TIM HIEU HIEN TUONG khoi mu quang hoa VA TAC HAI CUA NO

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BÀI TIỂU LUẬN

MÔN: HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG
ĐỀ TÀI:

KHÓI MÙ QUANG HÓA

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Mã số SV:

NGUYỄN BÁ ÁI

TRẦN QUANG TẠO

2205150151

Tp.HCM, tháng 3 năm 2016


KHÓI MÙ QUANG HÓA

MỤC LỤC

KHÓI MÙ QUANG HÓA
I.

ĐỊNH NGHĨA:

2


KHÓI MÙ QUANG HÓA

- Khói mù quang hóa được gọi dưới tên
“smog” - sương khói (ghép hai từ tiếng
Anh fog - sương mù và smoke - khói).
Theo đó, smog được định nghĩa là "lớp
mù quang hóa gây ra bởi sự tương tác
giữa bức xạ cực tím của mặt trời và bầu
khí quyển bị ô nhiễm bởi các
hydrocarbon và oxit nitrogen thoát ra từ
khí thải động cơ”.
- Khói mù quang hóa là một dạng ô nhiễm không khí sinh ra khi ánh sáng mặt trời tác
dụng lên khí thải động cơ xe máy, khí thải công nghiệp... để hình thành nên những vật
chất như ozone, aldehit và peroxyacetylnitrate (PAN).
- Khói mù quang hóa xảy ra ở tầng đối lưu của khí quyển – nơi tập trung phần lớn các
chất khí gây ô nhiễm : NOx, các hợp chất VOCs (Volatile Organic Compounds) …
II.

THÀNH PHẦN VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH:

- Dựa vào các nghiên cứu, người ta đã có thể kết luận rằng khói mù quang hóa được tổng

hợp từ NO, NO2, HNO3, CO, các nitrat hữu cơ (PAN), O 3, các chất hữu cơ bay
hơi(VOCs) và các chất oxy hóa quang hóa. Vì thế cơ chế hình thành nên khói mù quang
hóa cũng là cơ chế hình thành nên các hợp chất trên, đồng thời đó là các điều kiện khiến
các hợp chất này có thể tồn tại trong khí quyển.
- Sự quang phân của NO2 khởi đầu cho sự hình thành khói mù quang hóa.
NO2 + hv → NO + O
- Nguyên tử oxy được giải phóng phản ứng với phân tử O2 để tạo ra ozon
O + O2 + M → O3 + M
- Ozon sinh ra phản ứng với phân tử NO để tái sản sinh ra NO 2 và phân tử O2.
NO + O3 → NO2 + O2
- NO2, O2 và hydrocarbons phản ứng với nhau dưới điều kiện ánh sáng mặt trời tạo
peroxyacetylnitrate(CH3CO-OO-NO2) - PAN
NO2 + O2 + hydrocarbons → CH3CO-OO-NO2
- Nhưng việc thải ra một lượng lớn NOx, CO, các hợp chất carbonyl và các hydrocarbon
bởi các nguồn nhân tạo đã phá vỡ chu trình quang phân- chu trình không làm cho nồng
độ của NO2 và O3 trong không khí tăng lên nếu như không bị phá vỡ. CO và
hydrocarbons, thông qua phản ứng của chúng với các gốc hydroxyl thêm vào đó là sự
quang phân của các hợp chất carbonyl, phá hủy chu trình quang phân thông thường thông

3


KHÓI MÙ QUANG HÓA

qua việc hình thành các gốc peroxyl. Các gốc peroxyl này ngăn chặn phản ứng giữa O 3
và NO, vì vậy làm kết thúc chu trình và làm tích tụ O3 trong không khí.

Hình 2.1: Mô phỏng quá trình hình thành khói mù quang hóa
* Các phản ứng xảy ra trong quá trình hình thành khói mù quang hóa:
a. Phản ứng tạo ra các gốc hydroxyl:

+ Các gốc hydroxyl xuất hiện trong không khí do sự xuất hiện của nước bởi các phản ứng
sau:
O3 + hv → O + O2 (λ < 315nm)
O + H2O → 2OH+ Sự hình thành OH đánh dấu sự bắt đầu của chuỗi phản ứng phức tạp trong khí quyển.
b. Phản ứng của OH với carbon monoxide(CO):
+ OH phản ứng với CO để tạo thành CO2 và H (gốc hydro tự do linh động). Gốc hydro tự
do này nhanh chóng phản ứng với O2 trong không khí để tạo ra HO2 ( gốc hydroxyl )
CO + OH- → CO2 + HH- + O2 + M → HO2- + M
( M là phân tử thứ ba để thu nhận năng lượng thừa )
+ HO2 sau đó phản ứng với NO để sinh ra OH v à NO2
HO2- + NO → NO2 + OH-

4


KHÓI MÙ QUANG HÓA

+ NO2 được sinh ra ở trên hấp thụ năng lượng từ mặt trời và lại quang phân để sinh ra
NO và O và kế tiếp là O3.
+ Vì vậy OH và CO tiếp tục tái thiết lại NO 2 thông qua việc sản sinh ra O3 và do đó tích
tụ O3 trong không khí.
+ Sự hình thành O3 không thể diễn ra mãi khi cả hai chu trình quang phân bị phá vỡ và
không bị phá vỡ đều chịu sự chi phối bởi các yếu tố luôn thay đổi như bóng mây, vị trí
của mặt trời trong ngày và thời gian ( ngày, đêm ).
c. Phản ứng của OH- với các hợp chất carbonyl:
+ Trong các hợp chất carbonyl như anđehit và xeton, OH phản ứng với chúng, tách
nguyên tử hidro ra khỏi nhóm carbonyl, tạo thành nước:
RCHO + OH- → RC(O)- + H2O
RC(O)R’ + OH- → RO(O)CH( )R” + H2O
+ R’’ là R’ với một H bị tách ra. Gốc aldocarboxyl R(CO)- hay gốc ketocarbonyl

RO(O)CH(-)R’’ được hình thành rất linh động và tạo thành gốc acyl. Gốc acyl này được
sinh ra một cách nhanh chóng, phản ứng với O 2 trong không khí để tạo thành gốc peroxyl
RC(O)O2 hay RC(O)CH(O2 )R’’. Các gốc peroxyl này phản ứng với NO để tái sản sinh ra
NO2 không phải thông qua phản ứng với O3 mà bởi aldocarbonylperoxyl RC(O)O2 và
ketocarbonylperoxyl RC(O)CH(O2 )R’’.
RC(O)- + O2 → NO2 + RC(O)O2
RC(O)O2 + NO → NO2 + RC(O)ORC(O)CH(-)R” + O2 → RC(O)CH(O2)R”
RC(O)CH(O2)R” + NO → NO2 + RC(O)CH(O)R”
+ Điều này dẫn đến việc tích tụ O3 nhiều hơn trong không khí. Hơn nữa, RC(O)O- hay
RC(O)CH(O )R’’ được tạo ra là những gốc tự do và phản ứng vói phân tử O 2 để tạo ra
gốc alkylperoxyl RO2 hay RC(O)O2 và CO2.
RC(O)O- + O2 → RO2 + CO2
RC(O)CH(O)R” + O2 → RC(O)O2 +R”C(O)H
+ Gốc RO2 hay RC(O)O2 này lại tái hình thành NO2 thông qua phản ứng với NO, NO lại
hình thành nên gốc alkyloxy, gốc alkyloxy này đến lượt mình lại phản ứng với O 2 để làm
tăng các aldehyde và HO2RO2 + NO → NO2 + RO
R(O)O2 + NO → NO2 +RC(O)O-

5


KHÓI MÙ QUANG HÓA

+ Điều này lại khởi đầu một chuỗi phản ứng mà sẽ xảy ra cho tới khi hình thành một sản
phẩm trung gian là HCHO. HCHO lại phản ứng với OH , sinh ra HC(O) và H 2O. HC(O)
phản ứng tiếp với O2 cho ra HO2
HCHO + OH- → HC(O)- + H2O
HCO- + O2 → CO + HO2+ Điều này lại dẫn đến sự tích tụ ozon trong khí quyển nhiều hơn và tái hình thành OH.
Nếu OH không thể lặp lại chu trình với một alđêhit khác thì nó sẽ đi đến cuối chu trình
bằng việc sản sinh ra axit nitric HNO 3. Gốc aldocarbonylperoxyl cũng có thể tham gia

phản ứng cuối cùng vói NO2 để tạo thành nitrate.
OH- + NO2 → NHO3
RC(O)O2- + NO2 → RC(O)O2NO2
+ Nếu R ở phản ứng trên là một gốc metyl, sản phẩm cuối sẽ là peroxyacetylnitrate, một
hợp chất độc hơn.
d. Phản ứng của OH với các hydrocarbon:
+ Gốc hydroxyl tự do sẽ nhận một nguyên tử hidro khi nó phản ứng với alkane để hình
thành H2O và một gốc tự do mới là gốc alkyl, gốc alkyl này phản ứng với phân tử O 2 để
hình thành gốc alkyloperoxy.
RH + OH- → R- + H2O
R- + O2 → RO2+ Sau đó, RO2- phản ứng với gốc peroxyl và phá hủy chu trình quang phân thông thường.
e. Sự quang phân của các hợp chất carbonyl:
+ Các hợp chất carbonyl tự chúng có thể hấp thụ năng luợng từ ánh sáng mặt trời thông
qua phản ứng quang phân.
RCHO + hv → R- + HC(O)RC(O)R’ + hv → R- + R’CO+ Các gốc sinh ra tham gia các phản ứng như trên đã trình bày gây ra sự tích tụ ozon
trong không khí.

6


KHÓI MÙ QUANG HÓA

Sơ đồ tóm tắt các phản ứng xảy ra trong sương mù quang hóa:

Step1: O3 + hv + H2O → 2OH- + O2
Step2: 2OH- + 2R-H + 2O2 → RO2- + 2H2O
Step3: 2RO2- + 2NO → 2NO2 + 2ROStep4: 2NO2 + hv → 2NO + 2O
Step5: 2O2 + 2O → 2O3.

III.

CÁC ĐIỀU KIỆN HÌNH THÀNH KHÓI MÙ QUANG HÓA:

7


KHÓI MÙ QUANG HÓA

* Các chất gây ra khói mù quang hóa:
- Phải có nguồn tạo ra các nitơ oxit
(NOx) và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
(VOCs) (VOCs là "những chất hóa học
phản ứng được với nitơ oxit trong khí
quyển, dưới tác dụng của tia cực tím
(của ánh nắng) tạo thành sương mù, có
chứa ozon (O3), alđehyt, peoxyt axetyl
nitrat và một lượng nhỏ các chất oxy
hóa)
- Phản ứng quang hóa học dưới tác dụng
của nitơ oxit phân hủy dung môi hữu cơ
tạo ra những tác nhân oxy hóa:
VOCs + ánh sáng + NO2 + O2→ O3 + NO + CO2 + H2
- Nồng độ cao của hai chất này trong không khí có liên quan đến quá trình công nghiệp
hóa và quá trình vận chuyển.
* Thời gian trong ngày:
- Thời gian trong ngày là một yếu tố rất quan trọng về lượng sương mù quang hóa xuất
hiện:
+ Vào lúc sáng sớm, giao thông làm tăng lượng thải của các oxit nitơ và VOCs khi
chúng ta lái xe đi làm.
+ Vào khoảng giữa buổi sáng, lượng xe cộ lưu thông giảm, các oxit nitơ và VOCs bắt

đầu phản ứng và hình thành NO2, làm tăng nồng độ của nó.
+ Khi mà ánh sáng mặt trời trở nên gắt hơn vào lúc trưa, NO 2 bị phá vỡ và sản phẩm
phụ của nó được sinh ra và làm tăng nồng độ O 3 trong không khí. Cùng lúc đó, một số
phân tử NO2 được sinh ra có thể phản ứng với các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi để sinh ra
các hóa chất độc hại như PAN (Peroxyacyl nitrate).
+ Khi mặt trời lặn, việc sản sinh ra O 3 tạm thời ngừng lại. Lượng O3 còn tồn tại trong
không khí được tiêu thụ bởi một vài phản ứng khác nhau.
* Một vài yếu tố khí tượng :
- Mưa có thể làm giảm bớt sương mù quang hóa vì các chất ô nhiễm được rửa trôi khỏi
không khí cùng với nước mưa.
- Gió có thể thổi sương mù quang hóa đi và thay thế nó bằng không khí trong lành. Tuy
nhiên, lượng chất ô nhiễm bị thổi đi có thể gây ô nhiễm ở những khu vực xa hơn.

8


KHÓI MÙ QUANG HÓA

- Hiện tượng đảo nhiệt có thể làm tăng sự nghiêm trọng của khói mù quang hóa. Thông
thường thì trong ngày, không khí gần bề mặt bị đốt nóng và bốc lên cao mang theo các
chất ô nhiễm lên độ cao cao hơn. Tuy nhiên, nếu sự đảo nhiệt phát triển thì các chất ô
nhiễm có thể bị giữ lại gần bề mặt của trái đất. Các quá trình đảo nhiệt gây ra sự suy giảm
sự trộn lẫn không khí và vì vậy làm giảm phân tán chất ô nhiễm theo chiều thẳng đứng.
Các quá trình đảo nhiệt có thể kéo dài từ vài ngày đến vài tuần.
*Địa hình:
- Địa hình cũng là một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến mức độ nghiêm trọng của
hiện tượng khói mù quang hóa. Các khu vực dân cư tập trung trong các thung lũng thì dễ
bị ảnh hưởng bởi khói mù quang hóa hơn vì những đồi núi bao quanh họ có khuynh
hướng làm giảm dòng không khí do đó làm tăng nồng độ các chất gây ô nhiễm. Thêm
vào đó, các thung lũng thường nhạy cảm với khói mù quang hóa vì sự đảo nhiệt tương

đối mạnh có thể phát triển thường xuyên trong những khu vực này.
IV.

•

TÍNH CHẤT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA KHÓI MÙ QUANG HÓA

Tác động lên sức khỏe của con người:

- Khói mù quang hóa được đặc trưng bỏi hàm lượng O 3 cao trong không khí. Nồng độ
ozon thấp ở tầng không khí gần mặt đất có thể làm cay mắt, mũi và cổ họng. Khi sương
mù tăng lên, nó có thể gây ra nhiều vấn đề về sức khỏe nghiêm trọng hơn như:
- Hen xuyễn, viêm phế quản, ho và tức ngực
- Làm tăng sự nhạy cảm đối với các lây nhiễm về đường hô hấp
- Làm giảm chức năng của phổi.
- Ôxy là chất khí duy trì sự sống (nếu trong khí thở có ít hơn 15% ôxy thì cơ thể đã có thể
chết ngạt), nhưng ôzôn lại là khí độc hại. Ôzôn gây phù phổi nặng, làm co thắt và tê liệt
đường hô hấp khiến người bệnh không có phản ứng khi có các dị vật lọt vào. Vì vậy, khi
tiếp xúc lâu dài với ôzôn sẽ có nguy cơ bị tích tụ các dị vật trong phế quản và phổi, là
điều kiện có khả năng dẫn đến ung thư.
- Việc tiếp xúc với sương mù quang hóa trong thời gian dài thậm chí có thể gây tổn
thương các mô phổi, gây ra sự sớm lão hóa ở phổi, và góp phần gây ra bệnh phổi mãn
tính.
- Các Peroxyacetylnitrate và các chất oxi hóa khác cùng với ozone là những chất kích
thích mắt mạnh nhất.
•

Tác động lên thực vật và các lọai vật chất

- Các cây trồng cũng như những loài thực vật nhạy cảm khác thì bị gây hại nhiều hơn là

sức khỏe của con nguời ở nồng độ ozon thấp. Một vài loại cây như thuốc lá, rau bina, cà
chua và đậu đốm là những lọai nhạy cảm với ozon. Những lá cây trong khu vực có khói
mù quang hóa xuất hiện những đốm màu nâu trên bề mặt lá sau đó chuyển sang màu
9


KHÓI MÙ QUANG HÓA

vàng. Lớp ozon ở tầng mặt đất có thể hủy họai lá cây, làm giảm sự phát triển, khả năng
sinh sản và quá trình sinh sản. Nó có thể gây ra sự mất khả năng tự vệ trước các lọai côn
trùng cũng như bệnh tật và thậm chí còn gây chết cây.
- Đối với các loại vật liệu: ozon dễ dàng phản ứng với những loại vật liệu hữu cơ, làm
tăng sự hủy họai ở cao su, tơ sợi, nilong, sơn và thuốc nhuộm.
V.

ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ:

- Giảm các khí thải từ các động cơ :
+ Thiết bị chuyển đổi-xúc tác (catalytic converters) trong các ống bô xe là một cách để
giảm lượng CO và NO sinh ra. Chất xúc tác được sử dụng là Platin hoặc hợp chất của
Platin và Rodi
•

Platin xúc tác cho phản ứng của những hidrocacbon chưa cháy hết( ví dụ

như pentan) và ozy để sinh ra CO2 và hơi nước:
C5H12 (pentane) + 8O2 (platinum catalyst) → 5CO2 + 6H2O
• Rôđi xúc tác cho phản ứng giữa CO và NO để hình thành nên CO 2 và N2:
2CO + 2NO rhodium catalyst → 2CO2 + N2
+ Giảm các khí thải từ các nhà máy: Các nhà máy phải có các hệ thống xử lý khí thải đạt

tiêu chuẩn, các ống khói phải đủ độ cao.
+ Phải tìm kiếm và khuyến khích việc sử dụng các nguồn năng lượng sạch.
+ Đối với các quốc gia và các tổ chức quốc tế: Cần có các luật định, các hiệp ứơc qui
định cụ thể về vấn đề này.
- Để giảm bớt sự hình thành khói mù quang hóa thì cần thiết phải kiểm soát các nguồn
thải những chất ô nhiễm sơ cấp như: NO và VOCs trong không khí. Đó là một vấn đề
phức tạp và không thể giải quyết một cách dễ dàng. Nó đòi hỏi phải có sự hợp tác giữa
chính phủ, các khu công nghiệp và các cá nhân.
* Kiểm soát VOCs:
- Nồng độ VOCs cao ( >500 ppm): 3 phương pháp thường sử dụng phổ biến với hàm
lượng VOCs cao là:
+ Phương pháp ngưng tụ hơi đông lạnh có nghĩa là sư ngưng tụ xảy ra ở nhiệt độ xấp xỉ
âm 80oC.
+ Phương pháp hấp thụ hơi bằng dung môi hòa tan được ứng dụng phổ biến ở những nơi
mà VOCs được làm cho nổi bong bóng thông qua một dung môi hữu cơ có khả năng tiếp
nhận VOCs dưới dạng dòng khí.
+ Phương pháp flaring( pp đốt ) có thể được sử dụng để xử lí lưu lượng và nồng độ cao
của các chất hữu cơ dễ bay hơi và thường đi kèm với các biện pháp thu hồi khác
10


KHÓI MÙ QUANG HÓA

- Nồng độ VOCs vừa phải (100-500 ppm): Đối với nồng độ VOCs vừa phải của nguồn
thải, thì phương pháp hấp thụ carbon tái sinh hay đốt cháy hòan tòan được sử dụng
- Nồng độ VOCs thấp ( <100 ppm):Các dòng không khí có chứa hàm lượng VOCs thấp
được cho đi qua một hộp nhỏ có chứa carbon hoạt hóa ( 1 hộp chỉ xài một lần ).Carbon
hoạt hóa sẽ có khả năng lưu trữ 6.6 kg VOCs trên một kg carbon ở nồng độ 100 ppm và
0.33 kg VOCs trên 1 kg carbon ở nồng độ 5 ppm. Ở nồng độ cao hơn, thì sự kết hợp giữa
việc hấp thụ và thiêu đốt carbon là cần thiết.

- Các tấm lọc sinh học: Hệ thống lọc sinh học sử dụng vi khuẩn để làm giảm hàm lượng
VOCs.
- Lọc sinh học TRG: lọc sinh học khử chất ô nhiễm bằng cách cho dòng không khí đi qua
một môi trường xốp, ẩm có chứa rất nhiều vi sinh vật.
- Phương pháp ngưng tụ lạnh: cho phép thu hồi các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi để sử
dụng lại.
- Kiểm soát VOCs bằng cách sử dụng các chất oxihoá: làm suy giảm sự phát thải thường
sử dụng như các chất oxi hoá và các chất hấp thụ, các kĩ thuật xử lí không khí như sự
quay vòng và từng đợt, và sử dụng các thiết bị điều chỉnh để kiểm soát sự phát thải ở mỗi
nhà máy.
+ Máy oxi hóa nhiệt tái sinh (regenerative thermal oxidation-RTO)
+ Các máy oxi hóa có khả năng thu hồi nhiệt (recuparative thermal oxidizers)
+ Các máy oxi hóa sử dụng xúc tác(catalytic oxidizers)
- Phương pháp khử không xúc tác có chọn lọc: urê được phun vào ống khí ở nhiệt độ
1600-2100oF với sự có mặt của O2, urê phân huỷ, tạo ra NH2. Sau đó xảy ra phản ứng:
NH2 + NO  N2 + H2O. Phản ứng này làm giảm sự phát thải NO.
* Kiểm soát NOx:
- Phương pháp khử không xúc tác có chọn lọc ( selective non-catalytic reduction): urê
được phun vào ống khí ở nhiệt độ 1600-2100 oF với sự có mặt của O2, urê phân huỷ, tạo
ra NH2. Sau đó xảy ra phản ứng: NH2 + NO  N2 + H2O
Phản ứng này làm giảm sự phát thải NO.
- Phương pháp khử sử dụng xúc tác có chọn lọc ( selective catalytic reduction-SCR ):
Trong phương pháp này amoni được phun vào ống khí. Amoni phân hủy NO một cách
chọn lọc để tạo thành nitơ và nước trong môi trường có oxi. Phản ứng này thường xảy ra
với sự có mặt chất xúc tác là platin. Trong pp này, ống khí nóng được cho đi qua chất xúc
tác platin khi amôni được phun vào. Quá trình khử NOx tạo thành N 2 và H2O xảy ra bởi
các phản ứng sau:

11

KHÓI MÙ QUANG HÓA

Quá trình này vừa làm giảm sự phát thải SO 2 vừa làm giảm sự phát thải NO. PP này
mang tính thực tế nếu như amôni luôn sẵn có và giá thành rẻ. Hiệu suất của pp này có thể
lên tới 90%.
- Phương pháp Exxon Thermal DeNOx: Tương tự như pp SCR, pp Exxon Thermal
DeNOx sử dụng phản ứng NOx/amôni. Tuy nhiên, pp này không sử dụng chất xúc tác để
thúc đẩy phản ứng. Amôni được phun vào với tỷ lệ mol là 2:1. Hơn nữa nhiệt độ được
kiểm soát một cách chặt chẽ để định hướng cho phản ứng. Nhiệt độ tốt nhất nằm trong
khoảng từ 871-981oC. Dưới thang nhiệt độ này, amôni không phản ứng hoàn toàn và có
thể được phóng thích vào ống khí. Nếu nhiệt độ lớn hơn, phản ứng phụ sau đây có thể
xảy ra làm ảnh hưởng đến hiệu suất của pp:
- Phương pháp khử bằng xúc tác
- Phương pháp đốt cháy hoàn toàn: quá trình làm giảm sự phát thải NO x từ khí thải công
nghiệp
- Các khối bê tông làm sạch không khí
VI.

KẾT LUẬN

- Khói mù quang hóa đã và đang là vấn
đề nóng bỏng trên toàn thế giới, bảo vệ
hành tinh tươi đẹp này không phải là
nhiệm vụ của riêng ai mà là nhiệm vụ
chung của toàn nhân loại,vì vậy ta hãy
cùng chung sức bảo vệ môi trường, bảo
vệ hành tinh của chúng ta.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1.
2.
3.

Đặng Kim Chi, Hóa học môi trường, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.
Phạm Ngọc Đăng, Môi trường không khí, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.
Lê Văn Khoa, Môi trường và ô nhiễm, Nhà xuất bản giáo dục.

12


KHÓI MÙ QUANG HÓA

13