Bài giảng hóa học môi trườn

LỜI NÓI ĐẦU Loài người sinh tồn và phát triển trong mối quan hệ mật thiết với các yếu tố môi trường sau: - các thành tố sinh thái tự nhiên đất, nước, khí quyển, thiên tai..... giúp hiểu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA MÔI TRƯỜNG - BỘ MÔN HÓA HỌC

BÀI GIẢNG HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG

HÀ NỘI - 2009

LỜI NÓI ĐẦU

Loài người sinh tồn và phát triển trong mối quan hệ mật thiết với các yếu tố môi trường sau:

- các thành tố sinh thái tự nhiên (đất, nước, khí quyển, thiên tai )

- các thành tố sinh thái nhân tạo (đô thị hóa, các thành tựu khoa học kỹ thuật trong đời sống )

- các thành tố sinh thái xã hội nhân văn (khai thác tài nguyên, tác động của công nghiệp hóa, hiện đại hóa; bùng nổ dân số )

Từ thập niên 80, thế kỷ 20 trở lại đây, đã chứng kiến hàng loạt thảm họa về môi trường Trái đất (thảm họa thiên tai; sự cố hạt nhân, ô nhiễm không khí, mưa axit, suy thoái quỹ đất; cạn kiệt nguồn nhiên liệu; lan tràn hóa chất bảo vệ thực vật, ô nhiễm nguồn nước; thủng tầng ozon, hiện tượng ấm lên toàn cầu ) Điều này đã dẫn đến tích lũy trong môi trường các yếu tố vật lý, hóa học, sinh học vượt quá giới hạn cho phép, trở nên độc hại với con người Bởi vậy, bảo vệ môi trường trở nên là vấn đề cấp thiết, vấn đề toàn cầu để loài người có thể sinh tồn và phát triển bền vững trên Trái đất

Chúng ta cần nghiên cứu và thực hiện các biện pháp bảo vệ môi trường, xử

lý các suy thoái môi trường để đảm bảo sự sinh tồn và phát triển bền vững của loài người Công việc to lớn đó đòi hỏi sự phối hợp, góp sức của nhiều ngành khoa học, trong đó có ngành hóa học

Hóa học môi trường là môn học nghiên cứu các quá trình hóa học xảy ra trong môi trường Cụ thể là nghiên cứu sâu về các hiện tượng hóa học xảy ra trong môi trường khí quyển, thủy quyển, đất giúp hiểu biết về bản chất các nguồn gây

ô nhiễm, các phản ứng hóa học, sự lan truyền, hiệu ứng và sự tồn tại của các chất hóa học trong không khí, nước, đất; tác hại của chúng với đời sống của con người; một số biện pháp bảo vệ môi trường khí quyển, nước, đất

Đây là bài giảng Hóa học môi trường được biên soạn đầu tiên để phục vụ công tác giảng dạy cho sinh viên khoa Môi trường, trường Đại học Thủy Lợi Trong quá trình biên soạn, chúng tôi đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới nhất của thế giới về vấn đề hóa học môi trường, nhưng chắc chắn không trách thiếu sót; rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các bạn đọc để nâng cao chất lượng của bài giảng

MỤC LỤC

BÀI GIẢNG 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 8

CHƯƠNG 1 HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG KHÍ QUYỂN 10

1.1 SỰ HÌNH THÀNH KHÍ QUYỂN 10

1.2 CẤU TRÚC CỦA KHÍ QUYỂN 12

1.2.1 Mật độ và áp suất không khí 12

1.2.1.1 Mật độ không khí 12

1.2.1.2 Áp suất không khí 12

1.2.2 Cấu trúc khí quyển theo biến thiên nhiệt độ 14

1.2.1.1 Tầng đối lưu 14

1.2.1.2 Tầng bình lưu 15

1.2.1.3 Tầng trung lưu 16

1.2.1.4 Tầng nhiệt lưu 16

1.2.1.5 Tầng điện li 16

1.3 THÀNH PHẦN CỦA KHÍ QUYỂN 18

1.4 CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC CHỦ YẾU TRONG KHÍ QUYỂN 21

1.4.1 Phản ứng quang hóa 22

1.4.2 Phản ứng của oxi trong khí quyển 23

1.4.2.1 Tiêu thụ oxi 23

1.4.2.2 Tái tạo oxi 23

1.4.3 Phản ứng của các hợp chất N trong khí quyển 24

1.4.4 Phản ứng của các hợp chất S trong khí quyển 26

a Phản ứng quang hóa 26

b Phản ứng với một số gốc hóa học 26

c SO 2 phản ứng với NH 3 trong khí quyển 27

d Phản ứng tạo thành H 2 SO 4 27

e Các phản ứng trong khí quyển của H 2 S 27

1.4.5 Phản ứng của các hợp chất C trong khí quyển 27

a Các oxit của C 27

b Phản ứng với ankan 27

c Phản ứng với anken 28

d Phản ứng với aren 28

1.4.6 Phản ứng của các gốc tự do trong khí quyển 28

a Gốc hydroxil (HO • ) và hydroperoxi (HOO • ) 29

b Một số gốc tự do khác 30

1.4.7 Phản ứng axit bazơ 31

1.5 Ô NHIỄM KHÍ QUYỂN 31

1.5.1 Các nguồn ô nhiễm khí quyển 31

1.5.2 Các chất ô nhiễm khí quyển điển hình 32

1.5.2.1 Các oxit của lưu huỳnh 32

1.5.2.2 Các oxit của nitơ 33

1.5.2.3 Các oxit của cacbon 34

1.5.2.4 Các hydrocacbon 35

1.5.2.5 Bụi 37

1.5.3 Tác động của ô nhiễm khí quyển ở qui mô toàn cầu 40

1.5.3.1 Hiệu ứng nhà kính 40

1.5.3.2 Biến đổi tầng ozon 43

1.5.3.3 Mưa axit 49

1.5.4 Ô nhiễm đô thị 52

1.5.4.1 Sương khói kiểu London 52

1.5.4.2 Sương khói quang hóa 54

1.5.4.3 Chỉ số ô nhiễm (Pollution Index) 56

1.5.5 Ô nhiễm trong nhà 59

1.5.5.1 Nguồn và đặc điểm chất ô nhiễm trong nhà 60

1.5.5.2 Một số nguồn ô nhiễm trong nhà 61

1.5.5.3 Một số biện pháp giảm thiểu không khí trong nhà 63

1.5.6 Tiêu chuẩn chất lượng môi trường không khí 63

1.5.7 Một số biện pháp bảo vệ môi trường không khí 64

a Quản lý và áp dụng các công cụ pháp lý 64

b Thực hiện định kỳ kiểm toán nguồn thải 65

c Áp dụng các công cụ kinh tế quản lý tài nguyên không khí 65

d Sử dụng các nguồn nhiên liệu và năng lượng thân thiện với môi trường 66

CHƯƠNG 2 MÔI TRƯỜNG THỦY QUYỂN 68

2.1 TÀI NGUYÊN NƯỚC VÀ VÒNG TUẦN HOÀN CỦA NƯỚC 69

2.1.1 Phân bố tài nguyên nước trên Trái Đất 69

2.1.2.Vòng tuần hoàn của nước 70

2.1.3 Đặc điểm của nước 71

2.2 THÀNH PHẦN CỦA NƯỚC TỰ NHIÊN 72

2.2.1 Thành phần hóa học của nước tự nhiên 73

2.2.1.1 Đặc điểm chung 73

2.2.1.2 Các ion chủ yếu 74

2.2.1.3 Các khí hòa tan 75

2.2.2 Thành phần sinh học của nước thiên nhiên 77

2.2.2.1 Tảo 77

2.2.2.2 Nấm 78

2.2.2.3 Động vật đơn bào 79

2.2.2.4 Vi khuẩn và virút 79

2.3 CÁC PHẢN ỨNG CHỦ YẾU TRONG THỦY QUYỂN 80

2.3.1 Phản ứng tạo phức 80

2.3.2 Phản ứng hòa tan và kết tủa 81

2.3.3 Phản ứng oxy hóa khử 82

2.3.4 Phản ứng hóa học có xúc tác vi sinh 82

2.3.4.1 Phản ứng chuyển hóa cacbon 82

2.3.4.2 Phản ứng chuyển hóa nitơ 83

2.3.4.3 Phản ứng chuyển hóa lưu huỳnh 84

2.3.4.4 Phản ứng chuyển hóa photpho 85

2.3.4.5 Phản ứng chuyển hóa một số kim loại 86

2.4 Ô NHIỄM NƯỚC 87

2.4.1 Nguồn thải các chất gây ô nhiễm nước 87

2.4.1.1 Nguồn ô nhiễm tự nhiên 88

2.4.1.2 Nguồn ô nhiễm nhân tạo 88

2.4.2 Các chất gây ô nhiễm nước điển hình 92

2.4.2.1 Các hợp chất và ion của N, P 92

2.4.2.2 Các kim loại nặng 93

2.4.2.3 Các chất hữu cơ 94

2.4.2.4 Dầu mỡ 95

2.4.2.5 Các chất tạo màu 95

2.4.2.6 Các vi sinh vật gây bệnh 95

2.4.3 Ô nhiễm biển 95

2.4.3.1 Nguồn ô nhiễm 95

2.4.3.2 Ô nhiễm biển do tràn dầu 96

Protofoa 98

96 98

1,70 98

Ctenophora 98

24 98

0,60 98

Pteropoda 98

48 98

0,20 98

Amphipoda 98

48 98

0,80 98

96 98

0,05-0,20 98

96 98

0,90-4,90 98

2.4.3.3 Bảo vệ môi trường biển 98

2.4.3.4 Các vấn đề bảo vệ môi trường biển của Việt Nam 99

2.4.4 Ô nhiễm sông, hồ 100

2.4.4.1 Nguyên nhân ô nhiễm 100

2.4.4.2 Vài nét về ô nhiễm sông tại Việt Nam 101

2.4.5 Ô nhiễm nước ngầm 103

2.4.5.1 Các khả năng và nguyên nhân ô nhiễm 103

2.4.5.2 Vài nét về ô nhiễm nước ngầm tại Việt Nam 105

2.4.7 Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng môi trường nước 108

2.4.7.1 Các thông số đánh giá chất lượng môi trường nước 108

2.4.7.2 Các tiêu chuẩn đối với môi trường nước 109

2.4.8 Một số biện pháp bảo vệ môi trường nước 114

2.4.8.1 Bảo vệ môi trường nước mặt 114

2.4.8.2 Các biện pháp quản lí nước ngầm 115

CHƯƠNG 3 HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG ĐẤT 117

3.1 KHÁI NIỆM VÀ THÀNH PHẦN CỦA ĐẤT 118

3.1.1 Khái niệm về đất 118

3.1.2 Phong hóa và quá trình tạo thành đất 119

a) Phong hóa lí học (cơ học) 121

b) Phong hóa hóa học 121

c) Phong hóa sinh học 123

3.1.3 Thành phần hóa học của đất 123

3.1.3.1 Nước và khí trong đất 127

3.1.3.2 Thành phần vô cơ 129

3.1.3.3 Thành phần hữu cơ 137

3.2 PHẢN ỨNG HÓA HỌC TRONG ĐẤT 140

3.2.1 Phản ứng tạo thành axit vô cơ trong đất 140

3.2.2 Phản ứng điều chỉnh độ pH của đất 141

3.2.3 Phản ứng trao đổi ion trong đất 142

3.3 SỰ XÓI MÒN VÀ THOÁI HÓA ĐẤT 144

3.3.1 Xói mòn đất 145

3.3.2 Axit hóa môi trường đất 146

3.3.3 Sa mạc hóa 149

3.4 Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT 150

3.4.1 Khái quát chung 150

3.4.2 Các loại hình ô nhiễm đất 153

3.4.2.1 Ô nhiễm đất do tác nhân hoá học 153

3.4.2.2 Ô nhiễm đất do tác nhân vật lí 162

3.4.2.3 Ô nhiễm đất do tác nhân sinh học 164

3.4.3 Các thông số cơ bản và tiêu chuẩn đánh giá chất lượng đất 165

3.4.4 Một số biện pháp bảo vệ môi trường đất 169

CHƯƠNG 4 CÁC VÒNG TUẦN HOÀN TRONG TỰ NHIÊN 172

4.1 VÒNG TUẦN HOÀN CACBON 175

4.2 VÒNG TUẦN HOÀN OXI 178

4.3 VÒNG TUẦN HOÀN NITƠ 180

4.4 VÒNG TUẦN HOÀN LƯU HUỲNH 184

4.5 VÒNG TUẦN HOÀN CỦA PHOTPHO 186

4.6 VÒNG TUẦN HOÀN KIM LOẠI NẶNG 188

4.6.1 Nguồn kim loại nặng trong môi trường 188

4.6.2 Hoá học của vòng tuần hoàn kim loại nặng 190

4.6.2.1 Vòng tuần hoàn của asen 190

4.6.2.2 Vòng tuần hoàn của chì 192

4.6.2.3 Vòng tuần hoàn của thuỷ ngân 194

Tài liệu tham khảo 198

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

API Chỉ số ô nhiễm không khí (Air Pollution Index)

AQI Chỉ số chất lượng không khí (Air Quality Index)

CFC Cloroflorocacbon

DU Đơn vị Dobson

IR Vùng hồng ngoại (Infrared ray)

PAH Hyđrocacbon thơm đa vòng (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) PAN Peroxyaxetyl nitrat

PM10 Bụi có đường kính nhỏ hơn 10 μm

PM2,5 Bụi có đường kính nhỏ hơn 2,5 μm

POP Các chất hữu cơ ô nhiễm khó phân hủy

ppbv Nồng độ phần tỷ tính theo thể tích

ppmv Nồng độ phần triệu tính theo thể tích

pptv Nồng độ phần nghìn tỷ tính theo thể tích

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

UV Vùng tử ngoại (Ultra Violet)

VIS Vùng khả kiến (Visible)

VOC Các chất hữu cơ dễ bay hơi

WHO Tổ chức Y tế thế giới

CHƯƠNG 1 HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG KHÍ QUYỂN

Không khí là hỗn hợp tự nhiên của các chất khí, chủ yếu là nitơ và oxi, hình thành nên khí quyển Trái đất Dưới tác động của không khí và nước trên bề mặt Trái đất, xảy ra những quá trình hình thành nên thời tiết và khí hậu

Không khí là nguồn cung cấp oxi cần thiết cho hoạt động bình thường của các sinh vật trên Trái đất, vì vậy việc bảo vệ không khí trong lành là mối quan tâm của con người vì chất lượng cuộc sống

Hiện nay, do các ngành công nghiệp phát triển, khí quyển Trái đất bị phá hoại nghiêm trọng: mật độ khí gây ô nhiễm thải vào khí quyển ngày càng tăng (các khí CO2, CH4 ) làm nhiệt độ Trái đất tăng dần, do đó làm thay đổi khí hậu toàn cầu, đe dọa nghiêm trọng sự sống trên Trái đất Mọi người trên toàn thế giới phải chung tay giải quyết vấn nạn này

Mục đích chương 1

- Hiểu rõ về cấu trúc và thành phần khí quyển

- Nắm được các phản ứng chủ yếu trong khí quyển

- Nhận biết được nguồn thải và chất ô nhiễm khí quyển

- Hiểu được tác động của ô nhiễm khí quyển ở qui mô toàn cầu, ô nhiễm đô thị và ô nhiễm trong nhà

- Hiểu về các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng không khí và một số biện pháp bảo vệ môi trường không khí

1.1 SỰ HÌNH THÀNH KHÍ QUYỂN

Khí quyển được hình thành và tiến hóa trong khoảng thời gian dài, có thể lên đến hàng tỷ năm Các dữ kiện quan trọng làm tiền đề và dẫn tới hình thành sự sống trên Trái đất cũng như thành phần khí quyển như bây giờ gồm sự tạo thành các chất hữu cơ hữu sinh, oxi và ozôn

Ban đầu, theo giả thuyết được nhiều nhà khoa học chấp nhận nhất, thành phần của khí quyển chủ yếu gồm CO2, NH3 và hơi nước Các khí này được tạo thành từ CH4 và các khí khác có trong lòng đất sau đó đi vào khí quyển qua hoạt động của núi lửa Bên cạnh đó, có sự xuất hiện của các vi sinh vật đầu tiên ở dưới đáy đại dương Một trong số đó là vi khuẩn xyanô Chúng là những sinh vật đầu tiên có khả năng quang hợp để sản xuất ra oxi Dần dần, do tác dụng của tia tử ngoại, sấm chớp, tia phóng xạ và hoạt động của vi sinh vật, các chất ban đầu trong khí quyển phản ứng với nhau tạo thành amino axit và đường, các chất hữu cơ cần thiết cho sự sống

Các dạng sinh vật sống bắt đầu xuất hiện phong phú và phát triển trong đại dương Các loài thực vật được tạo ra và là nguồn sản xuất oxi chủ yếu cho khí quyển, thông qua phản ứng quang hợp Theo thời gian, lượng oxi tăng lên một cách đáng kể và lượng cacbon đioxít trong khí quyển giảm đi Cacbon được tích tụ vào trong các nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày nay, trong trầm tích và các lớp động vật Oxi tạo thành tương tác với NH3 để tạo ra nitơ Ngoài ra, một lượng lớn

O2 đã được Fe(II) hấp thụ để tạo thành Fe2O3 Quá trình này tạo thành một lượng lớn Fe2O3 sa lắng và là bằng chứng cho sự tạo thành của O2 tự do trong khí quyển thời kỳ đầu

Hình 1.1 Bầu khí quyển

Tiếp theo, O2 phản ứng với các chất trong khí quyển tạo thành ozôn Với sự xuất hiện của ozon, Trái đất có một tấm lá chắn hữu dụng, bảo vệ các loại hình

sinh vật sống trước bức xạ tử ngoại đến từ Mặt trời Cuối cùng, Trái đất trở thành một môi trường sống thân thiện và có thành phần hóa học giống như bây giờ

1.2 CẤU TRÚC CỦA KHÍ QUYỂN

Cấu trúc của khí quyển có thể được xem xét qua sự biến thiên theo độ cao của ba đại lượng quan trọng gồm mật độ, áp suất và nhiệt độ không khí Khí quyển gồm 99% là oxi và nitơ nên các khí này là tác nhân quyết định chính đến giá trị của hai đại lượng mật độ và áp suất Đại lượng còn lại, nhiệt độ không khí, phụ thuộc vào sự phân bố của các khí có khả năng hấp thụ các tia tử ngoại và phát xạ các tia hồng ngoại Tùy thuộc vào biến thiên nhiệt độ không khí theo độ cao, cấu trúc khí quyển có thể được chia thành các lớp khác nhau

1.2.1 Mật độ và áp suất không khí

1.2.1.1 Mật độ không khí

Mật độ không khí (kg/m3) được tính bằng khối lượng khí trên một đơn vị thể tích Do oxi và nitơ tập trung gần bề mặt Trái đất, mật độ không khí giảm theo hàm mũ khi độ cao tăng Ước tính khoảng 50% các khí nằm dưới độ cao 5,5 km

và 99,9% các khí trong khí quyển nằm dưới độ cao 48 km

Mật độ không khí được tính toán gần đúng theo phương trình trạng thái:

t t

p RT

ρ =

Trong đó: ρ , và pt t lần lượt là mật độ (kg/m3) và áp suất (Pa) khí quyển (K)

R và T lần lượt là hằng số khí (287,1 J/kg) và nhiệt độ khí quyển Mật độ của không khí tại mực nước biển đạt giá trị khoảng 1,2 kg/m3 Mật độ của khí quyển thường được các nhà khí tượng học, các trung tâm vũ trụ tính toán

và sử dụng để dự báo thời tiết và tình trạng quỹ đạo của các vệ tinh

1.2.1.2 Áp suất không khí

Áp suất không khí được tính bằng tỷ số giữa áp lực của không khí trên một đơn vị diện tích Do khi độ cao của lớp khí tăng, mật độ không khí giảm nên áp

suất không khí cũng giảm theo Áp suất tiêu chuẩn tại bề mặt nước biển là 1013

mb trong khi áp suất tại các độ cao ứng với 50%, 90%, 99% và 99,9% khối lượng không khí trong khí quyển lần lượt là 500 mbar, 100 mbar, 10 mbar và 1 mbar (1 mbar = 100 N/m2 = 100 Pascal)

Áp suất không khí được tính gần đúng theo công thức:

−

=

Trong đó: p2 và p1 lần lượt là áp suất (Pa) tại độ cao hình học z1 và z2 (m)

T1-2 – trị số nhiệt độ tuyệt đối trung bình (K) giữa các độ cao z1, z2

g – gia tốc trọng trường (9,81 m/s2)

Hình 1.2 Biến thiên của áp suất không khí theo độ cao khí quyển

Áp suất khí quyển liên quan trực tiếp tới mật độ không khí Điều đó có nghĩa

là áp suất khí quyển dao động theo khu vực và thời gian Áp suất khí quyển giảm khoảng 50% khi lên tới độ cao chừng 5 km (tương đương với khoảng 50% của tổng khối lượng không khí nằm trong phạm vi 5 km bề mặt Trái Đất) Áp suất

trung bình của khí quyển tại mực nước biển đạt giá trị khoảng 101,3 kPa hay 760

mm thủy ngân

1.2.2 Cấu trúc khí quyển theo biến thiên nhiệt độ

Căn cứ vào sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao, người ta thường chia khí quyển thành hai phần: phần trong và phần ngoài Phần trong gồm bốn tầng: tầng đối lưu

(troposhere), tầng bình lưu (stratosphere), tầng trung lưu (mesosphere) và tầng nhiệt lưu (thermosphere) Phần ngoài là tầng điện li (exosphere) Các tầng được

phân cách bởi các lớp dừng Các quá trình quan trọng ảnh hưởng tới nhiệt độ không khí gồm đối lưu, dẫn nhiệt và phát xạ

Nhiệt độ trong tầng đối lưu giảm theo độ cao, từ 15oC ở mặt nước biển đến

-56oC ở đỉnh của tầng này Nguyên nhân là do hơi nước trong tầng đối lưu hấp thụ mạnh các bức xạ nhiệt từ mặt đất, làm không khí gần mặt đất nóng lên Tuy nhiên, càng lên cao, mật độ không khí càng giảm, độ truyền nhiệt giữa các lớp khí càng kém và không khí càng ít được nung nóng Độ giảm nhiệt độ trung bình theo độ cao trong tầng đối lưu nằm trong khoảng từ 0,6 – 0,7oC/100m

Tầng đối lưu được chia thành lớp biên, lớp trung gian và lớp dừng Lớp biên nằm gần bề mặt Trái đất nhất và có độ cao từ 500m đến 3000m Mọi hoạt động của con người đều nằm trong lớp biên và do vậy các khí thải từ mặt đất sẽ tích tụ trước tiên trong lớp này

Lớp giữa nằm phía trên lớp biên Khi có sự thay đổi nhiệt độ của mặt đất, nhiệt độ của lớp biên sẽ có sự thay đổi tương ứng trong thời gian ngắn (thường ít

hơn một giờ) trong khi nhiệt độ của lớp giữa sẽ có sự thay đổi tương ứng trong thời gian dài Lớp dừng có chiều dày khoảng 1 km, nằm ở phía trên cùng của tầng đối lưu Lớp dừng có nhiệt độ ít thay đổi khi tăng độ cao và lớp ngăn cách giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu

Các chất gây ô nhiễm khí quyển dễ dàng được hòa trộn ở trong tầng đối lưu

do có sự luân chuyển đối lưu Không khí trong tầng đối lưu chuyển động theo chiều thẳng đứng và nằm ngang rất mạnh làm cho nước thay đổi cả ba trạng thái (rắn, lỏng, khí), gây ra hàng loạt quá trình thay đổi vật lý Những hiện tượng mưa, mưa đá, gió, tuyết, sương mù, đều diễn ra ở tầng đối lưu

Ngoài ra còn sự xáo trộn của các dòng năng lượng và những đám mây hơi nước chuyển động trên phạm vi toàn cầu Đây là điểm khác biệt điển hình của tầng đối lưu so với các tầng khí quyển khác Một trong các nguyên nhân tạo nên sự đối lưu là do năng lượng Mặt trời đi đến các vùng khác nhau là không đồng đều tạo nên các vùng có nhiệt độ khác nhau Có thể kể đến các nguyên nhân do đặc điểm địa hình khu vực (đồi, núi), do mây che Năng lượng nhiệt được truyền từ mặt đất đến các phân tử khí thuộc lớp biên làm chúng chuyển động đi lên Không khí lạnh

từ các điểm lân cận chuyển động tới thay thế lớp khí nóng và tiếp tục lặp lại quá trình trên, tạo nên sự đối lưu theo phương thẳng Mọi hiện tượng của thời tiết (ví

dụ mưa, bão, gió ) đều diễn ra ở tầng đối lưu Do vậy tầng đối lưu có tác động trực tiếp và quan trọng đến sự sống trên Trái đất

1.2.1.2 Tầng bình lưu

Tầng bình lưu nằm ở độ cao từ 11 đến 50 km Thành phần hóa học chủ yếu của tầng này là O3, N2, O2, gốc hyđroperoxi (HO2•) và hyđroxil (HO•) Ký hiệu •dùng để chỉ các gốc tự do Phía trên đỉnh tầng đối lưu và phần dưới của tầng bình lưu là tầng ozon, tập trung ở độ cao 20 – 30 km Nhiệt độ trong tầng ozon rất ít thay đổi Tầng ozon có vai trò cực kỳ quan trọng như một tấm lá chắn bảo vệ cho cuộc sống trên bề mặt Trái đất Ozon có khả năng hấp thụ một số bức xạ tử ngoại

và phát xạ các tia hồng ngoại, làm nóng không khí trong tầng bình lưu Nhờ vậy,

khác với tầng đối lưu, nhiệt độ ở tầng bình lưu tăng theo độ cao, từ 56°C đến 2°C Nhiệt độ trong tầng bình lưu đạt cực đại ở phía trên đỉnh của tầng do tại độ cao đó ozon hấp thụ phần lớn các tia có bước sóng ngắn trong vùng tử ngoại

-Ở tầng bình lưu, ít có dòng đối lưu Không khí chuyển động chủ yếu theo phương ngang Do đó phải mất hàng năm, các chất khí mới có thể hòa trộn được với nhau và thời gian lưu của các phần tử hóa học ở tầng này khá lớn Nếu các chất gây ô nhiễm xâm nhập được vào tầng bình lưu, thì chúng sẽ tồn tại và gây ảnh hưởng tác động lâu dài hơn so với khi còn ở tầng đối lưu

1.2.1.3 Tầng trung lưu

Tầng trung lưu nằm ở độ cao từ 50 km đến 85 km, có thành phần hóa học chủ yếu là O+, O2+, O2, NO+ và N2 Mật độ ozon trong tầng trung lưu khá thấp dẫn đến việc hấp thụ các tia tử ngoại là ít hơn hẳn so với trong tầng bình lưu Hệ quả là nhiệt độ trong tầng này giảm dần theo độ cao, từ -2oC đến -92oC

do Mặt trời phát ra và bụi vũ trụ Nhiệt độ của tầng điện li có thể tăng đến 1700oC Bên ngoài tầng điện li là không gian vũ trụ Ngoài các tầng trên, còn có khái niệm

về tầng ion Tầng ion nằm ở độ cao lớn hơn 60 km so với tầng trung lưu, không vượt quá phạm vi của tầng nhiệt lưu và có chứa nhiều ion Tầng ion được chia thành ba vùng: D, E và F dựa theo vào phân bố của các ion trong tầng

Hình 1.3 Minh họa cấu trúc khí quyển theo biến thiên nhiệt độ

1.3 THÀNH PHẦN CỦA KHÍ QUYỂN

Khí quyển hiện nay, ở độ cao nhỏ hơn 100 km, chứa một số ít các khí được hòa trộn tốt trong không gian Các khí đó được gọi là các khí chủ yếu, có phần trăm trong khí quyển tương đối ổn định theo thời gian và không gian Phần trăm của chúng được trình bày trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Phần trăm của các khí chủ yếu

Tỷ lệ Công thức hóa học

là các khí nhân tạo và có tác động xấu đến chất lượng môi trường

Bảng 1.2 Phần trăm của các khí thứ yếu

Nồng độ (ppbv) Tên chất Công thức

Nồng độ (ppbv) Tên chất Công thức

Nguồn tạo ra các khí thứ yếu được trình bày trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Nguồn tự nhiên và nhân tạo của một số khí thứ yếu

Tên chất Nguồn tự nhiên Nguồn nhân tạo

CH4 Quá trình lên men, khí thoát

ra từ đầm lầy, đại dương

Khí thoát từ cống rãnh trong đô thị, từ hoạt động khai thác than

hyđrocacbon

Đốt cháy không hoàn toàn gỗ, đốt nhiên liệu trong phương tiện giao thông, hoạt động công nghiệp

Tên chất Nguồn tự nhiên Nguồn nhân tạo

Khí thải phương tiện giao thông

Các chất hữu

cơ thơm đa

vòng

phát thải từ sơn, dung môi, xăng dầu

Đốt cháy nhiên liệu

NO2 Cháy rừng, bão từ Đốt cháy nhiên liệu

N2O Từ hoạt động của vi sinh vật

trong đất, đại dương

Đốt cháy nhiên liệu

NH3 Phân hủy hiếu khí trong đất,

phân hủy aminôaxit

Đốt cháy nhiên liệu, quá trình xử lí nước thải

Tên chất Nguồn tự nhiên Nguồn nhân tạo

mêtan, isopren

O3 Từ O2, từ phản ứng của NO,

NO2

Máy bay siêu tốc

Nitơ và oxi là hai thành phần chủ yếu của khí quyển Nitơ là chất khí khá trơ về mặt hóa học, nó hầu như không tham gia các phản ứng hóa học ở điều kiện thường Ở nhiệt độ cao, hoặc trong tia lửa điện, nitơ tác dụng với oxi tạo thành

NO, tác dụng với hydro tạo thành NH3 Một số vi sinh vật trong tự nhiên có thể vượt qua được hàng rào năng lượng cao để phá vỡ liên kết bền vững trong phân tử nitơ, tạo thành các hợp chất của nitơ, cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết cho như cầu phát triển của thực vật trong tự nhiên

Oxi là chất khí quan trọng trong khí quyển đối với động vật trên cạn cũng như với động vật dưới nước Oxi là chất khí có hoạt tính hóa học cao, vì vậy, trong khí quyển, oxi tham gia vào nhiều phản ứng, tạo thành nhiều sản phẩm khác nhau Nồng độ oxi trong khí quyển nguyên thủy rất thấp, sau đó tăng dần qua các kỷ nguyên địa chất, chủ yếu do quá trình

1.4 CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC CHỦ YẾU TRONG KHÍ QUYỂN

Việc nghiên cứu về các phản ứng hóa học trong khí quyển là khá phức tạp Nhiều chất tồn tại trong khí quyển với nồng độ thấp nên việc phát hiện và phân tích chúng khá khó khăn Việc mô phỏng các điều kiện môi trường ở lớp khí quyển cao cũng gặp nhiều trở ngại do có nhiều yếu tố ảnh hưởng Ở các lớp trên của khí quyển (> 50 km) tồn tại lượng lớn các ion dương và electron, rất khó cho việc mô phỏng trong phòng thí nghiệm Các ion đó có thể tồn tại trong thời gian dài trước khi kết hợp thành chất trung hòa

Hóa học khí quyển nghiên cứu không khí ở trạng thái không ô nhiễm, ô nhiễm ở mức cao và các mức độ ở giữa hai trạng thái trên Các chất và tác nhân có khả năng tham gia phản ứng trong khí quyển là khá nhiều và có thể phân loại thành nhóm các chất vô cơ (CO, CO2, NO2, SO2), tác nhân oxi hóa (O3, H2O2, các

gốc tự do HO•, HO2•, ROO•, NO3•), chất khử (CO, SO2, H2S), chất hữu cơ (CH4, ankan, anken, aren, HCHO), chất bị oxi hóa (hợp chất cacbonyl, N hữu cơ), axit (HNO3), bazơ (NH3), muối (NH4HSO4) và các tác nhân không bền vững (NO2 ở trạng thái kích thích) Các phản ứng trong khí quyển có thể diễn ra ở pha khí hoặc trên diện tích bề mặt của các hạt bụi và chất lỏng tồn tại trong sol khí và các đám mây

1.4.1 Phản ứng quang hóa

Các phản ứng hóa học xảy ra, trong đó năng lượng cần thiết cho phản ứng được hấp thụ từ các sóng điện từ (thường có bước sóng thuộc vùng tử ngoại và vùng khả kiến) được gọi là phản ứng quang hóa Quá trình quang hóa gồm nhiều phản ứng hóa học Các dạng phản ứng quang hóa bao gồm:

- Phản ứng hấp thụ năng lượng:

NO2 + hν → NO2*

Ký hiệu * dùng để chỉ các chất ở trạng thái kích hoạt, sau khi được hấp thụ năng lượng Tiếp theo, chất sau khi được kích hoạt có thể tham gia nhiều loại phản ứng:

- Phản ứng tỏa nhiệt: các phân tử kích hoạt bị mất năng lượng dưới dạng nhiệt

O2* → O2 + E

Trong đó: E – năng lượng được giải phóng

- Phản ứng phân ly: phản ứng diễn ra phổ biến ở tầng cao của khí quyển để tạo thành các nguyên tử oxi

O2* → O + O

- Phản ứng trực tiếp: O2* + O3 → 2O2 + O

- Phản ứng phát xạ: năng lượng của phân tử ở trạng thái kích hoạt có thể mất đi dưới dạng sóng điện từ Khi bước sóng của tia điện từ nằm trong vùng khả kiến thì phản ứng được gọi là phản ứng phát quang

NO2* → NO2 + hν

- Phản ứng trao đổi năng lượng liên phân tử: O2* + M → O2 + M*

- Phản ứng trao đổi năng lượng nội phân tử: năng lượng được trao đổi ngay trong phân tử làm chúng chuyển từ trạng thái kích hoạt này sang trạng thái kích hoạt khác

A* → A*’

- Phản ứng isomer hóa: phản ứng chuyển từ octo-nitrobenzalđehit sang axit octo-nitrobenzoic thường được dùng trong thiết bị đo lượng phát xạ của bức xạ điện từ:

C6H4(NO2)CHO + hν → C6H4(NO)COOH

- Phản ứng ion hóa: N2* → N2+ + e

-1.4.2 Phản ứng của oxi trong khí quyển

1.4.2.1 Tiêu thụ oxi

Trong tầng đối lưu, oxi đóng một vai trò quan trọng trong các quá trình xảy

ra trên bề mặt Trái đất Oxi bị tiêu thụ qua các phản ứng chủ yếu:

- Phản ứng cháy: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

- Phản ứng đốt nhiên liệu hóa thạch: C + O2 = CO2

- Hô hấp của động vật: {CH2O} + O2 → CO2 + H2O

- Oxi hóa và phong hóa các oxit: ví dụ phản ứng 4FeO + O2 = 2Fe2O3

- Phản ứng quang hóa tạo ozon: từ O2 tạo ra O3

1.4.2.2 Tái tạo oxi

Bên cạnh các quá trình tiêu thụ oxi, trong khí quyển oxi được tái tạo nhờ quá trình quang hợp:

CO2 + H2O + hν → {CH2O} + O2

Phần lớn lượng oxi có trong khí quyển là sản phẩm của quá trình quang hợp Lượng cacbon được cố định trong các sản phẩm hữu cơ do quá trình quang hợp trước đây tạo ra, hiện đang phân tán trong tự nhiên chủ yếu duới dạng các hợp chất humic Chỉ một phần nhỏ lượng cacbon này chuyển thành các loại nhiên liệu

hóa thạch Vì vậy, mặc dầu ngày nay việc đốt nhiên liệu hóa thạch tiêu tốn một lượng lớn oxi, nhưng nguy cơ sử dụng hết oxi trong khí quyển là hoàn toàn không thể xảy ra

Oxi không chỉ tồn tại ở dạng phân tử mà còn tồn tại ở các dạng khác như nguyên tử O, ion O+ và O2+

Dưới tác dụng của tia tử ngoại, O2 bị phân tích thành oxi nguyên tử:

O2 + hν → O + O λ < 290 nm

O3 + hν → O2 + O* λ = 290 ÷ 320 nm

O* bức xạ ra ánh sáng có các bước sóng 636 nm, 630 nm và 558 nm Các bức xạ đó là một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng phát sáng của khí quyển Ion O+ được sinh ra trong khí quyển do oxi nguyên tử hấp thụ năng lượng trong vùng bức xạ tử ngoại và tồn tại trong tầng ion:

1.4.3 Phản ứng của các hợp chất N trong khí quyển

So với các hợp chất của nitơ, N2 tương đối trơ về mặt hóa học do năng lượng liên kết phân tử lớn (E = 942 kJ/mol) Ở điều kiện nhiệt độ cao hoặc khi hấp thụ các tia sóng ngắn (λ < 100 nm), N2 có thể tham gia phản ứng tạo thành NO và ion N2+:

N2 + hν → N2+ + e

N2 + O2 → 2NO

Trong khi đó, ở tầng đối lưu, sự góp mặt của các oxit N2O, NO, NO2 góp phần đáng kể vào sự ô nhiễm không khí Các oxit này tham gia vào hàng loạt các phản ứng quang hóa tạo thành các gốc tự do

- Phản ứng quang hóa của N2O:

1.4.4 Phản ứng của các hợp chất S trong khí quyển

Các hợp chất của lưu huỳnh tồn tại trong khí quyển xuất phát từ các nguồn chính gồm: đốt cháy nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá), hoạt động giao thông

và hoạt động của núi lửa Các hợp chất của lưu huỳnh, chủ yếu gồm SO2, SO3,

H2S, H2SO4 và các muối sunfat, nằm trong không khí một thời gian sau đó sa lắng xuống môi trường đất và đại dương Theo số liệu ước tính năm 1960, có khoảng

46 triệu tấn S ở dạng SO2 và SO3, 39 triệu tấn ở dạng SO32- và SO42- và 272 triệu tấn ở dạng H2S tồn tại trong khí quyển ở qui mô toàn cầu

- Phản ứng đốt cháy nhiên liệu:

2FeS2 + 11/2 O2 → 4SO2 + Fe2O3

Các hợp chất của lưu huỳnh xuất hiện trong các phản ứng hóa học như chất tham gia hoặc sản phẩm tạo thành Điều này thể hiện qua các phản ứng trong khí quyển của SO2 SO2 có thể tham gia các phản ứng quang hóa, oxi hóa với sự có mặt của xúc tác, phản ứng với NH3

c SO 2 phản ứng với NH 3 trong khí quyển

Các hợp chất khác của S như SO3, H2SO4 chủ yếu tham gia trong quá trình

tạo mưa axit

1.4.5 Phản ứng của các hợp chất C trong khí quyển

R-CHO2-CH2-OH• + NO → R-CHO-CH2-OH• + NO2

R-CHO-CH2-OH• → R-CHO + CH2OH•

CH2OH• + O2 → HCHO + HO2•

1.4.6 Phản ứng của các gốc tự do trong khí quyển

Trong khí quyển tồn tại các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử chứa một electron độc thân được gọi chung là các gốc tự do Ví dụ các gốc H3C• và •CHO được tạo thành từ phản ứng:

CH3CHO + hν → H3C• + •CHO

Gốc tự do đóng vai trò quan trọng và tham gia vào hầu hết các phản ứng trong khí quyển Do có chứa electron độc thân, các gốc tự do có khả năng phản ứng cao Chúng có thể tham gia vào phản ứng dây chuyền, tạo ra hàng loạt chất trong khí quyển Một số gốc tự do có thể tồn tại trong lớp không khí loãng với thời gian lưu là vài phút hoặc lâu hơn, trước khi kết hợp với các chất khác Bên cạnh

đó, một số gốc tự do không bền, có thời gian lưu rất ngắn do chúng có thể nhanh chóng mất năng lượng dưới dạng nhiệt

a Gốc hydroxil (HO • ) và hydroperoxi (HOO • )

Gốc hydroxil là gốc tự do đóng vai trò quan trọng nhất trong các phản ứng hóa học khí quyển

Gốc H3C• và nguyên tử H tạo thành có thể phản ứng với oxi tạo thành gốc metylperoxil và hydroperoxi

RC(=O)OO• + NO → NO2 + RCOO•

RO• + NO → RONO (nitratankyl)

Các gốc cũng có thể phản ứng với nhau tạo ra sự ngắt mạch:

ROO• + ROO• → O2 + ROOR

- Quá trình tạo các chất mang tính bazơ:

NH3 tạo thành từ phân hủy sinh học của hợp chất N, tồn tại đáng kể so với các bazơ khác:

NO3- + 2CH2O + H+ → NH3 + 2CO2 + H2O

NH3 + HNO3 → NH4NO3

NH3 + H2SO4 → NH4HSO4

1.5 Ô NHIỄM KHÍ QUYỂN

1.5.1 Các nguồn ô nhiễm khí quyển

Có năm nhóm gây ô nhiễm sơ cấp chính, đóng góp chủ yếu vào tình trạng ô nhiễm không khí toàn cầu gồm:

- Các oxit của lưu huỳnh (chủ yếu là SO2)

- Các oxit của nitơ (chủ yếu là NO, NO2)

- Các oxit của cacbon (CO, CO2)

- Bụi lơ lửng

- Các hyđrocacbon

Trong các nguồn ô nhiễm từ tự nhiên, nguồn lớn nhất là do núi lửa phun trào (khí SO2, H2S, các sulfua hữu cơ ), do cháy rừng (khí CO, SO2, tro bụi ), bão bụi Hoạt động của núi lửa và quá trình cháy không kiểm soát được do cháy rừng, diễn ra hàng năm trên thế giới đã thải vào bầu khí quyển một lượng đáng kể các khí ô nhiễm kể trên Ngoài ra, nguồn ô nhiễm đáng kể khác là bụi vũ trụ

Ngoài phần ô nhiễm do thiên nhiên, con người góp phần vào việc gây ô nhiễm môi trường sống Các nguồn thải đáng kể đến từ hoạt động sản xuất công nghiệp (quá trình sản xuất điện (nhà máy nhiệt điện), quá trình sản xuất hóa chất, sản xuất vật liệu, luyện kim và khai thác mỏ ) và do giao thông vận tải (giao thông đường bộ, giao thông thủy, giao thông đường sắt, hàng không) Cuối cùng là

do hoạt động sinh hoạt của con người (đun bếp, đốt chất thải) và các nguồn ô nhiễm khác (sản xuất nông nghiệp, xây dựng công trình )

1.5.2 Các chất ô nhiễm khí quyển điển hình

1.5.2.1 Các oxit của lưu huỳnh

a Sulfua dioxit (SO 2 )

SO2 là khí không mầu, có thể phát hiện được mùi ở nồng độ lớn hơn 0,3 ppmv Nguồn thải SO2 bắt nguồn từ hoạt động tự nhiên và từ hoạt động nhân tạo Nguồn thải tự nhiên chủ yếu từ hoạt động của núi lửa và từ quá trình chuyển hóa chất do vi sinh vật Các vi sinh vật thường tham gia quá trình chuyển hóa các chất

có chứa lưu huỳnh tạo thành H2S, (CH3)2S, sau đó bị oxi hóa trong không khí tạo thành SO2 Nguồn thải nhân tạo sinh ra do đốt nhiên liệu hóa thạch có chứa lưu huỳnh, như đốt nhiên liệu trong nhà máy nhiệt điện, trong hoạt động công nghiệp, luyện quặng kim loại có chứa sulfua

SO2 gây tác hại đến con người chủ yếu qua đường hô hấp, gây khó thở, đau khí quản và bệnh phổi mạn tính SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể người qua hít thở hoặc tiếp xúc qua da Tùy theo nồng độ phơi nhiễm, con đường tiếp xúc và thời

gian tiếp xúc mà SO2 có thể có những ảnh hưởng đến con người với mức độ khác nhau

Bảng 1.3 Ảnh hưởng của SO 2 đến con người Nồng độ (ppm) Thời gian tiếp xúc Ảnh hưởng

0,03 – 0,5 liên tục với thời gian dài Viêm cuống phổi

5 - 20 > 6 giờ Co thắt thanh quản, tổn thương phổi

b Sulfua trioxit (SO 3 )

Khi xâm nhập vào môi trường, SO2 có thể tham gia phản ứng tạo thành

SO3 Nếu người hít thở không khí chứa SO3, chất này sẽ có thể tiếp tục phản ứng

và tạo thành H2SO4 trong đường hô hấp Hậu quả của việc hít phải khí SO3 là các

bộ phận của cơ thể như mắt, da, đường hô hấp sẽ bị phá hủy, sưng tấy

1.5.2.2 Các oxit của nitơ

Trong các oxit của nitơ, NO và NO2 là được xem là các chất ô nhiễm sơ cấp đáng lưu ý nhất

NO có thể được tạo thành từ 2 nguồn: tự nhiên và nhân tạo

- Nguồn tự nhiên: là quá trình cháy của sinh khối (cháy rừng), sấm chớp, oxi hóa NH3, hoặc do các quá trình kỵ khí xảy ra dưới đất (đối với NO)

- Nguồn nhân tạo: đốt sinh khối hoặc nhiên liệu hóa thạch

Nồng độ NO2 (ppm) Thời gian tiếp xúc Ảnh hưởng đến con người

- NO tạo liên kết với hemoglobin và làm giảm hiệu suất vận chuyển oxi Trong không khí, NO tồn tại với hàm lượng thấp hơn nhiều so với CO, vì vậy tác động đến hemoglobin rất nhỏ

1.5.2.3 Các oxit của cacbon

a Cacbon dioxit (CO 2 )

- Đặc điểm khí: cacbon dioxit là chất khí không màu, hoạt tính hóa học trung bình CO2 tan được một phần trong nước tạo ra axit cacbonic

- Nguồn thải: CO2 thu được từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cả khí thoát ra từ các núi lửa, sản phẩm cháy của các hợp chất hữu cơ và hoạt động hô hấp của các sinh vật sống hiếu khí Nó cũng được một số vi sinh vật sản xuất từ sự lên men và sự hô hấp của tế bào Các loài thực vật hấp thụ điôxít cacbon trong quá trình quang hợp, và sử dụng cả cacbon và oxi để tạo ra các cacbohyđrat Ngoài ra, thực vật cũng giải phóng oxi trở lại khí quyển, oxi này sẽ được các sinh vật dị dưỡng sử dụng trong quá trình hô hấp, tạo thành một chu trình Nó có mặt trong khí quyển Trái Đất với nồng độ thấp và là thành phần chính trong chu trình cacbon

- Độc tính: CO2 không gây tác hại đến cơ thể người mà chủ yếu tác động đến môi trường qua hiệu ứng nhà kính

b Cacbon monoxit (CO)

- Đặc điểm khí: CO là chất khí không màu, không mùi, bắt cháy và có độc tính cao Nó là sản phẩm chính của quá trình cháy không hoàn toàn của cacbon và các hợp chất chứa cacbon

các nguồn nhiên liệu như xăng, hơi đốt, dầu hay gỗ không cháy hết trong các thiết bị

- Độc tính:

Khi con người hít thở phải một lượng quá lớn CO sẽ dẫn tới thương tổn do giảm oxi trong máu hay tổn thương hệ thần kinh cũng như có thể gây tử vong Nồng độ chỉ khoảng 0,1% mônôxít cacbon trong không khí cũng có thể là nguy hiểm đến tính mạng

CO là chất khí không màu, không mùi và không gây kích ứng nên rất nguy hiểm vì người ta không cảm nhận được sự hiện diện của chúng trong không khí

CO có ái lực với hemoglobin (Hb) trong hồng cầu mạnh gấp 230 - 270 lần so với oxi nên khi được hít vào phổi CO sẽ liên kết với Hb thành HbCO do đó máu không thể chuyên chở oxi đến tế bào CO còn gây tổn thương tim do gắn kết với myoglobin của cơ tim

Triệu chứng ngộ độc CO thường bắt đầu bằng cảm giác bần thần, nhức đầu, buồn nôn, khó thở rồi từ từ đi vào hôn mê Nếu ngộ độc CO xảy ra khi đang ngủ say hoặc uống rượu say thì người bị ngộ độc sẽ hôn mê từ từ, ngưng thở và tử vong

1.5.2.4 Các hydrocacbon

a Các hydrocacbon gây ảnh hưởng trực tiếp tới con người

- Các hyđrocacbon thơm đa vòng

Hyđrocacbon thơm đa vòng (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAH) là những chất hữu cơ được cấu tạo từ một số nhân benzen (có ít nhất hai vòng benzen trong phân tử) đính trực tiếp với nhau Phân tử PAH chỉ được tạo thành từ hai loại nguyên tử là cácbon và hyđro Đã có hơn 200 PAH được phát hiện Tuy nhiên phần lớn các nghiên cứu trên thế giới thường tập trung vào 18 PAH chủ yếu, có khả năng gây ung thư và đột biến gen vượt trội, cũng như tồn tại với hàm lượng đáng chú ý trong không khí Các PAH này gồm Naphthalene, Acenaphthylene, Acenaphthene, Fluorene, Phenanthrene, Anthracene, Fluoranthene, Pyrene, Benzo(a)anthracene, Chrysene, Benzo(e)pyrene, Benzo(b)fluoranthene, Benzo(k)

fluoranthene, Benzo(a)pyrene, Dibenzo(a,h)anthracene, Benzo(g,h,i)perylene, Indeno(1,2,3-cd)pyrene và Coronene

Anthracene

(C14H10)

Acenaphthene (C12H10)

Benzo[a]pyrene (C20H12)

Chrysene (C18H12)

Coronene

(C24H12)

Fluoranthene (C16H10)

Pyrene (C16H10)

Naphthalene (C10H8)

Hình 1.5 Công thức cấu tạo và công thức phân tử của một số PAH

- Nguồn gốc: PAH có thể được phát thải từ nguồn tự nhiên và nguồn nhân

tạo Nguồn tự nhiên có thể từ hiện tượng núi lửa phun trào, quá trình hình thành đất đá, cháy rừng, tạo trầm tích Tuy nhiên, nguồn phát thải PAH chính trong khí quyển lại bắt nguồn từ các hoạt động sống của con người như quá trình đốt cháy không hoàn toàn các nhiên liệu xăng, dầu diesel trong động cơ của các phương tiện giao thông hay trong nhà máy nhiệt điện Ngoài ra việc đun nấu và sưởi ấm trong sinh hoạt (mùn cưa, than hoa, than tổ ong, gỗ), đốt rác và các quá trình công nghiệp cũng góp phần đáng kể vào phát thải PAH Sau khi xâm nhập vào khí quyển, PAH có thể tồn tại ở pha khí hoặc hấp phụ lên các hạt bụi lơ lửng Các PAH có phân tử lượng nhỏ chủ yếu tồn tại ở pha khí trong khí các PAH có từ năm vòng benzen trở lên lại tồn tại chủ yếu ở pha bụi

- Tác hại:

PAH có thể xâm nhập vào cơ thể người thông qua thức ăn (do đun nấu ở điều kiện cháy không hoàn toàn), khí thở hoặc qua da khi trực tiếp tiếp xúc với vật liệu chứa họ chất này PAH hấp phụ trên các hạt bụi mịn có thể thâm nhập vào trong phổi gây ung thư và đột biến gen Tính độc của mỗi chất trong họ PAH lại phụ thuộc vào công thức cấu tạo của chúng Nếu các PAH chứa từ 2 đến 3 vòng benzen thì khả năng gây ung thư và đột biến gen khá yếu Trong khi đó, với các PAH chứa từ 4 đến 5 vòng benzen trở lên thì khả năng gây ung thư và đột biến gen

b Các hydrocacbon gây ảnh hưởng gián tiếp

Các hydrocacbon còn có thể là nguồn cung cấp chất phản ứng để tạo thành các sản phẩm thứ cấp, gây hại đến con người Chúng có thể tham gia phản ứng quang hóa trong khí quyển, góp phần tạo nên sương khói quang hóa, gây ô nhiễm

đô thị Nguồn phát tán các hydrocacbon vào khí quyển chủ yếu từ quá trình đốt nhiên liệu (than đá, dầu mỏ, gỗ )

1.5.2.5 Bụi

a Phân loại

- Phân loại bụi theo kích thước:

+ Đường kính hạt lớn hơn 10 μm: bụi

+ Đường kính hạt từ 0,1 μm đến 10 μm: sương mù

+ Đường kính hạt nhỏ hơn 0,1 μm: khói

- Phân loại bụi theo tác hại:

+ Bụi gây xơ phổi: bụi amiăng, bụi thạch anh

+ Bụi gây nhiễm trùng

+ Bụi gây ung thư: bụi quặng, bụi phóng xạ

+ Bụi gây dị ứng, viêm mũi, hen, nổi ban: bụi phấn hoa, phân hóa học + Bụi gây nhiễm độc: bụi có chứa chì, thủy ngân, benzen

- Một số quan niệm khác:

Thuật ngữ hạt để chỉ các chất không phải thể khí Xét theo khía cạnh hệ phân tán thì không khí là môi trường phân tán trong khi các hạt rắn, lỏng là chất phân tán Nếu chất phân tán ở trạng thái rắn, ta có bụi hay khói Nếu pha phân tán

ở trạng thái lỏng, ta có khái niệm sương mù Sol khí là những hạt keo lơ lửng phân tán trong không khí với kích thước nhỏ hơn 1 μm

b Nguồn thải

Bụi đến từ nguồn tự nhiên lẫn nguồn nhân tạo Nguồn tự nhiên lớn nhấn là

từ hoạt động của núi lửa và cháy rừng Nguồn nhân tạo lớn nhất là do đốt nhiên liệu, chủ yếu do đốt nhiên liệu trong động cơ đốt trong của phương tiện giao thông

và nhà máy nhiệt điện, tiếp theo là bụi phát sinh từ các hoạt động xây dựng

c Thành phần của bụi

Thành phần của bụi rất đa dạng, phụ thuộc vào nguồn phát sinh

- Bụi vô cơ:

Bụi và sol khí là những chất mang chính để chứa kim loại nặng trong khí quyển Các oxit kim loại là thành phần chính của hạt bụi vô cơ Loại bụi này được tạo ra từ việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch như than chứa FeS2:

4FeS2 + 11/5 O2 → 2Fe2O3 + 8SO2

CaCO3 có trong tro khi đốt than, chuyển thành oxit và phát thải qua ống khói:

CaCO3 → CaO + CO2

Các nguyên tố kim loại có hàm lượng lớn hơn 1 μg/m3 trong bụi gồm Al,

Ca, Fe, K, Na Một số nguyên tố khác tồn tại với hàm lượng nhỏ hơn như C, Cr,

Sb, Be, Cd, Co, Cs, Li, Mn, Ni, Se, Sr và V

- Nguồn gốc của các kim loại trong bụi vô cơ:

+ Al, Fe, Ca, Si: xói mòn đất, bụi đá, đốt than

+ C: đốt cháy không hoàn toàn các nhiên liệu chứa C

+ Na, Cl: sol khí từ biển, nguồn Cl từ đốt cháy các rác thải chứa Cl

+ Sb, Se: đốt than, dầu

+ Cd: công nghiệp luyện kim

+ V: đốt cháy cặn dầu thô

+ Ni: công nghiệp hóa chất và chế biến than

+ Be: chế biến than và kỹ thuật hạt nhân

+ Co, Cr: công nghiệp mạ

+ Pb: đốt cháy nhiên liệu và chất thải chứa Pb

Các bụi vô cơ chứa C còn có tên gọi tùy theo thành phần và kích thước như muội than, cacbon đen, tro được phát thải từ khí thải của phương tiện giao thông,

lò sưởi, lò thiêu đốt, nhà máy nhiệt điện Đây là nguồn bụi thải có thể quan sát bằng mắt thường, có khả năng hấp phụ cao

- Bụi hữu cơ

Thành phần của bụi hữu cơ khá đa dạng và tùy thuộc vào nguồn thải Nghiên cứu về thành phần bụi khói từ động cơ ô tô cho thấy cơ hơn 100 chất hữu

cơ Các chất tìm thấy chủ yếu gồm n-ankan, axít hữu cơ, PAH, anđehit, xeton, peroxide, este, quinon, lacton và steran

d Tác hại

Các hạt bụi có thể xâm nhập vào cơ thể qua đường hô hấp Chúng có thể nằm ở nhiều vùng trong hệ thống hô hấp, tùy thuộc vào kích thước Các hạt có đường kích lớn hơn 10 m có thể dừng lại ở mũi Các hạt bụi có đường kích nhỏ hơn 10 μm (ký hiệu PM10) có thể thâm nhập vào tận cuống phổi và màng phổi, gây cản trở cơ chế làm sạch của tuyến hô hấp Tỷ lệ những hạt vào sâu trong phổi là khoảng 70% đối với những hạt có đường kính xấp xỉ 1 μm và 30% đối với những hạt có đường kính từ 1 μm đến 5 μm

Ngoài ra, các hạt bụi có thể chứa các chất độc hại từ khí quyển như SO2, các kim loại nặng (Pb, Cd) làm cho các chất đó phát huy ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người

Phơi nhiễm trong thời gian dài với các hạt lơ lửng kích thước bé có thể gây bệnh phổi như bệnh thủng phổi, bệnh bụi phổi silic, thậm chí có thể gây ung thư (bụi amiăng, bụi kim loại Be )

Công nhân làm việc trong môi trường có chứa bụi silic có thể bị bệnh bụi phổi silic Công nhân khai thác mỏ thường xuyên tiếp xúc với dạng bụi kiểu này Công nhân trong ngành dệt có thể bị bệnh phổi từ bụi bông Công nhân phơi nhiễm với bụi amiăng Tất cả các bụi trên đều gây các loại bệnh khác nhau hoặc gây tử vong Đất, bụi, phấn hoa có thể xâm nhập vào mũi, cổ họng, khí quản

Đầu thế kỉ 20, Cục bảo vệ môi trường Mỹ đã ban hành các luật về bụi PM10

và bụi có đường kích nhỏ hơn 2,5 μm (ký hiệu PM2,5) Đường kính của PM2,5 chỉ khoảng một phần bốn mươi của tóc người Qua đường hô hấp chúng có thể làm viêm phổi Các hạt nhỏ hơn nữa có thể hấp thụ vào máu và gây ảnh hưởng đến các nơi khác trong cơ thể Mối quan hệ giữa PM2,5 và bệnh tật là rất đáng kể về mặt thống kê

1.5.3 Tác động của ô nhiễm khí quyển ở qui mô toàn cầu

1.5.3.1 Hiệu ứng nhà kính

a Hiệu ứng nhà kính tự nhiên

Nhiệt độ bề mặt Trái đất được tạo thành bởi sự cân bằng giữa năng lượng Mặt trời chiếu xuống Trái đất và năng lượng bức xạ nhiệt của mặt đất phát vào không gian vũ trụ Bức xạ Mặt trời bao gồm các bước sóng trong vùng tia gamma, tia X, vùng tử ngoại (Ultra Violet, UV), vùng khả kiến (Visible, VIS) và vùng hồng ngoại (Infrared ray, IR) Khi đến khí quyển Trái đất, khoảng 25% năng lượng bức xạ Mặt trời bị phản xạ trở lại bởi các đám mây và các hạt lơ lửng Khoảng 25% năng lượng bị giữ lại ở khí quyển, trong đó, thành phần tia gamma

và tia X bị các phân tử khí ở tầng trên cùng hấp thụ, còn thành phần UV bị tầng