bài giảng hóa học môi trường chương 2 khí quyển

CHƯƠNG 2: KHÍ QUYỂN
2.1. Cấu trúc của khí quyển
Khí quyển là lớp không khí trên bề
mặt trái đất, không có giới hạn, tuy
nhiên so với chiều dày của trái đất (ban
kính trái đất khoảng 6500km) thì nó lại
như một lớp da rất mỏng bao quanh quả
đất.
Khối lượng của khí quyển vào
khoảng 5 x 10
15
tấn, trong đó 99% nằm ở
lớp dưới 30km so với mặt đất do sức hút
của lực trái đất. Trong khí quyển có
khoảng 50 hợp chất hoá học được tạo
nên bởi hàng loạt các phản ứng cân
bằng trong đó.
Khí quyển được chia thành các
tầng dựa trên sự biến thiên nhiệt độ theo
chiều cao (Gradien nhiệt độ), gồm hai
phần chính: phần trong (gồm các tầng
đối lưu, tầng bình lưu, tầng trung gian và
tầng nhiệt) và phần ngoài (gồm tầng
điện ly
2.1.1. Tầng đối lưu (troposphere)
Lớp khí quyển thấp nhất được gọi là tầng đối
lưu, chiếm khoảng 70% khối lượng khí quyển nằm
ở độ cao từ 0 đến 15 km so với mặt biển. Lớp này
được đặc trưng bằng sự giảm nhiệt độ theo chiều
cao (6,4
o

C/km). Hầu như các hiện tượng khí quyển
chi phối đặc điểm thời tiết đều xảy ra trên tầng đối
lưu. Thành phần chủ yếu là khí nitơ, oxy, cacbonic,
hơi nước. Trên lớp đối lưu là lớp chuyển tiếp
(tropopause), lớp này có đặc điểm là nhiệt độ
không đổi theo chiều cao (-55
o
C).
2.1.2. Tầng bình lưu (Statosphere)
Tầng bình lưu là tầng nằm trên tropopause, cách mặt đất
khoảng 15 - 50km, được đặc trưng bằng sự tăng nhiệt độ theo
chiều cao, nhiệt độ từ -56 đến -2
o
C. Thành phần không khí tại
lớp bình lưu giống như thành phần không khí tại mực nước
biển. Tuy nhiên, có hai điểm khác biệt chính là:
+ Nồng độ hơi nước tại tầng bình lưu thấp hơn từ 1000 đến 10.000
lần (khoảng 2-3 ppm).
+ Nồng độ ôzôn cao hơn 1.000 lần so với ở mực nước biển (10
ppm). Tầng này có tên gọi là tầng ôzôn, có vai trò ngăn chặn
tia cực tím từ mặt trời xuống trái đất. zôn đóng vai trò quan
trọng, nó như một lớp màng bao bọc và bảo vệ trái đất khỏi
độc hại của tia tử ngoại.
Vì sự xáo trộn yếu nên các chất hoá học nằm ở tầng này
thường tồn lưu khá lâu. Sự tăng nhiệt độ ở tầng bình lưu được
giải thích là do zôn ở đây hấp thụ tia tử ngoại và toả nhiệt:
O3 + h ( = 220 – 330 nm) → O2 + O + Q
2.1.3. Tầng trung gian (Mesosphere)
Tầng này ở độ cao từ 50 –85 km, nhiệt độ thay đổi từ -2
đến – 92

0
C. Tầng này ngăn cách với tầng bình lưu bằng lớp tạm
dừng, nhiệt độ giảm theo chiều cao. Nguyên nhân do khả năng
hấp thụ tia tử ngoại của O
3
bò giảm (do nồng độ cũng giảm).
Thành phần chủ yếu là O
2
+
, NO
+
, O
+
, và N
2
.
2.1.4. Tầng nhiệt (thermosphere)
Tầng này còn được gọi là tầng ion, ở độ cao từ 85 –100km,
nhiệt độ từ –92 đến 1200
0
C. Do tác dụng của bức xạ mặt trời,
nhiều phản ứng hoá học xảy ra với ôxy, nitơ, hơi nước,
cácbonic… tạo thành các ion như: O
2
+
, NO
+
, O
+
, e

-
, NO
2
+
…
2.1.5. Tầng ngoài hay tầng điện ly (exosphere)
Tầng này bao quanh trái đất ở độ cao trên 800km. Nhiệt độ
tầng này tăng nhanh tới khoảng 1700
0
C. Tầng này có mặt các
ion ôxy O
+
, He
+
, H
+
.
Khí Công thức
Thành phần
(ppm)
Thời gian lưu ở
tầng đối lưu
(năm)
Ni tơ N
2
780,840 6.000000
Ôxy O
2
209,460 4500
Argon Ar 9,340 -

Cacbon đioxit CO
2
315 2 - 4
Nêon Ne 18 -
Hêli He 5,2 -
Mê tan CH
4
1,0 - 1,5 7
Krypton Kr 1,1 -
Nitơ Oxit N
2
O 0,5 200
Hrô H
2
0,5 -
Xênôn Xe 0,08 -
2.2. Thành phần không khí sạch - khô
Trạng thái lít/phút lít/ngày kg/ngày
Nghỉ ngơi
Lao động nhẹ
Lao động nặng
7,4
28
43
10.600
40.400
62.000
12
45
69

Bảng 2.2. Nhu cầu không khí sinh hóa đối với con người
2.3. Ơ nhiễm khơng khí
Nhu cầu cơ bản của con người
• Lương thực: 1.2 kg
• Nước uống: 2-2,5 lit
• Khơng khí
– 10 – 20 m
3
khơng khí mỗi ngày; khi
thiếu KK từ 5 – 7 phút sẽ gây tử vong.
2.4. Phân loại các chất ô nhiễm không khí
2.4.1. Theo nguồn gốc phát sinh
Loại
Chất gây ô
nhiễm sơ cấp
Chất gây ô nhiễm thứ
cấp
Hợp chất chứa lưu
huỳnh
SO
2
, H
2
S SO
3
,H
2
SO
4
, MeSO

4
,
Hợp chất chứa nitơ NO, NH
3
NO
2
, HNO
3

Hợp chất chứa các
bon
C
1
- C
5
Các andehyde, xetôn, axit
hữu cơ
Các oxit các bon CO, CO
2
không
Hợp chất halogen HF, HCl không
2.4.2. Dựa vào trạng thái vật lý
+ Khí như SO2 , NO, H2S, NH3, CO, NO2, SO3
+ Hơi (lỏng) như hơi dung môi hữu cơ
+ Particulate matter: các hạt như bụi, khói, thường có kích thước từ
0,1 đến 100 m.
Dựa vào kích thước hạt, chất ô nhiễm được chia thành phân
tử (hỗn hợp khí - hơi) và aerosol (gồm các hạt rắn, lỏng).
Aerosol được chia thành bụi, khói, sương.
Bụi thô (Dust) - có chứa các hạt có kích thước từ 1 đến 200

m. Chúng có khả năng sa lắng nhanh. Các hạt bụi có kích
thước nhỏ thường có vai trò như một trung tâm xúc tác cho các
phản ứng hóa học xảy ra trong khí quyển.
Khói nhiên liệu (smoke) - sinh ra từ quá trình đốt nhiên liệu,
là các hạt mòn có kích thước từ 0,01 đến 1 m có thể ở dạng
lỏng hoặc khí hoặc hỗn hợp có thể có các màu khác nhau phụ
thuộc bản chất nhiên liệu đốt.
Khói hóa chất (Fumes) - là khói từ các quá trình bay hơi,
ngưng tụ các quá trình sản xuất hóa chất, luyện kim , là các
hạt mòn có kích thước từ 0,1 đến 1 m, thể ở dạng lỏng hoặc
khí hoặc hỗn hợp.
Sương mù (Mist) - là các hạt chất lỏng (nhiều loại) có
kích thước nhỏ hơn 10 m, ngưng tụ trong khí quyển.
Sương mù (Fog) - là các hạt nước có kích thước nhỏ hơn
10 m, ngưng tụ trong khí quyển.
Sol khí (Aerosol) - là các hạt khí rắn hoặc lỏng có kích
thước nhỏ hơn 1 m
- Nồng độ của chất ô nhiễm không khí được biểu thò bằng các
đơn vò:

g/m3; mg/l; mg/m3, g/m3 ; ppm(phần triệu thể tích);
ppb
2.4.3. Tiêu chuẩn chất lượng môi trường không khí xung quanh và khí thải
Tiêu chuẩn chất lượng môi trường là nồng độ giới hạn hoặc tối đa của
các chất ô nhiễm cho phép trong môi trường xung quanh hoặc được phép thải
ra môi trường.
Tiêu chuẩn chất lượng môi trường Việt Nam đã được Bộ Khoa học Công
nghệ và Môi trường (trước đây) ban hành năm 1995 gồm:
STT
Số hiệu tiêu

chuẩn
Tên tiêu chuẩn
1
• TCVN 5937-
1995
• Chất lượng không khí - Tiêu chuẩn chất lượng
không khí xung quanh
2
• TCVN 5938-
1995
• Chất lượng không khí - Nồng độ tối đa cho phép
của một số chất độc hại trong không khí xung
quanh
3
• TCVN 5939-
1995
• Chất lượng không khí - Tiêu chuẩn khí thải công
nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ
4 TCVN 5940-1995
Chất lượng không khí - Tiêu chuẩn khí thải công
nghiệp đối với các chất hữu cơ
 2.5. Nguồn gốc và tác hại của các chất gây ô nhiễm không
khí
 2.5.1. Phân loại các nguồn ô nhiễm không khí
 2.5.1.1. Dựa vào nguồn phát sinh
 Dựa vào nguồn phát sinh có thể chia thành hai nhóm chính:
tự nhiên và nhân tạo.
 - Nguồn tự nhiên
Dưới đây là một số hình ảnh núi lửa phun trào.
1. Ô nhiễm do hoạt động của núi lửa

Hoạt động của núi lửa phun ra một lượng khổng lồ các chất ô nhiễm
như tro bụi, khí SOx NOx, có tác hại nặng nề và lâu dài tới môi trường.
Hơn 4.500 người ở miền Nam Chile phải rời bỏ nhà cửa hơm 3/5, sau khi một núi
lửa phun trào lần đầu tiên trong vòng 9.000 năm trở lại đây, gây động đất nhẹ và
phun khói bụi xuống khu vực xung quanh.
2. Ô nhiễm do cháy rừng
Cháy rừng do các nguyên nhân tự nhiện cũng như các hoạt động
thiếu ý thức của con người, thải ra các chất ô nhiễm như khói, bụi,
khí SOx NOx, CO…
Chỉ trong 5 ngày từ 20 đến 24/6 trên địa phận bang California đã xảy ra 800 vụ
cháy rừng. Hơn 2.600 nhân viên chữa cháy đã được huy động để dập tắt các
đám cháy.
Theo các quan chức địa phương, ngun nhân của những đám cháy rừng này là do
sét đánh, sau đó ngọn lửa lan nhanh và phát triển rộng. Hàng ngàn hec- ta rừng bị
thiêu trụi và nhiều người dân phải sơ tán khỏi vùng hỏa hoạn
3. Ô nhiễm do bão cát
Hiện tượng bão cát thường xảy ra ở những vùng đất trơ và khô không
có lớp phủ thực vật. Ngoài việc gây ra ô nhiễm bụi, nó còn làm giảm
tầm nhìn.
Ngun nhân là một cơn bão cát từ vùng tây bắc Trung Quốc đã tràn xuống Bắc
Kinh. Theo các trung tâm kiểm tra chất lượng khơng khí ở Bắc Kinh sớm nay, lượng
cát bay lơ lửng đã vượt q 1.500 microgram trên mỗi mét khối khơng khí.
"Ra khỏi cửa nhà lúc 6h30, tơi đã tận mắt trơng thấy những chiếc xe hơi phủ một lớp
cát dày. Khơng khí đặc bụi đến mức tơi khơng thể nào thở được", trích lời một cư dân
tại quận Chaoyang.
4. Ô nhiễm do đại dương
Do quá trình bốc hơi nước biển có kéo theo một
lượng muối ( chủ yếu là NaCl) bò gió đưa vào đất
liền. Không khí có nồng độ muối cao sẽ có tác hại
tới vật liệu kim loại.

5. Ô nhiễm do phân hủy các chất hữu cơ trong tự
nhiên
Do quá trình lên men các chất hữu cơ khu vực bãi
rác, đầm lầy sẽ tạo ra các khí như metan (CH4),
các hợp chất gây mùi hôi thối như hợp chất nitơ
(ammoniac – NH3), hợp chất lưu huỳnh (
hydrosunfua – H2S, mecaptan) và thậm trí có cả
các vi sinh vật.
* Nguồn nhân tạo
Nguồn ô nhiễm do hoạt động của con người tạo nên bao gồm:
- Ô nhiễm do sản xuất công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp: ví dụ
các nhà máy sản xuất hóa chất, sản xuất giấy, luyện kim loại, nhà
máy nhiệt điện (sử dụng các nhiên liệu than, dầu …).
- Hoạt động nông nghiệp sử dụng phân bón, phun thuốc trừ sâu
diệt cỏ.
- Dòch vụ thương mại: chợ buôn bán. Các nguồn trên có thể coi là
các nguồn cố đònh.
Tùy vào các nguồn gây ô nhiễm mà trong quá trình hoạt động
thải vào môi trường các tác nhân ô nhiễm không khí khác nhau
về thành phần cũng như khối lượng. Bảng 2.1. đưa ra ví dụ về
nguồn gây ô nhiễm và tải lượng trung bình chất ô nhiễm khí đặc
trưng.
Bảng 2.1. Các chất ô nhiễm chỉ thò và tải lượng trung bình ô nhiễm khí
Nguồn ô nhiễm
Chất ô nhiễm chỉ thò và tải lượng (kg/tấn sản
phẩm)
Bụi SO
x
NO
x

CO THC H
2
S
- Chế biến hải sản 4,0 0,05
- Sản xuất rượu bia 4,0 0,25 1,300 0,35
- Sản xuất giấy 90,0 3,5 5,50 6,00
- Sản xuất sơn 10,0 15,00
- Sản xuất thủy tinh 0,7 1,7 3,10 0,100 0,10
- Đúc kim loại 6,5 0,10
- Đốt nhiên liệu than
cho nhà máy điện, lò
hơi
10,0 19,5xS 9,00 0,500 0,15
- Quá trình đốt dầu 2,6 185,0 7,00 0,025 0,33
- Xe ô tô chạy dầu
(g/km)
0,7-1,0 1,5-1,8 13,00 15-18 2,5-3
2
.
1
.
2
.
Dựa
vào
tính
chất
hoạt
động
Dựa vào tính chất hoạt động có thể chia thành bốn nhóm chính.

- Ô nhiễm do quá trình hoạt động sản xuất : công nghiệp, tiểu thủ
công nghiệp, nông nghiệp.
- Ô nhiễm do giao thông : khí thải xe cộ, tàu thuyền, máy bay
- Ô nhiễm do sinh hoạt: do đốt nhiên liệu phục vụ sinh hoạt, phục vụ
vui chơi giải trí.
- Ô nhiễm do quá trình tự nhiên: bão, núi lửa, do sự phân hủy tự nhiên
các chất hữu cơ gây mùi hôi thối bụi phấn hoa.
2.1.3. Dựa vào đặc tính hình học
- Điểm ô nhiễm : ống khói nhà máy.
- Đường ô nhiễm: đường giao thông.
- Vùng ô nhiễm: khu công nghiệp, khu tập trung các cơ sở sản xuất.
2.1.4. Dựa vào tính chất khuếch tán
- Nguồn thải thấp: gồm nguồn mặt, nguồn đường, nguồn điểm
- Nguồn thải cao: ống khói cao
Bảng 2.2. Các nguồn thải ra các chất ô nhiễm đặc trưng
STT Ngành sản xuất Các chất ô nhiễm đặc trưng
• Nhà máy nhiệt điện, lò nung, nồi hơi đốt
bằng nhiên liệu
• Bụi, SO
x
, NO
x
, CO
x
, hydrocacbon
aldehyt.
• Chế biến thực phẩm
• . Sản xuất nước đá
• . Chế biến hạt điều
• Bụi, mùi

• n, NH
3
(nếu dùng gas ammoniac)
• Bụi, mùi hôi, các phenol
• Thuốc lá • Bụi, mùi hôi, nicôtin
• Dệt, nhuộm • Bụi, hợp chất hữu cơ
• Giấy • Bụi, mùi hôi
• Sản xuất hóa chất
• . Axit sunfuric
• . Superphotphat
• . Amoniăc
• . Keo, sơn, vecni
• . Xà bông, bột giặt
• . Lọc dầu
•
• SO
x
• Bụi, HF, H
2
SiF
6
, SO
3
• NH
3
• Bụi, hợp chất hữu cơ bay hơi
• Bụi, kiềm
• Các hydrocacbon, bụi, CO
x
, SO

x
, NO
x
.
• Sành sứ, thuỷ tinh, vật liệu xây dựng • Bụi, THC, CO
x
, SO
x
, NO
x
, HF
• Luyện kim, lò đúc • Bụi, SO
2
, CO
x
, NO
x
,
• Nhựa, cao su, chất dẻo • Bụi, mùi hôi, dung môi hữu cơ, SO
2
• Thuốc trừ sâu • Bụi, mùi hôi, dung môi hữu cơ, TBVTV
• Thuộc da • Mùi hôi (do các hợp chất sunlfua,
mecaptan, amoniac)
• Bao bì • Mùi hôi của các dung môi hữu cơ, bụi
• Khí thải giao thông • Bụi, chì, NO
x
, SO
x
, CO
x

, hợp chất hữu
cơ
Khí thải do đốt phục vụ sinh hoạt Bụi, THC, CO
x
, SO
x
, NO
x
Bảng 2.3. Đánh giá nguồn thải toàn cầu các chất ô nhiễm không khí
Chất ô nhiễm Lượng thải (triệu tấn/năm)
Nguồn thải tự nhiên Nguồn thải nhân tạo
Bụi
Sơ cấp
Thứ cấp: do
các khí tạo
thành
Muối từ nước biển bay hơi: 908
Bụi đất đá: 182
Động đất, núi lửa, cháy rừng: 7
Tổng cộng: 1097
Sulphát từ H
2
S: 182
Nitrat từ NO
x
: 390
Amonium: 245
Terpenes: 182
Tổng cộng: 999
Tổng cộng: 84

Sulphát từ SO
2
: 133
Nitrat từ NO
x
: 27
Phản ứng quang hóa từ HC: 25
Tổng cộng: 185
SO
2
Thể hiện qua S
Sự phân hủy sinh học H
2
S: 90
Phân hủy sulphat từ nước biển: 40
Tổng cộng: 130
Than: 92
Dầu hỏa: 26
Luyện kim: 14
Tổng cộng: 132
NO
x
NO : 455
N
2
O : 537
Thể hiện qua NO
2
Đốt than đá: 24.4
Hóa dầu: 0.6

Đốt xăng: 6.8
Dầu khác: 12.8
Khí thự nhiên: 1.9
Đốt khác : 1.4
Tổng cộng: 47.9
CO - Sự oxi hóa CH
4
, và
formaldehyde: 3000
- Sự phân giã và
tổng hợp chlorophill : 90
- Phản ứng oxi hóa quang
hóa terpen: 54
- Từ đại dương: 220
Tổng cộng: 3364
Tổng cộng: 400
Hydrocacbons CH
4
: 1450
Terpenes: 170
Tổng cộng: 1620
Tổng cộng: 88
2.2. MỘT SỐ VỤ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT
NAM
Đòa điểm, thời gian Hoàn cảnh Ô nhiễm Tác hại
Thung lũng Meuse (Bỉ),
12.1930
Mùa đông, sương mù,
thung lũng, yên tónh.
Bụi, SO

x
, CO
Sương axit sunfuric
Nhói ngực.
60 người chết
Donora (Hoa Kỳ),
11.1948
Mùa đông, sương mù,
lòng chảo
Bụi, SO
x
, CO
Sương axit sunfuric
Nhói ngực.
22 người chết
LosAngeles (Hoa Kỳ) mùa
hè 1951
Mùa hè , yên tónh, lòng
chảo
NO
x
,các chất oxihóa,
hydrocacbon
400 người chết.
Ngứa mắt dữ dội
Luân Đôn (Anh), 12.1952 Mùa đông, sương mù,
lòng chảo, không gió.
Bụi, SO
x
, CO

Sương axit sunfuric
4000 người chết.
Bệnh nhân bò nhói ngực
Luân Đôn (Anh), 12.1962 Mùa đông, sương mù,
lòng chảo, không gió.
Bụi, SO
x
, CO
Sương axit sunfuric
Nhói ngực.
340 người chết
Yokaichi (Nhật Bản)
6.1963
Mùa hè, sương mù, không
gió
SO
x
, H
2
S
Sương axit sunfuric
Bệnh nhân bò nhói ngực
tăng cao
Tokyo (Nhật Bản) 7.1970 Mùa hè, yên tónh NO
x
,các chất oxihóa,
hydrocacbon
Bệnh nhân bò ngứa mắt
dữ dội tăng cao
11.540 người

Bhopal (n Độ)1984 Liên Hiệp Sản Xuất Phân
Bón
Khí Methyl iso cyanat khoảng 2 triệu người bò
nhiễm độc, 5 nghìn
người chết
• Thảm họa do khói ở Donora, Pennsylvania
(10/1948)
– Là một khu công nghiệp lớn gồm các nhà
máy luyện kim và sản xuất axít
– Trong 5 ngày từ 26 – 31/10/1948: có 20 người
chết và hơn 7000 người bị ốm
– Nguyên nhân không rõ ràng,
– Nồng độ các hợp chất sulfur cao hơn
mức bình thường (SO2, SO3, H2SO4 dạng
bụi)
* Thảm họa Pittsburgh Pelsyllvania (1948)
• Biệt danh: City of Smog
– 2 – 3 tháng cả thành phố bị che phủ bới bồ
hóng và khói
– Vấn đề xã hội → Bổ xung chỉnh sửa luật về
bụi và khói
• Những điều luật này liên quan tới sử dụng một số
loại nhiên liệu
• Hạn chế hoặc cấm hoàn toàn sử dụng đầu máy
hơi nước và chuyển sang sử dụng dầu diesel
Thảm họa ở London
(1952)
• Hơn 4000 người chết (trung
bình 300 người chết/ngày ) và
sau đó đến 1962 có thêm 700

người khác chết
Nguyên nhân được cho là SO2 và
một số loại khí khác tập trung
với nồng độ quá lớn.
Việt Nam ô nhiễm không khí
nói chung chủ yếu do sản xuất
công nghiệp gây ra như khu
công nghiệp Biên Hòa, khu công
nghiệp Thủ Đức, Tân Bình (TP.
Hồ Chí Minh), khu Thượng
Đình, Văn Điển (Hà Nội), khu
hóa chất Việt Trì, nhiệt điện
Ninh Bình trước đây, Xi măng
Hải Phòng hàm lượng các chất
ô nhiễm ở những nơi này cao
gấp nhiều lần so với các khu vực
khác không có công nghiệp.