CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1. TÌNH HÌNH Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ DO KHÍ THẢI 1. Thực trạng ô nhiễm không khí ở Việt Nam Theo các thống kê về môi trường, những năm gần đây tất cả các loại khí thải độc hại như HC, CO, SO2, CO2, NOx thải ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu đều đã vượt quá mức tiêu chuẩn cho phép nhiều lần, đặc biệt ở các đô thị lớn của Việt Nam, như TP. Hồ Chí Minh, Hà Nội.
Nguyên nhân chủ yếu là do khí thải từ quá trình đốt cháy nhiên liệu, quá trình sản xuất các nhà máy xí nghiệp và từ các phương tiện giao thông. Các phương tiện giao thông là nguồn gây ô nhiễm không khí chủ yếu tại các đô thị và thành phố lớn, bởi lẽ lượng ôtô, xe máy rất lớn, mật độ dày đặc, số lượng các phương tiện giao thông không ngừng tăng lên mỗi năm (minh họa ở hình 1.1) và hơn nữa, chất lượng xe bị thả nổi không kiểm soát, các phương tiện cũ kỹ vẫn được sử dụng[5]. Đây là áp lực rất lớn đối với môi trường không khí đô thị. Số lượng ô tô và xe máy hoạt động hàng năm của Việt Nam Tại TP.
Hồ Chí Minh, theo thống kê năm 2007 của Sở Giao thông công chính, hiện nay thành phố có khoảng 320.000 xe ô tô, hơn 3,2 triệu xe gắn máy, mỗi ngày sử dụng hết hàng triệu lít xăng, dầu các loại trên đường phố. Hơn 70% số xe máy đang lưu hành tại thành phố có tuổi từ 5 năm đến 10 năm trở lên. Nhiều xe được sản xuất từ Chuyên ngành Hóa dầu 1 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT cuối những năm 60 của thế kỷ trước, nay vẫn còn hoạt động, không ít xe tuy còn trong thời hạn bảo hành chất lượng, nhưng vẫn không đạt tiêu chuẩn an toàn về khí thải. Ngoài ra, còn có gần một triệu xe ô tô, gắn máy đăng ký từ các địa phương khác (của lực lượng lao động đến từ các tỉnh) đang sử dụng tại thành phố cũng góp phần làm cho bầu không khí thành phố thêm ngột ngạt, ô nhiễm hơn (hình 1.
Lượng xe lưu thông ở cầu Sài Gòn vào giờ cao điểm Khí thải từ các phương tiện giao thông vận tải là nguồn gây ô nhiễm chính cho môi trường không khí. Trong thành phần của khí thải động cơ có chứa chủ yếu là CO2, hơi nước và một lượng các chất gây ô nhiễm như CO, VOCs, NOx, SO2 và bụi mịn. Các khí ô nhiễm của các loại phương tiện khác nhau có tỉ lệ phát thải khác nhau. Xe máy là nguồn đóng góp chính các khí như CO, HmCn và VOCs.
Trong khi đó, xe tải lại thải ra nhiều SO2 và NOx (minh họa hình 1.3 Tỷ lệ phát thải chất gây ô nhiễm do các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ của Việt Nam Chuyên ngành Hóa dầu 2 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT Khí thải từ các động cơ xe máy là nguồn gây ô nhiễm CO chủ yếu ở các thành phố lớn. Hàng năm, trên toàn cầu sản sinh khoảng 600 triệu tấn CO, một trong những khí nguy hiểm nhất đối với con người và khí quyển trái đất [6], nồng độ CO tại các đường giao thông đều vượt QCVN (30. Tác hại Ô nhiễm môi trường không khí có tác động xấu tới sức khỏe con người, ảnh hưởng đến các hệ sinh thái và làm biến đổi khí hậu. Ô nhiễm không khí ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe, thông qua đường hô hấp.
Ô nhiễm không khí (đặc biệt là ô nhiễm bởi CO) là kẻ giết người thầm lặng, ảnh hưởng đến hô hấp, sự phát triển của thai nhi, làm chậm phát triển thần kinh, trí não, tâm thần vận động ở trẻ em. Theo thống kê của Tổ chức Y tế thê giới (WHO), hằng năm trên thế giới có khoảng 2 triệu trẻ em bị tử vong do nhiễm khuẩn hô hấp cấp, trong đó 60% trường hợp có liên quan đến ô nhiễm không khí [1]. HỢP CHẤT CACBON MONOXIT(CO) 1. Nguồn gốc hình thành CO được hình thành do việc đốt cháy không hết nhiên liệu hóa thạch như than, dầu và một số chất hữu cơ khác.
Lượng CO thải ra từ các nhà máy phát điện cũng là một nguồn ô nhiễm chính đối với môi trường không khí. Theo [4], khí CO do nhà máy nhiệt điện than thải ra là 90 mg/KWh, nhà máy nhiệt điện FO là 72 mg/KWh, nhà máy phát điện turbine hỗn hợp khí là 40 mg/KWh. CO cũng tồn tại với một lượng nhỏ nhưng tính về nồng độ là đáng kể trong khói thuốc lá. Trong gia đình, khí CO được tạo ra khi các nguồn nhiên liệu như xăng, hơi đốt, dầu hay gỗ không cháy hết trong các thiết bị dùng chúng làm nhiên liệu như xe máy, ô tô, lò sưởi và bếp lò.
Tính chất CO là chất khí không màu, không mùi, không vị, rất bền với nhiệt. Chuyên ngành Hóa dầu 3 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT Hình 1. Hợp chất CO + Khối lượng phân tử: 28,01 g/mol + Độ hòa tan trong nước: 26 g/m3 + Điểm nóng chảy: -205 C + Tỷ trọng: 1,145 kg/m3 ở 25 oC; 1,25 kg/m3 ở 0 oC + Điểm sôi: -192 oC Phân tử CO có cấu hình electron: (slk)2 (s*)2 (xlk)2 (ylk)2 (zlk)2 Vì vậy, liên kết C – O có năng lượng rất lớn (1. Độ dài của liên kết hóa học (0,112 nm) chỉ ra rằng nó có đặc trưng liên kết ba một phần.
Phân tử có momen lưỡng cực nhỏ ( = 0,112 D) và thông thường được biểu diễn bằng 3 cấu trúc cộng hưởng: C O C O C O CO kém hoạt động ở nhiệt độ thường nhưng ở nhiệt độ cao khả năng khử tăng lên mạnh. Ở khoảng 700 C, CO cháy trong không khí cho ngọn lửa màu lam: 2CO + O2 → 2CO2 (H = – 283 kJ/mol) Do phản ứng phát nhiều nhiệt nên ở điều kiện và tỉ lệ thích hợp, hỗn hợp CO và O2 cũng là hỗn hợp nổ giống hỗn hợp H2 và O2. Ở nhiệt độ thường, CO không tương tác với O2 nhưng tương tác đó xảy ra trên bề mặt của một số chất xúc tác (ví dụ hỗn hợp xúc tác MnO2 và CuO,…). CO thể hiện tính khử trong một số phản ứng với các oxit kim loại có độ hoạt động hóa học yếu ở nhiệt độ cao.
Ví dụ: CO + CuO → CO2 + Cu Ở 300 C và có niken xúc tác, CO tương tác với H2 tạo nên CH4: CO + 3H2 → CH4 + H2O Chuyên ngành Hóa dầu 4 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT Ngoài khả năng oxi hóa – khử, nhờ cặp electron tự do ở cacbon, phân tử CO có khả năng kết hợp với một số chất như kim loại chuyển tiếp tạo thành cacbonyl kim loại, một số clorua kim loại tạo thành những phức chất. Tác hại CO là một khí cực kỳ nguy hiểm đối với sức khỏe con người. Hít thở phải một lượng quá lớn CO sẽ dẫn tới thương tổn do giảm oxi trong máu hay tổn thương hệ thần kinh, có thể dẫn đến tử vong. Nồng độ chỉ khoảng 0,1% CO trong không khí cũng có thể làm nguy hiểm đến tính mạng.
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 oxy nên khi được hít vào phổi CO sẽ gắn chặt với Hb thành HbCO. Do đó, máu không thể chuyên chở oxi đến tế bào. CO còn gây tổn thương tim do gắn kết với myoglobin của cơ tim.
Triệu chứng ngộ độc CO thường bắt đầu bằng cảm giác bần thần, nhức đầu, buồn nôn, khó thở rồi từ từ đi vào hôn mê. Nếu ngộ độc CO xảy ra khi đang ngủ say hoặc uống rượu say thì người bị ngộ độc sẽ hôn mê từ từ, ngưng thở và tử vong. Ngộ độc CO có thể xảy ra ở những trường hợp như chạy máy nổ phát điện trong nhà kín, sản phụ nằm lò than trong phòng kín,. Nếu vẫn tiếp xúc với CO thường xuyên có thể dẫn đến những thay đổi về tính tình, mất trí nhớ, chấn thương phổi nghiêm trọng, tổn thương não và nặng nề nhất có thể dẫn đến tử vong.
Ngoài ra, một báo cáo gần đây kết luận rằng tiếp xúc với CO có thể làm giảm đáng kể về tuổi thọ sau khi tiếp xúc do thiệt hại cho cơ tim [24]. XỬ LÝ CO BẰNG PHẢN ỨNG OXI HÓA VỚI XÚC TÁC 1. Các phương pháp xử lý CO [9,10] Hiện nay, có các phương pháp để xử lý khí CO như phương pháp hấp thụ, phương pháp hấp phụ, phương pháp đốt nhiệt, phương pháp xử lý bằng xúc tác. Trong các phương pháp xử lý trên: phương pháp hấp thụ và hấp phụ là các phương pháp xử lý không triệt để do nó chỉ chuyển khí thải từ hình thức này sang hình thức khác (tạo sản phẩm thứ cấp); phương pháp đốt nhiệt: tiêu tốn năng lượng cao; phương pháp xúc tác: rẻ tiền, hiệu quả cao,… Do vậy, phương pháp xúc tác thường Chuyên ngành Hóa dầu 5 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT được quan tâm nghiên cứu, ứng dụng trong những năm gần đây.
Vấn đề nằm ở chỗ tìm ra các hệ xúc tác có hoạt tính cao, ổn định, bền với tạp chất đầu độc nhằm nâng cao hiệu suất phản ứng oxi hóa CO thành CO2 trong những điều kiện không quá khắc nghiệt và không phải tiêu tốn quá nhiều năng lượng để gia nhiệt (nhiệt độ xử lý của xúc tác không quá cao).2 Ưu điểm của phương pháp oxi hóa xúc tác [15] Phương pháp oxi hóa xúc tác có hiệu quả xử lý cao, phạm vi ứng dụng rộng và có nhiều ưu điểm cụ thể như: - Chuyển hóa hoàn toàn CO thành CO2 bằng phản ứng oxi hóa rồi xử lý tiếp bằng các phương pháp hấp thụ truyền thống. - Hệ thống phản ứng đơn giản nhưng vẫn có thể đạt được hiệu quả cao khi sử dụng xúc tác thích hợp. - Xúc tác có thể hoàn nguyên tái sử dụng nhiều lần. - Không phải tiêu tốn quá nhiều năng lượng để gia nhiệt.
- Cho phép xử lý khí đa cấu tử với các chất bẩn có nồng độ ban đầu từ thấp đến cao vẫn đạt được mức làm sạch cao. - Bố trí được nhiều hệ phản ứng hoạt động song song hoặc xen kẽ, nhờ đó thiết bị có thể hoạt động liên tục.