KHÓI MÙ QUANG HÓA I. ĐỊNH NGHĨA: Khói mù quang hóa được gọi dưới tên “smog” sương khói (ghép hai từ tiếng Anh fog sương mù và smoke khói). Theo đó, smog được định nghĩa là lớp mù quang hóa gây ra bởi sự tương tác giữa bức xạ cực tím của mặt trời và bầu khí quyển bị ô nhiễm bởi các hydrocarbon và oxit nitrogen thoát ra từ khí thải động cơ”. Khói mù quang hóa là một dạng ô nhiễm không khí sinh ra khi ánh sáng mặt trời tác dụng lên khí thải động cơ xe máy, khí thải công nghiệp... để hình thành nên những vật chất như ozone, aldehit và peroxyacetylnitrate (PAN). Khói mù quang hóa xảy ra ở tầng đối lưu của khí quyển – nơi tập trung phần lớn các chất khí gây ô nhiễm : NOx, các hợp chất VOCs (Volatile Organic Compounds) … II. THÀNH PHẦN VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH: Dựa vào các nghiên cứu, người ta đã có thể kết luận rằng khói mù quang hóa được tổng hợp từ NO, NO2, HNO3, CO, các nitrat hữu cơ (PAN), O3, các chất hữu cơ bay hơi(VOCs) và các chất oxy hóa quang hóa. Vì thế cơ chế hình thành nên khói mù quang hóa cũng là cơ chế hình thành nên các hợp chất trên, đồng thời đó là các điều kiện khiến các hợp chất này có thể tồn tại trong khí quyển. Sự quang phân của NO2 khởi đầu cho sự hình thành khói mù quang hóa. NO2 + hv → NO + O Nguyên tử oxy được giải phóng phản ứng với phân tử O2 để tạo ra ozon O + O2 + M → O3 + M Ozon sinh ra phản ứng với phân tử NO để tái sản sinh ra NO2 và phân tử O2. NO + O3 → NO2 + O2 NO2, O2 và hydrocarbons phản ứng với nhau dưới điều kiện ánh sáng mặt trời tạo peroxyacetylnitrate(CH3COOONO2) PAN NO2 + O2 + hydrocarbons → CH3COOONO2 Nhưng việc thải ra một lượng lớn NOx, CO, các hợp chất carbonyl và các hydrocarbon bởi các nguồn nhân tạo đã phá vỡ chu trình quang phân chu trình không làm cho nồng độ của NO2 và O3 trong không khí tăng lên nếu như không bị phá vỡ. CO và hydrocarbons, thông qua phản ứng của chúng với các gốc hydroxyl thêm vào đó là sự quang phân của các hợp chất carbonyl, phá hủy chu trình quang phân thông thường thông qua việc hình thành các gốc peroxyl. Các gốc peroxyl này ngăn chặn phản ứng giữa O3 và NO, vì vậy làm kết thúc chu trình và làm tích tụ O3 trong không khí.
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÀI TIỂU LUẬN MÔN: HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG ĐỀ TÀI: KHÓI MÙ QUANG HÓA Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Mã số SV: NGUYỄN BÁ ÁI TRẦN QUANG TẠO 2205150151 Tp.HCM, tháng năm 2016 KHÓI MÙ QUANG HÓA MỤC LỤC KHÓI MÙ QUANG HÓA I ĐỊNH NGHĨA: KHÓI MÙ QUANG HÓA - Khói mù quang hóa gọi tên “smog” - sương khói (ghép hai từ tiếng Anh fog - sương mù smoke - khói) Theo đó, smog định nghĩa "lớp mù quang hóa gây tương tác giữa xạ cực tím mặt trời bầu khí bị ô nhiễm hydrocarbon oxit nitrogen thoát từ khí thải động cơ” - Khói mù quang hóa dạng ô nhiễm không khí sinh ánh sáng mặt trời tác dụng lên khí thải động xe máy, khí thải công nghiệp để hình thành nên vật chất ozone, aldehit peroxyacetylnitrate (PAN) - Khói mù quang hóa xảy tầng đối lưu khí – nơi tập trung phần lớn chất khí gây ô nhiễm : NOx, hợp chất VOCs (Volatile Organic Compounds) … II THÀNH PHẦN VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH: - Dựa vào nghiên cứu, người ta kết luận khói mù quang hóa tổng hợp từ NO, NO2, HNO3, CO, nitrat hữu (PAN), O 3, chất hữu bay hơi(VOCs) chất oxy hóa quang hóa Vì chế hình thành nên khói mù quang hóa chế hình thành nên hợp chất trên, đồng thời điều kiện khiến hợp chất tồn khí - Sự quang phân NO2 khởi đầu cho hình thành khói mù quang hóa NO2 + hv → NO + O - Nguyên tử oxy giải phóng phản ứng với phân tử O2 để tạo ozon O + O2 + M → O3 + M - Ozon sinh phản ứng với phân tử NO để tái sản sinh NO phân tử O2 NO + O3 → NO2 + O2 - NO2, O2 hydrocarbons phản ứng với điều kiện ánh sáng mặt trời tạo peroxyacetylnitrate(CH3CO-OO-NO2) - PAN NO2 + O2 + hydrocarbons → CH3CO-OO-NO2 - Nhưng việc thải lượng lớn NOx, CO, hợp chất carbonyl hydrocarbon nguồn nhân tạo phá vỡ chu trình quang phân- chu trình không làm cho nồng độ NO2 O3 không khí tăng lên không bị phá vỡ CO hydrocarbons, thông qua phản ứng chúng với gốc hydroxyl thêm vào quang phân hợp chất carbonyl, phá hủy chu trình quang phân thông thường thông KHÓI MÙ QUANG HÓA qua việc hình thành gốc peroxyl Các gốc peroxyl ngăn chặn phản ứng O NO, làm kết thúc chu trình làm tích tụ O3 không khí Hình 2.1: Mô trình hình thành khói mù quang hóa * Các phản ứng xảy trình hình thành khói mù quang hóa: a Phản ứng tạo gốc hydroxyl: + Các gốc hydroxyl xuất không khí xuất nước phản ứng sau: O3 + hv → O + O2 (λ < 315nm) O + H2O → 2OH+ Sự hình thành OH đánh dấu bắt đầu chuỗi phản ứng phức tạp khí b Phản ứng OH với carbon monoxide(CO): + OH phản ứng với CO để tạo thành CO2 H (gốc hydro tự linh động) Gốc hydro tự nhanh chóng phản ứng với O2 không khí để tạo HO2 ( gốc hydroxyl ) CO + OH- → CO2 + HH- + O2 + M → HO2- + M ( M phân tử thứ ba để thu nhận lượng thừa ) + HO2 sau phản ứng với NO để sinh OH v NO2 HO2- + NO → NO2 + OH- KHÓI MÙ QUANG HÓA + NO2 sinh hấp thụ lượng từ mặt trời lại quang phân để sinh NO O O3 + Vì OH CO tiếp tục tái thiết lại NO thông qua việc sản sinh O3 tích tụ O3 không khí + Sự hình thành O3 diễn hai chu trình quang phân bị phá vỡ không bị phá vỡ chịu chi phối yếu tố thay đổi bóng mây, vị trí mặt trời ngày thời gian ( ngày, đêm ) c Phản ứng OH- với hợp chất carbonyl: + Trong hợp chất carbonyl anđehit xeton, OH phản ứng với chúng, tách nguyên tử hidro khỏi nhóm carbonyl, tạo thành nước: RCHO + OH- → RC(O)- + H2O RC(O)R’ + OH- → RO(O)CH( )R” + H2O + R’’ R’ với H bị tách Gốc aldocarboxyl R(CO)- hay gốc ketocarbonyl RO(O)CH(-)R’’ hình thành linh động tạo thành gốc acyl Gốc acyl sinh cách nhanh chóng, phản ứng với O không khí để tạo thành gốc peroxyl RC(O)O2 hay RC(O)CH(O2 )R’’ Các gốc peroxyl phản ứng với NO để tái sản sinh NO2 thông qua phản ứng với O3 mà aldocarbonylperoxyl RC(O)O2 ketocarbonylperoxyl RC(O)CH(O2 )R’’ RC(O)- + O2 → NO2 + RC(O)O2 RC(O)O2 + NO → NO2 + RC(O)ORC(O)CH(-)R” + O2 → RC(O)CH(O2)R” RC(O)CH(O2)R” + NO → NO2 + RC(O)CH(O)R” + Điều dẫn đến việc tích tụ O3 nhiều không khí Hơn nữa, RC(O)O- hay RC(O)CH(O )R’’ tạo gốc tự phản ứng vói phân tử O để tạo gốc alkylperoxyl RO2 hay RC(O)O2 CO2 RC(O)O- + O2 → RO2 + CO2 RC(O)CH(O)R” + O2 → RC(O)O2 +R”C(O)H + Gốc RO2 hay RC(O)O2 lại tái hình thành NO2 thông qua phản ứng với NO, NO lại hình thành nên gốc alkyloxy, gốc alkyloxy đến lượt lại phản ứng với O để làm tăng aldehyde HO2RO2 + NO → NO2 + RO R(O)O2 + NO → NO2 +RC(O)O- KHÓI MÙ QUANG HÓA + Điều lại khởi đầu chuỗi phản ứng mà xảy hình thành sản phẩm trung gian HCHO HCHO lại phản ứng với OH , sinh HC(O) H 2O HC(O) phản ứng tiếp với O2 cho HO2 HCHO + OH- → HC(O)- + H2O HCO- + O2 → CO + HO2+ Điều lại dẫn đến tích tụ ozon khí nhiều tái hình thành OH Nếu OH lặp lại chu trình với alđêhit khác đến cuối chu trình việc sản sinh axit nitric HNO Gốc aldocarbonylperoxyl tham gia phản ứng cuối vói NO2 để tạo thành nitrate OH- + NO2 → NHO3 RC(O)O2- + NO2 → RC(O)O2NO2 + Nếu R phản ứng gốc metyl, sản phẩm cuối peroxyacetylnitrate, hợp chất độc d Phản ứng OH với hydrocarbon: + Gốc hydroxyl tự nhận nguyên tử hidro phản ứng với alkane để hình thành H2O gốc tự gốc alkyl, gốc alkyl phản ứng với phân tử O để hình thành gốc alkyloperoxy RH + OH- → R- + H2O R- + O2 → RO2+ Sau đó, RO2- phản ứng với gốc peroxyl phá hủy chu trình quang phân thông thường e Sự quang phân hợp chất carbonyl: + Các hợp chất carbonyl tự chúng hấp thụ luợng từ ánh sáng mặt trời thông qua phản ứng quang phân RCHO + hv → R- + HC(O)RC(O)R’ + hv → R- + R’CO+ Các gốc sinh tham gia phản ứng trình bày gây tích tụ ozon không khí KHÓI MÙ QUANG HÓA Sơ đồ tóm tắt các phản ứng xảy sương mù quang hóa: Step1: O3 + hv + H2O → 2OH- + O2 Step2: 2OH- + 2R-H + 2O2 → RO2- + 2H2O Step3: 2RO2- + 2NO → 2NO2 + 2ROStep4: 2NO2 + hv → 2NO + 2O Step5: 2O2 + 2O → 2O3 III CÁC ĐIỀU KIỆN HÌNH THÀNH KHÓI MÙ QUANG HÓA: KHÓI MÙ QUANG HÓA * Các chất gây khói mù quang hóa: - Phải có nguồn tạo nitơ oxit (NOx) hợp chất hữu dễ bay (VOCs) (VOCs "những chất hóa học phản ứng với nitơ oxit khí quyển, tác dụng tia cực tím (của ánh nắng) tạo thành sương mù, có chứa ozon (O3), alđehyt, peoxyt axetyl nitrat lượng nhỏ chất oxy hóa) - Phản ứng quang hóa học tác dụng nitơ oxit phân hủy dung môi hữu tạo tác nhân oxy hóa: VOCs + ánh sáng + NO2 + O2→ O3 + NO + CO2 + H2 - Nồng độ cao hai chất không khí có liên quan đến trình công nghiệp hóa trình vận chuyển * Thời gian ngày: - Thời gian ngày yếu tố quan trọng lượng sương mù quang hóa xuất hiện: + Vào lúc sáng sớm, giao thông làm tăng lượng thải oxit nitơ VOCs lái xe làm + Vào khoảng buổi sáng, lượng xe cộ lưu thông giảm, oxit nitơ VOCs bắt đầu phản ứng hình thành NO2, làm tăng nồng độ + Khi mà ánh sáng mặt trời trở nên gắt vào lúc trưa, NO bị phá vỡ sản phẩm phụ sinh làm tăng nồng độ O không khí Cùng lúc đó, số phân tử NO2 sinh phản ứng với hợp chất hữu dễ bay để sinh hóa chất độc hại PAN (Peroxyacyl nitrate) + Khi mặt trời lặn, việc sản sinh O tạm thời ngừng lại Lượng O3 tồn không khí tiêu thụ vài phản ứng khác * Một vài yếu tố khí tượng : - Mưa làm giảm bớt sương mù quang hóa chất ô nhiễm rửa trôi khỏi không khí với nước mưa - Gió thổi sương mù quang hóa thay không khí lành Tuy nhiên, lượng chất ô nhiễm bị thổi gây ô nhiễm khu vực xa KHÓI MÙ QUANG HÓA - Hiện tượng đảo nhiệt làm tăng nghiêm trọng khói mù quang hóa Thông thường ngày, không khí gần bề mặt bị đốt nóng bốc lên cao mang theo chất ô nhiễm lên độ cao cao Tuy nhiên, đảo nhiệt phát triển chất ô nhiễm bị giữ lại gần bề mặt trái đất Các trình đảo nhiệt gây suy giảm trộn lẫn không khí làm giảm phân tán chất ô nhiễm theo chiều thẳng đứng Các trình đảo nhiệt kéo dài từ vài ngày đến vài tuần *Địa hình: - Địa hình yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến mức độ nghiêm trọng tượng khói mù quang hóa Các khu vực dân cư tập trung thung lũng dễ bị ảnh hưởng khói mù quang hóa đồi núi bao quanh họ có khuynh hướng làm giảm dòng không khí làm tăng nồng độ chất gây ô nhiễm Thêm vào đó, thung lũng thường nhạy cảm với khói mù quang hóa đảo nhiệt tương đối mạnh phát triển thường xuyên khu vực IV • TÍNH CHẤT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA KHÓI MÙ QUANG HÓA Tác động lên sức khỏe người: - Khói mù quang hóa đặc trưng bỏi hàm lượng O cao không khí Nồng độ ozon thấp tầng không khí gần mặt đất làm cay mắt, mũi cổ họng Khi sương mù tăng lên, gây nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng như: - Hen xuyễn, viêm phế quản, ho tức ngực - Làm tăng nhạy cảm lây nhiễm đường hô hấp - Làm giảm chức phổi - Ôxy chất khí trì sống (nếu khí thở có 15% ôxy thể chết ngạt), ôzôn lại khí độc hại Ôzôn gây phù phổi nặng, làm co thắt tê liệt đường hô hấp khiến người bệnh phản ứng có dị vật lọt vào Vì vậy, tiếp xúc lâu dài với ôzôn có nguy bị tích tụ dị vật phế quản phổi, điều kiện có khả dẫn đến ung thư - Việc tiếp xúc với sương mù quang hóa thời gian dài chí gây tổn thương mô phổi, gây sớm lão hóa phổi, góp phần gây bệnh phổi mãn tính - Các Peroxyacetylnitrate chất oxi hóa khác với ozone chất kích thích mắt mạnh • Tác động lên thực vật lọai vật chất - Các trồng loài thực vật nhạy cảm khác bị gây hại nhiều sức khỏe nguời nồng độ ozon thấp Một vài loại thuốc lá, rau bina, cà chua đậu đốm lọai nhạy cảm với ozon Những khu vực có khói mù quang hóa xuất đốm màu nâu bề mặt sau chuyển sang màu KHÓI MÙ QUANG HÓA vàng Lớp ozon tầng mặt đất hủy họai cây, làm giảm phát triển, khả sinh sản trình sinh sản Nó gây khả tự vệ trước lọai côn trùng bệnh tật chí gây chết - Đối với loại vật liệu: ozon dễ dàng phản ứng với loại vật liệu hữu cơ, làm tăng hủy họai cao su, tơ sợi, nilong, sơn thuốc nhuộm V ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ: - Giảm khí thải từ động : + Thiết bị chuyển đổi-xúc tác (catalytic converters) ống bô xe cách để giảm lượng CO NO sinh Chất xúc tác sử dụng Platin hợp chất Platin Rodi • Platin xúc tác cho phản ứng hidrocacbon chưa cháy hết( ví dụ pentan) ozy để sinh CO2 nước: C5H12 (pentane) + 8O2 (platinum catalyst) → 5CO2 + 6H2O • Rôđi xúc tác cho phản ứng CO NO để hình thành nên CO N2: 2CO + 2NO rhodium catalyst → 2CO2 + N2 + Giảm khí thải từ nhà máy: Các nhà máy phải có hệ thống xử lý khí thải đạt tiêu chuẩn, ống khói phải đủ độ cao + Phải tìm kiếm khuyến khích việc sử dụng nguồn lượng + Đối với quốc gia tổ chức quốc tế: Cần có luật định, hiệp ứơc qui định cụ thể vấn đề - Để giảm bớt hình thành khói mù quang hóa cần thiết phải kiểm soát nguồn thải chất ô nhiễm sơ cấp như: NO VOCs không khí Đó vấn đề phức tạp giải cách dễ dàng Nó đòi hỏi phải có hợp tác phủ, khu công nghiệp cá nhân * Kiểm soát VOCs: - Nồng độ VOCs cao ( >500 ppm): phương pháp thường sử dụng phổ biến với hàm lượng VOCs cao là: + Phương pháp ngưng tụ đông lạnh có nghĩa sư ngưng tụ xảy nhiệt độ xấp xỉ âm 80oC + Phương pháp hấp thụ dung môi hòa tan ứng dụng phổ biến nơi mà VOCs làm cho bong bóng thông qua dung môi hữu có khả tiếp nhận VOCs dạng dòng khí + Phương pháp flaring( pp đốt ) sử dụng để xử lí lưu lượng nồng độ cao chất hữu dễ bay thường kèm với biện pháp thu hồi khác 10 KHÓI MÙ QUANG HÓA - Nồng độ VOCs vừa phải (100-500 ppm): Đối với nồng độ VOCs vừa phải nguồn thải, phương pháp hấp thụ carbon tái sinh hay đốt cháy hòan tòan sử dụng - Nồng độ VOCs thấp (