TTB tháng lạnh <10oC vàlượng mưa TB 100-200mm/năm Trong các vùng có đặc trưng địa lý khác nhau thì tốc

độ phản ứng sinh hóa, hoạt động và phát triển của sinh vật, hành vi nguyên tố, tốc độphát tán và lan truyền chất ô nhiễm cũng có những nét khác biệt

1.2.2 Các yếu tố địa chất

Các yếu tố ảnh hưởng tới MTTN bao gồm: chế độ kiến tạo, cấu trúc địa chất,các quá trình địa chất và lịch sử tiến hóa địa chất, các tai biến địa môi trường; điềukiện thành tạo, biến đổi các đá và trầm tích; thế nằm của đá ảnh hưởng tới sự thâmnhập của các tác nhân làm biến đổi các đá; tính chất cơ lý và thành phần hóa học,khoáng vật và thạch học của đá Để đặc trưng cho khả năng của các đá bị phá hủy

do phong hóa có thể dùng hệ số phong hóa – Pđ (Mai Trọng Nhuận, 1984, 1987), Pđ

= SiO2/(Na2O + FeO + K2O + CaO + MgO) Pđ dao động trong khoảng 0,n – 70 Pđcàng lớn đá càng khó phá hủy trong điều kiện bề mặt Trái đất

Đá chứa càng nhiều chất khử hoặc chất oxy hóa và vật liệu hữu cơ càng dễ bịphá hủy Đặc điểm này cả đá được thể hiện qua dung lượng khử của đá là lượng O2

cần thiết để oxy hóa các hợp phần và KV khử có trong đá

Các yếu tố địa chất quyết định những đặc trưng cơ bản của MTTN, như chophối đặc điểm địa hình, địa mạo, thành phần, tính chất đất đá, trầm tích, vỏ phonghóa (thạch quển nói chung) của nước mặt và nước ngầm (thủy quyển), tai biến và tàinguyên địa chất Thông qua đó các yếu tố địa chất có ảnh hưởng rất lớn tới sinhquyển, thành phần, tính chất của khí quyển, thủy quyển, thạch quyển và hoạt độngnhân sinh

1.2.3 Hoạt động nhân sinh

Con người là nhân tố có tác động rất mạnh tới MTTN Quy mô, mức độ, bảnchất của sự tác động đó phụ thuộc và dân số, trình độ văn hóa, khoa học, kỹ thuật, thểchế chính trị, tập quán… Cộng đồng loài người và trí tuệ của họ tạo ra noosphera(quyển trí tuệ), technosphera (quyển kỹ thuật), antrosphera (quyển nhân sinh) Thuậtngữ trí tuệ (noosphera) do nhà triết học, nhà khoa học của Pháp là E.Lepua đưa ra lầnđầu năm 1927 Sau đó, vấn đề này được V.I.Vernasky phát triển và nhiều nhà khoa họckhác hoàn thiện Khối lượng của quyển trí tuệ không lớn, khoảng n.108 tấn, chỉ tươngđương sinh khối của rừng taiga diện tích 6000km2

Trong quyển trí tuệ, bên cạnh dạng thông tin sinh học, xuất hiện một dạngthông tin mới – thông tin xã hội và các phương pháp mới lưu giữ, xử lý và truyềncác loại thông tin đó Năng lượng của quyển trí tuệ và mức độ tiêu thụ năng lượngngày càng gia tăng: thời nguyên thủy trung bình mỗi người tiêu thụ năng lượngkhoảng 8.103 – 12.103 jun, còn ngày nay là 8.105J Nhưng điều quan trọng hơn làtính sinh công, tính hữu ích, tính đa dạng của năng lượng được tăng lên Năng

lượng mặt trời được dùng trực tiếp Con người còn tạo ra nhiều dạng năng lượngmới: nhiệt điện, điện nguyên tử, thủy điện, v.v… Không phải toàn bộ năng lượng docon người tạo ra đều được dùng để sinh công hữu ích mà một phần năng lượng đósinh nhiệt cho môi trường bao quanh, gây hậu quả khó lường cho môi trường, chocác hệ sinh thái.

Như vậy, quyển trí tuệ có đặc trưng là giảm entropi của mình nhưng lại làmtăng entropi của môi trường (phân tán các nguyên tố từ các mỏ khoáng sản, đốt cháythan, dầu mỏ, khí thiên nhiên, v.v ) Các hệ của quyển trí tuệ là những hệ có điềukhiển, trong đó mối quan hệ tương hỗ (2 chiều) từ trung tâm điều khiển đến các hệ

và ngược lại Các mối quan hệ này đã và đang bị các yếu tố tiêu cực của biến độngtoàn cầu gây nhiễu loạn Điều này đã thúc đẩy việc sử dụng tùy tiện tài nguyên thiênnhiên gây ngày càng nhiều hậu quả xấu cho môi trường: ô nhiễm môi trường vàbiến động toàn cầu, tăng cường các tai biến…

Trong quyển trí tuệ cũng xảy ra mạnh mẽ vòng tuần hoàn các nguyên tố Sự

di chuyển các nguyên tố trong quyển trí tuệ bị chi phối bởi các quy luật hóa lý, sinhhóa và quy luật kinh tế xã hội phức tạp Sự phát triển của quyển trí tuệ chủ yếu docác quy luật kinh tế - xã hội quyết định Hiện nay quyển trí tuệ được đặc trưng bởi

sự bùng nổ về dân số, thông tin, phát triển mạnh của khoa học kỹ thuật (KHKT) vàđang dẫn đến việc tăng cùng chiều của việc sử dụng cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên

và suy thoái môi trường Ngoài ra, quyển trí tuệ cũng tồn tại các dạng di chuyểnkhác nhau (di chuyển nước, di chuyển dạng khí, di chuyển cơ học, di chuyển hóa lý,sinh địa hóa) nhưng quan trọng nhất là di chuyển nhân sinh

Mật độ quyển trí tuệ và dân cư phân bố không đồng đều trong hành tinh vàtrong mỗi nước Quyển trí tuệ có mật độ tập trung cao ở thành phố, đồng bằng vàduyên hải

Đặc trưng của quyển trí tuệ không phải chỉ ở số người mà còn xác định bằngchỉ số khác nhau như số phát minh / tổng số người, tổng số người học vấn cao / tổng

Bài gi ng Đ a hoá môi trả ị ường

Tốc độ phát triển kinh tế và công nghiệp hóa đang diễn ra trên toàn cầu vớitốc độ ngày càng lớn và không đồng đều giữa các châu lục, các khu vực, cũng nhưcác quốc gia Phần lớn các nước Tây, Bắc Âu, Bắc Á có nền công nghiệp và đờisống cao hơn các vùng khác của hành tinh Trình độ công nghiệp hóa và mức độ đôthị hóa tỷ lệ với trình độ phát triển KHKT và công nghệ Mặc dù đô thị hóa và côngnghiệp hóa thúc đẩy sự phát triển xã hội, song nó làm thay đổi sâu sắc đặc trưng lý-hóa-sinh của MTTN, gây ô nhiễm môi trường Một trong những đặc trưng quantrọng của quyển trí tuệ là sự gia tăng dân số và phát triển khoa học kỹ thuật côngnghệ đã và đang làm nảy sinh nhiều vấn đề bức xúc về môi trường: làm biến đổinhanh cảnh quan, bề mặt Trái đất và tất cả các thành tạo biểu sinh, tăng nhanh lượngphế thải vào môi trường xung quanh, gây ô nhiễm, tàn phá môi trường, thúc đẩy cáctai biến thiên nhiên, làm thủng tầng ozôn, gây nên hiệu ứng nhà kính, mưa axit…,làm cạn kiệt các nguồn tài nguyên Mức độ khai thác tài nguyên tăng lên theo mộttốc độ ngày càng lớn, đặc biệt tốc độ tàn phá rừng và khai thác bất hợp lý tài nguyênkhoáng sản đang tăng theo cấp số nhân

Những điều trình bày ở trên cho thấy, mức độ khai thác sử dụng tài nguyênthiên nhiên, khả năng bảo vệ tái tạo môi trường có sự thay đổi mạnh trong khônggian và thời gian… Theo không gian, chỉ số đó thay đổi hết sức phức tạp Các nướcphát triển có khả năng khai thác và sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên ở chínhnước mình hơn so với các nước chậm phát triển

1.3 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÓA MÔI TRƯỜNG KHÍ (KHÍ QUYỂN)

1.3.1 Cấu trúc và thành phần của khí quyển

KQ (khí quyển) là lớp vỏ khí của Trái đất, có khối lượng khoảng 5,15.105 tấn

và được phân làm nhiều tầng khác nhau Giới hạn trên của KQ không được xác địnhchính xác có thể ≥ 1100km Thành phần hóa học và tính chất vật lý KQ thay đổimạnh theo độ cao (hình 1.3) Dựa vào đó người ta chia KQ thành các tầng khácnhau: đối lưu, bình lưu, trung lưu và nhiệt lưu (bảng 1.1)

Áp suất KQ thay đổi từ 1at ở mức 0km (so với mực nước biển) đến 3.10-7at

ở độ cao 100km Biên dao động nhiệt độ là -100 đến 1200oC Khối lượng của KQtập trung chủ yếu ở tầng đối lưu chiếm 90%, còn KQ ở độ cao 100km chỉ chiếmmột phần triệu tổng khối lượng KQ Phân tử lượng trung bình của không khí khô là28,966, mật độ không khí khô ở áp suất 760 mm thủy ngân là 1,2928 g/m3 Tỷ khốicủa không khí giảm theo hàm số mũ của độ cao

Bảng 1.1 Một số tính chất của các tầng khí quyển

Đối lưu 0-11 (đến 16-18km ở 15 

-56 N2, O2, CO2, H2O…vùng xích đạo)

H + TÇng proton H

Hình 1.3 Cấu trúc của KQ theo A.I.Perenman, 1979)

Mũi tên thể hiện vòng tuần hoàn của nước

Trong KQ có các phân tử khí, các hợp chất hóa học, các hạt bụi, các ion và cácgốc hóa học tự do, các vi sinh vật, v.v… Thành phần (%) của không khí khô ở lớp sátmặt đất không bị ô nhiễm như sau:

Bài gi ng Đ a hoá môi trả ị ường

Ngoài ra còn có các kim loại với hàm lượng rất nhỏ.(Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Hàm lượng một số kim loại trong không khí bị ô nhiễm

KQ được sinh ra do nhiều quá trình khác nhau, chủ yếu là ohaan rã phóng xạ,phản ứng quang hóa, hoạt động địa chất và quá trình hình thành, phát triển sự sốngcũng như hoạt động của con người Phân rã phóng xạ tạo ra các khí H, He,…; cáckim loại như U, Pb, v.v… Các phản ứng quang hóa tạo O2, O3, O, Nox v.v… Cácquá trình địa chất (hoạt động núi lửa, khử khí manti) làm xuất hiện các loại khí vàhợp chất cũng như các nguyên tố khác nhau như HCl, HF, H2S, I2, Br2, CO, v.v Quá trình hình thành và phát triển sự sống là cội nguồn của nhiều phần tử và hợpchất khác nhau của khí quyển, quan trọng nhất là O2, CO2, CH4, v.v… Hoạt độngnhân sinh làm xuất hiện và đưa vào KQ nhiều hợp chất không có trong tự nhiên nhưCFC, thuốc diệt trừ vật hại, muội than (bồ hóng), các chất phóng xạ nhân tạo, v.v…Các quá trình nêu trên thay đổi theo cả không gian và thời gian nên lịch sử tiến hóa

KQ rất phức tạp Trong sự tiến hóa đó của KQ vai trò của con người ngày càng lớn

và làm nảy sinh nhiều vấn đề gay cấn đối với môi trường khí

1.3.2 Bụi trong khí quyển

Bụi là thành phần cơ bản của không khí ở tầng đối lưu Chúng là những chất

có kích thước nhỏ (dưới 500μm) ở dạng rắn, lỏng, được dặc trưng bởi thành phầnhóa học, khoáng vật xác định (bảng 1.2a)

Bảng 1.2a Thành phần và nguồn gốc của một số loại bụi

Loại bụi Thành phần Nguồn gốc

Bụi tro, bồ hóng SiO2, 2CaO.SiO2, CaO, CaSO4, Sản xuất năng lượng

CaCO 3 , cacbon, Ca(AlO 2 ) 2

Bụi khoáng Thạch cao, xỉ, asbet, xi măng… Công nghiệp khai khoáng

và xây dựng

Bụi công nghiệp Thủy tinh, sunfat, photphat, clorit, Công nghiệp hóa chất,

oxit kim loại, vải bông, sợi,… thủy tinh, công nghiệp

dệt

Bụi đường phố Dầu, bồ hóng, cặn cao su, hơi chứa Giao thông

các hợp chất hữu cơ, hợp chất củachì…

Bụi phân bón, Phân bón, thuốc trừ sâu Sản xuất nông nghiệp,…thuốc trừ sâu

Bụi núi lửa Tro, silicat, HCl v.v… Phun trào núi lửa

Dựa vào kích thước hạt, người ta phân bụi ra hai nhóm: bụi mịn (<3μm) vàbụi thô (>3μm) Bụi kích thước càng lớn càng sa lắng nhanh, kích thước càng nhỏcàng tồn tại lâu trong không khí Sol khí là hỗn hợp những phần tử lơ lửng phân tántrong không khí với kích thước hạt keo khó lắng, là nguồn gốc tạo ra các ngưng tụhình thành mây mưa

Tùy thuộc vào mức độ tinh khiết của không khí mà hàm lượng bụi thay đổi từkhoảng 10μg/m3 tương đương vài trăm hạt/cm3 (trong không khí bị ô nhiễm) đến2000μg/m3 tương đương khoảng > 105hạt/cm3 (trong không khí bị ô nhiễm nặng)

Các hạt bụi có thể hình thành từ các chất vô cơ (hạt vô cơ), các chất hữu cơ (hạthữu cơ) và hỗn hợp vô cơ – hữu cơ Các hạt bụi có thể là vi khuẩn trong không khí;sương mù trong không khí; phấn, nhụy hoa; tro của các ngọn núi lửa, v.v… thành phầncủa bụi trong KQ ở các đô thị của Hoa Kỳ như sau: tổng các chất lơ lửng trong khôngkhí (105 μg/m3); NH4+ (1,3); NO3- (2,6); SO42- (10,6); các chất hữu cơ tan trong C6H6

(6,8); Sb (0,01); As (0,02); Cd (0,002); Cr (0,015); Cu (0,09); Fe (1,58); Pb (0,79);

Mn (0,1); Ni (0,034); Sn (0,02); Ti (0,04); V (0,05); Zn (0,67μg/m3)

Khi phân tích các hạt tồn tại trong tự nhiên người ta phát hiện được các phânđoạn chứa các chất hữu cơ tan trong C6H6 Công thức của các chất hữu cơ có tronghạt như sau:

C32,4H48O3,8S0,083Halogen0,065Alkoxi0,12

Trong số đó, các hydrocacbon đa vòng thơm (PAH – polycyclic aromatichydrocacbon) được nhiều người quan tâm nghiên cứu vì chúng có khả năng gây ungthư Một số hợp chất PAH điển hình là benzo (α) – pyren và crysen Trong KQthành phố có chứa khoảng 20μgPAH/m3 PAH được tìm thấy chủ yếu trong các pha

Bài gi ng Đ a hoá môi trả ị ường

rắn, đặc biệt là được hấp thụ trên các muội than (bồ hóng) Người ta cho rằng bảnthân muội than là sản phẩm ngưng tụ của quá trình phân hủy hydrocacbon khi đốtnhiên liệu Bồ hóng rất độc, vì chứa khoảng 100 vòng thơm ngưng tụ (trong đó cóbenzo (α) – pyren và crysen) và các kim loại như Be, Cd, Cr, Mn, Ni, V,

Ngoài tính chất hóa học, kích thước các hạt bụi có ảnh hưởng lớn tới sự tácđộng của chúng tới con người và động vật Kích thước hạt càng nhỏ, tỷ lệ diên tích

bề mặt các hạt càng lớn, khả năng hấp phụ các chất vô cơ và hữu cơ càng tăng, càng

dễ dàng khuếch tán đi xa, càng dễ thâm nhập vào cơ thể con người, động vật,… Cầnlưu ý rằng mối quan hệ này chỉ đúng trong giới hạn xác định về kích thước các hạtbụi

Các hạt được tạo thành từ các quá trình tự nhiên và nhân sinh khác nhau Cáchạt tự nhiên có kích thước < 0,2μm sinh ra do sóng biển, do khói, do sự bay hơi củacác chất hóa học (từ cây, quả) Các ôxit kim loại là thành phần chính tạo ra các hạt

vô cơ trong khí quyển Các hạt này có thể sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệuchứa pyrit:

2Pb(C6H5)4 + 64O2 + C2H4Cl2 + C2H4Br2 

52CO2 + 24H2O + PbCl2 +PbBr2

Các hạt bụi chứa Ba, Pb, Br, Mn, Ca, Cu, V, Zn, Mg, Be, Ti, Fe được sinh racòn do hoạt động của con người Bụi tạo ra từ nước biển có thể chứa K, Al, I, Na,

Si, Fe, Cl, Ti

Các hạt sol khí được tạo ra nhờ sự tương tác của các chất lỏng với chất khí vàchất lỏng với chất rắn Trong KQ còn xảy ra phản ứng oxy hóa khí SO2 thành SO3

Ngoài ra, các hạt và sol khí còn chứa HBr, NO2, SO2, NH3, HCl, H2O, NO3-,

SO3-, SO42-, NH4+ được sinh ra trong các quá trình khác nhau

Các hạt tồn tại trong KQ có ý nghĩa môi trường quan trọng: chúng đóng vaitrò chính trong các hiên tượng tích điện của khí quyển; các hạt được coi là những

hạt nhân ngưng tụ để tạo ra những giọt mưa hoặc tinh thể nước đá; chúng tham gia

và các phản ứng hóa học; phản ứng quang hóa trong khí quyển, chúng là chất xúctác cho các phản ứng (đặc biệt là các phản ứng oxy hóa – khử)

1.3.3 Các ion và các gốc tự do trong khí quyển

Ngoài các hạt, trong KQ còn có các ion và các gốc hóa học tự do như O+;

NO+, O2+, electron Do mật độ vật chất trong KQ giảm theo độ cao nên mật độ cácion dương và các electron trong tầng bình lưu rất thấp đến mức phản ứng trung hòagiữa chúng khó xảy ra hoặc xảy ra không đáng kể Kết quả là các ion dương và cácelectron có thể tồn tại khá lâu trong các tầng cao của khí quyển Năng lượng bức xạcủa các tia tử ngoại khởi đầu cho các quá trình hình thành các ion này trong tầngbình lưu Tuy nhiên vào ban đêm khi không có ánh sáng mặt trời (không có bức xạcủa tia tử ngoại) thì một số ion dương tái hợp với các electron (e) tạo thành phân tửtrung hòa

Trong KQ còn gặp các gốc hóa học tự do có thời gian bán hủy khác nhau(OH; CH3…) Khi các gốc gặp nhau và tương tác với nhau thì phản ứng dây chuyềntạo ra các gốc tự do bị dập tắt Nhờ phản ứng dây chuyền mà các gốc hóa học tự do

có thể tồn tại trong tự nhiên

có vai trò quan trọng trong việc hình thành và biến đổi thành phần cũng như tínhchất của KQ

1.3.4 Ôxy và ozôn trong khí quyển

Ôxy đóng vai trò quan trọng trong lớp KQ thấp Hợp chất oxit của hầu hếtcác nguyên tố trong tự nhiên đều khá bền và ổn định (oxit của các kim loại như

Fe2O3, TiO2, của các chất khí như CO2, SO2…)

Ôzôn (O3) là chất đặc biệt của tầng bình lưu có thể hấp thụ các bức xạ 230nm, nên tầng ozôn có khả năng bảo vệ sinh vật khỏi tác động hủy diệt của cáctia tử ngoại Nồng độ O3 trong tầng bình lưu khoảng 10ppm khi ở độ cao 25-30km,

220-bề dày lớp ozôn khoảng 2-3mm

Sự phân bố O3 trong KQ phụ thuộc và tỷ lệ O2/O3 Ở điều kiện cân bằng tỷ lệ

O2/O3 của KQ là 1025, ở độ cao> 30km tỷ lệ này là 3.105

O3 trong tự nhiên được hình thành nhờ phản ứng quang hóa và có sự thamgia của các phần tử khác:

Cơ chế phân hủy và biến mất của O3 trong tự nhiên chưa được biết đầy đủ.

O3 trong tự nhiên có thể mất đi chủ yếu do tham gia vào phản ứng với các Onguyên tử, Cl0, các gốc hydroxit và các oxit nitơ

OPhản ứng tạo clorinitrat (là sản phẩm rất bền) có vai trò quan trọng trongviệc làm giảm tác dụng phân hủy O3 của NOx và Cl0; ước tính rằng 1 nguyên tử Cl

CFM + hv ( 200nm) 

Cl0

Vì CFM là một trong những chất đánh thủng tầng ôzôn mạnh nhất nên từnăm 1948 Mỹ và Thụy Điển đã cấm dùng Sau đó các nước công nghiệp phát triểnkhác cũng làm theo

Các chất được dùng làm đẩy đầu đạn khi cháy tạo ra hợp chất có khả nănghấp thụ ánh sáng tử ngoại để sinh ra Cl0

Núi lửa thải ra Cl2 và HCl vào tầng bình lưu Sự chiếu xạ của tia tử ngoại lên

Cl2 tạo thành Cl0, còn HCl phản ứng với HO0 tạo ra Cl0:

1.3.5 Các oxit nitơ và SO 2 trong khí quyển

Oxit nitơ tồn tại trong KQ ở các dạng oxit đinitơ (N2O), oxit nitơ (NO),đioxit nitơ (NO2)

Oxit nitơ có mặt trong KQ là do hoạt động của vi sinh vật và các hoạt độngnhân sinh Nồng độ oxit nitơ trong KQ không bị ô nhiễm là 0,25ppm Ở tầng KQthấp nó không tham gia vào phản ứng hóa học, nhưng ở tầng KQ cao nó tham giavào các phản ứng hóa học và quang hóa:

Khí SO2 trong KQ có thể tham gia vào các phản ứng quang hóa, các phảnứng hóa học với NO và các hydrocacbon, các quá trình hóa học xảy ra trong cácgiọt nước chứa muối của Kali và NH3, các phản ứng bề mặt của các hạt chất rắn cótrong KQ

Bài gi ng Đ a hoá môi trả ị ường

Khi hấp thụ ánh sáng với bước sóng (λ) 300-400nm thì phân tử SO2 có thểhoạt động ở dạng gốc tự do

có mặt của các chất xuc tác như Mn2+, Fe2+, Ni2+, Cu2+ và đặc biệt là NH3 trong

các giọt của sol khí lỏng

SO2 là một chất ô nhiễm không khí nguy hiểm, cần được kiểm soát chặt chẽ

1.3.6 Các chất hữu cơ trong khí quyển

Cho đến nay người ta đã phát hiện được hàng trăm nghìn hợp chất hữu cơkhác nhau có mặt trong KQ Chúng bao gồm nhiều loại khác nhau: mêtan,hydrocacbua thơm, alcohol, aldehyt, hợp chất hữu cơ với lưu huỳnh, nitơ v.v Hợpchất hữu cơ thường gặp trong KQ là PAH Metan, benzen, toluen, axetylem,metylclorua, cloflocacbon (CFC), floclometan (freon), polyclorin dibenzo-dioxin(PCDD), dibenzofutan, phenol, xăng v.v… Trong không khí các vung Thừa ThiênHuế, Tây Nguyên, Tây Ninh, Cà Mau vào thời chiến tranh chống đế quốc Mỹ chứakhá nhiều đất độc màu da cam (dioxin) Các chất hữu cơ trong KQ có các nguồngốc khác nhau nhưng chủ yếu là từ nguồn nhân sinh: khai thác, sản xuất, vậnchuyển nhiên liệu, xăng dầu, rò rỉ đường ống khí đốt, công nghiệp sơn, nhuộm,

thiêu đốt các hợp chất hữu cơ, v.v…Nếu không có sự kiểm soát và hạn chế nghiêmngặt đối với các nguồn thải, hàm lượng các chất hữu cơ trong KQ có xu hướng ngàycàng tăng.

Các chất hữu cơ có mặt trong KQ là những chất dễ bị ô xy hóa Nhiều hóachất độc hại thứ cấp đực sinh ra từ các phản ứng này Các hợp chất hữu cơ trong KQ

có vai trò lớn đối với sự hình thành, biến đổi KQ cũng như tác động tới môi trường

và sức khỏe con người

1.3.7 Vai trò địa hóa của khí quyển

KQ quyết định sự tồn tại của thế giới sinh vật (TGSV) vì: KQ cung cấp oxy

và CO2; KQ có tầng O2 bảo vệ sinh vật khỏi tác động hủy diệt của tia cực tím; KQ

là lớp đệm cân bằng nhiệt, là lớp điều hòa nhiệt độ: không khí sưởi nóng, giữ nhiệt,không để nhiệt Trái đất giảm quá nhanh mà thay đổi từ từ; KQ là môi trường di cư

và sự tồn tại của nhiều loại sinh vật, đặc biệt là vi sinh vật Ngược lại TGSV cũngtrực tiếp làm biến đổi thành phần KQ , và tạo cân bằng KQ , trong khi hoạt độngcủa con người lại phá hủy cân bằng đó

KQ là môi trường di chuyển thuận lợi của rất nhiều nguyên tố và hợp chấthóa học (oxy, hydro, nitơ, CO2…) Trong môi trường khí vận tốc lan truyền của cáchợp phần có hại và sự mất mát của hợp phần có ích là rất lớn

KQ tương tác và làm biến đổi mạnh các địa quyển khác KQ trao đổi vật chất

và năng lượng với thạch – thủy – sinh quyển và thông qua đó thúc đẩy mọi quá trìnhxảy ra trong MTTN Nguyên nhân của sự tương tác mạnh mẽ giữa KQ với các địaquyển khác là sự chênh lệch lớn về thế năng hóa học và mức năng lượng của các địaquyển Do tương tác đó mà thành phần các địa quyển biến đổi nhanh và mạnh: O2

của KQ ôxy hóa các nguyên tố có hóa trị thay đổi trong đá làm mất cân bằng điệntích, nên phải giải phóng hay lấy thêm điện tích để tạo cân bằng mới Điều đó thúcđẩy quá trình phá hủy đá, khoáng vật Các kim loại có thể bị kết tủa bởi sunfuahydro (H2S) của KQ CO2 của KQ làn kết tủa một số hợp chất như ZnCO3

(smitsonit), PbCO3 (xerunit), thúc đẩy quá trình hòa tan của silic ở dạng silicat, làmcho thành phần trầm tích và đá thay đổi KQ là nơi xảy ra hiệu ứng nhà kính, đụcthủng tầng ozon và các hiện tượng ảnh hưởng tới môi trường sinh thái

1.4 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÓA MÔI TRƯỜNG NƯỚC (THỦY QUYỂN)

Thủy quyển là toàn bộ nước thiên nhiên – nước mưa, nước mặt và nước dướiđất, tạo nên lớp vỏ nước của Trái Đất Khối lượng của thủy quyển khoảng1,644.1018 tấn (=0,025% khối lượng Trái đất), tập trung chủ yếu ở biển và đạidương (chiếm 86,48%), ít nhất là trong KQ và sông hồ (0,03%) (xem bảng 1.3)

Bài gi ng Đ a hoá môi trả ị ường

Bảng 1.3 Một số đặc trưng của thủy quyển (theo A.Polderwart)

Dạng và nơi tồn tại của Tổng thể Thể tích, Khối lượng % so với khối

1.4.1 Cấu trúc và tính chất của nước

Nước là hợp chất đơn giản nhất của O2 và H2, không mầu, không mùi, không

vị Trong thành phần của nước có 11,19%H và 88,81% oxy Từ 3 đồng vị của hydro(H1, D, T) và 5 đồng vị oxy (O15, O16, O17, O18 và O19) có thể tổ hợp được36kiểu nước khác nhau nhưng chỉ có 9 kiểu nước cấu thành từ các đồng vị bền mới tồntại trong tự nhiên:

Trước thế kỷ XVIII người ta coi nước là một nguyên tố hóa học Mãi tới năm

1783 khi Lavuaze tổng hợp được nước từ hydro và oxy thì mới biết đúng thànhphần của nước là H2O Nước có dạng cấu trúc đặc biệt Màng điện tử của phân tửnước có dạng đinh bốn cánh có thể xếp vào một hình lập phương lệch (hình 1.4) vớicác góc giữa các hợp phần như sau:

H – O – H : 104o24 (nước lỏng); 109o5’ (băng)

Hình 1.4 Đám mây điện tử (a) và các quỹ đạo điện tử (b) của phân tử nước

(Theo R.A.Horne, 1972)

Khoảng cách giữa các nguyên tử trong phân tử H2O

là: O – H: 0,956 Ao (lỏng) – 0,9 Ao (băng)

H – H: 1,515 Ao (lỏng) – 1,62 Ao (băng)

Khoảng cách giữa các phân tử H2O là: 2,76Ao

Trong phân tử H2O có 5 cặp điện tử: 2 cặp nằm gần nhân oxy; 1 cặp điện tửliên kết với phân tử hydro; 2 cặp không tham gia liên kết

Có 2 quan điểm về cấu trúc của nước: Cấu trúc của nước đồng nhất với cấutrúc của băng; cấu trúc của nước gồm 2 mảng: cấu trúc của băng và cấu trúc khácbăng Quan điểm thứ nhất không giải thích được một số tính chất của nước Theoquan điểm thứ 2 trong cấu trúc của nước có độ trật tự của băng nhưng với độ trật tự

và liên kết kém hơn

Theo O.I.A Xamoilov cấu trúc của nước bao gồm một kiểu cấu trúc của băng

và một bộ phận khác có cấu trúc khác băng, ở đó có những lỗ hổng và khung lỗhổng đủ lớn để chứa đựng một số phân tử nước tự do Còn Franks và Wen phủ nhậnnước có cấu trúc kế thừa của băng Họ cho rằng cấu trúc của nước là tập hợp củanhiều đám phân tử nước liên kết với nhau bằng mối liên kết hydro, giữa các đámphân tử nước lại có các phân tử H2O đơn lẻ khác Như vậy nước có cấu trúc củabăng bị hỗn tạp bởi phân tử nước tự do Do có cấu trúc này nên nước có các đặc tínhvật lý đặc biệt như sau:

Nhiệt độ sôi: 100oCNhiệt độ nóng chảy: 0oC

Nhiệt độ tới hạn: 374,15oC

Mật độ tới hạn (g/cm3): 0,325Nhiệt dung nóng chảy ở p=1at: 749(cal)

Độ thấm điện môi tương đối ở 20oC: 81

Ngoài ra nước còn có một số tính chất dị thường:

 Trong tất cả các hydrit của nguyên tố dãy Se – Te – S thì H2O có độ bayhơi nhỏ nhất

 Trong khoảng to = 0 – 3,92oC, tỷ trọng (d) của nước tăng khi to tăng,ngoài khoảng đó thì d giảm khi |to| tăng

 Trong tất cả các chất lỏng, nước có sức căng bề mặt lớn nhất, nên nước

có vai trò quyết định đặc tính sinh lý của tế bào

 Nhờ có proton H+, đặc tính lưỡng cực và sự linh động của phân tử nước,nên nước có khả năng hòa tan và chứa trong mình một lượng rất lớn cáchợp chất khác nhau (khả năng tự làm sạch cao)

 Độ dẫn điện của nước cao nhất so với tất cả các chất lỏng khác nênnước có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với các quá trình xảy ra trong tếbào

 Nước có nhiệt dung riêng lớn nhất so với tất cả các chất lỏng khác, ở thểlỏng nước có khả năng mang và giữ nên nước có thể làm giảm dao độngnhiệt của Trái đất

 Trong tất cả các chất lỏng, nước có nhiệt lượng bay hơi lớn nhất, do đónước trên Trái đất không bị bốc hơi hết dưới tác dụng bức xạ mặt trời.Nhờ vậy sự sống trên Trái đất có điều kiện xuất hiện à duy trì

 Nhiệt nóng chảy của nước rất lớn (chỉ đứng sau NH3), nên băng khôngtan đột ngột, dữ dội vào dòng chảy do băng tan không mạnh như lũ ởcác sông do nước mưa gây ra

 Nước có hằng số điện môi lớn nhất nên nước có ảnh hưởng quyết địnhđến khả năng phân ly của tất cả các chất hòa tan trong nước

 Nước có độ nhớt giảm nhự khi áp suất tăng cho nên nước là môi trườngtruyền áp suất và truyền lực lý tưởng

 Như vậy nước là hợp phần đặc biệt của MTTN, có nhiều đặc tính dịthường và vai trò rất quan trọng

Bài gi ng Đ a hoá môi trả ị ường

1.4.2 Chu trình của nước

Chu trình của nước bao gồm các quá trình chính như bốc hơi, ngưng tụ mưa,tuyết, tạo dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm, tích tụ ở hồ, biển và bồn nước ngầmv.v (hình 1.5) nước từ đại dương, biển, hồ, ao, sông ngòi, đầm lầy, và từ cơ thể sinhvật vào KQ dưới dạng hơi nước Khi lượng hơi nước chứa trong không khí vượt quámức bão hòa, hơi nước ngưng tụ lại thành mây, mù, sương, hạt mưa hoặc hạt tuyết

và rơi xuống bề mặt Trái đất Mỗi hạt mưa hoặc hạt tuyết gồm nhiều hạt nước nhỏngưng tụ quanh một hạt nhân ngưng tụ do hạt bụi từ mặt đất hoặc hạt muối từ mặtbiển tạo thành Mưa tuyết rơi xuống mặt đất hoặc mặt biển, từ đó tạo thành nhữngdòng nước chảy vào sông suối, ao, hồ, đầm lầy rồi trở vào biển và đại dương theonhững con đường khác nhau hoặc thấm xuống dưới mặt đất

B ề mặ t Trái đất

S ô n g , s u ố i v à h

Núi băng

Hỡnh 1.5 Vũng tuần hoàn của nước trờn Trỏi đất (con số là lượng ước tớnh bằng km 3 /năm)

Khoảng 1/3 năng lượng mặt trời do Trỏi đất hấp thụ được sử dụng cho

chu trỡnh nước: sự bay hơi nước từ mặt đất hoặc bề mặt biển và đại dương, sự

tạo thành mõy, sự ngưng tụ 60% lượng nước rơi xuống bề mặt Trỏi đất trở về

KQ bằng quỏ trỡnh bốc hơi do năng lượng mặt trời, 40% thành dũng chảy mặt

hoặc nước ngầm

Nguồn nước ngọt ước tớnh khoảng 46 triệu km3 tuần hoàn hàng năm

trờn bề mặt Trỏi đất, cung cấp cho nhu cầu của cỏc sinh vật và con người

Lượng nước ngọt con người sử dụng được phõn bổ như sau: 12% cho việc sản

xuất diện, 8% cho thủy lợi, 4% cho cụng nghiệp và 2% cho mục đớch sinh

hoạt, lượng nước này khụng lớn,

Bài gi ng Đ a hoá môi trả ị ường

chỉ bằng 0,00007% dung tích thủy quyển hoặc 0,0035% lượng nước của các núibăng, nhưng được luân chuyển không ngừng

Chu trình nước là hiên thượng tự nhiên có tác dụng thu gom, làm sạch vàphân phối nước đồng thời góp phần làm sạch mt khí và mt đất Hiện nay các hoạtđộng nhân sinh có tác động xấu tới chu trình nước: ô nhiễm KQ do hoạt động côngnghiệp làm xuất hiện mưa axit, chôn vùi chất thải làm ô nhiễm nước ngầm v.v

1.4.3 Thành phần, phân loại nước thiên nhiên

Thành phần hóa học của nước rất phức tạp Nước mặt và nước ngầm, nướcsông, hồ, ao (nước lục địa) và nước biển khác nhau khá nhiều về thành phần và tínhchất (bảng 1.4 và 1.5) Vì nước biển và đại dương chiếm khối lượng chủ yếu củathủy quyển nên thành phần của nước biển (bảng 1.4) phản ánh những nét chính vềthành phần của thủy quyển

Để đặc trưng cho sự tập trung hay phân tán các nguyên tố hóa học trong nướcbiển, người ta dùng hệ số talasofil (Tđ), Tđ = Cx/C, trong đó Cx là hàm lượngnguyên tố trong nước biển, C là clac nguyên tố trong vỏ Trái đất Clo là nguyên tố

có talasofil lớn nhất (111), còn sắt là nguyên tố có hệ số Tđ bé nhất (1.10-5, xemhình 1.6)

Điều dễ nhận thấy là nước biển đặc trưng bởi dãy nguyên tố và hợp phần hóahọc được sắp xếp theo mức độ giảm dần hàm lượng như sau: Na+ > Mg2+ > Ca2+; Cl- >

SO42- > HCO3- Còn đối với nước lục địa lại có dãy ngược lại: Mg 2+ < Na+ < <Ca2+;

Cl- < SO42- < HCO3- (bảng 1.4 và 1.5) sự khác biệt cơ bản này đẫn đến sự

khác nhau về tính chất và khả năng sử dụng của nước lục địa và nước biển

Các nguyên tố trong nước thiên nhiên được phân ra làm 2 nhóm chính: nhómnguyên tố hydrogen (nguyên tố thủy sinh) và nhóm nguyên tố pirogen Các nguyên

tố hydrogen là những nguyên tố có hàm lượng khá lớn và quyết định thành phần địahóa của nước như H, Na, Mg, Cl, Na, K, S, P, v.v… Nhóm nguyên tố pirogen lànhững nguyên tố có hàm lượng nhỏ trong nước và tồn tại ở dạng phân tán như Se, Y,đất hiếm, Ac, Th, Pa, v.v…

Bảng 1.4 Thành phần của nước biển không bị ô nhiễm

(với S=35,0‰ và Cl = 19,375 ‰ theo Vinogradov A.P, 1967)

Nguyên tố Hàm lượng (mg/l) Dạng tồn tại chính Thời gian tồn tại (năm)

Bài gi ng Đ a hoá môi trả ị ường

(theo Voitkevit và Zakrutkein, 1976)

và thời gian

Đặc điểm địa hóa, thành phần, tính chất, khả năng sử dụng của nước là cơ sở

để phân loại nước

Dựa vào đặc điểm Eh, A.I.Perenman đã phân nước tự nhiên thành các nhóm nhưsau: nước oxy hóa chứa O2 tự do hay các chất oxy hóa (nước ao, hồ, sông, nước biểntầng mặt…); nước glay: nước khử không chứa hydrosunfua và O2 tự do, có khả năngkhử Fe+3 

Fe+2, thường gặp ở vùng đầm lầy, nhiệt đới ẩm, giàu CO2, CH4; nước H2Sthường chứa H2S, HS- và S-2, nghèo O2 tự do trong môi trường nước H 2 S các nguyên

tố nhóm Fe và chancofil có khả năng di chuyển rất kém

Đặc điểm địa hóa của nước thiên nhiên là cư sở phân loại của K.I.Lukashev(hình 1.7) Đây là bảng phân loại nước tương đối chi tiết, thường làm cơ sở cho việcđánh giá khả năng sử dụng của các loại nước Dựa vào thành phần hóa học, độ

Bài gi ng Đ a hoá môi trả ị ường

Hình 1.6 Hệ số talasofil của các nguyên tố hóa học

(theo A.I Pereman, 1979)

Bài giảng Địa hoá môi trường

= 600mg /l giµu

Zn, Ml, As,

Au (Mn), Fe, Hg

- Nưíc phãng x¹: nưíc Ra®i, hµm lưîng