Sương mù quang hóa [Lưu Trữ] - Diễn đàn Thế Giới Hoá Học

hackingart.com

06-13-2009, 07:14 PM

http://hackingart.com/url/muquanghoapdf (tài liệu bằng pdf)
I. Khái quát về sương mù quang hóa (Photochemical smog)
Cuộc cách mạng công nghiệp là nguyên nhân chính làm tăng các chất ô nhiễm trong không khí trong suốt ba thế kỉ qua. Trước 1950, nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm này là do đốt than đá để sản sinh ra năng lượng, để nấu ăn và để vận chuyển. Trong điều kiện thích hợp, khói và SO2 được sinh ra từ việc đốt than đá có thể kết hợp với sương mù để hình thành nên dạng gọi là “sương mù công nghiệp” (industrial smog). Ở nồng độ cao, sương mù công nghiệp có thể rất độc đối với con người và các sinh vật sống khác. London là thành phố nổi tiếng thế giói về sương mù công nghiệp. Sự kiện sương mù London nổi tiếng nhất xảy ra vào tháng 12/1952, khi đó sương mù dày đặc kéo dài trong 5 ngày đã tạo ra bầu không khi độc hại và làm chết khoảng 400 người. Ngày nay, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, năng luợng hạt nhân, và thủy điện thay vì than đá đã làm giảm đáng kể sự xuất hiện của sương mù công nghiệp. Tuy nhiên, việc đốt các nhiên liệu hóa thạch như gas, xăng dầu có thể gây ra một vấn đề ô nhiễm không khí khác là hiện tượng sương mù quang hóa.
1. Sương mù thông thường
Sương mù là hiện tượng hơi nước ngưng tụ thành các hạt nhỏ li ti trong lớp không khí sát mặt đất, làm giảm tầm nhìn ngang xuống dưới 1 km. Nó giống như mây thấp nhưng khác ở chỗ sương mù tiếp xúc trực tiếp với bề mặt đất, còn mây thấp không tiếp súc với bề mặt đất mà cách mặt đất một khoảng cách được gọi là độ cao chân mây. Chính vì thế người ta xếp sương mù vào họ mây thấp.
2. Định nghĩa sương mù quang hóa
Từ lâu, trong các nghiên cứu về môi trường, các nhà khoa học thế giới đã miêu tả một hiện tượng ô nhiễm không khí đặc biệt, dưới tên gọi smog - sương khói (ghép hai từ tiếng Anh fog - sương mù và smoke - khói). Theo đó, smog được định nghĩa là "lớp mù quang hóa gây ra bởi sự tương tác giữa bức xạ cực tím của mặt trời và bầu khí quyển bị ô nhiễm bởi các hydrocarbon và ôxít nitrogen thoát ra từ khí thải động cơ”.
Sương mù quang hóa là một dạng ô nhiễm không khí sinh ra khi ánh sáng mặt trời tác dụng lên khí thải động cơ xe máy, khí thải công nghiệp… để hình thành nên những vật chất như ozone, aldehit và peroxyacetylnitrate (PAN).
Sương mù quang hóa xảy ra ở tầng đối lưu của khí quyển – nơi tập trung phần lớn các chất khí gây ô nhiễm : NOx, các hợp chất VOCs (Volatile Organic Compounds)…
3. Cơ chế hình thành sương mù quang hóa
Dựa vào các nghiên cứu,người ta đã có thể kết luận rằng sương mù quang hóa được tổng hợp từ NO, NO2, HNO3, CO, các nitrat hữu cơ (PAN), O3 và các chất oxy hóa quang hóa. Vì thế cơ chế hình thành nên sương mù quang hóa cũng là cơ chế hình thành nên các hợp chất trên, đồng thời đó là các điều kiện khiến các hợp chất này có thể tồn tại trong khí quyển. Trong điều kiện thích hợp, các hợp chất tham gia vào sự hình thành sương mù quang hóa có thể tạo thành các hạt nhân hình thành nên aerosols.
Sự quang phân của NO2 khởi đầu cho sự hình thành sương mù quang hóa. NO, dạng chiếm ưu thế (về lượng) của NOx, phản ứng với O2 để tạo thành NO2. Lượng nhỏ NO2 này gây ra các phản ứng tiếp theo thông qua sự phân hủy của nó, hình thành nên chu trình quang phân NO2.
NO2 + hv → NO + O - Ở đây hv kí hiệu cho một photon năng lượng bị hấp thụ bởi nitơ oxit, gây ra sự phân hủy NO2 thành NO và O. Nguyên tử oxy được giải phóng phản ứng với phân tử O2 để tạo ra ozon
O + O2 + M → O3 + M - M là một phân tử thứ ba (thông thường là O2 hay N2 vì chúng có nhiều trong không khí) hấp thụ năng lượng thừa từ phản ứng để ngăn chặn phản ứng phân hủy O3 thành O và O2.
- Ozon sinh ra phản ứng với phân tử NO để tái sản sinh ra NO2 và phân tử O2.
NO(g) + O3(g) → NO2(g) + O2(g) - Khi tỉ lệ giữa NO2 và NO lớn hơn 3 thì phản ứng hình thành ozon là phản ứng chủ đạo. Nếu tỉ lệ này nhỏ hơn 3 thì phản ứng phân hủy ozon giữ vai trò chủ đạo và giữ cho nồng độ ozon dưới mức nguy hại.
- Phản ứng của hidrocacbon với NO và O2 sản sinh ra NO2 cũng xảy ra dưới ánh sáng mặt trời, làm tăng tỉ lệ giữa NO2 và NO.
- NO2, O2 và hydrocarbon phản ứng với nhau dưới điều kiện ánh sáng mặt trời sản sinh ra peroxyacetylnitrate (CH3CO-OO-NO2)
NO2(g) + O2(g) + hydrocarbons → CH3CO-OO-NO2(g) Nhưng việc thải ra một lượng lớn NOx, CO, các hợp chất carbonyl và các hydrocarbon bởi các nguồn nhân tạo đã phá vỡ chu trình quang phân, cái mà không làm cho nồng độ của NO2 và O3 trong không khí tăng lên nếu như không bị phá vỡ. CO và hydrocarbons, thông qua phản ứng của chúng với các góc hydroxyl thêm vào đó là sự quang phân của các hợp chất carbonyl, phá hủy chu trình quang phân thông thường thông qua việc hình thành các gốc peroxyl. Các gốc peroxyl này ngăn chặn phản ứng giữa O3 và NO, vì vậy làm kết thúc chu trình và làm tích tụ O3 trong không khí.
Hình : Sơ đồ hình thành sương mù quang hóa. II. Các điều kiện để hình thành sương mù quang hóa
1. Các chất gây ra sương mù quang hóa
 Phải có nguồn tạo ra các nitơ oxit (NOx) và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs).
(Việc định nghĩa VOCs (Volatile Organic Compounds) là gì được bàn cãi rất nhiều và cũng có nhiều định nghĩa khác nhau. VOC được tạm gọi là "những chất hóa học phản ứng được với nitơ oxit trong khí quyển, dưới tác dụng của tia cực tím (của ánh nắng) tạo thành sương mù. Trong sương mù đó có chứa ozon (O3), alđehyt, peoxyt axetyl nitrat và một lượng nhỏ các chất oxy hóa. Phản ứng quang hóa học dưới tác dụng của nitơ oxit phân hủy dung môi hữu cơ tạo ra những tác nhân oxy hóa: VOC + ánh sáng + NO2 + O2 → O3 + NO + CO2 + H2)
 Nồng độ cao của hai chất này trong không khí có liên quan đến quá trình công nghiệp hóa và quá trình vận chuyển.

 Quá trình công nghiệp hóa và quá trình vận chuỵển tạo ra những chất ô nhiễm này thông qua việc đốt nhiên liệu hóa thạch.
2. Thời gian trong ngày
Thời gian trong ngày là một yếu tố rất quan trọng về lượng sương mù quang hóa xuất hiện:
 Vào lúc sáng sớm, giao thông làm tăng lượng thải của các oxit nitơ và VOCs khi chúng ta lái xe đi làm.
 Vào khoảng giữa buổi sáng, lượng xe cộ lưu thông giảm, các oxit nitơ và VOCs bắt đầu phản ứng và hình thành NO2, làm tăng nồng độ của nó.
 Khi mà ánh sáng mặt trời trở nên gắt hơn vào lúc trưa, NO2 bị phá vỡ và sản phẩm phụ của nó được sinh ra và làm tăng nồng độ O3 trong không khí.
 Cùng lúc đó, một số phân tử NO2 được sinh ra có thể phản ứng với các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi để sinh ra các hóa chất độc hại như PAN (Peroxyacyl nitrate).
 Khi mặt trời lặn, việc sản sinh ra O3 tạm thời ngừng lại. Lượng O3 mà còn tồn tại trong không khí được tiêu thụ bởi một vài phản ứng khác nhau.
3. Một vài yếu tố khí tượng
Những yếu tố này bao gồm:
 Mưa có thể làm giảm bớt sương mù quang hóa vì các chất ô nhiễm được rửa trôi khỏi không khí cùng với nước mưa.
 Gió có thể thổi sương mù quang hóa đi và thay thế nó bằng không khí trong lành. Tuy nhiên, lượng chất ô nhiễm bị thổi đi có thể gây ô nhiễm ở những khu vực xa hơn.
 Hiện tượng đảo nhiệt có thể làm tăng sự nghiêm trọng của sương mù quang hóa. Thông thường thì trong ngày, không khí gần bề mặt bị đốt nóng và bốc lên cao mang theo các chất ô nhiễm lên độ cao cao hơn. Tuy nhiên, nếu sự đảo nhiệt phát triển thì các chất ô nhiễm có thể bị giữ lại gần bề mặt của trái đất. Các quá trình đảo nhiệt gây ra sự suy giảm sự trộn lẫn không khí và vì vậy làm giảm phân tán chất ô nhiễm theo chiều thẳng đứng. Các quá trình đảo nhiệt có thể kéo dài từ vài ngày đến vài tuần.
Hiệu ứng đảo nhiệt (heat island effect) Hiện tượng đảo nhiệt: Là hiện tượng mà lớp không khí sát mặt đất lạnh, khi mặt trời chiếu vào thì lớp lạnh chưa phát tán kịp nên lớp trên nóng hơn.
Từ lâu con người đã biết đô thị hoá ảnh hưởng tới nhiệt độ trung bình. Nhiệt độ tại các khu vực trung tâm của thành phố lớn thường cao hơn ít nhất là vài độ so với miền quê xung quanh. Sự ấm hoá này được gọi là "hiệu ứng đảo nhiệt" và càng mạnh ở những thành phố càng lớn. Ví dụ, thành phố Melbourne ở Australia có ba triệu người và thỉnh thoảng không khí tại đây ấm hơn 7 độ C so với vùng miền quê xung quanh.
Cường độ của hiệu ứng đảo nhiệt thay đổi trong ngày hoặc hàng ngày. Các nguyên nhân hiệu ứng đảo nhiệt:
 Có nhiều máy móc hơn trong thành phố: Lượng nhiệt toả ra tại các thành phố rất cao. Chúng có nguồn gốc từ máy điều hoà nhiệt độ, đốt nhiên liệu, hệ thống sưởi ấm và xe cộ. Tất cả đều được thải ra các khu phố. Tác động của những loại máy móc này cùng với việc sưởi ấm các toà nhà có tác động lớn hơn nhiều tới nhiệt độ vào mùa đông. Nhiệt toả ra từ toà nhà có thể chiếm tới 10% hiệu ứng đảo nhiệt.

 Các bề mặt tối: Thường có các bề mặt tối, chủ yếu là nhựa đường trên mái nhà, mặt đường và bãi đỗ xe, hấp thụ nhiều ánh sáng mặt trời hơn chứ không phải bức xạ chúng trở lại không gian.
 Hiệu ứng hẽm núi: Các toà nhà đối mặt với nhau và bức xạ theo chiều ngang. Do vậy, nếu đứng trên phố, chúng ta sẽ hấp thụ nhiệt từ các toà nhà đó. Hiệu ứng này là lớn nhất vào ban đêm.
 Ít nhiệt ngầm hơn: Khi nước được hút khỏi đất và bốc hơi khỏi lá cây, nhiều năng lượng được hấp thụ dưới dạng nhiệt bốc hơi ngầm. Tại các thành phố, có ít nhiệt ngầm được hấp thụ do có ít cây cối, đặc biệt là tại khu vực trung tâm.
 Có ít gió hơn: Thường thì trong các thành phố có ít gió hơn do các toà nhà chắn gió. Toà nhà làm cho nhiệt do thành phố tạo ra không bị cuốn đi.

4. Địa hình:
Địa hình cũng là một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến mức độ nghiêm trọng của hiện tượng sương mù quang hóa. Các khu vực dân cư tập trung trong các thung lũng thì dễ bị ảnh hưởng bởi sương mù quang hóa hơn vì những đồi núi bao quanh họ có khuynh hướng làm giảm dòng không khí do đó làm tăng nồng độ các chất gây ô nhiễm. Thêm vào đó, các thung lũng thường nhạy cảm với sương mù quang hóa vì sự đảo nhiệt tương đối mạnh có thể phát triển thường xuyên trong những khu vực này.
III. Các ảnh hưởng của sương mù quang hóa
Sương mù quang hóa làm giảm tầm nhìn, gây nên những tác động có hại đối với sức khỏe của con người, gây hại cho cây trồng và làm hao mòn nhiều loại vật liệu.
1. Tác động lên sức khỏe của con người
 Sương mù quang hóa được đặc trưng bởi hàm lượng O3 cao trong không khí. Nồng độ ozon thấp ở tầng không khí gần mặt đất có thể làm cay mắt, mũi và cổ họng. Khi sương mù tăng lên, nó có thể gây ra nhiều vấn đề về sức khỏe nghiêm trọng hơn như:

* Hen xuyễn, viêm phế quản, ho và tức ngực
* Làm tăng sự nhạy cảm đối với các lây nhiễm về đường hô hấp
* Làm giảm chức năng của phổi.

 Ôxy là chất khí duy trì sự sống (nếu trong khí thở có ít hơn 15% ôxy thì cơ thể đã có thể chết ngạt), nhưng ôzôn lại là khí độc hại. Ôzôn gây phù phổi nặng, làm co thắt và tê liệt đường hô hấp khiến người bệnh không có phản ứng khi có các dị vật lọt vào. Vì vậy, khi tiếp xúc lâu dài với ôzôn sẽ có nguy cơ bị tích tụ các dị vật trong phế quản và phổi, là điều kiện có khả năng dẫn đến ung thư.
 Việc tiếp xúc với sương mù quang hóa trong thời gian dài thậm chí có thể gây tổn thương các mô phổi, gây ra sự sớm lão hóa ở phổi, và góp phần gây ra bệnh phổi mãn tính. Trẻ em, thanh niên và người lớn mà có chức năng phổi yếu được xem như những người có nguy cơ cao.

 Các Peroxyacetylnitrate và các chất oxi hóa khác cùng với ozone là những chất kích thích mắt mạnh nhất.
 Sương mù là vấn đề của nhiều thành phố và các nước, nó gây hại đến sức khỏe của con người. Khoảng cách tầng O3 trên mặt đất, SO2, NO2, CO rất độc hại cho người già, trẻ em, và những người có vấn đề về tim mạch và phổi như khí thủng, viêm phế quản, hen suyễn. Nó có thể gây khó thở, giảm khả năng làm việc của phổi và là nguyên nhân gây thở ngắn, vô cùng đau đớn khi nuốt, thở khò khè và khi ho. Nó còn làm cho mũi và mắt sưng tấy lên, làm khô màng nhầy bảo vệ của mũi và cổ họng và cản trở khả năng đấu tranh chống sự nhiễm trùng của cơ thể, dễ bị mắc bệnh hơn. Số người nhập viện và chết vì bệnh đường hô hấp tăng trong suốt giai đọan tầng ozone quá cao.
 Sương mù hình thành trong điều kiện khí hậu ở những nước hay thành phố có nền công nghiệp phát triển - tức ở đó không khí đã bị ô nhiễm nặng. Tuy nhiên, tồi tệ hơn trong thời tiết ấm và có ánh nắng khi mà dòng không khí bên trên đủ ấm cản trở sự lưu thông thẳng đứng. Nó đặc biệt phổ biến ở những vùng trũng được bao quanh bởi những đồi núi. Nó thường tồn tại trong những khoảng thời gian dài ở những thành phố có dân cư tập trung cao hay khu vực đô thị như các thành phố London, New York, Los Angeles, Mexico, Houston, Toronto, Athens, Beijing, Hong Kong, Randstad hay vùng Rurh và nó có thể đạt đến mức nguy hiểm.
Trong lịch sử đã có những việc xảy ra đột ngột giết chết hàng ngàn người trong một thủ đô.
London: vào khỏang thế kỷ 19 được xem là thời kỳ mãnh liệt của sương mù và với tên gọi là: ’súp đậu’. Đỉnh điểm là vào năm 1952, sương mù đã làm tối sầm cả con đường của London và giết chết khỏang 4000 người trong thời gian ngắn là 4 ngày (và hơn 8000 người chết nữa cũng đã chịu ảnh hưởng của nó trong những tuần, tháng tiếp theo).
Tehran: Vào tháng 12 năm 2005, các trường học và các văn phòng công cộng đã phải đóng cửa ở Tehran - Iran và 1600 người đã nhập viện do sương mù đã xâm nhập vào bộ lọc khói của xe hơi.
Hoa Kỳ:
 30-31 tháng 10 năm 1948, Donora - PA: 20 người chết, 600 người phải nhập viện, hàng ngàn người chịu ảnh hưởng.
 Tháng 10 năm 1953 tại New York sương mù đã giết khoảng từ 170 đến 260 người.
 Tháng 19 năm 1954 ở Los Angeles: lượng sương dày đã làm đóng cửa các trường học, các họat động công nghiệp bị ngưng lại trong cả tháng.
 Cũng tại New York, năm 1963 có 200 người chết và năm 1966 là 169 người chết vì ảnh hưởng của sương mù.

Thành phố Bắc Kinh chìm trong sương mù, nhiều chuyến bay đã bị hủy, đóng cửa các tuyến quốc lộ chính nối với thủ đô, nhiều người dân đã chọn các phương tiện công cộng thay vì tự lái xe, các cơ quan khí tượng đã khuyến cáo người già và trẻ em nên ở trong nhà để tránh bệnh về đường hô hấp.
2. Tác động lên thực vật và các lọai vật chất
Các cây trồng cũng như những loài thực vật nhạy cảm khác thì bị gây hại nhiều hơn là sức khỏe của con nguời ở nồng độ ozon thấp. Một vài loại cây như thuốc lá, rau bina, cà chua và đậu đốm (pinto beans) là những lọai nhạy cảm với ozon. Những lá cây trong khu vực có sương mù quang hóa xuất hiện những đốm màu nâu trên bề mặt lá sau đó chuyển sang màu vàng. Lớp ozon ở tầng mặt đất có thể hủy họai lá cây, làm giảm sự phát triển, khả năng sinh sản và quá trình sinh sản. Nó có thể gây ra sự mất khả năng tự vệ trước các lọai côn trùng cũng như bệnh tật và thậm chí còn gây chết cây.
Đối với các loại vật liệu: ozon dễ dàng phản ứng với những loại vật liệu hữu cơ, làm tăng sự hủy họai ở cao su, tơ sợi, nilong, sơn và thuốc nhuộm.