CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tình hình ô nhiễm không khí [1], [2] Nguyên nhân và nguồn gây ô nhiễm môi trường không khí chủ yếu bắt nguồn từ các nhà máy, khu công nghiệp hay khu vực sản xuất. Trong số đó, đáng kể nhất phải kể đến là các nhà máy sản xuất xi măng, nhiệt điện, cơ sở sản xuất hóa chất công nghiệp, sản xuất vật liệu xây dựng, các hoạt động lò đốt các chất thải. Các hoạt động của phương tiện giao thông vận tải cũng góp phần không nhỏ trong việc phát thải ra lượng lớn các khí ô nhiễm như CO, CO2, NOx, VOCs. Theo báo cáo môi trường quốc gia năm 2007, ô nhiễm không khí ở đô thị do giao thông gây ra chiếm 70%.
Xét các nguồn thải gây ra ô nhiễm không khí trên phạm vi toàn quốc (bao gồm cả khu vực đô thị và khu vực khác), ước tính cho thấy, hoạt động giao thông đóng góp tới gần 85% lượng khí CO, 95% lượng VOCs. Trong khi đó, các hoạt động công nghiệp là nguồn đóng góp khoảng 70% khí SO2. Đối với NO2, hoạt động giao thông và hoạt động sản xuất công nghiệp có tỷ lệ đóng góp xấp xỉ nhau (Bảng 1. Ước tính thải lượng các chất gây ô nhiễm từ các nguồn thải chính của Việt Nam năm 2005 (Đơn vị: tấn/năm) TT Ngành sản xuất CO NOX SO2 VOCS 1 Nhiệt điện 4.389 2 Sản xuất công nghiệp, dịch vụ, sinh 54,004 151.497 854 hoạt 3 Giao thông vận tải 301.1 cho thấy tỷ lệ phát thải các khí ô nhiễm của các loại phương tiện khác nhau.
Xe máy là nguồn đóng góp chính các khí như CO, CxHy và VOCs. Trong khi đó, xe tải lại thải ra nhiều SO2 và NOx 1 Biểu đồ 1. Tỷ lệ phát thải chất gây ô nhiễm do các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ của Việt Nam Nguồn: Hội thảo Nhiên liệu và xe cơ giới sạch ở Việt Nam, Bộ GTVT và Chương trình môi trường Mỹ Á, 2004 Các khí CO, SO2, NO2 trong không khí tại các đô thị nhìn chung vẫn trong ngưỡng cho phép. Tuy nhiên, tại một số địa điểm và trong một số thời điểm, nồng độ các chất này có tăng lên, một số trường hợp đã vượt trị số cho phép.
Do ảnh hưởng của các hoạt động giao thông, nồng độ NO2 ở gần các trục đường giao thông cao hơn hẳn các khu vực khác. Đặc biệt tại những đô thị có mật độ phương tiện giao thông cao như TP. Hồ Chí Minh, nồng độ NO2 trong không khí cao hơn hẳn những đô thị khác (Biểu đồ 1. Diễn biến nồng độ NO2 ven các trục giao thông của một số đô thị trong toàn quốc Nguồn: Các trạm QT&PTMT – Mạng lưới QT&PTMT quốc gia, 2010 2 Nồng độ SO2 và CO trung bình năm tại các khu vực trong thành phố nhìn chung vẫn trong giới hạn cho phép của QCVN 05:2009/BTNMT.
Do phần lớn SO2 phát sinh từ các hoạt động sản xuất công nghiệp nên sự chênh lệch nồng độ SO2 giữa khu vực dân cư và trục đường giao thông không nhiều và có xu hướng giảm đi do một phần các cơ sở sản xuất được di dời ra khỏi các thành phố trong các năm vừa qua (Biểu đồ 1. Diễn biến nồng độ SO2 tại các trục đường giao thông ở một số đô thịNguồn: Trạm QT & PT MT vùng Đất liền 1, TCMT, 2010; Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường_ĐH Xây dựng, 2009 Tại những nơi có mật độ giao thông cao, nồng độ CO cao hơn hẳn. Tại các đô thị phía Nam, nồng độ CO tại các đường giao thông các năm 2005-2009 đều vượt QCVN (Biểu đồ 1. Diễn biến nồng độ CO tại các tuyến đường phố của một số đô thị 2002-2006 Nguồn: Chi cục BVMT TP.
Hồ Chí Minh, Cục BVMT, 2007 3 Nồng độ khí benzen, toluen và xylen đều có xu hướng tăng cao ở ven các trục giao thông đường phố.Tại Hà Nội, một số nghiên cứu cho thấy nồng độ BTX (benzen, toluen và xylen) cao nhất ở dọc hai bên các tuyến đường giao thông và có giảm đi ở các khu dân cư nằm xa các trục đường lớn (Biểu đồ 1. Điều này chứng tỏ nguồn gốc của những khí này chủ yếu từ các phương tiện giao thông. Ghi chú: - Điểm nóng giao thông: trung bình của 6 điểm quan trắc - Ven đường giao thông: trung bình của 36 điểm quan trắc - Điểm nóng SXCN: trung bình của 6 điểm quan trắc - Điểm dân cư thông thường: trung bình của 81 điểm quan trắc - Ngoại thành: trung bình của 5 điểm quan trắc Biểu đồ 1. Nồng độ BTX (benzen, toluen và xylen) trung bình 1 giờ của các khu vực thuộc thành phố Hà Nội (quan trắc trong thời gian 12/1/2007-5/2/2007) Nguồn: Chương trình Không khí sạch Việt Nam - Thuỵ Sỹ, 2007 4 1.2 Mục đích luận văn Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) là những thành phần chính trong các chất gây ô nhiễm không khí.
Làm sạch không khí bằng xúc tác là một phần quan trọng của quá trình xử lý môi trường. Hiện nay có rất nhiều phương pháp loại bỏ VOC như hấp thụ, hấp phụ, đốt nhiệt, oxy hóa. Trong đó, phương pháp oxy hóa hoàn toàn là phản ứng cơ bản nhất của phương pháp xử lý khí thải bằng xúc tác, nó được coi là một trong những phương pháp xử lý khí thải công nghiệp hiệu quả và triệt để. Hiện nay có hai loại xúc tác oxy hóa hoàn toàn được dùng phổ biến là xúc tác trên cơ sở kim loại quý và xúc tác trên cơ sở oxit kim loại.
Các chất xúc tác phải thỏa mãn điều kiện là có hoạt độ cao ở nhiệt độ tương đối thấp và độ chọn lọc tạo CO2 cao. Mục đích luận văn là góp phần giải quyết vấn đề xử lý VOC (toluene) trong không khí bị ô nhiễm theo hướng nghiên cứu chế tạo chất xúc tác trên cơ sở các oxit kim loại chuyển tiếp, cụ thể là đồng oxit (CuO) được biến tính bằng các oxit kim loại khác nhau (Cr2O3, Co2O3, Mn2O3, CeO2) trên chất mang là hỗn hợp Al2O3 và kaolin để cải thiện các tính chất xúc tác trong phản ứng oxi hóa sâu toluene sao cho có thể đạt được các đặc tính tương tự như các chất xúc tác kim loại quý, mà có chi phí thấp và tiêu tốn năng lượng ít. 5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Sơ lược về toluene [3] 2.1 Tính chất của toluene - Công thức cấu tạo: Hình 2. Công thức cấu tạo của toluene - Tên: Toluene - Tên hóa học: Methylbenzene - Tên gọi khác: toluol, phenylmethane - Tên thương mại: Methacide - Công thức phân tử: C7H8 - Trọng lượng phân tử: 92,14 - Thành phần: C 91,25% ; H 8,75% - Điểm nóng chảy: -95oC - Điểm sôi: 110,6oC - Tỷ trọng: 0,866 - Độ khúc xạ: 1,4967 Toluene là một chất lỏng không màu, có mùi đặc biệt.Nó được thêm vào trong xăng cùng với benzene và xylene.Tan nhẹ trong nước ở 23,5oC về trọng lượng: 0,067%.
Có thể trộn lẫn với alcohol,chloroform, ether, acetone, acid acetic băng, carbon disulfide. LD50 bằng đường uống cho chuột là 7,53 g/kg ( theo Merck index, trang 9667, Toluene, 2002).Tại nhiệt độ phòng toluene dễ hóa hơi và dễ cháy. Bởi vì toluene tan trong chất béo, nên nó cũng ảnh hưởng đến hệ sinh thái và chuỗi thức ăn.2 Ứng dụng của toluene Toluene được tìm thấy tự nhiên trong dầu thô, trong cây Tolu và là sản phẩm từ việc tinh chế xăng dầu và quá trình hoạt động của việc đốt lò. Nó được sử dụng trong tiến trình sản xuất xăng và dầu từ dầu thô, trong sản xuất than từ than đá và là sản phẩm trong sản xuất styrene.
Toluene còn được sử dụng như là chất thay thế benzene.Trong công nghiệp người ta đã thay thế benzene bởi toluene trong quy trình in, thuộc da, và gia công hóa chất. Toluene được sử dụng trong các sản phẩm như thuốc trừ sâu, sơn, lớp phủ sơn, vecni, sơn dầu, chất chống gỉ sắt, keo và các sản phẩm kết dính, dung môi làm sạch và chất tẩy rửa. Toluene cũng thường được dùng như là dung môi trong sơn bóng móng tay với nồng độ hơn 50%.3 Nguồn gốc phát sinh toluenen trong môi trường Toluene được tìm thấy trong môi trường không khí,nước và đất từ hoạt động của con người và tiến trình tự nhiên. Nguồn tự nhiên: Bao gồm hoạt động của núi lửa, cháy rừng.Toluene còn là phần tự nhiên của dầu thô, xăng và khói thuốc lá.
Nguồn nhân tạo : Toluene có thể gia nhập vào môi trường nếu như ta sử dụng sơn, chất pha loãng sơn, lớp sơn bóng móng tay, keo, và xăng. Khi làm việc với những chất có toluene, toluene có thể hóa hơi và tồn tại trong không khí.Toluene gia nhập vào bề mặt nước và nước ngầm từ việc tràn dung môi và xăng dầu cũng như việc rò rỉ từ những hầm lưu trữ dưới đất ở những trạm xăng. Việc rò rỉ của những hầm lưu trữ dưới đất cũng có thể làm nhiễm toluene và trong đất. Xăng có chứa 5-7% về trọng lượng,cũng chính là nguồn lớn phóng thích toluene và không khí.
Nguồn chủ yếu phơi nhiễm toluene phổ biến chung nhất là từ xăng. Toluene đã phóng thích vào không khí trong quá trình sản xuất, vận tải, và đốt cháy xăng. Nồng độ toluene cao nhất ở những khu giao thông dày đặc, gần các trạm xăng 7 và gần khu công nghiệp tinh chế xăng. Toluene có đời sống ngắn trong không khí và nó phản ứng với nhiều chất ô nhiễm khác trong không khí.
Tất cả những sản phẩm trong nhà, khói thuốc đều góp phần phóng thích toluene và không khí trong nhà. Ô nhiễm không khí trong nhà thường cao hơn bên môi trường ngoài vài lần. Trong khói thuốc lá của một điếu thuốc chứa khoảng 80- 100µg toluene. Khi các sản phẩm có chứa toluene được thải ở bãi rác và các khu chưa chất thải, toluene có thể xâm nhập vào đất và nước ở những nơi gần bãi chứa chất thải.4 Tác động của toluene đến hệ sinh thái và con người Hệ sinh thái: Toluene được tìm thấy trong môi trường tự nhiên.
Hoạt động giao thông và sản xuất công nghiệp là hai nguồn chính làm toluene phát tán vào môi trường. Toluene có trong không khí do từ nguồn phát thải đốt cháy than và dầu, chất thải có chứa toluene, các bình chứa lưu trữ khói xe,và hơi bốc từ các trạm xăng. Trong thuốc lá cũng chứa hàm lượng nhất định toluene, khói thuốc cũng là nguồn phát thải toluene trong không khí. Toluene thường không tồn tại lâu trong môi trường, nó dễ dàng phân hủy thành chất khác bởi các vi sinh vật trong đất và bốc hơi từ bề mặt nước và bề mặt đất vào không khí.
Toluene trong không khí bị oxy hóa thành dạng benzaldehyde và cresol. Đây là những hợp chất gây hại cho con người.