Tài liệu Hiện tượng sương khói sương khói công nghiệp và sương khói quang hóa

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA MÔI TRƯỜNG ĐỂ CƯƠNG NGHIÊN CỨU Tên tiểu luận: “ Hiện tượng sương khói: sương khói công nghiệp và sương khói quang hóa” Sinh viên (nhóm sinh viên) thực hiện: 4 (823) Lớp Giảng viên hướng dẫn HÀ NỘI – 01/2013 Nguyễn Thị Lan Anh Nguyễn Huy Thành Định Nguyễn Thị Hương Chu Ngọc Mai Nguyễn Thị Minh Phương Dương Thị Hồng Thúy Nguyễn Văn Thành Trung Nguyễn Thị Thanh Xuân : CĐ10CM3 : Nguyễn Minh Hạnh MỤC LỤC Danh mục các hình: ............................................................................................................3 I.Tổng quan về hiện tượng sương khói ............................................................................4 II.Khái niệm........................................................................................................................4 2.1. Khái niệm sương khói ................................................................................................4 2.2. Khái niệm khói quang hóa. ........................................................................................5 2.3. So sánh hiện tượng sương khói tại London và Los Angeles ...................................6 III. Nguyên nhân hình thành khói quang hóa ..................................................................7 3.1. Các chất gây ra khói quang hóa và cơ chế hình thành ............................................8 3.1.1. Các chất gây ra khói quang hóa .............................................................................8 3.1.2. Cơ chế hình thành ....................................................................................................8 3.2. Các nhân tố ảnh hưởng tới khói quang hóa ............................................................13 3.2.1. Khí hậu...................................................................................................................13 3.2.2. Địa hình ..................................................................................................................13 3.2.3. Nồng độ các chất gây ô nhiễm .............................................................................13 3.2.4. Thời gian trong ngày .............................................................................................14 3.3. Tác hại của khói quang hóa .....................................................................................14 3.3.1. Tác động tới con người .........................................................................................14 3.3.2. Tác động đến sinh vật ............................................................................................14 3.3.3. Tác động tới các vật liệu .......................................................................................15 IV. Hiện trạng và giải pháp ..............................................................................................15 4.1.Tại Việt Nam..............................................................................................................15 4.2. Trên thế giới..............................................................................................................16 4.3. Cách phòng chống....................................................................................................16 V. Nhận xét........................................................................................................................16 Tài liệu tham khảo: ..........................................................................................................17 2 Danh mục các hình: Hình 1: Hiện tượng sương khói Hình 2: Sương khói xảy ra tại London năm 1952 Hình 3: Hiện tượng sương khói quang hóa ở Los Angeles Hình 4: Cơ chế hoạt động của khói quang hóa Hình 5: Nồng độ các chất gây ô nhiễm trong ngày Hình 6: Sương mù mịt, làm giảm tầm nhìn Hình 7: Bộ phận xả thải của phương tiện giao thông Hình 8: Sơ đồ hoạt động của sương khói Hình 9:Sơ đồ hoạt động sinh ra các khí thải Hình 10: Lá cây bị bệnh do tác động của khói quang hóa 3 I.Tổng quan về hiện tượng sương khói Vấn đề môi trường là một vấn đề nóng đang diễn ra trên tất cả các quốc gia trên thế giới. Chúng ta sống, sinh hoạt và mọi hoạt động đều được môi trường bao bọc xung quanh. Trong các vấn đề nóng hiện nay, hiện tượng sương khói đã và đang ảnh hưởng rất lớn tới sức khỏe và cuộc sống của con người chúng ta. Cuộc cách mạng công nghiệp là nguyên nhân chính làm tăng các chất ô nhiễm trong không khí trong suốt ba thế kỉ qua. Trước năm 1950, nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm này là do đốt than đá để sản sinh ra năng lượng, để nấu ăn và để vận chuyển. Trong điều kiện thích hợp, khói và SO 2 được sinh ra từ việc đốt than đá có thể kết hợp với sương mù để hình thành nên dạng gọi là “sương mù công nghiệp” (industrial smog). Ở nồng độ cao, sương mù công nghiệp có thể rất độc đối với con người và các sinh vật sống khác. London là thành phố nổi tiếng thế giói về sương mù công nghiệp. Ngày nay, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, năng lượng hạt nhân, và thủy điện thay vì than đá đã làm giảm đáng kể sự xuất hiện của sương mù công nghiệp. Tuy nhiên, việc đốt các nhiên liệu hóa thạch như gas , xăng dầu có thể gây ra một vấn đề ô nhiễm không khí khác là hiện tượng sương mù quang hóa. Hình 1: Hiện tượng sương khói II.Khái niệm 2.1. Khái niệm sương khói Sương khói là hiện tượng xảy ra do sự kết hợp sương, khói và một số chất gây ô nhiễm không khí khác cộng lại. 4 Sương + khói + một số chất gây ô nhiễm  Sương khói Cho đến nay, người ta ghi nhận đã có hai kiểu sương khói xảy ra: Sương khói kiểu London. Hình 2: Sương khói xảy ra tại London năm 1952 Sương khói kiểu Los Angeles. 2.2. Khái niệm khói quang hóa. Sương khói quang hóa là một hỗn hợp gồm các chất phản ứng và các sản phẩm phản ứng sinh ra các hiđrocacbon, ozone, aldehit và peroxyacetylnitrate (PAN), các oxit nitơ cùng có mặt trong khí quyển dưới tác dụng của các bức xạ Mặt Trời.  Hiện tượng sương khói Los Angeles chính là khói quang hóa. 5 Hình 3: Hiện tượng sương khói quang hóa ở Los Angeles 2.3. So sánh hiện tượng sương khói tại London và Los Angeles Nhân tố London Los Angeles Thời gian Đêm mùa đông Ngày mùa hè Nhiên dụng Nhiệt liệu sử Than đá độ khí -1 – 4oC Xăng, dầu, nhiên liệu hóa thạch… 24 – 32 oC quyển Độ ẩm khí quyển 85% < 70% Tốc độ gió Tầm nhìn Lặng gió < 30m < 5m/h 0.8-1.6 Km Thành phần Hợp chất SO2, CO, bụi chính Hiệu ứng hóa học Khử O3, NOx, CO, chất hữu cơ, PAN Oxi hóa 6 Tác động tới sức Kích ứng đường hô hấp Kích ứng da và mắt khỏe III. Nguyên nhân hình thành khói quang hóa Cuộc cách mạng công nghiệp là nguyên nhân chính làm tăng các chất ô nhiễm trong không khí trong suốt ba thế kỉ qua. Trước 1950, nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm này là do đốt than đá để sản sinh ra năng lượng, để nấu ăn và để vận chuyển. Ngày nay, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, năng luợng hạt nhân và thủy điện, việc đốt các nhiên liệu hóa thạch như gas, xăng dầu có thể gây ra hiện tượng sương mù quang hóa... Hình 4: Cơ chế hoạt động của sương khói quang hóa 7 3.1. Các chất gây ra khói quang hóa và cơ chế hình thành 3.1.1. Các chất gây ra khói quang hóa - Sương khói kiểu London: SO 2, bụi, CO. - Sương khói kiểu Los Angeles: O 3, NOx, PAN, andehyt. Hình 5: Nồng độ các chất gây ô nhiễm trong ngày 3.1.2. Cơ chế hình thành a. Sương khói kiểu Lon Don Do hiện tượng đảo nhiệt gây nên. 8 Hiện tượng đảo nhiệt là vào mùa đông, ban đêm nhệt độ gần mặt đất thường xuống rất thấp, tạo ra một khối không khí lạnh có mật độ cao nằm sát mặt đất và một khối không khí ấm hơn ở bên trên. Ngoài ra còn có một số nguyên nhân sau: + Sương xuất hiện vào thời điểm này quá dày đặc nên khó tan đi. + Một lượng lớn khói đốt lò than bị giữ lại trong tầng khí sát mặt đất. Trong điều kiện các hạt sương phát triển xung quanh các hạt khói, tạo nên hiện tượng sương khói kéo dài và ngày càng trầm trọng hơn do sự tích tụ khói than theo thời gian. Sương tan đi nhờ gió cuấn ra biển bắc SO2 và các hạt lơ lửng trong khói than tạo nên hiệu ứng Syner gism và là các tác nhân gây hại chính của sự cố sương khói Lon Don. SO2 + các hạt lơ lửng  axit sulfuric Hình 6: Sương mù mịt giảm tầm nhìn b. Sương khói kiểu Los Angeles 9 Sự tạo thành khói quang hóa có thể diễn ra theo cơ chế sau: RCH3  hv RCH 3 (hidrocacbon hoạt tính) NO và NO 2 giữ vai trò quan trọng về hóa học của sự ô nhiễm không khí. Nguồn phát sinh chủ yếu là do quá trình đốt cháy: 2NO + O2 = 2NO2 Sự quang phân của NO2 khởi đầu cho sự hình thành sương mù quang hóa. NO dạng chiếm ưu thế (về lượng) của NOx, phản ứng với O 2 để tạo thành NO 2 Lượng nhỏ NO 2 này gây ra các phản ứng tiếp theo thông qua sự phân hủy của nó, hình thành nên chu trình quang phân NO 2. NO2 + h → NO + O Ở đây hv kí hiệu cho một photon năng lượng bị hấp thụ bởi nitơ oxit, gây ra sự phân hủy NO2 thành NO và O. Nguyên tử oxy được giải phóng phản ứng với phân tử O2 để tạo ra ozon. O + O2 + M → O 3 + M M là một phân tử thứ ba (thông thường là O 2 hay N2 vì chúng có nhiều trong không khí) hấp thụ năng lượng thừa từ phản ứng để ngăn chặn phản ứng phân hủy O3 thành O và O 2. 10 Hình 7: Bộ phận xả thải của phương tiện giao thông Chú thích: Hình 8: Sơ đồ hoạt động của sương khói + Photochemical reaction: phản ứng quang hóa + Photochemical: oxidant- , oxidant consisting of ozon- Quang hóa: chất oxy hóa, oxy hóa bao gồm ozon + Oil tank: thùng dầu + Gas station: trạm gas + Nitrogen oxides: nito oxit +Ult rayviolet rays: + Nitric oxide: + Nitrogen oxide: 11 Phải có nguồn tạo ra các nitơ oxit (NOx) và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) (VOC là "những chất hóa học phản ứng được với nitơ oxit trong khí quyển, dưới tác dụng của tia cực tím (của ánh nắng) tạo thành sương mù,có chứa ozon (O 3), alđehyt, peoxyt axetyl nitrat và một lượng nhỏ các chất oxy hóa). HNO3, CO, các nitrat hữu cơ, aldehit và peroxyacetylnitrate (PAN) O3 và các chất oxy hóa quang hóa.Vì thế cơ chế hình thành nên sương mù quang hóa cũng là cơ chế hình thành nên các hợp chất trên, đồng thời đó là các điều kiện khiến các hợp chất này có thể tồn tại trong khí quyển.Trong điều kiện thích hợp, các hợp chất tham gia vào sự hình thành sương mù quang hóa có thể tạo thành các hạt nhân hình thành nên aerosols Hình 9: Sơ đồ hoạt động sinh ra các khí thải Chú thích: + Motor Venhicles, VOC- Cotaining Products, etc: động cơ oto và các sản phẩm sinh ra VOC + Volatile Organic Compounds (VOCs): các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi + Ground- level Ozon, Fine Particulates: ozon, ở mức mặt đất hạt mịn 12 + Nitrogen Oxides: nito oxit + Motor Vehicles: xe có động cơ + Power Plants, Industrial Activities, etc. các nhà máy điện, các hoạt động công nghiệp,.. 3.2. Các nhân tố ảnh hưởng tới khói quang hóa 3.2.1. Khí hậu. Vào mùa đông: nhiệt độ quá thấp thường kéo theo hiện tượng sương mù (smog) . Vào mùa hè: nhiệt độ lên cao, ánh nắng mặt trời kết hợp với nhiên liệu chưa cháy hết của các phương tiện tham gia giao thông. Mưa có thể làm giảm bớt sương mù quang hóa vì các chất ô nhiễm được rửa trôi khỏi không khí cùng với nước mưa. Gió có thể thổi sương mù quang hóa đi và thay thế nó bằng không khí trong lành. Tuy nhiên, lượng chất ô nhiễm bị thổi đi có thể gây ô nhiễm ở những khu vực xa hơn. 3.2.2. Địa hình Ở trung tâm thành phố hoặc các khu đô thị lớn thường sẽ dễ sinh ra hiện tượng sương khói do: + Mật độ dân cư đông. + Nhà cửa xan xát nhau => Khiến cho sương càng khó tan ra khi gặp các khí thải khiến nó càng bị quấn vào. Gây ảnh hưởng lớn cho cuộc sống của con người. 3.2.3. Nồng độ các chất gây ô nhiễm * Nồng độ SO2 trong khí quyển SO2 trong không khí ~ 10mg/m 3 (tiêu chuẩn ~ 0.3mg/m 3). Vượt mức tiêu chuẩn cho phép khá lớn. Hầu hết lượng SO2 trong khí quyển đều bị oxy hóa tạo thành sunfat: SO2  SO42 Đó là quá trình oxi hóa nhờ chất xúc tác và oxi quang hóa *Nồng độ NOx Là một trong những nguyên nhân chính ảnh hưởng tới môi trường. Một trong các phản ứng đặc trưng của khí quyển vùng đô thị có chứa NO x là sự tạo thành 13 lượng lớn Ozon. Ngoài ra trong không khí còn một loạt các phản ứng khác liên quan giữa NO 2 và CO. Gồm các hợp chất như NO2, NO, N2O… Nguồn : đốt cháy nhiên liệu ở nhiệt độ cao, phương tiện giao thông và quá trình đốt cháy tại chỗ. * Các hạt bụi lơ lửng, CO, PAN( các nitrat hữu cơ )… PAN (Peroxyacytyl nitrate) - C2H3O5N PAN là một hóa chất độc hại là một thành phần quan trọng của sương khói, một chất khí ở nhiệt độ và áp suất bình thường. Công thức hóa học của nó là C 2H3O5N. PAN phân tử được cấu tạo từ carbon, oxy, hydro, và các nguyên tử nitơ. Thông qua sự kết hợp của các hợp chất khác khi có ánh sáng mặt trời. Một thành phần của PAN là nitơ dioxide (NO2), mà xuất phát từ ống xả của xe ô tô và xe tải, các nhà máy điện đốt thanvà các quá trình công nghiệp khác. Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC), bay ra không khí như khói từ xăng, sơn, dung môi và thuốc trừ sâu . Một loạt các phản ứng chuyển hóa các chất hữu cơ bay hơi thành các hợp chất khác. Các hợp chất này sau đó kết hợp với oxy và nitrogen dioxide để tạo thành PAN. 3.2.4. Thời gian trong ngày Thời gian trong ngày là một yếu tố rất quan trọng về lượng sương mù quang hóa xuất hiện: + Vào lúc sáng sớm, giao thông làm tăng lượng thải của các oxit nitơ và VOCs khi chúng ta lái xe đi làm. + Vào khoảng giữa buổi sáng, lượng xe cộ lưu thông giảm, các oxit nitơ và VOCs bắt đầu phản ứng và hình thành NO 2, làm tăng nồng độ của nó. + Khi mà ánh sáng mặt trời trở nên gắt hơn vào lúc trưa, NO 2 bị phá vỡ và sản phẩm phụ của nó được sinh ra và làm tăng nồng độ O 3 trong không khí. Cùng lúc đó, một số phân tử NO 2 được sinh ra có thể phản ứng với các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi để sinh ra các hóa chất độc hại như PAN (Peroxyacyl nitrate).Khi mặt trời lặn, việc sản sinh ra O 3 tạm thời ngừng lại. Lượng O3 mà còn tồn tại trong không khí được tiêu thụ bởi một vài phản ứng khác nhau. 3.3. Tác hại của khói quang hóa 3.3.1. Tác động tới con người - Ảnh hưởng lớn tới hệ hô hấp của con người. + Hen xuyễn, viêm phế quản, ho và tức ngực 14 + Làm tăng sự nhạy cảm đối với các lây nhiễm về đường hô hấp + Làm giảm chức năng của phổi - Gây hạn chế tầm nhìn, dễ xảy ra tai nạn khi tham gia giao thông. - Ảnh hưởng tới công việc và học tập - Gây viêm nhiễm và ung thư phổi VD: Ở London vào thế kỷ XIX được xem là thời kỳ mãnh liệt của sườn mù với tên gọi là “súp đậu”. Đỉnh điểm là năm 1952, sương mù tối sầm cả đường phố và giết chết khoảng 4000 người trong 4 ngày ( và hơn 8000 người chết những ngày sau đó). 3.3.2. Tác động đến sinh vật - Lớp ozon ở tầng mặt đất có thể gây hủy hoại lá cây. - Giảm sự phát triển, khả năng sinh sản, mất khả năng tự vệ trước các loại. côn trùng cũng như chống lại bệnh tật. - Chết hoại: hiện tượng tất cả các mô phía trên và phía dưới lá Hình 10: Lá cây bị bệnh do tác động của khói quang hóa 3.3.3. Tác động tới các vật liệu Ozon dễ dàng phản ứng với những loại vật liệu hữu cơ, làm tăng sự hủy hoại ở cao su, tơ sợi, nilong, sơn và thuốc nhuộm . IV. Hiện trạng và giải pháp 15 4.1.Tại Việt Nam. Vào thời điểm cuối mùa hè năm 2011, một số tỉnh thành ở nước ta cũng chịu cảnh sương khói mù mịt gây ảnh hưởng tầm nhìn và sức khỏe của người dân. *Hiện trạng + Vào cuối mùa vụ người dân đốt rơm rạ, khiến cho khói bụi bay theo hướng gió lan vào trung tâm thành phố. + Khói thải của các phương tiện giao thông cơ giới và các nhà máy sản xuất. + Kết hợp với hiện tượng sương xuống vào buổi chiều tà => gây ra sự lắng quyện giữa sương và khói, sương giữ khói lại khiến cho khói rất lâu sau đó mới thoát ra khỏi không khí. *Giải pháp: + Cần có nhiều biện pháp nhằm hỗ chợ người nông dân, giúp họ có thể sử dụng rơm rạ vào nhiều việc khác có ích hơn thay vì đốt gây ra một lượng CO2 lớn cho bầu khí quyển. + Cần xây dựng nhiều nhà máy sản xuất sạch, hạn chế bụi gây ra ô nhiễm khí. + Tuyên truyền để người dân sử dụng các phương tiện thân thiện với môi trường như xe điện, xe đạp, đi bộ và xe bus công cộng. Giảm thiểu lượng xe con, xe cá nhân tránh gây ra hiện tượng sương khói mỗi khi giờ cao điểm để sức khỏe và cuộc sống của người dân được đảm bảo. + Trồng nhiều cây xanh giúp không khí được trong lành hơn.  Gần đây nhất là vụ sương khói ở Trung Quốc, một quốc gia rất gần với chúng ta. Nếu chúng ta không phòng tránh ngay thì chắc chắn sẽ rơi vào tình trạng như vậy. Thiệt hại về tài sản, sức khỏe và tính mạng con người. 4.2. Trên thế giới. * Hiện trạng: Trên thế giới hiện nay, phần lớn phuwong tiện sử dụng là oto và xe máy. Hai phương tiện này cũng gây ra một lượng khí thải khá lớn. Mà trái đất của chúng ta đang dần nóng lên. Khiến cho hiện tượng sương khói có thể xảy ra bất cứ khi nào. * Giải pháp: Ở các quốc gia có nhiệt độ thấp vào mùa đông, nên sử dụng thiết bị sưởi hợp lý, cắt giảm các nghành công nghiệp gây khói. Tránh sử dụng than và các nguyên liệu hóa thạch quá mức vì nếu lạm dụng chúng, chúng vừa gây hại cho môi trường mà còn gây ra sự cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên. 4.3. Cách phòng chống 16 Giảm các khí thải từ các động cơ : + Thiết bị chuyển đổi-xúc tác (catalytic converters) trong các ống bô xe là một cách để giảm lượng CO và NO sinh ra + Chất xúc tác được sử dụng là Platin hoặc hợp chất của Platin và Rodi + Giảm các khí thải từ các nhà máy: Các nhà máy phải có các hệ thống xử lý khí thải đạt tiêu chuẩn, các ống khói phải đủ độ cao. + Phải tìm kiếm và khuyến khích việc sử dụng các nguồn năng lượng sạch. + Đối với các quốc gia và các tổ chức quốc tế: cần có các luật định, các hiệp ứơc qui định cụ thể về vấn đề này. V. Nhận xét Môi trường đang ngày càng bị ô nhiễm, có rất nhiều nguyên nhân gây ra tuy nhiên khói quang hóa là một hiện tượng có thể xảy ra bất cứ lúc nào mà ta không thể lường trước được. Tài liệu tham khảo: 1. PGs. Ts Đặng Kim Chi (2006), Hóa học môi trường, nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật (Trang 42-48). 2. Ths. Nguyễn Thị Minh Sáng- Ts.Lê Thanh Huyền, “Giáo trình ô nhiễm môi trường”, Đại học tài nguyên và môi trường Hà Nội. (Trang 40-44) 3. Sinh viên đại học nông lâm Thành phố Hồ Chí Minh, “Bài tiểu luận biến đổi khí hậu” 4. Và một số hình ảnh được sử dụng trên mạng internet. 5. Tài liệu của cô giáo. 17 18