Biến đổi của các chất ô nhiễm trong không khí
Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Viện Tài Ngun & Mơi Trường (IER) KỸ THUẬT XỬ LÝ Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ ĐỀ TÀI BIẾN ĐỔI CỦA CÁC CHẤT Ơ NHIỄM TRONG KHƠNG KHÍ GVHD: PGS.TS – ĐINH XN THẮNG Nhóm CÁC Q TRÌNH BIẾN ĐỔI CÁC PHẢN ỨNG HĨA HỌC Q TRÌNH SA LẮNG KHƠ Q TRÌNH SA LẮNG ƯỚT Các phản ứng hóa học Các chất nhiêm có khơng khí tham gia phản ứng chất sơ cấp với sơ cấp với thứ cấp Các phản ứng sảy ra: - PƯ nhiệt pha khí; - PƯ quang hóa pha khí; - PƯ nhiệt pha lõng; - PƯ xảy bề mặt hạt Các phản ứng hóa học 1.1 Phản ứng nhiệt pha khí Phản ứng nhiệt pha khí kết hợp hai phâ tử có lượng phù hợp NO + O → NO + O NO + OH - → HNO3 NO + O → NO3 + O NO3 + NO → N O5 N O5 + H O → 2HNO3 NH 3 → NH NO3 Các phản ứng hóa học 1.2 Phản ứng quang hóa pha khí Phản ứng quang hóa pha khí bao gồm q trình phân hủy hoạt hóa phân tử hấp thụ tia xạ từ mặt trời Phản ứng quang hóa khí sinh chất nhiễm quan trọng ơzon Ơzon tạo thành q trình phân chia NO2 tắc động tia cực tím(UV) NO + hν → NO + O O + O + (M) → O + ( M ) O + NO → NO + O Các phản ứng hóa học 1.2 Phản ứng quang hóa pha khí Sự tích tụ O3 xảy q trình biến đổi NO thành NO2 thơng qua phản ứng NO với hợp chất khác khơng phải O3 Hydrocarbon hợp chất RH + OH → ROO − + H O ROO − + NO → NO + RO RO + O → Aldehyde + HOO HOO + O → NO + OH Các phản ứng hóa học 1.3 Phản ứng pha lõng Các phản ứng pha lõng thường phản ứng ion, có tham gia chất xúc tác có pha lõng SO + H O = H 2SO 2H 2SO + O → 2H 2SO H 2SO + H O → H 2SO + H O H 2SO + O → H 2SO + O Các phản ứng hóa học 1.4 Phản ứng bề mặt Bề mặt hạt rắn thúc đẩy phản ứng hóa học Các phản ứng hóa học sảy bề mặt hạt rắn SO2 + O2 → SO3 SO3 + H O → H SO4 Q trình sa lắng khơ 2.1 Cơ chế q trình sa lắng khơ Sa lắng khơ q trình rơi chất nhiễm thể khí hạt trực tiếp lên cây, bề mặt cơng trình, đất nước Sa lắng khơ chất xem xét qua hai giai đoạn: -Giai đoạn dịch chuyển: q trình dịch chuyển chất tới bề mặt; -Giai đoạn hấp phụ: q trình hấp phụ chất lên bề mặt Vg = ( m / s ) rt Trong đó: Vg: tốc độ sa lắng khơ, m/S rt: trở lực tổng cộng q trình sa lắng khơ, S/m Q trình sa lắng khơ 2.2 Phương pháp đo đạc tốc độ sa lắng khơ a.Phương pháp gradient nồng độ Kết hợp đồng thời gradient nồng độ theo chiều cao giá trị vi khí hậu để xác định hệ số khuếch tán F=-K(z)dX/dZ F: Dòng vật chất rơi xuống mặt đất X: nồng độ chất nhiễm Z: chiều cao mặt đất Phương pháp khơng thể dùng để đo tốc độ xa lắng địa hình khơng đồng cối, bờ rào, bờ dậu 4.2 MỘT SỐ CÔNG THỨC TÍNH TOÁN KHUẾCH TÁN b Công thức Sutton (1947 b) Trò số Sy , Sz n công thức Sutton cho bảøng Bảng 2: Các hệ số khuếch tán rối (xoắn) tổng quát Sutton O G [A.C Stern,Vol.1,1962] Hệ số Sy = Sz, mn/2 Thứ tự Điều kiện ổn đònh khí N Độ cao mặt đất, m 25 50 75 100 Nhiệt độ giảm mạnh theo độ cao 0,02 0,21 0,17 0,16 0,12 Nhiệt độ giảm nhẹ không khí thay đổi 0,25 0,12 0,10 0,09 0,07 Nghòch nhiệt trung bình 0,33 0,08 0,06 0,05 0,04 Nghòch nhiệt mạnh 0,50 0,06 0,05 0,04 0,03 4.3 CÔNG THỨC XÁC ĐỊNH SỰ PHÂN BỐ NỒNG ĐỘ CHẤT Ô NHIỄM THEO LUẬT PHÂN PHỐI CHUẨN GAUSS Nếu ta thiết lập cân vật chất “lát” khói có bề dày 1m theo chiều x chiều y, z vô cực “lát “ khói chuyển động với vận tốc gió u thời gian để lát qua khỏi ống khói m.u-1 lượng chất ô nhiễm chứa “lát” khói u Q = Μ.x.u-1 Công thức sở mô hình lan truyền chất ô nhiễm theo luật phân phối chuẩn Gauss mà người ta quen gọi tắt “mô hình Gauss” sở y M C = exp− 2σ2 2πuσy σz y z exp − σ y Trong đó: σy σz gọi hệ số khuếch tán theo phương ngang phương đứng có thứ nguyên độ dài m (vì Ky, Kz có thứ nguyên m2/s) [3.11] 4.5 CHIỀU CAO HIỆU QUẢ CỦA ỐNG KHÓI Vào năm 1950 - 1960 giới có nhiều công trình nghiên cứu độ nâng cao luồng khói thoát khỏi miệng ống khói Phần lớn công trình nghiên cứu dựa vào quan sát thực tế thực nghiệm kết hợp giữalý thuyết thực nghiệm Sau xin nêu số công thức tính toán độ nâng cao luồng khói áp dụng rộng rãi 4.5.1 Công thức Davidson W.F Dựa vào kết thực nghiệm tiến hành ống khí động Bryant, Davidson W.E đưa công thức sau - gọi công thức Bryant - Davidson Trong công thức trên: D - đường kính miệng ống khói, (m) w - vận tốc ban đầu luồng khói miệng ống khói, (m/s) u - vận tốc gió, (m/s) Tkhói - nhiệt độ tuyệt đối khói miệng ống khói, (0K) TΔ - chênh lệch nhiệt độ khói không khí xung quanh, (0C) (0K) 4.5 CHIỀU CAO HIỆU QUẢ CỦA ỐNG KHÓI 4.5.2 Công thức Bosanquet - Carcy Halton Công thức Bosanquet cộng dựa lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, độ nâng động độ nâng chênh lệch nhiệt độ hàm số khoảng cách x kể từ chân ống khói xuôi theo chiều gió Các công thức xây dựng cho điều kiện trung tính khí Với: Trong đó: grad t : độ biến thiên nhiệt độ theo chiều cao lớp khí sát mặt đất 4.5 CHIỀU CAO HIỆU QUẢ CỦA ỐNG KHÓI 4.5.3 Cô ng thức Holland Dựa vào kết khảo sát luồng khói từ ống khói nhỏ vùng Oak Ridge, Holland J.Z (Ủy ban Năng lượng nguyên tử Mỹ -1953) đưa công thức xác đònh độ nâng cao luồng khói, gọi công thức Oak Ridge [A.C.Stern…Air pollution] hΔ = (1,5ω D + 4,1 10-5 Qh )/u (4.51) hΔ , D - tính theo m u - tính theo m/s Qh - cường độ nhiệt luồng khói thải môi trường xung quanh: Qh = t L Cp Δ .ρ (4.52) Cp - tỷ nhiệt đẳng nhiệt khói (cal/kg) ρ- khối lượng (kg/m3) Δ t : chiết tính nhiệt khói không khí xung quanh Công thức áp dụng cho điều kiện trung tính khí Đối với điều kiện ổn đònh kết tính theo công thức cần tăng thêm 10-20%, ngược lại điều kiện không ổn đònh - giảm bớt chừng phần trăm 4.5 CHIỀU CAO HIỆU QUẢ CỦA ỐNG KHÓI 4.5.4 Công thức Briggs G.A Briggs G.A 1975 nghiên cứu trường hợp nói đưa công thức sau áp dụng cho điều kiện có tác dụng lực chủ yếu ứng với cấp ổn đònh A- D : F - lực ban đầu luồng khói xác đònh theo công thức 4.5.5 Công thức M.E.Berliand số tác giả khác Nga Căn vào số liệu thực nghiệm so sánh kết tính toán nồng độ chất ô nhiễm mặt đất Berliand cộng (1964 ) đưa công thức xác đònh độ nâng cao luồng khói sau: 4.5 CHIỀU CAO HIỆU QUẢ CỦA ỐNG KHÓI 4.5.4 Công thức Briggs G.A đó: u10 : vận tốc gió đo cột đo gió trạm khí tượng, tức đo độ cao Z = 10m L: lưu lượng khói thải miệng ống khói, m3/s Ngoài công thức xác đònh độ nâng luồng khói nêu Berliand, Liên Xô cũ áp dụng nhiều công thức nhiều tác giả khác 4.6 SỰ LẮNG ĐỌNG CỦA BỤI TRONG QUÁÙ TRÌNH KHUẾCH TÁN KHÍ THẢI CÁC NGUỒN ĐIỂM CAO Trên hình 4.17 thể lắng đọng loại cỡ bụi thô, mòn khác mặt đất diễn biến nồng độ bụi khí xuôi theo chiều gió Hình 4.17 Phân bố nồng độ bụi khí mặt đất óng khói gây ứng với vận tốc gió đònh 4.6 SỰ LẮNG ĐỌNG CỦA BỤI TRONG QUÁÙ TRÌNH KHUẾCH TÁN KHÍ THẢI CÁC NGUỒN ĐIỂM CAO Trên hình 4.17 thể lắng đọng loại cỡ bụi thô, mòn khác mặt đất diễn biến nồng độ bụi khí xuôi theo chiều gió Trong đó: Mb: khối lượng phát thải bụi đơn vò thời gian miệng ống khói: g/s, kg/s kg/ngày, T/tháng α: tỷ lệ thời gian có gió nằm góc cung 450 phía cuối gió kể từ nguồn p: Hệ số khuếch tán đứng Bosanquet nhận p=0,05 vr: vận tốc rơi tự tối hạn bụi, m/s 4.6 SỰ LẮNG ĐỌNG CỦA BỤI TRONG QUÁÙ TRÌNH KHUẾCH TÁN KHÍ THẢI CÁC NGUỒN ĐIỂM CAO Trên hình 4.17 thể lắng đọng loại cỡ bụi thô, mòn khác mặt đất diễn biến nồng độ bụi khí xuôi theo chiều gió Trong đó: Mb: khối lượng phát thải bụi đơn vò thời gian miệng ống khói: g/s, kg/s kg/ngày, T/tháng α: tỷ lệ thời gian có gió nằm góc cung 450 phía cuối gió kể từ nguồn p: Hệ số khuếch tán đứng Bosanquet nhận p=0,05 vr: vận tốc rơi tự tối hạn bụi, m/s 4.6 SỰ LẮNG ĐỌNG CỦA BỤI TRONG QUÁÙ TRÌNH KHUẾCH TÁN KHÍ THẢI CÁC NGUỒN ĐIỂM CAO Cường độ lắng đọng bụi trục gió xác đònh theo công thức: Như : Mb: khối lượng phát thải bụi đơn vò thời gian miệng ống khói: g/s, kg/s kg/ngày, T/tháng α: tỷ lệ thời gian có gió nằm góc cung 450 phía cuối gió kể từ nguồn p: Hệ số khuếch tán đứng Bosanquet nhận p=0,05 vr: vận tốc rơi tự tối hạn bụi, m/s 4.6 SỰ LẮNG ĐỌNG CỦA BỤI TRONG QUÁÙ TRÌNH KHUẾCH TÁN KHÍ THẢI CÁC NGUỒN ĐIỂM CAO Cường độ lắng đọng bụi trục gió xác đònh theo công thức: Như : Mb: khối lượng phát thải bụi đơn vò thời gian miệng ống khói: g/s, kg/s kg/ngày, T/tháng α: tỷ lệ thời gian có gió nằm góc cung 450 phía cuối gió kể từ nguồn p: Hệ số khuếch tán đứng Bosanquet nhận p=0,05 vr: vận tốc rơi tự tối hạn bụi, m/s 4.9 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA HÌNH ĐỐI VỚI QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN CHẤT Ô NHIỄM Các công thức tính toán dựa lý thuyết thực áp dụng đòa hình phằng Trường hợp đòa hình không phẳng, đường lan truyền khói gặp vật cản có dạng núi đồi, vực sâu, thung lũng … vận tốc gió bò thay đổi, mức độ rối khí bò ảnh hưởng luồng khói bò biến dạng, kéo theo phân bố nồng độ chất ô nhiễm luồng khói mặt đất bò thay đổi Trên hình 4.35 hình ảnh luồng khói đòa hình có đồi núi 4.9 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA HÌNH ĐỐI VỚI QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN CHẤT Ô NHIỄM Các công thức tính toán dựa lý thuyết thực áp dụng đòa hình phằng Trường hợp đòa hình không phẳng, đường lan truyền khói gặp vật cản có dạng núi đồi, vực sâu, thung lũng … vận tốc gió bò thay đổi, mức độ rối khí bò ảnh hưởng luồng khói bò biến dạng, kéo theo phân bố nồng độ chất ô nhiễm luồng khói mặt đất bò thay đổi Trên hình 4.35 hình ảnh luồng khói đòa hình có đồi núi 4.9 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA HÌNH ĐỐI VỚI QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN CHẤT Ô NHIỄM Ở phía đón gió sườn đồi luồng gió chuyển động theo đường dòng không khí có xu hướng vừa va đập vào sườn đồi vừa bò hất ngược lên cao Vì nồng độ chất ô nhiễm mặt đất tăng cao so với trường hợp đòa hình phẳng Ở phía khuất gió đồi, tranh phức tạp có tượng quẩn gió làm cho chất ô nhiễm bò ứ đọng lại khu vực không lan tỏa xa Nhìn chung, ảnh hưởng đòa hình trình khuếch tán chất ô nhiễm đa dạng phức tạp, áp dụng lý thuyết tổng quát bao trùm hết hình thái vật cản tình xảy mà giới hạn trường hợp đơn giản cần dựa vào nghiên cứu thực nghiệm cho trường hợp cụ thể chủ yếu [...]... TÁN CHẤT Ô NHIỄM Ở phía đón gió của sườn đồi luồng gió chuyển động theo các đường dòng của không khí và do đó có xu hướng vừa va đập vào sườn đồi vừa bò hất ngược lên cao Vì vậy nồng độ chất ô nhiễm trên mặt đất sẽ tăng cao so với trường hợp đòa hình bằng phẳng Ở phía khuất gió của ngọn đồi, bức tranh càng phức tạp hơn do có hiện tượng quẩn gió làm cho chất ô nhiễm bò ứ đọng lại trong khu vực này và không. .. Ngoài công thức xác đònh độ nâng luồng khói nêu trên của Berliand, ở Liên Xô cũ còn áp dụng nhiều công thức của nhiều tác giả khác nhau 4.6 SỰ LẮNG ĐỌNG CỦA BỤI TRONG QUÁÙ TRÌNH KHUẾCH TÁN KHÍ THẢI CÁC NGUỒN ĐIỂM CAO Trên hình 4.17 thể hiện sự lắng đọng của các loại cỡ bụi thô, mòn khác nhau trên mặt đất cũng như diễn biến của nồng độ bụi và khí xuôi theo chiều gió Hình 4.17 Phân bố nồng độ bụi và khí. .. Dòng xốy do chuyển động trung bình W: dòng vật chất do chuyển động trung bình Kỹ thuật này được đề xuất như là phương pháp để đo sa lắng SO2 4.1 PHƯƠNG TRÌNH PHÁT TÁN CHẤT Ô NHIỄM a Lý thuyết khuếch tán chất ô nhiễm (dạng khí và dạng lơ lửng) trong khí quyển Phương trình vi phân cơ bản của quá trình khuếch tán chất ô nhiễm dạng khí và dạng lơ lửng trong khí quyển được dùng làm cơ sở cho mọi tính toán... thung lũng … khi đó vận tốc gió sẽ bò thay đổi, mức độ rối của khí quyển bò ảnh hưởng và do đó luồng khói sẽ bò biến dạng, kéo theo là sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm trong luồng khói cũng như trên mặt đất bò thay đổi Trên hình 4.35 là hình ảnh của luồng khói trên đòa hình có đồi núi 4.9 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA HÌNH ĐỐI VỚI QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN CHẤT Ô NHIỄM Các công thức tính toán đều dựa trên lý thuyết... nhiệt trong vật rắn [F.Pasquill Noel de nevers ] ∂c ∂ ∂c ∂ ∂c ∂ ∂c = K x + K y + K z ∂t ∂x ∂x ∂x ∂y ∂z ∂z [3.1] Trong đó : c – nồng độ chất ô nhiễm, (g/m3) τ - thời gian, (s) Kx, Ky, Kz – Lần lượt là hệ số khuếch tán rối theo phương x, y, z một cách tương ứn 4.1 PHƯƠNG TRÌNH PHÁT TÁN CHẤT Ô NHIỄM a Lý thuyết khuếch tán chất ô nhiễm (dạng khí và dạng lơ lửng) trong khí. .. nguồn p: Hệ số khuếch tán đứng của Bosanquet có thể nhận p=0,05 vr: vận tốc rơi tự do tối hạn của bụi, m/s 4.6 SỰ LẮNG ĐỌNG CỦA BỤI TRONG QUÁÙ TRÌNH KHUẾCH TÁN KHÍ THẢI CÁC NGUỒN ĐIỂM CAO Trên hình 4.17 thể hiện sự lắng đọng của các loại cỡ bụi thô, mòn khác nhau trên mặt đất cũng như diễn biến của nồng độ bụi và khí xuôi theo chiều gió Trong đó: Mb: khối lượng phát thải bụi trong đơn vò thời gian tại... 1: Phát tán chất ô nhiễm theo chiều gió 4.1 PHƯƠNG TRÌNH PHÁT TÁN CHẤT Ô NHIỄM b Các phương trình khuếch tán một chiều, hai chiều và ba chiều Quá trình khuếch tán cũng giống như quá trình dẫn nhiệt có thể diễn ra trong không gian một chiều, hai chiều hoặc ba chiều Hình 2: Minh họa hiện tượng lan truyền, một chiều(a), hai chiều(b), ba chiều (c) 4.1 PHƯƠNG TRÌNH PHÁT TÁN CHẤT Ô NHIỄM b Các phương trình... đònh 4.6 SỰ LẮNG ĐỌNG CỦA BỤI TRONG QUÁÙ TRÌNH KHUẾCH TÁN KHÍ THẢI CÁC NGUỒN ĐIỂM CAO Trên hình 4.17 thể hiện sự lắng đọng của các loại cỡ bụi thô, mòn khác nhau trên mặt đất cũng như diễn biến của nồng độ bụi và khí xuôi theo chiều gió Trong đó: Mb: khối lượng phát thải bụi trong đơn vò thời gian tại miệng ống khói: g/s, kg/s hoặc kg/ngày, T/tháng α: tỷ lệ thời gian có gió nằm trong góc cung 450 về... K y K z ) 4τ 2 2 x2 y z + + ( K ) ( K ) ( K ) y z x [3.4] Trong các công thức trên: Q- là tải lượng phát thải chất ô nhiễm tại nguồn điểm tức thời , (g/s) 4.2 MỘT SỐ CÔNG THỨC TÍNH TOÁN KHUẾCH TÁN a Công thức của Bosanquet và Pearson (1936) Công thức xác đònh nồng độ chất ô nhiễm trên mặt đất của Bosanquet và Pearson có dạng như sau [Ara pollection Hangbook]: C ( x, y ) = ... “lát” khói có bề dày 1m theo chiều x và các chiều y, z là vô cực khi các “lát “ khói chuyển động cùng với vận tốc gió u thì thời gian để từng lát đi qua khỏi ống khói là m.u-1 và do đó lượng chất ô nhiễm chứa trong “lát” khói sẽ là u Q = Μ.x.u-1 Công thức cơ sở của mô hình lan truyền chất ô nhiễm theo luật phân phối chuẩn Gauss mà người ta quen gọi tắt là “mô hình Gauss” cơ sở 2 y M C = exp− ... Ô NHIỄM a Lý thuyết khuếch tán chất ô nhiễm (dạng khí dạng lơ lửng) khí Hình 1: Phát tán chất ô nhiễm theo chiều gió 4.1 PHƯƠNG TRÌNH PHÁT TÁN CHẤT Ô NHIỄM b Các phương trình khuếch tán chiều,...CÁC Q TRÌNH BIẾN ĐỔI CÁC PHẢN ỨNG HĨA HỌC Q TRÌNH SA LẮNG KHƠ Q TRÌNH SA LẮNG ƯỚT Các phản ứng hóa học Các chất nhiêm có khơng khí tham gia phản ứng chất sơ cấp với sơ cấp với thứ cấp Các. .. dòng vật chất chuyển động trung bình Kỹ thuật đề xuất phương pháp để đo sa lắng SO2 4.1 PHƯƠNG TRÌNH PHÁT TÁN CHẤT Ô NHIỄM a Lý thuyết khuếch tán chất ô nhiễm (dạng khí dạng lơ lửng) khí Phương