Giáo trình Ô tô và ô nhiễm môi trường - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH
Nguyễn Bá Thiện

GIÁO TRÌNH

Ơ TƠ VÀ Ơ NHIỄM MƠI TRƯỜNG
(LƯU HÀNH NỘI BỘ)

Quảng Ninh- 2017


LỜI NÓI ĐẦU
Để đáp ứng kịp thời yêu cầu của nhiệm vụ đào tạo, Trường ĐHCN Quảng
Ninh tổ chức biên soạn cuốn giáo trình Ơ tơ và ơ nhiễm mơi trường. Sách được dùng
làm tài liệu giảng dạy và học tập cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô
tô trong nhà trường và làm tài liệu tham khảo cho những người làm công tác kĩ thuật
trong ngành ô tơ, kỹ thuật viên thiết kế.
Trong q trình biên soạn chúng tôi đã rất cố gắng để cuốn sách đảm bảo
được tính khoa học, hiện đại và gắn liền với thực tế về sự phát triển của ngành
công nghiệp sản xuất ơ tơ. Nhưng do khả năng có hạn và những hạn chế về thời
gian và những điều kiện khách quan khác, cuốn giáo trình chắc chắn sẽ khơng
tránh khỏi những khiếm khuyết.
Chúng tơi mong nhận được ý kiến đóng góp của các bạn đọc và đồng
nghiệp để lần tái bản sau được hồn chỉnh hơn.

Nhóm tác giả


CHƢƠNG 1
Ô TÔ – NGUỒN Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG KHÔNG KHÍ

1.1 Khái niệm chung về khơng khí và ơ nhiễm khơng khí
1.1.1 Đặc điểm của khí quyển
Khí quyển hay mơi trường khơng khí là lớp vỏ khí bao bọc xung quanh Trái Đất. Nó
được cấu tạo bởi những đơn chất và hợp chất hóa học khác nhau. Đặc điểm nổi bật của khí
quyển là hầu hết các nguyên tố đều tồn tại ở trạng thái khí; trong đó hai ngun tố chính là
Nitơ và Oxy ln ở trạng thái phân tử tự do (N2 và O2). Thành phần các chất trong khơng
khí khơ, chưa bị ơ nhiễm (khơng khí sạch) cách bề mặt Trái đất khoảng vài km được trình
bày trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Hàm lượng trung bình của khơng khí khơ chưa bị ơ nhiễm.
Tên chất

Cơng thức phân tử

% thể tích

Tổng trọng lượng trong
khí quyển (triệu tấn)

Nitơ

N2

78,08

386.480.000

Oxy

O2

20,91

118.410.000

Argon

Ar

0,93

65.500.000

Cacbon dioxit

CO2

0,035

2.330.000

Neon

Ne

0,0018

63.600

Heli

He

0,0005

3.700

Mêtan

CH4

0,00017

4.300

Kripton

Kr

0,00014

14.600

Nito oxit

N2O

0,00005

1.900

Hydro

H2

0,00005

180

Ozon

O3

0,00006

200

Nito dioxit

NO2

0,001

8

Cacbon monoxit

CO

0,10

500

Sulfua dioxit

SO2

0,001

11

Khí quyển có ranh giới phía dưới là bề mặt thủy quyển, thạch quyển và ranh giới
phía trên là khoảng khơng giữa các hành tinh. Khí quyển Trái đất được hình thành từ hơi
nước, từ các chất khí thoát ra từ thủy quyển và thạch quyển. Thời kỳ đầu, khí quyển chủ
yếu gồm hơi nước, amoniac, mêtan, các loại khí trơ và hidro. Dưới tác dụng của ánh sáng
mặt trời, hơi nước bị phân hủy thành oxy và hydro. Oxy tác động với amoniac và mêtan
tạo ra khí N2 và CO2. Quá trình cứ tiếp diễn, một lượng H2 nhẹ mất vào khoảng khơng vũ
trụ, khí quyển cịn lại chủ yếu là hơi nước, Nitơ, CO2 và một lượng nhỏ Oxy.
1


Thành phần khí quyển hiện nay của Trái đất khá ổn định về phương nằm ngang và
phân lớp theo phương thẳng đứng. Phần lớn khối lượng (5.10 5 tấn) của khí quyển tập trung
ở các tầng thấp: tầng đối lưu và tầng bình lưu. Mặc dù chỉ chiếm khoảng 0,05% khối lượng
thạch quyển, nhưng khí quyển có vai trị rất quan trọng đối với đời sống sinh vật và sự cân
bằng khí hậu tồn cầu.
Thơng thường trong tầng đối lưu, thành phần các chất khí chủ yếu tương đối ổn
định, chỉ có nồng độ CO2 và hơi nước dao động mạnh. Lượng hơi nước thường thay đổi
theo thời tiết từ 4% thể tích vào mùa nóng ẩm tới 0,4% vào mùa khơ. Ngồi ra trong khơng
khí ở tầng đối lưu cịn có một lượng nhất định khí SO2 và bụi.
Trong tầng bình lưu ln tồn tại q trình hình thành và phá hủy ozôn. Hiện nay, do

hoạt động của con người, lớp khí ozơn có xu hướng mỏng dần.
Khơng khí bao quanh con người là khơng khí ẩm. Nó gồm khơng khí khơ, hơi nước,
các chất độc hại, các loại bụi vũ trụ, bụi Mặt đất, vi khuẩn, nấm, virut, phấn hoa, khí phóng
xạ, các loại chất hữu cơ và vơ cơ dễ bay hơi….
1.1.2 Cấu trúc của khí quyển
Khí quyển có nhiều tầng, nhiều lớp khác nhau, được mở rộng đến độ cao khoảng
1000km rồi chuyển dần vào không gian khơng có khơng khí. Nhiệt độ khí quyển thay đổi
từ -920C đến 17000C. Cứ lên cao 100m thì nhiệt độ giảm 0,60C.
Khí quyển Trái đất có cấu trúc phân lớp, với các tầng đặc trưng từ dưới lên trên:
tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng trung gian, tầng nhiệt, tầng điện ly
Tầng đối lưu (Troposphere) là tầng thấp nhất của khí quyển. Nó chiếm khoảng 70%
khối lượng khí quyển, có nhiệt độ thay đổi giảm dần từ +40 0C ở lớp sát mặt đất tới -500C ở
trên cao. Ranh giới phía trên của tầng đối lưu khoảng 7-8 km ở hai cực và 16-18 km ở
vùng xích đạo. Trong tầng này ln có sự chuyển động đối lưu của khối khơng khí bị nung
nóng từ mặt đất. Tầng đối lưu là tầng có mật độ khơng khí cao nhất và tập trung nhiều nhất
hơi nước, bụi, là tầng luôn xuất hiện các hiện tượng thời tiết như mây, mưa, tuyết, mưa đá,
bão v.v.. Giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu có một lớp khơng khí dày khoảng 1km, ở đó
có sự chuyển đổi xu hướng từ giảm nhiệt theo chiều cao sang xu hướng tăng nhiệt độ theo
chiều cao. Lớp này được gọi là đối lưu hạn.
Tầng bình lưu (Stratosphere): nằm trên tầng đối lưu, với ranh giới trên dao động
trong khoảng độ cao 50km. Nhiệt độ không khí của tầng bình lưu có xu hướng tăng dần
theo chiều cao, từ -560C ở phía dưới đến -20C ở phía trên. Khơng khí tầng bình lưu lỗng
hơn, ít chứa bụi và ít xảy ra các hiện tượng thời tiết bất thường. Ở độ cao khoảng 25km
trong tầng bình lưu tồn tại một lớp khơng khí giàu ozơn thường được gọi là tầng ozơn.
Tầng ozơn có chức năng như một lá chắn bảo vệ cho Trái đất tránh khỏi những ảnh hưởng
độc hại của tia tử ngoại từ mặt trời chiếu xuống.
Tầng trung gian (Mesosphere): nằm ở phía trên tầng bình lưu kéo dài đến độ cao
khoảng 80km. Nhiệt độ tầng này giảm dần theo độ cao, từ -20C ở phía dưới đến -920C ở
lớp trên. Tầng trung gian ngăn cách với tầng bình lưu bằng một lớp khơng khí mỏng
(khoảng 1km), ở đó sự biến thiên nhiệt độ của khí quyển chuyển từ dương sang âm gọi là

bình lưu hạn.
2


Tầng nhiệt (Thermosphere): có độ cao từ 80km đến 500km. Ở tầng này nhiệt độ
khơng khí có xu hướng tăng dần theo độ cao, từ -920C đến 12000C . Tuy nhiên, nhiệt độ
khơng khí cũng thay đổi theo thời gian trong ngày, ban ngày thường rất cao và ban đêm thì
thấp hơn. Lớp chuyển tiếp giữa trung quyển và nhiệt quyển gọi là trung quyển hạn.
Tầng điện ly nằm ở độ cao từ 800km trở lên. Nhiệt độ tầng này lên đến 17000C. Do
tác động của tia tử ngoại, các phân tử khơng khí lỗng trong tầng bị phân hủy thành các ion
dẫn điện và các điện trở tự do. Tầng điện ly là nơi xuất hiện cực quang và phản xạ các sóng
ngắn vơ tuyến.
Cấu trúc tầng khí quyển được hình thành do kết quả của lực hấp dẫn và nguồn phát
sinh khí từ bề mặt Trái đất, có tác động to lớn trong việc bảo vệ và duy trì sự sống trên Trái
đất.
1.1.3 Khái niệm về ơ nhiễm khơng khí
Khơng khí là một trong các yếu tố quan trọng và không thể thiếu để con người cũng
như động thực vật sinh sống. Sức khỏe và tuổi thọ của con người, sự sinh trưởng và phát
triển của các loài động thực vật phụ thuộc rất nhiều vào: thành phần hỗn hợp của khơng
khí, vào độ trong sạch và đặc tính lý hóa của nó.
Khơng khí trong khí quyển mà chúng ta đang hít thở là một hỗn hợp các chất ở dạng
khí có thể tích hầu như khơng đổi và hơi nước.
Ngồi các thành phần chính của khơng khí sạch đã nêu trên, bất kỳ sự có mặt của
một chất lạ nào khác gây biến đổi thành phần không khí, tạo ảnh hưởng xấu đến sức khỏe
con người cũng như đến môi trường sinh thái cũng được gọi là chất ô nhiễm. Như vậy các
chất phát tán vào không khí từ nhiều nguồn khác nhau như SOx, NOx, bụi, các chất hữu cơ
bay hơi… là các chất ô nhiễm. Khơng khí chứa các chất ơ nhiễm được gọi là các chất bị ơ
nhiễm.
Ơ nhiễm khơng khí và sự lan truyền của nó có thể biểu thị bằng sơ đồ trình bày trên
Trong sơ đồ trên thì:

- Nguồn ơ nhiễm được hiểu là nguồn thải ra các chất ô nhiễm. Ví dụ, khí thải từ ống
khói, khí thải từ xe cộ, đốt than, đốt dầu… Nó chủ yếu được phân thành nguồn ô nhiễm tự
nhiên và nguồn ô nhiễm nhân tạo.
- Khí quyển được coi là mơi trường trung gian để vận chuyển chất ô nhiễm từ nguồn
gây ô nhiễm tới nguồn tiếp nhận chất ô nhiễm. Tại đây chất ơ nhiễm cịn có sự chuyển hóa.
Q trình chuyển hóa khá phức tạp và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố.
- Nguồn tiếp nhận ô nhiễm là con người, động vật, thực vật và các đồ vật, các cơng
trình xây dựng trên bề mặt Trái đất. Để nghiên cứu ảnh hưởng của ơ nhiễm khơng khí đến
nguồn tiếp nhận cần có kiến thức về sinh lý học, sinh vật và y học.
1.1.4 Các chất gây ơ nhiễm khơng khí
Như đã nêu những chất gây biến đổi thành phần khơng khí làm cho nó trở lên khơng
sạch hoặc gây ra mùi khó chịu hay làm giảm tầm nhìn xa được gọi là các chất gây ơ nhiễm
khơng khí.

3


Các nguồn thải trên Trái đất hàng ngày phát tán vào khí quyển một lượng lớn các
chất gây ơ nhiễm. Để dễ nghiên cứu người ta phân thành các chất ô nhiễm thể khí, ô nhiễm
không khí do bụi, ô nhiễm khơng khí do mùi hơi và ơ nhiễm nhiệt.
1.1.4.1 Các chất ơ nhiễm thể khí
a. Thán khí (CO2, dioxid carbon)
CO2 là chất cấu tạo bình thường của khí quyển. Nồng độ của nó trong khí quyển liên
tục tăng, chủ yếu do việc dùng nhiên liệu hóa thạch để tạo năng lượng. Thông thường cứ
12g C khi bị đốt cháy tạo ra 44g CO2, từ đó có thể thấy lượng CO2 phát tán vào khí quyển
là rất lớn. Nó là chất không thường xuyên gây ô nhiễm sơ cấp, nhưng lại là tác nhân quan
trọng gây ô nhiễm thứ cấp.
b. Monoxid carbon, CO
Trong điều kiện tự nhiên, CO có hàm lượng rất nhỏ, khoảng 0,1 ppm. Nguồn gốc
phát sinh ra CO chủ yếu là do hoạt động của núi lửa, q trình lên men ở mơi trường khí

hiếm, sấm chớp, cháy rừng, đốt nhiên liệu, than đá. Khí CO có nhiều tác động khác nhau
đến sinh vật. Nếu nồng độ CO quá cao sẽ gây hại cho thực vật vì nó ngăn chặn q trình hơ
hấp. Động vật máu nóng rất mẫn cảm với CO vì CO kết hợp với hemoglobin, tạo thành
carboxyhemoglobin, làm các tế bào thiếu oxy gây ngạt thở. Hít khơng khí ơ nhiễm
6,4×1000ppm CO trong vịng 2 phút gây nhức đầu và chống váng, trong vịng 15 phút có
thể bất tỉnh và tử vong. Liều 100ppm CO được xem là giới hạn tối đa cho phép.
c. Hydrocarbon, CnHm
Thực vật là nguồn tạo ra CnHm lớn nhất trong tự nhiên. Còn nguồn nhân tạo là do
phương tiện vận tải, khai thác dầu mỏ cũng như lò sưởi dùng dầu căn (fuel). Sự cháy
khơng hồn tồn các hợp chất CnHm không no sẽ tạo ra peroxy-acyl-nitrates (PAN).
Trường hợp khơng khí bị ơ nhiễm CnHm gặp nắng nhiều sẽ gây nên sương mù quang hóa
(Smogs photochimiques). Ngồi ra q trình cháy khơng hồn tồn sẽ tạo ra chất CnHm đa
vòng dễ gây ung thư như benzo-3,4-pyrene, benzanthracene…
d.Andehyt
Andehyt là hợp chất rất độc và gây kích thích có trong khơng khí quanh các nhà máy
lọc dầu, trong khí thải của các phương tiện giao thơng, quanh lị đốt rác…
e. Dioxid lưu huỳnh, SO2
Núi lửa là nguồn tự nhiên chủ yếu tạo ra SO2. Một phần lớn SO2 thải vào không khí
là do hoạt động của con người, như đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, than đá, dầu FO (fuel
Oil). Ngành luyện kim và điều chế axit sulfuric cũng thải ra SO2
SO2 thải vào khơng khí có thể biến đổi thành SO3 và axit sulfuric. Nó là một nguyên
nhân tạo ra mưa axit ở nhiều vùng trên thế giới. SO2 cũng rất độc với thực vật và động vật.
f. Hợp chất của Nitrogen
Các oxit nitơ (NO và NO2) là những chất ô nhiễm sơ cấp sinh ra từ quá trình khai
thác dầu mỏ, sản xuất công nghiệp và hoạt động của các phương tiện giao thơng. Nó có thể
kết hợp với các loại khí khác dưới tác dụng của phản ứng quang hóa tạo ra chất gây ơ
nhiễm thứ cấp.
g. Ozơn (O3)
4

Là một chất cấu tạo khí quyển. Nồng độ O3 tăng dần theo độ cao và đạt trị số tối đa
trong tầng bình lưu, khoảng 18-35km. Tại tầng đối lưu, sự ơ nhiễm khơng khí làm gia tăng
lượng O3 ở gần mặt đất. Trong khi đó q trình ơ nhiễm có nguyên nhân từ việc sử dụng
các hợp chất chứa CFC, đốt nhiên liệu lại làm giảm O3 trong tầng bình lưu.
1.1.4.2 Ơ nhiễm khơng khí do bụi
Bụi được hiểu là một tập hợp nhiều hạt, có kích thước khác nhau, tồn tại lâu dài
trong khơng khí dưới dạng bụi bay hoặc bụi lắng.
Bụi bay có kích thước từ 0,001-10μm như tro, muội, khói và những hạt rắn được
nghiền nhỏ.
Bụi lắng có kích thước lớn 10μm. Loại bụi này thường rơi nhanh xuống mặt đất
hoặc lơ lửng cách mặt đất khoảng 1,5m.
Bụi được tạo ra từ những nguồn tự nhiên như động đất, núi lửa, bão bụi… Hoặc
những nguồn nhân tạo như: giao thơng vận tải (hạt mài, bồ hóng, bụi chì, cao su, nhựa
đường…); cơng nghiệp (bụi hóa học, xi măng, thạch anh, than đá, bụi kim loại, bụi gỗ, bụi
hỗn hợp…)
Bụi có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của thực vật và cuộc sống của con người
cũng như các lồi động vật khác.
1.1.4.2 Ơ nhiễm khơng khí do mùi
Thực chất các chất gây ô nhiễm mùi hôi đều là các loại khí độc gây ơ nhiễm mơi
trường khơng khí. Các chất gây mùi đều phát sinh từ các quá trình tự nhiên (các quá trình
phân hủy, lên men) và hầu hết các hoạt động kinh tế xã hội (công nghiệp, nông nghiệp,
giao thông vận tải, dịch vụ thương mại) các hoạt động sinh hoạt của con người (đun nấu,
chăn nuôi…)
Các chất gây mùi xuất hiện do các nguồn thải ra và q trình phát tán chúng trong
khí quyển. Các chất gây mùi dễ nhận biết nhờ khứu giác, nhưng rất khó xác định nó là chất
gì.
1.2 Ảnh hƣởng của ơ tơ đến mơi trƣờng khơng khí
1.2.1 Một số vấn đề chung
Các phương tiện vận tải hiện giữ vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế xã

hội của mỗi quốc gia, nhưng nó cũng góp phần không nhỏ gây ô nhiễm môi trường sinh
thái.
Ảnh hưởng chủ yếu do hoạt động của các phương tiện giao thông vận tải đến mơi
trường là gây ơ nhiễm khơng khí, gây ồn, rung động và bụi. Khí thải phát tán từ các
phương tiện vận tải chiếm tỷ trọng lớn so với các nguồn phát thải khác trong việc gây ô
nhiễm khơng khí, như tại Bắc Kinh khí thải do các phương tiện giao thông chiếm 75%, tại
Mannila -70%, tại Kualalampua-86%.
Với các phương tiện vận tải khác nhau, lượng khí phát thải cũng khác nhau. Thí dụ
khi vận chuyển 1 hành khách trên đoạn đường 1km, lượng phát thải Cacbonmonoxit –CO
như sau: Môtô 2 bánh: 4,82g/hk.Km; ôtô con: 6 g/hk.Km; ôtô khách 40 chỗ ngồi:
1,87g/hk.Km
5


Những chất gây ơ nhiễm khơng khí bắt nguồn từ phương tiện vận tải phát tán vào
môi trường là do khí thải hoặc sự bay hơi của nhiên liệu (xăng, dầu dieze). Các chất ô
nhiễm đặc trưng là : CO, HC, NOx…Các phương tiện vận tải ước tính đã tải ra môi trường
khoảng hơn 85% Cacbonmonoxit–CO, hơn 40% oxit nitơ-NOx, 50% Hydrocacbon-HC,
15%dioxitcacbon-CO2, 5% SO2 và các hợp chất hữu cơ tổng hợp bay hơi khác (VOC).
1.2.2 Ơ nhiễm khơng khí do khí xả, khí lọt và nhiên liệu bay hơi
Có ba nguồn chính sinh ra những chất gây ơ nhiễm khơng khí từ phương tiện vận
tải: Khí xả, khí lọt và nhiên liệu bay hơi (hình 1.4)
Các hợp chất Hydrocacbon (HC) được tạo ra từ cả ba nguồn, còn CO và NOx chỉ
xuất hiện trong khí xả của động cơ.
a. Khí xả
Khí xả là sản phẩm cháy từ trong buồng đốt của động cơ được thả ra ngồi mơi
trường qua ống xả. Thành phần chất độc hại trung bình trong khí thải khi đốt cháy 1kg
nhiên liệu được thể hiện trong bảng 1.2
Bảng 1.2 Thành phần độc hại trong khí xả
STT

Các thành phần độc hại trong khí xả

Dạng nhiên liệu
Xăng (g)

Diezel (g)

1

CO

200,59

20,81

2

HC

23,28

4,16

3

NOx

15,83

18,01

4

SOx

1,86

7,8

5

Alđehyt

0,93

0,78

6

Khói, bụi

1,00

5,00

7

Pb

0,5

0

Từ bảng trên có thể thấy lượng chất độc hại thải ra khi đốt cháy 1kg nhiên liệu của
động cơ xăng lớn hơn của động cơ diezel- riêng khói đen thì động cơ diezel lại thải ra
lượng lớn hơn động cơ xăng.
Mỗi năm, hoạt động của các phương tiện giao thông vận tải tiêu thụ tới 1,5 triệu tấn
xăng và dầu diezel, tương ứng với lượng khí thải ước tính như trong bảng 1.3
Bảng 1.3. Lượng khơng khí thải ra do các phương tiện giao thông đường bộ
Chất ô nhiễm

Lượng thải (tấn)

CO2

6.000.000
6


CO

61.000

NO2

35.000

SO2

12.000

CnHm

22.000

Nhiên liệu dùng trong động cơ đốt trong hiện nay thường là nhiên liệu lỏng hoặc
nhiên liệu thể khí (hay thể khí hóa lỏng).
Nhiên liệu lỏng được dùng chủ yếu là các sản phẩm được tạo ra từ dầu mỏ (xăng,
diezel) vì loại này có nhiệt trị lớn, ít tro, dễ vận chuyển và bảo quản. Mỗi loại nhiên liệu
lỏng kể trên đều là một hỗn hợp của nhiều loại hydrocacbon có cơng thức cấu tạo khác
nhau nhưng đều có những ngun tố chính sau: Cacbon (C), Hydro (H), đơi khi cịn có cả
một lượng nhỏ Lưu huỳnh (S) và Nitơ (N). Nếu bỏ qua hàm lượng nhỏ của S và N thì có
thể biểu diễn cơng thức hóa học của nhiên liệu lỏng dưới dạng chung CnHm (trong đó, n là
số nguyên tử Cacbon, m là số nguyên tử Hydro).
Khi nhiên liệu lỏng cháy hoàn toàn, sản phẩm cháy chủ yếu gồm CO2 và H2O và N2
(có trong khơng khí). Phản ứng oxy hóa trong trường hợp này có thể viết như sau:
Cn H m  ( n 

m
m
t0
)O2  N 2 
nCO2  H 2O  N 2
4
2

Trong thực tế, trường hợp cháy hồn tồn khó có thể xảy ra vì nó cịn phụ thuộc
vào rất nhiều yếu tố như: thơng số kết cấu động cơ, q trình hình thành và đốt cháy hỗn
hợp nhiên liệu, chế độ làm việc và trạng thái kỹ thuật của động cơ. Khi nhiên liệu cháy

khơng hồn tồn, thành phần của sản phẩm cháy chủ yếu gồm CO2, H2O, CO, HC, NOx
(từ N2 có trong khơng khí):
t
Cn H m  O2  N 2 
CO2  H 2O  Cn H m  CO  NOX  N 2 (dư)
0

Nhiên liệu thể khí được dùng trong động cơ đốt trong thường là khí thiên nhiên
hoặc khí thiên nhiên hóa lỏng. Thành phần chủ yếu gồm các nguyên tử C, H, O tạo nên
được viết dưới dạng tổng quát là CnHmOr và lượng nhỏ N2 và H2S. Nếu lược bỏ thành
phần H2S thì khi cháy hồn tồn phản ứng oxy hóa sẽ là:
Cn H mOr  (n 

m r
m
t0
 )O2  N 2 
nCO2  H 2O  N 2
4 2
2

Khi cháy không hoàn toàn:
Cn H mOr  (n 

m r
t0
 )O2  N 2 
CO2  H 2O  CO  Cn H mOr  NOX  N 2 (dư)
4 2

So với nhiên liệu lỏng thì nồng độ CO, HC, NOx phát sinh khi dùng nhiên liệu khí
nhỏ hơn nhiều.
7


- Oxit cacbon (CO)
CO là khí khơng màu, khơng mùi vị, là thành phần độc hại đặc trưng của khí thải.
CO sinh ra do q trình cháy khơng hồn tồn của hỗn hợp cháy vì thiếu oxy (hỗn
hợp đậm) nên một phần C của nhiên liệu chỉ được chuyển hóa thành CO:
1
C  O2  CO  124019kJ
2

Ngoài ra, CO còn sinh ra do các nguyên nhân khác như:
- Sự cháy khơng đều của khí hỗn hợp;
- Do nhiệt độ xung quanh vùng thành xilanh thấp;
- Do phản ứng (2CO + O2=2CO2) diễn ra chậm nên không thể biến đổi tất cả
lượng CO thành CO2.
Nồng độ CO trong khí xả phụ thuộc đáng kể vào hệ số dư khơng khí  hoặc tỷ lệ
khơng khí – nhiên liệu trong hỗn hợp cháy.
Từ đồ thị hình 1.5 cho thấy để giảm nồng độ CO trong khí xả thì tỷ lệ khí – nhiên
liệu càng nhạt càng tốt ( 1).
Hình 1.5 và 1.6
Ở chế độ chạy chậm khơng tải (khí hỗn hợp đậm) nồng độ CO trong khí xả là lớn
nhất. Ở chế độ tải trung bình (bướm ga mở khoảng 40-70%) thì hàm lượng CO trong khí
xả ở mức nhỏ. Ở chế độ tải trọng cực đại (dấn ga đột ngột) hỗn hợp cháy đậm hơn, hàm
lượng CO trong khí xả lại tăng.
Trạng thái kỹ thuật động cơ cũng có ảnh hưởng rất lớn đến lượng CO trong khí xả.
Khi trạng thái kỹ thuật tốt, q trình cháy hồn hảo lượng CO có thể giảm 20-30%.
CO gây cản trở việc vận chuyển oxy từ máu tới các tế bào, nó đặc biệt nguy hiểm

đối với thai nhi và người mắc bệnh tim. Nếu lượng CO ở trong máu vượt quá mức thì
những người yếu tim sẽ bị tăng thêm căng thẳng, những người đau thắt ngực sẽ bị tăng
thêm thời gian đau. Tiếp xúc với CO ở mức cao sẽ dẫn đến suy giảm thị lực, khả năng học
tập và hiệu suất cơng việc.
- Hydrocacbon (HC)
HC gây kích thích thành bên trong của các cơ quan hơ hấp, ngồi ra cịn gây ra hiện
tượng sương mù quang hóa làm cản trở tầm nhìn, kích thích mắt và bị coi là ngun nhân
gây ra bệnh ung thư và tàn lụi rừng.
8


Sự hình thành HC trong động cơ đốt trong là do những nguyên nhân sau:
+ Sự dập tắt màng lửa khi tiếp xúc với thành buồng cháy tạo ra một lớp hỗn hợp
khơng bị bén lửa hay cháy khơng hồn toàn trên các bề mặt tiếp xúc. Hiện tượng này xảy
ra lớn nhất ở chế độ không tải hay tải nhỏ.
+ Hỗn hợp cháy chứa trong các không gian chết, không cháy được do màng lửa bị
dập tắt. Các không gian chết chủ yếu là khe hở giới hạn giữa sécmăng và pittông với
xilanh, không gian quanh nấm và đế supáp, không gian quanh cực trung tâm của
bugi…Các không gian này được xem là nguyên nhân chủ yếu phát sinh HC.
+ Hơi nhiên liệu được hấp thụ vào màng dầu bôi trơn trong thành xilanh, khi cháy
hết nhiên liệu, sự giải phóng hơi nhiên liệu từ màng dầu bơi trơn bắt đầu. Trong q trình
đó, một phần hơi này sẽ hịa trộn với khí cháy ở nhiệt độ cao và bị oxy hóa; một phần khác
hịa trộn với khí cháy ở nhiệt độ thấp và khơng bị oxy hóa, do vậy làm tăng lượng HC.
+ Q trình cháy khơng hồn toàn do độ đậm đặc của nhiên liệu, do sự thay đổi góc
đánh lửa sớm hay khi thay đổi tốc độ.
Khi hỗn hợp cháy đậm (1), lượng HC trong khí thải tăng vì cháy khơng hồn
tồn do thiếu oxy. Nếu hỗn hợp cháy quá nhạt (1) sẽ làm chậm sự lan truyền của ngọn
lửa và làm giảm hiệu suất của q trình cháy dẫn đến lượng HC trong khí thải tăng.
+ Sự trùng lặp thời điểm đóng mở supáp nạp và thải. Trong q trình làm việc của
động cơ có thời điểm cả supáp nạp và supáp thải đều mở làm một lượng HC bị hút ra khỏi

buồng cháy. Hiện tượng này được coi là “lọt khí do nổ sớm đóng muộn supáp”.
+ Sự hình thành lớp muội than trong buồng cháy cũng góp phần làm gia tăng lượng
HC. Sự hấp thụ và giải phóng HC ở lớp muội than cũng giống như với màng dầu.
Ngồi ra HC cịn sinh ra do một phần nhỏ hỗn hợp khí ở sát thành xilanh chỉ cháy
một phần hoặc không cháy hết đã xả ra khỏi xilanh. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lượng
HC do thành phần này đóng góp cịn lớn hơn so với lượng HC tạo ra do quá trình cháy.
- Các ơxit nitơ (NOx)
NOx có thể đi sâu vào phổi, gây kích thích mắt mũi họng. Nếu nồng độ NOx khí
quyển ở mức cao thì sẽ gây ho, đau đầu chóng mặt và có thể hư hại phổi.
NOx có ảnh hưởng lớn đến sự sống của thực vật khi nồng độ đủ lớn.
Diôxit nitơ (NO2) gây việc gia tăng lây nhiễm đường hô hấp, làm nghẽn thở ở người
mắc bệnh hen và giảm chức năng của phổi.
Các dạng ôxit nitơ (NOx) cũng góp phần gây lắng đọng axit làm hỏng cây cối và
tăng độ axit ở ao, hồ, sông, suối làm tổn hại nghiêm trọng đến hệ sinh thái dưới nước.
NOx là tên gọi chung của các ôxit nitơ, chúng được tạo bởi N2 và O2 ở điều kiện
nhiệt độ cao. Các chất này đặc trưng là NO, NO2, N2O.
9


Trong họ NOx thì NO chiếm tỷ lệ lớn nhất. NO hình thành chủ yếu do N2 trong
khơng khí nạp vào động cơ (trong nhiên liệu sử dụng như xăng hay diezel chứa rất ít N 2
nên ảnh hưởng của chúng đến sự hình thành NOx là khơng đáng kể).
cao
N 2  O2 t
 2 NO
0

Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy.
Chú ý: Các phân tử N2 rất ổn định ở điều kiện bình thường. Chỉ khi nhiệt độ khoảng
trên 18000C và nồng độ O2 cao mới có thể làm N2 kết hợp với O2 để tạo ra NO. Nếu nhiệt

độ không cao hơn 18000C thì N2 và O2 sẽ bị thải ra ngồi. Do vậy, cách tốt nhất để giảm
lượng khí thải NOx là làm giảm nhiệt độ trong buồng cháy xuống dưới 18000C hoặc giảm
thời gian xuất hiện nhiệt độ cao.
Nồng độ NO2 trong động cơ đánh lửa cưỡng bức so với NO là rất nhỏ, nhưng ở
động cơ diezel thì có đến 30% NOx ở dưới dạng NO2. NO2 được hình thành từ NO và chất
trung gian của sản phẩm cháy:
NO  HO2  NO2  OH

N2O chủ yếu hình thành do các chất trung gian NH và NCO khi chúng tác dụng với
NO:
NH  NO  N2O  H

NCO  CO  N 2O  CO

Nồng độ NOx trong khí thải phụ thuộc đáng kể vào tỷ lệ khơng khí- nhiên liệu (hệ
số dư khơng khí )
Nồng độ NOx sinh ra lớn nhất khi tỷ lệ khí- nhiên liệu khoảng 16:1 (hệ số dư khơng
khí   1,1
Nếu tỷ lệ này lớn hơn 16:1, nồng độ NOx giảm vì hỗn hợp nhạt, sự cháy diễn ra
chậm ngăn cản nhiệt độ trong buồng cháy đạt tới giá trị cực đại.
Nếu tỷ lệ này nhỏ hơn 16:1, nồng độ NOx giảm vì hỗn hợp đậm, nồng độ O2 thấp
(hình 1.8).
Nồng độ NOx cịn phụ thuộc vào hệ số khí sót. Khí sót có mặt trong hỗn hợp là do
khí cháy của chu trình trước cịn sót lại trong xilanh. Khi lượng khí sót tăng làm giảm
nhiệt độ cháy dẫn đến giảm nồng độ NOx nhưng lại làm giảm tính kinh tế và tăng lượng
HC.
Ở động cơ xăng, nồng độ NOx sinh ra còn phụ thuộc vào thời điểm đánh lửa sớm
hay muộn, vì thời điểm đánh lửa sẽ làm thay đổi nhiệt độ trong buồng cháy (hình 1.9). Khi
tăng góc đánh lửa sớm, làm tăng nồng độ NO trong khí xả.
10

Nồng độ NOx tăng lên đáng kể khi bướm ga mở hồn tồn.
Đối với động cơ diezel, khi giảm góc phun sớm, điểm bắt đầu cháy lùi gần điểm
chết trên hơn, điều kiện hình thành NO cũng trễ hơn và nồng độ của nó giảm do nhiệt độ
cực đại thấp. Tuy nhiên, trong trường hợp này độ khói và nồng độ CO trong khí xả lại
tăng.
- Chì (Pb)
Chì xuất hiện trong thành phần khí xả của phương tiện giao thơng là do xăng pha
chì (để tăng trị số oocstan của xăng nhằm chống cháy kích nổ). Chì trong khơng khí có thể
lắng đọng vào đất và nước, và từ đó thâm nhập vào cơ thể con người qua thức ăn và nước
uống.
Chì là một loại độc tố và trẻ em là đối tượng dễ bị tổn thương nhất. Chì có ảnh
hưởng đến rất nhiều bộ phận trong cơ thể con người, dễ thấy nhất là ảnh hưởng tới sự phát
triển của hệ thần kinh (làm giảm chỉ số thông minh IQ). Ngồi ra, cịn có những ảnh
hưởng khác như: giảm chức năng vận động của các giác quan, suy giảm chức năng của
thận, tăng huyết áp.
Khi sử dụng xăng pha chì, người ta thường bổ sung thêm chất lọc chì và chất này
cũng được xả hết ra ngồi khơng khí. Đáng chú ý nhất là chất êtylen- đibrơmua vì nó có
thể gây ung thư cho động vật và con người.
Vì những tác hại nêu trên, ngày nay người ta sử dụng xăng khơng pha chì (lượng chì
trong xăng nhỏ hơn giới hạn cho phép).
- Bụi hạt (PM)
Bụi hạt hình thành do các hạt cứng lẫn trong nhiên liệu, dầu bôi trơn,…thải trực tiếp
ra khơng khí, hoặc do q trình biến đổi khí thải như SO2, NO2. Đặc tính lý hóa của PM
thay đổi theo thời gian, khu vực, thời tiết.
Ở nồng độ cao, bụi hạt có ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người, làm giảm tầm
nhìn và hủy hoại các hệ sinh thái. Thành phần của bụi hạt như H2SO4, HNO3 góp phần gây
lắng đọng axit.
Bụi hạt ảnh hưởng đến sức khỏe con người ở các dạng: chết yểu, trầm trọng thêm

bệnh tim mạch, bệnh hô hấp, hen xuyễn ở mọi lứa tuổi khác nhau.
Bụi hạt thường có ở hai dạng: hạt nhỏ thô và hạt mịn.
Hạt nhỏ thô, như silicat và bụi lơ lửng, loại bụi này dễ gây bệnh hô hấp, hen xuyễn.
Hạt mịn chứa bụi axit, sunphat, nitrat, kim loại chuyển hóa, khói thải diezel, loại bụi
hạt mịn có liên quan trực tiếp tới các bệnh tim, phổi, chết yểu.
- Khí thải diezel

11


Khí thải diezel được hiểu là các hạt cacbon tự do hình thành trong quá trình cháy
thiếu oxy và thải ra ngồi ở dạng khói đen.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng khí thải diezel là chất có khả năng gây ung thư cho
con người. Nhiều quốc gia đã xếp khí thải diezel vào danh sách các chất “có thể gây ung
thư” hoặc “tiềm ẩn gây ung thư”, đồng thời khuyến cáo rằng “cần phải có những nỗ lực
khẩn cấp để giảm khí thải từ động cơ diezel, đặc biệt là bụi hạt”.
Trong khí thải diezel, bụi hạt mịn chiếm khoảng 20% khối lượng, những hạt mịn
này rất dễ thâm nhập sâu vào phổi.
-Các chất thải khác
SO2 xuất hiện trong khí thải do lưu huỳnh trong thiên nhiên khi cháy bị oxy hóa.
Thành phần này chiếm tỷ lệ nhỏ trong khí thải động cơ. Ở nồng độ cao, SO2 gây kích thích
các màng nhày của hệ thống hơ hấp và gây viêm phế quản, hen, xuyễn, đồng thời là tác
nhân tạo mưa axit.
Alđêhyt (R-CHO) tạo ra trong quá trình cháy khơng hồn tồn. Mặc dù nồng độ của
chúng trong khí thải không lớn nhưng độ độc hại rất cao.
b. Nhiên liệu bay hơi
Đó là khí HC bốc hơi từ thùng chứa nhiên liệu, từ chế hịa khí vào khơng khí và từ
sự rò rỉ nhiên liệu trong hệ thống cung cấp nhiên liệu.
c. Khí lọt
Khí lọt gồm khí hỗn hợp đã cháy và khí hỗn hợp chưa cháy lọt qua khe hở giữa

pittông và thành xilanh xuống cácte dầu và thốt ra khí quyển qua ống thơng gió cácte
Ngồi việc gây ơ nhiễm bởi các loại khí thải, phương tiện vận tải sử dụng động cơ
khi hoạt động đều gây ra tiếng ồn, rung động và va đập, chúng gây cảm giác khó chịu cho
con người.
1.2.3 Ơ nhiễm thứ cấp
a. Hiệu ứng nhà kính
Như đã biết, phần lớn năng lượng của các tia bức xạ mặt trời có bước sóng nhỏ hơn
0,3μm (tia tử ngoại) bị khí oxy và ozon hấp thụ. Nếu khơng có sự hấp thụ này thì nhiều
sinh vật trên trái đất đã bị hủy diệt do bức xạ tử ngoại quá lớn. Hơi nước có bức xạ lớn
nhất khi tia nhiệt có bước sóng lớn hơn 18μm. Khí cacbonic hấp thụ lớn nhất khi tia nhiệt
có bước sóng với dải sóng 13-18μm (bước sóng giữa dải là 15μm) và 2,7-4,3μm. Trong
khoảng bước sóng 7-12μm,bức xạ nhiệt sóng dài dễ dàng thốt vào khơng trung và được
gọi là cửa sổ bức xạ của khí quyển.
Bức xạ từ bề mặt trái đất là sóng dài có năng lượng thấp, dễ bị khí quyển giữ lại làm
tăng nhiệt độ của khơng khí bao quanh trái đất. Các tác nhân gây nên sự hấp thụ bức xạ
12


sóng dài của khí quyển như CO2, CH4, CFC, NO2, bụi và hơi nước được gọi là khí nhà
kính và hiện tượng nêu trên được gọi là “hiệu ứng nhà kính”.
Sở dĩ gọi là “hiệu ứng nhà kính” vì tác dụng của các khí nhà kính trong khí quyển
tương tự như lớp kính của các nhà kính trồng rau xanh trong mùa đơng, bức xạ mặt trời là
sóng ngắn nên dễ dàng xuyên qua lớp kính truyền vào trong nhà kính trồng rau, cịn bức
xạ nhiệt của bên trong nhà kính với nhiệt độ thấp, thuộc loại bức xạ sóng dài, khơng thể
xun qua lớp kính truyền ra ngồi được và kết quả là mơi trường vi khí hậu phía trong ấm
hơn phía ngồi nhà kính.
Nếu khơng có tác động của các khí nhà kính thì nhiệt độ trung bình bề mặt của Trái
đất ước tính khoảng 2550K, tương đương là -180C hay 00F. Khi hiện tượng hiệu ứng nhà
kính xảy ra thì nhiệt độ trung bình của bề mặt trái đất tăng lên. Nếu nồng độ của các khí
nhà kính trong khí quyển tăng thì sẽ làm tăng mức nhiệt độ của bề mặt trái đất từ ấm tới

nóng. Nhiệt độ bề mặt trái đất tăng thì sẽ làm tăng mực nước biển, làm nhiều hệ sinh thái
mất cân bằng và nhiều loại dịch bệnh mới xuất hiện.
Trong số các khí nhà kính thì CO2 chiếm vai trị quan trọng nhất đối với sự biến đổi
khí hậu. Một phân tử khí CFC gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ trái đất tương
đương với 1500 phân tử khí CO2. Tuy nhiên nồng độ khí CO2 trong khí quyển rất lớn nên
nó vẫn có vai trị quyết định đối với biến đổi khí hậu tồn cầu. Nguồn phát thải khí CO 2
nhân tạo chủ yếu do các q trình đốt cháy nhiên liệu. Đặc tính của những khí gây hiệu
ứng nhà kính chủ yếu được thể hiện ở bảng 1.4.
Bảng 1.4 Đặc tính của những khí gây hiệu ứng nhà kính chủ yếu
CO2

CH4

Nồng độ hiện
nay

354
ppm

1,7
ppm

310
ppb

Mức gia tăng
hàng năm
(%)

0,5

1

Mức độ gây
hiệu ứng nhà
kính(%)

50

Thời gian tồn
tại (năm)

50-200

Khả năng
hấp thụ bởi
phân tử

N2O

CFC 11

CFC 12

20-40
ppb

280 ppt

484 ppt

0,25

0,5-1

4

7

16

6

8

20

20

10

150

0,1

60

120

21

206

2000

12400

15800

13

O3


Ghi chú: ( ppm: 10-6, ppb:10-9, ppt:10-12)
b. Hiện tƣợng mƣa axit
Trong khí quyển có chứa các loại khí ơ nhiễm như SO2 và NOx. Các loại khí này
hịa tan với hơi nước tạo ra các hạt axit sunfuric, axit nitơric và các muối kim loại. Khi trời
mưa, nước mưa mang theo những hạt axit trên tạo thành mưa axit.
Sự chuyển hóa thành axit do q trình oxy hóa trong pha khí được thể hiện theo các
phương trình phản ứng sau:
2NO + O2  2NO2
2NO + H2O  HNO3 + HNO2
2SO2 + O2  2SO3
SO3 +H2O  H2SO4
Người ta ước lượng khoảng trên 30% là sự tham gia của NOx vào các trận mưa axit
(trên 60% do SO2). Ở một số nơi trên thế giới, người ta gọi mưa axit là “thần chết trên
khơng trung) vì nó gây nguy hại rất lớn cho loài người. Những trận mưa axit gây nhiều
hậu quả khác nhau:
- Axit hóa và làm nghèo đất, kéo theo làm hư hại lớn đối với rừng.

- Những sự cố về sức khỏe của người vì sự làm ơ nhiễm nguồn nước với kim loại
gây độc (chì, nhơm…)
- Làm hư hại các cơng trình bằng xi măng và các kết cấu kim loại
Mưa axit làm tăng tính axit của Trái đất, làm hủy diệt rừng và mùa màng, gây nguy
hại đối với sinh vật dưới nước, nguy hại đối với người và động vật. Đồng thời nó cịn làm
han gỉ nhà cửa, cầu cống và các cơng trình lộ thiên. Người ta đã ước lượng thiệt hại do
mưa axit gây ra trên toàn thế giới mỗi năm là 1450 triệu USD.
Hiện tượng mưa axit có nhiều khả năng xảy ra tại các khu vực có nhà máy nhiệt
điện lớn, có khu luyện kim, luyện dầu và cơng nghiệp hóa chất lớn đang hoạt động.
c. Suy giảm tầng ozơn
Khí ozơn có tác dụng che chắn khơng cho các tia tử ngoại cực ngắn chiếu xuống trái
đất. Vì vậy người ta gọi tầng ozơn trong khí quyển là cái “ơ bảo vệ” sự sống trên trái đất.
Trong thiên nhiên khí ozơn luôn bị phân hủy và luôn được tái tạo, giữ được sự tồn
tại vĩnh cửu và có tác dụng hấp thụ bức xạ tử ngoại. Một số năm gần đây các nhà khoa học
đã phát hiện thấy nồng độ ozôn trong khí quyển ở cực Nam bán cầu của trái đất đã bị suy
giảm do sự tăng trưởng sử dụng chất chlorfluorocacbon (CFC) và chlorfluoromethane
(CFM).

14


Hợp chất cacbon florua thường được gọi là florua metan hay CFM, hay là “freon”.
Freon-12 thường được dùng làm chất trao đổi nhiệt trong các bình nén khí thuộc kỹ thuật
làm lạnh. Chúng là khí trơ đối với các phản ứng hóa học, lý học thơng thường, nhưng khi
chúng được tích lũy ở tầng cao khí quyển, dưới tác dụng của các tia bức xạ tử ngoại CFC
và CFM đã làm thoát ra nguyên tử clo. Mỗi một nguyên tử clo lại phản ứng dây truyền với
100.000 phân tử ozôn và biến ozơn thành oxi.
Vì vậy sự giảm 40% nồng độ ozôn ở cực Nam trái đất hiện nay (mầm mống của lỗ
thủng tầng ozơn) có thể là do con người đã sử dụng nhiều chất CFC và CFM.
Các máy bay siêu âm bay ở độ cao lớn, thải ra nhiều khí NOx cũng gây nguy hiểm

cho tầng ozơn. Các hợp chất halogen hữu cơ, như là tetraclometan (CCl 4), metyl clorofom
(CH3Cl), metyl bromua (CH3Br)… cũng được liệt vào các chất tương tự CFM.
Trong tầng bình lưu của khí quyển ln ln xảy ra phản ứng quang hóa phân hủy
phân tử CFC và tạo ra nguyên tử clo. Nguyên tử clo là chất xúc tác phân hủy ozôn theo
phản ứng sau đây:
Cl + O3 ClO + O2
ClO + O  Cl + O2
Như vậy theo các phản ứng trên thì khí O3 sẽ mất đi, cịn khí clo ln tồn tại và tiếp
tục phá hủy tầng ozơn. Theo tính tốn dự báo của một số chuyên gia thì cứ giảm 1% lượng
ozơn trong tầng bình lưu sẽ làm tăng khoảng 2% bức xạ tử ngoại có hại chiếu trên mặt trái
đất. Tăng bức xạ tử ngoại chiếu trên mặt trái đất sẽ làm tăng bệnh ung thư da, bệnh khô
mắt và rối loạn cơ chế miễn dịch đối với con người và làm rối loạn hệ sinh thái biển cũng
như đời sống thực vật trên mặt trái đất. Nếu tầng ozôn tiếp tục bị suy giảm, lỗ thủng tầng
ozôn sẽ hình thành và càng mở rộng thì đến một lúc nào đó bức xạ tử ngoại chiếu xuống
trái đất sẽ đạt tới giới hạn làm chết nhiều sinh vật, trong đó có thể gồm cả con người.
Hội nghị quốc tế tại Viên năm 1985 đã ra công ước Viên về bảo vệ tầng ozơn. Các
hóa chất làm suy yếu tầng ozôn đã được xác định tại hội nghị quốc tế Montreal năm 1987
và được bổ sung thêm tại hội nghị ở Luân Đôn năm 1990 và hội nghị ở Copenhaghen
năm 1992. Theo biên bản của các hội nghị trên thì các hóa chất làm suy yếu tầng ozơn cần
phải được kiểm soát là: chlorfluorocacbon (CFC), halon, methylchloroform, cacbon
tetrachloride, hydrochlorfluorocacbon (HCFC), hydrobromofluorocacbon (HBFC) và
methylbromit.
Ngày 26-1-1994 Việt Nam đã chính thức phê duyệt và tham gia công ước Viên về
bảo vệ tầng ozôn.
Hiện nay tại một số nước công nghiệp phát triển đã có luật cấm sử dụng khí freon12 trong cơng nghiệp làm lạnh, để bảo vệ tầng ozơn trong khí quyển.
1.3 Xác định khối lƣợng các chất ô nhiễm
15


Để đánh giá được mức độ ơ nhiễm khơng khí từ các nguồn thải gây ra cần phải

thống kê nguồn thải. Thống kê bao gồm các nội dung: xác định vị trí và số lượng nguồn
gây ơ nhiễm, xác định tổng lượng và loại lượng chất ô nhiễm, xác định mức tiêu thụ nhiên
liệu hàng ngày hoặc hàng năm của các nguồn tập trung, nguồn không tập trung, nguồn
giao thông vận tải và các nguồn khác. Đồng thời thống kê các nguồn bốc hơi gây ô nhiễm
khác.
Khi đã xác định được những chất ơ nhiễm có trong một khu vực hoặc tại một
nguồn, thì có thể xác định được khối lượng chất ơ nhiễm gây ra bằng cách tính theo phản
ứng hóa học, hoặc theo hệ số ơ nhiễm.
1.3.1 Theo phản ứng hóa học
Dựa vào thành phần của nhiên liệu đốt, định mức tiêu hao nhiên liệu của các động
cơ, máy móc… Chúng ta có thể tính được thành phần và lượng chất ô nhiễm sinh ra bằng
các phản ứng hóa học. Trên cơ sở số liệu thống kê của các nhiên liệu đốt theo chu kỳ thời
gian (ví dụ: tổng lượng tiêu thụ xăng dầu, than đá…hàng năm), sẽ tính được tổng lượng ơ
nhiễm phát sinh.
1.3.1.1 Đối với nhiên liệu rắn và lỏng
Thành phần của các nhiên liệu rắn và lỏng bao gồm: cacbon, hydro, oxy, nitơ, lưu
huỳnh, độ tro và độ ẩm. Các thành phần của nhiên liệu được biểu diễn bằng phần trăm
trọng lượng và tổng các thành phần bằng 100%.
C + O + H + N + S + A + W = 100%
Trong đó:

A: ký hiệu của độ tro
W: ký hiệu của độ ẩm.

Các thành phần khác được ký hiệu theo các chữ cái đầu của tên gọi.
Khi đốt 1kg nhiên liệu lỏng, các thành phần cacbon, hydro và lưu huỳnh chuyển
thành CO2, H2O, và SO2 theo các phương trình phản ứng sau:
 Đối với cacbon
- Khi phản ứng cháy hoàn toàn:
C + O2  CO2

Hoặc: 12kg C + 32kg O2 sinh ra 44kg CO2 + 8.100kcal/kg C
- Khi phản ứng cháy khơng hồn tồn:
C + 1/2O2  CO
Hoặc: 12kg C + 16kg O2 sinh ra 28kg CO + 2.440kcal/kg C.
 Đối với khí hydro
2H2 + O2  2H2O,
16


Hoặc: 4kg H2 + 32kg O2 sinh ra 36kg H2O + 34.200 kcal/kg H2.
 Đối với lưu huỳnh
S + O2  SO2,
Hoặc: 32kg S + 32kg O2 sinh ra 64kg SO2 + 2.600kcal/kg S.
Dựa trên phản ứng cháy, chúng ta có thể xác định được lượng oxy cần cho quá trình
cháy, từ đó tính tốn được lượng khơng khí cần cung cấp cũng như lượng sản phẩm cháy
do 1 kg nhiên liệu tạo ra.
Ví dụ: Tính tổng lượng SO2 sinh ra trong quá trình vận hành của một động cơ ô tô
chạy bằng dầu diezen. Biết thành phần lưu huỳnh trong dầu chiếm 0,3% khối lượng và
lượng dầu mà ô tơ đó sử dụng trong 1 năm là 5.103 tấn. coi như phản ứng cháy xảy ra đạt
hiệu suất 100%.
Giải:
Thành phần lưu huỳnh chứa 0,3% khối lượng dầu Diezen, vậy cứ 100kg dầu có 0,3
kg lưu huỳnh, hay cứ 1 tấn dầu chứa 3 kg lưu huỳnh.
Tính lượng lưu huỳnh trong dầu mà ô tô đốt trong 1 năm:
3kg/tấn x 5.103tấn = 15 tấn lưu huỳnh.
Khi đốt lưu huỳnh, phản ứng cháy xảy ra như sau:
S + O2  SO2.
Theo phản ứng trên: cứ 32kg S cháy sinh ra 64 kg SO2.
Vậy, 15 tấn lưu huỳnh khi cháy sẽ sinh ra lượng SO2 là:
15.000  64

 30.000 kg SO2 = 30 tấn SO2/năm.
32

 Ngồi ra, chúng ta có thể dựa vào các phương trình phản ứng hóa học để xác định
được lượng oxy cần cho q trình cháy, từ đó tính tốn được lượng khơng khí cần cung
cấp cũng như các sản phẩm cháy do 1kg nhiên liệu thải ra, trong đó chủ yếu là các yếu tố
độc hại làm ô nhiễm môi trường.
Các công thức tính sản phẩm cháy ở điều kiện tiêu chuẩn (t = 00C, p = 760 mmHg)
được thể hiện như sau (‫)٭‬:
- Lượng khơng khí khơ lý thuyết cần cho q trình cháy (Vlt ):
Vlt  0,089C + 0,264H  0,0333(O  S), m3/kg.
- Lượng khơng khí ẩm lý thuyết ( ở điều kiện t = 300C,   65%, d  17g/kg) cần
cho quá trình cháy (Va):
Va  (1 + 0,0016d) Vlt , m3/kg.
17


- Lượng khơng khí ẩm thực tế với hệ số thừa khơng khí   (1,2 ÷ 1,6) (Vtt):
Vtt  Va , m3/kg.
- Lượng khí SO2 trong sản phẩm cháy ( VSO )
2

3

VSO2  0,683.102 S , m /kg.

- Lượng khí CO trong sản phẩm cháy (VCO) với hệ số cháy khơng hồn tồn về
hóa học và cơ học  (  0,01÷0,05):
VCO  1,865.102C , m /kg.
3

- Lượng khí CO2 trong sản phẩm cháy ( VCO )
2

VCO2  1,853.102 (1   )C , m /kg.
3

- Lượng hơi nước trong sản phẩm cháy ( VH O )
2

3

VH2O  0,111H  0,0124W  0,0016dVtt , m /kg.

- Lượng khí N2 trong sản phẩm cháy ( VN )
2

3

VN2  0,8.102 N  0,79Vtt , m /kg.

- Lượng khí O2 trong khơng khí thừa ( VO )
2

VO2  0,2(  1)Va , m /kg.
3

- Lượng sản phẩm cháy tổng cộng ( VT )
3

VT  VSO2  VCO  VCO2  VH2O  VN2  VO2 , m /kg.

1.3.1.2 Đối với nhiên liệu khí
Nhiên liệu khí bao gồm các thành phần của các chất khí như CO2, CO, N2, H2, H2S,
O2 và các hydro cacbon. Trong các hydro cacbon, CH4 chiếm một tỷ trọng lớn trong nhiên
liệu khí, cơng thức hydro cacbon được xác lập là CmHn.
Trong q trình cháy nhiên liệu khí sinh ra nhiệt lượng. Phương trình phản ứng cháy
của các thành phần trong nhiên liệu khí được thiết lập như sau:
1
H2 + 2O2 = H2O + 2.576 kcal/m3.
1
CO + 2O2= CO2 + 3.016 kcal/m3.
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 8.555 kcal/m3.
C2H4 +3O2 = 2CO2 +2H2O+14.017 kcal/m3.
18


5
C2H2 + 2O2=2CO2 +H2O +13.385 kcal/m3.
3
H2S + 2 O2= SO2 +H2O +5.530 kcal/m3.
……………………………..
Dựa vào các phản ứng này, chúng ta có thể tính tốn lượng khí thải sinh ra theo các
phương trình phản ứng hoặc tính theo các cơng thức dưới đây (‫)٭‬:
 Trường hợp cháy hồn tồn:
- Lượng khơng khí lý thuyết cần cho q trình cháy hồn tồn ở điều kiện chuẩn
(Vlt):


n


3
3
Vlt  0,4760,5CO  0,5H 2  1,5H 2 S   m  Cm H n  O2  , m /m .
4




- Lượng khơng khí thực tế cần cho q trình cháy hồn tồn khi hệ số thừa khơng
khí là  (Vtt):
Vtt = Vlt , m3/m3.
Sản phẩm cháy lý thuyết (cháy hoàn toàn) bao gồm các loại khí CO2, SO2, N2 và hơi
nước (VClt):
3

3

VClt  VCO2  VH2O  VSO2  VN2 , m /m .

Trong đó:

3

3

VCO2  (CO2  CO   mCm H n )102 , m /m .
n



3
3
VH 2O   H 2  H 2 S  H 2O   Cm H n 102 , m /m .
2


3

3

VSO2  H 2 S.102 , m /m .
3

3

VN2  N 2 .102  0,79Vlt , m /m .

Do có hệ số thừa khơng khí  nên lượng sản phẩm cháy thực tế khi cháy hoàn toàn
sẽ là (VCtt):
VCtt  VClt  (  1)Vlt , m /m .
3

3

 Trường hợp cháy không hoàn toàn:
Các thành phần của sản phẩm cháy sẽ được xác định theo các công thức sau với giả
thiết tỷ lệ của khí CO trong sản phẩm cháy là kCO%:
VCO 

kCOVCtt

, m3/m3.
100  0,5kCO

19


3

3

VCO2  (CO2  CO   mCm H n )102  VCO , m /m .
n


3
3
VH 2O   H 2  H 2 S  H 2O   Cm H n 102 ,m /m .
2


3

3

VSO2  H 2 S.102 , m /m .
VN2  N 2 .102  0,79Vlt , m /m .
3

3

VO2  0,21(  1)Vlt  0,5VCO , m /m .
3

3

Hệ thống các công thức trên cho phép tính tốn được lượng phát thải các khí độc hại
như CO2, SO2, CO… cũng như nồng độ của chúng trong các sản phẩm cháy của quá trình
đốt nhiên liệu khí.
1.3.2 Tính theo hệ số ơ nhiễm
Dựa vào hệ số ơ nhiễm khơng khí của các nguồn gây ô nhiễm (đốt nhiên liệu xăng,
dầu, than đá…) để tính tốn tổng lượng các chất ơ nhiễm phát sinh trong q trình cháy.
Dưới đây là một số hệ số ơ nhiễm được xây dựng và áp dụng vào thực tiễn trên Thế
giới và Việt Nam:
 Theo tài liệu của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), phương pháp xác định nhanh
lượng phát thải đối với các loại phương tiện giao thơng được tính theo “hệ số ơ nhiễm
khơng khí” thể hiện ở bảng 1.5 dưới đây:
Bảng 1.5. Hệ số ô nhiễm khơng khí đối với các loại phương tiện giao thông
(WHO, 1993)

Đơn
vị
(Unit)

TSP

SO2

NOx

CO

VOC

1. Xe ca (ô tô con và
xe khách)

1.000km

0,07

1,74S

1,31

10,24

1,29

- Động cơ <1.400cc

Tấn xăng

0,80

20S

15,13

118

14,83

1.000km

0,07

2S

1,13

6,46

0,6

Tấn xăng

0,68

20S

10,97

62,9

5,85

1.000km

0,07

2,3S

1,13

6,46

0,6

Tấn xăng

0,06

20S

9,56

54,9

5,1

Các loại phương tiện

- Động cơ từ 1.400 ÷
2000cc

Các chất ơ nhiễm (kg/U)

20

-Động cơ >2000cc
Trung bình

1000km

0,07

2,05S

1,19

7,72

0,83

1.000km

0,4

4,5S

4,5

70

7

Tấn xăng

3,5

20S

20

300

30

1.000km

0,2

1,16S

0,7

1

0,15

Tấn dầu

3,5

20S

12

18

2,6

1.000km

0,9

4,2S

11,8

6

2,6

Tấn dầu

4,3

20S

55

28

2,6

1.000km

1,6

7,26S

18,2

7,3

5,8

Tấn dầu

4,3

20S

20

20

16

1.000km

1,4

6,6S

16,5

6,6

5,3

Tấn dầu

4,3

20S

50

20

16

1000km

0,9

4,67S

10,3

18,2

4,2

1.000km

0,12

0,36S

0,05

10

6

Tấn xăng

7,6

20S

2,8

550

330

1.000km

0,12

0,6S

0,08

22

15

Tấn xăng

4

20S

2,7

730

500

1.000km

0,76S

0,3

20

3

Tấn xăng

20S

8

525

80

0,57S

0,14

16,7

8

2. Xe tải
- Xe chạy xăng >3,5
tấn
- Xe tải nhỏ, động cơ
diezen< 3,5 tấn
- Xe tải lớn, động cơ
diezen> 16 tấn
- Xe tải rất lớn, động
cơ diezen> 16 tấn
- Xe buýt lớn, động
cơ diezen >16 tấn
Trung bình
3. Xe máy
- Động cơ < 50cc, 2
kỳ
- Động cơ > 50cc, 2
kỳ

- Động cơ < 50cc, 4
kỳ
Trung bình

1000km

0,08

 Ghi chú: S- hàm lượng lưu huỳnh trong xăng dầu
Ví dụ: Tính tổng lượng ô nhiễm CO phát thải trên một tuyến đường dài 3.000 km.
Biết lưu lượng xe trung bình trong 1 giờ trên tuyến đường trên là:
- Ơ tơ con : 620 xe

- Ơ tơ tải : 1.474 xe
21


- Ơ tơ khách : 450 xe

- Xe máy : 21.640 xe

Giải:
Áp dụng hệ số ô nhiễm đối với CO ở bảng 1.5 với trị số trung bình cho 1000km (vì
chúng ta chưa phân loại chính xác từng loại phương tiện giao thơng nên lấy trị sơ trung
bình):
Tổng lượng thải khí CO đối với 1000km cho tất cả các loại phương tiện giao thơng
nói trên là:
MCO  (620 ơ tơ con + 450 ô tô khách) x 7,72kgCO/1000km + 1.474 ô tô tải x
18,2kgCO/1000km + 21.640 xe máy x 16,7kgCO/1000km  x 1 giờ = (8260,4 + 26826,8
+361388) = 396475,2 kgCO/1000km.

Vậy trên tuyến đường 3000km, tổng lượng CO phát thải là:
396.475,2kgCO  3000km
 1.189.425,6kgCO / h
1000km

Bảng 1.6. Hệ số ô nhiễm của xe ô tô ( Henry C. Perkins, 1974)
Chất ô nhiễm

Pound/1000 mile

Pound/1000
gallons gas

Pound/ngày

1. Aldehyde

0,3

4

0,007

2. Cacbon ôxit (CO)

165

2300

4,16

3. Hdro Cacbon (CmHn)

12,5

200

0,363

4. Nitơ ôxit (NOx)

8,5

113

0,202

5. Sulfua dioxit (SO2)

0,6

9

0,016

6. Axit hữu cơ (Acetic)

0,3

4

0,007

7. Bụi

0,8

12

0,022

Bảng 1.7. Hệ số ô nhiễm của các động cơ Diezen ( Henry C. Perkins, 1974)
22


Hệ số ô nhiễm

Chất ô nhiễm

(Pound/1.000gallons dầu Diezen)
1. Aldehyde

10

2. Cacbon ôxit (CO)

60

3. Hdro Cacbon (CmHn)

136

4. Nitơ ôxit (NOx)

222

5. Sulfua dioxit (SO2)

40

6. Axit hữu cơ (Acetic)

31

7. Bụi

110

 Ghi chú: 1 gallon  3,785 lít
1 pound = 0,4535924 kg
1 mile =1,609344 km
1.4 Các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm
1.4.1. Xử lý chất ơ nhiễm trước khi thốt ra ngồi Supáp xả
Để giảm ô nhiễm không khí do khí xả từ các phương tiện giao thơng vận tải thì phải
tìm các biện pháp làm giảm chất ô nhiễm trước và sau khi ra khỏi supap xả và phát tán vào
môi trường. Như vậy việc thiết kế và chế tạo động cơ ngoài các chỉ tiêu về công suất, suất
tiêu hao nhiên liệu và độ bền còn phải quan tâm đến mức độ phát sinh các chất gây ô
nhiễm.
Khi sản xuất lắp ráp các loại phương tiện giao thông vận tải, riêng về lĩnh vực bảo
vệ môi trường cần tuân theo các nguyên tắc chung sau:

- Lựa chọn loại động cơ mà sự phát thải thỏa mãn tiêu chuẩn hiện hành.
- Nồng độ khí thải phải ổn định trong suốt quá trình sử dụng.
- Các kết cấu làm giảm chất ô nhiễm phải đơn giản nhưng có hiệu quả cao.
- Ưu tiên loại động cơ sử dụng nhiên liệu ít gây ơ nhiễm mơi trường.
Để đáp ứng các nguyên tắc nêu trên, các loại động cơ sản xuất trong thời gian gần
đây đã sử dụng nhiều biện pháp khác nhau.
Đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức (động cơ xăng), khi làm việc với hỗn hợp
nghèo (  1,25), thì nồng độ các chất gây ơ nhiễm chính như CO, HC, NOx đều giảm. Để
23