BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Nguyễn Bá Thiện GIÁO TRÌNH Ô TÔ VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG (LƯU HÀNH NỘI BỘ) Quảng Ninh- 2017 LỜI NÓI ĐẦU Để đáp ứng kịp thời yêu cầu của nhiệm vụ đào tạo, Trường ĐHCN Quảng Ninh tổ chức biên soạn cuốn giáo trình Ô tô và ô nhiễm môi trường. Sách được dùng làm tài liệu giảng dạy và học tập cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô trong nhà trường và làm tài liệu tham khảo cho những người làm công tác kĩ thuật trong ngành ô tô, kỹ thuật viên thiết kế. Trong quá trình biên soạn chúng tôi đã rất cố gắng để cuốn sách đảm bảo được tính khoa học, hiện đại và gắn liền với thực tế về sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất ô tô. Nhưng do khả năng có hạn và những hạn chế về thời gian và những điều kiện khách quan khác, cuốn giáo trình chắc chắn sẽ không tránh khỏi những khiếm khuyết.
Chúng tôi mong nhận được ý kiến đóng góp của các bạn đọc và đồng nghiệp để lần tái bản sau được hoàn chỉnh hơn. Nhóm tác giả CHƢƠNG 1 Ô TÔ – NGUỒN Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG KHÔNG KHÍ 1.1 Khái niệm chung về không khí và ô nhiễm không khí 1.1 Đặc điểm của khí quyển Khí quyển hay môi trường không khí là lớp vỏ khí bao bọc xung quanh Trái Đất. Nó được cấu tạo bởi những đơn chất và hợp chất hóa học khác nhau. Đặc điểm nổi bật của khí quyển là hầu hết các nguyên tố đều tồn tại ở trạng thái khí; trong đó hai nguyên tố chính là Nitơ và Oxy luôn ở trạng thái phân tử tự do (N2 và O2).
Thành phần các chất trong không khí khô, chưa bị ô nhiễm (không khí sạch) cách bề mặt Trái đất khoảng vài km được trình bày trong bảng 1. Hàm lượng trung bình của không khí khô chưa bị ô nhiễm. Tên chất Công thức phân tử % thể tích Tổng trọng lượng trong khí quyển (triệu tấn) Nitơ N2 78,08 386.000 Cacbon dioxit CO2 0,035 2.900 Hydro H2 0,00005 180 Ozon O3 0,00006 200 Nito dioxit NO2 0,001 8 Cacbon monoxit CO 0,10 500 Sulfua dioxit SO2 0,001 11 Khí quyển có ranh giới phía dưới là bề mặt thủy quyển, thạch quyển và ranh giới phía trên là khoảng không giữa các hành tinh. Khí quyển Trái đất được hình thành từ hơi nước, từ các chất khí thoát ra từ thủy quyển và thạch quyển.
Thời kỳ đầu, khí quyển chủ yếu gồm hơi nước, amoniac, mêtan, các loại khí trơ và hidro. Dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, hơi nước bị phân hủy thành oxy và hydro. Oxy tác động với amoniac và mêtan tạo ra khí N2 và CO2. Quá trình cứ tiếp diễn, một lượng H2 nhẹ mất vào khoảng không vũ trụ, khí quyển còn lại chủ yếu là hơi nước, Nitơ, CO2 và một lượng nhỏ Oxy.
1 Thành phần khí quyển hiện nay của Trái đất khá ổn định về phương nằm ngang và phân lớp theo phương thẳng đứng. Phần lớn khối lượng (5.10 5 tấn) của khí quyển tập trung ở các tầng thấp: tầng đối lưu và tầng bình lưu. Mặc dù chỉ chiếm khoảng 0,05% khối lượng thạch quyển, nhưng khí quyển có vai trò rất quan trọng đối với đời sống sinh vật và sự cân bằng khí hậu toàn cầu. Thông thường trong tầng đối lưu, thành phần các chất khí chủ yếu tương đối ổn định, chỉ có nồng độ CO2 và hơi nước dao động mạnh.
Lượng hơi nước thường thay đổi theo thời tiết từ 4% thể tích vào mùa nóng ẩm tới 0,4% vào mùa khô. Ngoài ra trong không khí ở tầng đối lưu còn có một lượng nhất định khí SO2 và bụi. Trong tầng bình lưu luôn tồn tại quá trình hình thành và phá hủy ozôn. Hiện nay, do hoạt động của con người, lớp khí ozôn có xu hướng mỏng dần.
Không khí bao quanh con người là không khí ẩm. Nó gồm không khí khô, hơi nước, các chất độc hại, các loại bụi vũ trụ, bụi Mặt đất, vi khuẩn, nấm, virut, phấn hoa, khí phóng xạ, các loại chất hữu cơ và vô cơ dễ bay hơi….2 Cấu trúc của khí quyển Khí quyển có nhiều tầng, nhiều lớp khác nhau, được mở rộng đến độ cao khoảng 1000km rồi chuyển dần vào không gian không có không khí. Nhiệt độ khí quyển thay đổi từ -920C đến 17000C. Cứ lên cao 100m thì nhiệt độ giảm 0,60C.
Khí quyển Trái đất có cấu trúc phân lớp, với các tầng đặc trưng từ dưới lên trên: tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng trung gian, tầng nhiệt, tầng điện ly Tầng đối lưu (Troposphere) là tầng thấp nhất của khí quyển. Nó chiếm khoảng 70% khối lượng khí quyển, có nhiệt độ thay đổi giảm dần từ +40 0C ở lớp sát mặt đất tới -500C ở trên cao. Ranh giới phía trên của tầng đối lưu khoảng 7-8 km ở hai cực và 16-18 km ở vùng xích đạo. Trong tầng này luôn có sự chuyển động đối lưu của khối không khí bị nung nóng từ mặt đất.
Tầng đối lưu là tầng có mật độ không khí cao nhất và tập trung nhiều nhất hơi nước, bụi, là tầng luôn xuất hiện các hiện tượng thời tiết như mây, mưa, tuyết, mưa đá, bão v. Giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu có một lớp không khí dày khoảng 1km, ở đó có sự chuyển đổi xu hướng từ giảm nhiệt theo chiều cao sang xu hướng tăng nhiệt độ theo chiều cao. Lớp này được gọi là đối lưu hạn. Tầng bình lưu (Stratosphere): nằm trên tầng đối lưu, với ranh giới trên dao động trong khoảng độ cao 50km.
Nhiệt độ không khí của tầng bình lưu có xu hướng tăng dần theo chiều cao, từ -560C ở phía dưới đến -20C ở phía trên. Không khí tầng bình lưu loãng hơn, ít chứa bụi và ít xảy ra các hiện tượng thời tiết bất thường. Ở độ cao khoảng 25km trong tầng bình lưu tồn tại một lớp không khí giàu ozôn thường được gọi là tầng ozôn. Tầng ozôn có chức năng như một lá chắn bảo vệ cho Trái đất tránh khỏi những ảnh hưởng độc hại của tia tử ngoại từ mặt trời chiếu xuống.
Tầng trung gian (Mesosphere): nằm ở phía trên tầng bình lưu kéo dài đến độ cao khoảng 80km. Nhiệt độ tầng này giảm dần theo độ cao, từ -20C ở phía dưới đến -920C ở lớp trên. Tầng trung gian ngăn cách với tầng bình lưu bằng một lớp không khí mỏng (khoảng 1km), ở đó sự biến thiên nhiệt độ của khí quyển chuyển từ dương sang âm gọi là bình lưu hạn. 2 Tầng nhiệt (Thermosphere): có độ cao từ 80km đến 500km.
Ở tầng này nhiệt độ không khí có xu hướng tăng dần theo độ cao, từ -920C đến 12000C. Tuy nhiên, nhiệt độ không khí cũng thay đổi theo thời gian trong ngày, ban ngày thường rất cao và ban đêm thì thấp hơn. Lớp chuyển tiếp giữa trung quyển và nhiệt quyển gọi là trung quyển hạn. Tầng điện ly nằm ở độ cao từ 800km trở lên.
Nhiệt độ tầng này lên đến 17000C. Do tác động của tia tử ngoại, các phân tử không khí loãng trong tầng bị phân hủy thành các ion dẫn điện và các điện trở tự do. Tầng điện ly là nơi xuất hiện cực quang và phản xạ các sóng ngắn vô tuyến. Cấu trúc tầng khí quyển được hình thành do kết quả của lực hấp dẫn và nguồn phát sinh khí từ bề mặt Trái đất, có tác động to lớn trong việc bảo vệ và duy trì sự sống trên Trái đất.3 Khái niệm về ô nhiễm không khí Không khí là một trong các yếu tố quan trọng và không thể thiếu để con người cũng như động thực vật sinh sống.
Sức khỏe và tuổi thọ của con người, sự sinh trưởng và phát triển của các loài động thực vật phụ thuộc rất nhiều vào: thành phần hỗn hợp của không khí, vào độ trong sạch và đặc tính lý hóa của nó. Không khí trong khí quyển mà chúng ta đang hít thở là một hỗn hợp các chất ở dạng khí có thể tích hầu như không đổi và hơi nước. Ngoài các thành phần chính của không khí sạch đã nêu trên, bất kỳ sự có mặt của một chất lạ nào khác gây biến đổi thành phần không khí, tạo ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người cũng như đến môi trường sinh thái cũng được gọi là chất ô nhiễm. Như vậy các chất phát tán vào không khí từ nhiều nguồn khác nhau như SOx, NOx, bụi, các chất hữu cơ bay hơi… là các chất ô nhiễm.
Không khí chứa các chất ô nhiễm được gọi là các chất bị ô nhiễm. Ô nhiễm không khí và sự lan truyền của nó có thể biểu thị bằng sơ đồ trình bày trên Trong sơ đồ trên thì: - Nguồn ô nhiễm được hiểu là nguồn thải ra các chất ô nhiễm. Ví dụ, khí thải từ ống khói, khí thải từ xe cộ, đốt than, đốt dầu… Nó chủ yếu được phân thành nguồn ô nhiễm tự nhiên và nguồn ô nhiễm nhân tạo. - Khí quyển được coi là môi trường trung gian để vận chuyển chất ô nhiễm từ nguồn gây ô nhiễm tới nguồn tiếp nhận chất ô nhiễm.
Tại đây chất ô nhiễm còn có sự chuyển hóa. Quá trình chuyển hóa khá phức tạp và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. - Nguồn tiếp nhận ô nhiễm là con người, động vật, thực vật và các đồ vật, các công trình xây dựng trên bề mặt Trái đất. Để nghiên cứu ảnh hưởng của ô nhiễm không khí đến nguồn tiếp nhận cần có kiến thức về sinh lý học, sinh vật và y học.4 Các chất gây ô nhiễm không khí Như đã nêu những chất gây biến đổi thành phần không khí làm cho nó trở lên không sạch hoặc gây ra mùi khó chịu hay làm giảm tầm nhìn xa được gọi là các chất gây ô nhiễm không khí.
3 Các nguồn thải trên Trái đất hàng ngày phát tán vào khí quyển một lượng lớn các chất gây ô nhiễm. Để dễ nghiên cứu người ta phân thành các chất ô nhiễm thể khí, ô nhiễm không khí do bụi, ô nhiễm không khí do mùi hôi và ô nhiễm nhiệt.1 Các chất ô nhiễm thể khí a. Thán khí (CO2, dioxid carbon) CO2 là chất cấu tạo bình thường của khí quyển. Nồng độ của nó trong khí quyển liên tục tăng, chủ yếu do việc dùng nhiên liệu hóa thạch để tạo năng lượng.
Thông thường cứ 12g C khi bị đốt cháy tạo ra 44g CO2, từ đó có thể thấy lượng CO2 phát tán vào khí quyển là rất lớn. Nó là chất không thường xuyên gây ô nhiễm sơ cấp, nhưng lại là tác nhân quan trọng gây ô nhiễm thứ cấp. Monoxid carbon, CO Trong điều kiện tự nhiên, CO có hàm lượng rất nhỏ, khoảng 0,1 ppm.