I. NGUỒN GỐC CỦA CH 4 TRONG KHÍ QUYỂN Khí metan trong tầng khí quyển đã được biết đến từ những năm 1940. CH 4 có khả năng hấp thu mạnh năng lượng của tia hồng ngoại. Hàm lượng CH 4 trong khí quyển vào khoảng 1,7 ppm.V (ppm V = một phần triệu theo thể tích) ở Bắc bán cầu, và 1,6 ppm.V ở Nam bán cầu (Rasmussen và Khalil, 1986; Steele et al. 1987). Trong thời gian qua lượng CH 4 trong khí quyển ngày càng gia tăng. Chỉ tính riêng trong giai đoạn 1978 – 1983, lượng CH 4 tăng trung bình 18 ppb.V/năm (ppb.V: một phần tỷ theo thể tích) hoặc 1,1% (Bolle et al, 1986). Nguyên nhân làm tăng CH 4 trong khí quyển là do các nguồn thải tăng trong khi nguồn hấp thu hoặc phân hủy CH 4 lại có hạn (Khalil và Rusmussen, 19885). Lượng phát thải CH 4 từ các nguồn khác được trình bày ở bảng …. (Bouwman, 1990) Nguồn Lượng CH 4 (10 12 g CH 4 /năm) Đồng lúa 60-140 Đất ướt 40-160 Bãi rác thải 30-70 Đại dương, mặt nước khác 15-35 Động vật nhai lại 66-99 Mối 2-5 Khai thác khí thiên nhiên 30-40 Khai thác than 35 Đốt sinh khối 55-100 Các nguồn khác 1-2 Tổng cộng 334-714 Tổng nguồn phát thải 400-600 Tổng nguồn hấp thụ 300-6500 Bảng: Trong hoạt động sản xuất nông nghiệp: ngành nông nghiệp chiếm 12,5% lượng khí thải nhà kính và 40% lượng mêtan trong tổng lượng khí thải. Trong đó sản xuất lúa gạo và chăn nuôi gia súc là hai nguồn thải mêtan lớn nhất. - Quá trình giải phóng CH 4 từ đất lúa : Quá trình giải phóng CH 4 từ đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Theo Sebacher et al.(1986) khi đất bị ngập nước trên 10 cm ít có tác động làm tăng quá trình giải phóng CH 4 . Còn khi mực nước dưới 10 cm thì quá trình giải phóng CH 4 , có tương quan thuận với độ sâu tầng đất ngập. Trong phẫu diện đất ngập nước thường chia ra các tầng có mức độ khử khác nhau. Tầng mặt vẫn được xem là tầng oxy hóa, tiếp đến là tầng khử chứa nhiều Fe 2+ , Mn 2+ và vẫn còn tồn tại NO 3 - . Tiếp theo là tầng khử SO 4 2- và cuối cùng là tầng sản sinh khí CH 4 , đây cũng là tầng có điện thế oxy hóa khử thấp. Một phần CH 4 được hình thành ở tầng sản sinh CH 4 có thể bị phân hủy ngay ở tầng đất oxy hóa và thực tế chỉ có khoảng 23% được thoát vào khí quyển. Trong trường hợp không có cây lúa, khoảng 35% lượng khí này sẽ phát thải vào khí quyển (Holzapfel – Pschoru et al, 1986). Hình … Hơn 90% diện tích trồng lúa trên thế giới là diện tích đất ngập nước trong điều kiện nhiệt độ nóng ẩm, đây là điều kiện tối ưu cho sự sản sinh khí mêtan thông qua quá trình phân hủy kỵ khí. Năm 2000, tổng lượng mêtan phát thải do hoạt dộng sản xuất lúa gạo là 625 triệu tấn, chiếm 15 - 20% tổng lượng mêtan do con người tạo ra. Đồ thị …() Từ đồ thị trên, ta thấy được sự gia tăng đột biến của lượng khí thải metan trong các năm gần đây. Trong đó lượng mêtan trong sản xuất lúa gạo là nguồn thải chiếm tỉ lệ nhiều nhất trong tổng lượng khí thải ra. Nhưng trong vài thập kỷ trở lại đây do sự phát triển của chăn nuôi, thì lượng mêtan phát thải từ chăn nuôi đã nhiều hơn từ sản xuất lúa gạo. Riêng ở Việt Nam chúng ta, là nước xuất khẩu gạo đứng thứ 2 trên thế giới với sản lượng hằng năm là trên 30 triệu tấn thì lượng phát thải mêtan từ lúa gạo là chủ yếu. Hình : Sơ đồ phát thải mêtan ở Việt Nam Việt Nam là quốc gia có lượng phát thải mêtan đứng thứ 15 trên thế giới, trong đó hoạt động sản xuất lúa gạo chiếm 58%. - Chất thải chăn nuôi, từ dạ dầy của các loài nhai lại : Khí mêtan được sinh ra từ quá trình lên men thức ăn trong hệ thống tiêu hóa của động vật nhờ sự phân hủy yếm khí của hai loại vi khuẩn là methanogenic và protozoa, quá trình này gọi là quá trình lên men enteric. Thức ăn thô xơ được phân hủy một phần nhờ vi sinh vật phân giải chất xơ (xenlulozo). Quá trình phân giải Cacbonhydrat phức tạp sinh ra các đường đơn. Phương trình lên men glucoza, sản phẩm trung gian của quá trình phân giải các gluxit phức tạp để tạo ra các axit béo bay hơi như sau: Axit axetic C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O  2CH 3 COOH + 2CO 2 +4H 2 Axit propionic C 6 H 12 O 6 + 2H 2  2CH 3 CH 2 COOH +2H 2 O Khí mêtan mH 2 + CO 2  CH 4 + 2H 2 O Phần lớn các axit béo bay hơi được hấp thụ qua vách dạ cỏ trở thành nguồn năng lượng chính cho gia súc nhai lại. Còn các khí thể sẽ thoát ra ngoài qua phản xạ ợ hơi. Trung bình một con cừu thải ra 30 lít khí mêtan một ngày, và một con bò sẽ thải ra 200 lít một ngày. Loại vật nuồi/năm 2000 2005 2010 2015 2020 2030 Bò sữa 2,14 6,35 7,84 16,1 30,5 54,9 Bò thịt 194 260 278 444 564 714 Trâu 160 161 162 164 165 192 Dê 2,72 6,57 7,6 18,0 19,5 22,5 Bảng : Phát thải mêtan từ động vật nhai lại ở Việt Nam, tấn/năm ( tính toán dựa trên dữ liệu ) Như vậy, theo ước tính nền chăn nuôi gia súc thế giới mỗi năm thải ra khoảng 80 triệu lít khí mê tan, chiếm khoảng 28% lượng khí thải mê tan được thải ra do hoạt động của con người. Hình : Lượng gia súc thuộc động vật nhai lại và nồng độ khí mêtan tương ứng trên thế giới - Từ hoạt động khai thác dầu mỏ, đốt nhiên liệu hóa thạch, chưng cất than đá - Khí sinh ra từ các hoạt động phân hủy kỵ khí Ở các vùng ngập nước như đầm lầy, ao hồ, trầm tích mêtan dưới đáy biển. Những vùng đất ngập nước, như đất than bùn, có hàm lượng cao đất mùn giàu hợp chất hữu cơ, hình thành trong quá trình phân hủy các sinh vật sinh học như thực vật. Khi mực nước cao các loại đất này ẩm ướt và do đó thiếu oxy làm cho các hợp chất hữu cơ chấp nhận electron từ vi khuẩn hô hấp – một việc gần giống như sạc một cục pin khổng lồ vậy. Điều này làm cho electron không được các vi khuẩn hình thành mêtan sử dụng, và do đó ngăn không cho các vi khuẩn này thải mêtan vào trong khí quyển. Vùng đất ngập nước trên thế giới che phủ khoảng 5% bề mặt đất không đóng băng trên hành tinh, nghĩa là tương đương với kích thước của nước Úc: nhưng chúng có ảnh hưởng không cân xứng đến sự chuyển hóa mêtan trên hành tinh - đóng góp từ 15 đến 40% thông lượng mêtan toàn cầu vào trong khí quyển. Những vùng đất ngập nước lớn nhất thế giới là những khu rừng đầm lầy ở Amazon và các vùng đất than bùn ở Siberia. - Từ đốt cháy sinh khối và bãi rác : Việc đốt cháy các sinh khối và các chất thải hữu cơ cũng là nguồn phát thải CH 4 vào khí quyển. Crutzen et al(1979) đã ước đoán lượng CH 4 sinh ra do đốt sinh khối trên toàn cầu vào khoảng 25 – 110 Tg CH 4 /năm. Nếu tính từ đốt các chất thải từ nông nghiệp thì tỷ lệ CH 4 /CO 2 sẽ là 1 : 53. Ở các bãi rác, CH 4 được hình thành do qua trình phân huỷ kỵ khí các chất hữu cơ. Ước đoán lượng CH 4 sinh ra từ các bãi rác thải trên toàn thế giới là 30 – 70 Tg CH 4 (Bingemer và Crutzen, 1987). Số liệu này được tính trên cơ sở phân huỷ sinh học khoảng 85 x 10 6 T C/năm ở các bãi rác trên thế giới. Trong đó có khoảng 20% từ các nước đang phát triển. Mức độ giải phóng CH 4 được dựa trên tỷ lệ: 0,5 kg CH 4 trên 1 kg C phân huỷ. Sự phân hủy kỵ khí chất thải có thể biểu diễn theo phương trình sau : Chất hữu cơ + H 2 O (vsv)  chất hữu cơ đã bị phân hủy sinh học + các khí khác (rác) ( mêtan ) II. TÍNH CHẤT HÓA HỌC VÀ CÁC PHẢN ỨNG CỦA CH 4 TRONG KHÍ QUYỂN 2.1 Tính chất vật lý Mêtan là chất khí, không màu, không mùi, nhẹ hơn không khí, rất ít tan trong nước. Nó hóa lỏng ở −162 °C, hóa rắn ở −183 °C, rất dễ cháy, 1m 3 mêten ở áp suất thường có khối lượng 717 g. 2.2 Tính chất hóa học 2.1.1. Phản ứng cháy Trong phản ứng cháy của mêtan có một số bước. Trước tiên, mêtan tạo ra gốc metyl (CH 3 ), gốc này phản ứng với ôxy sinh ra formaldehyde (HCHO hoặc H 2 CO) cho gốc formyl (HCO) để tạo thành cacbon monoxit. Quá trình này được gọi là sự nhiệt phân ôxi hoá: CH 4 + O 2 → CO + H 2 O Sau đó, hydro bị ôxi hóa tạo ra H 2 O và giải phóng nhiệt. H 2 + ½ O 2 → H 2 O Cuối cùng, CO bị ôxi hóa tạo thành CO 2 , và giải phóng thêm nhiệt. CO + ½ O 2 → CO 2 Nếu không đủ oxi, metan bị cháy không hoàn toàn, khi đó ngoài CO 2 và H 2 O còn tạo ra các sản phẩm như CO, muội than, không những làm giảm năng suất tỏa nhiệt mà còn gây độc hại cho môi trường. Khi có xúc tác, nhiệt độ thích hợp, metan bị oxi hóa không hoàn toàn tạo thành dẫn xuất chứa oxi, ví dụ: CH 4 + O 2 → HCH=O + H2O 2.1.2.Phản ứng thế Khi chiếu sáng hoặc đốt nóng hỗn hợp mêtan và clo sẽ xảy ra phản ứng thế lần lượt các nguyên tử hiđro bằng clo: CH 4 +Cl 2 →CH 3 Cl+HCl metyl clorua (clometan) CH 3 Cl+Cl 2 →CH 2 Cl 2 +HCl metylen clorua (điclometan) CH 2 Cl 2 +Cl 2 →CHCl 3 +HCl clorofom (triclometan) CHCl 3 +Cl 2 →CCl 4 +HCl cacbon tetraclorua(tetraclometan) Phản ứng thế H bằng halogen thuộc loại phản ứng halogen hóa, sản phẩm hữu cơ có chứa halogen gọi là dẫn xuất halogen Cơ chế phản ứng halogen hóa Phản ứng clo hóa và brom hóa ankan xảy ra theo cơ chế gốc - dây chuyền. Bước khơi mào: Bước phát triển dây chuyền: Bước đứt dây chuyền: 2.1.3. Phản ứng phân hủy Mêtan có thể bị phân hủy ở nhiệt độ trên 1000 o C : CH 4 → C + 2H 2 Hoặc khi tác dụng với Cl 2 dưới ánh sáng trực tiếp : CH 4 + 2Cl 2 → C + 4HCl 2.1.4 Phản ứng với hơi nước Trong công nghiệp mêtan tác dụng với hơi nước ở nhiệt độ ( 700 o C – 1100 o C) CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 2.2 Phản ứng của CH 4 trongkhí quyển 2.2.1. Phản ứng quang hóa Mêtan phản ứng với một nguyên tử oxi tạo ra gốc hydroxyl quan trọng và gốc ankyl. CH 4 + O → H 3 C + + OH - 2.2.2. Phản ứng của CH 4 ở tầng bình lưu Ở tầng bình lưu CH 4 thúc đẩy sự tạo thành nước. Sự gia tăng hơi nước gây hiệu ứng nhà kính mạnh hơn nhiều so với hiệu ứng trực tiếp của CH 4. CH 4 + 2O 2 + hv → CO 2 +H 2 O 2.2.3 Phản ứng của CH 4 ở tầng đối lưu Hầu hết CH 4 có mặt trong tầng đối lưu sẽ bị oxy hóa thành CO. Có khoảng 50% CO trong khí quyển được sinh ra từ chuỗi các phản ứng oxy hóa metan. Quá trình biến đổi metan dẫn đến sự hình thành chất trung gian là formaldehyt HCHO như sau: CH 4 + OH → HCH 2 * +H 2 O HCH 2 * + O 2 → HCH 2 O 2 * Tùy vào nồng độ NO trong khí quyển mà xảy ra các phản ứng sau: • Khi NO > 10 ppt [...]... gây hiệu ứng nhà kính Khí nhà kính Phần tram CO2 50% CFC 20% CH4 16% O3 8% N2O 6% Hơi nước O3 CO2 Các khí nhà kính chủ yếu Các khí CFC CH4 N2O Các loại hiệu ứng nhà kính Hiệu ứng nhà kính khí quyển Là hiệu ưng nhà kính tự nhiên, có tác động tích cực đến Trái Đất cụ thể nhờ có hiệu ứng nhà kính khí quyển mà nhiệt độ Trái Đất được sưởi nóng lên 380C, đồng nghĩa với việc trên thực tế, nếu không có hiệu ứng. .. Đất 3.2 Vai trò của CH4 trong hiệu ứng nhà kính Khí CH4 là một trong các khí tác động mạnh mẽ gây ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính Mặc dù CO2 là nguyên nhân chính gây hiệu ứng nhà kính, còn CH4 chỉ thải vào không khí một lượng thấp hơn rất nhiều thế nhưng CH 4 có hại cho khí hậu lớn gấp 30 lần so với cùng một lượng nhất định khí CO 2 và chiếm 13% trong cơ cấu các khí gây hiệu ứng nhà kính Người ta tính... Peoxiaxyl nitrat (peroxyacyl nitrates) gọi tắt là PAN là thành phần chính của khói quang hóa và rất độc III CH4 VÀ HIỆU ỨNG NHÀ KÍNH III.1 Tổng quan về hiệu ứng nhà kính Hiệu ứng nhà kính là hiệu ứng xảy ra khi năng lượng bức xạ của tia sáng mặt trời, xuyên qua các cửa sổ hoặc mái nhà bằng kính, được hấp thụ và phân tán trở lại thành nhiệt lượng cho bầu không gian bên trong, dẫn đến việc sưởi ấm toàn... bão, lũ và rất nhiề hiện tượng tự nhiên bất thường khác, gây thiệt hại nặng nề về người và của, Vậy những nguyên nhân nào gây ra hiệu ứng nhà kính:    Các khí gây hiệu ứng nhà kính Khí nhà kính là những khí có khả năng hấp thụ các bước sóng dài (hồng ngoại) được phản xạ từ bề mặt trái đất khi được chiếu sang Bằng ánh sáng mặt trời, sau đó phân tán nhiệt lại cho Trái Đất, gây nên hiệu ứng nhà kính. .. tưởng tượng một cách đơn giản như sau các khí nhà kính chứa trong bầu khí quyển như thể là một tấm kính dày bao bọc Trái Đất, lúc này dựa theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính, thì bức xạ Mặt Trời chiếu xuống Trái Đất sẽ bị các khí nhà kính giữ lại, kết quả làm cho toàn bộ khí quyển nóng dần lên và theo đó Trái Đất cũng nóng dần lên Từ đó ta định nghĩa hiệu ứng nhà kính là hiên tượng các tia bức xạ sóng ngắn... 380C, đồng nghĩa với việc trên thực tế, nếu không có hiệu ứng nhà kính khí quyển, nhiệt độ trung bình trên Trái Đất là 150C Hiệu ứng nhà kính nhân loại Là những hiệu ứng nhà kính do những hoạt động của con người gây nên, cụ thể là từ chính những hoạt động thường ngày như sản xuất nông nghiệp, giao thông vận tải,…, dẫn đến hàm lượng các khí nhà kính tăng lên, từ đó, khí quyển ấm dần leengaay nên những ảnh... đã ước tính trữ lượng metan hidrat trong đáy đại dương vào khoảng 10 triệu triệu tấn Giả thuyết rằng nếu trái đất nóng lên đến một nhiệt độ nào đó, toàn bộ lượng CH 4 này có thể một lần nữa bị giải phóng vào khí quyển, khuếch đại hiệu ứng nhà kính lên nhiều lần và làm trái đất nóng lên chưa từng có CH4 cùng với các khí khác gây nên hiêu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ toàn cầu, nhiệt độ của đại dương,... biệt, việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả tiếp tục tập trung triển khai sẽ không những là giải pháp giúp tiết kiệm chi phí, hạ giá thành sản phẩm mà còn đóng góp lớn vào mục tiêu giảm khí phát thải nhà kính 4.2.2 Trích khí metan từ đập thủy điên Các nhà khoa học cho rằng một lượng lớn khí thải gây hiệu ứng nhà kính có thể được kiềm chế bằng cách thu giữ và đốt cháy khí metan thoát ra từ các... Trời xuyên qua lớp kính thì các tia có bước sóng λ >0,7 μm bị ngăn không cho qua Các tia sáng có bước sóng ngắn hơn 0,7 μm thì sẽ qua được kính Khi đi qua lớp kính sẽ xảy ra tương tác của các photon lên vật chất làm phát xạ tia nhiệt thứ cấp có bước sóng dài (lớn hơn 0,7 μm) , nên không thể đi ra khỏi nhà kính và kết quả là những bức xạ nhiệt này làm cho không gian bên trong nhà kính nóng lên Chúng... cho chăn nuôi và góp phần tích cực vào việc làm giảm phát thải khí nhà kính Bể Biogas còn hạn chế được tình trạng ô nhiễm môi trường nông thôn và sự phát thải gián tiếp khó kiểm soát của các chất thải 4.2 Trong công nghiệp 4.2.1 Giải pháp giảm khí phát thải trong hoạt động dầu khí Theo các chuyên gia cần tiếp tục các giải pháp thu hồi, tái sử dụng khí đồng hành từ quá trình đốt đuốc và thu hồi khí . halogen thuộc loại phản ứng halogen hóa, sản phẩm hữu cơ có chứa halogen gọi là dẫn xuất halogen Cơ chế phản ứng halogen hóa Phản ứng clo hóa và brom hóa ankan xảy ra theo cơ chế gốc - dây. than, không những làm giảm năng suất tỏa nhiệt mà còn gây độc hại cho môi trường. Khi có xúc tác, nhiệt độ thích hợp, metan bị oxi hóa không hoàn toàn tạo thành dẫn xuất chứa oxi, ví dụ: CH 4 + O 2 . TÍNH CHẤT HÓA HỌC VÀ CÁC PHẢN ỨNG CỦA CH 4 TRONG KHÍ QUYỂN 2.1 Tính chất vật lý Mêtan là chất khí, không màu, không mùi, nhẹ hơn không khí, rất ít tan trong nước. Nó hóa lỏng ở −162 °C, hóa rắn