MỞ ĐẦU Môi trƣờng không khí có vai trò rất quan trọng góp phần tạo nên sự sống trên trái đất, cung cấp O2 cho quá trình hô hấp của sự sống hay CO2 cho quá trình quang hợp của các loại sinh vật trên Trái Đất, đây là hai quá trình quan trọng cho sự tồn tại và phát triển của con ngƣời. Do đó chất lƣợng môi trƣờng không khí là vấn đề quan trọng cần đƣợc quan tâm hàng đầu. Với sự phát triển kinh tế nhƣ hiện nay, bảo vệ môi trƣờng không khí không chỉ là của riêng một quốc gia mà còn là vấn đề của tất cả các tập thể cá nhân, mọi vùng, mọi khu vực ở khắp nơi trên Trái Đất. Thực trạng phát triển kinh tế - xã hội của các quốc gia trên thế giới trong thời gian qua đã có những tác động lớn đến môi trƣờng, làm cho môi trƣờng sống của con ngƣời bị thay đổi và ngày càng trở nên tồi tệ hơn.
Những năm gần đây nhân loại đã phải quan tâm nhiều đến vấn đề ô nhiễm môi trƣờng không khí đó là: sự biến đổi của khí hậu - nóng lên toàn cầu, sự suy giảm tầng ôzôn và mƣa axít. Việc bảo vệ các thành phần của môi trƣờng đang là vấn đề cấp bách đối với toàn thể nhân loại. Trong những năm gần đây quá trình công nghiệp hóa, hiện đạị hóa đất nƣớc ta diễn ra mạnh mẽ và đã thu đƣợc nhiều thành công đáng khích lệ. Đặc biệt Việt Nam là một trong những nƣớc sớm vƣợt qua khủng hoảng kinh tế và đang vững bƣớc trên con đƣờng phát triển của mình.
Bên cạnh những thành tựu đó, hoạt động phát triển kinh tế cũng gây rất nhiều tác động tiêu cực không nhỏ tới môi trƣờng nhƣ ô nhiễm, suy thoái môi trƣờng nƣớc, không khí và môi trƣờng đất. Tốc độ công nghiệp hoá - đô thị hoá khá nhanh và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên trong vùng lãnh thổ. Môi trƣờng không khí ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nƣớc thải, khí thải và chất thải rắn. Ở các thành phố lớn, hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trƣờng không khí do không có công trình và thiết bị xử lý chất thải.
Ô nhiễm không khí do sản xuất công nghiệp là rất nặng. Để phục vụ cho nhu cầu phát triển, chúng ta đã tiến hành hàng loạt các hoạt động ảnh hƣởng trực tiếp đến môi trƣờng nhƣ: xây dựng các công trình, nhà cửa, nhà máy, các khu công nghiệp; khai thác tài 2 nguyên làm nguyên liệu phục vụ cho sản xuất. Những hoạt động này đã gây ra những tác động tiêu cực cho môi trƣờng nói chung và không khí nói riêng. Đặc biệt ở thủ đô Hà Nội đang phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm môi trƣờng không khí rất nặng nề.
Ở các khu công nghiệp, các trục đƣờng giao thông lớn đều bị ô nhiễm ở các cấp độ khác nhau, Sự phát thải của các phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ phụ thuộc rất nhiều vào chất lƣợng phƣơng tiện, nhiên liệu, tốc độ, ngƣời lái, tắc nghẽn và đƣờng xá. Xe ô tô, xe máy ở Việt Nam bao gồm nhiều chủng loại, có nhiều xe qua nhiều năm sử dụng và không thƣờng xuyên bảo dƣỡng, hiệu quả sử dụng nhiên liệu thấp, nồng độ chất độc hại và bụi trong khí thải cao. Xe máy hiện vẫn là nguồn đóng góp chính các loại khí ô nhiễm, đặc biệt đối với các khí thải nhƣ CO và VOC. Hàng năm, hàng trăm triệu tấn khí cacbon monoxide (CO) thải vào môi trƣờng gây nhiều hậu quả nghiêm trọng đến sức khỏe con ngƣời [18].
Để đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn về khí thải, nhiều phƣơng pháp xử lý đã đƣợc nghiên cứu và một số đã đƣợc thƣơng mại hóa [19]. Một trong những biện pháp xử lý hiệu quả CO là oxi hóa thành CO2 với sự có mặt của chất xúc tác [2]. Để giảm thiểu sự phát thải của khí CO ra môi trƣờng, có nhiều biện pháp công nghệ đƣợc áp dụng nhƣ: hấp phụ, hấp thụ, đốt cháy,. Trong đó, đốt cháy nhiệt là biện pháp đƣợc ứng dụng khá rộng rãi do tính đơn giản về mặt công nghệ.
Tuy nhiên, phƣơng pháp này tiến hành ở nhiệt độ cao và tiêu tốn khá nhiều năng lƣợng. Trong vài năm gần đây, hệ xúc tác có chứa CeO2 thu hút đƣợc sự quan tâm đặc biệt do CeO2 là một vật liệu đa chức năng có khả năng thúc đẩy phản ứng ở nhiệt độ thấp, làm bền xúc tác ở nhiệt độ cao và có khả năng điều tiết O2 tốt nhờ vào chu trình ôxi hóa khử Ce4+/Ce3+ dễ dàng. Hoạt tính xúc tác của xeri oxit sẽ tăng lên đáng kể khi đƣợc kết hợp với một số oxit kim loại khác. Nhận thấy tình hình cấp thiết của vấn đề, nên tôi đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano CeO2-Fe2O3 và hoạt tính xúc tác phản ứng ô xi hóa khí CO” nhằm mục đích xử lý khí thải CO độc hại ra môi trƣờng.
TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 1. Không khí và đặc tính của nó Không khí là một môi trƣờng mà con ngƣời suốt cuộc đời sống, làm việc và nghỉ ngơi trong đó. Sức khỏe, tuổi thọ và cảm giác nhiệt của con ngƣời phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp của không khí, độ trong sạch và đặc tính lý hóa của nó.
Không khí là hỗn hợp của nhiều chất khí mà chủ yếu là khí Nitơ, Oxy và một ít hơi nƣớc. Ngoài ra trong không khí còn chứa một lƣợng nhỏ các chất khí khác nhƣ cacbonic, các chất khí trơ: Argon, Neon, Heli, Ozon… bụi, hơi nƣớc và các vi trùng. Không khí chứa hơi nƣớc gọi là không khí ẩm. Ngƣợc lại là không khí khô.
Thành phần hóa học của không khí khô tính theo phần trăm (%) thể tích và trọng lƣợng nhƣ trong bảng 1.1: Thành phần các chất trong không khí khô chƣa bị ô nhiễm [1] Tên chất Công thức phân tử Tỷ lệ theo thể tích Nitơ N2 78,09 Ôxy O2 20,91 Argon Ar 0,93 Cacrbon dioxit CO2 0,032 Neon Ne 18ppm Heli He 5,2ppm Metan CH4 1,3ppm Kripton Kr 1,0ppm Hyđro H2 0,5ppm Cacbon monoxit CO 0,10ppm Ôzon O3 0,02ppm Sulfur dioxit SO2 0,001ppm Nitơ dioxit NO2 0,001ppm 4 Thành phần hơi nƣớc trong không khí ẩm thay đổi theo thời tiết, theo vùng địa lý và theo thời gian trong ngày, trong năm. Trên đây là thành phần tự nhiên của không khí sạch. Trong thực tế do hoạt động sinh hoạt, hoạt động công nghiệp và hoạt động giao thông vận tải của con ngƣời cũng nhƣ do tự nhiên mà không khí còn có nhiều chất khí độc: SO2, NO2, NH3, H2S, CH4… làm ảnh hƣởng lớn đến sức khỏe con ngƣời và sinh vật nói chung. Vai trò của không khí Không khí có vai trò vô cùng quan trọng và không thể thiếu đƣợc đối với sự sống của con ngƣời và các hệ sinh thái khác.
Con ngƣời có thể nhịn ăn, nhịn uống trong vài ngày nhƣng không thể nhịn thở trong 5 phút. Sức khỏe và cảm ứng của con ngƣời, sự sinh trƣởng và phát triển của tất cả các loài động thực vật phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hỗn hợp của không khí, độ trong sạch và đặc tính lý hóa của nó. Không khí là lớp áo giáp bảo vệ mọi sinh vật trên trái đất khỏi bị các tia bức xạ nguy hiểm và các thiên thạch từ vũ trụ. Không khí với các thành phần nhƣ khí O2, CO2, NO2 cần cho hô hấp của con ngƣời và động vật cũng nhƣ quá trình quang hợp của thực vật, là nguồn gốc của sự sống.
Không khí giúp duy trì sự cháy và có vai trò quan trọng trong các lĩnh vực sản xuất, y tế và trong công nghiệp. Ngày nay do sự phát triển nhanh chóng kinh tế xã hội, đặc biệt là sự phát triển của ngành giao thông vận tải đƣờng bộ đã làm phát sinh nhiều khói TSP và khí thải độc hại vào môi trƣờng không khí, làm cho không khí bị ô nhiễm trầm trọng. Ảnh hƣởng xấu đến môi trƣờng sống của con ngƣời. Ô nhiễm không khí Ô nhiễm không khí là sự thay đổi lớn trong thành phần của không khí, chủ yếu do khói, bụi, hơi hoặc các khí lạ đƣợc đƣa vào không khí, có sự tỏa mùi, làm giảm tầm nhìn xa, gây biến đổi khí hậu, gây bệnh cho con ngƣời và 5 cũng có thể gây hại cho các sinh vật khác nhƣ động vật và cây lƣơng thực, và có thể làm hỏng môi trƣờng tự nhiên hoặc xây dựng.
Nguồn gây ô nhiễm không khí Việt Nam là nƣớc đang phát triển với nhiều hoạt động mang lại hiệu quả tăng trƣởng kinh tế. Tuy nhiên, song song với việc phát triển kinh tế, các hoạt động phát triển cũng là nguồn phát thải gây ô nhiễm môi trƣờng nói chung và môi trƣờng không khí nói riêng. Trong đó, các nguồn chính gây ô nhiễm môi trƣờng không khí gồm: giao thông vận tải; sản xuất công nghiệp; xây dựng và dân sinh; nông nghiệp và làng nghề; chôn lấp và xử lý chất thải. Có hai nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm môi trƣờng không khí đó là yếu tố tự nhiên và tác động của con ngƣời.
Cụ thể nhƣ sau: Ô nhiễm không khí tự nhiên: + Ô nhiễm do hoạt động của núi lửa: Núi lửa phun ra một lƣợng khổng lồ các chất ô nhiễm nhƣ tro bụi, sunfua đioxit SO2, hyđro sunfua H2S và metan CH4, tác động môi trƣờng của các đợt phun trào núi lửa là rất nặng nề và lâu dài. + Ô nhiễm do cháy rừng: Cháy rừng xảy ra do các nguyên nhân tự nhiên nhƣ hạn hán kéo dài, khí hậu khô và nóng khắc nghiệt. Khi rừng bị cháy nhiều chất độc hại bốc lên và lan tỏa nhƣ khói, tro bụi, các hyđrocacbon không cháy, khí SO2, CO, NOx. + Ô nhiễm do các chất phóng xạ: Trong lòng đất có một số khoáng sản và quặng kim loại có khả năng phóng xạ.
Cƣờng độ phóng xạ càng mạnh, càng gây nguy hiểm cho cuộc sống con ngƣời khi những vật chất phóng xạ ấy có mặt trong môi trƣờng không khí xung quanh. + Ô nhiễm do thực vật, vi khuẩn – vi sinh vật: Các quá trình phân huỷ, thối rữa xác động, thực vật tự nhiên cũng phát thải nhiều chất khí, các phản ứng hoá học giữa những khí tự nhiên hình thành các khí amoniac, mùn, sunfua, nitrit, metan các loại muối v. Các loại bụi, khí này đều gây ô nhiễm không khí. 6 Ô nhiễm không khí nhân tạo: Khói, bụi từ các nhà máy: Chiếm tỷ lệ lớn nhất trong các nguyên nhân gây ra tình trạng ô nhiễm không những không khí mà còn cả nguồn nƣớc, thức ăn.