Giáo trình Ô tô và ô nhiễm môi trường - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Chia sẻ: Dương Hàn Thiên Băng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:63

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình "Ô tô và ô nhiễm môi trường" cung cấp cho học viên những nội dung về: ô tô – nguồn ô nhiễm môi trường không khí; ô tô – nguồn rung động và tiếng ồn; kiểm soát rung động và tiếng ồn của ô tô; kiểm soát ô nhiễm không khí bằng kiểm tra bảo dưỡng phương tiện;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Ô tô và ô nhiễm môi trường - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Nguyễn Bá Thiện GIÁO TRÌNH Ô TÔ VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG (LƯU HÀNH NỘI BỘ) Quảng Ninh- 2017
LỜI NÓI ĐẦU Để đáp ứng kịp thời yêu cầu của nhiệm vụ đào tạo, Trường ĐHCN Quảng Ninh tổ chức biên soạn cuốn giáo trình Ô tô và ô nhiễm môi trường. Sách được dùng làm tài liệu giảng dạy và học tập cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô trong nhà trường và làm tài liệu tham khảo cho những người làm công tác kĩ thuật trong ngành ô tô, kỹ thuật viên thiết kế. Trong quá trình biên soạn chúng tôi đã rất cố gắng để cuốn sách đảm bảo được tính khoa học, hiện đại và gắn liền với thực tế về sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất ô tô. Nhưng do khả năng có hạn và những hạn chế về thời gian và những điều kiện khách quan khác, cuốn giáo trình chắc chắn sẽ không tránh khỏi những khiếm khuyết. Chúng tôi mong nhận được ý kiến đóng góp của các bạn đọc và đồng nghiệp để lần tái bản sau được hoàn chỉnh hơn. Nhóm tác giả
CHƢƠNG 1 Ô TÔ – NGUỒN Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG KHÔNG KHÍ 1.1 Khái niệm chung về không khí và ô nhiễm không khí 1.1.1 Đặc điểm của khí quyển Khí quyển hay môi trường không khí là lớp vỏ khí bao bọc xung quanh Trái Đất. Nó được cấu tạo bởi những đơn chất và hợp chất hóa học khác nhau. Đặc điểm nổi bật của khí quyển là hầu hết các nguyên tố đều tồn tại ở trạng thái khí; trong đó hai nguyên tố chính là Nitơ và Oxy luôn ở trạng thái phân tử tự do (N2 và O2). Thành phần các chất trong không khí khô, chưa bị ô nhiễm (không khí sạch) cách bề mặt Trái đất khoảng vài km được trình bày trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Hàm lượng trung bình của không khí khô chưa bị ô nhiễm. Tên chất Công thức phân tử % thể tích Tổng trọng lượng trong khí quyển (triệu tấn) Nitơ N2 78,08 386.480.000 Oxy O2 20,91 118.410.000 Argon Ar 0,93 65.500.000 Cacbon dioxit CO2 0,035 2.330.000 Neon Ne 0,0018 63.600 Heli He 0,0005 3.700 Mêtan CH4 0,00017 4.300 Kripton Kr 0,00014 14.600 Nito oxit N2O 0,00005 1.900 Hydro H2 0,00005 180 Ozon O3 0,00006 200 Nito dioxit NO2 0,001 8 Cacbon monoxit CO 0,10 500 Sulfua dioxit SO2 0,001 11 Khí quyển có ranh giới phía dưới là bề mặt thủy quyển, thạch quyển và ranh giới phía trên là khoảng không giữa các hành tinh. Khí quyển Trái đất được hình thành từ hơi nước, từ các chất khí thoát ra từ thủy quyển và thạch quyển. Thời kỳ đầu, khí quyển chủ yếu gồm hơi nước, amoniac, mêtan, các loại khí trơ và hidro. Dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, hơi nước bị phân hủy thành oxy và hydro. Oxy tác động với amoniac và mêtan tạo ra khí N2 và CO2. Quá trình cứ tiếp diễn, một lượng H2 nhẹ mất vào khoảng không vũ trụ, khí quyển còn lại chủ yếu là hơi nước, Nitơ, CO2 và một lượng nhỏ Oxy. 1
Thành phần khí quyển hiện nay của Trái đất khá ổn định về phương nằm ngang và phân lớp theo phương thẳng đứng. Phần lớn khối lượng (5.10 5 tấn) của khí quyển tập trung ở các tầng thấp: tầng đối lưu và tầng bình lưu. Mặc dù chỉ chiếm khoảng 0,05% khối lượng thạch quyển, nhưng khí quyển có vai trò rất quan trọng đối với đời sống sinh vật và sự cân bằng khí hậu toàn cầu. Thông thường trong tầng đối lưu, thành phần các chất khí chủ yếu tương đối ổn định, chỉ có nồng độ CO2 và hơi nước dao động mạnh. Lượng hơi nước thường thay đổi theo thời tiết từ 4% thể tích vào mùa nóng ẩm tới 0,4% vào mùa khô. Ngoài ra trong không khí ở tầng đối lưu còn có một lượng nhất định khí SO2 và bụi. Trong tầng bình lưu luôn tồn tại quá trình hình thành và phá hủy ozôn. Hiện nay, do hoạt động của con người, lớp khí ozôn có xu hướng mỏng dần. Không khí bao quanh con người là không khí ẩm. Nó gồm không khí khô, hơi nước, các chất độc hại, các loại bụi vũ trụ, bụi Mặt đất, vi khuẩn, nấm, virut, phấn hoa, khí phóng xạ, các loại chất hữu cơ và vô cơ dễ bay hơi…. 1.1.2 Cấu trúc của khí quyển Khí quyển có nhiều tầng, nhiều lớp khác nhau, được mở rộng đến độ cao khoảng 1000km rồi chuyển dần vào không gian không có không khí. Nhiệt độ khí quyển thay đổi từ -920C đến 17000C. Cứ lên cao 100m thì nhiệt độ giảm 0,60C. Khí quyển Trái đất có cấu trúc phân lớp, với các tầng đặc trưng từ dưới lên trên: tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng trung gian, tầng nhiệt, tầng điện ly Tầng đối lưu (Troposphere) là tầng thấp nhất của khí quyển. Nó chiếm khoảng 70% khối lượng khí quyển, có nhiệt độ thay đổi giảm dần từ +40 0C ở lớp sát mặt đất tới -500C ở trên cao. Ranh giới phía trên của tầng đối lưu khoảng 7-8 km ở hai cực và 16-18 km ở vùng xích đạo. Trong tầng này luôn có sự chuyển động đối lưu của khối không khí bị nung nóng từ mặt đất. Tầng đối lưu là tầng có mật độ không khí cao nhất và tập trung nhiều nhất hơi nước, bụi, là tầng luôn xuất hiện các hiện tượng thời tiết như mây, mưa, tuyết, mưa đá, bão v.v.. Giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu có một lớp không khí dày khoảng 1km, ở đó có sự chuyển đổi xu hướng từ giảm nhiệt theo chiều cao sang xu hướng tăng nhiệt độ theo chiều cao. Lớp này được gọi là đối lưu hạn. Tầng bình lưu (Stratosphere): nằm trên tầng đối lưu, với ranh giới trên dao động trong khoảng độ cao 50km. Nhiệt độ không khí của tầng bình lưu có xu hướng tăng dần theo chiều cao, từ -560C ở phía dưới đến -20C ở phía trên. Không khí tầng bình lưu loãng hơn, ít chứa bụi và ít xảy ra các hiện tượng thời tiết bất thường. Ở độ cao khoảng 25km trong tầng bình lưu tồn tại một lớp không khí giàu ozôn thường được gọi là tầng ozôn. Tầng ozôn có chức năng như một lá chắn bảo vệ cho Trái đất tránh khỏi những ảnh hưởng độc hại của tia tử ngoại từ mặt trời chiếu xuống. Tầng trung gian (Mesosphere): nằm ở phía trên tầng bình lưu kéo dài đến độ cao khoảng 80km. Nhiệt độ tầng này giảm dần theo độ cao, từ -20C ở phía dưới đến -920C ở lớp trên. Tầng trung gian ngăn cách với tầng bình lưu bằng một lớp không khí mỏng (khoảng 1km), ở đó sự biến thiên nhiệt độ của khí quyển chuyển từ dương sang âm gọi là bình lưu hạn. 2
Tầng nhiệt (Thermosphere): có độ cao từ 80km đến 500km. Ở tầng này nhiệt độ không khí có xu hướng tăng dần theo độ cao, từ -920C đến 12000C . Tuy nhiên, nhiệt độ không khí cũng thay đổi theo thời gian trong ngày, ban ngày thường rất cao và ban đêm thì thấp hơn. Lớp chuyển tiếp giữa trung quyển và nhiệt quyển gọi là trung quyển hạn. Tầng điện ly nằm ở độ cao từ 800km trở lên. Nhiệt độ tầng này lên đến 17000C. Do tác động của tia tử ngoại, các phân tử không khí loãng trong tầng bị phân hủy thành các ion dẫn điện và các điện trở tự do. Tầng điện ly là nơi xuất hiện cực quang và phản xạ các sóng ngắn vô tuyến. Cấu trúc tầng khí quyển được hình thành do kết quả của lực hấp dẫn và nguồn phát sinh khí từ bề mặt Trái đất, có tác động to lớn trong việc bảo vệ và duy trì sự sống trên Trái đất. 1.1.3 Khái niệm về ô nhiễm không khí Không khí là một trong các yếu tố quan trọng và không thể thiếu để con người cũng như động thực vật sinh sống. Sức khỏe và tuổi thọ của con người, sự sinh trưởng và phát triển của các loài động thực vật phụ thuộc rất nhiều vào: thành phần hỗn hợp của không khí, vào độ trong sạch và đặc tính lý hóa của nó. Không khí trong khí quyển mà chúng ta đang hít thở là một hỗn hợp các chất ở dạng khí có thể tích hầu như không đổi và hơi nước. Ngoài các thành phần chính của không khí sạch đã nêu trên, bất kỳ sự có mặt của một chất lạ nào khác gây biến đổi thành phần không khí, tạo ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người cũng như đến môi trường sinh thái cũng được gọi là chất ô nhiễm. Như vậy các chất phát tán vào không khí từ nhiều nguồn khác nhau như SOx, NOx, bụi, các chất hữu cơ bay hơi… là các chất ô nhiễm. Không khí chứa các chất ô nhiễm được gọi là các chất bị ô nhiễm. Ô nhiễm không khí và sự lan truyền của nó có thể biểu thị bằng sơ đồ trình bày trên Trong sơ đồ trên thì: - Nguồn ô nhiễm được hiểu là nguồn thải ra các chất ô nhiễm. Ví dụ, khí thải từ ống khói, khí thải từ xe cộ, đốt than, đốt dầu… Nó chủ yếu được phân thành nguồn ô nhiễm tự nhiên và nguồn ô nhiễm nhân tạo. - Khí quyển được coi là môi trường trung gian để vận chuyển chất ô nhiễm từ nguồn gây ô nhiễm tới nguồn tiếp nhận chất ô nhiễm. Tại đây chất ô nhiễm còn có sự chuyển hóa. Quá trình chuyển hóa khá phức tạp và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. - Nguồn tiếp nhận ô nhiễm là con người, động vật, thực vật và các đồ vật, các công trình xây dựng trên bề mặt Trái đất. Để nghiên cứu ảnh hưởng của ô nhiễm không khí đến nguồn tiếp nhận cần có kiến thức về sinh lý học, sinh vật và y học. 1.1.4 Các chất gây ô nhiễm không khí Như đã nêu những chất gây biến đổi thành phần không khí làm cho nó trở lên không sạch hoặc gây ra mùi khó chịu hay làm giảm tầm nhìn xa được gọi là các chất gây ô nhiễm không khí. 3
Các nguồn thải trên Trái đất hàng ngày phát tán vào khí quyển một lượng lớn các chất gây ô nhiễm. Để dễ nghiên cứu người ta phân thành các chất ô nhiễm thể khí, ô nhiễm không khí do bụi, ô nhiễm không khí do mùi hôi và ô nhiễm nhiệt. 1.1.4.1 Các chất ô nhiễm thể khí a. Thán khí (CO2, dioxid carbon) CO2 là chất cấu tạo bình thường của khí quyển. Nồng độ của nó trong khí quyển liên tục tăng, chủ yếu do việc dùng nhiên liệu hóa thạch để tạo năng lượng. Thông thường cứ 12g C khi bị đốt cháy tạo ra 44g CO2, từ đó có thể thấy lượng CO2 phát tán vào khí quyển là rất lớn. Nó là chất không thường xuyên gây ô nhiễm sơ cấp, nhưng lại là tác nhân quan trọng gây ô nhiễm thứ cấp. b. Monoxid carbon, CO Trong điều kiện tự nhiên, CO có hàm lượng rất nhỏ, khoảng 0,1 ppm. Nguồn gốc phát sinh ra CO chủ yếu là do hoạt động của núi lửa, quá trình lên men ở môi trường khí hiếm, sấm chớp, cháy rừng, đốt nhiên liệu, than đá. Khí CO có nhiều tác động khác nhau đến sinh vật. Nếu nồng độ CO quá cao sẽ gây hại cho thực vật vì nó ngăn chặn quá trình hô hấp. Động vật máu nóng rất mẫn cảm với CO vì CO kết hợp với hemoglobin, tạo thành carboxyhemoglobin, làm các tế bào thiếu oxy gây ngạt thở. Hít không khí ô nhiễm 6,4×1000ppm CO trong vòng 2 phút gây nhức đầu và choáng váng, trong vòng 15 phút có thể bất tỉnh và tử vong. Liều 100ppm CO được xem là giới hạn tối đa cho phép. c. Hydrocarbon, CnHm Thực vật là nguồn tạo ra CnHm lớn nhất trong tự nhiên. Còn nguồn nhân tạo là do phương tiện vận tải, khai thác dầu mỏ cũng như lò sưởi dùng dầu căn (fuel). Sự cháy không hoàn toàn các hợp chất CnHm không no sẽ tạo ra peroxy-acyl-nitrates (PAN). Trường hợp không khí bị ô nhiễm CnHm gặp nắng nhiều sẽ gây nên sương mù quang hóa (Smogs photochimiques). Ngoài ra quá trình cháy không hoàn toàn sẽ tạo ra chất CnHm đa vòng dễ gây ung thư như benzo-3,4-pyrene, benzanthracene… d.Andehyt Andehyt là hợp chất rất độc và gây kích thích có trong không khí quanh các nhà máy lọc dầu, trong khí thải của các phương tiện giao thông, quanh lò đốt rác… e. Dioxid lưu huỳnh, SO2 Núi lửa là nguồn tự nhiên chủ yếu tạo ra SO2. Một phần lớn SO2 thải vào không khí là do hoạt động của con người, như đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, than đá, dầu FO (fuel Oil). Ngành luyện kim và điều chế axit sulfuric cũng thải ra SO2 SO2 thải vào không khí có thể biến đổi thành SO3 và axit sulfuric. Nó là một nguyên nhân tạo ra mưa axit ở nhiều vùng trên thế giới. SO2 cũng rất độc với thực vật và động vật. f. Hợp chất của Nitrogen Các oxit nitơ (NO và NO2) là những chất ô nhiễm sơ cấp sinh ra từ quá trình khai thác dầu mỏ, sản xuất công nghiệp và hoạt động của các phương tiện giao thông. Nó có thể kết hợp với các loại khí khác dưới tác dụng của phản ứng quang hóa tạo ra chất gây ô nhiễm thứ cấp. g. Ozôn (O3) 4
Là một chất cấu tạo khí quyển. Nồng độ O3 tăng dần theo độ cao và đạt trị số tối đa trong tầng bình lưu, khoảng 18-35km. Tại tầng đối lưu, sự ô nhiễm không khí làm gia tăng lượng O3 ở gần mặt đất. Trong khi đó quá trình ô nhiễm có nguyên nhân từ việc sử dụng các hợp chất chứa CFC, đốt nhiên liệu lại làm giảm O3 trong tầng bình lưu. 1.1.4.2 Ô nhiễm không khí do bụi Bụi được hiểu là một tập hợp nhiều hạt, có kích thước khác nhau, tồn tại lâu dài trong không khí dưới dạng bụi bay hoặc bụi lắng. Bụi bay có kích thước từ 0,001-10μm như tro, muội, khói và những hạt rắn được nghiền nhỏ. Bụi lắng có kích thước lớn 10μm. Loại bụi này thường rơi nhanh xuống mặt đất hoặc lơ lửng cách mặt đất khoảng 1,5m. Bụi được tạo ra từ những nguồn tự nhiên như động đất, núi lửa, bão bụi… Hoặc những nguồn nhân tạo như: giao thông vận tải (hạt mài, bồ hóng, bụi chì, cao su, nhựa đường…); công nghiệp (bụi hóa học, xi măng, thạch anh, than đá, bụi kim loại, bụi gỗ, bụi hỗn hợp…) Bụi có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của thực vật và cuộc sống của con người cũng như các loài động vật khác. 1.1.4.2 Ô nhiễm không khí do mùi Thực chất các chất gây ô nhiễm mùi hôi đều là các loại khí độc gây ô nhiễm môi trường không khí. Các chất gây mùi đều phát sinh từ các quá trình tự nhiên (các quá trình phân hủy, lên men) và hầu hết các hoạt động kinh tế xã hội (công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, dịch vụ thương mại) các hoạt động sinh hoạt của con người (đun nấu, chăn nuôi…) Các chất gây mùi xuất hiện do các nguồn thải ra và quá trình phát tán chúng trong khí quyển. Các chất gây mùi dễ nhận biết nhờ khứu giác, nhưng rất khó xác định nó là chất gì. 1.2 Ảnh hƣởng của ô tô đến môi trƣờng không khí 1.2.1 Một số vấn đề chung Các phương tiện vận tải hiện giữ vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế xã hội của mỗi quốc gia, nhưng nó cũng góp phần không nhỏ gây ô nhiễm môi trường sinh thái. Ảnh hưởng chủ yếu do hoạt động của các phương tiện giao thông vận tải đến môi trường là gây ô nhiễm không khí, gây ồn, rung động và bụi. Khí thải phát tán từ các phương tiện vận tải chiếm tỷ trọng lớn so với các nguồn phát thải khác trong việc gây ô nhiễm không khí, như tại Bắc Kinh khí thải do các phương tiện giao thông chiếm 75%, tại Mannila -70%, tại Kualalampua-86%. Với các phương tiện vận tải khác nhau, lượng khí phát thải cũng khác nhau. Thí dụ khi vận chuyển 1 hành khách trên đoạn đường 1km, lượng phát thải Cacbonmonoxit –CO như sau: Môtô 2 bánh: 4,82g/hk.Km; ôtô con: 6 g/hk.Km; ôtô khách 40 chỗ ngồi: 1,87g/hk.Km 5
Những chất gây ô nhiễm không khí bắt nguồn từ phương tiện vận tải phát tán vào môi trường là do khí thải hoặc sự bay hơi của nhiên liệu (xăng, dầu dieze). Các chất ô nhiễm đặc trưng là : CO, HC, NOx…Các phương tiện vận tải ước tính đã tải ra môi trường khoảng hơn 85% Cacbonmonoxit–CO, hơn 40% oxit nitơ-NOx, 50% Hydrocacbon-HC, 15%dioxitcacbon-CO2, 5% SO2 và các hợp chất hữu cơ tổng hợp bay hơi khác (VOC). 1.2.2 Ô nhiễm không khí do khí xả, khí lọt và nhiên liệu bay hơi Có ba nguồn chính sinh ra những chất gây ô nhiễm không khí từ phương tiện vận tải: Khí xả, khí lọt và nhiên liệu bay hơi (hình 1.4) Các hợp chất Hydrocacbon (HC) được tạo ra từ cả ba nguồn, còn CO và NOx chỉ xuất hiện trong khí xả của động cơ. a. Khí xả Khí xả là sản phẩm cháy từ trong buồng đốt của động cơ được thả ra ngoài môi trường qua ống xả. Thành phần chất độc hại trung bình trong khí thải khi đốt cháy 1kg nhiên liệu được thể hiện trong bảng 1.2 Bảng 1.2 Thành phần độc hại trong khí xả STT Các thành phần độc hại trong khí xả Dạng nhiên liệu Xăng (g) Diezel (g) 1 CO 200,59 20,81 2 HC 23,28 4,16 3 NOx 15,83 18,01 4 SOx 1,86 7,8 5 Alđehyt 0,93 0,78 6 Khói, bụi 1,00 5,00 7 Pb 0,5 0 Từ bảng trên có thể thấy lượng chất độc hại thải ra khi đốt cháy 1kg nhiên liệu của động cơ xăng lớn hơn của động cơ diezel- riêng khói đen thì động cơ diezel lại thải ra lượng lớn hơn động cơ xăng. Mỗi năm, hoạt động của các phương tiện giao thông vận tải tiêu thụ tới 1,5 triệu tấn xăng và dầu diezel, tương ứng với lượng khí thải ước tính như trong bảng 1.3 Bảng 1.3. Lượng không khí thải ra do các phương tiện giao thông đường bộ Chất ô nhiễm Lượng thải (tấn) CO2 6.000.000 6
CO 61.000 NO2 35.000 SO2 12.000 CnHm 22.000 Nhiên liệu dùng trong động cơ đốt trong hiện nay thường là nhiên liệu lỏng hoặc nhiên liệu thể khí (hay thể khí hóa lỏng). Nhiên liệu lỏng được dùng chủ yếu là các sản phẩm được tạo ra từ dầu mỏ (xăng, diezel) vì loại này có nhiệt trị lớn, ít tro, dễ vận chuyển và bảo quản. Mỗi loại nhiên liệu lỏng kể trên đều là một hỗn hợp của nhiều loại hydrocacbon có công thức cấu tạo khác nhau nhưng đều có những nguyên tố chính sau: Cacbon (C), Hydro (H), đôi khi còn có cả một lượng nhỏ Lưu huỳnh (S) và Nitơ (N). Nếu bỏ qua hàm lượng nhỏ của S và N thì có thể biểu diễn công thức hóa học của nhiên liệu lỏng dưới dạng chung CnHm (trong đó, n là số nguyên tử Cacbon, m là số nguyên tử Hydro). Khi nhiên liệu lỏng cháy hoàn toàn, sản phẩm cháy chủ yếu gồm CO2 và H2O và N2 (có trong không khí). Phản ứng oxy hóa trong trường hợp này có thể viết như sau: m m Cn H m  ( n  )O2  N 2  t0 nCO2  H 2O  N 2 4 2 Trong thực tế, trường hợp cháy hoàn toàn khó có thể xảy ra vì nó còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: thông số kết cấu động cơ, quá trình hình thành và đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu, chế độ làm việc và trạng thái kỹ thuật của động cơ. Khi nhiên liệu cháy không hoàn toàn, thành phần của sản phẩm cháy chủ yếu gồm CO2, H2O, CO, HC, NOx (từ N2 có trong không khí): Cn H m  O2  N 2  CO2  H 2O  Cn H m  CO  NOX  N 2 (dư) 0 t Nhiên liệu thể khí được dùng trong động cơ đốt trong thường là khí thiên nhiên hoặc khí thiên nhiên hóa lỏng. Thành phần chủ yếu gồm các nguyên tử C, H, O tạo nên được viết dưới dạng tổng quát là CnHmOr và lượng nhỏ N2 và H2S. Nếu lược bỏ thành phần H2S thì khi cháy hoàn toàn phản ứng oxy hóa sẽ là: m r m Cn H mOr  (n   )O2  N 2  t0 nCO2  H 2O  N 2 4 2 2 Khi cháy không hoàn toàn: m r Cn H mOr  (n   )O2  N 2  t0 CO2  H 2O  CO  Cn H mOr  NOX  N 2 (dư) 4 2 So với nhiên liệu lỏng thì nồng độ CO, HC, NOx phát sinh khi dùng nhiên liệu khí nhỏ hơn nhiều. 7
- Oxit cacbon (CO) CO là khí không màu, không mùi vị, là thành phần độc hại đặc trưng của khí thải. CO sinh ra do quá trình cháy không hoàn toàn của hỗn hợp cháy vì thiếu oxy (hỗn hợp đậm) nên một phần C của nhiên liệu chỉ được chuyển hóa thành CO: 1 C  O2  CO  124019kJ 2 Ngoài ra, CO còn sinh ra do các nguyên nhân khác như: - Sự cháy không đều của khí hỗn hợp; - Do nhiệt độ xung quanh vùng thành xilanh thấp; - Do phản ứng (2CO + O2=2CO2) diễn ra chậm nên không thể biến đổi tất cả lượng CO thành CO2. Nồng độ CO trong khí xả phụ thuộc đáng kể vào hệ số dư không khí  hoặc tỷ lệ không khí – nhiên liệu trong hỗn hợp cháy. Từ đồ thị hình 1.5 cho thấy để giảm nồng độ CO trong khí xả thì tỷ lệ khí – nhiên liệu càng nhạt càng tốt ( 1). Hình 1.5 và 1.6 - - - Ở chế độ chạy chậm không tải (khí hỗn hợp đậm) nồng độ CO trong khí xả là lớn nhất. Ở chế độ tải trung bình (bướm ga mở khoảng 40-70%) thì hàm lượng CO trong khí xả ở mức nhỏ. Ở chế độ tải trọng cực đại (dấn ga đột ngột) hỗn hợp cháy đậm hơn, hàm lượng CO trong khí xả lại tăng. Trạng thái kỹ thuật động cơ cũng có ảnh hưởng rất lớn đến lượng CO trong khí xả. Khi trạng thái kỹ thuật tốt, quá trình cháy hoàn hảo lượng CO có thể giảm 20-30%. CO gây cản trở việc vận chuyển oxy từ máu tới các tế bào, nó đặc biệt nguy hiểm đối với thai nhi và người mắc bệnh tim. Nếu lượng CO ở trong máu vượt quá mức thì những người yếu tim sẽ bị tăng thêm căng thẳng, những người đau thắt ngực sẽ bị tăng thêm thời gian đau. Tiếp xúc với CO ở mức cao sẽ dẫn đến suy giảm thị lực, khả năng học tập và hiệu suất công việc. - Hydrocacbon (HC) HC gây kích thích thành bên trong của các cơ quan hô hấp, ngoài ra còn gây ra hiện tượng sương mù quang hóa làm cản trở tầm nhìn, kích thích mắt và bị coi là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư và tàn lụi rừng. 8
Sự hình thành HC trong động cơ đốt trong là do những nguyên nhân sau: + Sự dập tắt màng lửa khi tiếp xúc với thành buồng cháy tạo ra một lớp hỗn hợp không bị bén lửa hay cháy không hoàn toàn trên các bề mặt tiếp xúc. Hiện tượng này xảy ra lớn nhất ở chế độ không tải hay tải nhỏ. + Hỗn hợp cháy chứa trong các không gian chết, không cháy được do màng lửa bị dập tắt. Các không gian chết chủ yếu là khe hở giới hạn giữa sécmăng và pittông với xilanh, không gian quanh nấm và đế supáp, không gian quanh cực trung tâm của bugi…Các không gian này được xem là nguyên nhân chủ yếu phát sinh HC. + Hơi nhiên liệu được hấp thụ vào màng dầu bôi trơn trong thành xilanh, khi cháy hết nhiên liệu, sự giải phóng hơi nhiên liệu từ màng dầu bôi trơn bắt đầu. Trong quá trình đó, một phần hơi này sẽ hòa trộn với khí cháy ở nhiệt độ cao và bị oxy hóa; một phần khác hòa trộn với khí cháy ở nhiệt độ thấp và không bị oxy hóa, do vậy làm tăng lượng HC. + Quá trình cháy không hoàn toàn do độ đậm đặc của nhiên liệu, do sự thay đổi góc đánh lửa sớm hay khi thay đổi tốc độ. Khi hỗn hợp cháy đậm (1), lượng HC trong khí thải tăng vì cháy không hoàn toàn do thiếu oxy. Nếu hỗn hợp cháy quá nhạt (1) sẽ làm chậm sự lan truyền của ngọn lửa và làm giảm hiệu suất của quá trình cháy dẫn đến lượng HC trong khí thải tăng. + Sự trùng lặp thời điểm đóng mở supáp nạp và thải. Trong quá trình làm việc của động cơ có thời điểm cả supáp nạp và supáp thải đều mở làm một lượng HC bị hút ra khỏi buồng cháy. Hiện tượng này được coi là “lọt khí do nổ sớm đóng muộn supáp”. + Sự hình thành lớp muội than trong buồng cháy cũng góp phần làm gia tăng lượng HC. Sự hấp thụ và giải phóng HC ở lớp muội than cũng giống như với màng dầu. Ngoài ra HC còn sinh ra do một phần nhỏ hỗn hợp khí ở sát thành xilanh chỉ cháy một phần hoặc không cháy hết đã xả ra khỏi xilanh. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lượng HC do thành phần này đóng góp còn lớn hơn so với lượng HC tạo ra do quá trình cháy. - Các ôxit nitơ (NOx) NOx có thể đi sâu vào phổi, gây kích thích mắt mũi họng. Nếu nồng độ NOx khí quyển ở mức cao thì sẽ gây ho, đau đầu chóng mặt và có thể hư hại phổi. NOx có ảnh hưởng lớn đến sự sống của thực vật khi nồng độ đủ lớn. Diôxit nitơ (NO2) gây việc gia tăng lây nhiễm đường hô hấp, làm nghẽn thở ở người mắc bệnh hen và giảm chức năng của phổi. Các dạng ôxit nitơ (NOx) cũng góp phần gây lắng đọng axit làm hỏng cây cối và tăng độ axit ở ao, hồ, sông, suối làm tổn hại nghiêm trọng đến hệ sinh thái dưới nước. NOx là tên gọi chung của các ôxit nitơ, chúng được tạo bởi N2 và O2 ở điều kiện nhiệt độ cao. Các chất này đặc trưng là NO, NO2, N2O. 9
Trong họ NOx thì NO chiếm tỷ lệ lớn nhất. NO hình thành chủ yếu do N2 trong không khí nạp vào động cơ (trong nhiên liệu sử dụng như xăng hay diezel chứa rất ít N 2 nên ảnh hưởng của chúng đến sự hình thành NOx là không đáng kể). N 2  O2 t  2 NO 0 cao Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy. Chú ý: Các phân tử N2 rất ổn định ở điều kiện bình thường. Chỉ khi nhiệt độ khoảng trên 18000C và nồng độ O2 cao mới có thể làm N2 kết hợp với O2 để tạo ra NO. Nếu nhiệt độ không cao hơn 18000C thì N2 và O2 sẽ bị thải ra ngoài. Do vậy, cách tốt nhất để giảm lượng khí thải NOx là làm giảm nhiệt độ trong buồng cháy xuống dưới 18000C hoặc giảm thời gian xuất hiện nhiệt độ cao. Nồng độ NO2 trong động cơ đánh lửa cưỡng bức so với NO là rất nhỏ, nhưng ở động cơ diezel thì có đến 30% NOx ở dưới dạng NO2. NO2 được hình thành từ NO và chất trung gian của sản phẩm cháy: NO  HO2  NO2  OH N2O chủ yếu hình thành do các chất trung gian NH và NCO khi chúng tác dụng với NO: NH  NO  N2O  H NCO  CO  N 2O  CO Nồng độ NOx trong khí thải phụ thuộc đáng kể vào tỷ lệ không khí- nhiên liệu (hệ số dư không khí ) Nồng độ NOx sinh ra lớn nhất khi tỷ lệ khí- nhiên liệu khoảng 16:1 (hệ số dư không khí   1,1 Nếu tỷ lệ này lớn hơn 16:1, nồng độ NOx giảm vì hỗn hợp nhạt, sự cháy diễn ra chậm ngăn cản nhiệt độ trong buồng cháy đạt tới giá trị cực đại. Nếu tỷ lệ này nhỏ hơn 16:1, nồng độ NOx giảm vì hỗn hợp đậm, nồng độ O2 thấp (hình 1.8). Nồng độ NOx còn phụ thuộc vào hệ số khí sót. Khí sót có mặt trong hỗn hợp là do khí cháy của chu trình trước còn sót lại trong xilanh. Khi lượng khí sót tăng làm giảm nhiệt độ cháy dẫn đến giảm nồng độ NOx nhưng lại làm giảm tính kinh tế và tăng lượng HC. Ở động cơ xăng, nồng độ NOx sinh ra còn phụ thuộc vào thời điểm đánh lửa sớm hay muộn, vì thời điểm đánh lửa sẽ làm thay đổi nhiệt độ trong buồng cháy (hình 1.9). Khi tăng góc đánh lửa sớm, làm tăng nồng độ NO trong khí xả. 10
Nồng độ NOx tăng lên đáng kể khi bướm ga mở hoàn toàn. Đối với động cơ diezel, khi giảm góc phun sớm, điểm bắt đầu cháy lùi gần điểm chết trên hơn, điều kiện hình thành NO cũng trễ hơn và nồng độ của nó giảm do nhiệt độ cực đại thấp. Tuy nhiên, trong trường hợp này độ khói và nồng độ CO trong khí xả lại tăng. - Chì (Pb) Chì xuất hiện trong thành phần khí xả của phương tiện giao thông là do xăng pha chì (để tăng trị số oocstan của xăng nhằm chống cháy kích nổ). Chì trong không khí có thể lắng đọng vào đất và nước, và từ đó thâm nhập vào cơ thể con người qua thức ăn và nước uống. Chì là một loại độc tố và trẻ em là đối tượng dễ bị tổn thương nhất. Chì có ảnh hưởng đến rất nhiều bộ phận trong cơ thể con người, dễ thấy nhất là ảnh hưởng tới sự phát triển của hệ thần kinh (làm giảm chỉ số thông minh IQ). Ngoài ra, còn có những ảnh hưởng khác như: giảm chức năng vận động của các giác quan, suy giảm chức năng của thận, tăng huyết áp. Khi sử dụng xăng pha chì, người ta thường bổ sung thêm chất lọc chì và chất này cũng được xả hết ra ngoài không khí. Đáng chú ý nhất là chất êtylen- đibrômua vì nó có thể gây ung thư cho động vật và con người. Vì những tác hại nêu trên, ngày nay người ta sử dụng xăng không pha chì (lượng chì trong xăng nhỏ hơn giới hạn cho phép). - Bụi hạt (PM) Bụi hạt hình thành do các hạt cứng lẫn trong nhiên liệu, dầu bôi trơn,…thải trực tiếp ra không khí, hoặc do quá trình biến đổi khí thải như SO2, NO2. Đặc tính lý hóa của PM thay đổi theo thời gian, khu vực, thời tiết. Ở nồng độ cao, bụi hạt có ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người, làm giảm tầm nhìn và hủy hoại các hệ sinh thái. Thành phần của bụi hạt như H2SO4, HNO3 góp phần gây lắng đọng axit. Bụi hạt ảnh hưởng đến sức khỏe con người ở các dạng: chết yểu, trầm trọng thêm bệnh tim mạch, bệnh hô hấp, hen xuyễn ở mọi lứa tuổi khác nhau. Bụi hạt thường có ở hai dạng: hạt nhỏ thô và hạt mịn. Hạt nhỏ thô, như silicat và bụi lơ lửng, loại bụi này dễ gây bệnh hô hấp, hen xuyễn. Hạt mịn chứa bụi axit, sunphat, nitrat, kim loại chuyển hóa, khói thải diezel, loại bụi hạt mịn có liên quan trực tiếp tới các bệnh tim, phổi, chết yểu. - Khí thải diezel 11
Khí thải diezel được hiểu là các hạt cacbon tự do hình thành trong quá trình cháy thiếu oxy và thải ra ngoài ở dạng khói đen. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng khí thải diezel là chất có khả năng gây ung thư cho con người. Nhiều quốc gia đã xếp khí thải diezel vào danh sách các chất “có thể gây ung thư” hoặc “tiềm ẩn gây ung thư”, đồng thời khuyến cáo rằng “cần phải có những nỗ lực khẩn cấp để giảm khí thải từ động cơ diezel, đặc biệt là bụi hạt”. Trong khí thải diezel, bụi hạt mịn chiếm khoảng 20% khối lượng, những hạt mịn này rất dễ thâm nhập sâu vào phổi. -Các chất thải khác SO2 xuất hiện trong khí thải do lưu huỳnh trong thiên nhiên khi cháy bị oxy hóa. Thành phần này chiếm tỷ lệ nhỏ trong khí thải động cơ. Ở nồng độ cao, SO2 gây kích thích các màng nhày của hệ thống hô hấp và gây viêm phế quản, hen, xuyễn, đồng thời là tác nhân tạo mưa axit. Alđêhyt (R-CHO) tạo ra trong quá trình cháy không hoàn toàn. Mặc dù nồng độ của chúng trong khí thải không lớn nhưng độ độc hại rất cao. b. Nhiên liệu bay hơi Đó là khí HC bốc hơi từ thùng chứa nhiên liệu, từ chế hòa khí vào không khí và từ sự rò rỉ nhiên liệu trong hệ thống cung cấp nhiên liệu. c. Khí lọt Khí lọt gồm khí hỗn hợp đã cháy và khí hỗn hợp chưa cháy lọt qua khe hở giữa pittông và thành xilanh xuống cácte dầu và thoát ra khí quyển qua ống thông gió cácte Ngoài việc gây ô nhiễm bởi các loại khí thải, phương tiện vận tải sử dụng động cơ khi hoạt động đều gây ra tiếng ồn, rung động và va đập, chúng gây cảm giác khó chịu cho con người. 1.2.3 Ô nhiễm thứ cấp a. Hiệu ứng nhà kính Như đã biết, phần lớn năng lượng của các tia bức xạ mặt trời có bước sóng nhỏ hơn 0,3μm (tia tử ngoại) bị khí oxy và ozon hấp thụ. Nếu không có sự hấp thụ này thì nhiều sinh vật trên trái đất đã bị hủy diệt do bức xạ tử ngoại quá lớn. Hơi nước có bức xạ lớn nhất khi tia nhiệt có bước sóng lớn hơn 18μm. Khí cacbonic hấp thụ lớn nhất khi tia nhiệt có bước sóng với dải sóng 13-18μm (bước sóng giữa dải là 15μm) và 2,7-4,3μm. Trong khoảng bước sóng 7-12μm,bức xạ nhiệt sóng dài dễ dàng thoát vào không trung và được gọi là cửa sổ bức xạ của khí quyển. Bức xạ từ bề mặt trái đất là sóng dài có năng lượng thấp, dễ bị khí quyển giữ lại làm tăng nhiệt độ của không khí bao quanh trái đất. Các tác nhân gây nên sự hấp thụ bức xạ 12
sóng dài của khí quyển như CO2, CH4, CFC, NO2, bụi và hơi nước được gọi là khí nhà kính và hiện tượng nêu trên được gọi là “hiệu ứng nhà kính”. Sở dĩ gọi là “hiệu ứng nhà kính” vì tác dụng của các khí nhà kính trong khí quyển tương tự như lớp kính của các nhà kính trồng rau xanh trong mùa đông, bức xạ mặt trời là sóng ngắn nên dễ dàng xuyên qua lớp kính truyền vào trong nhà kính trồng rau, còn bức xạ nhiệt của bên trong nhà kính với nhiệt độ thấp, thuộc loại bức xạ sóng dài, không thể xuyên qua lớp kính truyền ra ngoài được và kết quả là môi trường vi khí hậu phía trong ấm hơn phía ngoài nhà kính. Nếu không có tác động của các khí nhà kính thì nhiệt độ trung bình bề mặt của Trái đất ước tính khoảng 2550K, tương đương là -180C hay 00F. Khi hiện tượng hiệu ứng nhà kính xảy ra thì nhiệt độ trung bình của bề mặt trái đất tăng lên. Nếu nồng độ của các khí nhà kính trong khí quyển tăng thì sẽ làm tăng mức nhiệt độ của bề mặt trái đất từ ấm tới nóng. Nhiệt độ bề mặt trái đất tăng thì sẽ làm tăng mực nước biển, làm nhiều hệ sinh thái mất cân bằng và nhiều loại dịch bệnh mới xuất hiện. Trong số các khí nhà kính thì CO2 chiếm vai trò quan trọng nhất đối với sự biến đổi khí hậu. Một phân tử khí CFC gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ trái đất tương đương với 1500 phân tử khí CO2. Tuy nhiên nồng độ khí CO2 trong khí quyển rất lớn nên nó vẫn có vai trò quyết định đối với biến đổi khí hậu toàn cầu. Nguồn phát thải khí CO 2 nhân tạo chủ yếu do các quá trình đốt cháy nhiên liệu. Đặc tính của những khí gây hiệu ứng nhà kính chủ yếu được thể hiện ở bảng 1.4. Bảng 1.4 Đặc tính của những khí gây hiệu ứng nhà kính chủ yếu CO2 CH4 N2O O3 CFC 11 CFC 12 Nồng độ hiện 354 1,7 310 20-40 280 ppt 484 ppt nay ppm ppm ppb ppb Mức gia tăng hàng năm 0,5 1 0,25 0,5-1 4 7 (%) Mức độ gây hiệu ứng nhà 50 16 6 8 20 20 kính(%) Thời gian tồn 50-200 10 150 0,1 60 120 tại (năm) Khả năng hấp thụ bởi 21 206 2000 12400 15800 phân tử 13
Ghi chú: ( ppm: 10-6, ppb:10-9, ppt:10-12) b. Hiện tƣợng mƣa axit Trong khí quyển có chứa các loại khí ô nhiễm như SO2 và NOx. Các loại khí này hòa tan với hơi nước tạo ra các hạt axit sunfuric, axit nitơric và các muối kim loại. Khi trời mưa, nước mưa mang theo những hạt axit trên tạo thành mưa axit. Sự chuyển hóa thành axit do quá trình oxy hóa trong pha khí được thể hiện theo các phương trình phản ứng sau: 2NO + O2  2NO2 2NO + H2O  HNO3 + HNO2 2SO2 + O2  2SO3 SO3 +H2O  H2SO4 Người ta ước lượng khoảng trên 30% là sự tham gia của NOx vào các trận mưa axit (trên 60% do SO2). Ở một số nơi trên thế giới, người ta gọi mưa axit là “thần chết trên không trung) vì nó gây nguy hại rất lớn cho loài người. Những trận mưa axit gây nhiều hậu quả khác nhau: - Axit hóa và làm nghèo đất, kéo theo làm hư hại lớn đối với rừng. - Những sự cố về sức khỏe của người vì sự làm ô nhiễm nguồn nước với kim loại gây độc (chì, nhôm…) - Làm hư hại các công trình bằng xi măng và các kết cấu kim loại Mưa axit làm tăng tính axit của Trái đất, làm hủy diệt rừng và mùa màng, gây nguy hại đối với sinh vật dưới nước, nguy hại đối với người và động vật. Đồng thời nó còn làm han gỉ nhà cửa, cầu cống và các công trình lộ thiên. Người ta đã ước lượng thiệt hại do mưa axit gây ra trên toàn thế giới mỗi năm là 1450 triệu USD. Hiện tượng mưa axit có nhiều khả năng xảy ra tại các khu vực có nhà máy nhiệt điện lớn, có khu luyện kim, luyện dầu và công nghiệp hóa chất lớn đang hoạt động. c. Suy giảm tầng ozôn Khí ozôn có tác dụng che chắn không cho các tia tử ngoại cực ngắn chiếu xuống trái đất. Vì vậy người ta gọi tầng ozôn trong khí quyển là cái “ô bảo vệ” sự sống trên trái đất. Trong thiên nhiên khí ozôn luôn bị phân hủy và luôn được tái tạo, giữ được sự tồn tại vĩnh cửu và có tác dụng hấp thụ bức xạ tử ngoại. Một số năm gần đây các nhà khoa học đã phát hiện thấy nồng độ ozôn trong khí quyển ở cực Nam bán cầu của trái đất đã bị suy giảm do sự tăng trưởng sử dụng chất chlorfluorocacbon (CFC) và chlorfluoromethane (CFM). 14
Hợp chất cacbon florua thường được gọi là florua metan hay CFM, hay là “freon”. Freon-12 thường được dùng làm chất trao đổi nhiệt trong các bình nén khí thuộc kỹ thuật làm lạnh. Chúng là khí trơ đối với các phản ứng hóa học, lý học thông thường, nhưng khi chúng được tích lũy ở tầng cao khí quyển, dưới tác dụng của các tia bức xạ tử ngoại CFC và CFM đã làm thoát ra nguyên tử clo. Mỗi một nguyên tử clo lại phản ứng dây truyền với 100.000 phân tử ozôn và biến ozôn thành oxi. Vì vậy sự giảm 40% nồng độ ozôn ở cực Nam trái đất hiện nay (mầm mống của lỗ thủng tầng ozôn) có thể là do con người đã sử dụng nhiều chất CFC và CFM. Các máy bay siêu âm bay ở độ cao lớn, thải ra nhiều khí NOx cũng gây nguy hiểm cho tầng ozôn. Các hợp chất halogen hữu cơ, như là tetraclometan (CCl 4), metyl clorofom (CH3Cl), metyl bromua (CH3Br)… cũng được liệt vào các chất tương tự CFM. Trong tầng bình lưu của khí quyển luôn luôn xảy ra phản ứng quang hóa phân hủy phân tử CFC và tạo ra nguyên tử clo. Nguyên tử clo là chất xúc tác phân hủy ozôn theo phản ứng sau đây: Cl + O3 ClO + O2 ClO + O  Cl + O2 Như vậy theo các phản ứng trên thì khí O3 sẽ mất đi, còn khí clo luôn tồn tại và tiếp tục phá hủy tầng ozôn. Theo tính toán dự báo của một số chuyên gia thì cứ giảm 1% lượng ozôn trong tầng bình lưu sẽ làm tăng khoảng 2% bức xạ tử ngoại có hại chiếu trên mặt trái đất. Tăng bức xạ tử ngoại chiếu trên mặt trái đất sẽ làm tăng bệnh ung thư da, bệnh khô mắt và rối loạn cơ chế miễn dịch đối với con người và làm rối loạn hệ sinh thái biển cũng như đời sống thực vật trên mặt trái đất. Nếu tầng ozôn tiếp tục bị suy giảm, lỗ thủng tầng ozôn sẽ hình thành và càng mở rộng thì đến một lúc nào đó bức xạ tử ngoại chiếu xuống trái đất sẽ đạt tới giới hạn làm chết nhiều sinh vật, trong đó có thể gồm cả con người. Hội nghị quốc tế tại Viên năm 1985 đã ra công ước Viên về bảo vệ tầng ozôn. Các hóa chất làm suy yếu tầng ozôn đã được xác định tại hội nghị quốc tế Montreal năm 1987 và được bổ sung thêm tại hội nghị ở Luân Đôn năm 1990 và hội nghị ở Copenhaghen năm 1992. Theo biên bản của các hội nghị trên thì các hóa chất làm suy yếu tầng ozôn cần phải được kiểm soát là: chlorfluorocacbon (CFC), halon, methylchloroform, cacbon tetrachloride, hydrochlorfluorocacbon (HCFC), hydrobromofluorocacbon (HBFC) và methylbromit. Ngày 26-1-1994 Việt Nam đã chính thức phê duyệt và tham gia công ước Viên về bảo vệ tầng ozôn. Hiện nay tại một số nước công nghiệp phát triển đã có luật cấm sử dụng khí freon- 12 trong công nghiệp làm lạnh, để bảo vệ tầng ozôn trong khí quyển. 1.3 Xác định khối lƣợng các chất ô nhiễm 15
Để đánh giá được mức độ ô nhiễm không khí từ các nguồn thải gây ra cần phải thống kê nguồn thải. Thống kê bao gồm các nội dung: xác định vị trí và số lượng nguồn gây ô nhiễm, xác định tổng lượng và loại lượng chất ô nhiễm, xác định mức tiêu thụ nhiên liệu hàng ngày hoặc hàng năm của các nguồn tập trung, nguồn không tập trung, nguồn giao thông vận tải và các nguồn khác. Đồng thời thống kê các nguồn bốc hơi gây ô nhiễm khác. Khi đã xác định được những chất ô nhiễm có trong một khu vực hoặc tại một nguồn, thì có thể xác định được khối lượng chất ô nhiễm gây ra bằng cách tính theo phản ứng hóa học, hoặc theo hệ số ô nhiễm. 1.3.1 Theo phản ứng hóa học Dựa vào thành phần của nhiên liệu đốt, định mức tiêu hao nhiên liệu của các động cơ, máy móc… Chúng ta có thể tính được thành phần và lượng chất ô nhiễm sinh ra bằng các phản ứng hóa học. Trên cơ sở số liệu thống kê của các nhiên liệu đốt theo chu kỳ thời gian (ví dụ: tổng lượng tiêu thụ xăng dầu, than đá…hàng năm), sẽ tính được tổng lượng ô nhiễm phát sinh. 1.3.1.1 Đối với nhiên liệu rắn và lỏng Thành phần của các nhiên liệu rắn và lỏng bao gồm: cacbon, hydro, oxy, nitơ, lưu huỳnh, độ tro và độ ẩm. Các thành phần của nhiên liệu được biểu diễn bằng phần trăm trọng lượng và tổng các thành phần bằng 100%. C + O + H + N + S + A + W = 100% Trong đó: A: ký hiệu của độ tro W: ký hiệu của độ ẩm. Các thành phần khác được ký hiệu theo các chữ cái đầu của tên gọi. Khi đốt 1kg nhiên liệu lỏng, các thành phần cacbon, hydro và lưu huỳnh chuyển thành CO2, H2O, và SO2 theo các phương trình phản ứng sau:  Đối với cacbon - Khi phản ứng cháy hoàn toàn: C + O2  CO2 Hoặc: 12kg C + 32kg O2 sinh ra 44kg CO2 + 8.100kcal/kg C - Khi phản ứng cháy không hoàn toàn: C + 1/2O2  CO Hoặc: 12kg C + 16kg O2 sinh ra 28kg CO + 2.440kcal/kg C.  Đối với khí hydro 2H2 + O2  2H2O, 16
Hoặc: 4kg H2 + 32kg O2 sinh ra 36kg H2O + 34.200 kcal/kg H2.  Đối với lưu huỳnh S + O2  SO2, Hoặc: 32kg S + 32kg O2 sinh ra 64kg SO2 + 2.600kcal/kg S. Dựa trên phản ứng cháy, chúng ta có thể xác định được lượng oxy cần cho quá trình cháy, từ đó tính toán được lượng không khí cần cung cấp cũng như lượng sản phẩm cháy do 1 kg nhiên liệu tạo ra. Ví dụ: Tính tổng lượng SO2 sinh ra trong quá trình vận hành của một động cơ ô tô chạy bằng dầu diezen. Biết thành phần lưu huỳnh trong dầu chiếm 0,3% khối lượng và lượng dầu mà ô tô đó sử dụng trong 1 năm là 5.103 tấn. coi như phản ứng cháy xảy ra đạt hiệu suất 100%. Giải: Thành phần lưu huỳnh chứa 0,3% khối lượng dầu Diezen, vậy cứ 100kg dầu có 0,3 kg lưu huỳnh, hay cứ 1 tấn dầu chứa 3 kg lưu huỳnh. Tính lượng lưu huỳnh trong dầu mà ô tô đốt trong 1 năm: 3kg/tấn x 5.103tấn = 15 tấn lưu huỳnh. Khi đốt lưu huỳnh, phản ứng cháy xảy ra như sau: S + O2  SO2. Theo phản ứng trên: cứ 32kg S cháy sinh ra 64 kg SO2. Vậy, 15 tấn lưu huỳnh khi cháy sẽ sinh ra lượng SO2 là: 15.000  64  30.000 kg SO2 = 30 tấn SO2/năm. 32  Ngoài ra, chúng ta có thể dựa vào các phương trình phản ứng hóa học để xác định được lượng oxy cần cho quá trình cháy, từ đó tính toán được lượng không khí cần cung cấp cũng như các sản phẩm cháy do 1kg nhiên liệu thải ra, trong đó chủ yếu là các yếu tố độc hại làm ô nhiễm môi trường. Các công thức tính sản phẩm cháy ở điều kiện tiêu chuẩn (t = 00C, p = 760 mmHg) được thể hiện như sau (‫)٭‬: - Lượng không khí khô lý thuyết cần cho quá trình cháy (Vlt ): Vlt  0,089C + 0,264H  0,0333(O  S), m3/kg. - Lượng không khí ẩm lý thuyết ( ở điều kiện t = 300C,   65%, d  17g/kg) cần cho quá trình cháy (Va): Va  (1 + 0,0016d) Vlt , m3/kg. 17
- Lượng không khí ẩm thực tế với hệ số thừa không khí   (1,2 ÷ 1,6) (Vtt): Vtt  Va , m3/kg. - Lượng khí SO2 trong sản phẩm cháy ( VSO ) 2 3 VSO2  0,683.102 S , m /kg. - Lượng khí CO trong sản phẩm cháy (VCO) với hệ số cháy không hoàn toàn về hóa học và cơ học  (  0,01÷0,05): VCO  1,865.102C , m /kg. 3 - Lượng khí CO2 trong sản phẩm cháy ( VCO ) 2 VCO2  1,853.102 (1   )C , m /kg. 3 - Lượng hơi nước trong sản phẩm cháy ( VH O ) 2 3 VH2O  0,111H  0,0124W  0,0016dVtt , m /kg. - Lượng khí N2 trong sản phẩm cháy ( VN ) 2 3 VN2  0,8.102 N  0,79Vtt , m /kg. - Lượng khí O2 trong không khí thừa ( VO ) 2 VO2  0,2(  1)Va , m /kg. 3 - Lượng sản phẩm cháy tổng cộng ( VT ) 3 VT  VSO2  VCO  VCO2  VH2O  VN2  VO2 , m /kg. 1.3.1.2 Đối với nhiên liệu khí Nhiên liệu khí bao gồm các thành phần của các chất khí như CO2, CO, N2, H2, H2S, O2 và các hydro cacbon. Trong các hydro cacbon, CH4 chiếm một tỷ trọng lớn trong nhiên liệu khí, công thức hydro cacbon được xác lập là CmHn. Trong quá trình cháy nhiên liệu khí sinh ra nhiệt lượng. Phương trình phản ứng cháy của các thành phần trong nhiên liệu khí được thiết lập như sau: 1 H2 + 2O2 = H2O + 2.576 kcal/m3. 1 CO + 2O2= CO2 + 3.016 kcal/m3. CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 8.555 kcal/m3. C2H4 +3O2 = 2CO2 +2H2O+14.017 kcal/m3. 18