BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Nguyễn Bá Thiện GIÁO TRÌNH Ô TÔ VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG (LƯU HÀNH NỘI BỘ) Quảng Ninh 2017 LỜI NÓI ĐẦU Để đáp ứng kịp thời yêu cầu của nhiệm vụ đào tạ[.]
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Nguyễn Bá Thiện GIÁO TRÌNH Ơ TƠ VÀ Ơ NHIỄM MÔI TRƯỜNG (LƯU HÀNH NỘI BỘ) Quảng Ninh- 2017 LỜI NÓI ĐẦU Để đáp ứng kịp thời yêu cầu nhiệm vụ đào tạo, Trường ĐHCN Quảng Ninh tổ chức biên soạn giáo trình Ơ tơ nhiễm môi trường Sách dùng làm tài liệu giảng dạy học tập cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ơ tơ nhà trường làm tài liệu tham khảo cho người làm công tác kĩ thuật ngành ô tô, kỹ thuật viên thiết kế Trong q trình biên soạn chúng tơi cố gắng để sách đảm bảo tính khoa học, đại gắn liền với thực tế phát triển ngành công nghiệp sản xuất ô tô Nhưng khả có hạn hạn chế thời gian điều kiện khách quan khác, giáo trình chắn khơng tránh khỏi khiếm khuyết Chúng tơi mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc đồng nghiệp để lần tái sau hồn chỉnh Nhóm tác giả CHƢƠNG Ô TÔ – NGUỒN Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG KHƠNG KHÍ 1.1 Khái niệm chung khơng khí ô nhiễm không khí 1.1.1 Đặc điểm khí Khí hay mơi trường khơng khí lớp vỏ khí bao bọc xung quanh Trái Đất Nó cấu tạo đơn chất hợp chất hóa học khác Đặc điểm bật khí hầu hết nguyên tố tồn trạng thái khí; hai ngun tố Nitơ Oxy trạng thái phân tử tự (N2 O2) Thành phần chất khơng khí khơ, chưa bị nhiễm (khơng khí sạch) cách bề mặt Trái đất khoảng vài km trình bày bảng 1.1 Bảng 1.1 Hàm lượng trung bình khơng khí khơ chưa bị nhiễm Tên chất Cơng thức phân tử % thể tích Tổng trọng lượng khí (triệu tấn) Nitơ N2 78,08 386.480.000 Oxy O2 20,91 118.410.000 Argon Ar 0,93 65.500.000 Cacbon dioxit CO2 0,035 2.330.000 Neon Ne 0,0018 63.600 Heli He 0,0005 3.700 Mêtan CH4 0,00017 4.300 Kripton Kr 0,00014 14.600 Nito oxit N2O 0,00005 1.900 Hydro H2 0,00005 180 Ozon O3 0,00006 200 Nito dioxit NO2 0,001 Cacbon monoxit CO 0,10 500 Sulfua dioxit SO2 0,001 11 Khí có ranh giới phía bề mặt thủy quyển, thạch ranh giới phía khoảng khơng hành tinh Khí Trái đất hình thành từ nước, từ chất khí từ thủy thạch Thời kỳ đầu, khí chủ yếu gồm nước, amoniac, mêtan, loại khí trơ hidro Dưới tác dụng ánh sáng mặt trời, nước bị phân hủy thành oxy hydro Oxy tác động với amoniac mêtan tạo khí N2 CO2 Quá trình tiếp diễn, lượng H2 nhẹ vào khoảng khơng vũ trụ, khí cịn lại chủ yếu nước, Nitơ, CO2 lượng nhỏ Oxy Thành phần khí Trái đất ổn định phương nằm ngang phân lớp theo phương thẳng đứng Phần lớn khối lượng (5.10 tấn) khí tập trung tầng thấp: tầng đối lưu tầng bình lưu Mặc dù chiếm khoảng 0,05% khối lượng thạch quyển, khí có vai trị quan trọng đời sống sinh vật cân khí hậu tồn cầu Thông thường tầng đối lưu, thành phần chất khí chủ yếu tương đối ổn định, có nồng độ CO2 nước dao động mạnh Lượng nước thường thay đổi theo thời tiết từ 4% thể tích vào mùa nóng ẩm tới 0,4% vào mùa khơ Ngồi khơng khí tầng đối lưu cịn có lượng định khí SO2 bụi Trong tầng bình lưu ln tồn q trình hình thành phá hủy ozôn Hiện nay, hoạt động người, lớp khí ozơn có xu hướng mỏng dần Khơng khí bao quanh người khơng khí ẩm Nó gồm khơng khí khơ, nước, chất độc hại, loại bụi vũ trụ, bụi Mặt đất, vi khuẩn, nấm, virut, phấn hoa, khí phóng xạ, loại chất hữu vô dễ bay hơi… 1.1.2 Cấu trúc khí Khí có nhiều tầng, nhiều lớp khác nhau, mở rộng đến độ cao khoảng 1000km chuyển dần vào không gian khơng khí Nhiệt độ khí thay đổi từ -920C đến 17000C Cứ lên cao 100m nhiệt độ giảm 0,60C Khí Trái đất có cấu trúc phân lớp, với tầng đặc trưng từ lên trên: tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng trung gian, tầng nhiệt, tầng điện ly Tầng đối lưu (Troposphere) tầng thấp khí Nó chiếm khoảng 70% khối lượng khí quyển, có nhiệt độ thay đổi giảm dần từ +40 0C lớp sát mặt đất tới -500C cao Ranh giới phía tầng đối lưu khoảng 7-8 km hai cực 16-18 km vùng xích đạo Trong tầng ln có chuyển động đối lưu khối khơng khí bị nung nóng từ mặt đất Tầng đối lưu tầng có mật độ khơng khí cao tập trung nhiều nước, bụi, tầng xuất hiện tượng thời tiết mây, mưa, tuyết, mưa đá, bão v.v Giữa tầng đối lưu tầng bình lưu có lớp khơng khí dày khoảng 1km, có chuyển đổi xu hướng từ giảm nhiệt theo chiều cao sang xu hướng tăng nhiệt độ theo chiều cao Lớp gọi đối lưu hạn Tầng bình lưu (Stratosphere): nằm tầng đối lưu, với ranh giới dao động khoảng độ cao 50km Nhiệt độ khơng khí tầng bình lưu có xu hướng tăng dần theo chiều cao, từ -560C phía đến -20C phía Khơng khí tầng bình lưu lỗng hơn, chứa bụi xảy tượng thời tiết bất thường Ở độ cao khoảng 25km tầng bình lưu tồn lớp khơng khí giàu ozơn thường gọi tầng ozơn Tầng ozơn có chức chắn bảo vệ cho Trái đất tránh khỏi ảnh hưởng độc hại tia tử ngoại từ mặt trời chiếu xuống Tầng trung gian (Mesosphere): nằm phía tầng bình lưu kéo dài đến độ cao khoảng 80km Nhiệt độ tầng giảm dần theo độ cao, từ -20C phía đến -920C lớp Tầng trung gian ngăn cách với tầng bình lưu lớp khơng khí mỏng (khoảng 1km), biến thiên nhiệt độ khí chuyển từ dương sang âm gọi bình lưu hạn Tầng nhiệt (Thermosphere): có độ cao từ 80km đến 500km Ở tầng nhiệt độ không khí có xu hướng tăng dần theo độ cao, từ -920C đến 12000C Tuy nhiên, nhiệt độ khơng khí thay đổi theo thời gian ngày, ban ngày thường cao ban đêm thấp Lớp chuyển tiếp trung nhiệt gọi trung hạn Tầng điện ly nằm độ cao từ 800km trở lên Nhiệt độ tầng lên đến 17000C Do tác động tia tử ngoại, phân tử khơng khí lỗng tầng bị phân hủy thành ion dẫn điện điện trở tự Tầng điện ly nơi xuất cực quang phản xạ sóng ngắn vơ tuyến Cấu trúc tầng khí hình thành kết lực hấp dẫn nguồn phát sinh khí từ bề mặt Trái đất, có tác động to lớn việc bảo vệ trì sống Trái đất 1.1.3 Khái niệm nhiễm khơng khí Khơng khí yếu tố quan trọng thiếu để người động thực vật sinh sống Sức khỏe tuổi thọ người, sinh trưởng phát triển loài động thực vật phụ thuộc nhiều vào: thành phần hỗn hợp khơng khí, vào độ đặc tính lý hóa Khơng khí khí mà hít thở hỗn hợp chất dạng khí tích khơng đổi nước Ngồi thành phần khơng khí nêu trên, có mặt chất lạ khác gây biến đổi thành phần khơng khí, tạo ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người đến môi trường sinh thái gọi chất ô nhiễm Như chất phát tán vào khơng khí từ nhiều nguồn khác SOx, NOx, bụi, chất hữu bay hơi… chất nhiễm Khơng khí chứa chất ô nhiễm gọi chất bị ô nhiễm Ơ nhiễm khơng khí lan truyền biểu thị sơ đồ trình bày Trong sơ đồ thì: - Nguồn nhiễm hiểu nguồn thải chất ô nhiễm Ví dụ, khí thải từ ống khói, khí thải từ xe cộ, đốt than, đốt dầu… Nó chủ yếu phân thành nguồn ô nhiễm tự nhiên nguồn ô nhiễm nhân tạo - Khí coi mơi trường trung gian để vận chuyển chất ô nhiễm từ nguồn gây ô nhiễm tới nguồn tiếp nhận chất ô nhiễm Tại chất nhiễm cịn có chuyển hóa Q trình chuyển hóa phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố - Nguồn tiếp nhận ô nhiễm người, động vật, thực vật đồ vật, cơng trình xây dựng bề mặt Trái đất Để nghiên cứu ảnh hưởng ô nhiễm khơng khí đến nguồn tiếp nhận cần có kiến thức sinh lý học, sinh vật y học 1.1.4 Các chất gây nhiễm khơng khí Như nêu chất gây biến đổi thành phần khơng khí làm cho trở lên khơng gây mùi khó chịu hay làm giảm tầm nhìn xa gọi chất gây nhiễm khơng khí Các nguồn thải Trái đất hàng ngày phát tán vào khí lượng lớn chất gây nhiễm Để dễ nghiên cứu người ta phân thành chất nhiễm thể khí, nhiễm khơng khí bụi, nhiễm khơng khí mùi nhiễm nhiệt 1.1.4.1 Các chất nhiễm thể khí a Thán khí (CO2, dioxid carbon) CO2 chất cấu tạo bình thường khí Nồng độ khí liên tục tăng, chủ yếu việc dùng nhiên liệu hóa thạch để tạo lượng Thơng thường 12g C bị đốt cháy tạo 44g CO2, từ thấy lượng CO2 phát tán vào khí lớn Nó chất khơng thường xuyên gây ô nhiễm sơ cấp, lại tác nhân quan trọng gây ô nhiễm thứ cấp b Monoxid carbon, CO Trong điều kiện tự nhiên, CO có hàm lượng nhỏ, khoảng 0,1 ppm Nguồn gốc phát sinh CO chủ yếu hoạt động núi lửa, q trình lên men mơi trường khí hiếm, sấm chớp, cháy rừng, đốt nhiên liệu, than đá Khí CO có nhiều tác động khác đến sinh vật Nếu nồng độ CO cao gây hại cho thực vật ngăn chặn q trình hơ hấp Động vật máu nóng mẫn cảm với CO CO kết hợp với hemoglobin, tạo thành carboxyhemoglobin, làm tế bào thiếu oxy gây ngạt thở Hít khơng khí nhiễm 6,4×1000ppm CO vịng phút gây nhức đầu chống váng, vịng 15 phút bất tỉnh tử vong Liều 100ppm CO xem giới hạn tối đa cho phép c Hydrocarbon, CnHm Thực vật nguồn tạo CnHm lớn tự nhiên Còn nguồn nhân tạo phương tiện vận tải, khai thác dầu mỏ lò sưởi dùng dầu (fuel) Sự cháy khơng hồn tồn hợp chất CnHm không no tạo peroxy-acyl-nitrates (PAN) Trường hợp khơng khí bị nhiễm CnHm gặp nắng nhiều gây nên sương mù quang hóa (Smogs photochimiques) Ngồi q trình cháy khơng hồn tồn tạo chất CnHm đa vòng dễ gây ung thư benzo-3,4-pyrene, benzanthracene… d.Andehyt Andehyt hợp chất độc gây kích thích có khơng khí quanh nhà máy lọc dầu, khí thải phương tiện giao thơng, quanh lị đốt rác… e Dioxid lưu huỳnh, SO2 Núi lửa nguồn tự nhiên chủ yếu tạo SO2 Một phần lớn SO2 thải vào không khí hoạt động người, đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, than đá, dầu FO (fuel Oil) Ngành luyện kim điều chế axit sulfuric thải SO2 SO2 thải vào khơng khí biến đổi thành SO3 axit sulfuric Nó nguyên nhân tạo mưa axit nhiều vùng giới SO2 độc với thực vật động vật f Hợp chất Nitrogen Các oxit nitơ (NO NO2) chất ô nhiễm sơ cấp sinh từ trình khai thác dầu mỏ, sản xuất công nghiệp hoạt động phương tiện giao thơng Nó kết hợp với loại khí khác tác dụng phản ứng quang hóa tạo chất gây ô nhiễm thứ cấp g Ozôn (O3) Là chất cấu tạo khí Nồng độ O3 tăng dần theo độ cao đạt trị số tối đa tầng bình lưu, khoảng 18-35km Tại tầng đối lưu, nhiễm khơng khí làm gia tăng lượng O3 gần mặt đất Trong q trình nhiễm có ngun nhân từ việc sử dụng hợp chất chứa CFC, đốt nhiên liệu lại làm giảm O3 tầng bình lưu 1.1.4.2 Ơ nhiễm khơng khí bụi Bụi hiểu tập hợp nhiều hạt, có kích thước khác nhau, tồn lâu dài khơng khí dạng bụi bay bụi lắng Bụi bay có kích thước từ 0,001-10μm tro, muội, khói hạt rắn nghiền nhỏ Bụi lắng có kích thước lớn 10μm Loại bụi thường rơi nhanh xuống mặt đất lơ lửng cách mặt đất khoảng 1,5m Bụi tạo từ nguồn tự nhiên động đất, núi lửa, bão bụi… Hoặc nguồn nhân tạo như: giao thông vận tải (hạt mài, bồ hóng, bụi chì, cao su, nhựa đường…); cơng nghiệp (bụi hóa học, xi măng, thạch anh, than đá, bụi kim loại, bụi gỗ, bụi hỗn hợp…) Bụi có ảnh hưởng lớn đến phát triển thực vật sống người lồi động vật khác 1.1.4.2 Ơ nhiễm khơng khí mùi Thực chất chất gây ô nhiễm mùi hôi loại khí độc gây nhiễm mơi trường khơng khí Các chất gây mùi phát sinh từ trình tự nhiên (các trình phân hủy, lên men) hầu hết hoạt động kinh tế xã hội (công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, dịch vụ thương mại) hoạt động sinh hoạt người (đun nấu, chăn nuôi…) Các chất gây mùi xuất nguồn thải trình phát tán chúng khí Các chất gây mùi dễ nhận biết nhờ khứu giác, khó xác định chất 1.2 Ảnh hƣởng ô tô đến môi trƣờng không khí 1.2.1 Một số vấn đề chung Các phương tiện vận tải giữ vai trò quan trọng việc phát triển kinh tế xã hội quốc gia, góp phần không nhỏ gây ô nhiễm môi trường sinh thái Ảnh hưởng chủ yếu hoạt động phương tiện giao thông vận tải đến môi trường gây ô nhiễm không khí, gây ồn, rung động bụi Khí thải phát tán từ phương tiện vận tải chiếm tỷ trọng lớn so với nguồn phát thải khác việc gây nhiễm khơng khí, Bắc Kinh khí thải phương tiện giao thơng chiếm 75%, Mannila -70%, Kualalampua-86% Với phương tiện vận tải khác nhau, lượng khí phát thải khác Thí dụ vận chuyển hành khách đoạn đường 1km, lượng phát thải Cacbonmonoxit –CO sau: Môtô bánh: 4,82g/hk.Km; ôtô con: g/hk.Km; ôtô khách 40 chỗ ngồi: 1,87g/hk.Km Những chất gây ô nhiễm khơng khí bắt nguồn từ phương tiện vận tải phát tán vào mơi trường khí thải bay nhiên liệu (xăng, dầu dieze) Các chất ô nhiễm đặc trưng : CO, HC, NOx…Các phương tiện vận tải ước tính tải mơi trường khoảng 85% Cacbonmonoxit–CO, 40% oxit nitơ-NOx, 50% Hydrocacbon-HC, 15%dioxitcacbon-CO2, 5% SO2 hợp chất hữu tổng hợp bay khác (VOC) 1.2.2 Ơ nhiễm khơng khí khí xả, khí lọt nhiên liệu bay Có ba nguồn sinh chất gây ô nhiễm không khí từ phương tiện vận tải: Khí xả, khí lọt nhiên liệu bay (hình 1.4) Các hợp chất Hydrocacbon (HC) tạo từ ba nguồn, CO NOx xuất khí xả động a Khí xả Khí xả sản phẩm cháy từ buồng đốt động thả ngồi mơi trường qua ống xả Thành phần chất độc hại trung bình khí thải đốt cháy 1kg nhiên liệu thể bảng 1.2 Bảng 1.2 Thành phần độc hại khí xả STT Các thành phần độc hại khí xả Dạng nhiên liệu Xăng (g) Diezel (g) CO 200,59 20,81 HC 23,28 4,16 NOx 15,83 18,01 SOx 1,86 7,8 Alđehyt 0,93 0,78 Khói, bụi 1,00 5,00 Pb 0,5 Từ bảng thấy lượng chất độc hại thải đốt cháy 1kg nhiên liệu động xăng lớn động diezel- riêng khói đen động diezel lại thải lượng lớn động xăng Mỗi năm, hoạt động phương tiện giao thông vận tải tiêu thụ tới 1,5 triệu xăng dầu diezel, tương ứng với lượng khí thải ước tính bảng 1.3 Bảng 1.3 Lượng khơng khí thải phương tiện giao thông đường Chất ô nhiễm Lượng thải (tấn) CO2 6.000.000 CO 61.000 NO2 35.000 SO2 12.000 CnHm 22.000 Nhiên liệu dùng động đốt thường nhiên liệu lỏng nhiên liệu thể khí (hay thể khí hóa lỏng) Nhiên liệu lỏng dùng chủ yếu sản phẩm tạo từ dầu mỏ (xăng, diezel) loại có nhiệt trị lớn, tro, dễ vận chuyển bảo quản Mỗi loại nhiên liệu lỏng kể hỗn hợp nhiều loại hydrocacbon có cơng thức cấu tạo khác có ngun tố sau: Cacbon (C), Hydro (H), đơi cịn có lượng nhỏ Lưu huỳnh (S) Nitơ (N) Nếu bỏ qua hàm lượng nhỏ S N biểu diễn cơng thức hóa học nhiên liệu lỏng dạng chung CnHm (trong đó, n số nguyên tử Cacbon, m số nguyên tử Hydro) Khi nhiên liệu lỏng cháy hoàn toàn, sản phẩm cháy chủ yếu gồm CO2 H2O N2 (có khơng khí) Phản ứng oxy hóa trường hợp viết sau: Cn H m ( n m m t0 )O2 N nCO2 H 2O N Trong thực tế, trường hợp cháy hồn tồn khó xảy cịn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thông số kết cấu động cơ, trình hình thành đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu, chế độ làm việc trạng thái kỹ thuật động Khi nhiên liệu cháy khơng hồn tồn, thành phần sản phẩm cháy chủ yếu gồm CO2, H2O, CO, HC, NOx (từ N2 có khơng khí): t Cn H m O2 N CO2 H 2O Cn H m CO NOX N (dư) Nhiên liệu thể khí dùng động đốt thường khí thiên nhiên khí thiên nhiên hóa lỏng Thành phần chủ yếu gồm nguyên tử C, H, O tạo nên viết dạng tổng quát CnHmOr lượng nhỏ N2 H2S Nếu lược bỏ thành phần H2S cháy hồn tồn phản ứng oxy hóa là: Cn H mOr (n m r m t0 )O2 N nCO2 H 2O N 2 Khi cháy khơng hồn tồn: Cn H mOr (n m r t0 )O2 N CO2 H 2O CO Cn H mOr NOX N (dư) So với nhiên liệu lỏng nồng độ CO, HC, NOx phát sinh dùng nhiên liệu khí nhỏ nhiều - Oxit cacbon (CO) CO khí không màu, không mùi vị, thành phần độc hại đặc trưng khí thải CO sinh trình cháy khơng hồn tồn hỗn hợp cháy thiếu oxy (hỗn hợp đậm) nên phần C nhiên liệu chuyển hóa thành CO: C O2 CO 124019kJ Ngoài ra, CO sinh nguyên nhân khác như: - Sự cháy khơng khí hỗn hợp; - Do nhiệt độ xung quanh vùng thành xilanh thấp; - Do phản ứng (2CO + O2=2CO2) diễn chậm nên biến đổi tất lượng CO thành CO2 Nồng độ CO khí xả phụ thuộc đáng kể vào hệ số dư khơng khí tỷ lệ khơng khí – nhiên liệu hỗn hợp cháy Từ đồ thị hình 1.5 cho thấy để giảm nồng độ CO khí xả tỷ lệ khí – nhiên liệu nhạt tốt ( 1) Hình 1.5 1.6 Ở chế độ chạy chậm khơng tải (khí hỗn hợp đậm) nồng độ CO khí xả lớn Ở chế độ tải trung bình (bướm ga mở khoảng 40-70%) hàm lượng CO khí xả mức nhỏ Ở chế độ tải trọng cực đại (dấn ga đột ngột) hỗn hợp cháy đậm hơn, hàm lượng CO khí xả lại tăng Trạng thái kỹ thuật động có ảnh hưởng lớn đến lượng CO khí xả Khi trạng thái kỹ thuật tốt, trình cháy hồn hảo lượng CO giảm 20-30% CO gây cản trở việc vận chuyển oxy từ máu tới tế bào, đặc biệt nguy hiểm thai nhi người mắc bệnh tim Nếu lượng CO máu vượt mức người yếu tim bị tăng thêm căng thẳng, người đau thắt ngực bị tăng thêm thời gian đau Tiếp xúc với CO mức cao dẫn đến suy giảm thị lực, khả học tập hiệu suất cơng việc - Hydrocacbon (HC) HC gây kích thích thành bên quan hơ hấp, ngồi cịn gây tượng sương mù quang hóa làm cản trở tầm nhìn, kích thích mắt bị coi nguyên nhân gây bệnh ung thư tàn lụi rừng Sự hình thành HC động đốt nguyên nhân sau: + Sự dập tắt màng lửa tiếp xúc với thành buồng cháy tạo lớp hỗn hợp không bị bén lửa hay cháy khơng hồn tồn bề mặt tiếp xúc Hiện tượng xảy lớn chế độ không tải hay tải nhỏ + Hỗn hợp cháy chứa không gian chết, không cháy màng lửa bị dập tắt Các không gian chết chủ yếu khe hở giới hạn sécmăng pittông với xilanh, không gian quanh nấm đế supáp, không gian quanh cực trung tâm bugi…Các không gian xem nguyên nhân chủ yếu phát sinh HC + Hơi nhiên liệu hấp thụ vào màng dầu bôi trơn thành xilanh, cháy hết nhiên liệu, giải phóng nhiên liệu từ màng dầu bơi trơn bắt đầu Trong q trình đó, phần hịa trộn với khí cháy nhiệt độ cao bị oxy hóa; phần khác hịa trộn với khí cháy nhiệt độ thấp khơng bị oxy hóa, làm tăng lượng HC + Q trình cháy khơng hồn tồn độ đậm đặc nhiên liệu, thay đổi góc đánh lửa sớm hay thay đổi tốc độ Khi hỗn hợp cháy đậm (1), lượng HC khí thải tăng cháy khơng hồn tồn thiếu oxy Nếu hỗn hợp cháy nhạt (1) làm chậm lan truyền lửa làm giảm hiệu suất q trình cháy dẫn đến lượng HC khí thải tăng + Sự trùng lặp thời điểm đóng mở supáp nạp thải Trong trình làm việc động có thời điểm supáp nạp supáp thải mở làm lượng HC bị hút khỏi buồng cháy Hiện tượng coi “lọt khí nổ sớm đóng muộn supáp” + Sự hình thành lớp muội than buồng cháy góp phần làm gia tăng lượng HC Sự hấp thụ giải phóng HC lớp muội than giống với màng dầu Ngồi HC cịn sinh phần nhỏ hỗn hợp khí sát thành xilanh cháy phần không cháy hết xả khỏi xilanh Các nghiên cứu lượng HC thành phần đóng góp cịn lớn so với lượng HC tạo trình cháy - Các ơxit nitơ (NOx) NOx sâu vào phổi, gây kích thích mắt mũi họng Nếu nồng độ NOx khí mức cao gây ho, đau đầu chóng mặt hư hại phổi NOx có ảnh hưởng lớn đến sống thực vật nồng độ đủ lớn Diôxit nitơ (NO2) gây việc gia tăng lây nhiễm đường hô hấp, làm nghẽn thở người mắc bệnh hen giảm chức phổi Các dạng ơxit nitơ (NOx) góp phần gây lắng đọng axit làm hỏng cối tăng độ axit ao, hồ, sông, suối làm tổn hại nghiêm trọng đến hệ sinh thái nước NOx tên gọi chung ôxit nitơ, chúng tạo N2 O2 điều kiện nhiệt độ cao Các chất đặc trưng NO, NO2, N2O Trong họ NOx NO chiếm tỷ lệ lớn NO hình thành chủ yếu N2 khơng khí nạp vào động (trong nhiên liệu sử dụng xăng hay diezel chứa N nên ảnh hưởng chúng đến hình thành NOx khơng đáng kể) cao N O2 t NO Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp nhiều so với phản ứng cháy Chú ý: Các phân tử N2 ổn định điều kiện bình thường Chỉ nhiệt độ khoảng 18000C nồng độ O2 cao làm N2 kết hợp với O2 để tạo NO Nếu nhiệt độ không cao 18000C N2 O2 bị thải Do vậy, cách tốt để giảm lượng khí thải NOx làm giảm nhiệt độ buồng cháy xuống 18000C giảm thời gian xuất nhiệt độ cao Nồng độ NO2 động đánh lửa cưỡng so với NO nhỏ, động diezel có đến 30% NOx dạng NO2 NO2 hình thành từ NO chất trung gian sản phẩm cháy: NO HO2 NO2 OH N2O chủ yếu hình thành chất trung gian NH NCO chúng tác dụng với NO: NH NO N2O H NCO CO N 2O CO Nồng độ NOx khí thải phụ thuộc đáng kể vào tỷ lệ khơng khí- nhiên liệu (hệ số dư khơng khí ) Nồng độ NOx sinh lớn tỷ lệ khí- nhiên liệu khoảng 16:1 (hệ số dư khơng khí 1,1 Nếu tỷ lệ lớn 16:1, nồng độ NOx giảm hỗn hợp nhạt, cháy diễn chậm ngăn cản nhiệt độ buồng cháy đạt tới giá trị cực đại Nếu tỷ lệ nhỏ 16:1, nồng độ NOx giảm hỗn hợp đậm, nồng độ O2 thấp (hình 1.8) Nồng độ NOx cịn phụ thuộc vào hệ số khí sót Khí sót có mặt hỗn hợp khí cháy chu trình trước cịn sót lại xilanh Khi lượng khí sót tăng làm giảm nhiệt độ cháy dẫn đến giảm nồng độ NOx lại làm giảm tính kinh tế tăng lượng HC Ở động xăng, nồng độ NOx sinh phụ thuộc vào thời điểm đánh lửa sớm hay muộn, thời điểm đánh lửa làm thay đổi nhiệt độ buồng cháy (hình 1.9) Khi tăng góc đánh lửa sớm, làm tăng nồng độ NO khí xả 10 Nồng độ NOx tăng lên đáng kể bướm ga mở hoàn toàn Đối với động diezel, giảm góc phun sớm, điểm bắt đầu cháy lùi gần điểm chết hơn, điều kiện hình thành NO trễ nồng độ giảm nhiệt độ cực đại thấp Tuy nhiên, trường hợp độ khói nồng độ CO khí xả lại tăng - Chì (Pb) Chì xuất thành phần khí xả phương tiện giao thơng xăng pha chì (để tăng trị số oocstan xăng nhằm chống cháy kích nổ) Chì khơng khí lắng đọng vào đất nước, từ thâm nhập vào thể người qua thức ăn nước uống Chì loại độc tố trẻ em đối tượng dễ bị tổn thương Chì có ảnh hưởng đến nhiều phận thể người, dễ thấy ảnh hưởng tới phát triển hệ thần kinh (làm giảm số thông minh IQ) Ngồi ra, cịn có ảnh hưởng khác như: giảm chức vận động giác quan, suy giảm chức thận, tăng huyết áp Khi sử dụng xăng pha chì, người ta thường bổ sung thêm chất lọc chì chất xả hết ngồi khơng khí Đáng ý chất êtylen- đibrơmua gây ung thư cho động vật người Vì tác hại nêu trên, ngày người ta sử dụng xăng khơng pha chì (lượng chì xăng nhỏ giới hạn cho phép) - Bụi hạt (PM) Bụi hạt hình thành hạt cứng lẫn nhiên liệu, dầu bôi trơn,…thải trực tiếp khơng khí, q trình biến đổi khí thải SO2, NO2 Đặc tính lý hóa PM thay đổi theo thời gian, khu vực, thời tiết Ở nồng độ cao, bụi hạt có ảnh hưởng lớn đến sức khỏe người, làm giảm tầm nhìn hủy hoại hệ sinh thái Thành phần bụi hạt H2SO4, HNO3 góp phần gây lắng đọng axit Bụi hạt ảnh hưởng đến sức khỏe người dạng: chết yểu, trầm trọng thêm bệnh tim mạch, bệnh hô hấp, hen xuyễn lứa tuổi khác Bụi hạt thường có hai dạng: hạt nhỏ thô hạt mịn Hạt nhỏ thô, silicat bụi lơ lửng, loại bụi dễ gây bệnh hô hấp, hen xuyễn Hạt mịn chứa bụi axit, sunphat, nitrat, kim loại chuyển hóa, khói thải diezel, loại bụi hạt mịn có liên quan trực tiếp tới bệnh tim, phổi, chết yểu - Khí thải diezel 11 Khí thải diezel hiểu hạt cacbon tự hình thành trình cháy thiếu oxy thải ngồi dạng khói đen Nhiều nghiên cứu khí thải diezel chất có khả gây ung thư cho người Nhiều quốc gia xếp khí thải diezel vào danh sách chất “có thể gây ung thư” “tiềm ẩn gây ung thư”, đồng thời khuyến cáo “cần phải có nỗ lực khẩn cấp để giảm khí thải từ động diezel, đặc biệt bụi hạt” Trong khí thải diezel, bụi hạt mịn chiếm khoảng 20% khối lượng, hạt mịn dễ thâm nhập sâu vào phổi -Các chất thải khác SO2 xuất khí thải lưu huỳnh thiên nhiên cháy bị oxy hóa Thành phần chiếm tỷ lệ nhỏ khí thải động Ở nồng độ cao, SO2 gây kích thích màng nhày hệ thống hô hấp gây viêm phế quản, hen, xuyễn, đồng thời tác nhân tạo mưa axit Alđêhyt (R-CHO) tạo trình cháy khơng hồn tồn Mặc dù nồng độ chúng khí thải khơng lớn độ độc hại cao b Nhiên liệu bay Đó khí HC bốc từ thùng chứa nhiên liệu, từ chế hòa khí vào khơng khí từ rị rỉ nhiên liệu hệ thống cung cấp nhiên liệu c Khí lọt Khí lọt gồm khí hỗn hợp cháy khí hỗn hợp chưa cháy lọt qua khe hở pittơng thành xilanh xuống cácte dầu khí qua ống thơng gió cácte Ngồi việc gây ô nhiễm loại khí thải, phương tiện vận tải sử dụng động hoạt động gây tiếng ồn, rung động va đập, chúng gây cảm giác khó chịu cho người 1.2.3 Ơ nhiễm thứ cấp a Hiệu ứng nhà kính Như biết, phần lớn lượng tia xạ mặt trời có bước sóng nhỏ 0,3μm (tia tử ngoại) bị khí oxy ozon hấp thụ Nếu khơng có hấp thụ nhiều sinh vật trái đất bị hủy diệt xạ tử ngoại lớn Hơi nước có xạ lớn tia nhiệt có bước sóng lớn 18μm Khí cacbonic hấp thụ lớn tia nhiệt có bước sóng với dải sóng 13-18μm (bước sóng dải 15μm) 2,7-4,3μm Trong khoảng bước sóng 7-12μm,bức xạ nhiệt sóng dài dễ dàng vào khơng trung gọi cửa sổ xạ khí Bức xạ từ bề mặt trái đất sóng dài có lượng thấp, dễ bị khí giữ lại làm tăng nhiệt độ khơng khí bao quanh trái đất Các tác nhân gây nên hấp thụ xạ 12 sóng dài khí CO2, CH4, CFC, NO2, bụi nước gọi khí nhà kính tượng nêu gọi “hiệu ứng nhà kính” Sở dĩ gọi “hiệu ứng nhà kính” tác dụng khí nhà kính khí tương tự lớp kính nhà kính trồng rau xanh mùa đông, xạ mặt trời sóng ngắn nên dễ dàng xun qua lớp kính truyền vào nhà kính trồng rau, cịn xạ nhiệt bên nhà kính với nhiệt độ thấp, thuộc loại xạ sóng dài, khơng thể xun qua lớp kính truyền ngồi kết mơi trường vi khí hậu phía ấm phía ngồi nhà kính Nếu khơng có tác động khí nhà kính nhiệt độ trung bình bề mặt Trái đất ước tính khoảng 2550K, tương đương -180C hay 00F Khi tượng hiệu ứng nhà kính xảy nhiệt độ trung bình bề mặt trái đất tăng lên Nếu nồng độ khí nhà kính khí tăng làm tăng mức nhiệt độ bề mặt trái đất từ ấm tới nóng Nhiệt độ bề mặt trái đất tăng làm tăng mực nước biển, làm nhiều hệ sinh thái cân nhiều loại dịch bệnh xuất Trong số khí nhà kính CO2 chiếm vai trò quan trọng biến đổi khí hậu Một phân tử khí CFC gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ trái đất tương đương với 1500 phân tử khí CO2 Tuy nhiên nồng độ khí CO2 khí lớn nên có vai trị định biến đổi khí hậu tồn cầu Nguồn phát thải khí CO nhân tạo chủ yếu trình đốt cháy nhiên liệu Đặc tính khí gây hiệu ứng nhà kính chủ yếu thể bảng 1.4 Bảng 1.4 Đặc tính khí gây hiệu ứng nhà kính chủ yếu CO2 CH4 Nồng độ 354 ppm 1,7 ppm 310 ppb Mức gia tăng hàng năm (%) 0,5 Mức độ gây hiệu ứng nhà kính(%) 50 Thời gian tồn (năm) 50-200 Khả hấp thụ phân tử N2O CFC 11 CFC 12 20-40 ppb 280 ppt 484 ppt 0,25 0,5-1 16 20 20 10 150 0,1 60 120 21 206 2000 12400 15800 13 O3 Ghi chú: ( ppm: 10-6, ppb:10-9, ppt:10-12) b Hiện tƣợng mƣa axit Trong khí có chứa loại khí nhiễm SO2 NOx Các loại khí hịa tan với nước tạo hạt axit sunfuric, axit nitơric muối kim loại Khi trời mưa, nước mưa mang theo hạt axit tạo thành mưa axit Sự chuyển hóa thành axit q trình oxy hóa pha khí thể theo phương trình phản ứng sau: 2NO + O2 2NO2 2NO + H2O HNO3 + HNO2 2SO2 + O2 2SO3 SO3 +H2O H2SO4 Người ta ước lượng khoảng 30% tham gia NOx vào trận mưa axit (trên 60% SO2) Ở số nơi giới, người ta gọi mưa axit “thần chết khơng trung) gây nguy hại lớn cho loài người Những trận mưa axit gây nhiều hậu khác nhau: - Axit hóa làm nghèo đất, kéo theo làm hư hại lớn rừng - Những cố sức khỏe người làm ô nhiễm nguồn nước với kim loại gây độc (chì, nhơm…) - Làm hư hại cơng trình xi măng kết cấu kim loại Mưa axit làm tăng tính axit Trái đất, làm hủy diệt rừng mùa màng, gây nguy hại sinh vật nước, nguy hại người động vật Đồng thời cịn làm han gỉ nhà cửa, cầu cống cơng trình lộ thiên Người ta ước lượng thiệt hại mưa axit gây toàn giới năm 1450 triệu USD Hiện tượng mưa axit có nhiều khả xảy khu vực có nhà máy nhiệt điện lớn, có khu luyện kim, luyện dầu cơng nghiệp hóa chất lớn hoạt động c Suy giảm tầng ozơn Khí ozơn có tác dụng che chắn khơng cho tia tử ngoại cực ngắn chiếu xuống trái đất Vì người ta gọi tầng ozơn khí “ô bảo vệ” sống trái đất Trong thiên nhiên khí ozơn ln bị phân hủy tái tạo, giữ tồn vĩnh cửu có tác dụng hấp thụ xạ tử ngoại Một số năm gần nhà khoa học phát thấy nồng độ ozơn khí cực Nam bán cầu trái đất bị suy giảm tăng trưởng sử dụng chất chlorfluorocacbon (CFC) chlorfluoromethane (CFM) 14 Hợp chất cacbon florua thường gọi florua metan hay CFM, “freon” Freon-12 thường dùng làm chất trao đổi nhiệt bình nén khí thuộc kỹ thuật làm lạnh Chúng khí trơ phản ứng hóa học, lý học thơng thường, chúng tích lũy tầng cao khí quyển, tác dụng tia xạ tử ngoại CFC CFM làm thoát nguyên tử clo Mỗi nguyên tử clo lại phản ứng dây truyền với 100.000 phân tử ozôn biến ozơn thành oxi Vì giảm 40% nồng độ ozôn cực Nam trái đất (mầm mống lỗ thủng tầng ozơn) người sử dụng nhiều chất CFC CFM Các máy bay siêu âm bay độ cao lớn, thải nhiều khí NOx gây nguy hiểm cho tầng ozôn Các hợp chất halogen hữu cơ, tetraclometan (CCl 4), metyl clorofom (CH3Cl), metyl bromua (CH3Br)… liệt vào chất tương tự CFM Trong tầng bình lưu khí ln ln xảy phản ứng quang hóa phân hủy phân tử CFC tạo nguyên tử clo Nguyên tử clo chất xúc tác phân hủy ozôn theo phản ứng sau đây: Cl + O3 ClO + O2 ClO + O Cl + O2 Như theo phản ứng khí O3 đi, cịn khí clo ln tồn tiếp tục phá hủy tầng ozôn Theo tính tốn dự báo số chun gia giảm 1% lượng ozơn tầng bình lưu làm tăng khoảng 2% xạ tử ngoại có hại chiếu mặt trái đất Tăng xạ tử ngoại chiếu mặt trái đất làm tăng bệnh ung thư da, bệnh khô mắt rối loạn chế miễn dịch người làm rối loạn hệ sinh thái biển đời sống thực vật mặt trái đất Nếu tầng ozôn tiếp tục bị suy giảm, lỗ thủng tầng ozơn hình thành mở rộng đến lúc xạ tử ngoại chiếu xuống trái đất đạt tới giới hạn làm chết nhiều sinh vật, gồm người Hội nghị quốc tế Viên năm 1985 công ước Viên bảo vệ tầng ozơn Các hóa chất làm suy yếu tầng ozôn xác định hội nghị quốc tế Montreal năm 1987 bổ sung thêm hội nghị Luân Đôn năm 1990 hội nghị Copenhaghen năm 1992 Theo biên hội nghị hóa chất làm suy yếu tầng ozơn cần phải kiểm soát là: chlorfluorocacbon (CFC), halon, methylchloroform, cacbon tetrachloride, hydrochlorfluorocacbon (HCFC), hydrobromofluorocacbon (HBFC) methylbromit Ngày 26-1-1994 Việt Nam thức phê duyệt tham gia công ước Viên bảo vệ tầng ozôn Hiện số nước cơng nghiệp phát triển có luật cấm sử dụng khí freon12 cơng nghiệp làm lạnh, để bảo vệ tầng ozơn khí 1.3 Xác định khối lƣợng chất ô nhiễm 15 Để đánh giá mức độ nhiễm khơng khí từ nguồn thải gây cần phải thống kê nguồn thải Thống kê bao gồm nội dung: xác định vị trí số lượng nguồn gây nhiễm, xác định tổng lượng loại lượng chất ô nhiễm, xác định mức tiêu thụ nhiên liệu hàng ngày hàng năm nguồn tập trung, nguồn không tập trung, nguồn giao thông vận tải nguồn khác Đồng thời thống kê nguồn bốc gây ô nhiễm khác Khi xác định chất ô nhiễm có khu vực nguồn, xác định khối lượng chất nhiễm gây cách tính theo phản ứng hóa học, theo hệ số ô nhiễm 1.3.1 Theo phản ứng hóa học Dựa vào thành phần nhiên liệu đốt, định mức tiêu hao nhiên liệu động cơ, máy móc… Chúng ta tính thành phần lượng chất ô nhiễm sinh phản ứng hóa học Trên sở số liệu thống kê nhiên liệu đốt theo chu kỳ thời gian (ví dụ: tổng lượng tiêu thụ xăng dầu, than đá…hàng năm), tính tổng lượng nhiễm phát sinh 1.3.1.1 Đối với nhiên liệu rắn lỏng Thành phần nhiên liệu rắn lỏng bao gồm: cacbon, hydro, oxy, nitơ, lưu huỳnh, độ tro độ ẩm Các thành phần nhiên liệu biểu diễn phần trăm trọng lượng tổng thành phần 100% C + O + H + N + S + A + W = 100% Trong đó: A: ký hiệu độ tro W: ký hiệu độ ẩm Các thành phần khác ký hiệu theo chữ đầu tên gọi Khi đốt 1kg nhiên liệu lỏng, thành phần cacbon, hydro lưu huỳnh chuyển thành CO2, H2O, SO2 theo phương trình phản ứng sau: Đối với cacbon - Khi phản ứng cháy hoàn toàn: C + O2 CO2 Hoặc: 12kg C + 32kg O2 sinh 44kg CO2 + 8.100kcal/kg C - Khi phản ứng cháy khơng hồn tồn: C + 1/2O2 CO Hoặc: 12kg C + 16kg O2 sinh 28kg CO + 2.440kcal/kg C Đối với khí hydro 2H2 + O2 2H2O, 16 Hoặc: 4kg H2 + 32kg O2 sinh 36kg H2O + 34.200 kcal/kg H2 Đối với lưu huỳnh S + O2 SO2, Hoặc: 32kg S + 32kg O2 sinh 64kg SO2 + 2.600kcal/kg S Dựa phản ứng cháy, xác định lượng oxy cần cho q trình cháy, từ tính tốn lượng khơng khí cần cung cấp lượng sản phẩm cháy kg nhiên liệu tạo Ví dụ: Tính tổng lượng SO2 sinh q trình vận hành động ô tô chạy dầu diezen Biết thành phần lưu huỳnh dầu chiếm 0,3% khối lượng lượng dầu mà tơ sử dụng năm 5.103 coi phản ứng cháy xảy đạt hiệu suất 100% Giải: Thành phần lưu huỳnh chứa 0,3% khối lượng dầu Diezen, 100kg dầu có 0,3 kg lưu huỳnh, hay dầu chứa kg lưu huỳnh Tính lượng lưu huỳnh dầu mà ô tô đốt năm: 3kg/tấn x 5.103tấn = 15 lưu huỳnh Khi đốt lưu huỳnh, phản ứng cháy xảy sau: S + O2 SO2 Theo phản ứng trên: 32kg S cháy sinh 64 kg SO2 Vậy, 15 lưu huỳnh cháy sinh lượng SO2 là: 15.000 64 30.000 kg SO2 = 30 SO2/năm 32 Ngồi ra, dựa vào phương trình phản ứng hóa học để xác định lượng oxy cần cho trình cháy, từ tính tốn lượng khơng khí cần cung cấp sản phẩm cháy 1kg nhiên liệu thải ra, chủ yếu yếu tố độc hại làm ô nhiễm môi trường Các công thức tính sản phẩm cháy điều kiện tiêu chuẩn (t = 00C, p = 760 mmHg) thể sau ()٭: - Lượng khơng khí khơ lý thuyết cần cho trình cháy (Vlt ): Vlt 0,089C + 0,264H 0,0333(O S), m3/kg - Lượng không khí ẩm lý thuyết ( điều kiện t = 300C, 65%, d 17g/kg) cần cho trình cháy (Va): Va (1 + 0,0016d) Vlt , m3/kg 17 - Lượng khơng khí ẩm thực tế với hệ số thừa khơng khí (1,2 ÷ 1,6) (Vtt): Vtt Va , m3/kg - Lượng khí SO2 sản phẩm cháy ( VSO ) VSO2 0,683.102 S , m /kg - Lượng khí CO sản phẩm cháy (VCO) với hệ số cháy không hồn tồn hóa học học ( 0,01÷0,05): VCO 1,865.102C , m /kg - Lượng khí CO2 sản phẩm cháy ( VCO ) VCO2 1,853.102 (1 )C , m /kg - Lượng nước sản phẩm cháy ( VH O ) VH2O 0,111H 0,0124W 0,0016dVtt , m /kg - Lượng khí N2 sản phẩm cháy ( VN ) VN2 0,8.102 N 0,79Vtt , m /kg - Lượng khí O2 khơng khí thừa ( VO ) VO2 0,2( 1)Va , m /kg - Lượng sản phẩm cháy tổng cộng ( VT ) VT VSO2 VCO VCO2 VH2O VN2 VO2 , m /kg 1.3.1.2 Đối với nhiên liệu khí Nhiên liệu khí bao gồm thành phần chất khí CO2, CO, N2, H2, H2S, O2 hydro cacbon Trong hydro cacbon, CH4 chiếm tỷ trọng lớn nhiên liệu khí, cơng thức hydro cacbon xác lập CmHn Trong trình cháy nhiên liệu khí sinh nhiệt lượng Phương trình phản ứng cháy thành phần nhiên liệu khí thiết lập sau: H2 + 2O2 = H2O + 2.576 kcal/m3 CO + 2O2= CO2 + 3.016 kcal/m3 CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 8.555 kcal/m3 C2H4 +3O2 = 2CO2 +2H2O+14.017 kcal/m3 18 ... Cacbonmonoxit –CO sau: M? ?tô bánh: 4,82g/hk.Km; ? ?tô con: g/hk.Km; ? ?tô khách 40 chỗ ngồi: 1,87g/hk.Km Những chất gây ô nhiễm không khí bắt nguồn từ phương tiện vận tải phát tán vào mơi trường khí thải... vụ đào tạo, Trường ĐHCN Quảng Ninh tổ chức biên soạn giáo trình Ơ tơ nhiễm môi trường Sách dùng làm tài liệu giảng dạy học tập cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ơ tơ nhà trường làm... - Khí coi môi trường trung gian để vận chuyển chất ô nhiễm từ nguồn gây ô nhiễm tới nguồn tiếp nhận chất nhiễm Tại chất nhiễm cịn có chuyển hóa Q trình chuyển hóa phức tạp phụ thuộc vào nhiều