MỞ ĐẦU Hiện tƣợng lắng đọng axit bao hàm cho tất cả các loại giáng thủy: mƣa, tuyết, mƣa tuyết, mƣa đá, sƣơng mù…mà bản chất mang tính axit. Bản chất của nƣớc mƣa thông thƣờng mang tính axit yếu do CO2 của không khí hòa tan trong nƣớc, nƣớc mƣa tinh khiết thƣờng có độ pH khoảng 5,6 – 5,7 [3]. Tuy nhiên thành phần hóa học và pH của nƣớc mƣa thƣờng bị biến đổi do khi rơi xuống mặt đất đã mang theo một lƣợng các chất vết khí và hạt bị rửa trôi (wash out) từ khí quyển. Giá trị pH nƣớc mƣa là một chỉ tiêu rất quan trọng trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm môi trƣờng nói chung và mức độ ô nhiễm không khí nói riêng.
Lắng đọng axit lần đầu tiên đƣợc ghi nhận ở Châu Âu và Bắc Mỹ. Nhiều nhà bác học (Robert – Anh 1852, sau đó là Hans Egner – Thụy Điển đầu thế kỷ 20, Oden – Thụy Điển, Gorham – Mỹ) đã nghiên cứu và lên tiếng cảnh tỉnh nhân loại về nguyên nhân và các hậu quả của lắng đọng axit. Cùng với công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa, rất nhiều các tổ chức thế giới đã đƣợc thành lập và đƣa ra các dự án nghiên cứu về hiện tƣợng lắng đọng axit. Các nhà khoa học đã chứng minh đƣợc rằng các chất gây ô nhiễm không chỉ ảnh hƣởng đến chất lƣợng không khí, đất, nƣớc của khu vực có nguồn phát thải mà nó còn đƣợc vận chuyển xa đến các vùng khác theo dòng luân chuyển không khí có khi vƣợt biển xuyên biên giới sang các nƣớc khác.
Do đây là một vấn đề quan trọng không phải chỉ là của các nƣớc có nguồn phát thải lớn mà của cả các nƣớc xung quanh khu vực. Hiện tƣợng lắng đọng axit gần đây đã đƣợc ghi nhận đáng kể ở một số nƣớc nhƣ Trung Quốc, Nhật Bản, Ấn Độ. Thành phần hóa học của lắng động axit, đặc biệt là nƣớc mƣa có tầm quan trọng lớn để có thể đánh giá đƣợc mức độ ô nhiễm không khí vì đây là môi trƣờng tiếp nhận các chất vết khí và hạt tan. Do vậy, hóa học nƣớc mƣa đã đƣợc nghiên cứu từ những năm 70 ở một vài nƣớc phát triển trên thế giới và trở thành một trong những vấn đề môi trƣờng quan trọng.
1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu này đƣợc thực hiện với nội dung thu thập các mẫu nƣớc mƣa lấy tại các trạm quan trắc khu vực miền Bắc, phân tích thành phần hóa học: các anion, cation chính trong mẫu nƣớc mƣa sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay loại 2 kênh. Nghiên cứu có mục tiêu: - Đánh giá thành phần hóa học, xác định ảnh hƣởng của các ion này đến mức độ axit của nƣớc mƣa, xác định nguồn gốc của các ion này. - Chứng minh khả năng sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay hai kênh trong việc phân tích đồng thời nhóm cation và anion sử dụng cho quan trắc môi trƣờng nƣớc. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1.
Lắng đọng khí quyển và pH của nƣớc mƣa [3,4] 1. Lắng đọng khí quyển Các chất vết trong khí quyển có nồng độ luôn biến đổi theo thời gian và không gian. Thời gian lƣu của chúng có thể một vài giờ, môt vài tuần hoặc một vài năm. Quá trình loại bỏ các chất vết này trong khí quyển hay nói cách khác là quá trình chúng đƣợc chuyển từ bầu khí quyển đến bề mặt trái đất đƣợc gọi là sự lắng đọng khí quyển.
Sự lắng đọng này đƣợc chia làm hai loại: lắng đọng khô và lắng đọng ƣớt. Lắng đọng khô: Là sự chuyển dịch của các chất vết khí và hạt dƣới thời tiết khô tới bề mặt của vật hấp thụ (đất, hệ thực vật và các bề mặt nƣớc) Lắng đọng ƣớt: Là quá trình vận chuyển, chuyển hóa hóa học của các thành phần khí và hạt tới bề mặt trái đất dƣới các hình thức khác nhau nhƣ mƣa, tuyết, sƣơng mù. Quá trình này rất quan trọng vì các thành phần lý hóa học sau này của lắng đọng ƣớt phần lớn phụ thuộc vào quá trình này. Quá trình lắng đọng ƣớt có thể xảy ra theo hai cơ chế: Các vết ở thể khí và hạt đƣợc sát nhập vào các đám mây nhỏ, chúng có thể không tan hoặc bị hòa tan trong nƣớc mây.
Sau khi bị hấp thụ các chất có thể tham gia vào các phản ứng hóa học không thuận nghịch và các thành phần khác trong pha lỏng. Chuyển hóa kiểu này thƣờng xảy ra đối với các chất nhƣ SO2, NOx chúng có thể bị chuyển hóa không thuận nghịch tạo thành axit hoặc muối, quá trình này đƣợc gọi là Rain – out. Các vật chất đƣợc hấp thụ trong mây đi theo lắng đọng ƣớt rơi xuống mặt đất và bị loại bỏ khỏi khí quyển. Các chất vết dƣới tầng đám mây bị bắt giữ vào lắng đọng ƣớt nhờ có sự đông tụ trọng trƣờng do sự khác nhau giữa tốc độ rơi của hạt trong không khí và hạt lắng đọng ƣớt.
3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Quá trình chuyển dịch ƣớt của các chất vết khí và hạt bằng sự rơi của lắng đọng ƣớt dƣới tầng đám mây đƣợc gọi là Wash – out. Quá trình làm sạch khí quyển này là rất quan trọng, nhất là những vùng có không khí bị ô nhiễm. Nhƣ vậy thành phần hóa học của lắng đọng ƣớt chịu ảnh hƣởng của các thành phần trong khí quyển. Hiện nay ngƣời ta đang nghiên cứu xác định mối quan hệ định lƣợng giữa nồng độ một chất trong khí quyển và trong nƣớc mƣa nhƣ một hàm số của các điều kiện khí quyển.
Hiện tượng lắng đọng axit Độ pH của nƣớc mƣa bằng 5,6 ở nhiệt độ 10o C là một giá trị đƣợc xem là một giá trị lý tƣởng, tính cho nƣớc nguyên chất cân bằng với nồng độ CO2 trong không khí. Các chất có nguồn gốc tự nhiên có cơ chế phát sinh và tiêu thụ ở thể cân bằng và tƣơng đối. Chu kỳ vận chuyển của các chất trong thành phần không khí, đất và nƣớc trong tự nhiên là tƣơng đối ổn định. Giá trị pH của nƣớc mƣa tự nhiên dao động trong khoảng 5 – 7 đƣợc coi là ở mức độ bình thƣờng.
Nhƣng con ngƣời trong quá trình cải tạo tự nhiên và trong các hoạt động của mình đã có những tác động vào môi trƣờng gây sự mất ổn định của các chu kỳ vật chất, làm thay đổi thành phần hóa học của đất, nƣớc và đặc biệt là khí. Nồng độ của các chất khí nhƣ NOx, SO2, NH3, hợp chất hữu cơ (CH3COO-, HCOO- …), bụi trong khí quyển… vƣợt quá xa những giá trị của tự nhiên, làm cho pH của sự lắng đọng khí quyển thay đổi (lớn hơn 6 hoặc nhỏ hơn 5), gây ra những hậu quả nghiêm trọng và phức tạp. Nƣớc mƣa có pH < 5 đã đƣợc ghi nhận ở nhiều vùng trên thế giới nhƣ Tây Âu, Bắc Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản … gây thiệt hại lớn về kinh tế và các công trình văn hóa. Hình dƣới đây mô tả một cách đầy đủ sự hình thành mƣa axit từ các khí có trong thiên nhiên cũng nhƣ từ các quá trình hoạt động của con ngƣời gây ra.
4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Sơ đồ quá trình tạo mƣa axit Quá trình này diễn ra theo các phản ứng hoá học: a. Lƣu huỳnh: S + O2 → SO2 SO2 + O2 → SO3 SO3 + H2O → H2SO4 b. Nitơ: N2 + O2 → 2NO 2NO + O2 → 2NO2 3NO2(k) + H2O(l) → 2HNO3(l) + NO(k) 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Axít sunfuric H2SO4 và axit nitric HNO3 là thành phần gây ra mƣa axit 1.
Các nguồn gốc gây mƣa axit Sự có mặt của SO2 và NOx với hàm lƣợng lớn trong khí quyển (vƣợt quá giới hạn cho phép) đang đƣợc coi là nguyên nhân chính gây ra mƣa axit. Ngoài ra các thành phần khác nhƣ NH3, Cl2, CO2… cũng góp phần quyết định tính axit của nƣớc mƣa. Các khí này một phần đƣợc sinh ra trong tự nhiên còn phần lớn là phát thải từ các hoạt động của con ngƣời. Các axit H2SO4, HNO3 đƣợc sinh ra trong khí quyển từ các tiền chất SO2 và NOx là nguyên nhân chính làm giảm pH của nƣớc mƣa.
Thông thƣờng nƣớc mƣa có tính axit cao đƣợc tìm thấy ở những vùng bị ảnh hƣởng bởi hoạt động của con ngƣời. Trong tự nhiên khí SO2 có thể đƣợc sinh ra từ quá trình hoạt động của núi lửa. Đồng thời các lớp rong tảo dƣới biển cũng tích tụ một lƣợng rất lớn các hợp chất sunfua, khí hydrosunfua nên cũng là một trong những nguồn tự nhiên sản sinh ra khí SO2. Một số nghiên cứu của UNEP cho thấy rằng khí SO2 đƣợc phát thải từ các nguồn tự nhiên chiếm khoảng một nửa SO2 trong khí quyển lƣợng này không tăng lên khi mà sunfua trong tự nhiên đƣợc tái tạo và sử dụng theo các cơ chế khác nhau.
Trong tự nhiên khí NOx đƣợc giải phóng từ đất thông qua hoạt động của vi khuẩn và đƣợc tạo thành trong không khí khi có sét. Do sự phân tán khí trong tự nhiên nồng độ của chúng đƣợc pha loãng và tác động rất ít tới nồng độ trong không khí ở những vùng riêng biệt. Phần lớn khí SO2 và NOx do con ngƣời phát thải vào không khí đƣợc tạo ra trong quá trình đốt nhiên liệu. Chủ yếu là dầu thô, xăng, than đá, khí đốt và các sản phẩm dầu mỏ khác.
Một lƣợng nhỏ SO2 đƣợc tạo thành trong quá trình đốt quặng có chứa lƣu huỳnh và lƣu huỳnh nguyên tố để sản xuất axit sunfuric (H2SO4) hoặc do các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình đốt hoặc chƣng cất các hợp chất hữu cơ trong công nghệ sản xuất giấy. Khí SO2, SO3, H2SO4 (ở dạng mù) thƣờng thấy trong thành phần của khí lò ở nhiệt độ cao. Một trong 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com những nguồn đóng góp chính vào việc thải NOx là ống xả của các phƣơng tiện giao thông. Trong số bảy oxit nitơ (N2O, NO, N2O3, N2O4, NO2, NO3, N2O5) chỉ có NO và NO2 đƣợc tăng lên từ nhiều hoạt động của con ngƣời và đƣợc coi là chất gây ô nhiễm.
Trong các đánh giá chất lƣợng môi trƣờng chúng thƣờng đƣợc báo cáo là tổng oxit nitơ hoặc NOx. Quá trình điều tra cho thấy năm 1998 số lƣợng ô tô trên toàn cầu vƣợt quá 400 tỷ, hơn 1,5 tỷ phƣơng tiện giao thông ngày nay là ở trên đƣờng, nhiều hơn 10 lần so với 1950. Đặc biệt nguy hại hơn ở các nƣớc nghèo, kém phát triển các phƣơng tiện giao thông thƣờng là cũ đƣợc khôi phục lại và sửa chữa lại, chạy quá tải và bảo dƣỡng kém.