Bài giảng hóa học môi trường

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA 1.1.1 Môi trường Môi trường tập hợp tất thành phần giới vật chất bao quanh, có khả tác động đến tồn phát triển sinh vật 1.1.2 Sinh thái hệ sinh thái - Sinh thái: mối quan hệ tương hỗ quần thể sinh vật với yếu tố môi trường - Hệ sinh thái: tập hợp quần thể sinh vật môi trường sống chúng Hệ sinh thái chia làm hai thành phần (vô sinh & hữu sinh) 1.1.3 Hóa học môi trường: có nhiệm vụ nghiên cứu, mô tả mô hình hóa trình hóa học môi trường, nghiên cứu động học, nhiệt động học, chế phản ứng mối quan hệ chúng với thành phần môi trường 1.1.4 Ô nhiễm môi trường: tác động làm thay đổi thành phần môi trường, tạo nên cân trạng thái môi trường, gây ảnh hưởng xấu tới sinh vật môi trường tự nhiên Có thể hiểu cách cụ thể hơn: ô nhiễm môi trường tác động làm thay đổi môi trường tự nhiên thông qua thay đổi thành phần vật lý, hoá học, nguồn lượng, mức độ xạ, độ phổ biến sinh vật… Những thay đổi ảnh hưởng trực tiếp đến người qua đường thức ăn, nước uống không khí, ảnh hưởng gián tiếp đến người thay đổi điều kiện vật lý, hóa học suy thoái môi trường tự nhiên 1.1.5 Chất ô nhiễm: chất tự nhiên vốn có tự nhiên có hàm lượng lớn gây tác động có hại cho môi trường tự nhiên, cho người sinh vật sống - Chất ô nhiễm sơ cấp: chất ô nhiễm xâm nhập vào môi trường trực tiếp từ nguồn sinh Ví dụ SO2 sinh trình đốt nhiên liệu có chứa tạp chất lưu huỳnh - Chất ô nhiễm thứ cấp: chất ô nhiễm tạo thành từ chất ô nhiễm sơ cấp điều kiện tự nhiên môi trường Ví dụ SO3, H2SO4 tạo từ SO2, O2 nước khí 1.1.6 Quá trình vận chuyển chất ô nhiễm: trình chất ô nhiễm từ nguồn sinh chất ô nhiễm đến phận môi trường Nguồn phát thải  môi trường truyền nguồn tiếp nhận  1.2 Các thành phần môi trường trái đất 1.2.1 Khí Khí lớp khí bao phủ xung quanh bề mặt trái đất, có khối lượng 5,2.1018 kg, nhỏ 0,0001% lượng Trái đất Khí có tác dụng trì sống Trái đất, ngăn chặn tác động độc hại tia tử ngoại gần ( =300nm) cho tia trông thấy ( = 400 -800nm), tia hồng ngoại gần (( = 2500nm) sóng radio ( = 0,10 – 40 m) vào Trái đất Khí đóng vai trò quan trọng việc giữ cân nhiệt lượng trái đất thông qua trình hấp thụ tia tử ngoại phát xạ từ mặt trời đến phản xạ tia nhiệt từ mặt đất lên Thành phần chủ yếu khí gần bề mặt trái đất gồm nitơ, oxy, cacbonic, nước số khí khác acgon, heli,… với hàm lượng nhỏ Khí nguồn cung cấp O2, CO2 cần thiết cho sống Trái đất, cung cấp nitơ cho trình cố đònh đạm thực vật hay sản xuất phân đạm cho nông nghiệp Hơn nữa, khí môi trường để vận chuyển nước từ đại dương vào đất liền, tham gia vào trình tuần hoàn nước Cùng với tiến khoa học kỹ thuật, người thải nhiều chất ô nhiễm vào khí quyển, làm môi trường khí bò ô nhiễm Hoá học khí sở để hiểu biết nguồn gốc, trình biến đổi hình thành chất khí 1.2.2 Thủy Thuỷ bao gồm tất dạng nguồn nước có Trái đất, gồm đại dương, biển, hồ, sông, suối, nguồn chứa băng đá hai cực Trái đất nguồn nước ngầm Thủy có khối lượng ước tính vào khoảng 1,38.1021 kg (0,03% tổng khối lượng Trái đất) 97% nước Trái đất nước mặt (biển, đại dương), có hàm lượng muối cao, không thích hợp cho nhu cầu sinh hoạt người Khoảng 2% nước thuộc dạng băng đá nằm hai cực Trái đất Chỉ có 1% nước Trái đất người sử dụng, số 30% dùng cho mục đích tưới tiêu, 50% dùng cho nhà máy sản xuất lượng, 7% dùng cho sinh hoạt 12% dùng cho sản xuất công nghiệp Nước bề mặt dễ bò ô nhiễm hoá chất bảo vệ thực vật, phân bón, chất thải sinh hoạt chất thải công nghiệp Hoá học thủy sở để hiểu biết nguồn gốc, trình vận chuyển, đặc tính hình thái hóa học chất nước 1.2.3 Đòa Đòa lớp vỏ rắn Trái đất, có bề sâu từ – 100km Thành phần đòa gồm đất khoáng chất xuất lớp phong hoá Trái đất Thực chất đòa tổ hợp phức tạp chất khoáng, chất hữu cơ, không khí nước Trong đòa quyển, đất thành phần quan trọng Trong trình phát triển mình, người khai thác tài nguyên đòa để làm nguyên liệu phục vụ cho đời sống thải trả lại đòa nhiều chất thải rắn, chất thải lỏng độc hại làm ô nhiễm đất 1.2.4 Sinh Sinh gồm tất thành phần ba môi trường kể có tồn sống có liên quan tác động tương hỗ thành phần môi trường khí quyển, thủy quyển, đòa Ví dụ, lượng oxy cacbonic khí phụ thuộc vào mức độ sinh tồn giới thực vật khả hòa tan chúng nước Cây xanh có quan hệ với lượng oxy có khí qua trình tổng hợp quang hoá phân rã Khác với khí quyển, đòa thủy quyển, với sinh giới hạn rõ rệt nằm ba thành phần môi trường kể không hoàn toàn liên tục, sống tồn phát triển điều kiện đònh Abandoned Field to Oak Forest Figure 9i-1: Succession of plant species on abandoned fields in North Carolina Pioneer species consist of a variety of annual plants This successional stage is then followed by communities of perennials and grasses, shrubs, softwood trees and shrubs, and finally hardwood trees and shrubs This succession takes about 120 years to go from the pioneer stage to the climax community j) Introduction to the Ecosystem Concept (khái niệm) - Major Components of Ecosystems • Ecosystems are composed of a variety of abiotic and biotic (vơ sinh hữu sinh) components that function in an interrelated fashion Some of the more important components are: soil, atmosphere, radiation from the Sun, water, and living organisms • Soils are much more complex than simple sediments They contain a mixture of weathered rock fragments, highly altered soil mineral particles, organic matter, and living organisms Soils provide nutrients, water, a home, and a structural growing medium for organisms The vegetation found growing on top of a soil is closely linked to this component of an ecosystem through nutrient cycling • The atmosphere provides organisms found within ecosystems with carbon dioxide for photosynthesis and oxygen for respiration The processes of evaporation, transpiration, and precipitation cycle water between the atmosphere and the Earth's surface • • • • Solar radiation is used in ecosystems to heat the atmosphere and to evaporate and transpire water into the atmosphere Sunlight is also necessary for photosynthesis Photosynthesis provides the energy for plant growth and metabolism, and the organic food for other forms of life Most living tissue is composed of a very high percentage of water, up to and even exceeding 90% The protoplasm of a very few cells can survive if their water content drops below 10%, and most are killed if it is less than 30-50% Water is the medium by which mineral nutrients enter and are translocated in plants It is also necessary for the maintenance of leaf turgidity and is required for photosynthetic chemical reactions Plants and animals receive their water from the Earth's surface and soil The original source of this water is precipitation from the atmosphere Ecosystems are composed of a variety of living organisms that can be classified as producers, consumers, or decomposers Producers or autotrophs, are organisms that can manufacture the organic compounds they use as sources of energy and nutrients Most producers are green plants that can manufacture their food through the process of photosynthesis Consumers or heterotrophs get their energy and nutrients by feeding directly or indirectly on producers We can distinguish two main types of consumers Herbivores are consumers that eat plants for their energy and nutrients Organisms that feed on herbivores are called carnivores Carnivores can also consume other carnivores Plants and animals supply organic matter to the soil system through shed tissues and death Consumer organisms that feed on this organic matter, or detritus, are known as detritivores or decomposers The organic matter that is consumed by the detritivores is eventually converted back into inorganic nutrients in the soil These nutrients can then be used by plants for the production of organic compounds The following graphical model describes the major ecosystem components and their interrelationships (Figure 9j-1) Động vật ăn cỏ Động vật ăn thịt Figure 9j-1: Relationships within an ecosystem Energy and Matter Flow in Ecosystems Figure 9j-2: Inputs and outputs of energy and matter in a typical ecosystem (l) Primary Productivity of Plants 6CO2 + 6H2O + light energy >>> C6H12O6 + 6O2 Figure 9l-1: Inputs and outputs of the photosynthetic process Table 9l-1: Average annual Net Primary Productivity of the Earth's major biomes Ecosystem Type Net Primary Productivity (kilocalories/meter -2 /year) Tropical Rain Forest 9000 Estuary 9000 Swamps and Marshes 9000 Savanna 3000 Deciduous Temperate Forest 6000 Boreal Forest 3500 Temperate Grassland 2000 Polar Tundra 600 Desert < 200 p) Biogeochemical Cycling: Inputs and Outputs of Nutrients to Ecosystems • The patterns of cycling nutrients in the biosphere involves both biotic and abiotic chemical reactions Understanding the biogeochemical cycle of any biologically important element requires the knowledge of chemical processes that operate in the biosphere, lithosphere, atmosphere, and hydrosphere • The biogeochemical cycles of all elements used by life have both an organic and an inorganic phase For most of these nutrients, how efficiently these elements cycle from the organic component back to the inorganic reserviors determines how much is available to organisms over the short term This cycling involves the decomposition of organic matter back into inorganic nutrients The major reservoirs for all metabolically important elements are found either in the atmosphere, lithosphere (mainly rock, soil and other weathered sediments) or hydrosphere Flow from these reservoirs to the organic phase is generally slower than the cycling of nutrients through organic matter decomposition Nutrient Inputs to Ecosystems Important nutrients for life generally enter ecosystems by way of four processes: (1) Weathering (2) Atmospheric Input Large quantities of nutrients are added to ecosystems from the atmosphere This addition is done either through precipitation or by a number of biological processes • Carbon - absorbed by way of photosynthesis • Nitrogen - produced by lightning and precipitation • Sulfur, chloride, calcium, and sodium - deposited by way of precipitation (3) Biological Nitrogen Fixation (4) Immigration • Nutrient Outputs to Ecosystems • Important nutrients required for life leave ecosystems by way of four processes: (1) Erosion (2) Leaching (3) Gaseous Losses (4) Emigration and Harvesting • Just as material may be introduced to ecosystems by migration, so too may it be lost The emigration of animals, and the removal of vegetation by humans are both processes by which outputs can occur from an ecosystem (r) The Carbon Cycle • All life is based on the element carbon Carbon is the major chemical constituent of most organic matter, from fossil fuels to the complex molecules (DNA and RNA) that control genetic reproduction in organisms Yet by weight, carbon is not one of the most abundant elements within the Earth's crust In fact, the lithosphere is only 0.032% carbon by weight In comparison, oxygen and silicon respectively make up 45.2% and 29.4% of the Earth's surface rocks • Carbon is stored on our planet in the following major sinks (Figure 9r-1 and Table 9r-1): (1) as organic molecules in living and dead organisms found in the biosphere; (2) as the gas carbon dioxide in the atmosphere; (3) as organic matter in soils; (4) in the lithosphere as fossil fuels and sedimentary rock deposits such as limestone, dolomite and chalk; and (5) in the oceans as dissolved atmospheric carbon dioxide and as calcium carbonate shells in marine organisms Figure 9r-1: Carbon cycle Table 9r-1: Estimated major stores of carbon on the Earth Sink Amount in Billions of Metric Tons Atmosphere 578 (as of 1700) - 766 (as of 1999) Soil Organic Matter Ocean Marine Sediments and Sedimentary Rocks Terrestrial Plants Fossil Fuel Deposits 1500 to 1600 38,000 to 40,000 66,000,000 to 100,000,000 540 to 610 4000 s) The Nitrogen Cycle The nitrogen cycle represents one of the most important nutrient cycles found in terrestrial ecosystems (Figure 9s-1) Nitrogen is used by living organisms to produce a number of complex organic molecules like amino acids, proteins, and nucleic acids The store of nitrogen found in the atmosphere, where it exists as a gas (mainly N2), plays an important role for life This store is about one million times larger than the total nitrogen contained in living organisms Other major stores of nitrogen include organic matter in soil and the oceans Despite its abundance in the atmosphere, nitrogen is often the most limiting nutrient for plant growth This problem occurs because most plants can only take up nitrogen in two solid forms: ammonium ion (NH4+ ) and the ion nitrate (NO3- ) Most plants obtain the nitrogen they need as inorganic nitrate from the soil solution Ammonium is used less by plants for uptake because in large concentrations it is extremely toxic Animals receive the required nitrogen they need for metabolism, growth, and reproduction by the consumption of living or dead organic matter containing molecules composed partially of nitrogen Figure 9s-1: Nitrogen cycle [...]... ; ppm(phần triệu thể tích); ppb 2.4.3 Tiêu chuẩn chất lượng môi trường không khí xung quanh và khí thải Tiêu chuẩn chất lượng môi trường là nồng độ giới hạn hoặc tối đa của các chất ô nhiễm cho phép trong môi trường xung quanh hoặc được phép thải ra môi trường Tiêu chuẩn chất lượng môi trường Việt Nam đã được Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường (trước đây) ban hành năm 1995 gồm: STT Tên tiêu chuẩn... Minh), khu Thượng Đình, Văn Điển (Hà Nội), khu hóa chất Việt Trì, nhiệt điện Ninh Bình trước đây, Xi măng Hải Phòng hàm lượng các chất ô nhiễm ở những nơi này cao gấp nhiều lần so với các khu vực khác không có công nghiệp Vào những năm 1990 nhà máy hóa chất Thủ Đức sản xuất axít sunfuric đã gây ô nhiễm môi trường do khí SOx Các kết quả kiểm tra môi trường cho thấy nồng độ SO2 và SO3 tại khu vực... Thể hiện qua S Sự phân hủy sinh học H2S: 90 Phân hủy sulphat từ nước biển: 40 Tổng cộng: 130 NO : 455 N2O : 537 - Sự oxi hóa CH4, và formaldehyde: - Sự phân giã và tổng hợp chlorophill : - Phản ứng oxi hóa quang hóa terpen: - Từ đại dương: Tổng cộng: CH4 : Terpenes: Tổng cộng: 3000 Nguồn thải nhân tạo Tổng cộng: 84 Sulphát từ SO2: 133 Nitrat từ NOx : 27 Phản ứng quang hóa từ HC: 25 Tổng cộng: 185 Than:... trung tâm xúc tác cho các phản ứng hóa học xảy ra trong khí quyển Khói nhiên liệu (smoke) - sinh ra từ quá trình đốt nhiên liệu, là các hạt mòn có kích thước từ 0,01 đến 1 m có thể ở dạng lỏng hoặc khí hoặc hỗn hợp có thể có các màu khác nhau phụ thuộc bản chất nhiên liệu đốt Khói hóa chất (Fumes) - là khói từ các quá trình bay hơi, ngưng tụ các quá trình sản xuất hóa chất, luyện kim , là các hạt... 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 - Dòch vụ thương mại: chợ buôn bán Các nguồn trên có thể coi là các nguồn cố đònh Tùy vào các nguồn gây ô nhiễm mà trong quá trình hoạt động thải vào môi trường các tác nhân ô nhiễm không khí khác... bay hơi Bụi, kiềm Các hydrocacbon, bụi, COx , SOx , NOx • Bụi, THC, COx , SOx , NOx , HF • Bụi, SO2 , COx , NOx , • Bụi, mùi hôi, dung môi hữu cơ, SO2 • Bụi, mùi hôi, dung môi hữu cơ, TBVTV • Mùi hôi (do các hợp chất sunlfua, mecaptan, amoniac) • Mùi hôi của các dung môi hữu cơ, bụi • Bụi, chì, NOx , SOx , COx , hợp chất hữu cơ Bụi, THC, COx , SOx , NOx Bảng 2.3 Đánh giá nguồn thải toàn cầu các chất... nhiên và nhân tạo  - 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 Dưới đây là một số hình ảnh núi lửa phun trào Hơn 4.500 người ở miền Nam Chile phải rời bỏ nhà cửa hơm 3/5, sau khi một núi lửa phun trào lần đầu tiên trong vòng 9.000 năm trở lại đây, gây động... chủ yếu là O2+, NO+, O+, và N2 2.1.4 Tầng nhiệt (thermosphere) 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+… 2.1.5 Tầng ngoài hay tầng điện ly (exosphere) Tầng này bao quanh trái đất ở độ cao trên 800km Nhiệt độ tầng... khơng khí Nhu cầu cơ bản của con người • Lương thực: 1.2 kg • Nước uống: 2-2,5 lit • Khơng khí – 10 – 20 m3 khơng khí mỗi ngày; khi thiếu KK từ 5 – 7 phút sẽ gây tử vong Bảng 2.2 Nhu cầu không khí sinh hóa đối với con người Trạng thái Nghỉ ngơi Lao động nhẹ Lao động nặng lít/phút lít/ngày kg/ngày 7,4 28 43 10.600 40.400 62.000 12 45 69 2.4 Phân loại các chất ô nhiễm không khí 2.4.1 Theo nguồn gốc phát... nhiên liệu phục vụ sinh hoạt, phục vụ vui chơi giải trí - Ô nhiễm do quá trình tự nhiên: bão, núi lửa, do sự phân hủy tự nhiên các chất hữu cơ gây mùi hôi thối bụi phấn hoa 2.1.3 Dựa vào đặc tính hình học - Điểm ô nhiễm : ống khói nhà máy - Đường ô nhiễm: đường giao thông - Vùng ô nhiễm: khu công nghiệp, khu tập trung các cơ sở sản xuất 2.1.4 Dựa vào tính chất khuếch tán - Nguồn thải thấp: gồm nguồn ... hình hóa trình hóa học môi trường, nghiên cứu động học, nhiệt động học, chế phản ứng mối quan hệ chúng với thành phần môi trường 1.1.4 Ô nhiễm môi trường: tác động làm thay đổi thành phần môi trường, ... lượng môi trường không khí xung quanh khí thải Tiêu chuẩn chất lượng môi trường nồng độ giới hạn tối đa chất ô nhiễm cho phép môi trường xung quanh phép thải môi trường Tiêu chuẩn chất lượng môi trường. .. trường, tạo nên cân trạng thái môi trường, gây ảnh hưởng xấu tới sinh vật môi trường tự nhiên Có thể hiểu cách cụ thể hơn: ô nhiễm môi trường tác động làm thay đổi môi trường tự nhiên thông qua thay