Bài giảng hóa học môi trường

TR

NG

KHOA MÔI TR

I H C TH Y L I
NG - B

MÔN HÓA H C

BÀI GI NG

HÓA H C MÔI TR

HÀ N I - 2009

1

NG


L I NÓI
Loài ng
môi tr

U

i sinh t n và phát tri n trong m i quan h m t thi t v i các y u t

ng sau:

- các thành t sinh thái t nhiên (đ t, n

c, khí quy n, thiên tai...).

- các thành t sinh thái nhân t o (đô th hóa, các thành t u khoa h c k
thu t trong đ i s ng...).
- các thành t sinh thái xã h i nhân v n (khai thác tài nguyên, tác đ ng c a
công nghi p hóa, hi n đ i hóa; bùng n dân s ...).
T th p niên 80, th k 20 tr l i đây, đã ch ng ki n hàng lo t th m h a v
môi tr

ng Trái đ t (th m h a thiên tai; s c h t nhân, ô nhi m không khí, m a

axit, suy thoái qu đ t; c n ki t ngu n nhiên li u; lan tràn hóa ch t b o v th c
v t, ô nhi m ngu n n

c; th ng t ng ozon, hi n t

này đã d n đ n tích l y trong môi tr

ng m lên toàn c u...).

i u

ng các y u t v t lý, hóa h c, sinh h c...

v

t quá gi i h n cho phép, tr nên đ c h i v i con ng

tr

ng tr nên là v n đ c p thi t, v n đ toàn c u đ loài ng

i. B i v y, b o v môi
i có th sinh t n và

phát tri n b n v ng trên Trái đ t.
Chúng ta c n nghiên c u và th c hi n các bi n pháp b o v môi tr
lý các suy thoái môi tr
ng

ng, x

ng đ đ m b o s sinh t n và phát tri n b n v ng c a loài

i. Công vi c to l n đó đòi h i s ph i h p, góp s c c a nhi u ngành khoa

h c, trong đó có ngành hóa h c.
Hóa h c môi tr
trong môi tr
môi tr

ng là môn h c nghiên c u các quá trình hóa h c x y ra

ng. C th là nghiên c u sâu v các hi n t

ng hóa h c x y ra trong

ng khí quy n, th y quy n, đ t... giúp hi u bi t v b n ch t các ngu n gây

ô nhi m, các ph n ng hóa h c, s lan truy n, hi u ng và s t n t i c a các ch t
hóa h c trong không khí, n

c, đ t; tác h i c a chúng v i đ i s ng c a con ng

m t s bi n pháp b o v môi tr

ng khí quy n, n
2

c, đ t...

i;


ng đ

ây là bài gi ng Hóa h c môi tr

c biên so n đ u tiên đ ph c v

công tác gi ng d y cho sinh viên khoa Môi tr

ng, tr

ng

i h c Th y L i.

Trong quá trình biên so n, chúng tôi đã c g ng c p nh t nh ng ki n th c m i
nh t c a th gi i v v n đ hóa h c môi tr
thi u sót; r t mong nh n đ
l

ng, nh ng ch c ch n không trách

c ý ki n đóng góp c a các b n đ c đ nâng cao ch t

ng c a bài gi ng.

3


M CL C
BÀI GI NG ................................................................................................... 1
L I NÓI
U ............................................................................................... 2
DANH M C CÁC KÝ HI U, CÁC CH VI T T T ............................. 8
CH
NG 1. HÓA H C MÔI TR
NG KHÍ QUY N ....................... 10
1.1. S HÌNH THÀNH KHÍ QUY N....................................................................... 10
1.2. C U TRÚC C A KHÍ QUY N......................................................................... 12
1.2.1. M t đ và áp su t không khí........................................................................ 12
1.2.1.1. M t đ không khí ..................................................................................... 12
1.2.1.2. Áp su t không khí..................................................................................... 12
1.2.2. C u trúc khí quy n theo bi n thiên nhi t đ .............................................. 14
1.2.1.1. T ng đ i l u............................................................................................. 14
1.2.1.2. T ng bình l u........................................................................................... 15

1.2.1.3. T ng trung l u ......................................................................................... 16
1.2.1.4. T ng nhi t l u .......................................................................................... 16
1.2.1.5. T ng đi n li .............................................................................................. 16
1.3. THÀNH PH N C A KHÍ QUY N................................................................... 18
1.4. CÁC PH N NG HÓA H C CH Y U TRONG KHÍ QUY N ................. 21
1.4.1. Ph n ng quang hóa ..................................................................................... 22
1.4.2. Ph n ng c a oxi trong khí quy n............................................................... 23
1.4.2.1. Tiêu th oxi .............................................................................................. 23
1.4.2.2. Tái t o oxi ................................................................................................ 23
1.4.3. Ph n ng c a các h p ch t N trong khí quy n .......................................... 24
1.4.4. Ph n ng c a các h p ch t S trong khí quy n........................................... 26
a. Ph n ng quang hóa ......................................................................................... 26
b. Ph n ng v i m t s g c hóa h c..................................................................... 26
c. SO2 ph n ng v i NH3 trong khí quy n............................................................. 27
d. Ph n ng t o thành H2SO4 ............................................................................... 27
e. Các ph n ng trong khí quy n c a H2S ............................................................ 27
1.4.5. Ph n ng c a các h p ch t C trong khí quy n .......................................... 27
a. Các oxit c a C................................................................................................... 27
b. Ph n ng v i ankan .......................................................................................... 27
c. Ph n ng v i anken........................................................................................... 28
d. Ph n ng v i aren............................................................................................. 28
1.4.6. Ph n ng c a các g c t do trong khí quy n ............................................. 28
a. G c hydroxil (HO•) và hydroperoxi (HOO•)..................................................... 29
b. M t s g c t do khác ....................................................................................... 30
1.4.7. Ph n ng axit baz ....................................................................................... 31
1.5. Ô NHI M KHÍ QUY N ..................................................................................... 31
1.5.1. Các ngu n ô nhi m khí quy n...................................................................... 31

4

1.5.2. Các ch t ô nhi m khí quy n đi n hình........................................................ 32
1.5.2.1. Các oxit c a l u hu nh ............................................................................ 32
1.5.2.2. Các oxit c a nit ...................................................................................... 33
1.5.2.3. Các oxit c a cacbon................................................................................. 34
1.5.2.4. Các hydrocacbon ..................................................................................... 35
1.5.2.5. B i ............................................................................................................ 37
1.5.3. Tác đ ng c a ô nhi m khí quy n qui mô toàn c u ................................. 40
1.5.3.1. Hi u ng nhà kính.................................................................................... 40
1.5.3.2. Bi n đ i t ng ozon ................................................................................... 43
1.5.3.3. M a axit ................................................................................................... 49
1.5.4. Ô nhi m đô th ............................................................................................... 52
1.5.4.1. S ng khói ki u London .......................................................................... 52
1.5.4.2. S ng khói quang hóa ............................................................................. 54
1.5.4.3. Ch s ô nhi m (Pollution Index) ............................................................. 56
1.5.5. Ô nhi m trong nhà ........................................................................................ 59
1.5.5.1. Ngu n và đ c đi m ch t ô nhi m trong nhà ............................................ 60
1.5.5.2. M t s ngu n ô nhi m trong nhà ............................................................. 61
1.5.5.3. M t s bi n pháp gi m thi u không khí trong nhà .................................. 63
1.5.6. Tiêu chu n ch t l ng môi tr ng không khí ........................................... 63
1.5.7. M t s bi n pháp b o v môi tr ng không khí ........................................ 64
a. Qu n lý và áp d ng các công c pháp lý .......................................................... 64
b. Th c hi n đ nh k ki m toán ngu n th i ........................................................... 65
c. Áp d ng các công c kinh t qu n lý tài nguyên không khí .............................. 65
d. S d ng các ngu n nhiên li u và n ng l ng thân thi n v i môi tr ng......... 66

CH

NG 2. MÔI TR

NG TH Y QUY N........................................ 68

2.1. TÀI NGUYÊN N
C VÀ VÒNG TU N HOÀN C A N
C ..................... 69
2.1.1. Phân b tài nguyên n c trên Trái t ...................................................... 69
2.1.2.Vòng tu n hoàn c a n c.............................................................................. 70
2.1.3. c đi m c a n c........................................................................................ 71
2.2. THÀNH PH N C A N
C T NHIÊN......................................................... 72
2.2.1. Thành ph n hóa h c c a n c t nhiên ..................................................... 73
2.2.1.1. c đi m chung ....................................................................................... 73
2.2.1.2. Các ion ch y u........................................................................................ 74
2.2.1.3. Các khí hòa tan ........................................................................................ 75
2.2.2. Thành ph n sinh h c c a n c thiên nhiên................................................ 77
2.2.2.1. T o ........................................................................................................... 77
2.2.2.2. N m .......................................................................................................... 78
2.2.2.3. ng v t đ n bào..................................................................................... 79
2.2.2.4. Vi khu n và virút...................................................................................... 79
2.3. CÁC PH N NG CH Y U TRONG TH Y QUY N ................................. 80
2.3.1. Ph n ng t o ph c ........................................................................................ 80
2.3.2. Ph n ng hòa tan và k t t a ........................................................................ 81
2.3.3. Ph n ng oxy hóa kh .................................................................................. 82
2.3.4. Ph n ng hóa h c có xúc tác vi sinh............................................................ 82
2.3.4.1. Ph n ng chuy n hóa cacbon .................................................................. 82
2.3.4.2. Ph n ng chuy n hóa nit ....................................................................... 83

5

2.3.4.3. Ph n ng chuy n hóa l u hu nh.............................................................. 84
2.3.4.4. Ph n ng chuy n hóa photpho ................................................................ 85
2.3.4.5. Ph n ng chuy n hóa m t s kim lo i ..................................................... 86
2.4. Ô NHI M N
C ................................................................................................ 87
2.4.1. Ngu n th i các ch t gây ô nhi m n c ....................................................... 87
2.4.1.1. Ngu n ô nhi m t nhiên ........................................................................... 88
2.4.1.2. Ngu n ô nhi m nhân t o .......................................................................... 88
2.4.2. Các ch t gây ô nhi m n c đi n hình ......................................................... 92
2.4.2.1. Các h p ch t và ion c a N, P .................................................................. 92
2.4.2.2. Các kim lo i n ng .................................................................................... 93
2.4.2.3. Các ch t h u c ....................................................................................... 94
2.4.2.4. D u m ..................................................................................................... 95
2.4.2.5. Các ch t t o màu ..................................................................................... 95
2.4.2.6. Các vi sinh v t gây b nh .......................................................................... 95
2.4.3. Ô nhi m bi n ................................................................................................. 95
2.4.3.1. Ngu n ô nhi m ......................................................................................... 95
2.4.3.2. Ô nhi m bi n do tràn d u ........................................................................ 96

Protofoa........................................................................................................ 98
96................................................................................................................... 98
1,70................................................................................................................ 98
Ctenophora .................................................................................................. 98
24................................................................................................................... 98
0,60................................................................................................................ 98
Pteropoda..................................................................................................... 98
48................................................................................................................... 98
0,20................................................................................................................ 98
Amphipoda .................................................................................................. 98
48................................................................................................................... 98

0,80................................................................................................................ 98
96................................................................................................................... 98
0,05-0,20 ....................................................................................................... 98
96................................................................................................................... 98
0,90-4,90 ....................................................................................................... 98
2.4.3.3. B o v môi tr ng bi n............................................................................ 98
2.4.3.4. Các v n đ b o v môi tr ng bi n c a Vi t Nam .................................. 99
2.4.4. Ô nhi m sông, h ......................................................................................... 100
2.4.4.1. Nguyên nhân ô nhi m............................................................................. 100
2.4.4.2. Vài nét v ô nhi m sông t i Vi t Nam .................................................... 101
2.4.5. Ô nhi m n c ng m.................................................................................... 103
2.4.5.1. Các kh n ng và nguyên nhân ô nhi m ................................................. 103
2.4.5.2. Vài nét v ô nhi m n c ng m t i Vi t Nam.......................................... 105
2.4.7. Tiêu chu n đánh giá ch t l ng môi tr ng n c .................................. 108
2.4.7.1. Các thông s đánh giá ch t l ng môi tr ng n c ............................. 108
2.4.7.2. Các tiêu chu n đ i v i môi tr ng n c ............................................... 109
6


2.4.8. M t s bi n pháp b o v môi tr ng n c............................................... 114
2.4.8.1. B o v môi tr ng n c m t ................................................................. 114
2.4.8.2. Các bi n pháp qu n lí n c ng m ......................................................... 115

CH

NG 3. HÓA H C MÔI TR

NG

T.................................... 117

3.1. KHÁI NI M VÀ THÀNH PH N C A
T ................................................. 118
3.1.1. Khái ni m v đ t ......................................................................................... 118
3.1.2. Phong hóa và quá trình t o thành đ t ...................................................... 119
a) Phong hóa lí h c (c h c).......................................................................... 121
b) Phong hóa hóa h c .................................................................................... 121
c) Phong hóa sinh h c ................................................................................... 123
3.1.3. Thành ph n hóa h c c a đ t...................................................................... 123
3.1.3.1 . N c và khí trong đ t ....................................................................... 127
3.1.3.2. Thành ph n vô c ................................................................................... 129
3.1.3.3. Thành ph n h u c ................................................................................ 137
3.2. PH N NG HÓA H C TRONG
T........................................................... 140
3.2.1. Ph n ng t o thành axit vô c trong đ t .................................................. 140
3.2.2. Ph n ng đi u ch nh đ pH c a đ t .......................................................... 141
3.2.3. Ph n ng trao đ i ion trong đ t ................................................................ 142
3.3. S XÓI MÒN VÀ THOÁI HÓA
T ............................................................ 144
3.3.1. Xói mòn đ t ................................................................................................. 145
3.3.2. Axit hóa môi tr ng đ t ............................................................................. 146
3.3.3. Sa m c hóa ................................................................................................... 149
3.4. Ô NHI M MÔI TR
NG
T...................................................................... 150
3.4.1. Khái quát chung.......................................................................................... 150
3.4.2. Các lo i hình ô nhi m đ t........................................................................... 153
3.4.2.1. Ô nhi m đ t do tác nhân hoá h c .......................................................... 153
3.4.2.2. Ô nhi m đ t do tác nhân v t lí............................................................... 162
3.4.2.3. Ô nhi m đ t do tác nhân sinh h c ......................................................... 164

3.4.3. Các thông s c b n và tiêu chu n đánh giá ch t l ng đ t................... 165
3.4.4. M t s bi n pháp b o v môi tr ng đ t .................................................. 169

CH

NG 4. CÁC VÒNG TU N HOÀN TRONG T

NHIÊN ........ 172

4.1. VÒNG TU N HOÀN CACBON...................................................................... 175
4.2. VÒNG TU N HOÀN OXI................................................................................ 178
4.3. VÒNG TU N HOÀN NIT ............................................................................. 180
4.4. VÒNG TU N HOÀN L U HU NH............................................................... 184
4.5. VÒNG TU N HOÀN C A PHOTPHO.......................................................... 186
4.6. VÒNG TU N HOÀN KIM LO I N NG....................................................... 188
4.6.1 Ngu n kim lo i n ng trong môi tr ng .................................................... 188
4.6.2 Hoá h c c a vòng tu n hoàn kim lo i n ng............................................... 190
4.6.2.1 Vòng tu n hoàn c a asen........................................................................ 190
4.6.2.2 Vòng tu n hoàn c a chì .......................................................................... 192
4.6.2.3 Vòng tu n hoàn c a thu ngân ............................................................ 194

Tài li u tham kh o .................................................................................... 198

7


DANH M C CÁC KÝ HI U, CÁC CH
API

Ch s ô nhi m không khí (Air Pollution Index)

AQI

Ch s ch t l

CFC

Cloroflorocacbon

DU

n v Dobson

IR

VI T T T

ng không khí (Air Quality Index)

Vùng h ng ngo i (Infrared ray)

8


PAH

Hyđrocacbon th m đa vòng (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons)

PAN

Peroxyaxetyl nitrat

PM10

B i có đ

ng kính nh h n 10 μm

PM2,5

B i có đ

ng kính nh h n 2,5 μm

POP

Các ch t h u c ô nhi m khó phân h y

ppbv

N ng đ ph n t tính theo th tích

ppmv

N ng đ ph n tri u tính theo th tích

pptv

N ng đ ph n nghìn t tính theo th tích

TCVN

Tiêu chu n Vi t Nam

UV

Vùng t ngo i (Ultra Violet)

VIS

Vùng kh ki n (Visible)

VOC

Các ch t h u c d bay h i

WHO

T ch c Y t th gi i

9


CH

NG 1. HÓA H C MÔI TR

NG KHÍ QUY N

Không khí là h n h p t nhiên c a các ch t khí, ch y u là nit và oxi, hình

thành nên khí quy n Trái đ t. D

i tác đ ng c a không khí và n

c trên b m t

Trái đ t, x y ra nh ng quá trình hình thành nên th i ti t và khí h u.
Không khí là ngu n cung c p oxi c n thi t cho ho t đ ng bình th

ng c a

các sinh v t trên Trái đ t, vì v y vi c b o v không khí trong lành là m i quan tâm
c a con ng

i vì ch t l

ng cu c s ng.

Hi n nay, do các ngành công nghi p phát tri n, khí quy n Trái đ t b phá
ho i nghiêm tr ng: m t đ khí gây ô nhi m th i vào khí quy n ngày càng t ng (các
khí CO2, CH4...) làm nhi t đ Trái đ t t ng d n, do đó làm thay đ i khí h u toàn
c u, đe d a nghiêm tr ng s s ng trên Trái đ t. M i ng

i trên toàn th gi i ph i

chung tay gi i quy t v n n n này.
M c đích ch

ng 1

- Hi u rõ v c u trúc và thành ph n khí quy n.
-N mđ

c các ph n ng ch y u trong khí quy n.

- Nh n bi t đ
- Hi u đ

c ngu n th i và ch t ô nhi m khí quy n

c tác đ ng c a ô nhi m khí quy n

qui mô toàn c u, ô nhi m đô

th và ô nhi m trong nhà.
- Hi u v các tiêu chu n đánh giá ch t l
b o v môi tr
1.1. S

ng không khí và m t s bi n pháp

ng không khí.
HÌNH THÀNH KHÍ QUY N

Khí quy n đ

c hình thành và ti n hóa trong kho ng th i gian dài, có th

lên đ n hàng t n m. Các d ki n quan tr ng làm ti n đ và d n t i hình thành s
s ng trên Trái đ t c ng nh thành ph n khí quy n nh bây gi g m s t o thành

các ch t h u c h u sinh, oxi và ozôn.

10


Ban đ u, theo gi thuy t đ

c nhi u nhà khoa h c ch p nh n nh t, thành

ph n c a khí quy n ch y u g m CO2, NH3 và h i n

c. Các khí này đ

ct o

thành t CH4 và các khí khác có trong lòng đ t sau đó đi vào khí quy n qua ho t
đ ng c a núi l a. Bên c nh đó, có s xu t hi n c a các vi sinh v t đ u tiên
đáy đ i d

d

i

ng. M t trong s đó là vi khu n xyanô. Chúng là nh ng sinh v t đ u

tiên có kh n ng quang h p đ s n xu t ra oxi. D n d n, do tác d ng c a tia t
ngo i, s m ch p, tia phóng x và ho t đ ng c a vi sinh v t, các ch t ban đ u trong
khí quy n ph n ng v i nhau t o thành amino axit và đ

ng, các ch t h u c c n

thi t cho s s ng.
Các d ng sinh v t s ng b t đ u xu t hi n phong phú và phát tri n trong đ i
d

ng. Các loài th c v t đ

c t o ra và là ngu n s n xu t oxi ch y u cho khí

quy n, thông qua ph n ng quang h p. Theo th i gian, l
cách đáng k và l

ng oxi t ng lên m t

ng cacbon đioxít trong khí quy n gi m đi. Cacbon đ

c tích t

vào trong các ngu n nhiên li u hóa th ch ngày nay, trong tr m tích và các l p
đ ng v t. Oxi t o thành t
O2 đã đ

ng tác v i NH3 đ t o ra nit . Ngoài ra, m t l

ng l n

c Fe(II) h p th đ t o thành Fe2O3. Quá trình này t o thành m t l

ng

l n Fe2O3 sa l ng và là b ng ch ng cho s t o thành c a O2 t do trong khí quy n
th i k đ u.

Hình 1.1. B u khí quy n
Ti p theo, O2 ph n ng v i các ch t trong khí quy n t o thành ozôn. V i s
xu t hi n c a ozon, Trái đ t có m t t m lá ch n h u d ng, b o v các lo i hình

11


c b c x t ngo i đ n t M t tr i. Cu i cùng, Trái đ t tr thành

sinh v t s ng tr
m t môi tr

ng s ng thân thi n và có thành ph n hóa h c gi ng nh bây gi .

1.2. C U TRÚC C A KHÍ QUY N
C u trúc c a khí quy n có th đ
c a ba đ i l

c xem xét qua s bi n thiên theo đ cao

ng quan tr ng g m m t đ , áp su t và nhi t đ không khí. Khí quy n

g m 99% là oxi và nit nên các khí này là tác nhân quy t đ nh chính đ n giá tr
c a hai đ i l

ng m t đ và áp su t.

il

ng còn l i, nhi t đ không khí, ph

thu c vào s phân b c a các khí có kh n ng h p th các tia t ngo i và phát x
các tia h ng ngo i. Tùy thu c vào bi n thiên nhi t đ không khí theo đ cao, c u
trúc khí quy n có th đ

c chia thành các l p khác nhau.

1.2.1. M t đ và áp su t không khí
1.2.1.1. M t đ không khí
M t đ không khí (kg/m3) đ

c tính b ng kh i l

ng khí trên m t đ n v th

tích. Do oxi và nit t p trung g n b m t Trái đ t, m t đ không khí gi m theo
hàm m khi đ cao t ng.

c tính kho ng 50% các khí n m d

và 99,9% các khí trong khí quy n n m d

i đ cao 48 km.

c tính toán g n đúng theo ph

M t đ không khí đ

ρt =

ng đ

pt
RT

t là h ng s khí (287,1 J/kg) và nhi t đ khí quy n.

M t đ c a không khí t i m c n
c a khí quy n th

ng trình tr ng thái:

t là m t đ (kg/m3) và áp su t (Pa) khí quy n (K).

Trong đó: ρt , và pt l n l
R và T l n l

i đ cao 5,5 km

c bi n đ t giá tr kho ng 1,2 kg/m3. M t đ

c các nhà khí t

ng h c, các trung tâm v tr tính toán

và s d ng đ d báo th i ti t và tình tr ng qu đ o c a các v tinh.
1.2.1.2. Áp su t không khí

Áp su t không khí đ

c tính b ng t s gi a áp l c c a không khí trên m t

đ n v di n tích. Do khi đ cao c a l p khí t ng, m t đ không khí gi m nên áp

12


su t không khí c ng gi m theo. Áp su t tiêu chu n t i b m t n

c bi n là 1013

mb trong khi áp su t t i các đ cao ng v i 50%, 90%, 99% và 99,9% kh i l
không khí trong khí quy n l n l

ng

t là 500 mbar, 100 mbar, 10 mbar và 1 mbar (1

mbar = 100 N/m2 = 100 Pascal).
Áp su t không khí đ

c tính g n đúng theo công th c:

p2 = p1.e
Trong đó: p2 và p1 l n l

g ( z1 − z2 )
RT1−2

t là áp su t (Pa) t i đ cao hình h c z1 và z2 (m)

T1-2 – tr s nhi t đ tuy t đ i trung bình (K) gi a các đ cao z1, z2
g – gia t c tr ng tr

ng (9,81 m/s2)

Hình 1.2. Bi n thiên c a áp su t không khí theo đ cao khí quy n
Áp su t khí quy n liên quan tr c ti p t i m t đ không khí. i u đó có ngh a
là áp su t khí quy n dao đ ng theo khu v c và th i gian. Áp su t khí quy n gi m
kho ng 50% khi lên t i đ cao ch ng 5 km (t
t ng kh i l

ng đ

ng v i kho ng 50% c a

ng không khí n m trong ph m vi 5 km b m t Trái

13

t). Áp su t


trung bình c a khí quy n t i m c n

c bi n đ t giá tr kho ng 101,3 kPa hay 760

mm th y ngân.

1.2.2. C u trúc khí quy n theo bi n thiên nhi t đ
C n c vào s thay đ i nhi t đ theo đ cao, ng

i ta th

ng chia khí quy n

thành hai ph n: ph n trong và ph n ngoài. Ph n trong g m b n t ng: t ng đ i l u
(troposhere), t ng bình l u (stratosphere), t ng trung l u (mesosphere) và t ng
nhi t l u (thermosphere). Ph n ngoài là t ng đi n li (exosphere). Các t ng đ
phân cách b i các l p d ng. Các quá trình quan tr ng nh h

c

ng t i nhi t đ

không khí g m đ i l u, d n nhi t và phát x .
1.2.1.1. T ng đ i l u
T ng đ i l u bao g m l p khí quy n bao quanh Trái đ t, có đ cao t i xích
đ o t 16 – 18 km, t i các c c t 7 – 9 km và t i các v tuy n trung bình t 10 – 12
km. T ng đ i l u chi m kho ng 70% kh i l

ng khí quy n v i kh i l

4,12.1015 t n. N u không b ô nhi m, thì thành ph n c a khí quy n
(ch y u g m N2, O2, CO2 và h i n

ng kho ng
t ng đ i l u

c) là khá đ ng nh t do có dòng đ i l u liên

t c c a các kh i không khí trong t ng.
Nhi t đ trong t ng đ i l u gi m theo đ cao, t 15oC
56oC

đ nh c a t ng này. Nguyên nhân là do h i n

m tn

c bi n đ n -

c trong t ng đ i l u h p th

m nh các b c x nhi t t m t đ t, làm không khí g n m t đ t nóng lên. Tuy nhiên,
càng lên cao, m t đ không khí càng gi m, đ truy n nhi t gi a các l p khí càng
kém và không khí càng ít đ

c nung nóng.

gi m nhi t đ trung bình theo đ

cao trong t ng đ i l u n m trong kho ng t 0,6 – 0,7oC/100m.
T ng đ i l u đ

c chia thành l p biên, l p trung gian và l p d ng. L p biên

n m g n b m t Trái đ t nh t và có đ cao t 500m đ n 3000m. M i ho t đ ng
c a con ng
tr

i đ u n m trong l p biên và do v y các khí th i t m t đ t s tích t

c tiên trong l p này.
L p gi a n m phía trên l p biên. Khi có s thay đ i nhi t đ c a m t đ t,

nhi t đ c a l p biên s có s thay đ i t
14

ng ng trong th i gian ng n (th

ng ít


h n m t gi ) trong khi nhi t đ c a l p gi a s có s thay đ i t
th i gian dài. L p d ng có chi u dày kho ng 1 km, n m

ng ng trong

phía trên cùng c a t ng

đ i l u. L p d ng có nhi t đ ít thay đ i khi t ng đ cao và l p ng n cách gi a
t ng đ i l u và t ng bình l u.
Các ch t gây ô nhi m khí quy n d dàng đ

c hòa tr n

trong t ng đ i l u

do có s luân chuy n đ i l u. Không khí trong t ng đ i l u chuy n đ ng theo

chi u th ng đ ng và n m ngang r t m nh làm cho n

c thay đ i c ba tr ng thái

(r n, l ng, khí), gây ra hàng lo t quá trình thay đ i v t lý. Nh ng hi n t
m a đá, gió, tuy t, s

ng mù,... đ u di n ra

t ng đ i l u.

Ngoài ra còn s xáo tr n c a các dòng n ng l
n

ng m a,

ng và nh ng đám mây h i

c chuy n đ ng trên ph m vi toàn c u. ây là đi m khác bi t đi n hình c a t ng

đ i l u so v i các t ng khí quy n khác. M t trong các nguyên nhân t o nên s đ i
l u là do n ng l

ng M t tr i đi đ n các vùng khác nhau là không đ ng đ u t o

nên các vùng có nhi t đ khác nhau. Có th k đ n các nguyên nhân do đ c đi m
đ a hình khu v c (đ i, núi), do mây che... N ng l

ng nhi t đ

c truy n t m t đ t

đ n các phân t khí thu c l p biên làm chúng chuy n đ ng đi lên. Không khí l nh
t các đi m lân c n chuy n đ ng t i thay th l p khí nóng và ti p t c l p l i quá
trình trên, t o nên s đ i l u theo ph
d m a, bão, gió...) đ u di n ra

ng th ng. M i hi n t

ng c a th i ti t (ví

t ng đ i l u. Do v y t ng đ i l u có tác đ ng

tr c ti p và quan tr ng đ n s s ng trên Trái đ t.
1.2.1.2. T ng bình l u
T ng bình l u n m

đ cao t 11 đ n 50 km. Thành ph n hóa h c ch y u

c a t ng này là O3, N2, O2, g c hyđroperoxi (HO2•) và hyđroxil (HO•). Ký hi u
dùng đ ch các g c t do. Phía trên đ nh t ng đ i l u và ph n d
l u là t ng ozon, t p trung

•

i c a t ng bình

đ cao 20 – 30 km. Nhi t đ trong t ng ozon r t ít

thay đ i. T ng ozon có vai trò c c k quan tr ng nh m t t m lá ch n b o v cho

cu c s ng trên b m t Trái đ t. Ozon có kh n ng h p th m t s b c x t ngo i
và phát x các tia h ng ngo i, làm nóng không khí trong t ng bình l u. Nh v y,

15


khác v i t ng đ i l u, nhi t đ

t ng bình l u t ng theo đ cao, t -56°C đ n -

2°C. Nhi t đ trong t ng bình l u đ t c c đ i
cao đó ozon h p th ph n l n các tia có b

phía trên đ nh c a t ng do t i đ

c sóng ng n trong vùng t ngo i.

t ng bình l u, ít có dòng đ i l u. Không khí chuy n đ ng ch y u theo
ph

ng ngang. Do đó ph i m t hàng n m, các ch t khí m i có th hòa tr n đ

v i nhau và th i gian l u c a các ph n t hóa h c
ch t gây ô nhi m xâm nh p đ
h

c

t ng này khá l n. N u các

c vào t ng bình l u, thì chúng s t n t i và gây nh

ng tác đ ng lâu dài h n so v i khi còn

t ng đ i l u.

1.2.1.3. T ng trung l u
T ng trung l u n m

đ cao t 50 km đ n 85 km, có thành ph n hóa h c ch

y u là O+, O2+, O2, NO+ và N2. M t đ ozon trong t ng trung l u khá th p d n đ n
vi c h p th các tia t ngo i là ít h n h n so v i trong t ng bình l u. H qu là
nhi t đ trong t ng này gi m d n theo đ cao, t -2oC đ n -92oC.
1.2.1.4. T ng nhi t l u
T ng nhi t l u n m

đ cao t 85 km đ n 500 km. Oxi và nit trong t ng

nhi t l u h p th các b c x có b

c sóng ng n, thu c vùng t ngo i xa làm nhi t

đ trong t ng này t ng theo đ cao, t -92oC đ n 1200oC, đ ng th i t o thành
nhi u ion. Các ion ch y u trong t ng nhi t l u g m O+, O2+, NO+, NO2-, NO3-.
1.2.1.5. T ng đi n li
T ng đi n li là t ng khí quy n cao nh t, n m

đ cao l n h n 800 km.

c

tính, gi i h n trên c a t ng đi n li kéo dài đ n đ cao 1000 km, v i thành ph n ch
y u là các ion O+, H+, He+. ây là t ng khí quy n có s ti p nh n các dòng plasma
do M t tr i phát ra và b i v tr . Nhi t đ c a t ng đi n li có th t ng đ n 1700oC.
Bên ngoài t ng đi n li là không gian v tr . Ngoài các t ng trên, còn có khái ni m
v t ng ion. T ng ion n m
v

đ cao l n h n 60 km so v i t ng trung l u, không

t quá ph m vi c a t ng nhi t l u và có ch a nhi u ion. T ng ion đ

thành ba vùng: D, E và F d a theo vào phân b c a các ion trong t ng.

16

c chia


Hình 1.3. Minh h a c u trúc khí quy n theo bi n thiên nhi t đ
17


1.3. THÀNH PH N C A KHÍ QUY N
Khí quy n hi n nay,

đ cao nh h n 100 km, ch a m t s ít các khí đ

hòa tr n t t trong không gian. Các khí đó đ

c g i là các khí ch y u, có ph n

ng đ i n đ nh theo th i gian và không gian. Ph n tr m

tr m trong khí quy n t
c a chúng đ

c

c trình bày trong b ng 1.1.
B ng 1.1. Ph n tr m c a các khí ch y u

Công th c hóa h c

T l
N ng đ (ppmv)(*)

Ph n tr m
N2

78,08

780.000

O2

20,95

209.500

Ar

0,93

9.300

Ne

0,0015

15

He

0,0005

5

Kr

0,0001

1

Xe

0,000005

0,05

* ppmv: n ng đ ph n tri u tính theo th tích

( )

Ngoài các khí ch y u, khí quy n còn t n t i nhi u khí th y u có hàm
l

ng nh , thành ph n thay đ i theo th i gian và không gian. Ph n l n các khí này

là các khí nhân t o và có tác đ ng x u đ n ch t l

ng môi tr

ng.

B ng 1.2. Ph n tr m c a các khí th y u
Tên ch t

N ng đ (ppbv)

Công th c

T ng đ i l u T ng đ i l u T ng

bình

t nhiên

ô nhi m

l u

H 2O

3.000 – 4x107

5x106– 4x107

3.000 – 6.000

Cacbon đioxit

CO2

365.000

365.000

365.000

Cacbon oxit

CO

40 – 200

2.000

Ch t vô c

H in

c

10.000

18

– 10 - 60


Tên ch t

N ng đ (ppbv)

Công th c

T ng đ i l u T ng đ i l u T ng
t nhiên

ô nhi m

l u

bình

Ozon

O3

10 – 100

10 - 350

1.000-12.000

L u hu nh đioxit

SO2

0,02 – 1

1 – 30

0,01 – 1

Nit oxit

NO

0,005 – 0,1

0,05 – 300

0,005 – 10

Ni t (IV) oxit

NO2

0,01 – 0,3

0,2 – 200

0,005 – 10

CFC-12

CF2Cl2

0,55

0,55

0,22

Mêtan

CH4

1.800

1.800 – 2.500

150 – 1.700

Êtan

C2H6

0 – 2,5

1 - 50

-

Eten

C2H4

0–1

1 - 30

-

Formaldehit

HCHO

0,1 - 1

1 - 200

-

Toluen

C6H5CH3

-

1 – 30

-

Xylen

C6H4(CH3)2 -

1 – 30

-

Metyl clorit

CH3Cl

0,61

0,36

Ch t h u c

0,61

* ppbv: n ng đ ph n t tính theo th tích

( )

Ngu n t o ra các khí th y u đ

c trình bày trong b ng 1.3.

B ng 1.3. Ngu n t nhiên và nhân t o c a m t s khí th y u
Tên ch t

Ngu n t nhiên

Ngu n nhân t o

Các h p ch t c a C
CO2

Hô h p, oxi hóa CO, cháy
r ng

CH4

nung vôi

Quá trình lên men, khí thoát Khí thoát t
ra t đ m l y, đ i d

CO

t cháy d u, khí ga, than đá, g ;

Cháy

r ng,

oxi

c ng rãnh trong đô

th , t ho t đ ng khai thác than

ng
hóa

hyđrocacbon

t cháy không hoàn toàn g , đ t
nhiên li u trong ph

ng ti n giao

thông, ho t đ ng công nghi p

19


Tên ch t

Ngu n t nhiên

Ngu n nhân t o

Ho t đ ng hi u khí c a vi Khí t nhiên, khí th i ph

Ankan

(t

êtan

đ n sinh v t

ng ti n

giao thông

hexan)
Anken

(t

êten

đ n hóa các ch t h u c hòa tan

hexen)

Ph n

ng phân h y quang Khí th i ph

trong đ i d

ng

Các ch t h u R t ít
c

Khí th i ph

th m đa

ng ti n giao thông,

phát th i t s n, dung môi, x ng

vòng
Terpen

ng ti n giao thông

d u
Th c v t

Không có

Không có

T l nh

(C10H16)
CFC và HFC

Các h p ch t c a N
NO

Cháy r ng, phân h y k khí

t cháy nhiên li u

trong đ t
NO2

Cháy r ng, bão t

t cháy nhiên li u

N 2O

T ho t đ ng c a vi sinh v t

t cháy nhiên li u

trong đ t, đ i d
NH3

ng

Phân h y hi u khí trong đ t,
phân h y aminôaxit

t cháy nhiên li u, quá trình x lí
n

c th i

Các h p ch t c a S
Dimetyl sunfit T ho t đ ng c a vi sinh v t Khí bãi rác
(DMS)

(Phytoplankton)

SO2

Oxi hóa H2S, ho t đ ng c a
núi l a

t cháy nhiên li u, t

qu ng

sunfit

M t s khí khác
H2

i d

ng, đ t, oxi hóa Khí th i ph

20

ng ti n giao thông

Tên ch t

Ngu n t nhiên

Ngu n nhân t o

mêtan, isopren
T O2, t ph n ng c a NO, Máy bay siêu t c

O3

NO2
Nit và oxi là hai thành ph n ch y u c a khí quy n. Nit là ch t khí khá
đi u ki n

tr v m t hóa h c, nó h u nh không tham gia các ph n ng hóa h c
th

nhi t đ cao, ho c trong tia l a đi n, nit tác d ng v i oxi t o thành

ng.

NO, tác d ng v i hydro t o thành NH3. M t s vi sinh v t trong t nhiên có th
v

t qua đ

c hàng rào n ng l

ng cao đ phá v liên k t b n v ng trong phân t

nit , t o thành các h p ch t c a nit , cung c p các ch t dinh d

ng c n thi t cho

nh c u phát tri n c a th c v t trong t nhiên.
Oxi là ch t khí quan tr ng trong khí quy n đ i v i đ ng v t trên c n c ng
nh v i đ ng v t d

in

c. Oxi là ch t khí có ho t tính hóa h c cao, vì v y, trong

khí quy n, oxi tham gia vào nhi u ph n ng, t o thành nhi u s n ph m khác nhau.
N ng đ oxi trong khí quy n nguyên th y r t th p, sau đó t ng d n qua các k
nguyên đ a ch t, ch y u do quá trình
1.4. CÁC PH N

NG HÓA H C CH Y U TRONG KHÍ QUY N

Vi c nghiên c u v các ph n ng hóa h c trong khí quy n là khá ph c t p.
Nhi u ch t t n t i trong khí quy n v i n ng đ th p nên vi c phát hi n và phân
tích chúng khá khó kh n. Vi c mô ph ng các đi u ki n môi tr
quy n cao c ng g p nhi u tr ng i do có nhi u y u t
c a khí quy n (> 50 km) t n t i l

ng l n các ion d

nh h

ng.

ng

l p khí

các l p trên

ng và electron, r t khó cho

vi c mô ph ng trong phòng thí nghi m. Các ion đó có th t n t i trong th i gian
dài tr

c khi k t h p thành ch t trung hòa.
Hóa h c khí quy n nghiên c u không khí

nhi m

m c cao và các m c đ

tr ng thái không ô nhi m, ô

gi a hai tr ng thái trên. Các ch t và tác nhân có

kh n ng tham gia ph n ng trong khí quy n là khá nhi u và có th phân lo i
thành nhóm các ch t vô c (CO, CO2, NO2, SO2), tác nhân oxi hóa (O3, H2O2, các
21

g c t do HO•, HO2•, ROO•, NO3•), ch t kh (CO, SO2, H2S), ch t h u c (CH4,
ankan, anken, aren, HCHO), ch t b oxi hóa (h p ch t cacbonyl, N h u c ), axit
(HNO3), baz (NH3), mu i (NH4HSO4) và các tác nhân không b n v ng (NO2
tr ng thái kích thích). Các ph n ng trong khí quy n có th di n ra

pha khí ho c

trên di n tích b m t c a các h t b i và ch t l ng t n t i trong sol khí và các đám
mây.
1.4.1. Ph n ng quang hóa
Các ph n ng hóa h c x y ra, trong đó n ng l
đ

c h p th t các sóng đi n t (th

vùng kh ki n) đ

ng có b

ng c n thi t cho ph n ng

c sóng thu c vùng t ngo i và

c g i là ph n ng quang hóa. Quá trình quang hóa g m nhi u

ph n ng hóa h c. Các d ng ph n ng quang hóa bao g m:
- Ph n ng h p th n ng l
NO2 + hν

ng:

NO2*

Ký hi u * dùng đ ch các ch t
ng. Ti p theo, ch t sau khi đ

n ng l

tr ng thái kích ho t, sau khi đ

c h p th

c kích ho t có th tham gia nhi u lo i ph n

ng:
- Ph n ng t a nhi t: các phân t kích ho t b m t n ng l

ng d

i d ng

nhi t.
O 2*

O2 + E

Trong đó: E – n ng l

ng đ

c gi i phóng

- Ph n ng phân ly: ph n ng di n ra ph bi n

t ng cao c a khí quy n đ

t o thành các nguyên t oxi.
O 2*

O+O

- Ph n ng tr c ti p: O2* + O3
- Ph n ng phát x : n ng l
m t đi d

2O2 + O
ng c a phân t

i d ng sóng đi n t . Khi b

ki n thì ph n ng đ
NO2*

tr ng thái kích ho t có th

c sóng c a tia đi n t n m trong vùng kh

c g i là ph n ng phát quang.

NO2 + hν

22


- Ph n ng trao đ i n ng l

ng liên phân t : O2* + M

- Ph n ng trao đ i n ng l

ng n i phân t : n ng l

O 2 + M*
ng đ

c trao đ i ngay

trong phân t làm chúng chuy n t tr ng thái kích ho t này sang tr ng thái kích
ho t khác.
A*

A*’

- Ph n ng isomer hóa: ph n ng chuy n t octo-nitrobenzalđehit sang axit
octo-nitrobenzoic th

ng đ

c dùng trong thi t b đo l

ng phát x c a b c x

đi n t :
C6H4(NO2)CHO + hν
- Ph n ng ion hóa: N2*

C6H4(NO)COOH
N2+ + e-

1.4.2. Ph n ng c a oxi trong khí quy n
1.4.2.1. Tiêu th oxi
Trong t ng đ i l u, oxi đóng m t vai trò quan tr ng trong các quá trình x y
ra trên b m t Trái đ t. Oxi b tiêu th qua các ph n ng ch y u:
- Ph n ng cháy: CH4 + 2O2

CO2 + 2H2O

- Ph n ng đ t nhiên li u hóa th ch: C + O2 = CO2
- Hô h p c a đ ng v t: {CH2O} + O2

CO2 + H2O

- Oxi hóa và phong hóa các oxit: ví d ph n ng 4FeO + O2 = 2Fe2O3
- Ph n ng quang hóa t o ozon: t O2 t o ra O3.
1.4.2.2. Tái t o oxi
Bên c nh các quá trình tiêu th oxi, trong khí quy n oxi đ

c tái t o nh

quá trình quang h p:
CO2 + H2O + hν
Ph n l n l
h p. L
h p tr

{CH2O} + O2

ng oxi có trong khí quy n là s n ph m c a quá trình quang

ng cacbon đ

c c đ nh trong các s n ph m h u c do quá trình quang

c đây t o ra, hi n đang phân tán trong t nhiên ch y u du i d ng các h p

ch t humic. Ch m t ph n nh l

ng cacbon này chuy n thành các lo i nhiên li u

23


hóa th ch. Vì v y, m c d u ngày nay vi c đ t nhiên li u hóa th ch tiêu t n m t
l

ng l n oxi, nh ng nguy c s d ng h t oxi trong khí quy n là hoàn toàn không

th x y ra.
Oxi không ch t n t i

d ng phân t mà còn t n t i

các d ng khác nh

nguyên t O, ion O+ và O2+.
D

i tác d ng c a tia t ngo i, O2 b phân tích thành oxi nguyên t :

O2 + h ν

O+O

λ < 290 nm

O3 + hν

O2 + O*

λ = 290 ÷ 320 nm

O* b c x ra ánh sáng có các b

c sóng 636 nm, 630 nm và 558 nm. Các

b c x đó là m t trong nh ng nguyên nhân gây ra hi n t
quy n. Ion O+ đ

ng phát sáng c a khí

c sinh ra trong khí quy n do oxi nguyên t h p th n ng l

ng

trong vùng b c x t ngo i và t n t i trong t ng ion:
O + hν

O+ + e

Sau đó, ion O+ ti p t c ph n ng v i O2 và N2 t o thành ion O2+ và NO+:
O + + O2

O 2+ + O

O+ + N2

NO+ + N

Ion O2+ còn đ
O2 + h ν
N 2+ + O 2

c t o thành do các ph n ng:

O 2+ + e

λ n m trong kho ng 17 ÷ 103 nm

N2 + O2+

1.4.3. Ph n ng c a các h p ch t N trong khí quy n
So v i các h p ch t c a nit , N2 t
l

ng liên k t phân t l n (E = 942 kJ/mol).

ng đ i tr v m t hóa h c do n ng
đi u ki n nhi t đ cao ho c khi h p

th các tia sóng ng n (λ < 100 nm), N2 có th tham gia ph n ng t o thành NO và
ion N2+:
N2 + hν

N 2+ + e

N2 + O2

2NO

24


Trong khi đó,

t ng đ i l u, s góp m t c a các oxit N2O, NO, NO2 góp

ph n đáng k vào s ô nhi m không khí. Các oxit này tham gia vào hàng lo t các
ph n ng quang hóa t o thành các g c t do.
- Ph n ng quang hóa c a N2O:

N2O + hν

NO + N

N 2O + O

2 NO

N 2O + O

N2 + O2

- Ph n ng quang hóa c a NO:
NO + O2 ฀

NO2

NO + O3 ฀

NO2 + O2

NO + HO2•

NO2 + HO•

NO + HO•

HNO2

- Ph n ng quang hóa c a NO2

NO2 + hν

NO + O

λ < 398 nm

NO2 + hv

NO2*

λ > 430 nm

T p h p các oxit c a N còn đ

c ký hi u chung là NOx. Chúng có th tham

gia vào quá trình phân h y O3, t o thành g c t do NO3•:
O + O2 + M
NO + O3

O3 + M
NO2 + O2
NO3• + O2

NO2 + O3
NO2 + O

NO + O2

NO2 + O + M

NO3• + M

NO2 + NO3•

N 2O 5

NO + NO3•

2NO2

O + NO + M

NO2 + M

Trong các ph n ng trên, M là các phân t khác nh N2 ho c O2 đóng vai
trò tác nhân h p th n ng l

ng do ph n ng gi i phóng ra. Quá trình quang hóa

c a các oxit NOx b ng t m ch do các ph n ng sau:

25