giáo trình hóa kỹ thuật môi trường

dùng cho môn hóa môi trường

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA VÀ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1

1 MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA 1

1.1 Hóa học môi trường: 1

1.2 Ô nhiễm môi trường: 1

1.3 Chất ô nhiễm: 1

1.4 Quá trình vận chuyển của các chất ô nhiễm 1

1.5 Hình thái hóa học: 2

2 CÁC THÀNH PHẦN MÔI TRƯỜNG CỦA TRÁI ĐẤT 2

2.1 Khí quyển 2

2.2 Thủy quyển 2

2.3 Địa quyển 2

2.4 Sinh quyển 2

3 MỘT SỐ ĐƠN VỊ BIỂU DIỄN NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT TRONG MÔI TRƯỜNG 3 3.1 Nồng độ của dung dịch 3

3.2 Nồng độ các chất trong môi trường không khí 3

3.3 Nồng độ các chất trong môi trường nước 4

3.4 Các khái niệm khác thường gặp trong kỹ thuật môi trường 4

4 CÁC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ 4

5 CHUYỂN ĐỔI VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG MÔI TRƯỜNG 5

5.1 Sự cân bằng vật chất 5

5.1.1 Hệ thống bảo toàn vật chất ổn định 5

5.1.2 Hệ thống ổn định chất ô nhiễm không bảo toàn 6

5.1.3 Phương trình đáp ứng từng bước 8

CHƯƠNG II: HỆ PHÂN TÁN 12

6 CÁC HỆ PHÂN TÁN 12

7 DUNG DỊCH 13

8 ĐỘ HÒA TAN CỦA CHẤT KHÍ TRONG CHẤT LỎNG 13

8.2 Độ hòa tan của chất rắn trong chất lỏng 19

8.3 Sự điện ly của nước – chỉ số hydro pH 20

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

8.3.2 Các cách xác định pH 21

9 DUNG DỊCH KEO 21

9.1 Các tính chất của dung dịch keo 21

9.1.1 Tính chất quang học – Hiệu ứng Tyndall 21

9.1.2 Tính chất hấp phụ 21

9.1.3 Tính chất động học của hệ keo 22

9.1.4 Tính chất điện học 22

9.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến ξ 25

9.2.1 Chất điện ly 25

9.2.2 Ảnh hưởng của pH 26

9.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ 26

9.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ chất keo 27

9.3 Cấu tạo mixen keo 27

9.4 Các phương pháp điều chế dung dịch keo 27

9.4.1 Phương pháp phân tán 27

9.4.2 Phương pháp ngưng tụ 28

9.4.3 Phương pháp pepti hóa 30

10 HỆ VI DỊ THỂ 30

10.1.1 Nhũ tương 32

10.1.2 Bọt 33

10.1.3 3.3 THÀNH PHẦN KHÔNG KHÍ SẠCH - KHÔ 37

10.1.4 b Đặc tính của một số nhiên liệu 66

10.1.5 (kg/tấn nhiên liệu) 68

10.2 Khí thải công nghiệp – Tiêu chuẩn thải theo thải lượng 77

11 NHIỆT ĐỘ 84

11.1 4.3.4 Hóa học nước biển 97

12 BẢNG 4.5 ĐẶC ĐIỂM MỘT SỐ ION HOÀ TAN TRONG NƯỚC 99

13 TÊN ION 99

14 CHẤT RẮN DẠNG KEO 100

14.1 4.4.5 Thành phần sinh học của nước tự nhiên 101

14.1.1 Sơ đồ phân hũy chất hữu cơ các loại vi khuẩn dị dưỡng như sau 101

14.2 104

14.3 4.5 CHẤT LƯỢNG NƯỚC VÀ SỰ Ô NHIỄM NGUỒN NƯỚC 104

14.3.1 Thành phần, tính chất nước thải sinh hoạt 107

14.4 5.2 CÁC TÁC NHÂN GÂY Ô NHIỄM NGUỒN NƯỚC VÀ TÁC HẠI111 14.4.1 4 Một số chất hữu cơ có độc tính cao trong môi trường nước 112

14.4.2 5.2.2 Các tác nhân vô cơ 116

14.4.3 1 Các kim loại nặng 116

14.4.4 2 Các chất rắn lơ lửng 116

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

14.4.5 5.2.3 Màu 119

14.4.6 5.2.4 Mùi 119

14.4.7 5.2.5 Các vi trùng trong nước 120

14.4.8 5.12.6 Phương pháp thu mẫu, phân tích chất lượng nước (có tài liệu riêng) 120 Bảng 5.13 Phân loại hoá chất qua độc tính theo WHO 121

14.4.9 Bảng 5.14 Một số hoá chất BVTV có độc tính đối với động vật sống trong nước ở ĐBSCL .122

14.5 1 Các chỉ tiêu vi sinh 127

1 Quá trình nitrat hoá 128

2 Quá trình khử nitrat 129

1 Nhu cầu oxy cho quá trình sinh hóa 129

2 Nhu cầu oxy cho quá trình hóa học 129

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA VÀ KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1 Hóa học môi trường:

Định Nghĩa: Hóa học môi trường đã được người ta chú ý nghiên cứu từ những năm 1960 khi có những vấn đề ô nhiễm môi trường xảy ra trên thế giới Kể từ đó tới nay môn khoa học này đã không ngừng phát triển và trở thành một môn khoa học rất cần thiết cho những người làm công tác nghiên cứu trong lĩnh vực môi trường Vậy thì hóa học môi trường là gì

? vai trò nhiệm vụ của hóa học môi trường ?

Hóa học môi trường là một môn khoa học tổng hợp, nghiên cứu về các quá trình biến đổi của các chất trong môi trường nghĩa là nó tập trung nghiên cứu về nguồn gốc, bản chất các phản ứng, các tác động, quá trình vận chuyển cũng như tương tác của các chất trong môi trường: đất, nước, không khí

Hóa học môi trường cung cấp cho các sinh viên những kiến thức cơ bản trong quá trình

nghiên cứu, giúp hiểu rõ bản chất các hiện tượng hóa học xảy ra trong môi trường nói chung từ đó có thể đưa ra các biện pháp tích cực ngăn ngừa ô nhiễm, bảo vệ môi trường

Hóa học môi trường mô tả các quá trình hóa học cơ bản có sự liên hệ chặt chẽ với các lĩnh

vực khác như hóa sinh, địa hóa, hóa phân tích, hóa vô cơ, hữu cơ, độc chất học

Nhiệm vụ của hóa học môi trường là nghiên cứu, mô tả và mô hình hóa những phản ứng hóa học trong môi trường cũng như nghiên cứu động học, nhiệt động học và các cơ chế phản ứng

- Hoá nước (aquatic chemistry): nghiên cứu các hiện tượng hóa học trong môi trường nước (nước sông, suối, ao, hồ, biển, nước ngầm, nước trong không khí, đất, đá…)

- Hóa không khí (atmospheric chemistry): nghiên cứu các hiện tượng hóa học trong môi trường không khí (thành phần cầu trúc khí quyển, phản ứng quang hóa, quá trình biến đổi chất trong khí quyển)

- Địa quyển và hóa đất (geosphere and geochemistry): nghiên cứu tính chất của đất cũng như quá trình chuyển hóa các chất trong đất

Để học tốt môn hóa học môi trường các sinh viên phải được trang bị các kiến thức cơ bản về hóa học đại cương, cơ sở hóa học vô cơ, hữu cơ, hóa lý, hóa sinh cơ bản…

1.2 Ô nhiễm môi trường:

bất kỳ một tác động nào là thay đổi các thành phần môi trường làm mất cân bằng sinh thái, gây ảnh hưởng xâu tới môi trường có ảnh hưởng tới người, vật, động vật, vật liệu …

Theo định nghĩa của Tổ Chức Y Tế Thế Giới (WHO): sự ô nhiễm hay sự nhiễm bẩn là việc chuyển các chất thải hoặc năng lượng vào môi trường đến mức có khả năng gây tác hại đến sưc khoẻ con người, đến sự phát triển sinh vật hoặc làm suy giảm chất lượng môi trường

1.3 Chất ô nhiễm:

Định Nghĩa: là những chất tồn tại sẵn trong tự nhiên hoặc nhân tạo làm thay đổi thành phần môi trường tự nhiên ở nồng độ cao có tác hại tới sức khỏe con người cũng như sinh vật nói chung Gồm các chất ô nhiễm do tự nhiên và nhân tạo

1.4 Quá trình vận chuyển của các chất ô nhiễm

Nguồn phát sinh > phát thải > môi trường vận chuyển (đất, nước, không khí) > nguồn tiếp nhận ( người, vật, động vật, cây cối)

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn 1.5 Hình thái hóa học:

Định Nghĩa: là các dạng khác nhau của các chất hóa học có trong môi trường Ví dụ: crom có các dạng hợp chất khác nhau như crom (3) hoặc crom(6) từ đó có động tính khác nhau

2 CÁC THÀNH PHẦN MÔI TRƯỜNG CỦA TRÁI ĐẤT

2.1 Khí quyển

Là lớp khí bao phủ xung quanh bề mặt trái đất, có khối lượng 5,2x1018kg , tới 99% khí quyển nằm dưới 30km so với bề mặt trái đất

Khí quyển có vai trò:

- Cung cấp O2 và CO2 cần thiết duy trì sự sống trên trái đất, ngăn chặn các tia tử ngoại gần (λ = 300 nm), cho các tia trong vùng khả kiến –tia trông thấy (λ = 400-800 nm), tia hồng ngoại gần (λ = 2500 nm), và sóng radio (λ = 0,1 - 40 μm) đi vào trái đất

- Giữ cân bằng nhiệt lượng của trái đất (thông qua quá trình hấp thụ tia tử ngoại phát xạ từ mặt trời và phản xạ tia nhiệt từ trái đất)

- Là môi trường để vận chuyển nước từ đại dương vào đất liền, tham gia vào quá trình tuần hoàn nước

Không khí được cấu tạo từ nhiều khí khác nhau, trong đó thành phần chính là khí N2 chiếm khoảng 78% thể tích, khí O2 chiếm khoảng 21% thể tích, tiếp theo là Argon, khí cacbonic, ngoài ra còn một số khí khác ở dạng vết Trong không khí cũng luôn tồn tại một lượng hơi nước không cố định

Nồng độ các khí trong khí quyển thay đổi liên tục theo thời gian, không gian, vị trí địa lý ( điều kiện phát thải, phát tán, quá trình sa lắng, biến đổi hóa học )

2.2 Thủy quyển

Thủy quyển bao gồm các dạng nguồn nước trên trái đất như: biển , hồ, sông , suối, nước đóng băng ở hai cực trái đất, nước ngầm Khối lượng của thủy quyển ước tính vào khoảng 1,38x1021kg Trong đó nước mặn chiếm tới 97%, 2% là nước băng đá, 1% nước ngọt phục vụ sinh hoạt cho con người Nhu cầu sử dụng nước trên thế giới là 3.900 triệu km3

Nước đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình, diễn ra trong tự nhiên và trong cuộc sống của con người Trong công nghiệp, người ta sử dụng nước làm nguyên liệu và nguồn năng lượng, làm dung môi, làm chất tải nhiệt và dùng để vận chuyển nguyên vật liệu Nước tự nhiên là nước mà chất lượng và số lượng của nó được hình thành dưới ảnh hưởng của các quá trình tự nhiên không có sự tác động của con người

2.3 Địa quyển

Địa quyển là lớp vỏ rắn ngoài của trái đất có bề sâu từ 0 – 100km Thành phần địa quyển gồm đất và các khoáng chất xuất hiện trong lớp phong hoá của trái đất hay nói cách khác địa quyển là tổ hợp phức tạp của các chất khoáng, chất hữu cơ, không khí và nước trong đó đất là thành phần quan trọng nhất

Việc con người khai thác các tài nguyên trong lòng đất (than, dầu, mỏ kim loại, đất, đá…) và thải bỏ nhiều chất thải (rắn, lỏng) đã làm ô nhiễm đất

2.4 Sinh quyển

Sinh quyển gồm tất cả những thành phần của ba môi trường kể trên có tồn tại sự sống và có liên quan tác động tương hỗ giữa các thành phần môi trường khí quyển, thuỷ quyển, địa quyển

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn Khác với khí quyển, thuỷ quyển, địa quyển, sinh quyển không có giới hạn rõ rệt vì nó nằm trong cả ba thành phần môi trường kể trên và không hoàn toàn liên tục vì sự sống chỉ tồn tại trong điều kiện nhất định

TRƯỜNG

3.1 Nồng độ của dung dịch

Nồng độ của dung dịch thường được biểu diễn bằng các cách sau đây:

- Nồng độ phần trăm khối lượng (%) là tỷ lệ khối lượng chất tan so với 100 phần khối lượng dung dịch

- Nồng độ phân tử gam hoặc nồng độ mol là số mol chất tan trong 1 lít dung dịch

- Nồng độ đương lượng gam (N) là số đương lượng chất tan trong 1 lít dung dịch

NA.VA = NB.VB (1.1)

NA VBHoặc = (1.2)

NB VA Đương lượng gam của một nguyên tố phụ thuộc vào trạng thái hóa trị của nguyên tố Ví dụ đương lượng của cacbon trong CO và CO2 là 6 và 3 vì cacbon có hóa trị 2 và 4

Tương tự , một hợp chất hóa hóa học có thể có nhiều đương lượng khác nhau tùy thuộc vào cách phản ứng của nó Vì vậy xét đương lượng của hợp chất cần phải xét trong phản ứng cụ thể Ví dụ:

Ví dụ trong phản ứng:

Al2(SO4)3 + 6NaOH = 2 Al(OH)3 + 3Na2SO4

Đương lượng của nhôm sunfat là: Đ =

32

242

x = 57 + Cách tính đương lượng của chất ô xi hóa khử: Đ = M/n

- Nồng độ molan: số mol chất tan trong 1000 gam dung môi

- Nồng độ mol phần hay nồng độ phân tử phần Ni của cấu tử i là tỉ số mol ni của cấu tử đó trên số mol ∑ ni của dung dịch

Ta có ∑ Ni = 1 (1.3)

3.2 Nồng độ các chất trong môi trường không khí

- Nồng độ của chất ô nhiễm không khí được biểu thị bằng các đơn vị:

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

CHƯƠNG II: HỆ PHÂN TÁN

6 CÁC HỆ PHÂN TÁN

Hệ phân tán là hệ bao gồm một môi trường liên tục và các tiểu phân (các “hạt”) có kích thước nhỏ được phân tán đồng đều trong môi trường đó Tập hợp các tiểu phân nhỏ bé đó

được gọi là pha phân tán, còn môi trường chứa đựng pha phân tán gọi là môi trường phân tán Bảng 2.1, giới thiệu các hệ phân tán thường gặp trong lĩnh vực công nghệ môi trường

Bảng 2.1 Các hệ phân tán thường gặp Stt Chất phân tán Môi trường phân tán

(dung môi) Ký hiệu Thí dụ minh họa

- Nếu môi trường phân tán là khí, các pha phân tán là lỏng hoặc rắn thì hệ phân tán được gọi là sol khí, nếu pha phân tán là lỏng thì sol khí đó có tên là mù (sương), nếu pha phân tán là rắn thì gọi là khói hoặc bụi

- Còn pha phân tán là rắn phân tán vào môi trường lỏng thì tùy kích thước của hạt mà ta có hệ là huyền phù hoặc hệ keo Nếu hạt keo tương tác mạnh với môi trường lỏng, ta gọi đó là hệ keo ưa lỏng (môi trường phân tán là nước, thì gọi là hệ keo ưa nước), nếu tương tác yếu, thì đó là hệ keo kỵ lỏng (kỵ nước) Khi tăng nồng độ của các hạt, keo ưa lỏng chuyển vào trạng thái gel (thạch), còn keo kỵ lỏng thì bị kết tủa

- Tính chất quan trọng của hệ phân tán trước hết là tính bền vững của hệ hay thể hiện là độ phân tán Tính bền vững hay độ phân tán phụ thuộc rất lớn vào kích thước của hạt phân tán

Độ phân tán: D = 1/d trong đó d là kích thước hạt

Theo mối quan hệ phụ thuộc ở trên mà hệ phân tán chia làm 3 loại sau đây:

- Các hệ phân tán thô (thể lơ lửng)

- Các hệ phân tán cao (hệ keo)

- Dung dịch

Hệ phân tán thô là những hệ vi dị thể có kích thước hạt nhân phân tán lớn hơn 1.10-4 mm Chúng kém bền vững và chất phân tán dễ dàng lắng xuống đáy hoặc nổi lên trên bề mặt Chất phân tán trong hệ phân tán thô được gọi là chất lơ lửng

Phụ thuộc vào trạng thái tổ hợp của chất phân tán mà chất phân tán ở dưới dạng huyền phù

hoặc nhũ tương Huyền phù được hình thành do các hạt rắn phân tán vào chất lỏng (ví dụ: các cặn lơ lửng trong nước) Nhũ tương được tạo nên từ các hạt chất lỏng phân tán vào chất

lỏng (ví dụ: sữa gồm các hạt mỡ lơ lửng trong chất lỏng)

Hệ phân tán cao là hệ phân tán siêu dị thể có kích thước hạt phân tán trong khoảng từ 1.10

-6 mm đến 1.10-4 mm được gọi là hệ keo, ví dụ: hệ keo silic, gelatin, sương mù, khói,… các hệ

keo cũng là hệ không bền vì chúng có thể tập hợp nhau thành những hạt có kích thước lớn hơn và lắng xuống

Khi các hạt phân tán có kích thước phân tử hay ion (nhỏ hơn 1.10-6 mm) thì các hệ phân tán trở thành đồng thể và được gọi là các hệ phân tán phân tử , ion (hay là những dung dịch

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn Đối với một lượng khí xác định thì P0, V0 ở T0 là những đại lượng không đổi do đó (P0V0)/T0 là một hằng số

Nếu lượng khí đó là một mol và ký hiệu hằng số đó là R thì biểu thức trên có thể viết

thành:

Còn với n mol khí thì phương trình trạng thái có dạng PV = nRT (1.9)

- Đối với khí thực: do Van dec Van tìm ra 1879

Trong đó a, b là hằng số đối với mỗi khí nhất định

5 CHUYỂN ĐỔI VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG MÔI TRƯỜNG

5.1 Sự cân bằng vật chất

Theo định luật Bảo toàn vật chất, ta có thể thiết lập được phương trình cân bằng vật chất

như sau:

Lượng chất đi vào = Lượng chất đi ra + Lượng chất tích tụ +

+ Lượng chất bị biến đổi (1.11 )

Vào ra

Hình 1.1 Sơ đồ cân bằng chất

5.1.1 Hệ thống bảo toàn vật chất ổn định

Hệ thống bảo toàn vật chất ổn định có công thức đơn giản như sau:

Lượng chất đi vào = Lượng chất đi ra (1.12)

Ví dụ một cái hồ nước có các suối nước chảy vào hồ với lưu lượng chảy Qs và nồng độ chất

ô nhiễm là Cs Nhánh nước thứ hai chảy vào hồ là kênh dẫn nước thải với lưu lượng Qw và nồng độ chất ô nhiễm là Cw Dòng nước chảy ra khỏi hồ là dòng nước hỗn hợp với lưu lượng được bảo toàn và nếu chúng ta thừa nhận điều kiện bảo toàn ổn định (h.1.2) thì từ phương trình cân bằng vật chất (1.12) có dạng sau đây:

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

Hình 1.2 hệ thống bảo toàn ổn định

5.1.2 Hệ thống ổn định chất ô nhiễm không bảo toàn

Thực tế trong môi trường thường xảy ra các phản ứng hóa học, sinh học trong điều kiện ổn định thì lượng chất ô nhiễm bị hấp thụ, tích tụ trong khu vực nghiên cứu bằng 0, nhưng nếu chất ô nhiễm không được bảo toàn thì phương trình (1.11) có dạng:

Lượng đi vào = Lượng đi ra + Lượng tiêu hủy (1.14)

Phần tiêu hủy của chất ô nhiễm không bảo toàn được tính đến với các phản ứng tiêu hủy đầu tiên, tức là cho rằng phần chất ô nhiễm mất đi sẽ tỷ lệ với lượng chất ô nhiễm, tức là:

t

C

C

dt K

C

dC

C Hay Ln(C) – Ln(C0) = Ln _ = - Kt

C0

Do đó nồng độ chất ô nhiễm trong khu vực nghiên cứu sẽ biến thiên theo thời gian, theo công thức

trong đó C0 – nồng độ chất ô nhiễm tại thời điểm ban đầu (t = 0)

Công thức (15) thể hiện hệ số suy giảm nồng độ chất ô nhiễm Nếu chúng ta thừa nhận rằng chất ô nhiễm phân bố đồng đều trong thể tích của khu vực nghiên cứu, thì tổng chất ô nhiễm sẽ là C.V Tổng lượng suy giảm của chất ô nhiễm không bảo toàn sẽ là:

Thay công thức (17) vào công thức (14) ta được công thức cuối cùng rất đơn giản về cân bằng vật chất đối với trường hợp chất ô nhiễm không bảo toàn trong hệ thống ổn định là: Lượng ô nhiễm vào = Lượng ô nhiễm ra + K.C.V (18a)

Trong công thức (18a) đã thừa nhận rằng nồng độ chất ô nhiễm phân bố đều trong thể tích

V

Ví dụ 2 Một hồ nước bị ô nhiễm cho biết thể tích nước của hồ là 10,0.106 m3 Có một

dòng suối chảy vào hồ với lưu lượng là 5 m3/s và nồng độ chất ô nhiễm (COD) của suối là

10 mg/l (h.1.4) và một miệng xả nước thải vào hồ với lưu lượng 0,5 m3/s, mang theo cùng một chất ô nhiễm như chất ô nhiễm trong dòng suối Nồng độ COD của nước thải là 100 mg/l và hệ số phản ứng tiêu hủy của hồ là 0,2 /ngày Thừa nhận rằng chất ô nhiễm được hòa trộn đều trong cả thể tích hồ, không xét đến hiện tượng nước bốc hơi, cũng như nước thấm qua thành hồ (thấm vào hoặc thấm ra) Xác định nồng độ chất ô nhiễm trong hệ thống hồ ổn định

Giải: Từ hình 1.4 ta có:

Lưu lượng chất vào = Qs Cs + Qw Cw

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

= 1,0.105 mg/s

Lưu lượng chất ra = Qm Cm = (Qs + Qw) C

= (5 + 0,5) m3/s C mg/l 103 l/m3

= 5,5 103 C mg/s Lượng bị tiêu hủy = KCV = 0,2/ng C mg/l 10.106 m3 10 l/m3

Hình 1.4 Sơ đồ hồ với chất ô nhiễm không bảo toàn

Thay các trị số ở trên vào công thức (1.8a) ta có:

Ví dụ 3 Trong một cửa hàng giải khát (h.1.5), có thể tích phòng là 500 m3 Trong phòng có

50 người hút thuốc, mỗi người hút 2 điếu trong 1 giờ Tính trung bình cho mọi loại thuốc, mỗi điếu thuốc hút nhả ra 1,4 mg khí formaldehyde (HCHO) Một phần khí formaldehyde sẽ chuyển đổi thành cacbon dioxit với hệ số phản ứng tiêu hủy là K = 0,4/h Lưu lượng không khí sạch từ ngoài đi vào phòng là 1000 m3/h, lưu lượng không khí thoát khỏi phòng cũng là 1000 m3/h Hãy xác định nồng độ khí formaldehyde ổn định trong không khí trong phòng, giả thiết rằng khí formaldehyde phân bố đồng đều trong phòng Kiểm tra nồng độ có gây ra hiện tượng cay mắt không Giới hạn nồng độ gây cay mắt khi nhiệt độ t = 25 0C và áp suất khí quyển 1 atm là 0,05 ppm

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

Hình 1.5 Phòng hút thuốc trong cửa hàng

Giải:

Lượng thải khí formaldehyde ở trong phòng là:

50 người hút 2 điếu/h 1,4 mg/điếu = 140 mg/h

Giả thiết nồng độ khí formaldehyde trong không khí thoát ra khỏi phòng tương tự như nồng độ khí formaldehyde ở không khí trong phòng, do đó lượng khí formaldehyde đi ra khỏi phòng là:

Lượng chất ô nhiễm đi ra = 1000 m3/h C (mg/m3) = 1000 C mg/h

Lượng chất ô nhiễm bị tiêu hủy (mất đi) là:

Trọng lượng phân tử 30

Vậy nồng độ khí formaldehyde ở trong phòng đã vượt trị số giới hạn gây cay mắt

5.1.3 Phương trình đáp ứng từng bước

Chúng ta có thể mở rộng sự tính toán nồng độ các chất ô nhiễm ở trạng thái ổn định trong hệ thống môi trường khi chất ô nhiễm được bảo toàn hay không bảo toàn đối với trường hợp không ổn định

Dưới đây chúng ta sẽ phân tích diễn biến môi trường trong điều kiện không ổn định Yêu cầu của thực tế rất phổ biến là cần xác định nồng độ chất ô nhiễm trong hệ thống môi trường biến đổi theo thời gian

Phương pháp để giải bài toán này gọi là phương trình đáp ứng từng bước của hệ thống

Ở hình 1.6 minh họa mô hình hệ thống môi trường biến đổi là một hình hộp có thể tích V đã được xác định,lưu lượng đi vào cũng như đi ra khỏi hộp đó là Q Ta cũng giả thiết nồng độ chất ô nhiễm được phân bố đồng đều trong khối hình hộp ở thời gian bất kỳ t, tức là nồng độ chất ô nhiễm trong luồng khí ra bằng nồng độ chất ô nhiễm ở trong phòng C Tổng lượng chất ô nhiễm trong hình hộp sẽ là CV và hệ số tăng chất ô nhiễm trong hình hộp sẽ

Nồng độ trong phòng: C

V = 500,0 m3

140 mg/h

K = 0,4h

Không khí vào

1000,0 m3/h

Không khí ra 1000,0 m3/h

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn là V.dC/dt Tổng lượng ô nhiễm tăng thêm (nguồn bổ sung) trong hộp là S (đơn vị trọng lượng trên đơn vị thời gian) Nếu chất ô nhiễm ở trạng thái không được bảo toàn với hệ số tiêu hủy là K, ta có mô hình tính toán như sau:

Lượng tồn lưu = Lượng đi vào – Lượng đi ra – Lượng bị tiêu hủy,

C – nồng độ chất ô nhiễm trong hộp (g/m3);

S – tổng lượng chất ô nhiễm thải ra trong hộp (g/h);

Q – lưu lượng khí đi vào hộp (m3/h);

K – hệ số tiêu hủy (1/h)

Để dễ dàng giải phương trình (18b) trước tiên ta xác định nồng độ chất ô nhiễm tới hạn ổn định, tức là nồng độ C ở thời gian vô cực, khi mà dC/dt = 0, tức là:

Hệ số phản ứng của chất ô nhiễm K và đi ra C

Hình 1.6 Mô hình hộp để phân tích

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

Do đó phương trình (20) sẽ là:

dy Q

dt V Phương trình vi phân (23) tương tự như phương trình vi phân (15) và lời giải của nó sẽ là:

trong đó y0 – giá trị ứng với t = 0

Nếu đặt C0 là giá trị nồng độ chất ô nhiễm trong hộp ở thời điểm t = 0 thì từ phương trình

Với các trị số giới hạn C0, C(α) ứng với thời gian t = 0 và t = ∝ ta có thể biểu diễn công

thức (27) bằng biểu đồ ở hình 1.7

Hình 1.7 Phương trình đáp ứng từng bước đối với mô hình hộp hỗn hợp khí

Ví dụ 4 Tính với một phòng hút thuốc của cửa hàng giải khát Cho một phòng hút thuốc

như ví dụ 3, thể tích phòng là V = 500 m3, lưu lượng không khí vào phòng là 1000 m3/h

Không khí thổi vào phòng là không khí sạch và được bắt đầu thổi vào phòng từ 5 giờ chiều Hệ số tiêu hủy (suy giảm) của khí formaldehyde là K = 0,4/h Khói thuốc lá bắt đầu thải ra

C0

C∞ C∞ = Q KV

S+

C(t) = C∞+ (C0- C∞).e(K+Q/V)/t

Thời gian, t

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn khói thuốc lá lúc 6 giờ chiều là bao nhiêu ?

Giải: Trong trường hợp này Q = 1000 m3/h, V = 500 m3, S = 140 mg/h và K = 0,4/h Nồng độ khói thuốc lá ở thời điểm ổn định C(α) được xác định theo công thức (19):

Dưới đây, tương tự, trình bày ứng dụng công thức (27) để phân tích diễn biến nồng độ chất

ô nhiễm trong hồ

Ví dụ 5 Cho một hồ chứa thể tích nước là 10.106 m3, như là ở ví dụ 2 Kết quả tính toán ở

ví dụ 2 đã cho trị số nồng độ chất ô nhiễm ổn định trong hồ là 3,5 mg/l Chất ô nhiễm không được bảo toàn và biến đổi suy giảm với hệ số K = 0,2/ngày Giả thiết rằng điều kiện của hồ cho ở ví dụ 2 là không thể chấp nhận được và giải quyết vấn đề này bằng cách thay đổi ống thoát nước, cho ống thoát nước chạy vòng quanh hồ để giảm nhỏ nguồn ô nhiễm thải vào hồ Dòng nước đi vào hồ với lưu lượng là Qs = 5 m3/s và với nồng độ chất ô nhiễm là Cs = 10 mg/l Giả thiết rằng chất ô nhiễm hòa trộn đều trong hồ Xác định nồng độ chất

ô nhiễm sau 1 tuần, tính từ lúc nguồn ô nhiễm bằt đầu xả vào hồ và tính toán trị số nồng độ chất ô nhiễm ổn định cuối cùng

Giải: Từ đầu đề cho ta có: C0 = 3,5 mg/l; V = 10.106 m3; K = 0,2/ngày;

C(7ngày) = 2,1 mg/l

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

CHƯƠNG II: HỆ PHÂN TÁN

6 CÁC HỆ PHÂN TÁN

Hệ phân tán là hệ bao gồm một môi trường liên tục và các tiểu phân (các “hạt”) có kích thước nhỏ được phân tán đồng đều trong môi trường đó Tập hợp các tiểu phân nhỏ bé đó

được gọi là pha phân tán, còn môi trường chứa đựng pha phân tán gọi là môi trường phân tán Bảng 2.1, giới thiệu các hệ phân tán thường gặp trong lĩnh vực công nghệ môi trường

Bảng 2.1 Các hệ phân tán thường gặp Stt Chất phân tán Môi trường phân tán

(dung môi) Ký hiệu Thí dụ minh họa

- Nếu môi trường phân tán là khí, các pha phân tán là lỏng hoặc rắn thì hệ phân tán được gọi là sol khí, nếu pha phân tán là lỏng thì sol khí đó có tên là mù (sương), nếu pha phân tán là rắn thì gọi là khói hoặc bụi

- Còn pha phân tán là rắn phân tán vào môi trường lỏng thì tùy kích thước của hạt mà ta có hệ là huyền phù hoặc hệ keo Nếu hạt keo tương tác mạnh với môi trường lỏng, ta gọi đó là hệ keo ưa lỏng (môi trường phân tán là nước, thì gọi là hệ keo ưa nước), nếu tương tác yếu, thì đó là hệ keo kỵ lỏng (kỵ nước) Khi tăng nồng độ của các hạt, keo ưa lỏng chuyển vào trạng thái gel (thạch), còn keo kỵ lỏng thì bị kết tủa

- Tính chất quan trọng của hệ phân tán trước hết là tính bền vững của hệ hay thể hiện là độ phân tán Tính bền vững hay độ phân tán phụ thuộc rất lớn vào kích thước của hạt phân tán

Độ phân tán: D = 1/d trong đó d là kích thước hạt

Theo mối quan hệ phụ thuộc ở trên mà hệ phân tán chia làm 3 loại sau đây:

- Các hệ phân tán thô (thể lơ lửng)

- Các hệ phân tán cao (hệ keo)

- Dung dịch

Hệ phân tán thô là những hệ vi dị thể có kích thước hạt nhân phân tán lớn hơn 1.10-4 mm Chúng kém bền vững và chất phân tán dễ dàng lắng xuống đáy hoặc nổi lên trên bề mặt Chất phân tán trong hệ phân tán thô được gọi là chất lơ lửng

Phụ thuộc vào trạng thái tổ hợp của chất phân tán mà chất phân tán ở dưới dạng huyền phù

hoặc nhũ tương Huyền phù được hình thành do các hạt rắn phân tán vào chất lỏng (ví dụ: các cặn lơ lửng trong nước) Nhũ tương được tạo nên từ các hạt chất lỏng phân tán vào chất

lỏng (ví dụ: sữa gồm các hạt mỡ lơ lửng trong chất lỏng)

Hệ phân tán cao là hệ phân tán siêu dị thể có kích thước hạt phân tán trong khoảng từ 1.10

-6 mm đến 1.10-4 mm được gọi là hệ keo, ví dụ: hệ keo silic, gelatin, sương mù, khói,… các hệ

keo cũng là hệ không bền vì chúng có thể tập hợp nhau thành những hạt có kích thước lớn hơn và lắng xuống

Khi các hạt phân tán có kích thước phân tử hay ion (nhỏ hơn 1.10-6 mm) thì các hệ phân tán trở thành đồng thể và được gọi là các hệ phân tán phân tử , ion (hay là những dung dịch

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

Dung dịch là hệ đồng thể gồm hai hay nhiều chất mà thành phần của chúng có thể thay đổi

trong giới hạn rộng (đây là điểm khác với hợp chất) Dung dịch có thể ở dạng khí, lỏng hay rắn

- Người ta còn phân chia dung dịch ra làm hai loại: dung dịch lý tưởng và dung dịch thực + Dung dịch lý tưởng bao gồm: dung dịch hoàn thiện và dung dịch vô cùng loãng (dung

dịch có lượng chất tan vô cùng bé so với dung môi)

Dung dịch hoàn thiện là dung dịch được tạo thành từ các cấu tử có cấu tạo và tính chất hóa lý gần giống nhau Ví dụ: hỗn hợp đồng phân hexan và iso-hexan, Fe-Ni; FeO-MnO Do cấu tạo và tính chất hóa lý gần giống nhau nên quá trình hình thành dung dịch không thu hay phát nhiệt (ΔH = 0), không tăng hay giảm thể tích (ΔV = 0)

+ Dung dịch thực là dung dịch được tạo thành từ các cấu tử có cấu tạo và tính chất hóa lý

khác nhau Khi hình thành dung dịch có kèm theo quá trình thu hay phát nhiệt, có thay đổi thể tích

Khi nghiên cứu dung dịch gồm hai chất thì chất nào chiếm một lượng lớn hơn thì được gọi là dung môi còn chất kia được gọi là chất tan Dung dịch có chứa chất tan ít được gọi là dung dịch loãng, còn dung dịch chứa chất tan nhiều được gọi là dung dịch đậm đặc

Dung dịch bão hòa: độ hòa tan của các chất là khả năng hòa tan của các chất đó trong dung

môi Khi quá trình hòa tan đạt được trạng thái cân bằng ở những điều kiện nào đó (nhiệt

độ, áp suất….) thì dung dịch thu được sẽ chứa lượng tối đa chất tan và được gọi là dung dịch bão hòa

Các dung dịch có nồng độ nhỏ hơn nồng độ bão hòa (nồng độ của dung dịch tương ứng

trạng thái bão hòa) được gọi là dung dịch chưa bão hòa và khi dung dịch có nồng độ cao hơn nồng độ dung dịch bão hòa thì được gọi là dung dịch quá bão hòa

Nồng độ của chất tan trong dung dịch bão hòa ở những điều kiện nhất định được gọi là độ tan của chất đó

Độ tan biểu diễn như nồng độ (% khối lượng, phân tử gam, đương lượng gam phổ biến nhất là số gam chất tan trong 100 gam dung môi)

Dưới đây chúng ta tìm hiểu độ hòa tan của các chất khí, rắn, lỏng vào chất lỏng thường được ứng dụng trong lĩnh vực kỹ thuật môi trường

8 Độ hòa tan của chất khí trong chất lỏng

Độ hòa tan của chất khí trong chất lỏng phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố: bản chất dung môi và khí, áp suất khí trên mặt chất lỏng, nhiệt độ, nồng độ các tạp chất và đặc biệt là chất điện ly

Độ hòa tan của từng loại chất khí trong chất lỏng rất khác nhau, ví dụ: trong điều kiện 273

0K, 1m3 nước có thể hòa tan 823 kg HCl, nhưng chỉ hòa tan được 0.002 kg khí H2 Nếu khí không tác dụng hóa học với lỏng thì độ hòa tan của khí trong lỏng là rất nhỏ và dung dịch là vô cùng loãng, nếu có tác dụng với lỏng thì độ hòa tan lớn và thường là những dung dịch thực

- Khí có cực thì dễ hòa tan trong dung môi có cực và ngược lại Về ảnh hưởng của chất điện ly thì I.M Xetrenov đã chứng minh rằng: trong điều kiện nhiệt độ và áp suất không đổi, nếu nồng độ của chất điện ly càng tăng thì độ hòa tan của khí càng giảm

Trong đó: N- độ hòa tan của khí khi dung dịch có nồng độ chất điện ly C (mol/l)

N0: độ hòa tan của khí trong dung môi nguyên chất

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

k: hằng số

a Aûnh hưởng của áp suất đến độ tan của khí trong lỏng- Định luật Henry

Trong trường hợp giữa khí và dung môi không tác dụng hóa học với nhau, độ hòa tan tương đối nhỏ

Định luật Henry: Nếu ở áp suất thấp và độ hòa tan tương đối nhỏ thì độ hòa tan của khí

trong lỏng tại nhiệt độ nào đó tỉ lệ với áp suất riêng phần của khí trên dung dịch

Ta có biểu thức:

Ni = K Pi (2.2) Trong đó: Ni - Nồng độ mol phần của chất khí trong lỏng

K: Hệ số tỷ lệ hay hằng số Henry

Pi: Aùp suất riêng phần của chất khí cân bằng với lỏng

- Đối với dung dịch loãng nồng độ biểu diễn theo các cách đều tỉ lệ bậc nhất với nhau nên (2.2) có thể biểu diễn theo các cách khác như:

Trong đó: C - Nồng độ khối lượng của chất khí trong dung dịch bão hòa (ml/l)

K/: Hệ số tỷ lệ hay hằng số Henry

P: Aùp suất của chất khí

Định luật Henry chỉ đúng cho trường hợp khí hòa tan không thay đổi phân tử lượng của nó, nghĩa là khi ở trạng thái hòa tan nó không phân ly hay kết hợp Nếu phân tử khí phân ly ra

n phần tử trong pha lỏng thì độ hòa tan của khí tuân theo công thức:

(2.4) là định luật Siverte

Khi xét ảnh hưởng của áp suất tới sự hòa tan của khí có thể sử dụng nguyên lý chuyển dịch

Lơ Satơlie

Khi hòa tan khí vào lỏng, kết quả là thể tích của hệ (dung dịch) lại giảm xuống vì vậy khi tăng áp suất cân bằng phải chuyển dịch theo chiều thuận, nghĩa là độ tan của chất khí trong chất lỏng tăng lên Điều này cũng có thể thấy rõ qua việc khảo sát hằng số cân bằng hòa tan Kht

A (k) + D (l) < - > A(dd) Từ cân bằng hòa tan chúng ta có thể viết:

Kht = CA(dd)/PA(k) hay CA(dd) = Kht PA(k)

Bảng 2.2 Độ tan của CH 3 Cl trong nước ở 25 o C

b Aûnh hưởng của nhiệt độ đến độ tan của khí trong lỏng

Sự hòa tan của chất khí trong nước thường kèm theo quá trình phát nhiệt Do vậy áp dụng nguyên lý chuyển dịch cân bằng Lơ satơlie cho thấy: khi nhiệt độ giảm thì độ hòa tan của chất khí tăng và ngược lại khi nhiệt độ tăng thì độ hòa tan của chúng giảm Vì vậy, khi đun sôi, các chất khí hòa tan bị khử hoàn toàn Trong kỹ thuật xử lý môi trường dựa vào tính

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

Trong kỹ thuật môi trường một số các chất khi hòa tan trong nước thường gặp là: CO2, O2,

H2S, CH4…nói chung độ tan trong nước của nhiều khí là rất nhỏ (khi không có tương tác hóa

học xảy ra), còn trong trường hợp có tạo thành hydrat như SOx, NH3 thì độ tan sẽ rất lớn

Trong bảng 2.3 giới thiệu độ hòa tan của các chất khí trong nước

Bảng 2.3 Độ hòa tan của các chất khí trong nước (mg/100ml)

37,8 3,1 1,84 3,3

Cl2HCl

236

44200

71000 1,60

Aùp suất riêng phần của không khí phụ thuộc vào áp suất hơi nước ở nhiệt độ đang xét Ở

bảng 2.4 giới thiệu áp suất hơi nước ở các nhiệt độ khác nhau

8.1.1.1.1 Bảng 2.4 Aùp suất hơi nước

Aùp suất riêng phần của không khí bằng áp suất tổng cộng của các chất khí trong nước trừ đi

áp suất hơi nước Khi đó độ hòa tan của ôxy trong nước được tính theo công thức:

C02 = K (PO – PH) α (2.5) Trong đó:

C02 ; độ hòa tan của ôxy trong nước ở nhiệt độ đang xét và áp suất không khí PO

áp suất tổng cộng của không khí

PH áp suất hơi nước ở nhiệt độ đang xét

α: Tỉ lệ áp suất riêng phần của ôxy đối với áp suất tổng cộng của không khí

α = 0.21

K: Hằng số Henrey

Ơû bảng 2.5 giới thiệu các giá trị áp suất hơi nước bão hòa ở các nhiệt độ khác nhau

Quá trình hòa tan của không khí (ôxy) vào nước ở các nguồn nước (sông, hồ, kinh rạch,

biển…) có ý nghĩa quan trọng khi xét đến mức độ bão hòa ôxy trong các nguồn nước và là

một trong các căn cứ để đánh giá chất lượng của các nguồn nước và mức độ nhiễm bẩn do

các chất hữu cơ gây ra

Bảng 2.5 Aùp suất hơi nước bão hòa ở các nhiệt độ khác nhau

Nhiệt độ OC Áp suất hơi nước bão hòa

mmHg

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

2.2.2 Độ hòa tan của chất lỏng trong chất lỏng

Sự hòa tan của chất lỏng trong chất lỏng có thể xảy ra theo các trường hợp sau: hòa tan vô hạn, hòa tan có giới hạn và không thể hòa tan Ví dụ: rượu và nước có thể hòa tan bất kỳ tỷ lệ nào, trong khi đó dầu hỏa và nước không thể hòa trộn lẫn nhau

a Trường hợp hai chất lỏng tan lẫn hoàn toàn

- Dung dịch lý tưởng (hai cấu tử)

Định luật Raoult (tìm ra bằng thực nghiệm 1887): ở nhiệt độ nhất định, áp suất hơi trên dung dịch của A và B đều tuân theo định luật Raoult:

Aùp suất hơi P i của cấu tử i trên dung dịch tỉ lệ với nồng độ mol phần N i của nó trong dung dịch

Pi0 : áp suất hơi của cấu tử i nguyên chất

Đối với dung dịch lý tưởng, định luật Raoult đúng cho cả dung môi lẫn chất tan

PA = PA0.NA (giả sử A là dung môi)

PB = PB0.NB (giả sử B là chất tan)

+ Aùp suất hơi của hệ: P = PA + PB

Aùp suất hơi của dung dịch lý tưởng lớn hơn áp suất hơi nguyên chất của cấu tử khó bay hơi và bé hơn áp suất hơi của cấu tử dễ bay hơi

Giả sử A là cấu tử khó bay hơi, B là cấu tử dễ bay hơi: PA0 < PB0

N/

B P0

B .NB

(2.7) là biểu thức toán học của định luật Konovalop I

Trong đó: α = PA0 / PB0 gọi là hệ số tách

Từ biểu thức toán học của định luật Konovalop I phát biểu như sau:

1 Khi cân bằng, thành phần hơi khác với thành phần lỏng của dung dịch

2 Khi cân bằng, trong thành phần hơi sẽ giàu (nhiều) cấu tử dễ bay hơi hơn trong thành phần lỏng

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn Khi hệ số tách càng khác 1 thì hai cấu tử tách ra khỏi nhau càng dễ

- Dung dịch thực: là những dung dịch mà áp suất hơi của các cấu tử trong hệ không tuân

theo định luật Raoult

Aùp suất hơi thường gặp hai trường hợp: sai khác dương và sai khác âm

Những dung dịch có thành phần ứng với điểm cực trị (cực đại hoặc cực tiểu) được

gọi là dung dịch đẳng phí

Dung dịch đẳng phí có thành phần hơi và lỏng như nhau

Để phá điểm đẳng phí người ta có thể thay đổi áp suất ngoài để biến hệ có điểm đẳng phí thành hệ không có điểm đẳng phí Hoặc thêm cấu tử thứ ba, chất này sẽ làm áp suất hơi của từng cấu tử giảm khác nhau, do đó thành phần đẳng phí cũng thay đổi theo

Một số dung dịch đẳng phí

% A trong dung dịch đẳng phí Dung dịch có điểm cực đại trên đường áp suất hơi

b Trường hợp hai chất lỏng hoàn toàn không tan lẫn

- Aùp suất hơi của hệ : P = P0

A + P0

B

Vì áp suất hơi của mỗi cấu tử là áp suất hơi của nó ở trạng thái nguyên chất

- Thành phần hơi:

n/

A N/

A P0

A = - = - (2.8)

n/

B N/

B P0

B

- Nhiệt độ sôi của hệ:

Vì áp suất hơi của hệ lớn hơn áp suất hơi của một cấu tử nên nhiệt độ sôi của hệ thấp hơn nhiệt độ sôi của từng cấu tử Trong quá trình sôi, nhiệt độ sôi của hệ không đổi cho tới khi có một cấu tử nào đó trong hệ bay hơi hết hoàn toàn, thì nhiệt độ sôi của hệ tăng đến nhiệt độ sôi của cấu tử còn lại

- Chưng cất theo hơi nước: nhiều chất không thể đun đến nhiệt độ sôi của nó vì bị phân

hủy Nếu gặp trường hợp như vậy thì người ta chưng cất chất đó với một chất lỏng khác hoàn toàn không tan lẫn với nó Khi đó quá trình chưng cất sẽ xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của chất muốn chưng cất Thường người ta dùng nước, ví dụ để tách benzen từ nhựa than đá, tinh chế anilin, phenol, cất tinh dầu từ hoa, lá, cây, dễ

Ví dụ: benzen sôi ở 800C, nhưng hệ nước benzen sôi ở 700C

c Trường hợp hai chất lỏng hoà tan có giới hạn

Trong thực tế, sự hòa tan có giới hạn của chất lỏng là thường gặp hơn cả, ví dụ: trong hệ “ nước - ete” ở hệ này xảy ra hiện tượng phân lớp khi trộn chung với nhau (do tính tan tương

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

3.5 SỰ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ QUYỂN

3.5.1 Các nguồn phát sinh ra các chất ô nhiễm không khí

Dựa vào nguồn phát sinh có thể chia thành hai nhóm chính: tự nhiên và nhân tạo

a Nguồn tự nhiên

1 Ô nhiễm do hoạt động của núi lửa

Hoạt động của núi lửa phun ra một lượng khổng lồ các chất ô nhiễm như tro bụi, khí SOx

NOx, có tác hại nặng nề và lâu dài tới môi trường

2 Ô nhiễm do cháy rừng

Cháy rừng do các nguyên nhân tự nhiện cũng như các hoạt động thiếu ý thức của con người, chất ô nhiễm như khói, bụi, khí SOx NOx, CO, THC

3 Ô nhiễm do bão cát

Hiện tượng bão cát thường xảy ra ở những vùng đất trơ và khô không có lớp phủ thực vật Ngoài việc gây ra ô nhiễm bụi, nó còn làm giảm tầm nhìn

4 Ô nhiễm do đại dương

Do quá trình bốc hơi nước biển có kéo theo một lượng muối ( chủ yếu là NaCl) bị gió đưa vào đất liền Không khí có nồng độ muối cao sẽ có tác hại tới vật liệu kim loại

5 Ô nhiễm do phân hủy các chất hữu cơ trong tự nhiên

Do quá trình lên men các chất hữu cơ khu vực bãi rác, đầm lầy sẽ tạo ra các khí như metan (CH4), các hợp chất gây mùi hôi thối như hợp chất nitơ (ammoniac – NH3), hợp chất lưu huỳnh ( hydrosunfua – H2S, mecaptan) và thậm trí có cả các vi sinh vật

b Các nguồn nhân tạo

Nguồn ô nhiễm do hoạt động của con người tạo nên như:

- Ô nhiễm do sản xuất công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp: ví dụ các nhà máy sản xuất hóa chất, sản xuất giấy, luyện kim loại, nhà máy nhiệt điện (sử dụng các nhiên liệu than, dầu …) Hoạt động nông nghiệp sử dụng phân bón, phun thuốc trừ sâu diệt cỏ nông nghiệp Dịch vụ thương mại: chợ buôn bán Các nguồn trên có thể coi là các nguồn cố định

- Ô nhiễm giao thông do khí thải ô tô, xe máy, tàu thủy, xe lửa, máy bay… Coi là các

nguồn lưu động

- Ô nhiễm do sinh hoạt: do đốt nhiên liệu phục vụ sinh hoạt, phục vụ vui chơi giải trí

Bảng 3.3 Các nguồn thải ra các chất ô nhiễm đặc trưng

STT Ngành sản xuất Các chất ô nhiễm đặc trưng

1 Nhà máy nhiệt điện, lò nung, nồi hơi

đốt bằng nhiên liệu Bụi, SOx, NOx, COx, hydrocacbon aldehyt

2 Chế biến thực phẩm

Sản xuất nước đá

Chế biến hạt điều

Bụi, mùi Oàn, NH3 (nếu dùng gas ammoniac) Bụi, mùi hôi, các phenol

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

NO2 là khí màu nâu nhạt, mùi xốc có hể được phát hiện ở nồng độ 0,12 ppm NO2gây nguy hiểm cho tim, phổi và gan NO2 tác dụng với nước tạo mưa acid gây hại mùa màng, làm phai thuốc nhuộm, ăn mòn kim loại

3.5.3.5 Ôxy và các hợp chất ôxy

Trong khí quyển ô xy ở dạng phân tử và các hợp chất khác nhau

Quá trình tiêu tốn ô xy: gồm các phản ứng ô xy hóa có sự tham gia của ô xy

N2 + O2 -> NOx

CH4 + O2 -> CO2 + H2O

Quá trình sinh ra ô xy:

Thực vật lại giải phóng ô xy vào khí quyển nhờ phản ứng quang hóa

CO2 + H2O ( + hν) -> CH2O + O2

O3 + hν -> O2 + O

O3 + O -> O2 + O2

3.5.3.6 Các chất ô nhiễm hữu cơ

Các hợp chất của hydro và cacbon, cũng như các hợp chất hữu cơ nói chung chiếm khá nhiều trong các chất gây ô nhiễm không khí chúng sinh ra chủ yếu do quá trình cháy không hoàn toàn ở các động cơ, quá trình sản xuất ở các nhà máy lọc dầu, quá trình khai thác, vận chuyển nhiên liệu dầu, xăng, các sự cố rò rỉ đường ống dẫn khí đốt, trong nhiều ngành công nghiệp sử dụng các dung môi hữu cơ như sơn, in, dệt, nhuộm,… Người ta đã phát hiện ra hàng nghìn hợp chất hữu cơ khác nhau có thể gây ô nhiễm không khí Chúng có thể là các hợp chất hữu cơ bay hơi, tồn tại trong các hạt rắn hoặc lỏng Chúng bao gồm nhiều loại từ các hợp chất hữu cơ đơn giản như mêtan đến các hidrocacbon thơm, rượu, andehyt, keton, ester, dẫn xuất halogen, các hợp chất có chứa lưu huỳnh, nitơ,…

Các hợp chất hữu cơ rất độc đối với cơ thể người Một số hợp chất hữu cơ như benzen, PAH (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) có thể là nguyên nhân gây bệnh ung thư Một số hợp chất hữu cơ halogen là xúc tác cho quá trình phân hủy ôzôn ở tầng bình lưu Một số chất hữu cơ hoạt tính lại xúc tiến cho quá trình phân hóa vật chất và đặc biệt là một số chất hữu cơ gây ô nhiễm mùi như mercaptan, andehyt

Mùi xuất hiện trong một số ngành công nghiệp như thuộc da, giấy, hóa chất, chế biến rác, chế biến thực phẩm mùi có thể do các hợp chất của nitơ như NH3, amin sinh ra Hoặc do các hợp chất của lưu huỳnh như H2S, mercaptan hoặc do acid béo, acid amin cũng như các hợp chất liên kết cacbonyl gây nên

PCDD (polyclorin dibenzo - p - dioxins và dibenzofurans) là hợp chất hữu cơ độc hại Đó là những liên kết của ête thơm (vòng phenyl) với một hoặc hai nguyên tử ôxi và các liên kết clo ở các mức độ khác nhau Số lượng và vị trí của các nguyên tử clo ảnh hưởng đến tính chất hóa học và độ độc của chất này

O

(Cl)1-8

O

(Cl)1-8O

O

OCl

Cl

ClCl

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

Các hợp chất dibenzo - p - dioxin và furan sinh ra trong quá trình đốt cháy các chất hữu cơ có chứa clo như clobenzen, phenol, biphenyl hoặc clo - biphenyl ete Ngoài ra còn sinh ra do phản ứng của các chất hữu cơ khác với clo trong quá trình clo hóa hoặc những phản ứng cháy không hoàn toàn của các chất chứa dioxin

Sự biến đổi các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh

CH3⎯SH : metanthiol CH2=CH⎯CH2⎯SH : 2 - Propen- 1- thiol

: Benzenthiol H3C⎯S⎯CH3 : Dimetyl sulfit

Các chất này tác dụng với tác nhân ôxi hóa ôxi tạo ra các gốc tự do, ví dụ:

Các nguy hại của mưa axit chủ yếu là làm cho sông hồ bị axit hoá, cây cối bị khô héo, các loại cá bị chết, đe doạ sức khỏe con người Dựa vào di chuyển của gió, mây mưa axit có thể đi từ vùng này đến vùng khác nên phạm vi nguy hại càng rộng lớn

- Rừng bị hủy diệt Mưa axit làm tổn thương lá cây, trở ngại quá trình quang hợp, làm

cho lá cây bị vàng úa và rơi rụng Mưa axit làm cho chất dinh dưỡng trong đất bị tan mất, có tác dụng phá hoại sự cố định đạm của vi sinh vật và sự phân giải các chất hữu cơ, làm giảm độ màu mỡ của đất Mưa axit còn cản trở sự sinh trưởng của bộ rễ làm suy giảm khả năng chống bệnh và sâu hại Toàn châu Âu đã có khoảng 14% rừng bị những cơn mưa axit tàn phá, riêng nước Đức bị tàn phá tới 50% Rừng trên thế giới bị mưa axit tàn phá, tổn thất về gỗ hằng năm đã vượt quá 10 tỉ đô la

- Nước hồ bị axit hoá Mưa axit làm ô nhiễm nguồn nước trong hồ và phá hỏng các

loại thức ăn, uy hiếp sự sinh tồn của các loài cá và các sinh vật khác trong nước Ở Thụy Điển có hơn 9 vạn hồ thì 22% hồ đã bị axit hoá với mức độ khác nhau; 80% nước hồ của miền Nam Na Uy bị axit hoá

- Sản lượng nông nghiệp bị giảm Mưa axit là yếu khả năng quang hợp của cây, phá

hoại các tổ chức bên trong, khiến cho cây trồng mọc rất khó khăn Mưa axit còn ức chế

SH

S

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

1 Mũi lấy mẫu 2 Đầu lấy mẫu

3 Bộ thu bụi 4 Bộ làm lạnh (hoặc bộ thu khí)

5 Đo dòng khí 6 Van chỉnh dòng khí 7 Bơm

Sơ đồ chung hệ thống lấy mẫu nguồn

4 Chọn máy móc dụng cụ, các thông số cần đo khi lấy mẫu nguồn

Các thông số cần đo:

+ Vận tốc dòng khí (m/giây)

+ Lưu lượng khí (m3/ph)

+ Đường kính ống thải (m)

+ Diện tích mặt lấy mẫu (m2)

+ Aùp suất (áp suất tổng cộng, áp suất tĩnh, áp suất khí quyển)

Các vấn đề cần lưu ý:

+ Nhiệt độ khí thải, tính chất khí thải liên quan tới độ bền thiết bị lấy mẫu ( ảnh hưởng tới độ chịu nhiệt, ăn mòn thiết bị)

+ Điểm sương của nước (dễ ngưng tụ trong khi lấy mẫu), tránh sự ngưng tụ hơi nước trong ống lấy mẫu gây sai số

+ Tính độc hại đối với người thao tác (nhiệt độ, khí độc)

5 Lấy mẫu trong ống khói

Về nguyên tắc lấy mẫu bụi và khí trong nguồn thải là khá giống nhau, tuy nhiên lấy mẫu khí thì không đòi hỏi phải lấy mẫu ở điều kiện đẳng tốc

Ngày nay để đo các chất ô nhiễm trong khí thải hầu như người ta sử dụng các thiết bị đo nguồn chuyên dụng như : TESTO -350, TESTO - 360 (dùng để đo các chỉ tiêu nhiệt độ, vận tốc dòng khí, SOx, NOx, CO, CO2, O2,THC)

Còn các chỉ tiêu riêng biệt khác có thể lấy mẫu theo các tiêu chuẩn riêng Lúc này trong hệ thống lấy mẫu sẽ có các bình hấp thụ (impinger)

Trong đa số các ống thải ở các nguồn ô nhiễm đặc biệt hoặc gần vùng nhạy cảm thì người

ta đặt các thiết bị giám sát liên tục tại nguồn để theo dõi nồng độ chất ô nhiễm nguy hại trước khi thải ra môi trường

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

- Lấy mẫu bụi trong ống thải

+ Đối với ống dẫn tròn:

Sự định vị của các điểm lấy mẫu trên mỗi đường kính phụ thuộc độ dài, số điểm

Đối với ống dẫn tròn, hai đường lấy mẫu thì khoảng cách của mỗi điểm lấy mẫu tới thành ống có thể biểu diễn bằng: Xi = Ki x d ( Ki là hệ số theo phần trăm)

Đường kính ống dẫn Số đường kính lấy Số điểm lấy mẫu

(m) mẫu tối thiểu Kể cả tâm điểm Không kể tâm điểm

+ Đối với ống dẫn vuông góc:

Diện tích mặt phẳng

- Nồng độ của chất ô nhiễm không khí được biểu thị bằng các đơn vị:

μg/m3; mg/l; mg/m3, g/m3; ppm(phần triệu thể tích); ppb

- Quan hệ giữa ppm và mg/m3

Ở 25 0 C và 1 atm (1,0133 bars)

mg/m3 = ppm x (M /24.45)

Ở 0 0 C và 1 atm (1,0133 bars)

mg/m3 = ppm x (M /22.4)

M là trọng lượng phân tử của chất khí

Hiệu chỉnh nồng độ các chất trong khí thải

Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải thông thường được đưa về cùng một điều kiện chuẩn theo 3% , 7%, 11% O2 hoặc 12% CO2 khí khô (% thể tích khí khô)

- Nồng độ chuẩn theo ôxy

Pn = Pm x (21 – n)/(21 – Y) Trong đó : Pn = nồng độ đã hiệu chuẩn theo n% O2 (n = 3,7,9,11)

Pm = nồng độ đo được

Y = nồng độ ôxy đo được trong khí thải

- Nồng độ chuẩn theo 12% CO2

P12 = Pm x 12/[CO2]m Trong đó:P12 = nồng độ chất ô nhiễm ở 12% CO2

P = nồng độ đo được trong điều kiện lấy mẫu

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

Hình 2.2 Sơ đồ nghiên cứu hiện tượng điện động của Rays

• Quan sát thấy:

- Trong ống A (anốt): chất lỏng trên lớp cát vẩn đục, suất hiện các hạt sét lơ lửng, đồng thời mực nước hạ

- Trong ống catod K: Không vẫn đục, mực nước dâng cao

• Kết luận:

- Các hạt sét – tích điện âm – chuyển động về A dưới tác dụng của điện trường gọi là

hiện tượng điện chuyển

- Nước: Đóng vai trò phân tán- chuyển động về K dưới tác dụng của điện trường gọi là hiện tượng điện thẩm

Năm 1859 Quinke phát hiện thấy khi cho dòng nước chảy qua một màng xốp đặt trong ống mà hai đầu có cắm điện cực thì kim của điện kế bị lệch Hiện tượng đó chứng tỏ rằng: pha lỏng chuyển động với pha rắn đã gây ra điện thế và được gọi là thế chảy

Năm 1878 Dorn cũng phát hiện ra một hiện tượng khác: khi cho cát thạch anh lắng trong ly đựng nước có cắm điện cực thì kim của điện kế cũng bị lệch Như vậy pha rắn chuyển động tương đối với pha lỏng sẽ tạo ra điện thế được gọi là thế sa lắng

So với sự điện phân trong dung dịch điện ly thì sự điện chuyển trong dung dịch keo chỉ khác ở chỗ là tốc độ chuyển động của chúng chậm hơn, vì hạt keo có kích thước lớn hơn

2 Thế điện động – điện tích kép

Trên ranh giới phân chia giữa hai pha có thành phần hóa học khác nhau xảy ra quá trình phân bố điện tích kèm theo sự chuyển các phân tử mang điện (ion, điện tử) từ pha này sang pha khác, kết quả là điện tích được tạo thành trên bề mặt của một pha bằng điện tích của pha kia nhưng trái dấu Như vậy đã có lớp điện tích kép được hình thành

Khi nhúng thanh kim loại dễ bị oxy hoá vào dung dịch điện ly thì ion của lưới tinh thể kim loại dễ bị hydrat hoá và chuyển vào dung dịch, trên bề mặt kim loại còn lại điện tử dư Nhờ lực hút tĩnh điện ở vùng tiếp xúc với bề mặt tích điện âm của kim loại , các ion có điện tích dương (của dung dịch từ kim loại) tập trung lại Như vậy trên ranh giới kim loại - dung dịch, xuất hiện lớp điện tích kép cân bằng có thể xem như một tụ điện phẳng (gọi là lớp Helmholtz) Bề mặt bên trong mang điện tích âm (-), bên ngoài (+) có khoảng cách δ0 vô cùng nhỏ bé bằng bán kính của ion solvat hóa (hình 2.3)

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

δ0 chiều dày lớp Helmholtz

Sự xuất hiện lớp điện tích kép dẫn tới việc hình thành giữa hai pha điện thế ϕ

- Ở lớp Helmholtz sự thay đổi điện thế giữa pha rắn - lỏng sẽ từ gía trị ϕ đến 0 là đường thẳng (2.3a)

- Ion nằm trên pha rắn – ion tạo thế

- Ion nằm bên ngoài, trái dấu gọi là ion đối và càng xa từ mặt pha rắn – thì mật độ ion đối càng thưa

Giữa ion tạo thế và ion đối có lực hút tĩnh điện và do sự hấp phụ chọn lọc nên số ion đối bị ghì sát vào bề mặt pha rắn và tạo thành lớp hấp phụ (lớp không chuyển động) Tuy nhiên chỉ có một phần ion đối phân bố theo cấu tạo của lớp HelmHoltz, phần còn lại nằm sâu vào dung dịch tạo thành lớp khuếch tán Các ion lớp này chuyển động tương đối tự do nên lớp khuếch tán là lớp chuyển động

Pha rắn

+ +

+

Không chuyển động Chuyển động

Hình 2.4 Sự phân bố các ion đối và ion tạo thế Hình 3.5 quan hệ giữa ϕ và ξ

Nhiều trường hợp số ion đối trong lớp HelmHoltz lớn hơn số ion tạo thế khi đó các ion ion của lớp khuếch tán cùng dấu với ion tạo thế

Thế điện động (Zeta Potential)

• Điện thế suất hiện giữa lớp chuyển động và không chuyển động, AB được gọi là thế điện động : ξ

• Điện thế suất hiện giữa pha rắn và pha lỏng gọi là thế nhiệt động : ϕ

• ψ1 - bước nhảy điện thế trong lớp hấp phụ

Quan hệ giữa ξ và ϕ

ξ và ϕ thay đổi rất khác nhau dưới ảnh hưởng của nhiều yếu tố

N Lớp hấp phụ Lớp khuếch tán C

ζ

Không chuyển động

Chuyển độngPha lỏngPha rắn

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

Ví dụ: Khi thêm chất điện ly ϕ hầu như không thay đổi nhưng ξ thay đổi nhiều (do ξ phụ thuộc vào số lượng ion đối ở lớp khuếch tán mà lượng ion đối này phụ thuộc vào nồng độ của chất điện ly)

Hình 2.5 Sự giảm của thế ξ khi lớp điện kép bị nén lại

9.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến ξ

Trong biểu thức:

ϕ = ψ1 + ξ

- ξ là đại lượng đặc trưng cho độ bền của hệ keo

- Có ý nghĩa đặc biệt khi nghiên cứu công nghệ xử lý nước bằng phương pháp keo tụ

- Các yếu tố ảnh hưởng đến ξ: lượng chất điện ly, pH, nồng độ chất keo và nhiệt độ 9.2.1 Chất điện ly

- ξ phụ thuộc vào lượng ion đối của lớp khuyếch tán, vậy khi thay về lượng và dấu của chúng thì ξ cũng thay đổi theo

- Khi thêm chất điện ly vào hệ:

ϕ không hề thay đổi

Bằng thực nghiệm người ta thấy ξ giảm Giải thích:

+ Các ion của chất điện ly cùng dấu với ion ở lớp khuyếch tán đã ép các ion này dần vào bề mặt của pha rắn, bề dày của lớp điện tích kép giảm đến khi bằng bề dày của lớp

Helmholtz, ξ giảm cho đến khi = 0 và hệ đạt trạng thái đẳng điện:

ξ = 0 ; ϕ = ψ1

Bằng thực nghiệm người ta đã chứng minh rằng: các ion đối nào có khả năng hấp phụ lớn cũng như các ion hóa trị cao có khả năng làm giảm ξ mạnh Đối với các ion có hóa trị giống nhau, khả năng hấp phụ bị phụ thuộc vào bán kính ion (như đã nêu ở phần trước)

9 ion đối (+) hóa trị 1 trong lớp HelmHoltz + +

7 ion đối hóa trị 1 còn lại trong lớp khuyếch tán + +

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn và với chất điện ly có hóa trị 3: AlCl3

a Với ion NaCl

NaCl Na+ + Cl

-ký hiệu (+) (-)

Nhận xét :

Chỉ có ion cùng dấu với ion đối nên được bề mặt tạo thế hấp phụ

Các ion thừa sẽ ép các ion ở lớp khuyếch tán vào lớp HelmHoltz, do đó ξ giảm

b Với AlCl3 : Hoá trị 3

AlCl3 Al3+ + 3Cl-

- Các ion Al3+ có điện tích lớn, nên được bề mặt ion tạo thế hấp phụ mạnh vào lớp Helmholtz, do đó ξ giảm nhanh

- Thêm tiếp AlCl3 tới mức độ đạt đến điểm đẳng điện ξ = 0

- Nếu thêm tiếp AlCl3 dẫn đến : các ion (+) Al3+ và ion đối trong lớp Helmholtz > ion tạo thế về lượng tuyệt đối Lượng ion dư này trở thành ion tạo thế mới và ion đối khi đó sẽ là Cl- và ξø có dấu ngược lại

- Tiếp tục thêm AlCl3, Cl- đến lượt bị hấp phụ vào, ξ lại giảm xuống tới 0

• Kết luận

Khi dùng chất điện ly hóa trị 3, thì ξ sẽ đổi dấu và có 2 lần đạt giá trị 0

9.2.2 Ảnh hưởng của pH

- pH có ảnh hưởng lớn đến ξ vì H+, OH- có khả năng hấp phụ lớn

Trong các dung dịch mà pha phân tán có tính chất lưỡng tính như Al(OH)3 thì sự biến thiên

pH của môi trường có thể gây ra sự đổi dấu điện của hạt keo do sự thay đổi tính ion hóa của các phân tử trong pha phân tán

+ Trong môi trường axit yếu:

Al(OH)3 Al(OH) 2+ + OH

Al(OH) 2+ là ion tạo thế, OH- là ion đối ta có hạt keo (+)

Cũng trong môi trường axit (pH thấp):

Al(OH) 2+ + OH- Al3+ + 3OH-

Khi đó Al(OH)3 tan trong dung dịch axit chuyển thành dung dịch thật

+ Trong môi trường bazơ yếu:

Al(OH) 2O- là ion tạo thế hạt keo (–)

Trong môi trường bazơ pH cao, Al2O- tạo thành theo phản ứng:

Al(OH) 2O- + H+ Al 2O- + H+ + H2O

Khi OH- cao hơn nữa, Al(OH)3 tan trong dung dịch bazơ, dung dịch keo thành dung dịch thật

Tóm lại: Có một giá trị pH xác định ξ = 0 và hệ ở trạng thái đẳng điện Ở trạng thái

này có các điện tích (-) và (+) ở lớp kép bằng nhau

Sự đổi dấu của ξ trong trường hợp thay đổi pH của môi trường chỉ khác với trường hợp thêm chất điện ly ở chỗ: các ion tạo thế mới sau khi đổi dấu không từ dung dịch chuyển vào hệ mà được tạo nên chính từ chất tạo nên pha phân tán do sự thay đổi phản ứng ion hóa

9.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ làm tăng chuyển động nhiệt của các ion đối, do đó độ dày của lớp điện kép và

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

4.2.2 Sự hoà tan của CO 2 trong nước

Một số chất khí vừa được hấp thụ từ không khí vừa có thể được tạo thành trong môi trường nước Chẳng hạn khí cacbonic (CO2) mặc dù chỉ chiếm 0,03% trong khí quyển nhưng vai trò cực kỳ quan trọng trong nước vì khi này phản ứng với nước tạo thành các ion bicacbonat (HCO3- ) và cacbonat (CO32-) CO2 được hấp thụ từ khí quyển và cũng được tạo

ra trong nước do phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật Nồng độ CO2 trong nước phụ thuộc vào độ pH:

Axit cacbonic là axit yếu có 2 bậc phân ly:

Trong đó fH, fHCO3, fCO3 – hệ số hoạt độ các ion H+, HCO3-, CO32- trong nước

Từ phương trình (4.3) và (4.4) ta thấy tương quan hàm lượng giữa các hợp chất CO2, HCO3- và CO32- tại một nhiệt độ nhất định phụ thuộc vào ion H+, nghĩa là phụ thuộc vào độ

pH của nước

Tương quan này được biểu diễn trên biểu đồ hình (4.2)

Hình 4.2 Biểu đồ tương quan hàm lượng của CO 2 , HCO 3 - và CO 3 2- ở nhiệt độ 25 0 C

với các giá trị pH khác nhau

(4.3) (4.4)

HCO

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn Điều chế keo bằng phương pháp phân tán hoặc có thể thực hiện bằng cách nghiền xay các hạt rắn bằng điện năng và bằng năng lượng siêu âm Có thề dùng các thiết bị xay keo để xay các hạt rắn đến khích thước hạt keo

Trong thực tế có thể dùng phương pháp phân tán bằng điện năng để điều chế keo kim loại Theo phương pháp này người ta dùng hai cực kim loại nhúng vào nước Dưới tác dụng của điện thế lớn (V=100V) khi hai cực kim loại dịch vào gần nhau sẽ phát ánh hồ quang, kim loại của điện cực bị bốc hơi và bị ngưng tụ trong môi trường được làm lạnh theo hình sau đây:

100 v

Hình 2.6 Điều chế kim loại bằng phượng pháp hồ quang theo Bredig

Phương pháp này được ứng dụng đề điều chế hydrosol vàng, bạc và các kim loại khác Ngoài ra cũng có thể dùng phương pháp phân tán bằng năng lượng siêu âm Dao động siêu âm là dao động có tần số 20.000 dao động trong một giây Dao động siêu âm có tác dụng diệt vi khuẩn trong dung dịch và có thể gây ra sự phân tán các hạt ion thành các hạt keo 9.4.2 Phương pháp ngưng tụ

Nói chung quá trình tạo thành các hạt keo từ dung dịch phân tử gồm hai giai đoạn:

- Giai đoạn xuất hiện mầm (trung tâm kết tinh) trong dung dịch quá bão hoà Nguyên nhân của sự bão hoà có thể là do sự phản ứng hoá học mà trong đó chất ít tam được hình thành, do sự giảm tính tan của hợp chất khi thay đổi dung môi tốt bằng dung môi xấu, do sự làm lạnh dung dịch hoặc do nhiều nguyên nhân khác

- Giai đoạn phát triển mầm dẫn đến sự tạo thành các tinh thể khá lớn Tốc độ giai đoạn sinh mầm V1 được biễu diễn bằng phương trình

-

Cq - Cb

V1 = K -

Cb Trong đó: K - hằng số

Cq: Nồng độ dung dịch quá bão hòa

Cb: Nồng độ dung dịch bão hoà (độ tan của vật chất)

Hiệu số (Cq – Cb) chính là lượng vật chất thừa có khả năng tạo nên tinh thể

Tốc độ của giai đọan phát triển mầm V2 được tính bằng phương trình:

DS

V2 = - (Cq – Cb)

δ

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn Trong đó: D - hệ số khuếch tán

S: bề mặt tinh thể

δ: quãng đường khuếch tán

Khi điều chế hệ keo, tốc độ của giai đoạn sinh mầm V1 và tốc độ giai đoạn phát triển mầm

V2 phải nhỏ, vì chỉ trong trường hợp đó mới tạo nên nhiều tinh thể nhỏ sẽ có khích thước keo

Nếu V1 nhỏ và V2 lớn thì một số ít mầm được tạo nên sẽ là trung tâm kết tinh, trên đó sẽ kết tủa cả lượng vật chất dư, do đó chỉ thu được số ít các tinh thể lớn

Sau đây chúng ta nêu một vài ví dụ về điều chế các hệ keo bằng phương pháp ngưng tụ

• Ngưng tụ trực tiếp:

Nooclun đã chế tạo sol thủy ngân bằng cách ngưng tụ trực tiếp, ông cho hơi Hg đi qua một lớp nước và thu được nhũ tương Hg trong nước có nồng độ phân tán khá cao

• Điều chế các hệ keo bằng phương pháp hoá học (ngưng tụ hoá học)

Để điều chế các hệ keo có thể dùng các loại phản ứng hoá học khác nhau: trao đổi, khử, oxy hoá, thủy phân, … Tuy nhiên không phải tất cả các loại phản ứng trên đều có khả năng tạo ra sol Sol chỉ được tạo nên khi đảm bảo nồng độ xác định của các chất đầu, thứ tự trộn lẩn, nhiệt độ tương tác và một số các điều kiện khác

Chế tạo sol AgI bằng phản ứng trao đổi:

AgNO3 + KI AgI + KNO3Nếu khi trộn lẫn ta lấy thừa một trong các chất đầu thì sol có thể được hình thành Cấu tạo mixen của sol AgI có thể biểu diễn theo sơ đồ:

{m [AgI] nI - ; (n- x) K+ }- x K+

Chế tạo sol S bằng phản ứng oxy hoá H2S bằng O2:

2H2S + O2 2S + 2H2O Đồng thời với phản ứng này còn có phản ứng oxy hoá phức tạp hơn dẫn đến sự tạo thành nhiều loại axit đa lưu huỳnh là chất làm bền cho sol lưu huỳnh

Giả sử chất điện ly làm bên trong sol này là axit pentationic H2S5O6 thì cấu tạo mixen của sol lưu huỳnh có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

{m [S] nS5O62- 2(n-x) H+} 2xH+

Chế tạo keo hydrooxyt sắt bằng phản ứng thủy ngân FeCl3

Khi cho độ 10-12 ml dung dịch FeCl vào 100ml nước cất đun sôi, thì dung dịch sẽ nhuộm màu đỏ sáng Tuy nhiên khi để nguội màu dung dịch nhạt đi thấy rõ do diễn biến thuận nghịch của thủy phân:

1 FeCl3 + H2O Fe(OH)3 + 3HCl

Trường hợp thủy phân không hoàn toàn:

2 FeCl3 + H2O FeOCl + 2HCl FeOCl + 2HCl + H2O

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn tách ly là sự làm sạch dung dịch keo khỏi các tạp chất phân tử ion của các chất hoàn tan có mặt trong dung dịch keo)

9.4.3 Phương pháp pepti hóa

Hiện tượng biến kết tủa thành dung dịch keo nhờ một tác nhân, một chất nào đó (chất điện

ly chẳng hạn) gọi là pepti hoá

Cơ chế của sự tạo thành các hạt keo theo phương pháp pepti hoá là làm tăng thế điện động

ξ và lớp vỏ solvat của các hạt trong pha phân tán

Có 3 phương pháp pepti hoá thường gặp như sau:

- Pepti hoá bằng chất điện ly

- Pepti hoá bằng hoá học

- Pepti hoá bằng cách rửa kết tủa

Sự pepti hoá bằng chất điện ly xảy ra khi cho thêm một lượng nhỏ dung dịch chất điện ly,

ví dụ FeCl3 vào kết tủa (cặn) của Hydroxyt sắt- Fe(OH)3 Do quá trình thủy phân thực hiện không hoàn toàn, nên từ Fe(OH)3 ta thu được FeOCl là chất có khả năng làm bền cho hạt keo Fe(OH)3

Bản chất của môi trường có ảnh hưởng rất lớn đến sự tạo thành mixen đặc biệt đối với các hydroxyt lưỡng tính như Al(OH)3

Trong môi trường trung hòa hoặc axit, sự phân ly của các phân tử lên bề mặt hạt keo xảy ra theo sơ đồ:

Al(OH)3 Al(OH)2+ + OH- AlOH2+ + 2OH- Al3+ + 3OH

-Nhân của hạt gồm m phân tử Al(OH)3 hấp thụ lên bềm mặt của mình các ion AL(OH)2+ và AlOH2+, còn các ion OH- kết hợo với H+ thành môi trường nước, hạt tích điện dương:

{m[Al(OH)3]nAl(OH)2+ ; (n-x) OH-}+ xOH-

Điện tích của hạt càng lớn, quá trình chuyển dịch cân bằng của phản ứng về phiá phải càng nhanh Trong môi trường kiềm (pH > 7) sư phân ly xãy ra theo dạng khác:

Al(OH)3 Al(OH)2O- + H+ AlO2 + H+ +H2O

Trong trường hợp này, nhân của hạt hấp phụ các anion Al(OH)2O- và AlO2, tích điện âm Các ion H+ liên kết với các ion OH- của dung dịch và được thay thế bởi các ion kim loại kiềm ở lớp khuếch tán bên ngoài:

{m[Al(OH)3] n Al(OH)2O- ; (n-x) Na+} xNa+

sự pepti hoá hoá học xảy ra khi cho thêm một lượng nhỏ dung dịch axit Clohydric HCl vào kết tủa (cặn) hydrooxyt sắt Fe(OH)3 và trên bềm mặt của các hạt kết tủa có chất làm bền cho hạt keo Fe(OH)3 được tạo nên:

Còn sự pepti hoá bằng cách rửa kết tủa thường đuợc tiến hành bằng cách tách chất điện ly gây keo tụ ra khỏi kết tủa Kết quả của việc tách này là lớp điện kép quanh các hạt nới rộng ra, lực đẩy P dần thắng lực hút Q và nhờ có chuyển động Browm, các hạt tách rời nhau đển phân bổ đều dần vào môi trường có nghĩa là dung dịch keo đuợc tạo nên

Tốc độ pepti hoá phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ và tính chất hoá học của chất pepti hoá (FeCl3, HCl, …), lượng và trạng thái của kết tủa, nhiệt độ, sự xáo trộn v.v…

10 HỆ VI DỊ THỂ

Gồm: huyền phù, nhũ tương, bọt

Có kích thước hạt δ > 10-4 mm Hệ không bền vững, tuy nhiên có nhiều tính chất giống hệ keo Dưới đây chúng ta tìm hiểu một vài hệ vi dị thể rất phổ biến

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn Huyền phù- chất lơ lửng thuộc hệ vi dị thể trong đó:

- Pha phân tán là chất rắn có kích thước hạt lớn hơn hạt keo

- Môi trường phân tán – chất lỏng

Huyền phù không bền – các hạt dễ dàng lắng dưới tác dụng trọng lực Huyền phù không có áp suất thẩm thấu, không có khả năng khuếch tán

Khi các hạt có kích thước tương đối như nhau được gọi là hệ đơn phân tán Khi hệ có các hạt có nhiều kích thước khác nhau được gọi là hệ đa phân tán

Nếu là hệ đơn phân tán thì qúa trình lắng tuân theo định luật STOKES: “ Với nhiệt độ = const, vận tốc lắng của hạt lơ lửng tỷ lệ thuận với bình phương bán kính của chúng:

V =

ηρ

(8

1 1− 2 d2g Trong đó: v - tốc độ lắng của hạt lơ lửng, cm/s

ρ1: tỉ trọng của hạt lơ lửng, g/cm3

ρ2: tỉ trọng của chất lỏng, g/cm3

η: hệ số nhớt động học, g/cm.s

d: đường kính của hạt lơ lửng

g: gia tốc trọng trường, cm/s2

Hình 2.7 Đường cong lắng trong hệ phân tán

Với hệ đơn phân tán

Đường cong lắng trong hệ đơn phân tán (a) : tốc độ lắng phụ thuộc thời gian OA giai đoạn đầu là đường thẳng và AB : khi lắng hoàn toàn

Với hệ đa phân tán

Số lượng chất lắng không phụ thuộc tỉ lệ thuận với thời gian Thời gian đầu chất lơ lửng lắng do những chất có kích thước lớn ( OA’)

Ngoài tính chất không bền do lắng, huyền phù còn có tính chất không bền tập hợp : dưới ảnh hưởng của chất điện ly (keo tụ) chúng tập hợp thành bông kết tủa và quá trình lắng nhanh hơn Trong trường hợp bông không thấm ướt bởi môi trường chúng bị nổi lên bề mặt Hiện tượng này gọi là tuyển nổi Gía trị thế điện động của các hạt huyền phù trong hệ cũng xấp xỉ bằng thế diện động ξ của hạt keo điển hình

Giống như hệ keo, huyền phù có thể chế tạo bằng những phương pháp phân tán và ngưng tụ Aûnh hưởng của chất điện ly tới tốc độ lắng của các hạt kích thước lớn, tương tự tốc độ keo tụ trong dung dịch keo

B

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

10.1 Nhũ tương

Nhũ tương là hệ vi dị thể, trong đó pha phân tán và môi trường phân tán đều là chất lỏng Hai chất lỏng này không hòa trộn lẫn nhau, chất lỏng này phân tán vào chất lỏng kia dưới dạng giọt nhỏ

- Thường 1 pha là nước, pha kia là chất lỏng hữu cơ; dầu Bezen, kerosin (gọi chung là

“dầu”) không hòa trộn với nước

- Có 2 loại nhũ tương : Dầu trong nước D/N

Nước trong dầu N/D

- Nhũ tương loãng: chứa 0,1% pha phân tán ( có δ ≈ δ hạt keo 10-5 cm)

- Nhũ tương đậm đặc; pha phân tán chiếm 75% thể tích

- Nhũ tương rất đậm đặc; pha phân tán chiếm > 75% thể tích, có dạng hình tổ ong

Hình 2.8 Dạng giọt trong nhũ tương rất đậm đặc

Do sự sắp xếp chặt chẽ giữa các giọt của hệ nhũ tương này nên không có khả năng lắng Nhũ tương có độ bền tập hợp giống như hệ keo Vì chúng cũng có năng lượng tự do trên bề mặt phân chia

Chúng có khả năng dính kết các giọt riêng biệt và có thể tách thành hai lớp:

+ 1 lớp là chất lỏng của pha phân tán;

+ Lớp kia là chất lỏng của môi trường phân tán

Tính bền vững của nhũ tương được đặc trưng bởi:

- Thể tích phân lớp của chúng; hoặc

- Thời gian tồn tại của các giọt khi tiếp xúc nhau

Tính bền vững của nhũ tương phụ thuộc:

- Bản chất và số lượng chất nhũ hóa (là chất có khả năng hấp phụ lên bề mặt giọt và ngăn cản quá trình tập hợp giữa các pha để ổn định nhũ tương):

+ Chất hoạt hóa bề mặt chứa nhóm phân cực ion – như xà phòng;

+ Các chất cao phân tử;

+ Chất nhũ hóa dạng rắn (bột)

- Các chất nhũ hóa ưa nước tan vào nước tốt hơn vào cacbuahydro – tạo nên nhũ tương D/N;

- Các chất nhũ hóa kỵ nước, thì ngược lại và tạo nên N/D;

- Tác dụng nhũ hóa của các chất nhũ hóa phụ thuộc vào sự phân bố các phần phân cực và không phân cực của các phân tử chất nhũ hóa Tác dụng nhũ hóa là tốt khi sự phân bố của các phần phân cực và không phân cực khá đồng

đều với hai pha phân tán

XÉT SỰ ỔN ĐỊNH NHŨ TƯƠNG BẰNG XÀ PHÒNG:

_ Đối với nhũ tương D/N:

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

0 –1% S Khi phân hủy các hợp chất humic người ta thu được một số sản phẩm điển hình như: Catec nol; Syring aldehyde; 3,5-dihydroxybenzoic axit

14.1 4.4.5 Thành phần sinh học của nước tự nhiên

Thành phần và mật độ các loại cơ thể sống trong nguồn nước phụ thuộc chặt chẽ vào đặc điểm, thành phần hoá học nguồn nước, chế độ thủy văn và địa hình nới cư trú

Các loại vi sinh vật tồn tại trong nguồn nước tự nhiên chủ yếu là vi khuẩn, nấm, siêu

vi trùng, tảo, cây cỏ, động vật nguyên sinh, động vật đa bào, các loại nhuyễn thể và các loại động vật có xương sống Tùy theo vị trí phân bố trong cột nước từ bề mặt đến đáy sông, hồ có các loài sinh vật sau:

- Phiêu sinh (plankton) trong đó có động vật phiêu sinh (zooplankton) và thực vật phiêu sinh, tảo (phytoplankton) Nhiều loài vi sinh có giá trị làm nguồn thức ăn cho tôm cá, đồng thời một số loài có khả năng chỉ thị ô nhiễm nước, chất lượng nước: Cá; Sinh vật bám; Sinh vật đáy (benthos) Một số loài sinh vật đáy có giá trị kinh tế đồng thời chỉ thị chất ô nhiễm và xử lý ô nhiễm Một số loài sinh vật có ý nghĩa về chỉ thị ô nhiễm nguồn nước được giới thiệu sau đây

4.4.4.1 Vi khuẩn và nấm

Vi khuẩn (bacteria) là các loại thực vật đơn bào, không có màu có kích thước từ 0,5 –5,0 μm, chỉ có thể quan sát qua kính hiển vi Vi khuẩn có dạng hình que, hình cầu hoặc hình xoắn, chúng có thể tồn tại ở dạng đơn lẻ, dạng cặp hoặc dạng liên kết thành mạch dài

Vi khuẩn sinh sản theo cơ chế phân bào: một tế bào được phân chia thành 2 tế bào mới Chu kỳ phân bào khoảng 15-30 phút trong điều kiện thuận lợi về dinh dưõng, oxy, nhiệt độ…

Vi khuẩn đóng vai trò rất quang trọng trong việc phân hủy chất hữu cơ, hỗ trợ quá trình làm sạch của nước tự nhiên, do vậy chúng có ý nghĩa rất lớn về mặt sinh thái Phụ thuộc vào nguồn dinh dưỡng, vi khuẩn được chia thành 2 nhóm chính: vi khuẩn dị dưỡng và

vi khuẩn tự đưỡng

1 Các vi khuẩn dị dưỡng

Vi khuẩn dị dưỡng (heterophic) là vi khuẩn sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn năng lượng và nguồn carbon để thực hiện quá trình sinh tổng hợp

Có 3 nhóm vi khuẩn dị dưỡng:

- Các vi khuẩn hiếu khí (aerobes) cần oxy hoà tan khi phân hủy chất hữu cơ đề sinh sản và phát triển

- Các vi khuẩn kỵ khí (anaerrobes) oxy hoá chất hữu cơ trong điều kiện hoàn toàn không cần có oxy vì chúng sử dụng oxy liên kết trong các hợp chất khác như nitrat và sulphat

- Các vi khuẩn tuỳ nghi (facutative) là nhóm vi khuẩn có thể phát triển trong điều kiện có hoặc không có oxy tự do Vi khuẩn tuỳ nghi luôn có mặt trong các hệ thống xử lý nước thải kỵ khí và hiếu khí

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

- Chất điện ly

- pH

Tính bền của bọt đặc trưng bằng thời gian tồn tại của bọt

Theo thời gian các màng giữa các bóng khí trong bọt mỏng dần do sự chảy của chất lỏng – Bóng khí vỡ, bọt tan và cuối cùng còn lại một pha lỏng- là dung dịch chất tạo bọt trong nước

- Chất tạo bọt làm chậm sự chảy của chất lỏng

- Xà bông có khả năng tạo bọt bền hơn so với rượu và axit , vì trong phân tử của chúng có nhóm sinh ion

- Nồng độ chất tạo bọt càng lớn thì thời gian tồn tại của bọt càng lâu

+ Độ bền của bọt phụ thuộc vào nhiệt độ

Khi nhiệt độ tăng làm bọt ít bền hơn – vì làm tăng vận tốc phá vở bọt, và do sự giải hấp phụ các chất tạo bọt khỏi bề mặt phân cách pha và do sự giảm độ nhớt của môi trường phân tán dẫn đến sự chảy khỏi màng của chất lỏng xảy ra nhanh hơn

+ Khi thêm chất điện ly – tính bền của bọt giảm nhưng không mất hoàn toàn tính bền + Tăng độ nhớt – làm tăng độ bền của bọt

Chế tạo bằng 2 Cách:

1) Cho các bóng không khí đi qua dung dịch chất tạo bọt;

2) Khuấy cơ học dung dịch chất tạo bọt với không khí

Phá vỡ bọt hoặc ngăn cản sự tạo thành bọt:

- Cho vào chất chống tạo bọt (là những chất có tính hoạt động bề mặt cao; rượu Amylic, Octylic, Este, );

- Nâng nhiệt độ của bọt

- Trong phương pháp tuyển nổi để xử lý nước thải công nghiệp: Bọt lôi kéo các chất bẩn (dầu, mỡ, ) trong nước thải nổi lên và từ đó loại bỏ dễ dàng

- Sự tạo bọt và sau đó phá vỡ bọt có thể làm sạch một số chất lỏng khỏi các chất hoạt tính bề mặt lẫn trong đó chúng bị chuyển vào bọt

- Bằng cách đó có thể trích lấy hoạt tính bề mặt có gía trị chứa trong nước thải công nghiệp

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn

Chương Ba

HÓA HỌC CỦA KHÍ QUYỂN

3.1 VAI TRÒ CỦA KHÍ QUYỂN

Khí quyển là lớp không khí trên bề mặt trái đất, không có giới hạn, tuy nhiên so với chiều dày của trái đất (đường kính trái đất khoảng 6500km) thì nó lại như một lớp da rất mỏng bao quanh quả đất Khối lượng của khí quyển vào khoảng 5 x 1015tấn, trong đó 99% nằm ở lớp dưới 30km so với mặt đất do sức hút của lực trái đất Trong khí quyển có khoảng 50 hợp chất hoá học được tạo nên bởi hàng loạt các phản ứng cân bằng trong đó

Khí quyển có vai trò:

- Cung cấp O2 và CO2 cần thiết duy trì sự sống trên trái đất, ngăn chặn các tia tử ngoại gần (λ = 300 nm), cho các tia trong vùng khả kiến –tia trông thấy (λ = 400-800 nm), tia hồng ngoại gần (λ = 2500 nm), và sóng radio (λ = 0,1 - 40 μm) đi vào trái đất

- Giữ cân bằng nhiệt lượng của trái đất (thông qua quá trình hấp thụ tia tử ngoại phát xạ từ mặt trời và phản xạ tia nhiệt từ trái đất)

- Là môi trường để vận chuyển nước từ đại dương vào đất liền, tham gia vào quá trình tuần hoàn nước

Không khí có ý nghĩa vô cùng to lớn đối với con người Trong một ngày một người cần khoảng 1,8 - 2,5 lít nước uống, 1,4 kg thức ăn nhưng cần một lượng không khí khoảng 14 kg tương đương 12m3 không khí

Con người có thể không uống 2 đến 4 ngày, không ăn 2 tuần nhưng không thể thiếu không khí trong vài phút Người ta có thể đun sôi nước, nấu chín thức ăn để hạn chế ảnh hưởng do

ô nhiễm nhưng họ phải thở không khí xung quanh ngay cả lúc không khí đó bị ô nhiễm Chính vì vậy mà không khí có vai trò rất quan trọng đối với con người Bảng 3.1 chỉ ra lượng không khí sạch một người cần để thở hàng ngày

Bảng 3.1 Nhu cầu không khí sinh hóa đối với con người

Nghỉ ngơi

Lao động nhẹ

Lao động nặng

7,4

28

43

10.600 40.400 62.000

26 98,5

152

12

45

69

Ô nhiễm không khí là gì ?

Sự hiện diện trong khí quyển một hay nhiều chất ô nhiễm như bụi, khói, khí, chất bay hơi làm thay đổi thành phần không khí sạch có tác hại tới sức khỏe cộng đồng, có nguy cơ gây tác hại tới động thực vật, vật liệu ở quy mô lớn hay nhỏ

Sự ô nhiễm không khí có thể tóm tắt như sau:

Nguồn thải chất ô nhiễm → Vào khí quyển → Nguồn tiếp nhận

- Nguồn gây ô nhiễm gồm các nguồn di động (tàu thuyền, ô tô, xe gắn máy, máy bay) và cố định (ống khói nhà máy, lò đốt chất thải) thải ra các chất ô nhiễm

- Khí quyển là môi trường trung gian để vận chuyển chuyển hóa chất ô nhiễm

- Nguồn tiếp nhận chất ô nhiễm là con người, động thực vật, vật liệu

Chất ô nhiễm không khí là gì?

Là những chất gây ra ô nhiễm không khí có tác hại tới môi trưòng nói chung

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn Các tác nhân gây ô nhiễm bao gồm chất thải có thể ở dạng rắn, lỏng hoặc khí và các dạng năng lượng như nhiệt độ, tiếng ồn

3.2 ĐẶC TÍNH CỦA CÁC TẦNG KHÍ QUYỂN

Khí quyển được chia thành các tầng dựa trên sự biến thiên nhiệt độ theo chiều cao (Gradien nhiệt độ), gồm hai phần chính: phần trong (gồm các tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng trung gian và tầng nhiệt) và phần ngoài (gồm tầng điện ly)

Hình 3.1 Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao

3.2.1 Tầng đối lưu (troposphere)

Lớp khí quyển thấp nhất được gọi là tầng đối lưu, chiếm khoảng 70% khối lượng khí quyển nằm ở độ cao từ 0 đến 15 km so với mặt biển Lớp này được đặc trưng bằng sự giảm nhiệt độ theo chiều cao (6,4oC/km) Hầu như các hiện tượng khí quyển chi phối đặc điểm thời tiết đều xảy ra trên tầng đối lưu Thành phần chủ yếu là khí nitơ, oxy, cacbonic, hơi nước Trên lớp đối lưu là lớp chuyển tiếp (tropopause), lớp này có đặc điểm là nhiệt độ không đổi theo chiều cao (-55oC)

3.2.2 Tầng bình lưu là (Statosphere)

Tầng bình lưu là tầng nằm trên tropopause, cách mặt đất khoảng 15 - 50km, được đặc trưng bằng sự tăng nhiệt độ theo chiều cao, nhiệt độ từ -56 đến -2oC Thành phần không khí tại lớp bình lưu giống như thành phần không khí tại mực nước biển Tuy nhiên, có hai điểm khác biệt chính là:

+ Nồng độ hơi nước tại tầng bình lưu thấp hơn từ 1000 đến 10.000 lần (khoảng 2-3 ppm) + Nồng độ ôzôn cao hơn 1.000 lần so với ở mực nước biển (10 ppm) Tầng này có tên gọi là tầng ôzôn, có vai trò ngăn chặn tia cực tím từ mặt trời xuống trái đất Oâzôn đóng vai trò quan trọng, nó như một lớp màng bao bọc và bảo vệ trái đất khỏi độc hại của tia tử ngoại

Vì sự xáo trộn yếu nên các chất hoá học nằm ở tầng này thường tồn lưu khá lâu Sự tăng nhiệt độ ở tầng bình lưu được giải thích là do Oâzôn ở đây hấp thụ tia tử ngoại và toả nhiệt:

O3 + hν (λ = 220 – 330 nm) O2 + O + Q

3.2.3 Tầng trung gian (Mesosphere)

Tầng này ở độ cao từ 50 –85 km, nhiệt độ thay đổi từ -2 đến – 920C Tầng này ngăn cách với tầng bình lưu bằng lớp tạm dừng, nhiệt độ giảm theo chiều cao Nguyên nhân do khả năng hấp thụ tia tử ngoại của O3 bị giảm (do nồng độ cũng giảm)> Thành phần chủ yếu là

O2+, NO+, O+, và N2

3.2.4 Tầng nhiệt (thermosphere)

HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG http://www.ebook.edu.vn Tầng này còn được gọi là tầng ion, ở độ cao từ 85 –100km, nhiệt độ từ –92 đến 12000C Do tác dụng của bức xạ mặt trời, nhiều phản ứng hoá học xảy ra với ôxy, nitơ, hơi nước, cácbonic… tạo thành các ion như: O2+, NO+, O+, e-, NO2+…

3.2.5 Tầng ngoài hay tầng điện ly (exosphere)

Tầng này bao quanh trái đất ở độ cao trên 800km Nhiệt độ tầng này tăng nhanh tới khoảng

17000C Tầng này có mặt các ion ôxy O+, heli He+, hydro H+

Không khí được cấu tạo từ nhiều khí khác nhau, trong đó thành phần chính là khí N2 chiếm khoảng 78,9% thể tích, khí O2 chiếm khoảng 20,9% thể tích, tiếp theo là Argon, khí cacbonic, ngoài ra còn một số khí khác ở dạng vết Trong không khí cũng luôn tồn tại một lượng hơi nước không cố định

Lớp khí quyển bao quanh trái đất là môi trường để truyền bức xạ mặt trời vào trái đất (hồng ngoại, tử ngoại, rơn ghen, tia gamma Phần lớn bức xạ này nằm trong khoảng bước sóng 200 – 2000 nm một nửa số này có bước sóng 380 – 870nm là tia mà mắt người có thể nhìn thấy được Chỉ có 45% tổng lượng năng lượng mặt trời là tới được trái đất còn 24,5%

bị khí quyển hấp thụ, 30,5% bị phản xạ bởi mây và bề mặt trái đất

Mặc dù có nhiều quá trình hoá lý xảy ra trong khí quyển, nhưng thành phần khí quyển gần bề mặt trái đất gần như không thay đổi, đưa ra trong bảng 3.2

Bảng 3.2 Thành phần không khí sạch

Khí Công thức Thành phần (ppm) Thời gian lưu ở tầng

đối lưu (năm)

quyểnkhítrongcólượnglưu

gian

Thời gian lưu đóng vai trò quan trọng trong việc xác định một chất có phân bố rộng trong môi trường hay không Một chất dù là tự nhiên hay nhân tạo thì thời gian lưu cũng liên quan chặt chẽ với việc phân bố trong môi trường Một chất hoà trộn tốt, nghĩa là phân bố trộng trong môi trường thì sẽ có thời gian lưu dài, và ngược lại Ví dụ CFCs có thời gian lưu dài, tạo nên một vấn đề môi trường toàn cầu Ngược lại, các khí acid chỉ tồn tại vài ngày trong khí quyển và mưa acid vì vậy chỉ mang tính chất khu vực

3.3.1 Oxygen