II. Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ
2.1.2. Các chất khí gây ô nhiễm
a. Các hợp chất chứa lưu huỳnh
(1) Các oxit lưu huỳnh (SOx)
SOx bao gồm 6 hợp chất khác nhau của lưu huỳnh, đó là: SO (lưu huỳnh monoxit); SO2 (lưu huỳnhdioxit), SO3 (lưu huỳnh trioxit), SO4 (lưu huỳnh tetroxit), S2O3 (lưu huỳnh seskioxit) S2O7 (lưu huỳnh heptoxit), trong đó SO2 và SO3 là hai oxit quan trọng, đại diện cho nhóm các oxit lưu huỳnh SOx.
*) Nguồn gốc: Ôxít lưu huỳnh (chủ yếu SO2) có thể sinh ra từ quá trình tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong tự nhiên,
SO2 có trong thành phần các sản phẩm của núi lửa khi phun. Nguồn nhân tạo, SO2 là sản phẩm chủ yếu của quá trình đốt cháy các nhiên liệu có chứa lưu huỳnh trong sản xuất và trong sinh hoạt. Ngoài ra, SO2 còn phát sinh do nung và luyện pirit sắt, quặng lưu huỳnh, do các quá trình trong các phân xưởng rèn đúc, nhiệt luyện và cán thuộc ngành công nghiệp luyện kim, các quá trình hóa học sản xuất H2SO4, sản xuất sunfit, tẩy len, sợi, tơ lụa,
trùng hợp, dùng khí SO2 như phương tiện sát trùng, trong máy lạnh, lọc sản phẩm cao su, phân bón, sản xuất khí lò cao, lò cốc ...
Lưu huỳnh có trong nhiên liệu như than đá, dầu lửa (hàm lượng nhiều nhất của nó là trong than, có khi đến đến 8%). Nếu hàm lượng S trong than 4% thì lượng SO2 trong khói chiếm 0,35%; hàm lượng S trong mazut 2% thì lượng SO2 trong khói 0,31%. Khí thải từ nồi hơi đốt than không xử lý chứa 500 – 5000 ppm hàm lượng SO2. Khi nung quặng S, khói thải có thể chứa 8% SO2. Các nhà máy điện đốt than sinh khoảng 60% tổng SOx trong khí quyển; đốt dầu là 14%; và các quá trình công nghiệp xấp xỉ 22%.
*) Tính chất
+ Lưu huỳnh dioxit (SO2)
Lưu huỳnh dioxit SO2 còn gọi anhydrit sunfurơ, là chất khí không màu, có mùi hắc và vị cay, khó cháy – nổ. SO2 oxi hóa chậm trong không khí sạch tạo thành SO3 và hòa tan trong nước (11,3 g/ 100ml ở 20oC) thành dung dịch H2SO4 yếu. Trong không khí bị ô nhiễm (ẩm và sương mù) SO2 tham gia phản ứng hóa học hay xúc tác với các chất ô nhiễm khác hoặc các thành phần khác của không khí bình thường tạo thành SO3, H2SO4 và muối của H2SO4 (dạng sol khí). SO2 cũng có thể được hấp thụ trong các hạt như muối sắt, magie, vanidi có trong không khí, thấm sâu vào các hạt này.
+ Lưu huỳnh trioxit (SO3)
SO3 thường phát thải cùng với SO2 trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, với tỷ lệ chiếm khoảng 1-5% so với SO2 và trong điều kiện không khí ẩm SO3 kết hợp nhanh với hơi ẩm trong khí quyển tạo thành H2SO4.
Cả SO2 và SO3 đều được rửa nhanh trong khí quyển nhờ mưa hoặc lắng như sol khí. Đó là lý do tại sao lượng SO2 trong khí quyển sạch nhỏ hơn nhiều so với lượng phát thải hàng năm do các nguồn thải nhân tạo.
* Tác hại:
Đối với người và động vật: SO2 là chất khí độc. Nó tác động mạnh nhất lên cơ quan hô hấp của người và
động vật. Nó kích thích niêm mạc của mắt và tuyến hô hấp trên, làm sưng tấy và tiết nước nhầy, gây ho. Khi hàm lượng thấp, SO2 làm sưng niêm mạc, hàm lượng cao (>0,5 mg/m3) SO2 gây tức thở, ho viêm loét đường hô hấp. Khi có mặt đồng thời SO2 và SO3 chỉ cần ở nồng độ thấp chúng cũng sẽ có tác động hợp lực, phản ứng sinh lý phát sinh mạnh hơn so với phản ứng của từng chất khí riêng biệt, thậm chí co thắt phế quản mạnh và ở nồng độ cao có thể dẫn đến nguy hiểm chết người. Tác động của SO2 đối với cơ thể con người ở các nồng độ khác nhau như bảng 1.3
Bảng 1.3 : Tác động của SO2 đối với cơ thể con người Nồng độ (ppm) Tác động
0,2 Nồng độ ở mức thấp nhất gây cơ thể phản ứng 0,3 Ngưỡng nhận biết vị
0,5 Ngưỡng nhận biết mùi
1,6 Ngưỡng cảm ứng nghịch
8-12 Kích thích làm sưng tấy cổ họng
Đối với thực vật: SO2 là một trong số các chất ô nhiễm gây thảm họa nhất đối với thực vật, đặc biệt là cây
lá kim (tùng, bách). SO2 xâm nhập vào các lỗ khí khổng trên lá, phá hủy các mô tế bào đặc biệt là diệp lục, làm cho sự quang hợp bị phá vỡ; ở nồng độ cao làm rụng lá, cây chết dần.
Bảng 1.4 : Tác dụng của SO2 với thực vật Nồng độ (mg/m3) Tác động
1,04 – 1,82 Thực vật mẫn cảm với thương tích 1,82 – 5,2 Thực vật bị ngộ độc mãn tính
5,2 – 26 Thực vật (đặc biệt là cây lá kim) bị ngộ độc cấp tính >26 Cây lá kim chết trong vài giờ
(Nguồn Molchanov A.A)
Hàm lượng lớn SO2, SO3 trong khí quyển gây mưa axit làm phá hủy nhà cửa cầu cống và các công trình xây dựng…
(2) Khí sunfuahydro (H2S) * Nguồn gốc
Khí sunfuahydro (H2S) xuất hiện trong khí thải của các quá trình sử dụng nhiên liệu hữu cơ chứa sunfua, các quá trình tinh chế dầu mỏ, các quá trình tái sinh sợi hoặc ở khu vực chế biến thực phẩm, rác thải của thành phố do các chất hữu cơ bị thối rữa dưới tác dụng của vi khuẩn, quá trình phân hủy yếm khí trong các đầm lầy.
* Tính chất
Khí sulfu hydro (H2S) là một chất khí độc hại, không màu sắc nhưng có mùi trứng thối rất khó chịu, có thể nhận biết được mùi ở nồng độ rất nhỏ (< 1ppb), có tỷ trọng d=1,19; nhiệt độ sôi Ts = - 60,2oC; với nồng độ vào khoảng 40,3 – 45,5 % thể tích không khí thì hỗn hợp sẽ nổ khi có tia lửa. H2S không tồn tại lâu trong khí quyển, nó bị oxy hóa nhanh chóng thành các sulfat có độc tính thấp hơn.
* Tác hại:
Đối với người và động vật: H2S là độc tố rất có hại đối với thần kinh con người. Ở nồng độ thấp, H2S có
tác động lên mắt và đường hô hấp, ở nồng độ (~ 5ppm) H2S gây nhức đầu, khó chịu. Ở nồng độ cao (>150 ppm) có thể gây tổn thương màng nhày của các cơ quan hô hấp. Ở nồng độ cao hơn (~ 500ppm) H2S gây ỉa chảy, viêm phổi, và khi đạt đến nồng độ 700 – 900 ppm và lớn hơn, H2S nhanh chóng xuyên màng túi phổi và thâm nhập vào mạnh máu, có thể gây tử vong. Khi bị ngộ độc mãn tính bởi H2S hệ thần kinh và tim mạch, cơ quan tiêu hóa, cơ quan hô hấp bị rối loạn.
Đối với thực vật: H2S làm tổn thương lá cây, làm rụng lá và giảm sinh trưởng.
b. Các hợp chất chứa Nitơ
(1) Các ôxít nitơ (NOx) * Nguồn gốc:
Các oxit nitơ NOx: N2O, NO, N2O4, NO2, N2O5… là sản phẩm của quá trình đốt nhiên liệu ở nhiệt độ cao, quá trình oxy hóa nitơ trong khí quyển do tia sét, núi lửa…, các quá trình phân hủy của vi sinh vật và các quá trình sản xuất hóa học có sử dụng các hợp chất nitơ…Hàng năm có khoảng 48 triệu tấn NOx do các hoạt động của con người sinh ra. Trong các oxit nitơ, khí gây ô nhiễm quan trọng nhất là NO và NO2
NO được tạo thành với quy mô lớn do cháy nhiên liệu không hoàn toàn ở nhiệt độ cao, ngoài ra NO còn được sinh ra trong công nghiệp sản xuất HNO3 và các hóa chất, hoặc do các động cơ ôtô. NO2 phát thải do cháy nhiên liệu ở nhiệt độ cao và từ các nhà máy sản xuất HNO3 hoặc sản xuất phân bón.
* Tính chất
Ôxit nitơ (NO) là một chất khí không màu, không mùi, không tan trong nước, d = 1,340, nhiệt độ sôi Ts = -151,8 oC. NO bị oxi hóa thành NO2 gây ô nhiễm qua phản ứng quang hóa thứ cấp:
NO + O3 NO2 + O2
Điôxit nitơ (NO2) là một chất khí màu nâu thẫm – hơi đỏ, vị cay và mùi kích thích, mùi của nó có thể bắt đầu được phát hiện ở nồng độ 0,12 ppm. NO2 rất dễ bị hấp phụ bức xạ tử ngoại, dễ hòa tan trong nước và tham gia phản ứng quang hóa.
Ngoài NO và NO2 thì đinitơ ôxit (N2O) cũng là ôxit nitơ chiếm tỷ lệ cao trong khí quyển. Đó là chất khí không màu, không độc, không phải chất khí ô nhiễm nhưng nó là thành phần quan trọng của khí nhà kính. Ở tầng bình lưu, N2O khuếch tán và hấp thụ các tia tử ngoại sóng ngắn hoặc bị phân ly bởi oxi nguyên tử hoạt hóa:
N2O ———→ NO + N
N2O + O ———→ 2NO N2O + O ———→ N2 + O2
* Tác hại:
Đối với con người: Các oxit nitơ phần lớn là các chất khí độc, kích thích các tuyến hô hấp trên. Khi bị
ngộ độc NOx xuất hiện những cơn ho nhẹ, nồng độ NOx tăng cao gây ho nặng, nôn mửa, đau đầu. NO2 gây kích thích màng phổi dẫn đến triệu chứng phù phổi, ở nồng độ 1ppm do tạo thành axit HNO2 và HNO3 khi NO2 tiếp xúc với bề mặt ẩm của phổi. Phổi sưng tấy dẫn đến tử vong. NO có thể gây nguy hiểm cho cơ thể do tác dụng với hồng cầu trong máu, làm giảm khả năng vận chuyển oxy, gây bệnh thiếu máu.
Ở nồng độ 15 ÷ 50 ppm, NO2 gây nguy hiểm cho tim, phổi và gan. Với nồng độ khoảng 100ppm có thể gây tử vong cho người và động vật sau một giờ tiếp xúc.
Đối với thực vật: NOx gây tác hại đối với thực vật tương tự như SOx. Dưới tác dụng của O2 trong không
khí với nước biến thành HNO3 bám vào lá cây, gây các vết bỏng màu nâu, hủy hoại mô thực vật. Ở nồng độ 0,5 ppm, NOx làm cây chậm phát triển, và tác hại cấp tính của nó ở nồng độ 1ppm.
Đặc biệt, với khí quyển, NOx có thể coi như tác nhân gây nên quá trình phân hủy ôzôn. Phản ứng sẽ kết thúc khi tạo thành HNO3 và các sản phẩm quang hóa.
(2) Amôniac (NH3) * Nguồn gốc
Amôniac (NH3) có trong các hệ thống thiết bị làm lạnh sử dụng amôniac trong các nhà máy hóa chất sản xuất phân đạm, sản xuất axit nitric, các quá trình phân giải chất hữu cơ động thực vật, chất thải của con người…
* Tính chất
Amôniac (NH3) độc, không màu, có mùi khai khó chịu và dễ hòa tan trong nước, có tỷ trọng d = 0,597, nhiệt độ sôi Ts = -33oC. Trong khí quyển NH3 có thể bị oxy hóa thành NOx và có thời gian tồn tại khoảng 7 ngày.
*Tác hại:
Amôniac (NH3) là khí độc có khả năng kích thích mạnh lên đường hô hấp gây viêm đường hô hấp cho người động vật, gây loét niêm mạc, thanh quản, khí quản, thường gây nhiễm độc cấp tính. Ngưỡng chịu đựng của người đối với amoniac là 20-40mg/m3. Khi tiếp xúc với amoniac ở nồng độ 100mg/m3 trong thời gian ngắn
sẽ không để lại hậu quả lâu dài. Tuy nhiên, khi tiếp xúc với amoniac ở nồng độ 1500-2000 mg/m3 trong thời gian 30 phút sẽ nguy hiểm đến tính mạng. Amôniac (NH3) dễ hòa tan trong nước, gây nhiễm độc cá và các sinh vật trong nước.
Đối với thực vật nhiễm độc NH3 ở nồng độ cao gây bệnh lá cây bị trắng bạch, đốm lá, giảm tỷ lệ nảy mầm hạt giống và thân cây bị lùn.
c. Các hợp chất chứa cacbon
(1) Ôxit cacbon
* Nguồn gốc:
Các oxit cacbon chủ yếu là sản phẩm của quá trình cháy, quá trình hô hấp của người và động thực vật,
quá trình phân hủy chất hữu cơ (mùn rác), quá trình lên men rượu. Trong đó, CO là sản phẩm của quá trình cháy không hoàn toàn (cháy trong điều kiện thiếu oxi); CO2 là một thành phần khí tự nhiên quan trọng của khí quyển, không phải là một chất khí gây ô nhiễm, đồng thời là sản phẩm của quá trình cháy hoàn toàn và hô hấp của người và động thực vật. Tuy nhiên, nồng độ của CO2 tăng cao do các quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch trong các hoạt động sống của con người làm gia tăng lượng khí nhà kính dẫn tới các ảnh hưởng nghiêm trọng cho bầu khí quyển.
* Tính chất
CO là khí không màu, không vị, sinh ra khi đốt cháy các hợp chất chứa cacbon trong điều kiện thiếu oxy, tỷ trọng d=0,967, nhiệt độ sôi Ts = -199oC. Khí CO chiếm tỷ lệ lớn trong các khí gây ô nhiễm nhưng nồng độ của khí CO trong môi trường không khí không ổn định.CO tồn tại trong khí quyển với nồng độ nhỏ 0,1 ppm và có thời gian tồn tại khoảng 6 tháng.
CO2 là chất khí vốn có sẵn trong thành phần không khí sạch nhưng nó còn có thể được phát sinh khi đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu, nguyên liệu chứa cacbon và trong quá trình hô hấp của người và động thực vật. CO2 là khí không màu, không mùi, không cháy, vị chát, dễ hóa lỏng do nén, tỷ trọng d = 1,53, nhiệt độ sôi Ts = -78oC, chủ yếu lưu động ở tấng đối lưu.
* Tác hại:
Tác hại của khí CO đối với con người và động vật xảy ra khi nó tác dụng với hồng cầu (hêmoglobin) trong máu, tạo thành một hợp chất bền vững, làm giảm hồng cầu trong máu, từ đó giảm khả năng hấp thụ oxy của hồng cầu để nuôi dưỡng tế bào cơ thể. Con người nhạy cảm với CO hơn là động thực vật. Ngộ độc oxit cacbon nhẹ (<1% CO) có thể để lại di chứng hay quên, thiếu máu. Ngộ độc nặng gây ngất, lên cơn giật, liệt tay chân và có thể dẫn đến tử vong trong vài ba phút khi nồng độ CO vượt quá 2%.
Thực vật khi tiếp xúc với CO ở nồng độ cao (100 ÷1000 ppm) sẽ bị rụng lá, xoắn quăn, cây non chết yểu. CO2 ở nồng độ thấp không gây nguy hiểm cho người và động thực vật nhưng ở nồng độ cao sẽ là chất nguy hại, đặc biệt CO2 là một khí nhà kính với lượng lớn nhất làm gia tăng hiện tượng Hiệu ứng nhà kính hiện nay.
(2) Các hợp chất hydrocacbon (HC) *Nguồn gốc
Các hydrocacbon được phát thải vào khí quyển từ các nguồn tự nhiên và nhân tạo. Trong đó các nguồn tự nhiên phát thải lượng khổng lồ các khí hydrocacbon vào khí quyển. CH4 là loại hydrocacbon được tạo thành chủ yếu trong tự nhiên – do vi khuẩn gây thối rữa kị khí của các chất hữu cơ trong đất, nước và trầm tích. Phát thải tự nhiên của CH4 hàng năm trên thế giới lên tới 1500 triệu tấn.
Hoạt động của con người đóng góp 2% lượng phát thải hydrocacbon hàng năm, 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 của đường ống dẫn khí đốt, trong nhiều ngành công nghiệp, sử dụng các
dung môi hữu cơ như sơn, in, dệt, nhuộm… Khoảng 40% hydrocacbon có trong khí xả của ôtô là thành phần không cháy, còn lại là sản phẩm cháy của nhiên liệu. Các quá trình sản xuất công nghiệp như gia công – chế biến, trữ và vận chuyển sản phẩm cũng là nguồn phát thải hydrocacbon tiếp theo. Sự bay hơi các dung môi hữu cơ, thường gọi là các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) phát thải khoảng 10% hydrocacbon.
Các hydrocacbon bao gồm nhiều loại từ các hợp chất hữu cơ đơn giản như mêtan (CH4) tới các hydrocacbua thơm, alcohol, aldehyt, este, hợp chất hữu cơ của halogen cũng như hợp chất hữu cơ có chứa lưu huỳnh hoặc nitơ.
*) Tính chất
Các hydrocacbon dạng khí và lỏng dễ bay hơi là chất ô nhiễm đặc biệt.
Các hydrocacbon có thể là bão hòa (no) hoặc không bão hòa (không no), hoặc hydrocacbon thơm. Trong số các hydrocacbon no còn gọi là alkan (CnH2n+2) thì mêtan (CH4) là chất khí chiếm tỷ lệ cao, khoảng 40 -80% toàn bộ hydrocacbon có mặt trong không khí đô thị. Hydrocacbon không no gồm các alken, trong đó chất ô nhiễm nổi bật là etilen (C2H4) và propilen (C3H6). Các hydrocacbon thơm chủ yếu là hơi benzen (C6H6) và hơi toluen. Các hyrocacbon khi phát thải vào khí quyển phần lớn là các chất oxy hóa chậm, và bản thân chúng không gây tác hại lớn, nhưng dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời chúng dễ bị phân ly thành các phân tử lượng thấp hơn và dễ tham gia phản ứng với các thành phần khác trong khí quyển (hơi SO2) - các phản ứng quang hóa tạo thành các sản phẩm quang hóa trong đo có O3.
*Tác hại:
Các hợp chất hữu cơ thường rất độc đối với cơ thể người và động vật. Một số hợp chất hữu cơ như benzen và PAH (hợp chất hữu cơ thơm đa nhân) có thể là nguyên nhân gây bệnh ung thư, một số hợp chất lại gây mùi khó chịu như mecaptan, axit amin, các hợp chất liên kết cacbonyl…