Chương 1 TỔNG QUAN 1 1.1 Ô nhiễm từ khí thải Theo thống kê của tổ chức bảo vệ sức khỏe thế giới (WHO), mỗi năm khí quyển nhận một lượng khí thải rất lớn với khoảng 250 triệu tấn bụi, 200 triệu tấn CO, 150 triệu tấn SOx, 50 triệu tấn NOx, hơn 50 triệu tấn hydrocacbon và 20 triệu tấn CO2, mà phần lớn lượng khí thải đó là từ quá trình đốt nhiên liệu thải ra [27]. Trước tình hình kinh tế nước ta đang phát triển, năng lượng cho sản xuất (chủ yếu là từ động cơ xăng, diesel) ngày trở nên hết sức quan trọng. Các khí thải từ động cơ với thành phần gồm các chất: CO, các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs), NOx, khí nhà kính CO2, bụi và hơi nước đang góp phần gây ô nhiễm môi trường và gây nguy hại đối sức khoẻ con người. Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocacbon với không khí chỉ sinh ra CO2, H2O và N2.
Tuy nhiên, do hỗn hợp không đồng nhất một cách lí tưởng cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ đốt trong luôn có chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như oxit nitơ (NO, NOx, N2O, gọi chung là NOx), monoxit cacbon (CO), các hydrocacbon (HC) chưa cháy và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng. Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành. Ở động cơ Diesel, nồng độ CO rất bé, chiếm tỉ lệ không đáng kể; nồng độ HC chỉ bằng khoảng 20% nồng độ HC của động cơ xăng còn nồng độ NOx của hai loại động cơ có giá trị tương đương nhau.1 Biến thiên nồng độ các chất ô nhiễm (c) theo hệ số dư lượng không khí (a) 2 Ở nước ta hiện nay nhiều khu công nghiệp mới được hình thành, các phương tiện giao thông tăng lên nhanh chóng đã làm cho môi trường càng thêm ô nhiễm nghiêm trọng. Hiện ở các thành phố lớn ở Việt Nam vấn đề mà mọi người quan tâm nhiều là nạn kẹt đường, tắt đường mà ít ai quan tâm nhiều đến vấn đề khí thải gây ô nhiễm môi trường.
Ở Việt Nam, phương tiện giao thông chính là xe máy và đây là phương tiện gây ô nhiễm lớn nhất (minh họa ở hình 1.2 Tỷ lệ phát thải của các phương tiện giao thông (Nguồn: Hội thảo Nhiên liệu và xe cơ giới sạch ở Việt Nam, Bộ GTVT và Chương trình môi trường Mỹ Á, 2004) Riêng ở Thành phố Hồ Chí Minh có khoảng 700 nhà máy, 30000 cơ sở sản xuất tiểu thủ công nghiệp và hàng trăm cơ sở đầu tư nước ngoài. Đại đa số các cơ sở chưa có hệ thống xử lý khí thải đúng theo yêu cầu. Theo thống kê sơ bộ thì lượng khí ô nhiễm thải ra hàng năm ở Việt Nam vào khoảng 1017 tấn bụi, 30580 tấn SO2, 390 tấn SO3, 194600 tấn CO2, 260 tấn CO, 7554 tấn NO2, 137 tấn hydrocacbon và 78 tấn andehit. Ở một số nút giao thông lớn trong đô thị, nồng độ CO và NO2 đã vượt quá trị số tiêu chuẩn cho phép [33].
Trong đó, thành phần nguy hại nhất đối với sức khoẻ con người là các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) và CO. Hơn nữa, chúng khó xử lý so với các chất khác (NOx, khí nhà kính CO2, bụi). Như vậy, vấn đề đặt ra là chúng ta phải có những nghiên cứu, những giải pháp hết sức cấp thiết để xử lý những khí thải độc hại CO, các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) nhằm giảm thiểu phát thải khí độc ra môi trường.2 Tác hại của ô nhiễm không khí 1.1 Tác hại của ô nhiễm không khí đến sức khỏe con người Không khí ô nhiễm tác động xấu đến sức khỏe con người, sự tác động đó có thể là tức thời, cấp tính hoặc cũng có thể sự tác động đó mang lại sự biến chứng, di chứng lâu dài cho người hít phải, điều đó tùy thuộc vào loại khí con người hít phải và nồng độ của khí đó. Các khí thải như CO, NOx, SOx có tác động trực tiếp đến đường hô hấp của con người, có thể gây nên các biến chứng như khó thở, ngưng thở, viêm đường hô hấp, hủy hoại các tế bào của cơ quan hô hấp … Còn khí thải như VOCs thì có sự ảnh hưởng lâu dài tới sức khỏe của con người như các bệnh về tim mạch, ung thư… 1.2 Tác hại của ô nhiễm không khí đến môi trường Khi khí thải làm thay đổi thành phần khí trong khí quyển sẽ dẫn đến một số biến đổi khí hậu, như sự nóng lên toàn cầu do hiệu ứng nhà kính gây nên.
Khí CO2 là thành phần chính của quá trình cháy gây nên hiệu ứng nhà kính. Sự gia tăng của NOx, đặc biệt là protoxit nitơ N2O có nguy cơ làm gia tăng sự hủy hoại lớp ozone ở thượng tầng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời. Tia cực tím gây ung thư da và gây đột biến sinh học, đặc biệt là đột biến sinh ra các vi trùng có khả năng làm lây lan các bệnh lạ dẫn tới hủy hoại sự sống của mọi sinh vật trên trái đất giống như điều kiện hiện nay trên Sao Hỏa. Mặt khác, các chất khí có tính axit như SO2, NO2, bị oxi hóa thành axit sulfuric, axit nitric hòa tan trong mưa, trong tuyết, trong sương mù.
làm hủy hoại thảm thực vật trên mặt đất (mưa axit) và gây ăn mòn các công trình kim loại.3 Tính chất của CO và VOCs 1.1 Hợp chất CO 1.1 Giới thiệu về CO Có nhiều nguồn phát thải CO, nhưng ngày nay nguồn phát thải chủ yếu gây nên sự mất cân bằng hay gia tăng đáng kể CO là từ các hoạt động đốt cháy nhiên liệu của con người, với mục đích chính là phục vụ cho hoạt động sản xuất và giao thông. Khí thải của động cơ đốt trong tạo ra sau khi đốt các nhiên liệu gốc cacbon (gần như là bất 4 kỳ nguồn nhiên liệu nào, ngoại trừ hydro nguyên chất) có chứa monoxit cacbon, đặc biệt với nồng độ nhiên liệu cao, khi nhiệt độ cháy quá thấp để có thể thực hiện việc oxi hóa trọn vẹn các hydrocacbon trong nhiên liệu thành nước (dạng hơi) và CO2, hoặc do cháy trong điều kiện thiếu O2 trong buồng đốt. Ngoài ra, CO còn được sinh ra từ một số nguồn trong cuộc sống như: khói thuốc, lò sưởi, bếp…Tuy nhiên, lượng phát thải này không phải là chủ yếu.2 Các tính chất lý hóa của CO Cấu tạo phân tử: Hinh 1.3 cấu tạo phân tử CO Cấu hình electron: (slk)2 (s*)2 (xlk)2 (ylk)2 (zlk)2 hay :C≡O: CO là khí không màu, không mùi, bền nhiệt. Tính chất hóa lý: Bảng 1.1 Tính chất hóa lý của CO Tính chất Giá trị Khối lượng phân tử 28,01g/mol 1,145 kg/m3 ở 25 oC; 1,25 kg/m3 ở 0 oC; Tỷ trọng 8 kg/cm3 (rắn) Độ hòa tan trong nước 26 g/m3 Điểm nóng chảy -204 oC Điểm sôi -191,5 oC 5 Liên kết C-O có năng lượng rất lớn, vào khoảng 1070 kJ/mol, lớn nhất trong tất cả các liên kết.
Độ dài của liên kết hóa học nhỏ (0,112 nm) và có momen lưỡng cực không đáng kể ( = 0,112 D). Vì vậy, ở nhiệt độ thường CO trơ, khi nhiệt độ tăng cao, có thể do sự biến đổi cấu trúc bền mà CO có tính khử mạnh. Ở 700 oC, CO cháy trong không khí với ngọn lửa màu xanh nhạt giống như H2 và sinh nhiều nhiệt.1) Ở điều kiện nhiệt độ bình thường CO không tương tác với oxi, tương tác đó có thể xảy ra được trên bề mặt của một số xúc tác oxi hóa như MnO2, CuO.3 Độc tính của CO Khí CO là một khí cực kỳ nguy hiểm, do CO là chất khí không màu, không mùi và không gây kích ứng nên rất nguy hiểm vì người ta không cảm nhận được sự hiện diện của CO trong không khí. CO có ái lực với hemoglobin (Hb) trong hồng cầu mạnh gấp 230 ÷ 270 lần so với ôxy nên khi được hít vào phổi CO sẽ gắn chặt với Hb thành HbCO do đó máu không thể chuyên chở ôxy đến tế bào, làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu O2.
Ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hiểm lâu dài đối với con người, gây tổn thương tim do gắn kết với myoglobin của cơ tim, điều này gây ảnh hưởng tuổi thọ của người thường xuyên tiếp xúc với khí CO [28].2 Mức độ ảnh hưởng của khí CO đối với sức khỏe con người [28] Nồng độ CO (ppm) Ảnh hưởng đối với con người 35 Nhức đầu và chóng mặt trong 6 ÷ 8 giờ tiếp xúc liên tục 100 Nhức đầu nhẹ trong 2 ÷ 3 giờ 200 Nhức đầu nhẹ trong vòng 2 ÷ 3 giờ 400 Đau đầu trong vòng 1 ÷ 2 giờ Chóng mặt, buồn nôn và co giật trong vòng 45 phút. Bất 800 tỉnh trong vòng hai giờ 6 Nhức đầu, chóng mặt, và buồn nôn trong vòng 20 phút. 1600 Chết trong vòng chưa đầy hai giờ Nhức đầu, chóng mặt và buồn nôn trong năm đến mười 3200 phút. Chết trong vòng 30 phút Nhức đầu và chóng mặt trong 1 ÷ 2 phút.
Chết trong vòng 6400 chưa đầy 20 phút 12.800 Bất tỉnh sau 2 ÷ 3 hơi thở. Chết trong vòng chưa đầy 3 phút 1.2 Hợp chất VOCs 1.1 Giới thiệu về VOCs VOCs thực chất là các hợp chất hữu cơ bay hơi rất nhanh. Khi đã lẫn vào không khí, nhiều loại VOCs có khả năng liên kết lại với nhau hoặc nối kết với các phần tử khác trong không khí tạo ra các hợp chất mới. Một số hỗn hợp có nguồn gốc thiên nhiên, một số khác không độc hại lắm.
Ví dụ: Một quả cam vừa được cắt cũng có thể thải ra không khí các VOCs. Hiện nay, nguồn phát thải VOCs rất đa dạng, nhưng gia tăng đột biến đó chính là khí thải từ quá trình đốt nhiên liệu. Trong quá trình đốt cháy nhiên liệu trong động cơ, một phần các hydrocacbon không cháy sẽ bị xả ra ngoài môi trường do quá trình cháy không hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường, chúng gây tác hại đến sức khỏe con người chủ yếu là do các hydrocacbon thơm. Như vậy, VOCs thải ra môi trường từ khí thải động cơ sẽ là chủ yếu các hydrocacbon (ngoài ra có thể có các hợp chất có oxi do quá trình oxi hóa không hoàn toàn hydrocacbon hay các oxigenate có trong nhiên liệu bị thải ra môi trường).