CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Khái niệm VOCs Theo Nghị viện và Hội đồng Châu Âu, các hợp chất hữu cơ bay hơi là bất kỳ hợp chất hữu cơ nào bắt đầu sôi ở nhiệt độ nhỏ hơn hoặc bằng 250 ºC dưới điều kiện áp suất tiêu chuẩn là 101 kPa [8]. Theo Tổng cục môi trường Mỹ (US - EPA), VOCs là những hợp chất của cacbon không bao gồm CO2, CO, H2 CO3, (NH4 )2CO3, MCO 3 và tham gia vào các phản ứng quang hóa trong không khí [9]. Nguồn phát sinh VOCs 1.
Nguồn tự nhiên VOCs phát sinh từ hai nguồn chính là nguồn tự nhiên và do con người. Nguồn tự nhiên phát sinh VOCs chính là từ thực vật. Nhóm các chất VOCs phát sinh từ thực vật là isopren, α-pinene và β-pinene. Tuy nhiên, các nhóm chất VOCs này chủ yếu ảnh hưởng đến nồng VOCs ở quy mô toàn cầu.
Nguồn phát sinh VOCs tại các đô thị chủ yếu xuất phát từ hoạt động của con người như: hoạt động sản xuất và sử dụng các nhiên liệu hóa thạch, sử dụng các dung môi trong hoạt động công nghiệp, đốt nhiên liệu sinh học, đốt sinh khối và trong quản lý chất thải rắn [10]. Các nguồn phát sinh VOCs từ hoạt động của con người được trình bày chi tiết sau đây. Nguồn phát sinh do con người 1. Khai thác, tinh chế và sử dụng nhiên liệu Nguồn phát sinh VOCs từ hoạt động khai thác, tinh chế và sử dụng các nhiên liệu có thể phân loại thành 3 nhóm: nguồn di động, nguồn cố định và nguồn do sản xuất, lưu trữ và phân phối các sản phẩm nhiên liệu.
Phát thải từ các hoạt động này được ước tính tổng cộng lên tới 78 triệu tấn/năm, chủ yếu là do vận tải đường bộ và tinh chế dầu mỏ. Các khu vực có lượng phát thải từ các hoạt động vận tải đường bộ 4 chủ yếu ở Hoa Kỳ, Châu Âu, Châu Mỹ Latinh và Đông Nam Á, trong khi đó, các nguồn đóng góp VOCs lớn nhất từ khai thác và tinh chế dầu mỏ được báo cáo tại những khu vực có hoạt động khoan dầu lớn nhất như Trung Đông, Mỹ Latinh [11]. Nguồn di động được chia thành hai nhóm nhỏ hơn, bao gồm khói thải và bay hơi. Các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ phát thải từ ống xả bao gồm bộ chuyển đổi xúc tác, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của động cơ, thành phần nhiên liệu và cách lái xe.
Những tiến bộ kĩ thuật của bộ chuyển đổi xúc tác, động cơ với hiệu năng cao hơn dẫn đến giảm hệ số phát thải. Thành phần nhiên liệu đã được thay đổi trong những năm qua vì lý do kỹ thuật và sức khỏe. Ví dụ như, benzen là tác nhân gây ung thư, việc giảm lượng benzen trong nhiên liệu đã dẫn đến giảm lượng benzen từ khí thải xe cộ so với các VOCs còn lại. Phần lớn lượng VOCs phát thải trong vài phút đầu tiên khi động cơ khởi động.
Khởi động nguội tương ứng với thời gian cần thiết để đạt được nhiệt độ của xúc tác. Khởi động nguội có mối liên hệ đặc biệt tại đô thị, nơi mà các hành trình ngắn chiếm một phần đáng kể trong toàn bộ quãng đường di chuyển. Đối với phát thải do bay hơi xăng, tỉ lệ bay hơi tăng lên khi nhiệt độ môi trường và áp suất của môi trường cao hơn so với thành phần xăng. Nguồn tĩnh của việc sử dụng các nhiên liệu bao gồm các quá trình đốt, như đốt than, đốt cốc trong nhà máy, sưởi ấm vào mùa lạnh hoặc nấu ăn trong khu dân cư.
Ở quy mô toàn cầu, lượng phát thải này tương đối nhỏ so với các nguồn di động. Tuy nhiên, đối với một số khu vực nhất định như Trung Quốc hoặc các nước Đông Nam Á, các nguồn này có thể là một phần đáng kể, do đóng góp từ việc sử dụng rộng rãi than và nhiên liệu sinh học trong nấu ăn tại các khu dân cư. Lượng phát thải liên quan đến sản xuất, lưu trữ và phân phối nhiên liệu chủ yếu xảy ra ở những khu vực có hoạt động khai thác nhiên liệu lớn. Tuy nhiên, phát tán từ quá trình bay hơi tự nhiên vẫn có thể xảy ra trong quá trình vận chuyển và phân phối nhiên liệu, như vận chuyển bồn chứa xăng dầu bằng đường bộ, đường thủy và tại các trạm phân phối xăng dầu.
Đặc biệt, sự bay hơi từ trạm nhiên liệu này có thể là đáng kể trên quy mô địa phương và khu vực. Đây không chỉ là mối quan tâm liên 5 quan đến sự hình thành ozon ở tầng đối lưu mà còn là sự nguy hại đến vấn đề sức khỏe gây ra bởi nhóm VOCs có tiềm năng gây ung thư như BTEX có thể xảy ra [11]. Sử dụng dung môi trong công nghiệp Nguồn phát sinh VOCs trong các hoạt động công nghiệp chủ yếu từ việc sử dụng các VOCs làm dung môi hữu cơ có tính chất vật lý và hóa học khác nhau như ankan, xeton, andehit, este và các hydrocarbon halogen hóa [11]. Các dung môi thường được sử dụng nhiều trong các sản phẩm tiêu dùng như sơn, keo dính và mực.
Ngoài ra, VOCs còn được sử dụng trong công nghiệp sản xuất dược phẩm, làm sạch bề mặt kim loại và in ấn. Ngày nay, nhiều ngành sản xuất ở các nước phát triển đã giảm thiểu lượng phát thải VOCs bằng cách tái chế hoặc xử lý nhiệt. Tuy nhiên, lượng phát thải ở những nơi khác trên thế giới vẫn có xu hướng tăng, và Trung Quốc là một trong những nước có lượng phát thải VOCs từ việc sử dụng dung môi và sơn được dự báo đến năm 2020 là sẽ tăng gấp 5 lần so với năm 1990 [11]. Đốt sinh khối Sinh khối là tổng khối lượng vật chất sống bao gồm mảnh thực vật, thảm thực vật hoặc phụ phẩm nông nghiệp được sử dụng làm nhiên liệu hoặc nguồn năng lượng trong một đơn vị môi trường nhất định.
Sinh khối có đặc tính là nhiệt trị thấp và độ ẩm cao. Khi sinh khối bị đốt cháy, nồng độ và thành phần của bụi và các chất khí khác nhau (CO, CO2, VOCs) được thải vào khí quyển phụ thuộc vào loại hệ sinh thái, độ ẩm của thảm thực vật, kiểu đốt cháy và giai đoạn đốt cháy. Đốt sinh khối thường được phân loại như sau [12]: - đốt trực tiếp gỗ nhiên liệu và phụ phẩm nông nghiệp cho mục đích sưởi ấm và đun nấu trong nhà; - đốt rác và phụ phẩm nông nghiệp trên đất trồng trọt sau khi thu hoạch (chủ yếu là rơm rạ và mía đường ở Đông Nam Á); - đốt cỏ và gỗ trên khu vực đất trồng rừng ; - cháy rừng ngẫu nhiên. 6 Lượng phát thải VOCs toàn cầu từ nguồn đốt sinh khối tính cho năm 2000 của được ước tính là 49 triệu tấn/năm với những đóng góp cao nhất từ châu Mỹ Latinh, châu Phi và Đông Nam Á [13].
Quản lý chất thải rắn VOCs phát sinh trong quản lý chất thải rắn chiếm từ 1-2% tổng lượng phát thải VOCs do hoạt động của con người [13]. Lượng phát thải VOCs này phát sinh từ lò đốt chất thải do các quá trình đốt cháy không hoàn toàn và phát sinh từ các bãi rác như bay hơi của các dung môi hoặc các sản phẩm phân hủy hữu cơ. Tác hại của VOCs 1. Tác hại của VOCs đối với khí quyển Quan ngại chính liên quan đến ô nhiễm không khí là sự tham gia của VOCs trong phản ứng quang hóa tạo ozon ở tầng đối lưu, theo sơ đồ như sau: Hình 1.
Sơ đồ phản ứng quang hóa tạo ozon trong khí quyển Đây là phản ứng theo chuỗi mà trong đó, CO, VOCs đóng vai trò là nhiên liệu điều khiển quá trình còn NOx đóng vai trò là xúc tác. Như vậy, muốn giảm nồng độ ozon tầng đối lưu có nghĩa là phải giảm nồng độ NO x và VOCs. Ảnh hưởng của 7 VOCs khác nhau tùy thuộc vào mức độ phát thải theo thời gian, không gian, tốc độ phản ứng quang hóa và tiềm năng hình thành ozon. Hiện tượng khói mù quang hóa là một trong những vấn đề mang tính chất toàn cầu.
Năm 1964, lần đầu tiên trên thế giới, tại thành phố Los Angeles thuộc bang California của Hợp chủng quốc Hoa Kỳ đã xuất hiện sương mù dày đặc trong nhiều ngày. Hiện tượng này gây cay mắt, gây viêm đường hô hấp, viêm phổi và khó thở. Chính điều này làm cho hàng loạt người tử vong, cây cối vàng lá. Kể từ đó, nồng độ ozon cao cũng được phát hiện ở nhiều nơi khác trên thế giới như Athens (Hy Lạp), Sydney (Australia).
Ở Mexico City, nồng độ ozon đo được trên 400 ppb [10]. Theo đó, VOCs là một trong những thành phần chính đóng góp vào việc hình thành khói mù quang hóa. Những hợp chất tạo ra từ phản ứng quang hóa nêu trên không chỉ ảnh hưởng tới con người mà còn có hại đối với thực vật và các loại vật liệu. VOCs có thể không ảnh hưởng trực tiếp đến các vật liệu mà thông qua phản ứng trên tạo ra các chất độc hại và ảnh hưởng đến các bề mặt như làm nứt cao su, giảm độ bền của vải, nhựa, phai màu các sợi nhuộm, làm nứt các vết sơn và ảnh hưởng đến các công trình xây dựng [14].
Những hợp chất này có thể làm giảm hoặc ngừng phát triển trong thực vật thông qua việc giảm quá trình quang hợp [15]. Ngoài ra, VOCs còn có thể ngưng tụ và tạo thành bụi PM 2. Dựa vào nghiên cứu sự hình thành PM2.5, phần trăm PM2.5 hình thành từ VOCs là khoảng 11% - 41%, và chủ yếu là VOCs phát thải từ nguồn giao thông ở khu vực đô thị [16]. Tác hại của VOCs đối với sức khỏe con người Ngoài những ảnh hưởng gián tiếp thông qua các hợp chất tạo ra từ phản ứng quang hóa đã trình bày ở mục 1.1, VOCs ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người như kích ứng da hoặc niêm mạc, các hiệu ứng độc hay thần kinh khác nhau, gây ung thai, quái thai, đột biến [17].
Phơi nhiễm trong thời gian dài với benzen và 8 foocmandehit có thể dẫn đến rối loạn chức năng nội tạng mãn tính hoặc thậm chí ung thư khi nồng độ đủ cao [18]. Về phương diện ảnh hưởng đến sức khỏe con người, benzen là chất được quan tâm nhiều nhất. Theo WHO khi phơi nhiễm với benzen ở nồng độ từ 0,17; 1,7; 17 µg/m3 (5,32 ppb) thì tương ứng với 1 ca ung thư bạch cầu trên 10. Mô hình nơi tiếp nhận 1.
Khái niệm mô hình nơi tiếp nhận Mô hình nơi tiếp nhận là một loại mô hình sử dụng đặc tính hóa lý của các chất được đo tại nguồn để xác định, định lượng nồng độ và mức độ đóng góp của các loại nguồn thải đến nồng độ tại nơi tiếp nhận [19].