Tiểu luận : Các chất ô nhiễm chính phát thải từ động cơ diesel và tác hại

TIÊU LUÂN : CAC CHÂT Ô NHIÊM CHINH PHAT<br /> ̉ ̣ ́ ́ ̃ ́ ́ <br /> THAI T<br /> ̉ Ừ ĐÔNG C<br /> ̣ Ơ DIESEL VA TAC HAI<br /> ̀ ́ ̣<br /> <br /> <br /> I.Khai quat chung:<br /> ́ ́<br /> Ô nhiễm không khí là hậu quả từ các hoạt động của cuộc sống hiện đại như : <br /> sự gia tăng tiêu thụ năng lượng, sự phát triển của các ngành công nghiệp mũi <br /> nhọn : công nghiệp luyện kim, hóa học, giao thông đường bộ và hàng không, v.v. <br /> Ô nhiễm có nguồn gốc từ ba nguồn chính : nguồn gốc thiên nhiên (thực vật, <br /> đất), nguồn gốc cố định (sưởi ấm gia đình, sản xuất điện, công nghiệp), và giao <br /> thông. Thực vậy, ôtô và các phương tiện vận chuyển là một phần nguyên nhân <br /> trong tình trạng mô trường ô nhiễm như ngày nay. <br /> 1. Ô nhiễm khí thải : tổng quan<br /> Các hợp chất ô nhiễm chính trong khí thải có thể chia làm hai nhóm : khí và hạt <br /> rắn. Người ta phân biệt các chất ô nhiễm sơ cấp được thải ra từ các nguồn xác <br /> định (CO, HC,…) với các chất ô nhiễm thứ cấp (O3, …) được sản sinh ra từ các <br /> phản  ứng giữa các chất ô nhiễm sơ  cấp với nhau dưới tác động của điều kiện <br /> môi trường như bức xạ mặt trời.<br /> Nhìn chung chất gây ô nhiễm môi trường thải ra từ động cơ gồm các chất sau :<br /> Dioxyde de carbone (CO2), sản phẩm của quá trình oxi hóa hoàn toàn nhiên <br /> liệu<br /> Monoxyde de carbone (CO), đến từ quá trình oxi hóa không hoàn toàn <br /> nhiên liệu<br /> Oxyde d’azote (NOx), bao gồm monoxyde d’azote (NO) và dioxyde d’azote <br /> (NO2).<br /> Các hạt rắn, sản phẩm của các quá trình hình thành phức tạp.<br /> Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (COV­composés organiques volatils), là <br /> các hợp chất hóa học hữu cơ có áp suất hơi đủ cao để dưới các điều kiện <br /> bình thường có thể bay hơi một lượng đáng kể vào không khí. Về thành <br /> phần COV là sự kết hợp giữa các hydrocarbure (như alcane, <br /> alcène, aromatique, …) và các hợp chất chứa oxi (aldéhyde, kétone, …).<br /> Các hợp chất hữu cơ đa vòng (hydrocarbures aromatiques polycycliques – <br /> HAP), như benzoapyrene<br />  Dioxyde de sulfure (SO2), hình thành từ lưu huỳnh có sẵn trong nhiên liệu.<br /> Các kim loại, có trong dầu và nhiên liệu.<br /> Những   chất   ô   nhiễm   này   thải   ra   môi   trường   sẽ   dẫn   đến   rất   nhiều   ảnh <br /> hưởng taihại cho sức khỏe và môi trường. Một vài chất trong đó sẽ  góp phần <br /> hình thành sương mù trong đô thị  (brouillards urbains), mưa acide từ  SO2 và <br /> NOx. Trong đó NOx và VOCs là nguyên nhân gây ra các phản ứng khác nhau dẫn  <br /> đến sự  hình thành ozone  ở  tầng đối lưu của khí quyển. Các hydrocarbon chưa <br /> cháy gây ra bệnh ung thư, còn các hạt rắn, đặc biệt là các hạt rắn nhỏ, rất nguy  <br /> hiểm cho sức khỏe, vì nó có thể đi vào trong phổi, gây ra các bệnh về hô hấp.<br /> 2. Ô nhiễm khí thải động cơ Diesel :<br /> Động cơ Diesel chuyển đổi năng lượng hóa học (carburant, gazole) thành năng <br /> lượng cơ học. Gazole là hỗn hợp của các hydrocarbure mà trong quá trình cháy <br /> lý tưởng, nó chỉ sinh ra CO2 và H2O. Trong thực tế người ta quan sát thấy một <br /> vài sản phẩm khí và rắn khác. Điều này liên quan một phần đến sự có mặt của <br /> các tạp chất chứa trong các HC (như các hợp chất chứa lưu huỳnh), và mặt khác <br /> liên quan đến sự phức tạp của các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình <br /> cháy. <br /> 2.1. Cấu trúc suie Diesel<br /> Suie Diesel được tạo thành từ nhiều hạt rắn có kích thước khoảng 0,3  mm. Các <br /> hạt rắn này lại được tạo thành từ các hạt carbone nhỏ hơn có bán kính khoảng <br /> 10 – 60 nm liên kết lại với nhau thành dạng chuỗi hay agrégat, có hình thù « kết  <br /> túm » (floconneux) đặc trưng, và có thể coi hạt suie Diesel là một hỗn hợp của  <br /> các cấu tử hữu cơ và vô cơ <br /> Suie được tạo nên từ một pha rắn ở tâm và một pha ngưng tụ trên bề mặt. Tâm <br /> của suie là than carbone, pha ngưng tụ thực chất là các chất hữu cơ gồm các <br /> hydrocarbon ngưng tụ trong pha lỏng trên bề mặt (SOF) và các sufates.<br /> Các sulfates trong khí thải động cơ Diesel có nguồn gốc từ các chất hữu cơ chứa <br /> lưu huỳnh trong nhiên liệu. Khi nhiên liệu cháy, lưu huỳnh trong các hợp chất <br /> hóa học này chuyển thành SO2, và sau đấy một phần (khoảng 2%) sẽ bị oxi hóa <br /> thành SO3. SO3 sau đó sẽ  phản  ứng với nước để  tạo thành các giọt lỏng acide  <br /> sulfurique.<br /> 2.2. Ảnh hưởng của hạt rắn suie lên môi trường và sức khỏe.<br /> Các hạt suie thải ra từ động cơ Diesel có ảnh hưởng xấu đến môi trường cũng  <br /> như sức khỏe con người. Thực vậy, các hạt rắn này góp phần tạo thành các đám <br /> bụi lơ  lửng trong môi trường đô thị. Kích thước của hạt suie đóng một vai trò <br /> quan trọng. Hạt càng nhỏ, chúng càng lơ lửng lâu trong không khí, và khi đi vào <br /> phổi, thời gian chúng lưu lại càng lâu. Đối với những hạt có đường kính lớn hơn <br /> 10 mm, chúng dễ  dàng bị  đẩy ra khỏi đường hô hấp; các hạt có từ  3 – 10 mm, <br /> chúng dễ  dàng lưu lại  ở khí quản và phế  quản; dưới 3 mm, các hạt này có thể <br /> thâm nhập vào tận các phế  nang của phổi (les alvéoles pulmonaires), và có thể <br /> thâm nhập vào máu. Rõ ràng các hạt rắn này là nguồn gốc của các bệnh về  hô <br /> hấp thường gặp như: hen suyễn, viêm phế quản, và ung thư phổi.<br /> <br /> II.Cac ph<br /> ́ ương phap:<br /> ́<br /> 1.Các công nghệ xứ lý suie :<br /> Người ta đã nghiên cứu nhiều công nghệ lọc suie thải ra từ động cơ Diesel. Một  <br /> số thiết bị lọc cho kết quả khá tốt như : bộ lọc vách xốp bằng ceramique dạng <br /> monolithe (cordiérithe), vải kim loại (toiles métalliques), hoặc bọt kim loại hoặc  <br /> ́ ́ ương phap sau :<br /> ceramique. Co cac ph ́<br /> ­Phương pháp nhiệt<br />      Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là cả bộ lọc và khí thải động cơ <br /> sẽ được gia nhiệt đến một nhiệt độ tối thiểu cần thiết để có thế bắt đầu <br /> quá trình cháy của hạt rắn. Để nâng nhiệt độ của bộ lọc, người ta có thể <br /> dùng một trong các cách sau :<br /> + Sử dụng năng lượng điện để gia nhiệt nhờ vi sóng (micro­ondes), bằng <br /> cách dùng một bộ lọc làm bằng vật liệu bán dẫn, hoặc bằng cách lắp đặt <br /> bộ lọc ceramique có dây gia nhiệt.<br /> + Người ta có thể gia nhiệt bộ lọc bằng một brûleur với hệ thống tự động có <br /> hai lớp lọc : khí thải được nạp qua lớp lọc thứ nhất, trong khi đó lớp thứ <br /> hai chứa đầy hạt rắn sẽ được tái sinh đồng thời nhờ brûleur.<br />       Các phương pháp này gặp khá nhiều vấn đề  về  mặt  ứng dụng, như  hệ <br /> thống choáng nhiều chỗ lắp đặt trên ôtô, và cũng khá đắt.<br /> ­Phương pháp xúc tác<br />      Mục đích của phương pháp này là giảm nhiệt độ tối thiểu cần thiết cho <br /> quá trình đốt cháy suie nhờ sử dụng các xúc tác oxi hóa toàn phần <br /> (oxidation totale). Tuy nhiên hiệu quả của các vật liệu này không những <br /> phụ thuộc vào hoạt tính oxi hóa của xúc tác, mà còn phụ thuộc vào tính <br /> chất tiếp xúc (qualité de contact) của chúng với suie. Sự tiếp xúc của hai <br /> pha rắn (suie – catalyseur) càng « chặt », hiệu quả xúc tác càng ca<br /> 2. Các phương pháp khử suie bằng xúc tác<br /> Ngày nay người ta đều công nhận rằng nếu tiếp xúc giữa xúc tác và suie không <br /> « bền chặt » (contact intime intense), hiệu quả của xúc tác trong quá trình cháy  <br /> suie là không đáng kể. Và những nghiên cứu để đạt được sự tiếp xúc tốt nhất có  <br /> thể  giữa hai pha rắn này đã làm nảy sinh ra hai dạng xúc tác : xúc tác nội  <br /> (catalyse interne) và xúc tác ngoại (catalyse externe).<br /> Xúc tác nội :<br /> o Giải pháp đầu tiên là thêm trực tiếp vào nhiên liệu một lượng rất bé  <br /> (0,03 đến 0,1 g/l) các phụ gia có nền tảng là các hợp chất cơ kim nhằm  <br /> cải thiện quá trình cháy trong động cơ. Các phụ gia này đóng vai trò <br /> xúc tác vì các kim loại được sinh ra sau khi nhiên liệu cháy (Ni, Cu,  <br /> Mo, Mn, Zn, Ca, Ba…) [3] sẽ bám trên hạt suie dưới dạng các oxide vô <br /> cơ  và có hoạt tính xúc tác cao. Các xúc tác này  ở  trong các hạt rắn và <br /> hoàn toàn đảm bảo sự tiếp xúc chặt với suie, tuy nhiên cũng không thể <br /> tránh khỏi phụ gia sẽ bám lên bộ lọc. Điều này sẽ làm cho các lỗ xốp  <br /> của nó bị nghẽn trong một thời gia ngắn.<br /> o Giải pháp thứ hai là thêm phụ  gia vào dòng khí thải của động cơ  một <br /> cách liên tục hoặc gián đoạn. Người ta dùng các đồng phân hữu cơ của  <br /> đồng (Cu) làm phụ  gia. Và nhược điểm của phương pháp này cũng <br /> giống như phương pháp thứ nhất.<br /> Xúc tác ngoại :<br />        <br /> <br /> <br /> o Giải pháp này liên quan đến việc dùng một bộ lọc xúc tác có khả năng  <br /> giảm nhiệt độ  cháy của suie, cũng như  có thể  đốt một cách liên tục  <br /> nhằm tránh việc các lỗ  xốp của bộ  lọc bị  bít lại do suie bám lên quá <br /> nhiều. Với phương pháp này người ta không phải thêm vào một hệ <br /> thống tái sinh phụ, mà nó cũng không  ảnh hưởng đến hoạt động của <br /> động cơ như các phương pháp thêm phụ gia ở trên.<br /> o Nhưng vấn đề  đặt ra với bộ lọc xúc tác là việc đảm bảo tiếp xúc tốt <br /> giữa hai pha rắn suie­xúc tác. Hiện nay, đây là nguyên nhân chính cản <br /> trở  khả  năng  ứng dụng của phương pháp này vào thực tế, chứ  không <br /> phải vấn đề  hoạt tính của xúc tác không đảm bảo. Tuy nhiên ở  phạm  <br /> vi nghiên cứu người ta đã đề ra rất nhiều dạng xúc tác dùng cho bộ lọc <br /> xúc tác. Các xúc tác này có thể là các kim loại hiếm (Ni, Pt, …)  [4], các <br /> xúc tác đơn (MnOx, La2O3, CeO2, MgO, Fe2O3, Al2O3, VOx) [5­8], hoặc <br /> các   xúc   tác   phức   tạp   hơn   đặc   biệt   là   xúc   tác <br />  dạng pérovskite (chromites [9­11],   lanthanides [9],   cobaltites [11], <br /> manganites [3, 11])<br /> o Trong các nghiên cứu gần đây người ta quan tâm nhiều đến các xúc tác <br /> có cấu trúc phức tạp,  đặc biệt là xúc tác dựa trên các oxyde dạng <br /> pérovskite. Các   oxyde   đặc   biệt   này,   thường   có   công   thức   chung   là <br /> ABO3, thu hút sự quan tâm ở chỗ người ta có thể tác động vào vị trí A <br /> và/hoặc vị trí B để  thay thế  (riêng phần) bằng một ion của nguyên tố <br /> khác.<br /> <br /> <br /> III.Kêt luân:<br /> ́ ̣<br /> Ngày nay ô nhiễm môi trường ngày càng trở thành một vấn đề nhức nhối với <br /> con người. Trong đó một phần không nhỏ nguyên nhân có nguồn gốc từ khí thải <br /> động cơ. Động cơ Diesel được công nhận có nhiều ưu thế vượt trội nhưng loại <br /> động cơ này vẫn tồn tại nhiều nhược điểm ở khía cạnh môi trường, đặc biệt là <br /> việc thải suie. Suie Diesel là một hợp chất có cấu trúc phức tạp mà quá trình <br /> hình thành của nó vẫn còn là một vấn đề đang nghiên cứu. Việc nắm rõ cấu <br /> trúc, đặc điểm, và quá trình hình thành của suie có vai trò quan trọng trong việc <br /> nghiên cứu các phương pháp khử suie. Người ta đã và đang nghiên cứu nhiều <br /> phương pháp khác nhau để oxy hóa suie, như phương pháp nhiệt, xúc tác, … Nói <br /> chung mỗi phương pháp đều có nhưng ưu và nhược điểm nhất định. Trong đó <br /> bộ lọc xúc tác có vẻ là một phương pháp tối ưu nhất. Phương pháp này thể hiện <br /> nhiều ưu điểm vượt trội, tuy nhiên việc tái sinh bộ lọc sau một thời gian sử <br /> dụng vẫn còn là một vấn đề cần được tiếp tục cải thiện. Và trong các chất xúc <br /> tác dùng cho bộ lọc xúc tác, các oxyde dạng perovskite chiếm được nhiều quan <br /> tâm vì hoạt tính xúc tác cao, và kinh tế.<br />