2. KHÍ QUYỂN VĂ SỰ Ô NHIỄM KHÍ QUYỂN 16
2.4.1. Sulfua dioxit (SO2) 26
Sulfua dioxit lă chất khí có mùi khó chịu, có thể phât hiện được ở nồng độ khoảng 1 ppm. Điều đâng lưu ý lă khi nồng độ của khí năy vượt trín 3 ppm thì khả năng phât hiện mùi của khứu giâc sẽ nhanh chóng bị mất đi.
Nồng độ của SO2 trong tầng đối lưu biến động từ khoảng 1 ppb (ở xa câc vùng công nghiệp) đến khoảng 2 ppm (ở câc vùng bị ô nhiễm nặng). Ở khu đô thị vă khu công nghiệp nồng độ SO2 thường văo khoảng 0,1 đến 0,5 ppm, vùng nông thôn (bắc bân cầu) văo khoảng 30 ppb. Hoạt động núi lửa (đóng góp khoảng 67% lượng SO2 trín toăn cầu) vă hoạt động sinh học lă nguồn tự nhiín tạo ra SO2. Câc vi sinh vật thường tham gia quâ trình chuyển hóa câc chất có chứa lưu huỳnh tạo thănh H2S, (CH3)2S, câc chất năy sau đó bị oxy hóa nhanh trong không khí tạo thănh SO2. Câc nguồn tự nhiín hằng năm đưa văo khí quyển khoảng 2,3 × 1012 mol lưu huỳnh, tạo ra nồng độ nền của SO2 trong khí quyển nhỏ hơn 1 ppb.
Hằng năm, lượng SO2 phât sinh do câc nguồn nhđn tạo tương đương 1,6 × 1012 mol lưu huỳnh. SO2 sinh ra do đốt nhiín liệu hóa thạch có chứa lưu huỳnh, chủ yếu lă than đâ để sản xuất điện, luyện quặng sulfua kim loại...
Do có thời gian lưu thấp, nín SO2 ít có cơ hội xđm nhập văo tầng bình lưu. Tuy nhiín, một số hiện tượng tự nhiín (ví dụ núi lửa) đê đưa một lượng khí năy văo tầng bình lưu. Ở tầng năy SO2 sẽ bị oxy hóa tạo thănh câc hạt H2SO4, đđy được xem lă quâ trình tự nhiín lăm suy giảm tầng ozon.
Do lượng SO2được phât thải không đều (khoảng hơn 90% nguồn thải ở Bắc Mỹ, chđu Đu, Ấn Độ, Cực Đông) vă thời gian lưu ngắn trong khí quyển, nín ô nhiễm khí SO2 thường chỉ xảy ra ở từng khu vực mă không mang tính toăn cầu.
Có hai quâ trình sink chính của SO2 trong tầng đối lưu: hấp thụ lín câc bề mặt khô hoặc ướt (dry deposition) vă bị oxy hóa trong khí quyển thănh SO3 hay H2SO4. Câc chất ô nhiễm thứ cấp năy tạo ra mưa axit (wet deposition). Do đó, SO2 có thời gian lưu trong tầng đối lưu rất thấp (Bảng 2.3).
Bảng 2.4. Một sốảnh hưởng của SO2đối với con người [7]
Nồng độ (ppm) Thời gian tiếp xúc Ảnh hưởng
0,03 − 0,5 liín tục Viím cuống phổi
0,3 − 1 20 giđy Thay đổi hoạt động của nêo
0,5 − 1,4 1 phút Ngửi thấy mùi 0,3 − 1,5 15 phút Tăng độ nhạy thị giâc 1 − 5 30 phút Ngạt thở, mất khả năng khứu giâc 1,6 − 5 > 6 giờ Co đường hô hấp (khí quản, phổi) 5 − 20 > 6 giờ Tổn thương phổi có thể hồi phục >20 > 6 giờ Phù phổi nước, tí liệt, chết
SO2 lă chất khí độc với động vật, nó có khả năng gđy kích thích đường hô hấp, khó thở, đau khí quản vă bệnh phổi mạn tính. Tiếp xúc với không khí bị ô nhiễm SO2 nặng trong thời gian ngắn cũng đê có thể gđy hại cho sức khỏe. SO2 thường có mặt đồng thời với một số câc tâc nhđn gđy ô nhiễm không khí khâc vă thường có xu hướng gđy ra hiệu ứng tương tâc synergism với câc chất gđy ô nhiễm khâc. Người ta thấy rằng, khi có mặt câc hạt bụi lơ lửng, thì tỷ lệ mắc bệnh đường hô hấp do không khí bị ô nhiễm SO2 tăng lín, ngay cả khi nồng độ của SO2 chỉ văo khoảng 30 ppb.
SO2 cũng gđy hại lín thực vật, mức độ nhạy cảm của câc loại cđy khâc nhau với khí năy thường lă khâc nhau. Trong trường hợp tiếp xúc với không khí bị ô nhiễm SO2 nặng, lâ cđy có thể bị bạc mău vă chết, nhẹ hơn có thể gđy chậm phât triển mă không gđy tổn thương cụ thể. Người ta đê thấy có sự suy giảm tốc độ phât triển của câc đồng cỏ, ngay ở nồng độ SO2 thấp khoảng 60 ppb.
Mặt khâc, SO2 cũng mang lại một số lợi ích, nó cung cấp dinh dưỡng cho thực vật, lă nguồn nguyín tố vi lượng lưu huỳnh của thực vật. Người ta thấy rằng, thông thường ở gần câc vùng công nghiệp thì đất trồng không cần bón phđn sulfat, ngay cả khi canh tâc liín tục quanh năm.
Hiện nay có 4 hướng chủ yếu để hạn chế phât thải SO2:
− Xử lý loại SO2 khỏi khí thải;
− Loại lưu huỳnh khỏi nhiín liệu trước khi đốt;
− Sử dụng loại nhiín liệu chứa ít lưu huỳnh;
− Thay thế việc đốt nhiín liệu (chủ yếu lă nguyín liệu hóa thạch) bằng câc nguồn năng lượng khâc.
Phần đọc thím: Quâ trình oxy hóa SO2 trong tầng đối lưu
Trong tầng đối lưu, SO2 bị oxy hóa một câch nhanh chóng tạo thănh câc chất gđy ô nhiễm thứ cấp rất nguy hiểm lă H2SO4 vă SO3. Quâ trình oxy hóa năy rất phức tạp vă hiện nay bản chất hóa học chi tiết của nó vẫn đang còn gđy nhiều tranh cêi, nhưng câc nhă hóa học đê phât hiện được ba nhóm cơ chế khâc nhau liín quan đến quâ trình năy. Một trong số câc cơ chế đê níu lă cơ chế oxy hóa dị thể, hai cơ chế còn lại lă hai cơ
chế oxy hóa đồng thể (oxy hóa trong pha khí vă oxy hóa trong pha lỏng).
− Oxy hóa dị thể:
Phản ứng oxy hóa SO2 trong pha khí:
2SO2 (k) + O2 (k) → 2SO3 (k) (a) khi có mặt nước sẽ xảy ra phản ứng sau:
SO3 (k) + H2O(l) → H2SO4 (dd) (b)
trong điều kiện không khí khô vă sạch, ở nhiệt độ thường của tầng đối lưu, phản ứng (a) xảy ra rất chậm, do đó đóng góp không đâng kể văo quâ trình oxy hóa SO2. Bề mặt câc hạt bụi trong không khí như hạt tro bay, muội than,…có thể xúc tâc cho phản ứng oxy hóa năy. Hơi ẩm trong không khí tạo thănh một lớp măng mỏng bao bọc quanh bề mặt của câc hạt bụi có thể lăm tăng tốc độ phản ứng oxy hóa nói trín. Lớp măng nước mỏng năy tạo điều kiện cho phản ứng (b) xảy ra, đồng thời hòa tan lớp sulfat tạo thănh, ngăn cản tình trạng lăm bêo hòa câc trung tđm xúc tâc trín bề mặt.
Quâ trình năy có thể xảy ra đâng kể gần câc nguồn phât thải, nơi mật độ câc hạt bụi trong không khí rất cao.
− Oxy hóa đồng thể trong pha khí:
Phản ứng oxy hóa SO2 trong pha khí đâng lưu ý nhất lă phản ứng của gốc tự do hydroxyl (OH). Phản ứng đầu tiín tạo ra gốc HOSO2:
OH + SO2 + M → HOSO2 + M (c)
(M lă cấu tử thứ 3 (phđn tử hay bề mặt chất rắn) cần có mặt để hấp thụ năng lượng thoât ra khi tạo thănh liín kết mới, lăm bền hóa sản phẩm).
Sau đó, HOSO2 bị oxy hóa tiếp tạo thănh H2SO4. Cơ chế của phản ứng năy chưa
được biết đầy đủ, có thểđê có câc phản ứng sau xảy ra:
HOSO2 + H2O → HOSO2.H2O (d) HOSO2.H2O + O2 → H2SO4 + HO2 (e)
trong không khí bị ô nhiễm, HO2 có thể phản ứng với NO tâi tạo gốc OH, do đó lăm quâ trình tiếp diễn mêi:
− Oxy hóa đồng thể trong pha nước:
Trong nước, cđn bằng sau sẽđược thiết lập:
SO2 (n) + H2O (l) ⇌ H2SO3 (n) (g) H2SO3 (n) ⇌ HSO3−(n) + H+(n) (h)
HSO3−(n) ⇌ SO32− + H+(n) (i)
Một số chất oxy hóa có mặt trong tầng đối lưu có thể chuyển lưu huỳnh (IV) thănh axit sulfuric với tốc độ khâ nhanh. Câc chất oxy hóa đó lă O3, H2O2, NO2 . Ví dụđối với H2O2, phản ứng xảy ra như sau:
H2O2 (n) + SO2 (n) → H2SO4 (n) (k)
muối sắt vă câc kim loại chuyển tiếp có nhiều mức oxy hóa xúc tâc cho phản ứng năy. H2O2 sử dụng cho phản ứng năy có thể xuất phât từ không khí hòa tan văo nước hay tự
sinh ra trong nước do phản ứng tự phđn tích của HO2:
2HO2 + M → O2 + H2O2 + M (l)
Cho đến nay, người ta chưa biết được trong điều kiện không khí như thế năo thì quâ trình năo trong số 3 quâ trình trín sẽ chiếm ưu thế.