Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay xác định đồng thời thành phần các cation và anion trong nước mưa

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

112
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nghiên cứu này được thực hiện với nội dung thu thập các mẫu nước mưa lấy tại các trạm quan trắc khu vực miền Bắc, phân tích thành phần hóa học: các anion, cation chính trong mẫu nước mưa sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay loại 2 kênh.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay xác định đồng thời thành phần các cation và anion trong nước mưa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------------- ĐỖ THỊ KIM THOA SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN DI MAO QUẢN XÁCH TAY XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI THÀNH PHẦN CÁC CATION VÀ ANION TRONG NƯỚC MƯA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------------- Đỗ Thị Kim Thoa SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN DI MAO QUẢN XÁCH TAY XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI THÀNH PHẦN CÁC CATION VÀ ANION TRONG NƯỚC MƯA Chuyên ngành: Hóa Môi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. DƯƠNG HỒNG ANH Hà Nội - Năm 2015
LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS. Dương Hồng Anh đã giao đề tài, nhiệt tình hướng dẫn cho em trong suốt quá trình em thực hiện luận văn. Đồng thời em cũng xin chân thành cảm ơn GS. TS. Phạm Hùng Việt đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong thời gian em làm luận văn tại Trung tâm CETASD. Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ trong Trung tâm Nghiên cứu Môi trường và Phát triển Bền vững – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đặc biệt là các anh chị em trong nhóm Điện di mao quản đã giúp đỡ em rất nhiều. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy cô trong Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đặc biệt là PGS. TS. Đỗ Quang Trung đã cho em những kiến thức quý báu, là nền tảng để em hoàn thành luận văn. Luận văn này được thực hiện trong khuôn khổ đề tài: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỆN DI MAO QUẢN HAI KÊNH LOẠI XÁCH TAY PHỤC VỤ ĐÁNH GIÁ NHANH CHẤT LƯỢNG NƯỚC TẠI HIỆN TRƯỜNG”, mã số 13/HĐ-ĐT.13.14/CNMT thuộc Chương trình nghiên cứu khoa học, ứng dụng và chuyển giao công nghệ phát triển ngành Công nghiệp Môi trường do Bộ Công thương quản lý, vì vậy em xin trân trọng cảm ơn nguồn kinh phí của đề tài. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, Trường THPT Chuyên Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ em khi em đi học. Đỗ Thị Kim Thoa
MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 3 1.1. Lắng đọng khí quyển và pH của nước mưa 3 1.1.1. Lắng đọng khí quyển 3 1.1.2. Hiện tượng lắng đọng axit 4 1.2. Các nguồn gốc gây mưa axit 6 1.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành mưa axit 7 1.3.1. Cường độ phát thải 8 1.3.2. Thành phần hóa học trong nước mưa 9 1.3.3. Hàm lượng các chất kiềm trong đất và không khí 9 1.3.4. Điều kiện khí tượng thủy văn 10 1.4. Tác động của mưa axit lên hệ sinh thái 10 1.4.1. Tác động đến hệ sinh thái đất 10 1.4.2. Tác động đến hệ sinh thái nước 11 1.4.3. Những tác động khác 12 1.5. Ô nhiễm môi trường không khí và lắng đọng axit ở Việt Nam 13 1.6. Phương pháp phân tích thành phần các ion trong nước mưa 15 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 17 2.1. Nội dung và mục tiêu nghiên cứu 17 2.2. Hóa chất và thiết bị 17 2.2.1. Hóa chất 17 2.2.2. Thiết bị 18 2.3. Phương pháp nghiên cứu 18
2.3.1. Lấy mẫu 18 2.3.2. Phương pháp phân tích thành phần các ion Cl-, NO3-, NO2-, SO42- NH4+, K+, Na+, Ca2+, Mg2+ trong nước mưa 19 2.3.2.1. Phương pháp điện di mao quản sử dụng thiết bị điện di mao quản 2 kênh đi kèm detector độ dẫn không tiếp xúc 19 2.3.2.2. Phân tích mẫu đối chứng bằng phương pháp sắc ký ion 22 2.3.3. Phương pháp tính xác định hàm lượng bicacbonat, cân bằng ion và đánh giá thành phần nước mưa 22 2.3.3.1. Hàm lượng bicacbonat 22 2.3.3.2. Chỉ số cân bằng ion 22 2.3.3.3. Đánh giá các thành phần nước mưa 23 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24 3.1. Kết quả xác định thành phần nước mưa lấy tại các trạm quan trắc 24 3.2. Đánh giá thành phần các ion trong nước mưa 39 3.3. Quá trình axit hóa và trung hòa nước mưa 44 3.4. Phân tích tương quan các thành phần trong nước mưa 46 3.5. Hệ số làm giàu và đánh giá nguồn gốc các ion trong nước mưa 46 KẾT LUẬN 49 Tài liệu tham khảo 50
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT C4 D Detector độ dẫn không tiếp xúc CE Điện di mao quản IC Sắc ký ion HPLC Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao LOD Giới hạn phát hiện LOQ Giới hạn định lượng UV-Vis Phương pháp phổ hấp thụ phân tử vùng tử ngoại khả kiến FA Hệ số biểu thi khả năng trung hòa của các dạng axit NFx Hệ số biểu thi khả năng trung hòa của các dạng bazơ EF Hệ số làm giàu
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Tốc độ chuyển hóa và quá trình wash–out của các hợp chất chứa lưu huỳnh và nitơ 8 Bảng 1.2. Phân loại các trận mưa theo đặc tính pH (%) 14 Bảng 2.1. Thông số vận hành của hệ điện di mao quản tự động xách tay 2 kênh 20 Bảng 2.2. LOD và LOQ của phương pháp điện di mao quản sử dụng điện cực đo độ dẫn không tiếp xúc cho phân tích các cation và anion trong nước mưa 21 Bảng 3.1. Thời gian lưu của các ion 24 Bảng 3.2a. Kết quả phân tích các anion clorua, nitrat và sunfat trong nước mưa bằng phương pháp CE và đối chứng bằng phương pháp IC 30 Bảng 3.2b. Kết quả phân tích nitrit trong nước mưa bằng phương pháp CE và đối chứng bằng phương pháp IC 30 Bảng 3.3a. Kết quả phân tích các cation amoni, kali và natri trong nước mưa bằng phương pháp CE và đối chứng bằng phương pháp IC 33 Bảng 3.3b. Kết quả phân tích các cation canxi và magie trong nước mưa bằng phương pháp CE và đối chứng bằng phương pháp IC 35 Bảng 3.4. Kết quả đo pH và thành phần các anion, cation cơ bản trong nước mưa 40 Bảng 3.5. Tổng nồng độ anion, cation cơ bản trong nước mưa và chỉ số cân bằng ion 41
Bảng 3.6. So sánh thành phần hóa học của nước mưa (EqL-1) tại một số khu vực trên thế giới 43 Bảng 3.7. Hệ số làm giàu liên quan tới nguồn biển hoặc đất đối với các thành phần nước mưa tại khu vực nghiên cứu ở miền Bắc Việt Nam 2015 47 Bảng 3.8. Các nguồn đóng góp vào những thành phần chính của nước mưa tại khu vực nghiên cứu ở miền Bắc Việt Nam 2015 48
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ quá trình tạo mưa axit 5 Hình 3.1. Điện di đồ phân tích mẫu chuẩn của kênh anion 24 Hình 3.2. Điện di đồ phân tích mẫu chuẩn của kênh cation 25 Hình 3.3. Các đường chuẩn định lượng phân tích anion và cation trong mẫu nước 28 Hình 3.4. Điện di đồ phân tích mẫu nước mưa M3-19 sử dụng hệ thiết bị điện di mao quản 2 kênh 29 Hình 3.5. Tương quan kết quả nồng độ các anion giữa phương pháp CE và IC 32 Hình 3.6. Tương quan kết quả nồng độ các cation giữa phương pháp CE và IC 37 Hình 3.7. Phần trăm đóng góp của các ion trong thành phần nước mưa 42 Hình 3.8. Mối quan hệ giữa [H3O+] và A. [SO42-], B. [NO3-], C. [SO42-+NO3-] 44 Hình 3.9. Mối quan hệ giữa [Mg2++ Ca2++ NH4+] và [SO42-+NO3-] 45
MỞ ĐẦU Hiện tượng lắng đọng axit bao hàm cho tất cả các loại giáng thủy: mưa, tuyết, mưa tuyết, mưa đá, sương mù…mà bản chất mang tính axit. Bản chất của nước mưa thông thường mang tính axit yếu do CO2 của không khí hòa tan trong nước, nước mưa tinh khiết thường có độ pH khoảng 5,6 – 5,7 [3]. Tuy nhiên thành phần hóa học và pH của nước mưa thường bị biến đổi do khi rơi xuống mặt đất đã mang theo một lượng các chất vết khí và hạt bị rửa trôi (wash out) từ khí quyển. Giá trị pH nước mưa là một chỉ tiêu rất quan trọng trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường nói chung và mức độ ô nhiễm không khí nói riêng. Lắng đọng axit lần đầu tiên được ghi nhận ở Châu Âu và Bắc Mỹ. Nhiều nhà bác học (Robert – Anh 1852, sau đó là Hans Egner – Thụy Điển đầu thế kỷ 20, Oden – Thụy Điển, Gorham – Mỹ) đã nghiên cứu và lên tiếng cảnh tỉnh nhân loại về nguyên nhân và các hậu quả của lắng đọng axit. Cùng với công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa, rất nhiều các tổ chức thế giới đã được thành lập và đưa ra các dự án nghiên cứu về hiện tượng lắng đọng axit. Các nhà khoa học đã chứng minh được rằng các chất gây ô nhiễm không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng không khí, đất, nước của khu vực có nguồn phát thải mà nó còn được vận chuyển xa đến các vùng khác theo dòng luân chuyển không khí có khi vượt biển xuyên biên giới sang các nước khác. Do đây là một vấn đề quan trọng không phải chỉ là của các nước có nguồn phát thải lớn mà của cả các nước xung quanh khu vực. Hiện tượng lắng đọng axit gần đây đã được ghi nhận đáng kể ở một số nước như Trung Quốc, Nhật Bản, Ấn Độ. Thành phần hóa học của lắng động axit, đặc biệt là nước mưa có tầm quan trọng lớn để có thể đánh giá được mức độ ô nhiễm không khí vì đây là môi trường tiếp nhận các chất vết khí và hạt tan. Do vậy, hóa học nước mưa đã được nghiên cứu từ những năm 70 ở một vài nước phát triển trên thế giới và trở thành một trong những vấn đề môi trường quan trọng. 1
Nghiên cứu này được thực hiện với nội dung thu thập các mẫu nước mưa lấy tại các trạm quan trắc khu vực miền Bắc, phân tích thành phần hóa học: các anion, cation chính trong mẫu nước mưa sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay loại 2 kênh. Nghiên cứu có mục tiêu: - Đánh giá thành phần hóa học, xác định ảnh hưởng của các ion này đến mức độ axit của nước mưa, xác định nguồn gốc của các ion này. - Chứng minh khả năng sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay hai kênh trong việc phân tích đồng thời nhóm cation và anion sử dụng cho quan trắc môi trường nước. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Lắng đọng khí quyển và pH của nước mưa [3,4] 1.1.1. Lắng đọng khí quyển Các chất vết trong khí quyển có nồng độ luôn biến đổi theo thời gian và không gian. Thời gian lưu của chúng có thể một vài giờ, môt vài tuần hoặc một vài năm. Quá trình loại bỏ các chất vết này trong khí quyển hay nói cách khác là quá trình chúng được chuyển từ bầu khí quyển đến bề mặt trái đất được gọi là sự lắng đọng khí quyển. Sự lắng đọng này được chia làm hai loại: lắng đọng khô và lắng đọng ướt.  Lắng đọng khô: Là sự chuyển dịch của các chất vết khí và hạt dưới thời tiết khô tới bề mặt của vật hấp thụ (đất, hệ thực vật và các bề mặt nước)  Lắng đọng ướt: Là quá trình vận chuyển, chuyển hóa hóa học của các thành phần khí và hạt tới bề mặt trái đất dưới các hình thức khác nhau như mưa, tuyết, sương mù. Quá trình này rất quan trọng vì các thành phần lý hóa học sau này của lắng đọng ướt phần lớn phụ thuộc vào quá trình này. Quá trình lắng đọng ướt có thể xảy ra theo hai cơ chế: Các vết ở thể khí và hạt được sát nhập vào các đám mây nhỏ, chúng có thể không tan hoặc bị hòa tan trong nước mây. Sau khi bị hấp thụ các chất có thể tham gia vào các phản ứng hóa học không thuận nghịch và các thành phần khác trong pha lỏng. Chuyển hóa kiểu này thường xảy ra đối với các chất như SO2, NOx chúng có thể bị chuyển hóa không thuận nghịch tạo thành axit hoặc muối, quá trình này được gọi là Rain – out. Các vật chất được hấp thụ trong mây đi theo lắng đọng ướt rơi xuống mặt đất và bị loại bỏ khỏi khí quyển. Các chất vết dưới tầng đám mây bị bắt giữ vào lắng đọng ướt nhờ có sự đông tụ trọng trường do sự khác nhau giữa tốc độ rơi của hạt trong không khí và hạt lắng đọng ướt. 3
Quá trình chuyển dịch ướt của các chất vết khí và hạt bằng sự rơi của lắng đọng ướt dưới tầng đám mây được gọi là Wash – out. Quá trình làm sạch khí quyển này là rất quan trọng, nhất là những vùng có không khí bị ô nhiễm. Như vậy thành phần hóa học của lắng đọng ướt chịu ảnh hưởng của các thành phần trong khí quyển. Hiện nay người ta đang nghiên cứu xác định mối quan hệ định lượng giữa nồng độ một chất trong khí quyển và trong nước mưa như một hàm số của các điều kiện khí quyển. 1.1.2. Hiện tượng lắng đọng axit Độ pH của nước mưa bằng 5,6 ở nhiệt độ 10o C là một giá trị được xem là một giá trị lý tưởng, tính cho nước nguyên chất cân bằng với nồng độ CO2 trong không khí. Các chất có nguồn gốc tự nhiên có cơ chế phát sinh và tiêu thụ ở thể cân bằng và tương đối. Chu kỳ vận chuyển của các chất trong thành phần không khí, đất và nước trong tự nhiên là tương đối ổn định. Giá trị pH của nước mưa tự nhiên dao động trong khoảng 5 – 7 được coi là ở mức độ bình thường. Nhưng con người trong quá trình cải tạo tự nhiên và trong các hoạt động của mình đã có những tác động vào môi trường gây sự mất ổn định của các chu kỳ vật chất, làm thay đổi thành phần hóa học của đất, nước và đặc biệt là khí. Nồng độ của các chất khí như NOx, SO2, NH3, hợp chất hữu cơ (CH3COO-, HCOO- …), bụi trong khí quyển… vượt quá xa những giá trị của tự nhiên, làm cho pH của sự lắng đọng khí quyển thay đổi (lớn hơn 6 hoặc nhỏ hơn 5), gây ra những hậu quả nghiêm trọng và phức tạp. Nước mưa có pH < 5 đã được ghi nhận ở nhiều vùng trên thế giới như Tây Âu, Bắc Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản … gây thiệt hại lớn về kinh tế và các công trình văn hóa. Hình dưới đây mô tả một cách đầy đủ sự hình thành mưa axit từ các khí có trong thiên nhiên cũng như từ các quá trình hoạt động của con người gây ra. 4
Hình 1.1. Sơ đồ quá trình tạo mưa axit Quá trình này diễn ra theo các phản ứng hoá học: a. Lưu huỳnh: S + O2 → SO2 SO2 + O2 → SO3 SO3 + H2O → H2SO4 b. Nitơ: N2 + O2 → 2NO 2NO + O2 → 2NO2 3NO2(k) + H2O(l) → 2HNO3(l) + NO(k) 5
Axít sunfuric H2SO4 và axit nitric HNO3 là thành phần gây ra mưa axit 1.2. Các nguồn gốc gây mưa axit Sự có mặt của SO2 và NOx với hàm lượng lớn trong khí quyển (vượt quá giới hạn cho phép) đang được coi là nguyên nhân chính gây ra mưa axit. Ngoài ra các thành phần khác như NH3, Cl2, CO2… cũng góp phần quyết định tính axit của nước mưa. Các khí này một phần được sinh ra trong tự nhiên còn phần lớn là phát thải từ các hoạt động của con người. Các axit H2SO4, HNO3 được sinh ra trong khí quyển từ các tiền chất SO2 và NOx là nguyên nhân chính làm giảm pH của nước mưa. Thông thường nước mưa có tính axit cao được tìm thấy ở những vùng bị ảnh hưởng bởi hoạt động của con người. Trong tự nhiên khí SO2 có thể được sinh ra từ quá trình hoạt động của núi lửa. Đồng thời các lớp rong tảo dưới biển cũng tích tụ một lượng rất lớn các hợp chất sunfua, khí hydrosunfua nên cũng là một trong những nguồn tự nhiên sản sinh ra khí SO2. Một số nghiên cứu của UNEP cho thấy rằng khí SO2 được phát thải từ các nguồn tự nhiên chiếm khoảng một nửa SO2 trong khí quyển lượng này không tăng lên khi mà sunfua trong tự nhiên được tái tạo và sử dụng theo các cơ chế khác nhau. Trong tự nhiên khí NOx được giải phóng từ đất thông qua hoạt động của vi khuẩn và được tạo thành trong không khí khi có sét. Do sự phân tán khí trong tự nhiên nồng độ của chúng được pha loãng và tác động rất ít tới nồng độ trong không khí ở những vùng riêng biệt. Phần lớn khí SO2 và NOx do con người phát thải vào không khí được tạo ra trong quá trình đốt nhiên liệu. Chủ yếu là dầu thô, xăng, than đá, khí đốt và các sản phẩm dầu mỏ khác. Một lượng nhỏ SO2 được tạo thành trong quá trình đốt quặng có chứa lưu huỳnh và lưu huỳnh nguyên tố để sản xuất axit sunfuric (H2SO4) hoặc do các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình đốt hoặc chưng cất các hợp chất hữu cơ trong công nghệ sản xuất giấy. Khí SO2, SO3, H2SO4 (ở dạng mù) thường thấy trong thành phần của khí lò ở nhiệt độ cao. Một trong 6
những nguồn đóng góp chính vào việc thải NOx là ống xả của các phương tiện giao thông. Trong số bảy oxit nitơ (N2O, NO, N2O3, N2O4, NO2, NO3, N2O5) chỉ có NO và NO2 được tăng lên từ nhiều hoạt động của con người và được coi là chất gây ô nhiễm. Trong các đánh giá chất lượng môi trường chúng thường được báo cáo là tổng oxit nitơ hoặc NOx. Quá trình điều tra cho thấy năm 1998 số lượng ô tô trên toàn cầu vượt quá 400 tỷ, hơn 1,5 tỷ phương tiện giao thông ngày nay là ở trên đường, nhiều hơn 10 lần so với 1950. Đặc biệt nguy hại hơn ở các nước nghèo, kém phát triển các phương tiện giao thông thường là cũ được khôi phục lại và sửa chữa lại, chạy quá tải và bảo dưỡng kém. Sự đốt cũng oxi hóa cả các hợp chất chứa nitơ trong nhiên liệu và một phần nitơ tự nhiên tồn tại trong không khí tạo thành ôxit nitơ. Theo điều tra của UNEP khoảng 75% NOx do con người sinh ra là do sự phát thải của các phương tiện giao thông và đốt nhiên liệu than đá trong các lò năng lượng và 30% đến 40% từ các nhà máy điện có sử dụng than đá. Ngoài ra lượng nhỏ NOx còn được sinh ra từ các nơi sản xuất axit nitric (HNO3) hoặc là việc sử dụng các phản ứng hóa học. Như vậy, những nguồn gây ô nhiễm không khí chính là các ngành công nghiệp, nhiên liệu dùng trong sinh hoạt và các phương tiện giao thông. Các chất khác gây ra lắng đọng axit là clo và amoniac. Nguồn gốc HCl tự nhiên quan trọng nhất là phản ứng của muối biển với axit H2SO4 hoặc HNO3. Những nguồn khác được tạo ra do hoạt động núi lửa. Việc đốt than cũng sinh ra lượng HCl đáng kể. Clo tồn tại trong than dưới dạng clorua kim loại tan được và chủ yếu dưới dạng natriclorua (NaCl) nhưng cũng có những dạng muối khác như CaCl2, MgCl2… Nguồn chủ yếu khác là đốt chất thải. Clorua tồn tại trong chất thải dưới dạng muối trong rau và dưới dạng PVC. 1.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành mưa axit [3] Hiện nay người ta đang quan tâm tới hai đối tượng quan trọng nhất được coi là nguyên nhân gây ra mưa axit là khí SO2 và NOx. Cường độ phát thải các chất 7
gây ô nhiễm môi trường nói chung và khí SO2, NOx nói riêng càng tăng thì khả năng gây mưa axit càng lớn. Tuy nhiên, hiện tượng lắng đọng axit còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: tổng các chất bụi lơ lửng và khả năng đệm của không khí, hàm lượng chất kiềm ở trong đất và các điều kiện khí tượng thủy văn. 1.3.1. Cường độ phát thải Cường độ phát thải là nhân tố quan trọng nhất ảnh hưởng tới chất lượng nước mưa. Các nhà nghiên cứu trên thế giới đang nghiên cứu các mô hình tính toán cường độ phát thải khí SO2, NOx cho mỗi vùng kinh tế dựa trên mức độ sử dụng nhiên liệu, hàm lượng các chất chứa nitơ, lưu huỳnh trong nhiên liệu. Những vùng có tốc độ đô thị hóa, công nghiệp hóa càng cao thì có sự phát thải các chất gây ô nhiễm càng lớn. Những vùng đó có tiềm năng gây mưa axit. Mức độ bị axit hóa của mỗi vùng được nhận biết dựa trên độ nhậy cảm của đất, nước và được gọi là nơi có nhiều nhạy cảm với axit. Bảng 1.1 Tốc độ chuyển hóa và quá trình wash–out của các hợp chất chứa lưu huỳnh và nitơ Hệ số Thời gian lưu T Hợp chất Quá trình K/giờ (giờ) Ôxi hóa 0,027 37 Wash-out bằng mưa 0,01 100 SO2 Hấp thụ trên bề mặt 0,095 70 Loại bỏ toàn phần khỏi khí 0,052 19 quyển Trung hòa 0,03 33 Axit Wash-out bằng mưa 0,0125 80 Sunfuric Hấp thụ trên bề mặt 0,005 200 H2SO4 Loại bỏ toàn phần khỏi khí 0,0475 21 quyển 8
Hệ số Thời gian lưu T Hợp chất Quá trình K/giờ (giờ) Wash-out bằng mưa 0,0125 80 SO42- Hấp thụ trên bề mặt 0,05 200 Loại bỏ toàn phần 0,0175 30 Nitơ ôxit Chuyển hóa hóa học 3,3 0,3 (NO) Ôxit hóa HNO3 0,012 8,3 Tương tác với vật chất hữu cơ 0,025 40 Nitơ điôxít Wash-out bằng mưa 0,01 100 NO2 Hấp thụ trên bề mặt 0,01 100 Loại bỏ toàn phần 0,165 6,1 Axit Nitơric Trung hòa 0,035 30 Wash-out bằng mưa 0,0125 80 HNO3 Hấp thụ trên bề mặt 0,015 70 Loại bỏ toàn phần 0,065 16 1.3.2. Thành phần hóa học trong nước mưa Thành phần hóa học trong nước mưa quyết định độ pH của nước mưa. Độ axit của nước mưa không chỉ phụ thuộc thuần túy vào các ion axit (NO3- , SO42-) mà còn phụ thuộc vào khả năng trung hòa axit của các ion kiềm. Độ axit của nước mưa giảm đáng kể khi trong nước mưa có nhiều ion kiềm như: Ca2+, Mg2+, NH4+. 1.3.3. Hàm lượng các chất kiềm trong đất và không khí Người ta thấy rằng 30% đến 70% các chất trên không trung có nguồn gốc từ trái đất. Các thành phần này có mặt trong nước mưa thông qua các quá trình như rửa trôi và hấp thụ. Những vùng đất có hàm lượng các nguyên tố canxi và natri 9
thấp là những vùng có tiềm năng nhậy cảm với axit. Vì vậy thành phần hóa học của không khí và những tác động của nó lên tính axit của nước mưa có thể được xác định rộng hơn bằng việc phân tích tính chất của đất. 1.3.4. Điều kiện khí tượng thủy văn Các điều kiện khí tượng thủy văn ảnh hưởng đến tính axit của nước mưa thông qua những tác động tới mức độ xảy ra các phản ứng hóa học, mức độ phân tán, lưu chuyển và sự lắng đọng của các chất ô nhiễm trong không khí. Những thông số khí tượng quan trọng là: tốc độ và hướng gió, nhiệt độ, tính ổn định của không khí, chiều cao hòa trộn, lượng mưa, độ ẩm và bức xạ mặt trời. Việc nghiên cứu sâu các nhân tố ảnh hưởng đến lắng đọng axit là cơ sở dự đoán xu hướng của mưa axit ở mỗi vùng. Từ đó đưa ra các giải pháp hiệu quả nhằm hạn chế các hậu quả do mưa axit gây ra. 1.4. Tác động của mưa axit lên hệ sinh thái Hiện tượng mưa axit hay lắng đọng axit đã được ghi nhận rất nhiều nơi trên thế giới. Nó là vấn đề nguy hiểm đe dọa tới môi trường sống của con người. Nó có thể gây ra các tác động lên hệ sinh thái đất nước vật chất và sức khỏe con người. 1.4.1. Tác động đến hệ sinh thái đất Sự lắng đọng axit làm thay đổi cân bằng tự nhiên của đất và thay đổi thành phần hóa học của đất. Nước mưa có pH thấp làm tăng khả năng hòa tan của các muối ion kim loại nặng, độc. Những chất gây ô nhiễm trong không khí cũng được rửa trôi xuống bề mặt trái đất và chúng được tích lũy dần trong đất. Mưa axit hòa tan các chất khoáng trong đất, những ion kim loại mới được giải phóng sẽ chiếm chỗ của các ion kim loaik kiềm Ca2+, Mg2+, K+ từ đất làm đất bị sói mòn, phá hủy độ màu mỡ. Bên cạnh đó một số vi sinh vật hữu ích trong đất có thể bị thải trừ dẫn đến sự ức chế một vài quá trình vi sinh. Ví dụ: Ức chế sự phân hủy xác của các động vật, thực vật. Các quá trình này rất quan trọng trong việc 10
tái tạo lại các chất dinh dưỡng mà cây đã lấy đi từ đất. Nếu đất bị axit hóa sẽ mất đi toàn bộ màu mỡ, ảnh hưởng đến sự tăng trưởng của cây. Mưa axit còn có khả năng phá hủy hệ thực vật, các khu rừng rộng lớn. Các nhà khoa học cho rằng mưa axit đã phá hủy lớp bảo vệ lá và axit đã ngấm vào bên trong làm cho cây không thở được. Điều này làm ngừng sự chuyển hóa các chất dinh dưỡng và nước vào cây do đó cây sinh trưởng chậm, ức chế sự tạo thành chồi, ngọn, giảm sự tạo hạt và giảm sức đề kháng đối với sâu bệnh. Những kim loại nặng được giải phóng do nước pH thấp có thể phá hủy hệ thống rễ cây. Những tác động đó không những ảnh hưởng đến năng suất mùa màng mà còn ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. 1.4.2. Tác động đến hệ sinh thái nước 1. Tác động lên nước bề mặt Mưa axit gây axit hóa nước sông, suối, hồ, ao, vịnh... Các ion kim loại có tính độc cao như Zn, Ni, Pb, Al, Hg được hòa tan và rửa trôi từ không khí và từ đất bởi nước có pH thấp sẽ được tích tụ trong các sông, hồ. Người ta thấy rằng nồng độ của chúng trong nước bề mặt phụ thuộc vào pH nước mưa từng vùng và phụ thuộc vào bản chất ion kim loại. Ở pH = 6 khả năng hòa tan của một số kim loại: Mn > Cd > Zn Ở pH < 5 có thể hòa tan các muối của Cu, Al Ở pH < 4 các muối của Pb bị hòa tan Khi nồng độ của các kim loại này cao sẽ gây độc cho các sinh vật sống dưới nước gây ô nhiễm nguồn nước. 2. Tác động tới động thực vật sống dưới nước Độ axit trong nước tăng là một trong những nguyên nhân làm cho cá và các loài khác trong nước không thể kéo dài cuộc sống. Các loài thủy thực vật sinh trưởng ở pH 7,0 – 9,2 khi pH giảm chúng sẽ bị mất dần. Ở pH = 6 các vi khuẩn 11