Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường

Hóa kỹ thuật môi trường
Th.S Trần Nguyễn Vân Nhi
Nha Trang 2014
Nội dung của môn học
- Cấu trúc và thành phần khí quyển, thủy quyển, địa quyển
- Các quá trình hóa học tự nhiên
- Cơ sở hóa học của các phương pháp xác định các chỉ tiêu môi
trường
- Cơ sở của các phương pháp xử lý ô nhiễm môi trường bằng
phương pháp hóa học
Những kiến thức cần trang bị
Cần trang bị:
- Hóa học đại cương
- Hóa phân tích
- Hóa keo
- Biết tra cứu và tìm kiếm tài liệu (thư viện, Internet…)
Cần có:
- Sự hứng thú khám phá môi trường của chúng ta
- Khả năng tham gia thảo luận
- Trung thực trong công việc
Đánh giá kết quả học tập
Kiểm tra giữa học kỳ (50%):
- Báo cáo nhóm
Bài thi cuối khóa (50%):
- Đề thi tự luận
Tài liệu tham khảo
1. GIÁO TRÌNH HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG, Đặng Đình Bạch, Nguyễn Văn Hải, NXB Khoa học
và Kỹ thuật , 2006
2. HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG, Đặng Kim Chi, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2001
3. BÀI GIẢNG HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG, Trần Quang Ngọc, 2012
4. ENVIRONMENTAL CHEMISTRY, Colin Baird, New York, NY : W.H. Freeman, 2008

5. ENVIRONMENTAL CHEMISTRY, John Wright, Routledeg, 2003
6. ENVIRONMENTAL CHEMISTRY, Stanley E. Manahan, Lewis Publishers, 2000
CHƯƠNG TRÌNH
I. Hóa học khí quyển
1. Cấu trúc và thành phần hóa học của khí quyển
2. Các loại phản ứng trong khí quyển – Sự ô nhiễm không khí về mặt hóa học
4. Phương pháp đánh giá và giám sát chất lượng không khí
3. Một số ảnh hưởng toàn cầu của ô nhiễm khí quyển
5. Xử lí khí thải bằng phương pháp hấp thụ
II. Hóa học thủy quyển
1. Chu trình và đặc điểm của nước trong tự nhiên
3. Sự hòa tan của các khí trong nước
2. Hóa học của nước tự nhiên
4. Sự tạo phức chất trong nước tự nhiên và nước thải
5. Ô nhiễm môi trường nước
6. Các chỉ tiêu đánh giá nước thải - các phương pháp xác định các chi tiêu
7. Xử lí các chất ô nhiễm trong nước bằng phương pháp hóa học
III. Hóa học địa quyển
1. Cấu trúc và thành phần hóa học của thạch quyển
2. Những chất dinh dưỡng vi lượng, đa lượng và chu trình NPK
3. Sự ô nhiễm thạch quyển
4. Kiểm soát ô nhiễm đất
I. KHÍ QUYỂN
I. Cấu trúc khí quyển
Tầng nhiệt : độ cao hơn 80 km. Nhiệt độ trong tầng nhiệt tăng lên
theo độ cao do sự hấp thụ bức xạ Mặt trời bởi một lượng nhỏ ôxy
còn sót lại ở đây, nhiệt độ có thể đạt đến 1200°C.
Tầng giữa (trung lưu): nhiệt độ giảm xuống theo sự gia tăng của
độ cao. nằm giữa độ cao tối đa cho máy bay và độ cao tối thiểu cho
các tàu vũ trụ. Tại đáy của tầng trung lưu, áp suất chỉ bằng khoảng

1/1000 của áp suất tại mực nước biển và ở đỉnh của nó
(khoảng 80-95 km) thì áp suất chỉ ở mức một phần triệu. Nhiệt độ ở
phần trên của tầng trung lưu giảm xuống tới khoảng từ -90°C tới
-100°C
Tầng bình lưu : nhiệt độ tăng theo độ cao. Ở trên cùng của tầng
bình lưu nhiệt độ có thể đạt tới -3°C. Tầng bình lưu ấm hơn phần
trên của tầng đối lưu, chủ yếu là do tầng ozon trong tầng bình lưu
hấp thụ bức xạ cực tím của Mặt Trời.
Tầng đối lưu : đặc trưng của tầng này thể hiện ở các dòng đối lưu
của không khí nóng từ bề mặt bốc lên cao và lạnh đi. Lớp khí quyển
này chiếm khoảng 75% tổng khối lượng của toàn bộ khí quyển.
Trong khu vực tầng đối lưu thì không khí liên tục luân chuyển và
tầng này là tầng có mật độ không khí lớn nhất của khí quyển Trái Đất.
Nitơ và oxy là các chất khí chủ yếu có mặt trong tầng này. Cứ mỗi khi
độ cao tăng lên 1.000 m thì nhiệt độ lại giảm trung bình khoảng 6,5°C.
KHÍ QUYỂN
I.1. Tầng đối lưu (troposphere)
I. Cấu trúc khí quyển (tt)
-Chiếm 70 % khối lượng khí quyển
- Độ cao từ 0 đến 11 km (8 km ở 2 cực, 18
km ở xích đạo)
- Nhiệt độ giảm dần theo độ cao (+40°C đến
-50°C)
- Quyết định khí hậu của trái đất
- Thành phần: N
2
, O
2
, CO
2

và hơi nước
Lớp tạm dừng (tropopause):
- Nhiệt độ thấp: - 56°C
- Nghịch chuyển biến thiên nhiệt độ
KHÍ QUYỂN
I.1. Tầng đối lưu (troposphere)
I. Cấu trúc khí quyển (tt)
Phản ứng quan trọng trong tầng đối lưu:
- Phản ứng tổng hợp quang hóa
- Phản ứng cố định nitơ để tổng hợp đạm
KHÍ QUYỂN
I.2. Tầng bình lưu (stratosphere)
I. Cấu trúc khí quyển (tt)
- Độ cao từ 11 đến 50 km
- Nhiệt độ tăng theo độ cao từ -56°C đến -2°C
- Thành phần: chủ yếu là O
3
, ngoài ra còn có N
2
,
O
2
O
3
+ hν (λ : 220 - 330 nm) → O
2
+ O + Q (làm tăng nhiệt độ)
- Phản ứng chủ yếu ở tầng bình lưu là các phản
ứng quang hóa của O
3

, O
2
, NO, NO
2
… sinh ra các
gốc hóa học hoạt hóa.
KHÍ QUYỂN
I.2. Tầng bình lưu (stratosphere)
I. Cấu trúc khí quyển (tt)
Tầng ozon (phía trên đỉnh tầng đối lưu và phần dưới của tầng bình lưu 25-30 km):
lá chắn bảo vệ cho cuộc sống trên bề mặt Trái đất, tránh được tác dụng có hại của tia
tử ngoại từ ánh sáng Mặt trời.
KHÍ QUYỂN
I.3. Tầng trung lưu (mesosphere)
I. Cấu trúc khí quyển (tt)
- Độ cao từ 50 đến 85 km
- Nhiệt độ giảm theo độ cao từ -2°C đến -92°C (do không có nhiều các
phần tử hóa học hấp thụ tia tử ngoại, đặc biệt là ozon)
- Thành phần: chủ yếu là O
2
+
, NO
+
KHÍ QUYỂN
I.4. Tầng nhiệt (thermosphere)
I. Cấu trúc khí quyển (tt)
- Độ cao từ 85 đến 100 km
- Nhiệt độ tăng theo độ cao từ -92°C đến 1200°C
- Thành phần: chủ yếu là O
2

+
, O
+
, O, e
-
, NO
+
, CO
3
2-
, NO
2
-
, NO
3
-
KHÍ QUYỂN
II. Sự hình thành và thành phần của khí quyển
II.1. Sự hình thành khí quyển
CO
2
, N
2
hơi nước
Tia tử ngoại, sấm chớp,
tia phóng xạ
Amino axit,
đường
Các dạng sống
đầu tiên

Hơi nước
Sấm chớp bức xạ Mặt trời
O
2
CO
2
+ H
2
O + hν → {CH
2
O} + O
2
↑
Quang hợp:
Oxi trong khí quyển tăng → thực vật phức tạp phát triển và các loại động vật
tiêu thụ oxi cũng phát triển → cân bằng oxi trong khí quyển
KHÍ QUYỂN
II. Sự hình thành và thành phần của khí quyển
II.1. Sự hình thành khí quyển (tt)
O
2
trong khí quyển → hình thành tầng ozon
bảo vệ cho sinh vật → Trái đất trở thành
một môi trường sống thân thiện → sinh vật
chuyển lên sống trên cạn
KHÍ QUYỂN
II. Sự hình thành và thành phần của khí quyển
II.2. Thành phần của khí quyển
Nitơ (N
2

):
-Nguồn: núi lửa, phản ứng cháy, phân hủy hữu cơ, công nghiệp
KHÍ QUYỂN
II. Sự hình thành và thành phần của khí quyển
II.2. Thành phần của khí quyển
Nitơ (N
2
):
Nguồn tiêu thụ của N
2
chủ yếu là quá trình cố định nitơ sinh học, quá trình sản sinh
NO do sét và do quá trình đốt:
N
2
Cố định đạm (vsv)
Phản ứng điện hóa
NH
4
+
và NO
3
-
Protein, Nucleic acid
N
2
+ O
2
2NO
Nhiệt độ cao
Tia lửa điện

N
2
+ 3H
2
2NH
3
Nhiệt độ cao, xt
Ngoài ra các quá trình công nghiệp cũng tham gia cố định nitơ:
KHÍ QUYỂN
II. Sự hình thành và thành phần của khí quyển
II.2. Thành phần của khí quyển
Oxy (O
2
):
- Nguồn: chủ yếu do quang hợp
- Tính chất hóa học: oxy hóa, hoạt tính hóa học cao
Oxy là chất khí quan trọng trong khí quyển đối với động vật trên cạn cũng như
với động vật dưới nước.
Nồng độ oxy trong khí quyển hiện nay hầu như luôn được giữ ổn định ở khoảng 21%.
KHÍ QUYỂN
II. Sự hình thành và thành phần của khí quyển
II.2. Thành phần của khí quyển
Cacbon dioxit (CO
2
):
Nguồn sản sinh chủ yếu của CO
2
trong khí quyển là quá trình hô
hấp, quá trình đốt và quá trình phân hủy chất hữu cơ.
Quang hợp là quá trình tiêu thụ CO

2
quan trọng
Vai trò của CO
2
:
- Là nguồn cung cấp nguyên liệu cacbon để tổng hợp các hợp chất hữu cơ,
thành phần cơ thể sinh vật, thông qua quá trình quang hợp.
- Hấp thụ bức xạ sóng dài chuyển chúng thành nhiệt sưởi ấm bề mặt Trái đất.
KHÍ QUYỂN
III. Các loại phản ứng trong khí quyển
Sự ô nhiễm không khí về mặt hóa học
III.1. Phản ứng quang hóa trong khí quyển
Phản ứng quang hóa là phản ứng được khơi mào bằng sự hấp thụ một
photon của một nguyên tử, phân tử, gốc tự do hay ion
A + hⱱ → A*
Một số nguyên tắc của phản ứng quang hóa:
-PƯ quang hóa chỉ xảy ra với các phần tử có khả năng hấp thụ các photon
- Mỗi photon chỉ có thể kích hoạt 1 phần tử
- Các photon được hấp thụ bởi các phần tử ở trạng thái năng lượng thấp
Phần tử kích thích A* sau đó có thể tham gia các phản ứng:
- Phản ứng phân tích: A* → X + Y + …
- Phản ứng trực tiếp: A* + B → C + D + …
- Phát huỳnh quang: A* → A + hⱱ
- Khử hoạt tính do va chạm: A* + M → A + M
M là chất thứ ba nào đó có khả năng hấp thụ năng lượng, thường là N
2
hay O
2
Trong tầng đối lưu những chất được chú ý đến là những chất hấp thụ phần
phổ từ 300 đến 700 nm

III.1. Phản ứng quang hóa trong khí quyển (tt)
KHÍ QUYỂN
III. Các loại phản ứng trong khí quyển
Sự ô nhiễm không khí về mặt hóa học