Giáo trình Hóa học trong kỹ thuật và khoa học môi trường - Chương 3: Bụi trong khí quyển

Nội dung text: Giáo trình Hóa học trong kỹ thuật và khoa học môi trường - Chương 3: Bụi trong khí quyển

1. Nội dung 2 Chương 3: Bụi trong khí quyển 3.1. Bụi trong khí quyển 3.2. Trạng thái vật lý của bụi trong khí quyển 3.3. Các quá trình vật lý của sự hình thành bụi 3.4. Các quá trình hóa học của sự hình thành bụi 3.5. Cấu tạo của bụi vô cơ và các bụi hữu cơ
2. 3.1. Bụi trong khí quyển 4  Định nghĩa . Định nghĩa của EPA: . “Bụi là hỗn hợp của các hạt rắn và giọt lỏng có kích thước rất nhỏ. Bụi bao gồm nhiều thành phần khác nhau như acids (nitrates, sulfates), chất hữu cơ, kim loại, đất và các hạt cát”. . Là phần dễ nhìn thấy và rõ ràng nhất trong các dạng ô nhiễm không khí cũng như chiếm tỉ trọng khá lớn trong kiểm soát ô nhiễm không khí. . Thông thường bụi có kích thước < 100 µm, trong đó kích thước từ 0.001 đến 10 µm thường tồn tại trong không khí đô thị, nhà máy, đường cao tốc, và nhà máy nhiệt điện
3. 1.1. Giới thiệu về bụi 6 Phân loại . Theo nguồn gốc: . Bụi sơ cấp • Phát sinh trực tiếp tại nguồn • Từ công trình xây dựng, đường giao thông, cánh đồng, ống khói hoặc quá trình đốt . Bụi thứ cấp • Phát sinh từ các phản ứng hóa học của SOx và NOx (nhà máy phát điện, công nghiệp và giao thông)
4. 3.1. Bụi trong khí quyển 8  Nguồn gốc . Nguồn tự nhiên . Núi lửa, cháy rừng, bão cát, đại dương . Thực vật . Vũ trụ . Nguồn nhân tạo . Quá trình đốt . Giao thông, . Công nghiệp, . Nông nghiệp . Sinh hoạt
5. 3.1. Bụi trong khí quyển 10 Ảnh hưởng của bụi (tt) . Sức khỏe con người . d > 10 µm : giữ lại do lông mũi . 2 µm < d ≤ 10 µm : giữ lại do lớp màng nhầy . 1 µm < d ≤ 2 µm : giữ lại trong phổi . d < 0.5 µm : thoát ra ngoài
6. 3.1. Bụi trong khí quyển 12 Ảnh hưởng của bụi (tt) . Giảm tầm nhìn . Cảnh quan . Không khí . Cảnh quan tự nhiên . Kiến trúc công trình
7. 3.1. Bụi trong khí quyển 14 Các tiêu chuẩn EPA (USA) – không khí xung quanh . 1971 . TSP (tổng bụi lơ lửng) . 1987 . PM10 (bụi có kích thước ≤ 10 µm) . 1997 . PM2.5 ((bụi có kích thước ≤ 2.5 µm) . 2006, 2012 . Hiệu chỉnh tiêu chuẩn PM2.5 và PM10
8. 3.1. Bụi trong khí quyển 16 Các tiêu chuẩn Việt Nam . Khí thải . Không khí xung quanh . Thu mẫu và phân tích
9. 3.1. Bụi trong khí quyển 18 Tiêu chuẩn Việt Nam - không khí xung quanh . Đơn vị: µg/m3
10. 3.2. Trạng thái vật lý của bụi trong khí quyển 20 Tính chất vật lý . Quá trình biến đổi của bụi . Hình dạng . Kích thước . Phân bố kích thước hạt . Đường kính khí động . Đường kính khối lượng trung bình . Tính lắng của hạt bụi
11. 3.2. Trạng thái vật lý của bụi trong khí quyển 22 Quá trình biến đổi của bụi trong khí quyển . Diffusion – khuếch tán: các hạt bụi nhỏ chuyển động Brown, . Coagulation – kết tụ: các hạt bụi nhỏ kết tụ với nhau thành hạt bụi lớn hơn . Sedimentation or dry deposition – lắng: các hạt bụi lắng xuống đất hoặc trên bề mặt vật liệu, lá cây . Scavenging – bắt dính bởi mưa, sương hoặc tuyết . Reaction – phản ứng với các chất trong khí quyển
12. 3.2. Trạng thái vật lý của bụi trong khí quyển 24  Kích thước . Fume: khói . Cloud: mây . Dust: bụi . Fog: sương giá . Mist: sương mù . Drizzle: mưa bụi . Spray: sương phun . Rain: mưa . Smog: sương khói
13. 3.2. Trạng thái vật lý của bụi trong khí quyển 26  Kích thước
14. 3.2. Trạng thái vật lý của bụi trong khí quyển 28 Phân bố kích thước hạt 30 Median 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 12 14 18 22 Particle Diameter, m
15. 3.2. Trạng thái vật lý của bụi trong khí quyển 30 Đường kính khí động (aerodynamic diameter) 휌 = 휌푤 . Trong đó: . da : đường kính khí động (m) . dp : đường kính Stokes (m) • Xác định theo định luật Stokes 3 . p: khối lượng riêng hạt bụi (kg/m ) 3 . w: khối lượng riêng nước(kg/m )
16. 3.2. Trạng thái vật lý của bụi trong khí quyển 32 Đường kính khí động Tương quan đường kính khí động và khối lượng riêng của bụi 3 Solid Sphere ρr = 2.0 g/cm (Dạng hình cầu) dp = 1.4 mm Hollow Sphere 3 ρr = 0.50 g/cm (Dạng rỗng) da = 2.0 mm dp= 2.80 mm Irregular 3 ρr = 2.3 g/cm Shape (Dạng không đều) dp= 1.3 mm
17. 3.2. Trạng thái vật lý của bụi trong khí quyển 34 Đường kính khối lượng trung bình X (MMD = 2.0 µm) và Y (MMD = 0.5 µm)
18. 3.2. Trạng thái vật lý của bụi trong khí quyển 36 Tính lắng của hạt bụi . Quãng đường dịch chuyển tự do (mean free path) của khí 2 푃표 표 + 110.4 휆 = 휆표 표 푃 + 110.4 . Trong đó: . λo = 0.0664 μm ứng với nhiệt độ To = 293.15 K và áp 5 suất Po = 1.01×10 Pa . λ (μm) ứng với nhiệt độ T (oK) và áp suất P (Pa)
19. 3.2. Trạng thái vật lý của bụi trong khí quyển 38 Đơn vị 3 . ρp: khối lượng riêng của hạt bụi (kg/m ) 3 . ρg: khối lượng riêng của không khí (kg/m ) . dp: đường kính hạt bụi (m) . vt: vận tốc lắng cuối (giới hạn) (m/s) . µ: độ nhớt của không khí (Pa.s) . g: gia tốc trọng trường (g= 9.806 m/s2)
20. 3.3. Các quá trình vật lý của sự hình thành bụi 40 Quá trình tự nhiên: . Đại dương, . Gió thổi . Núi lửa.
21. 3.3. Các quá trình vật lý của sự hình thành bụi 42 Kích thước của bụi phân tán . Việc dập vỡ các vật liệu thành các hạt nhỏ tốn nhiều năng lượng . So với tổng hợp vật liệu từ các quá trình hóa học . So với sự kết tụ các hạt nhỏ  Hầu hết bụi phân tán là bụi thô có kích thước lớn . Ít gây ảnh hưởng tới sức khỏe . Dễ được loại bỏ khỏi dòng khí
22. 3.4. Các quá trình hóa học của sự hình thành bụi 44 Hình thành bụi do các quá trình hóa học . Giới thiệu . Bụi vô cơ . Bụi hữu cơ . PAH
23. 3.4. Các quá trình hóa học của sự hình thành bụi 46 Giới thiệu . Hầu hết các quá trình hóa học tạo ra bụi là từ các quá trình đốt: . Nhà máy nhiệt điện . Lò đốt công nghiệp và dân dụng . Lò nung xi măng, động cơ đốt trong . Lò sưởi và bếp . Đốt rừng, cây bụi và cỏ khô . Núi lửa
24. 3.4. Các quá trình hóa học của sự hình thành bụi 48 Bụi vô cơ . Bụi từ quá trình đốt . 3FeS2 + 8O2 → Fe3O4 + 6SO2 . V-hữu cơ → V2O5 . CaCO3 + heat → CaO + CO2 . Từ các phản ứng khác . 2SO2 + O2 + 2H2O → 2H2SO4 . H2SO4(d) + 2NH3(g) → (NH4)2SO4(d) . H2SO4(d) + CaO(s) → CaSO4(d) + H2O
25. 3.4. Các quá trình hóa học của sự hình thành bụi 50 PAHs . Là loại bụi hữu cơ đáng quan tâm nhất . Hình thành ở nhiệt độ lớn hơn 500oC H H H H C - H H - H H C C H H C C heat H C heat H H C H H H C H H Polycyclic aromatic hydrocarbons . Xu hướng hình thành PAHs . aromatic > cycloolefin > olefin > paraffin
26. 3.5. Cấu tạo của bụi vô cơ và các bụi hữu cơ 52 Cấu tạo hạt bụi vô cơ . Bụi vô cơ có thành phần phụ thuộc vào nguồn gốc . Một số loại . Tro bay: Al, Ca, Fe, Si, Mg, S, Ti, P, K, Na, C . Asbestos: Mg3P(Si2O5)(OH)4
27. 3.5. Cấu tạo của bụi vô cơ và các bụi hữu cơ 54 Bụi hữu cơ Bụi hữu cơ Acid Trung tính Base Hydrocarbo Acid béo n nhiều vòng mạch dài chứa N Phenol (acridine) không bay hơi Nhóm chất Nhóm Nhóm bị không vòng vòng thơm oxy hóa
28. 3.5. Cấu tạo của bụi vô cơ và các bụi hữu cơ 56 Bụi hữu cơ . Nhóm vòng thơm (aromatic): . Chứa các hydrocarbon đa vòng thơm . Là những chất gây ung thư
29. 3.5. Cấu tạo của bụi vô cơ và các bụi hữu cơ 58 Một số bụi chứa PAHs Benzo(a)pyrene Chrysene Benzo(j)fluoranthene