Bản chất tính chất chất làm ô nhiễm môi trường tự nhiên Bản chất tính chất chất làm ô nhiễm môi trường tự nhiên Bởi: PGS TS NGƯT Phạm Văn Huấn voer_nguyenthanhson duvantoan Mở đầu Vấn đề ô nhiễm môi trường sống người tồn vài kỉ (thí dụ, biết sắc lệnh Karl VI năm 1382 cấm thải “khói độc hôi” Pari) Tuy nhiên, trước phát triển công nghiệp, ô nhiễm môi trường mang tính chất hạn chế địa điểm thời gian lan truyền số lượng tác hại chất ô nhiễm tới thể sống Tình hình thay đổi mạnh tăng trưởng sản xuất công nghiệp dân cư thành phố (đô thị hóa) Dưới dạng tổng quát vấn đề chỗ người trình hoạt động kinh tế tạo chất thải, chất không đưa vào chu trình (do chưa hoàn thiện công nghệ thời lập luận kinh tế) Thêm vào phải kể tới gia tăng tiêu dùng mạnh tập quán ngày phổ biến (ở nước công nghiệp phát triển) vứt bỏ đồ vật không chúng hư hỏng, mà mốt Trong số chất thải sản xuất sinh hoạt người, có nhiều chất (khoáng hữu cơ) không chịu phân hủy sinh học (chất dẻo, thuốc bảo vệ động thực vật, đồ gốm, kim loại không rỉ, đồng vị phóng xạ v.v ) Trước chuyển sang phân tích chất gây nhiễm khí quyển, đưa định nghĩa thuật ngữ “ô nhiễm” Ô nhiễm sinh thái hiểu biến đổi bất lợi môi trường, hoàn toàn hay phần kết hoạt động người, trực tiếp hay gián tiếp làm thay đổi phân bố lượng tới, mức phóng xạ, tính chất lý hóa môi trường điều kiện tồn thể sống Những biến đổi ảnh hưởng tới người cách trực tiếp thông qua nước sản phẩm dinh dưỡng Chúng tác động tới người cách làm xấu tính chất vật mà người sử dụng, điều kiện nghỉ ngơi làm việc 1/9 Bản chất tính chất chất làm ô nhiễm môi trường tự nhiên Đứng đầu bảng số nguồn ô nhiễm môi trường hyđrô cacbua khoáng (than, dầu, khí), chúng cháy tạo lượng chất thải lớn Mặc dù sử dụng hyđrô cacbua với tư cách nhiên liệu không thừa nhận bình thường, mà hợp lý, người ta đốt khoáng chất không tái sinh chủ yếu với mục đích lấy lượng (thí dụ, Pháp % dầu mua dùng làm nguyên liệu ngành hóa hữu cơ) Xét tác động chúng tới thể người, chất gây ô nhiễm khí phân chia thành chất lý học chất hóa học Các chất lý học bao gồm: a) nguyên tố phóng xạ, nguồn xạ ion hóa; b) ô nhiễm nhiệt (làm tăng nhiệt độ); c) tiếng ồn rung tần thấp (ngoại âm) Các chất hóa học bao gồm: a) chất dẫn xuất dạng khí cacbon hyđrô cacbua lỏng; b) chất tẩy rửa; c) chất dẻo; d) thuốc bảo vệ động thực vật chất tổng hợp; e) chất dẫn xuất lưu huỳnh; f) chất dẫn xuất nitơ; g) kim loại nặng; h) hợp chất flo; i) tạp chất rắn; k) chất hữu Xét điều kiện hình thành, tất chất gây ô nhiễm khí phân chia thành tạp chất nguồn gốc tự nhiên nhân tạo (nhân sinh) Tạp chất nguồn gốc tự nhiên vào khí hoạt động núi lửa, phong hóa đất đá, cháy rừng, chết thực vật, sóng biển (đi kèm bọt sóng), cháy thiên thạch Tạp chất nguồn gốc nhân sinh hình thành trước hết trình đốt nhiên liệu khoáng (trong động đốt trong, nhà máy nhiệt điện, hệ thống đốt lò) đốt cháy chất thải công nghiệp sinh hoạt, nổ hạt nhân v.v Bảng 1.1 Khối lượng (tấn/năm) chất ô nhiễm thải vào khí Chất Nhập tự nhiên Chất thải nhân sinh Ôxit cacbon (CO) ? 3,5.108 Điôxit lưu huỳnh (SO2) 1,4.108 1,45 108 Các ôxit nitơ (NOx) 1,4.109 (1,5?2,0).107 Sôn khí (các hạt rắn) (7,7?22,0).1010 (9,6?26,0).1010 Các chất policlorvilyn, phreol ? 2,0.106 Ôzôn (O3) 2,0.109 ? Hyđrô cacbua 1,0.109 1,0.106 Chì (Pb) ? 2,0.105 2/9 Bản chất tính chất chất làm ô nhiễm môi trường tự nhiên Thủy ngân (Hg) ? 5,0.103 Có thể hình dung số lượng tương quan tạp chất vào khí với nguồn gốc tự nhiên nhân sinh theo số liệu bảng 1.1 Tổng lượng chất thải công nghiệp giới khoảng 600 tỉ năm Trong 100 năm gần nhập vào khí 1,35 triệu silic, 1,5 triệu acsen, triệu niken khoảng ngần côban, 0,6 triệu thiếc ăngtimoan Theo thành phần tạp chất vào khí quyển, người ta chia thành tạp chất dạng khí, dạng rắn dạng lỏng Tỉ phần chất dạng khí (ôxit cacbon, điôxit chất dẫn xuất khác lưu huỳnh, hyđrô cacbua, ôxit nitơ, hợp chất hữu cơ) khoảng 90 %, dạng rắn (bụi, kim loại nặng, hợp chất khoáng hữu cơ, chất phóng xạ) - gần 10 %; khối lượng tạp chất lỏng (axit sunphuric) nhỏ so với khối lượng tạp chất khí rắn Thực ra, thành phần tạp chất rắn thực tế có mặt nước với hàm lượng lớn độ ẩm tương đối không khí cao Khi đốt cháy tất dạng nhiên liệu tạo nước điôxit cacbon sau nhập vào khí quyển, chúng chứa khí điều kiện tự nhiên tác hại với người Vì vậy, khí không thuộc chất gây ô nhiễm khí quyển, phần lớn chất thải nguồn gốc nhân sinh thuộc loại chất Ôxit cacbon Ôxit cacbon (CO) - tạp chất phổ biến nhiều (về khối lượng) khí Trong điều kiện tự nhiên, hàm lượng CO khí ít: dao động từ vài phần trăm phần triệu đến 0,2 phần triệu (ta nhớ lại hàm lượng điôxit cacbon trung bình 325 phần triệu) Khối lượng chủ yếu CO tạo thành trình đốt cháy nhiên liệu khoáng Trong động đốt nguồn Thí dụ, Mỹ hàng ngày ô tô xả 120 triệu khí Lượng CO tối đa tạo thành kỳ nung nóng động trường hợp tái trộn hỗn hợp Thể tích ôxit cacbon đạt tới 10 % thể tích khí thải Tổng khối lượng CO bị thải vào khí ước lượng (theo tình hình tới năm 1988) khoảng 380 triệu tấn, từ cháy xăng - gần 270 triệu tấn, than - 15 triệu tấn, củi - 15 triệu tấn, chất thải công nghiệp - 35 triệu cháy rừng - 15 triệu Hàm lượng CO thành phố lớn dao động từ đến 250 phần triệu trung bình gần 20 phần triệu Nồng độ tới hạncho phép - nồng độ xác định chuẩn mức chất ô nhiễm chưa có tác động xấu đáng kể tới thể điều kiện (chất lượng) sống người Người ta phân biệt nồng độ tới hạn cho phép lần nồng độ tới hạn cho phép ngày đặc trưng cho mức độ ảnh hưởng ngắn hạn (thường không 20-30 phút) ảnh hưởng lâu dài chất xét tới thể người Hàm lượng 3/9 Bản chất tính chất chất làm ô nhiễm môi trường tự nhiên CO cao (vượt trội nhiều so với nồng độ tới hạn cho phép) quan sát thấy đường phố quảng trường thành phố với giao thông xe nhộn nhịp, đặc biệt mẫu khí xả xe Điôxit lưu huỳnh Điôxit lưu huỳnh hay khí sunphua (SO2) - chất thứ hai (về khối lượng) làm ô nhiễm khí Nguyên nhân (thực tế nguyên nhân nhất) diện SO2 khí - việc sử dụng nhiên liệu khoáng, trước hết than, nhiên liệu chứa nhiều lượng lưu huỳnh (từ vài phần phần trăm tới 5-7 %) Theo ước lượng, hàng năm thải vào lớp khí đối lưu gần 145 triệu SO2, 70 % tạo thành cháy than 16 % - cháy nhiên liệu lỏng (đặc biệt mazút) Sự phân hủy SO2 khí diễn tác động xạ cực tím, thành anhyđrit hưu huỳnh (SO3) theo phản ứng 2SO2 + O2 → 2SO3 + 185kJ Khi tiếp xúc với nước, tạo thành axit sunphua SO2 + H2O = H2SO3 + 76kJ Trong khí ẩm ô nhiễm xảy phản ứng , dẫn tới tạo thành axit sunphuric (H2SO4) Đi vào khí có hợp chất lưu huỳnh - sunphua hyđrô (H2S), phát thải nguồn gốc nhân sinh chất không lớn; chủ yếu sinh vi khuẩn đất màu môi trường biển (khoảng 100 triệu tấn/năm) Các ôxit lưu huỳnh làm tăng mạnh ăn mòn kim loại thành phố - 1,5?5 lần so với nông thôn Tại thành phố Mỹ, gia tăng nồng độ SO2 lên lần kéo theo tăng tốc độ ăn mòn thiếc lên lần Đặc biệt vải nilon nhạy cảm ô nhiễm khí chất Các hợp chất nitơ Một lượng lớn ôxit nitơ NO điôxit nitơ NO2 tạo thành trình đốt nhiệt độ cao, trước hết động đốt dùng xăng nhiên liệu điezen 4/9 Bản chất tính chất chất làm ô nhiễm môi trường tự nhiên Điôxit nitơ - chất khí bền vững màu vàng, thường làm cho không khí thành phố có sắc nâu Dưới ảnh hưởng xạ cực tím, NO2 bị phá hủy, chuyển thành NO Sự phá hủy NO2 diễn nhiệt độ cao 600 oC, điều giải thích hàm lượng NO cao so với hàm lượng NO2 khí xả ô tô Điôxit nitơ tạo thành không khí lan truyền khí xả theo phản ứng Tổng khối lượng NO2 hàng năm thải vào khí trình hoạt động người ước lượng 15-20 triệu tấn, khoảng 0,1 khối lượng khí tạo thành đường tự nhiên (núi lửa, sấm chớp, vi sinh vật) Điôxit nitơ bảo tồn khí trung bình ngày Khi tương tác với nước, biến thành axit sunphuric nitrat khác Những chất sau trở lại đất với giáng thủy, mà tuyết có thuộc tính bón phân cho đất Hyđrô cacbua Nguồn hyđrô cacbua tự nhiên chủ yếu thực vật (1 tỉ năm), nguồn nhân sinh giao thông ô tô (động đốt bình nhiên liệu ô tô) Ở Mỹ, số 32 triệu hyđrô cacbua hàng năm thải vào khí quyển, nửa từ động đốt (trong nhiên liệu bị cháy không hoàn toàn), gần 14 % từ thải công nghiệp gần 27 % từ nguồn lại Ngoài ra, cháy không hoàn toàn tạo thành (tổng hợp) hyđrô cacbua vòng gây ưng thư Đặc biệt nhiều hyđrô cacbua gây ung thư (gây khối u phổi) có chứa cặn khói động điêzen hệ thống lò đốt Mặc dù cách điều chỉnh tốt động cơ, điều khiển xe khéo léo giảm thải bớt phần nào, động điêzen chiếm vị trí đầu nguồn ô nhiễm khí chất gây ung thư Chúng lần lưu ý tác hại hút thuốc - tự nguyện làm ô nhiễm thể người nghiện, nơi nơi công cộng khói thuốc mà thành phần có không chất gây ung thư Vì lí này, trung bình 2-3 phút có số triệu người chết hút thuốc (để so sánh, 2-3 ngày có người chết tai nạn ô tô, 4-5 ngày có người chết dùng rượu) Theo liệu khảo sát đặc biệt, ô tô Mỹ trung bình km đường xả thải 30 g ôxit cacbon, g ôxit nitơ g hyđrô cacbua Còn accroleum - chất độc có tính kích thích, vào khí nhà máy sản xuất mà từ khí xả chứa sản phẩm nhiên liệu không cháy hết 5/9 Bản chất tính chất chất làm ô nhiễm môi trường tự nhiên Những tạp chất rắn (sôn khí) Giống trường hợp chất gây ô nhiễm dạng khí, thêm vào sôn khí nguồn gốc tự nhiên - hạt rắn lỏng lơ lửng không khí, có lượng lớn sôn khí nguồn gốc nhân sinh Kích thước (bán kính) hạt rắn quan trắc khí dao động phạm vi rộng: từ phần nghìn, phần trăm μm đến số μm (trong bão bụi kích thước hạt mang gió tăng lên đến 100 μm hơn) Tùy thuộc kích thước, người ta chia hạt sôn khí thành ba loại: nhỏ hay vi mô (hạt tinh) với bán kính μm, trung bình (hạt trung), μm lớn (hạt thô), μm Trong số sôn khí hạt tinh, người ta tách nhóm hạt có tính chất hấp thụ nước Người ta gọi hạt nhân ngưng kết (chúng mầm hạt nước mây sương) Nhiều hạt nhỏ mang điện tích dương hay âm Trong trường hợp này, chúng có tên ion (nhẹ nặng) Theo tính chất lý - hóa, người ta chia sôn khí thành: bụi xỉ cặn (các hạt rắn), khói (các hạt chứa nhiều nước) giọt (sương, mây, giáng thủy) Ta lưu ý điều kiện thực, hạt bụi luôn chứa nước mức độ đó, giọt chứa nhân ngưng kết (sự thật, khối lượng nhân nhỏ so với khối lượng nước) Chúng ta không xếp giọt mây, sương giáng thủy vào loại sôn khí (xem chúng tạp chất), chúng có nguồn gốc tự nhiên Chỉ có phần không lớn sôn khí nhân sinh có cấu trúc lỏng (thí dụ axit sunphuric) Xét theo hình dạng hạt, người ta qui ước chia sôn khí thành: a) dạng hình cầu, b) dạng đa diện đều, c) dạng mỏng (kích thước hai chiều lớn nhiều so với kích thước chiều thứ ba), d) dạng kim, dạng tơ, lăng kính, e) dạng tổ hợp phức tạp (chuỗi dài có nhánh, tỏa tia) Chúng ta dừng lại xét chi tiết đặc tính sôn khí hạt tinh, ảnh hưởng tới thể người, góp phần đáng kể vào hấp thụ xạ hệ làm biến đổi chế độ nhiệt khí Sự thành tạo hạt sôn khí tinh diễn liên tục từ tạp chất dạng khí, thường số lượng chúng 103-104 cm3, bán kính nhỏ vài phần mười μm, nồng độ tính số μg m3 Theo đánh giá có, khối lượng toàn cầu sôn khí hạt tinh trung bình khoảng 50 triệu tấn; tốc độ thành tạo chúng khoảng 000 triệu tấn/năm (tức năm khối 6/9 Bản chất tính chất chất làm ô nhiễm môi trường tự nhiên lượng sôn khí khí tạo gần 100 lần, nói cách khác, tốc độ thành tạo chúng khoảng hai lần vượt trội tốc độ tạo nước khí quyển) Tham gia trình thành tạo sôn khí hạt tinh từ chất khí nguồn gốc tự nhiên nhân tạo vào khí (NO2, SO2, sản phẩm cháy thối rữa) có: xạ Mặt Trời tia xạ khác, nước Những hạt chất tan lớn (khoảng μm) tăng lên tăng độ ẩm tương đối đến mức chúng trở thành mầm giọt mây sương (tức nhân ngưng kết) Những hạt nhỏ (trước hết chất không hòa tan) bảo tồn dạng ban đầu, tạo thành thành phần độc lập sôn khí hạt tinh Trong thành phần sôn khí, có mặt bốn nhóm chất: sunphat, hợp chất hữu cơ, cacbon rắn nước, hàm lượng tương đối chúng dao động phạm vi rộng phản ánh điều kiện thành tạo chất khí tiền thân chúng (kể phân bố địa lý thảm thực vật chế độ hoạt động sống nó) ảnh hưởng điều kiện khí tượng tới phân bố sôn khí khí Cacbon rắn - loại xỉ, bán kính hạt thời điểm thành tạo gần 0,003?0,005 μm, nồng độ biến động - từ μg/m3 vùng đặc biệt đến 10?30 μg/m3 vùng nhiều bụi Ngay sau thành tạo, hạt xỉ liên kết lại với thành bụi với bán kính vài phần trăm μm, chúng bị hấp thụ hạt có chất khác (thí dụ, giọt nước mưa) bị loại khỏi khí sau khoảng thời gian từ vài chục tới 1?2 tuần Tổng khối lượng xỉ khí ước lượng khoảng triệu tấn, tốc độ gia nhập - gần 500 triệu tấn/năm Để so sánh, dẫn ước lượng hàm lượng toàn cầu cacbon thành phần điôxit cacbon (khoảng triệu tấn) tốc độ gia nhập từ nguồn tự nhiên ( triệu tấn/năm) nhân sinh ( triệu tấn/ năm) Như tốc độ nhập vào khí cacbon rắn khoảng 10 % tốc độ thải cacbon dạng khí vào khí tăng nhanh theo mức độ tăng thể tích nhiên liệu đốt Vai trò xỉ khí xác định không tác động có hại tới người, trước hết quan hít thở, mà lẽ số tất hợp phần sôn khí xỉ hấp thụ xạ Mặt Trời xạ từ đất mạnh nhất, dải rộng bước sóng (từ 0,25 đến 13 μm) nhờ có ảnh hưởng nhiều tới chế độ nhiệt khí mặt đất Các ước lượng cho thấy hạt xỉ lắng đọng 7/9 Bản chất tính chất chất làm ô nhiễm môi trường tự nhiên đặn, mặt đất bị phủ lớp xỉ dày đến μm với albeđô gần % Trong thực tế, khối lượng xỉ bị rửa trôi giáng thủy rơi xuống mặt đất Tuy nhiên, rơi thảm tuyết băng, xỉ phân bố toàn bề dày giữ lại thời gian dài Vì lý đó, albeđô tuyết giảm tới 90 % trường hợp độ ô nhiễm trung bình tới 30 % trường hợp ô nhiễm mạnh (với điều kiện albeđo 100 % điều kiện tuyết sạch), đẩy nhanh trình tan tuyết Xỉ ảnh hưởng nhiều tới albeđô mây Hợp phần nước sôn khí hạt tinh thực tế không hấp thụ xạ khoảng bước sóng 0,25?13 μm không ảnh hưởng tới chế độ nhiệt khí Vai trò sunphat (các hợp chất lưu huỳnh) lớn hơn, trước hết hạt lớn chúng nhân ngưng kết định điều kiện hình thành vi cấu trúc mây sương Hàm lượng sunphat khói lớn Khói tượng phổ biến (đặc biệt thành phố) có ảnh hưởng đáng kể tới trao đổi xạ albeđô hành tinh Do lượng phát thải sunphat nguồn gốc nhân sinh tăng lên năm gần đây, nên tính tích cực sinh học chúng tăng đáng kể, kéo theo nhiễm độc giới thực động vật (hiện tượng gọi mưa axit) Hợp phần hữu sôn khí có tác động (về phương diện hấp thụ xạ ảnh hưởng tới khí hậu) Nhiều hợp chất hữu thành phần sôn khí có khoảng hấp thụ rộng, bao phủ khoảng hấp thụ nước nằm vùng phổ với cường độ xạ nhỏ Tỉ phần phát thải nhân sinh tổng cán cân sôn khí đáng kể tất hợp phần (với cacbon rắn phần phát thải nhân sinh vượt trội phát thải tự nhiên, với sunphat chất hữu - khoảng 25 % phát thải tự nhiên) tỉ phần tiếp tục tăng với thời gian Chúng nêu chất khác phát thải vào khí có tác hại tới thể người, giới động vật thực vật Thấy tổng số chất làm ô nhiễm khí tính tới hàng trăm chất Một nguồn ô nhiễm khí quan trọng ngành công nghiệp liên quan tới khai thác sử dụng vật liệu xây dựng (đào phá vụn đá mỏ lộ thiên, sản xuất xi măng v.v ) Thí dụ, Pháp công xưởng xi mang thải gần % sản phẩm (khoảng 100 nghìn bụi với đường kính vài chục μm) làm giảm mạnh ánh sáng Mặt Trời bên vùng lãnh thổ kế cận Ngành luyện kim mầu nguồn ô nhiễm khí hạt thiếc, chì, đồng nhôm Trong bụi lắng gần trung tâm công nghiệp, quan sát thấy không khoáng chất khác nhau: thạch anh, canxit, thạch cao, feldspat, amiăng (chất chí với 8/9 Bản chất tính chất chất làm ô nhiễm môi trường tự nhiên nồng độ nhỏ nhiều so với nồng độ khoáng chất khác gây tác hại cho phổi) Bụi không khí khu công nghiệp trung bình chứa 20 % ôxit sắt, 15 % silicat % xỉ Ngoài phải kể thêm ôxit phi kim loại (mangan, vanađi, molipđen, acsen, ăngtimoan đặc biệt độc selen tellua) ftorit Xe ô tô, ngành sản xuất thép đốt chất thải - nguồn chủ yếu ô nhiễm khí chì - kim loại cực độc Hàng năm ô tô thải vào khí trung bình kg chì dạng sôn khí (trong xăng có bổ sung tetraetil chì làm chất chống nổ) Từ năm 1950, lượng chì rơi lắng xuống băng Grinlanđia tăng lên nhiều - hậu tăng số lượng xe Ở thành phố lớn nhiều nước giới nồng độ chì không vượt μg/m3 (còn ngã tư đường hầm 5?30 μg/m3), nồng độ tới hạn cho phép 0,7 μg/m3 Thật vậy, Chicago (Mỹ) trung tâm thành phố nồng độ chì trung bình lớn 3,2 μg/m3, vùng lân cận - khoảng 0,2 μg/m3 Thời gian lưu lại trung bình khí hạt chì (đường kính từ 0,05 tới μm) số tuần, điều thuận lợi cho chì lan tới vùng xa nguồn (thí dụ, từ Mỹ tới Grinlanđia) Hiện nay, toàn sinh bị nhiễm chì nguồn gốc nhân sinh 9/9 .. .Bản chất tính chất chất làm ô nhiễm môi trường tự nhiên Đứng đầu bảng số nguồn ô nhiễm môi trường hyđrô cacbua khoáng (than, dầu, khí), chúng cháy tạo lượng chất thải lớn Mặc dù sử dụng hyđrô... thích, vào khí nhà máy sản xuất mà từ khí xả chứa sản phẩm nhiên liệu không cháy hết 5/9 Bản chất tính chất chất làm ô nhiễm môi trường tự nhiên Những tạp chất rắn (sôn khí) Giống trường hợp chất. .. mức độ ảnh hưởng ngắn hạn (thường không 20-30 phút) ảnh hưởng lâu dài chất xét tới thể người Hàm lượng 3/9 Bản chất tính chất chất làm ô nhiễm môi trường tự nhiên CO cao (vượt trội nhiều so với