Biến đổi của các chất ô nhiễm trong không khí

Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh
Viện Tài Nguyên & Môi Trường (IER)


KỸ THUẬT XỬ LÝ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ
ĐỀ TÀI 4

BIẾN ĐỔI CỦA CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG
KHÔNG KHÍ
GVHD: PGS.TS – ĐINH XUÂN THẮNG
Nhóm 2


CÁC QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI
1.

CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC

2.

QUÁ TRÌNH SA LẮNG KHÔ

3.

QUÁ TRÌNH SA LẮNG ƯỚT


1. Các phản ứng hóa học
Các chất ô nhiêm có trong không khí sẽ tham gia phản ứng giữa
các chất sơ cấp với nhau hoặc sơ cấp với thứ cấp. Các phản ứng
có thể sảy ra:

- PƯ nhiệt trong pha khí;
- PƯ quang hóa trong pha khí;
- PƯ nhiệt trong pha lõng;
- PƯ xảy ra trên bề mặt hạt.


1. Các phản ứng hóa học
1.1 Phản ứng nhiệt trong pha khí
Phản ứng nhiệt trong pha khí là sự kết hợp của hai phâ tử có năng
lượng phù hợp.

NO + O 3 → NO 2 + O 2
NO 2 + OH - → HNO3
NO 2 + O 3 → NO3 + O 2
NO3 + NO 2 → N 2 O5
N 2 O5 + H 2 O → 2HNO3 NH

3 → NH 4 NO3


1. Các phản ứng hóa học
1.2 Phản ứng quang hóa trong pha khí
Phản ứng quang hóa trong pha khí bao gồm quá trình phân hủy hoặc
hoạt hóa của các phân tử khi hấp thụ tia bức xạ từ mặt trời.
Phản ứng quang hóa trong khí quyển sinh ra chất ô nhiễm rất quan
trọng là ôzon. Ôzon được tạo thành trong quá trình phân chia NO2
dưới tắc động của tia cực tím(UV).

NO 2 + hν → NO + O

O + O 2 + (M) → O 3 + ( M )
O 3 + NO → NO 2 + O 2


1. Các phản ứng hóa học
1.2 Phản ứng quang hóa trong pha khí
Sự tích tụ O3 có thể xảy ra nếu quá trình biến đổi NO thành NO2
thông qua phản ứng giữa NO với hợp chất khác không phải là O3.
Hydrocarbon là hợp chất như vậy.

RH + OH → ROO − + H 2 O
ROO − + NO → NO 2 + RO
RO + O 2 → Aldehyde + HOO
HOO + O 2 → NO 2 + OH


1. Các phản ứng hóa học
1.3 Phản ứng trong pha lõng
Các phản ứng trong pha lõng thường là phản ứng giữa các ion, có sự
tham gia của chất xúc tác có trong pha lõng.

SO 2 + H 2 O = H 2SO 3
2H 2SO 3 + O 2 → 2H 2SO 4
H 2SO 3 + H 2 O 2 → H 2SO 4 + H 2 O
H 2SO 3 + O 3 → H 2SO 4 + O 2


1. Các phản ứng hóa học
1.4 Phản ứng trên các bề mặt
Bề mặt các hạt rắn cũng có thể thúc đẩy các phản ứng hóa học. Các

phản ứng hóa học sảy ra ngay trên bề mặt của hạt rắn.

SO2 + O2 → SO3
SO3 + H 2 O → H 2 SO4


2. Quá trình sa lắng khô
2.1 Cơ chế của quá trình sa lắng khô
Sa lắng khô là quá trình rơi của các chất ô nhiễm thể khí và hạt trực
tiếp lên lá cây, bề mặt công trình, đất hoặc nước.
Sa lắng khô các chất được xem xét qua hai giai đoạn:
-Giai đoạn dịch chuyển: là quá trình dịch chuyển các chất tới bề
mặt;
-Giai đoạn hấp phụ: là quá trình hấp phụ các chất lên bề mặt.

1
Vg = ( m / s )
rt
Trong đó:
Vg: tốc độ sa lắng khô, m/S
rt: trở lực tổng cộng đối với quá trình sa lắng khô, S/m


2. Quá trình sa lắng khô
2.2 Phương pháp đo đạc tốc độ sa lắng khô
a.Phương pháp gradient nồng độ
Kết hợp đồng thời gradient nồng độ theo chiều cao và các giá trị vi
khí hậu để xác định hệ số khuếch tán.
F=-K(z)dX/dZ
F: Dòng vật chất rơi xuống mặt đất

X: nồng độ chất ô nhiễm
Z: chiều cao trên mặt đất
Phương pháp này không thể dùng để đo tốc độ xa lắng trên địa hình
không đồng nhất như cây cối, bờ rào, bờ dậu.


2. Quá trình sa lắng khô
2.2 Phương pháp đo đạc tốc độ sa lắng khô
b. Phương pháp đánh dấu
Phương pháp này dùng đồng vị phóng xạ đánh dấu chất ô nhiễm
để xác định mức độ sa lắng trên diện tích đã biết. Cách này cho
biết nồng độ chất ô nhiễm sa lắng và chất ô nhiễm có sẵn trong
đất hay cây cối.
Phương pháp này phù hợp nhất cho các thí nghiệm trong phòng
thí nghiệm, ngoài thực địa trên địa bàn nhỏ. Sự ô nhiễm bề mặt
sau lần đánh dấu thứ nhất không cho phép đo đạc dịnh kỳ trên
cùng một diện tích.


2. Quá trình sa lắng khô
2.2 Phương pháp đo đạc tốc độ sa lắng khô
c. Phương pháp cân bằng khối lượng
Phương pháp này bao gồm đo tốc độ sa lắng của chất ô nhiễm từ
không khí trong cùng một hệ kín hoặc sự tích tụ chất ô nhiễm
trong cây cối khi so sánh các mẫu đối chứng. Việc giải thích kết
quả rất kho khăn do điều kiện thí nghiệm và thực tế khác nhau rất
nhiều.


2. Quá trình sa lắng khô

2.2 Phương pháp đo đạc tốc độ sa lắng khô
c. Phương pháp tương quan xoáy
Phương pháp này phụ thuộc vào việc đo đạc đồng thời nồng độ
và thành phần thẳng đứng của tốc độ gió (W).
E = W hoặc F = W’ + W
W’: Dòng xoáy do chuyển động trung bình
W: dòng vật chất do chuyển động trung bình.
Kỹ thuật này được đề xuất như là phương pháp để đo sa lắng SO2


4.1 PHƯƠNG TRÌNH PHÁT TÁN CHẤT Ô NHIỄM
a. Lý thuyết khuếch tán chất ô nhiễm (dạng khí và dạng lơ lửng) trong khí quyển
Phương trình vi phân cơ bản của quá trình khuếch tán chất ô nhiễm dạng khí
và dạng lơ lửng trong khí quyển được dùng làm cơ sở cho mọi tính toán toán học
về quá trình này là xuất phát từ phương trình cổ điển về dẫn nhiệt trong vật rắn
[F.Pasquill Noel de nevers ].

∂c ∂  ∂c  ∂  ∂c  ∂  ∂c 
=  K x  +  K y  +  K z 
∂t ∂x  ∂x  ∂x  ∂y  ∂z  ∂z 

[3.1]

Trong đó :
c – nồng độ chất ô nhiễm, (g/m3)
τ - thời gian, (s)
Kx, Ky, Kz – Lần lượt là hệ số khuếch tán rối theo phương x, y, z một cách tương ứn


4.1 PHƯƠNG TRÌNH PHÁT TÁN CHẤT Ô NHIỄM

a. Lý thuyết khuếch tán chất ô nhiễm (dạng khí và dạng lơ lửng) trong khí quyển

Hình 1: Phát tán chất ô nhiễm theo chiều gió.


4.1 PHƯƠNG TRÌNH PHÁT TÁN CHẤT Ô NHIỄM
b. Các phương trình khuếch tán một chiều, hai chiều và ba chiều.

Quá trình khuếch tán cũng giống như quá trình dẫn nhiệt có
thể diễn ra trong không gian một chiều, hai chiều hoặc ba
chiều

Hình 2: Minh họa hiện tượng lan truyền, một chiều(a), hai chiều(b), ba chiều (c)


4.1 PHƯƠNG TRÌNH PHÁT TÁN CHẤT Ô NHIỄM
b. Các phương trình khuếch tán một chiều, hai chiều và ba chiều.
Đối với bài toán một chiều:

C( x , )

 1
Q
=
exp  −
1/ 2
2( πτ )( K x )
 4τ

 x2 


 
 ( K x ) 

[3.2]

Đối với bài toán hai chiều:
C( x, y )

 1
Q
=
exp −
1/ 2
4( πτ ) ( K x .K y )
 4τ

2
 x2

y


+
 ( K ) ( K ) 
y 
 x


[3.3]

Đối với bài toán ba chiều:
C( x , y , z )

 1
Q
=
exp −
3/ 2
1/ 2
8( πτ ) ( K x .K y .K z )
 4τ

2
2 
 x2
y
z


+
+
 ( K ) ( K ) ( K ) 
y
z 
 x


[3.4]

Trong các công thức trên:
Q- là tải lượng phát thải chất ô nhiễm tại nguồn điểm tức thời , (g/s).


4.2 MỘT SỐ CÔNG THỨC TÍNH TOÁN KHUẾCH TÁN
a. Công thức của Bosanquet và Pearson (1936)
Công thức xác đònh nồng độ chất ô nhiễm trên mặt đất của Bosanquet và
Pearson có dạng như sau [Ara pollection Hangbook]:

C ( x, y ) =

  y2
H 

exp −  2 2 +
2
px 
pqux
  2q x

M

( 2π ) 1 / 2

[3.5]

Trò số nông độ cực đại Cmax trên mặt đất:

C mã

23 / 2 M
= 2 1/ 2
e .π uH 2

 p
M
  = 0,126
uH 2
q

 p
 
q

[3.6]

Khoảng cách từ nguồn (chân ống khói) đến vò trí có nồng độ cực đại Cmax
trên mặt đất

X C max =

H
2P


4.2 MỘT SỐ CÔNG THỨC TÍNH TOÁN KHUẾCH TÁN
a. Công thức của Bosanquet và Pearson (1936)

Trong các công thức trên ngoài các ký hiệu đã biết còn có:
M: tải lượng của chất ô nhiễm tại nguồn điểm liên tục (g/s)

H: chiều cao hiệu quả của nguồn thải dạng ống khói, (m.)
p, q – lần lượt là hệ số khuếch tán theo chiều đứng và chiều ngang được
xác đònh bằng thực nghiệm và là hệ số không thứ nguyên. Trò số p thay
đổi trong phạm vi từ 0,02 ÷ 0,1 và trò số q = 0,04 ÷ 0,16 tùy theo mức độ
rối của khí quyển từ yếu đến mạnh.
Giá trò trung bình của các hệ số p và q ứng với mức độ rối trung bình của
khí
quyển… có thể nhận p = 0,05 và q = 0,08.
e – cơ số logarit tự nhiên (e = 2,7183).


4.2 MỘT SỐ CÔNG THỨC TÍNH TOÁN KHUẾCH TÁN
b. Công thức của Sutton (1947 b)
Sử dụng lý thuyết khuếch tán của Taylor G.I và giả thiết rằng sự phân bố
nồng độ chất ô nhiễm do luồng khói lan tỏa ra môi trường xung quanh là tuân
theo luật phân phối chuẩn Gauss, Sutton O.G đã tìm ra công thức xác đònh
nồng độ tại điểm có tọa độ x, y, z xuôi theo chiều gió [A.C Stern Air
Pellution].
C ( x, y, z )

 − y2
M
=
exp 2 2 − n
πS y S x ux 2 − n
 Sz x

 (z−H)2

 exp − 2 2 − n

 S x

z



 (z−H)2
 + exp − 2 2 − n

 S x
z








[3.7]

Ở tại mặt đất (z = 0), công thức trên trở thành:

C ( x, y, z )


M
1

=

exp
−
 x 2−n
πS y S x ux 2 − n


 y 2 H 2 
 2 + 2  
S z  
 Sy

[3.8]

Trò số nồng độ cực đại:

Cmax =

2M  S z 
M  Sz 


 
=
0
,
234
2 
2 

eπuH  S z 

uH  S z 

Và khoảng cách từ nguồn đến vò trí có Cmax:

xM

H
= 
 Sz





2( 2− n )

≈

H
Sz

[3.9]
Trong các công thức trên các hệ số Sz và Sy có ý
nghóa tương tự như các hệ số p và q trong công
thức (4.12) của Bosanquet và Pearson nhưng thứ
nguyên của chúng là (độ dài )n/2 , trong đó n – là
hệ số phụ thuộc vào độ biến thiên nhiệt độ theo
chiều cao.

4.2 MỘT SỐ CÔNG THỨC TÍNH TOÁN KHUẾCH TÁN
b. Công thức của Sutton (1947 b)
Trò số Sy , Sz và n trong công thức Sutton được cho ở bảøng 2.
Bảng 2: Các hệ số khuếch tán rối (xoắn) tổng quát của Sutton O. G [A.C
Stern,Vol.1,1962]
Hệ số Sy = Sz, mn/2
Thứ tự

Điều kiện ổn đònh của khí quyển

N

Độ cao trên mặt đất, m
25

50

75

100

1

Nhiệt độ giảm mạnh theo độ cao

0,02

0,21

0,17

0,16

0,12

2

Nhiệt độ giảm nhẹ hoặc không khí
thay đổi

0,25

0,12

0,10

0,09

0,07

3

Nghòch nhiệt trung bình

0,33

0,08

0,06

0,05

0,04

4

Nghòch nhiệt mạnh

0,50

0,06

0,05

0,04

0,03


4.3 CÔNG THỨC XÁC ĐỊNH SỰ PHÂN BỐ NỒNG ĐỘ CHẤT Ô NHIỄM
THEO LUẬT PHÂN PHỐI CHUẨN GAUSS

Nếu ta thiết lập sự cân bằng vật chất trong từng “lát” khói có bề dày 1m theo chiều x và
các chiều y, z là vô cực khi các “lát “ khói chuyển động cùng với vận tốc gió u thì thời
gian để từng lát đi qua khỏi ống khói là m.u-1 và do đó lượng chất ô nhiễm chứa trong
“lát” khói sẽ là u Q = Μ.x.u-1 . Công thức cơ sở của mô hình lan truyền chất ô nhiễm theo
luật phân phối chuẩn Gauss mà người ta quen gọi tắt là “mô hình Gauss” cơ sở.

2


y
M
C =
exp−
 2σ2
2πuσy σz
y


2


z
exp −
2

2
σ

y








Trong đó:
σy và σz được gọi là hệ số khuếch tán theo phương ngang và

phương đứng có thứ nguyên là độ dài m (vì Ky, Kz có thứ
nguyên là m2/s).

[3.11]


4.5. CHIỀU CAO HIỆU QUẢ CỦA ỐNG KHÓI
Vào những năm 1950 - 1960 trên thế giới có rất nhiều công trình nghiên cứu
về độ nâng cao của luồng khói khi thoát ra khỏi miệng ống khói. Phần lớn các công
trình nghiên cứu này đều dựa vào quan sát thực tế và thực nghiệm hoặc kết hợp
giữalý thuyết và thực nghiệm.
Sau đây xin nêu ra một số công thức tính toán độ nâng cao của luồng khói được áp
dụng rộng rãi nhất.
4.5.1. Công thức của Davidson W.F.
Dựa vào kết quả thực nghiệm tiến hành trên ống khí động ở Bryant, Davidson
W.E. đã đưa ra công thức sau đây - được gọi là công thức Bryant - Davidson.

Trong các công thức trên:
D - đường kính của miệng ống khói, (m)
w - vận tốc ban đầu của luồng khói tại miệng ống khói, (m/s)
u - vận tốc gió, (m/s)
Tkhói - nhiệt độ tuyệt đối của khói tại miệng ống khói, (0K)
TΔ - chênh lệch nhiệt độ giữa khói và không khí xung quanh, (0C) hoặc (0K)


4.5. CHIỀU CAO HIỆU QUẢ CỦA ỐNG KHÓI
4.5.2. Công thức của Bosanquet - Carcy và Halton
Công thức của Bosanquet và cộng sự được dựa trên lý thuyết kết hợp với thực
nghiệm, trong đó độ nâng do động năng và độ nâng do chênh lệch nhiệt độ là hàm
số của khoảng cách x kể từ chân ống khói xuôi theo chiều gió. Các công thức được

xây dựng cho điều kiện trung tính của khí quyển.

Với:

Trong đó:
grad t : độ biến thiên nhiệt độ theo chiều cao của lớp khí quyển sát mặt đất.


4.5. CHIỀU CAO HIỆU QUẢ CỦA ỐNG KHÓI
4.5.3. Cô ng thức Holland
Dựa vào kết quả khảo sát luồng khói từ những ống khói nhỏ ở vùng Oak Ridge,
Holland J.Z. (Ủy ban Năng lượng nguyên tử của Mỹ -1953) đã đưa ra công thức xác
đònh độ nâng cao luồng khói, được gọi là công thức Oak Ridge [A.C.Stern…Air
pollution]
hΔ = (1,5ω .D + 4,1 .10-5 Qh )/u

(4.51)

hΔ , D - tính theo m
u - tính theo m/s
Qh - cường độ nhiệt của luồng khói thải ra môi trường xung quanh:
Qh = t L Cp Δ. .ρ
(4.52)
Cp - tỷ nhiệt đẳng nhiệt của khói (cal/kg)
ρ- khối lượng (kg/m3).
Δ t : chiết tính nhiệt của khói và không khí xung quanh.
Công thức trên áp dụng cho điều kiện trung tính của khí quyển. Đối với điều
kiện ổn đònh kết quả tính được theo công thức trên cần tăng thêm 10-20%, ngược
lại
đối với điều kiện không ổn đònh - giảm bớt đi cũng chừng ấy phần trăm.