Chemistry Labs

Lớp 12

Ô nhiễm không khí, nước, đất

Chất ô nhiễm lan truyền giữa không khí, nước và đất, có thể phản ứng, tích luỹ hoặc gây hại cho sinh vật. Bài học trình bày nguồn phát thải, tác động và cách kiểm soát bằng hoá học, từ khử SO₂ đến bộ xúc tác khí thải.

1 THCS2 THPT3 Đại học4 Nâng cao5 Nghiên cứu

Trực giácÔ nhiễm liên kết ba môi trường

Chất ô nhiễm phát tán vào không khí có thể hoà tan trong mưa, lắng xuống đất, đi vào sông suối rồi tích luỹ trong sinh vật. Ngăn phát thải thường hiệu quả hơn xử lí khi ô nhiễm đã lan rộng.

Điều chỉnh hệ số khuếch tán/trộn D. Màu đậm biểu thị nồng độ cao; D lớn làm loãng từng vệt ô nhiễm nhưng khiến chúng lan rộng hơn qua sông và đất.

Phổ thôngMức phổ thông: chất ô nhiễm và sự chuyển hoá

Định nghĩa: Chất ô nhiễm sơ cấp và thứ cấp

Chất ô nhiễm sơ cấp được phát thải trực tiếp, chẳng hạn SO₂ hoặc CO. Chất ô nhiễm thứ cấp hình thành trong môi trường từ phản ứng giữa các chất phát thải với thành phần tự nhiên; ozon tầng đối lưu và sol khí sunfat là ví dụ.

Một số chất ô nhiễm, nguồn và tác động
Chất ô nhiễmNguồn phát thải và tác động chính
SO₂; NOₓĐốt nhiên liệu chứa lưu huỳnh, động cơ/lò nhiệt độ cao; gây lắng đọng axit và kích ứng đường hô hấp
CO; bụi mịn (PM₂.₅/PM₁₀)Cháy không hoàn toàn, muội than và bụi đường; CO cản trở vận chuyển oxi, hạt mịn đi sâu vào phổi
VOC; kim loại nặng (Pb, Hg, Cd, As)Bay hơi, đốt cháy, khai khoáng, luyện kim và chất thải; một số VOC tạo sương mù quang hoá, kim loại có thể độc và bền
Chất dinh dưỡng; thuốc trừ sâuPhân bón và nước thải đưa N, P vào nước gây phú dưỡng; thuốc trừ sâu bền có thể tích luỹ sinh học

Lưu huỳnh trong nhiên liệu cháy tạo SO₂. Trong không khí, SO₂ bị oxi hoá rồi kết hợp với nước tạo axit sunfuric và hạt sunfat; oxit nitơ có thể tạo axit nitric. Các axit làm giảm pH nước mưa, đất, rửa trôi ion dinh dưỡng hoặc làm nhôm độc dễ hoà tan.

S+OX2→SOX2;2 SOX2+OX2→catalyst2 SOX3;SOX3+HX2O→HX2SOX4\ce{S + O2 -> SO2; 2 SO2 + O2 ->[catalyst] 2 SO3; SO3 + H2O -> H2SO4}
NX2+OX2→high T2 NO;2 NO+OX2→2 NOX2;4 NOX2+OX2+2 HX2O→4 HNOX3\ce{N2 + O2 ->[high\ T] 2 NO; 2 NO + O2 -> 2 NO2; 4 NO2 + O2 + 2 H2O -> 4 HNO3}

Sương mù khói kiểu sunfurơ gắn với SO₂ và hạt bụi trong không khí lạnh ẩm; sương mù quang hoá hình thành dưới ánh sáng khi NOₓ và VOC tạo ozon cùng các chất oxi hoá khác. Ozon tầng đối lưu có hại dù ozon tầng bình lưu bảo vệ sự sống.

Nước chảy tràn mang nitrat và photphat có thể gây phú dưỡng: tảo phát triển mạnh, sau đó quá trình phân huỷ tiêu thụ oxi hoà tan. Nồng độ oxi thấp có thể làm cá chết. Phân bón dư không phải nguyên nhân duy nhất; nước thải và dòng chảy biến đổi cũng góp phần.

CX6HX12OX6+6 OX2→6 COX2+6 HX2O\ce{C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O}

Ví dụ: Hấp thụ sulfur dioxit

Thiết bị hấp thụ khí thải dùng đá vôi. Cần tối thiểu bao nhiêu khối lượng CaCO₃ tinh khiết để giữ 6,40 kg SO₂? Cho M(SO₂)=64,1 và M(CaCO₃)=100,1 g mol⁻¹.

Lời giải

Phản ứng tổng quát theo tỉ lệ 1:1 là CaCO₃ + SO₂ + ½O₂ + 2H₂O → CaSO₄·2H₂O + CO₂. n(SO₂)=6400/64,1=99,8 mol, nên n(CaCO₃)=99,8 mol và m≈9,99 kg. Nhà máy thực tế cần dư chất hấp thụ và phải tính đến sự tiếp xúc không hoàn toàn.

Bộ xúc tác ba chức năng thường chứa Pt/Pd và Rh, oxi hoá CO, hiđrocacbon chưa cháy đồng thời khử NOₓ khi tỉ lệ không khí–nhiên liệu gần đúng tỉ lượng. Hệ thống diesel có thể dùng khử xúc tác chọn lọc bằng amoniac.

2 CO+OX2→2 COX2;2 NO+2 CO→NX2+2 COX2\ce{2 CO + O2 -> 2 CO2; 2 NO + 2 CO -> N2 + 2 CO2}

Ví dụ: So sánh độ axit của nước mưa

Nồng độ [H⁺] ở pH 4,0 lớn gấp bao nhiêu lần so với pH 5,6, giá trị thường gặp của nước mưa sạch cân bằng với CO₂ khí quyển?

Lời giải

[H⁺]=10⁻ᵖᴴ mol L⁻¹, nên tỉ số là 10^(5,6−4,0)=10^1,6≈40. Mưa sạch hơi axit do CO₂ hoà tan tạo axit cacbonic; lắng đọng axit có độ axit cao hơn chủ yếu do axit sunfuric và axit nitric.

Đại họcKhái quát đại học: phát thải, lan truyền và kiểm soát

Cân bằng hộp trộn đều đơn giản là dC/dt = E/V − kC − Qout C/V + Qin Cin/V. Mô hình xét phát thải E, thể tích V, sự loại bỏ hoá học hay lắng đọng k và thông khí; bản đồ khuếch tán mô tả sự cạnh tranh giữa lan truyền và loại bỏ theo không gian.

Kiểm soát môi trường phối hợp giảm phát thải tại nguồn, thu giữ và chuyển hoá. Khử lưu huỳnh khí thải bằng đá vôi chuyển SO₂ thành sunfat rắn; bộ chuyển đổi xúc tác biến khí độc thành sản phẩm ít hại hơn nhưng không loại bỏ mọi phát thải và vẫn cần bảo dưỡng.

Tài liệu tham khảo