Sự biến đổi của chất ô nhiếm trong không khí

58
CHƯƠNG 3
SỰ BIẾN ĐỔI CỦA CHẤT Ô NHIỄM TRONG
KHÍ

QUYỂN
Các chất ô nhiễm khi sinh ra ở nguồn sẽ thải vào khí quyển. Dưới tác động của
các yếu tố về nguồn, các yếu tố về khí tượng thuỷ văn và các yếu tố về đòa hình, các
chất ô nhiễm sẽ được thanh lọc ra khỏi khí quyển. Trong khí quyển sẽ xảy ra nhiều
cơ chế thanh lọc các chất ô nhiễm khác nhau. Có bốn cơ chế thanh lọc chủ yếu sau
đây:
- Các phản ứng hóa học;
- Quá trình sa lắng khô;
- Quá trình sa lắng ướt;
- Phát tán chất ô nhiễm trong khí quyển.
Những cơ chế này xác đònh thời gian lưu chất ô nhiễm trong khí quyển.
Thời gian lưu chất ô nhiễm trong khí quyển là thời gian cần thiết để nồng độ chất
ô nhiễm giảm đi 1/e lần nồng độ ban đầu.
Nếu nồng độ chất ô nhiễm thay đổi nhanh, thời gian lưu chất ô nhiễm có thể
xác đònh bằng tỉ lệ giữa nồng độ trung bình toàn cầu và tốc độ sản sinh ra nó trên
một đơn vò thể tích.
3.1. CÁC PHẢN ỨNG HOÁ HỌC
Khi thải ra khí quyển sẽ xảy ra các phản ứng hoá học giữa các chất ô nhiễm sơ
cấp với nhau hoặc giữa các chất ô nhiễm sơ cấp với các chất ô nhiễm có sẵn trong
khí quyển. Các phản ứng hoá học có thể xảy ra trong khí quyển là:
- Phản ứng nhiệt trong pha khí;
- Phản ứng quang hoá trong không khí;
- Phản ứng nhiệt trong pha lỏng;

59

- Phản ứng xảy ra trên các bề mặt hạt.
Phản ứng nhiệt trong pha khí là kết hợp của hai phân tử có năng lượng phù hợp.
Mặt khác, phản ứng quang hóa bao gồm quá trình phân huỷ hoặc hoạt hóa của các
phân tử khi hấp thụ tia bức xạ. Phản ứng trong pha lỏng thường là phản ứng giữa các
ion, có sự tham gia của chất xúc tác có trong pha lỏng. Bề mặt các hạt rắn cũng có
thể thúc đẩy các quá trình phản ứng hoá học.
3.1.1. Phản ứng trong pha khí
NO + O
3
= NO
2
+ O
2

NO
2
+ OH
-
= HNO
3

NO
2
+ O
3
= NO
3
+ O
2

NO
3
+ NO
2
= N
2
O
5

N
2
O
5
+ H
2
O = 2HNO
3
........
3
NH
NH
4
NO
3

3.1.2. Phản ứng trên các bề mặt
SO
2
+ O
2

=
......
bề mặt
SO
3

SO
3
+ H
2
O = H
2
SO
4
3.1.3. Phản ứng trong pha lỏng
SO
2
+ H
2
O = H
2
SO
3

2H
2
SO
3
+ O
2

= 2 H
2
SO
4


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

H
2
SO
3
+ H
2
O
2
= H
2
SO

4
+ H
2
O
3.1.4. Phản ứng quang hóa
Phản ứng quang hóa trong khí quyển sinh ra chất ô nhiễm rất quan trọng là ôzon
(O
3
)
.
Ôzon được tạo thành trong quá trình phân chia NO
2
dưới tác 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

Sự tích tụ O

3
có thể xảy ra nếu quá trình biến đổi NO thành NO
2
thông qua phản
ứng NO với hợp chất khác không phải O
3
. Hydrocarbon là hợp chất như vậy:

60
RH + OH = ROO
-
+ H
2
O
ROO
-
+ NO = NO
2
+ RO
RO + O
2
= Aldehyde + HOO
HOO + NO = NO
2
+ OH
Trừ các phản ứng hoá học đã trình bày ở trên là loại cơ chế thanh lọc các chất ô
nhiễm hiệu quả (hoặc chuyển hoá chất ô nhiễm này thành chất ô nhiễm khác)
khoảng cách mà các chất ô nhiễm đã đi qua xác đònh cơ chế thanh lọc các chất ô
nhiễm, đưa chúng trở lại bề mặt đất. Hiệu quả của các quá trình đó phụ thuộc vào
tính chất vật lý và hoá học của chất ô nhiễm và có thể tác động khác nhau lên chất ô

nhiễm có khả năng ôxy hoá hoặc không có khả năng ôxy hoá. Vì vậy, các quá trình
thanh lọc các chất ô nhiễm ảnh hưởng lên sự cân bằng nồng độ các chất ô nhiễm
trên tầng bình lưu.
Các cơ chế này có thể chia thành ba nhóm: Kết tủa (xảy ra đối với các hạt có
kích thước lớn hơn 10 μm); Sa lắng khô: là quá trình rơi của các chất ô nhiễm (thể
khí và hạt trực tiếp lên lá cây, các bề mặt công trình, đất hoặc nước; Sa lắng ướt: là
quá trình rơi các chất ô nhiễm xuống mặt đất nhờ các hạt nước mưa trong thời gian
mưa.
3.2. QUÁ TRÌNH SA LẮNG KHÔ
3.2.1. Cơ chế của quá trình sa lắng khô
Sa lắng khô các chất được xem xét qua hai giai đoạn:
- Giai đoạn dòch chuyển: là quá trình dòch chuyển các chất tới bề mặt;
- Giai đoạn hấp phụ: là quá trình hấp phụ các chất trên bề mặt.
Trong khí quyển các chất có kích thước hạt nhỏ hơn 5 μm được vận chuyển bằng
quá trình khuếch tán (cuốn xoáy) nhờ tác động của các lực ma sát tại bề mặt trái đất
và nhờ sự thay đổi nhiệt độ không khí. Tuy nhiên, tồn tại lớp không khí tiếp xúc bề
mặt với chiều dày khoảng 1mm và luồng khí này có thể coi là song song bề mặt.
Trong lớp khí này sự cuốn xoáy không xảy ra và có thể coi đây là lớp biên chảy
tầng.
Các chất khí được khuếch tán qua lớp khí này bằng khuếch tán phân tử, tốc độ
khuếch tán được xác đònh bằng gradient nồng độ và hệ số khuếch tán phân tử ( giá
trò này có thể xác đònh từ thuyết động học đơn giản). Các hạt nhỏ hơn 0,1μm được
mang qua lớp biên chảy nhờ khuếch tán Brown. Các hạt có kích thước lớn hơn
1,0μm có thể chuyển qua lớp biên nhờ ảnh hưởng quán tính, nhưng đối với các hạt

61
có kích thước từ 0,1μm đến 1,0μm cả hai cơ chế này đều xảy ra và tốc độ chuyển
động qua lớp biên chảy là nhỏ nhất đối với các hạt có kích thước nằm trong khoảng
này. Hầu hết các hạt aerosol chứa lưu huỳnh và nitơ nằm trong khoảng kích thước
0,1 – 1,0μm, vì vậy chuyển động của chúng qua lớp biên chảy rất khó khăn.

Độ khó hay dễ của các chất khi chuyển động qua lớp biên được diễn tả bằng trở
lực của lớp biên đối với quá trình sa lắng (r
b
).
Thuật ngữ thứ hai cần phải bổ sung cho khái niệm trở lực nhằm đánh giá ái lực
(sự thu hút) của chính bề mặt đối với các chất ô nhiễm là trở lực của bề mặt r
c
hoặc
trở lực của tán lá cây trong trường hợp sa lắng trên lá cây.
Trở lực của bề mặt được xác đònh bằng ái lực vật lý và hóa học của các chất đối
với bề mặt. Đối với bề mặt đồng nhất (ví dụ bề mặt nước) trở lực của bề mặt có thể
xác đònh đơn giản. Nhưng đối với cây cối nhiều yếu tố phức tạp cần phải tính đến ví
dụ như lá cây khô hay ướt, khí khổng mở hay đóng,…
Thuật ngữ cần phải tính đến khi xác đònh tốc độ sa lắng khô của các chất ô
nhiễm là trở lực khí động lực r
a
. Giá trò này phụ thuộc vào tốc độ gió, độ nhám của
bề mặt. Như vậy trở lực tổng cộng đối với quá trình sa lắng khô r
t
được xác đònh như
sau:
r
t =
r
a
+ r
b
+ r
c
( đơn vò là S/cm hoặc S/m)

Tốc độ sa lắng khô V
g
có thể được xác đònh bằng giá trò nghòch đảo của r
t
V
g
=
t
1
r


Về nguyên tắc r
a
+ r
b
có thể đo được và trở lực tổng cộng r
t
cũng có thể đo được,
như vậy có thể xác đònh trở lực của bề mặt hoặc trở lực của tán lá cây r
c
. Khi biết
các thành trở lực của tán lá có thể xác đònh được tốc độ sa lắng khô của các chất ô
nhiễm lên các bề mặt khác. Tuy nhiên, đo đạc các giá trò r
a
, r
b
, và r
t
rất là khó khăn

vì vậy rất khó xác đònh đònh lượng chất ô nhiễm được thanh lọc nhờ sa lắng khô.
3.2.2. Đo đạc tốc độ sa lắng khô
Quá trình đo đạc số lượng các chất ô nhiễm được thanh lọc do cơ chế sa lắng
khô được tiến hành qua hai giai đoạn:
(i) Đo tốc độ sa lắng khô SO
2

(ii) Đo nồng độ SO
2
trong khí quyển
Tích của hai giá trò này là số lượng các chất ô nhiễm được thanh lọc do cơ chế
sa lắng khô. Có bốn phương pháp chính để đo tốc độ sa lắng khô SO
2
là: phương

62
pháp gradient nồng độ, phương pháp đánh dấu, phương pháp cân bằng khối lượng và
phương pháp tương quan xoắn (eddy correlation).
a) Phương pháp gradient nồng độ
Phương pháp này yêu cầu đo đồng thời gradient nồng độ SO
2
theo chiều cao và
các giá trò vi khí hậu để xác đònh hệ số khuếch tán xoáy:
F = -K(z) dχ/dZ
F : dòng vật chất rơi xuống mặt đất
χ : Nồng độ SO
2
Z : Chiều cao trên mặt đất
Phương pháp này không thể dùng để đo tốc độ sa lắng trên đòa hình không đồng
nhất như cây cối, bờ rào, bờ dậu,…

b) Phương pháp đánh dấu
Phương pháp này dùng đồng vò phóng xạ đánh dấu SO
2
để đánh giá mức độ sa
lắng lưu huỳnh trên diện tích đã biết. Cách này cho phép phân biệt hàm lượng lưu
huỳnh sa lắng và hàm lượng lưu huỳnh có sẵn trong đất và cây cối. Phương pháp này
phù hợp nhất cho các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm hay ngoài thực đòa trên đòa
bàn nhỏ, nhưng sự ô nhiễm bề mặt sau lần đánh dấu thứ nhất không cho phép đo đạc
đònh kỳ trên cùng một diện tích.
c) Phương pháp cân bằng khối lượng
Phương pháp này bao gồm đo tốc độ sa lắng SO
2
từ không khí trong cùng một
hệ kín hoặc sự tích tụ lưu huỳnh trong các cây cối khi so sánh với mẫu đối chứng.
Tuy nhiên, điều kiện thí nghiệm thường khác xa điều kiện thực tế ngoài thực đòa cho
nên giải thích kết quả rất khó khăn.
d) 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). Như vậy dòng vật chất sa lắng được xác đònh bằng
công thức:
E =
W
hoặc F =
'W
+
W

Ở đây gạch ngang trên chữ dùng để chỉ giá trò trung bình.
Trong công thức

'W
là dòng xoáy do chuyển động trung bình

W
dòng vật chất do chuyển động trung bình, thường thường đặt bằng 0.