Bài giảng Hóa môi trường

Nội dung text: Bài giảng Hóa môi trường

1. ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM    BÀI GIẢNG HÓA MÔI TRƯỜNG (Dùng cho Sinh viên chuyên Hóa Đại Học Đà Nẵng) Phạm Thị Hà Lê Thị Mùi Đà Nẵng, năm 2008
2. Chương 1 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ HOÁ HỌC MÔI TRƯỜNG 1.1. MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA HOÁ HỌC MÔI TRƯỜNG 1.2. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.2.1. Môi trường Môi trường là một tập hợp tất cả thành phần của thế giới vật chất bao quanh, có khả năng tác động đến sự tồn tại và phát triển của mỗi sinh vật. 1.2.2. Các bộ phận của môi trường: vật lí và môi trường sinh vật. Môi trường vật lí Môi trường vật lí là thành phần vô sinh của môi trường tự nhiên bao gồm khí quyển, thủy quyển và thạch quyển (hay địa quyển). Môi trường sinh vật (môi trường sinh học) Môi trường sinh vật là thành phần hữu sinh của môi trường tự nhiên, bao gồm các hệ sinh thái, quần thể động vật và thực vật, gọi là Sinh quyền (biosphere), 1.2.3. Chức năng của môi trường: 3 chức năng: - Môi trường là không gian sống của con người. - Môi trường là nơi cung cấp nguồn tài nguyên cần thiết cho cuộc sống và hoạt động sản xuất của con người. - Môi trường còn là nơi chứa đựng các phế thải do con người tạo ra trong cuộc sống và hoạt động sản xuất của mình
3. 1.2.4. Sự ô nhiễm môi trường. Sự suy thoái môi trường Ô nhiễm môi trường: là hiện tượng làm thay đổi trực tiếp hoặc gián tiếp các thành phần và đặc tính vật lí, hóa học, sinh học, sinh thái học của bất kì thành phần nào của môi trường hay toàn bộ môi trường vượt quá mức cho phép đã được xác định. Tác nhân gây ô nhiễm: chất ô nhiễm: chất rắn (rác, phế thải rắn); chất lỏng (các dung dịch hóa chất, chất thải của công nghệ dệt, nhuộm, chế biến thực phẩm ); chất khí (SO2 từ núi lửa, CO2, NO2 trong khói xe hơi, CO trong khói bếp, lò gạch ); các kim loại nặng như chì, đồng Chất ô nhiễm cũng có khi vừa ở thể hơi, vừa ở thể rắn hay ở các dạng trung gian. Suy thoái môi trường: là một quá trình suy giảm mà kết quả của nó đã làm thay đổi về chất lượng và số lượng thành phần môi trường vật lí 1.2.5. Bảo vệ môi trường: những hoạt động, những việc làm trực tiếp, tạo điều kiện giữ cho môi trường trong lành, sạch, đẹp,. Bảo vệ môi trường cũng bao gồm các chủ trương chính sách, các luật định của Nhà nước nhằm ngăn chặn hậu quả xấu cho môi trường, các sự cố môi trường do con người và thiên nhiên gây ra. Bảo vệ môi trường còn bao hàm ý nghĩa bảo vệ và sử dụng hợp lí tài nguyên thiên nhiên. Cao hơn nữa Bảo vệ môi trường là nhận thức của con người, sự tự giác, lòng trân trọng của con người đối với môi trường.
4. 1.2.6. Sinh thái. Hệ sinh thái. Cân bằng sinh thái Sinh thái : Sinh thái là mối quan hệ tương hỗ giữa một cơ thể sống hoặc một quần thể sinh vật với các yếu tố môi trường xung quanh. Hệ sinh thái : Hệ sinh thái là đơn vị tự nhiên bao gồm các quần xã sinh vật (thực vật, vi sinh vật, động vật bậc thấp, bậc cao) và môi trường trong đó chúng tồn tại và phát triển:sinh thái cạn (hệ sinh thái đất, hệ sinh thái rừng, hệ sinh thái sa mạc ); Hệ sinh thái nước Cân bằng sinh thái : Cân bằng sinh thái, hiểu theo nghĩa rộng bao gồm toàn bộ các mối cân bằng giữa các loài 1.2.7. Môi trường và phát triển. Phát triển bền vững Mối quan hệ giữa môi trường và phát triển: Môi trường là tổng hợp các điều kiện sống của con người, còn phát triển là quá trình sử dụng và cải thiện các điều kiện đó. Giữa môi trường và phát triển có mối Phát triển bền vững: phát triển bền vững là cách phát triển nhằm thỏa mãn nhu cầu của thế hệ hiện tại mà không ảnh hưởng đến khả năng thỏa mãn nhu cầu của thế hệ mai sau. Khái niệm về phát triển bền vững còn mới mẻ và còn tranh cãi để hoàn thiện hơn. 1.2.8. Con người và môi trường Ảnh hưởng của yếu tố sinh thái, xã hội đến con người: Do ảnh hưởng của lối kiếm ăn và yếu tố thức ăn, con người đã thoát thai từ động vật bốn chân Tác động của con người vào môi trường:
5. Chương 2 HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ 2.1. THÀNH PHẦN CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA KHÍ QUYỂN 2.1.1. Sự hình thành và tiến hóa của khí quyển “tiền khí quyển” hoàn toàn khác so với thành phần khí quyển hiện nay Núi lửa đã thải ra từ trong lòng nó khí H2, CO2, CO hơi nước, CH4, NH3 và các khí khác. Tạo ra h/c hữu cơ {CH2O} thông qua quá trình quang hợp: CO2 + H2O → {CH2O} + O2 Oxi xuất hiện tạo điều kiện hình thành ozon: O2 + hυ → 2O O + O2 → O3 Oxi đã oxi hóa amoniac để giải phóng nitơ hình thành khí quyển nitơ – oxi: 4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O 2.1.2. Thành phần cấu trúc của khí quyển Cấu trúc của khí quyển có thể chia thành hai phần: Phần trong bao gồm các tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng trung lưu và tầng nhiệt, ở độ cao đến khoảng 500km; Phần ngoài còn gọi là tầng điện li, ra đến vũ trụ bao la.
6. Tầng đối lưu: Tầng đối lưu ở độ cao từ bề mặt trái đất đến 11km, tầng này chứa tới khoảng 70% khối lượng của khí quyển và hầu như toàn bộ Tầng bình lưu: Tầng bình lưu ở độ cao từ 11km đến 50km, trong tầng này nhiệt độ lại tăng do sự hấp thụ bức xạ tử ngoại và tỏa nhiệt của Ozon theo chiều cao từ -560C đến -20C. O3 + hv → O2 + O + E Tầng bình lưu như một tấm lá chắn bảo vệ sự sống trên Trái Đất, đồng thời phân chia khí quyển thành vùng bình lưu và đối lưu. Thành phần chủ yếu ở tầng bình lưu là O3, ngoài ra còn có N2, O2 . Quá trình quan trọng nhất ở tầng này là các phản ứng quang hóa. Tầng trung lưu: Ở độ cao từ 50km đến 85km, nhiệt độ trong tầng trung lưu lại giảm theo chiều cao từ -20Cđến -920C. Sự giảm nhiệt độ theo chiều cao ở tầng này do các chất hấp thụ tia tử ngoại có nồng độ thấp, đặc biệt là oxi, oxit nitơ bị phân li thành nguyên tử và chịu sự ion hóa sau khi hấp thụ bức xạ Mặt Trời ở vùng tử ngoại xa. Tầng nhiệt lưu: Tầng này từ khoảng 85km trở lên, không khí cực loãng và nhiệt độ tăng mãi theo chiều cao. Tiếp theo đến tầng ngoài, rồi khoảng không vũ trụ.
7. 2.1.2. Thành phần hóa học của khí quyển Nitơ 78,90% và Oxi 20,94% và một số đơn chất, hợp chất khác được trình bày trong bảng 2.1. Bảng 2.1. Thành phần không khí khô không bị ô nhiễm Các chất Công thức Tỉ lệ theo thể Tổng trọng lượng trong khí quyển phân tử tích (%) (triệu tấn) Nitơ N2 78,09 3.850.000.000 Oxi O2 20,94 1.180.000.000 Argon Ar 0,93 65.000.000 Carbon dioxit CO2 0,032 2.500.000 Neon Ne 18ppm 64.000 Heli He 5,2ppm 3.700 Metan CH4 13ppm 3.700 Kripton Kr 10ppm 15.000 Hidro H2 0,5ppm 180 Nitơ oxit N2O 0,25ppm 1.900 Cacbon monoxit CO 0,10ppm 500 Ozon O3 0,02ppm 200 Sunfua dioxit SO2 0,001ppm 11 Nitơ dioxit NO2 0,001ppm 8 (Ghi chú : ppm = parts per million: phần triệu)
8. 2.1.3. Vai trò của khí quyển - Như lá chắn bảo vệ sinh vật khỏi bị ảnh hưởng bởi các tia bức xạ Mặt Trời, tia vũ trụ. - Khí quyển đóng vai trò then chốt duy trì cân bằng nhiệt trên Trái Đất, vận chuyển nước - Khí quyển là nguồn CO2 cần thiết cho quá trình quang hợp và tổng hợp các chất hữu cơ của thực vật - Khí quyển cũng là kho chứa nitơ, thông qua quá trình cố định đạm sinh học, hoặc phản ứng điện hóa, nó sẽ được chuyển thành dạng amoni và nitrat 2.2. SỰ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ 2.2.1. Một số khái niệm Sự ô nhiễm môi trường không khí: Ô nhiễm không khí là hiện tượng làm cho không khí sạch thay đổi thành phần và tính chất - Chất gây ô nhiễm hay tác nhân ô nhiễm được phát sinh từ nguồn gây ô nhiễm. - Sự phát tán, lan truyền trong khí quyển - Sự tương tác với bộ phận tiếp nhận là động thực vật, con người, các công trình xây dựng, đồ vật Tác nhân ô nhiễm: Tác nhân ô nhiễm nguồn gốc thiên nhiên và nhân tạo. Tác nhân ô nhiễm có nguồn gốc thiên nhiên - Khí núi lửa: khói bụi sunfua, metan lan tỏa xa. - Cháy rừng: - Bão bụi gây nên gió mạnh; Bão, mưa, sóng biển bụi - Các quá trình thối rữa động thực vật tạo NH3, H2S, CH4
9. Tác nhân có nguồn gốc nhân tạo: Bảng 2.2. Số lượng tác nhân gây ô nhiễm không khí trên toàn thế giới (1992) Tác nhân gây ô nhiễm ( đơn vị triệu tấn ) Nguồn gây ô nhiễm CO2 Bụi SO2 Hidrocacbon NOx -Giao thông vận tải 58,1 12 0,8 15,1 7,3 -Đốt nhiên liệu 1,7 8,1 22,2 0,7 8,8 -Sản xuất CN 8,8 6,8 6,6 4,2 0,2 - Xử lí chất thải rắn 7,1 1,0 0,1 1,5 0,5 Cháy rừng, đốt các sản phẩm 0,2 0,1 0,0 0,1 0,0 Tác nhân ô nhiễm sơ cấp: những chất trực tiếp thoát ra từ các nguồn, bản chất độc hại và tác động ngay đến bộ phận tiếp nhận. Tác nhân ô nhiễm thứ cấp: chất mới được tạo ra. Ví dụ: mưa axit được tạo thành bởi khí SO2 và nước. 2.2.2.Một số chất gây ô nhiễm môi trường không khí Các chất khí được sinh ra bởi các quá trình chuyển hóa ngay trong khí quyển, bởi các hoạt động sinh học, quá trình phun của các núi lửa, từ sự phân huỷ phóng xạ và các hoạt động công nghiệp, giao thông vận tải, sinh hoạt của con người.
10. 2.2.2.1. Các hợp chất có chứa lưu huỳnh (S) - SO2, SO3, H2S, H2SO4 và các muối sunfat ● Khí dioxyt lưu huỳnh SO2, trioxit lưu huỳnh SO3: - Sunfuatrioxit ( trioxyt lưu huỳnh ) được tạo ra từ SO2, phản ứng ngay với H2O tạo nên H2SO4 - SO2 là khí tương đối nặng nên thường ở gần mặt đất, dễ phản ứng với cơ quan hô hấp của người và động vật khi xâm nhập vào cơ thể. Ở hàm lượng thấp, SO2 làm sưng niêm mạc, ở hàm lượng cao ( > 0,5mg/m3 ) gây tức thở, ho, viêm loét đường hô hấp. Khi có mặt cả SO2 và SO3 sẽ gây tác động mạnh hơn, thậm chí có thể gây co thắt phế quản và dẫn đến tử vong. SO2 tạo nên H2SO4, là thành phần chính của mưa axit, làm thiệt hại mùa màng, nhiễm độc cây trồng, giảm tuổi thọ của các sản phẩm vải, nilông, tơ nhân tạo, đồ dùng bằng da, giấy, ảnh hưởng đến chất lượng của các công trình xây dựng : ● Khí sunfua hidro H2S Khí sunfua hidro H2S là khí có bản chất độc, xuất hiện trong khí thải của các quá trình sản xuất. Trong không khí, 80% H2S bị oxi hóa thành SO2 do oxi hoặc ozon: H2S + O3 → H2O + SO2 - SO2 ở nồng độ thấp gây nhức đầu, khó chịu; ở nồng độ cao ( > 150ppm) gây tổn thương màng nhày của cơ quan hô hấp, viêm phổi; ở nồng độ khoảng 700ppm đến 900ppm có thể xuyên màng phổi, xâm nhập mạch máu, dẫn đến tử vong. Đối với thực vật, H2S làm tổn thương lá cây, rụng lá, giảm khả năng sinh trưởng. 2.2.2.2. Oxyt Cacbon ●Cacbon monoxit CO: - Nguồn phát sinh ra CO tự nhiên lớn gấp khoảng 10 đến 15 lần nguồn CO nhân tạo. Các nguồn phát sinh CO trong tự nhiên có thể là do sự oxi hóa metan, khởi đầu bằng phản ứng giữa metan với gốc hydroxyl HO-:
11. - - CH4 + HO → CH3 + H2O + Sau đó: CH3 + O2 → HCH2O2 HCH2O2 + NO → HCH2O + NO2 - HCH2O + O2 → HCHO + HOO (hình thành gốc tự do) - HCHO + HO → HCO + H2O ( hình thành gốc tự do ) - HCHO + O2 → CO + HOO - Trong tự nhiên CO bị loại trừ bởi một số quá trình như: - Phản ứng giữa CO với gốc HO- trong tầng đối lưu và bình lưu - + CO + HO → CO2 + H - CO được đất hấp thụ, bị oxyhóa để trở thành dioxytcacbon CO2. - Bản chất của CO là khí độc, nếu xâm nhập vào cơ thể, CO làm giảm khả năng vận chuyển O2 của hồng cầu: HbO2 + CO → HbCO + O2 Ngộ độc nhẹ CO có thể để lại di chứng thiếu máu, hay quên. Ngộ độc nặng gây ngất, lên cơn co giật, liệt tay chân và có thể dẫn đến tử vong trong vòng vài ba phút khi nồng độ vượt quá 2%. Thực vật khi tiếp xúc với CO ở nồng độ cao sẽ bị rụng lá, xoắn lá, cây non có thể chết yểu. ●Cacbon dioxit CO2: - CO2 sinh ra trong quá trình hô hấp của động thực vật; Nguồn nhân tạo, CO2 được phát sinh từ sự đốt cháy - Khí CO2 ở nồng độ thấp không gây nguy hiểm. Tuy nhiên ở nồng độ cao sẽ gây nguy hại, hơn nữa khí CO2 là một trong các khí nhà kính nên việc tăng hàm lượng CO2 trong khí quyển sẽ gây nên sự gia tăng hiệu ứng nhà kính, gây ô nhiễm môi trường không khí. 2.2.2.3. Các hợp chất chứa nitơ N2O, NO, NO2, NH3 và các muối nitrat, nitrit, amoni.
12. ● Các oxyt nitơ: NO và NO2 được coi là những chất điển hình gây ô nhiễm không khí. N2O là oxit nitơ phổ biến nhất, nó là sản phẩm của hoạt động sinh học N2O + O → 2NO Và: NO + O → NO2 NO là khí không màu, không mùi, khi xâm nhập vào cơ thể nó có thể tác dụng với hồng cầu trong máu, làm giảm khả năng vận chuyển oxy của máu, dẫn đến bệnh thiếu máu. NO2 là khí có màu nâu nhạt, mùi hắc, vào cơ thể nó có thể tạo thành axit qua đường hô hấp hoặc tan vào nước bọt vào máu, gây nguy hiểm cho cơ thể. NOx tác dụng với hơi nước trong khí quyển, tạo thành axit HNO3, như vậy cùng với axit H2SO4, là thành phần chính của mưa axit NO và NO2 có vai trò trong việc hình thành khói mù quang hóa và làm phân hủy ozôn, gây nên nguy cơ suy giảm tầng ôzon hiện nay. NO + O3 → NO2 + O2 NO2 + O3 → NO3 + O2 NO3 + NO → 2NO2 ● Amoniac NH3: 2.2.2.4. Các hợp chất hữu cơ - Các hợp chất hữu cơ phát sinh chủ yếu từ quá trình đốt cháy nhiên liệu; từ khí thải của các quá trình SX. 2.2.2.5. Các loại bụi và sol khí: SiO2, Al2O3, CaO và các hợp chất hữu cơ. 5 loại bụi: - Bụi gây nhiễm độc chung : chì, thủy ngân, benzen - Bụi gây dị ứng, viêm mũi, hen, nổi ban : bụi bông gai, phấn hoa, bụi từ phân hóa học - Bụi gây ung thư : Bụi quặng, bụi phóng xạ, hợp chất crôm - Bụi gây nhiễm trùng : lông, tóc - Bụi gây xơ phổi : bụi amiăng, bụi thạch anh. - Bụi và sol khí nói chung là chất gây ô nhiễm,
13. 2.3. PHẢN ỨNG QUANG HÓA TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ 2.3.1. Khái niệm về phản ứng quang hóa trong khí quyển Phản ứng quang hóa là hàng loạt những phản ứng hóa học xảy ra, trong đó năng lượng cần thiết cho phản ứng là năng lượng mặt trời ( bức xạ điện từ ). Giai đoạn một: khơi mào, A + hυ → A* - Giai đoạn hai: A* tham gia vào các phản ứng tiếp theo -Phản ứng tỏa nhiệt: A* → A + E, E là nlg giải phóng- Phản ứng phát huỳnh quang ( phát xạ ): A* → A + hυ - Phản ứng khử hoạt tính do va chạm: gọi là phản ứng trao đổi năng lượng liên phân tử: A* + M → M* + A Có thể trao đổi ngay trong phân tử, làm biến đổi trạng thái kích hoạt : A* → A1* - Phản ứng ion hóa: A* → A+ + e - Phản ứng hóa học: tạo thành những hợp chất mới 2.3.2. Các phản ứng quang hóa của oxit nitơ trong khí quyển 2+ N2 + hυ → N + e 2+ + N + O2 → NO + NO NO+ + e → NO NO + O → NO2 2.3.3. Các phản ứng cộng trong hệ NOx, H2O, CO và không khí - Khi có mặt H2O, N2O5 bị thủy phân tạo ra axit nitrit: N2O5 + H2O → 2HNO3 HNO3 có thể oxi hóa NO:2HNO3 + NO→3NO2 + H2O Các phản ứng sau cũng có thể xảy ra: HNO3 + NO → HNO2 + NO2 HNO3 + HNO2 → 2NO2 + H2O
14. 2.3.4.Các pư q.hóa của hidrocacbon trong khí quyền Thường xảy ra với parafin, olefin và hidrocacbon thơm với O, HO. và O3, được coi là những nhất oxi hóa quang trọng nhất trong khí quyển. Các phản ứng với oxi nguyên tử O: - Khi O tác dụng với parafin sẽ gp gốc ankyl và HO. RH + O → R. + HO. - Khi O tác dụng với olefin tạo ra một epoxit ở trạng thái kích hoạt, epoxit này lại phân hủy thành ankyl và axyl - Với các aren: hiện nay cơ chế phản ứng của nguyên tử oxi với các aren còn chưa rõ. Các phản ứng oxi hóa của gốc hidroxyl: Các phản ứng oxi hóa của ozon O3:. với nồng độ ≥0,25ppm thì phản ứng giữa O3 và olefin diễn ra với tốc độ đáng kể gây ô nhiễm. 2.3.5. Khói mù quang hóa (photochemical smog) Là hỗn hợp gồm các chất phản ứng và các sản phẩm phản ứng sinh ra khi các hidrocacbon, các oxit nitơ cùng có mặt trong khí quyển dưới tác dụng của bức xạ Mặt trời. Gồm - Các hidrocacbon hoạt tính tương tác với O3 → RCH2. - Gốc RCH2. tương tác với O2 → RCH2O2. - RCH2O2. tương tác với NO tạo ra NO2 và gốc RCH2O. - Gốc RCH2O. tương tác với O2 → RCHO và gốc HOO. - HOO. tương tác với NO khác cho ra NO2 và HO. - HO. cực kì hoạt động pứ nhanh với các hidrocacbon bền RCH3 tạo ra H2O và RCH2. và cứ như thế tiếp tục. - Anđehit RCHO vừa phát sinh lại tương tác với gốc HO. dẫn tới sự tạo thành gốc axyl R- C=0, rồi gốc này phản ứng ngay với O2 cho gốc peoxiaxyl để tạo ra peoxiaxyl nitrat (PAN). PAN thường được coi là thành phần chính của khói mù quang hóa, là chất rất độc.
15. Khói quang hóa là loại khói mang tính chất oxi hóa rất cao, có màu nâu, gây tác hại cho mắt và phổi, phá hoại đời sống thực vật . Để giảm hiện tượng tạo thành khói mù quang hóa, chủ yếu chúng ta phải khống chế sự thải NOX và hidrocacbon vào khí quyển. 2.4. Hóa học của các hiện tượng ô nhiễm môi trường không khí 2.4.1. Mưa axit - Một lượng lớn NOX và SOX đi vào khí quyển sẽ chuyển hóa thành axit HNO3 và axit H2SO4 theo cơ chế của các phản ứng hóa học và quang hóa học : NO + O3 → NO2 + O2 NO2 + O3 → NO3 + O2 NO2 + NO3 → N2O5 Nếu trong các giọt nước có chứa ion Mn(II), Fe(II), Cu(II) thì chúng sẽ xúc tác cho phản ứng oxi hóa SO2. SO2 + O2 + H2O H2SO4 2.4.2. Sự suy giảm tầng ozon Ozon O3 là thành phần chính của tầng bình lưu, khoảng 90% O3 tập trung ở độ cao 19- 23km so với mặt đất, nên chúng ta thường gọi là tầng ôzon. Ozon là khí không màu, có tính oxy hóa cao, có mùi hắc. - Ozon có chức năng bảo vệ sinh quyển do khả năng hấp thụ bức xạ tử ngoại và tỏa nhiệt của phân tử O3, rồi lại được tái tạo lại thể hiện qua các phản ứng: O3 + hυ → O2 + O O + O2 → O3 O2 , NOx, SO2 + hυ → O O + O2 → O3
16. -Khí ozon luôn luôn phân hủy và tái tạo một cách tự nhiên. Trong những năm gần đây hàm lượng khí ozon dần suy giảm(5%) Cơ chế quá trình phân hủy O3 chủ yếu do 4 tác nhân cơ bản là các nguyên tử oxi O; các * gốc hidroxyl hoạt động HO ; các oxit nitơ NOX và các hợp chất clo: 1. O3 + O O2 + O2 2. O3 + HO* → O2 + HOO* HOO* + O → HO* + O2 3. O3 + NO → NO2 + O2 NO2 + O → NO + O2 4. Cl* + O3 → ClO* + O2 ClO* + O2 → Cl* + O2 Các nguồn sinh ra Cl* chủ yếu là do các hợp chất CFC như CCl2F2, CCl3F, được dùng như là chất làm lạnh, chất chữa cháy, dung môi trong mĩ phẩm CFC + hv ( λ = 200nm) → Cl* - Núi lửa thải ra Cl2 và HCl tác dụng với HO* có sẵn trong tầng bình lưu cũng tạo ra Cl*: Cl2 + hv → Cl* + Cl* HCl + HO*→Cl*+ H2O - HO* hình thành do quá trình quang hóa oxi hóa metan CH4 + O → CH3* + HO* N2O được sinh sản ra trong quá trình phân hủy sinh học tự nhiên kết hợp với O độ cao dưới 30 km N2O + O → 2NO Ở độ cao trên 30km thì lại do phản ứng quang hóa của nitơ phân tử: N2 + hv → N + N O2 + N → NO + O*
17. 2.4.3. Hiệu ứng nhà kính (Green house effect) - Hiệu ứng nhà kính tự nhiên có ý nghĩa vô cùng to lớn đối với Trái đất, nó duy trì nhiệt độ thích hợp cho sự sống và cân bằng sinh thái; bảo đảm hoạt động cho các vòng tuần hoàn trong tự nhiên. - Hiệu ứng nhà kính coi khí quyển bao quanh Trái Đất như một lớp kính, lớp khí CO2, hơi nước bao quanh Trái đất có tác dụng tương tự như lớp kính giữ nhiệt của nhà kính trồng rau xanh mùa đông, chỉ khác là nó có quy mô toàn cầu cho nên hiện tượng này gọi là Green house effect hay hiệu ứng nhà kính. - các hoạt động nhân tạo đã gây ô nhiễm kính, làm tăng nhiệt độ của Trái Đất trên quy mô toàn cầu. - CO2 chủ yếu gây tăng quá mức hiệu ứng , 30 năm tới không chặn được sự gia tăng hứ nhà kính liên tục mực nước biển tăng lên khoảng 1,5 - 3,5m, Elnino
18. Chương 3 HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG NƯỚC 3.1. VAI TRÒ CỦA NƯỚC. VÒNG TUẦN HOÀN CỦA NƯỚC 3.1.1. Vai trò của nước 3.1.2. Chu trình nước toàn cầu (vòng tuần hoàn tự nhiên của nước) Hình 1.2. Sơ đồ vòng tuần hoàn nước
19. 3.2. THÀNH PHẦN CỦA MÔI TRƯỜNG NƯỚC 3.2.1. Thành phần hóa học của môi trường nước - Các ion hòa tan: Nước ngầm, nước thải. nước bề mặt Bảng 3.1 . Thành phần một số ion hòa tan trong nước tự nhiên  Thành phần Nước biển Nước sông hồ, đầm Nồng độ (mg/l) Thứ tự Nồng độ (mg/l) Thứ tự Các ion Clo Cl* 19.340 1 8 4 Natri Na+ 10.770 2 6 5 2- Sunfat SO4 2.712 3 11 3 Magie Mg2+ 1.290 4 4 6 Canxi Ca2+ 412 5 15 2 Kali K+ 399 6 2 7 - HCO3 140 7 58 1 Các khí hòa tan:. - Oxi hòa tan O2 : được đặc trưng bởi chỉ số DO - Khí cacbonic CO2 CO2 + H2O H2CO3 - + -7 H2CO3 HCO3 + H K1= 4,5. 10 - 2- + -10 HCO3 CO3 + H K1= 6,5. 10
20. - Các chất rắn: không thể lọc được (10-6m), lọc được: loại này có kích thước hạt lớn hơn 10-6m TSS - tổng lượng chất rắn ; DS - lượng chất rắn hòa tan; SS - lượng chất rắn lơ lửng - Các chất hữu cơ 2 nhóm : Các chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học đặc trưng bởi chỉ số BOD, gọi là nhu cầu oxy sinh học Các hợp chất hữu cơ còn lại rất bền: cơ clo, cơ phootpho, cơ kim như DDT, linđan, anđrin, PCB. Hàm lượng các chất khó và dễ phân huỷ sinh học được đặc trưng bởi COD, gọi là nhu cầu oxy hóa học . 3.2.2. Thành phần sinh học của nước *Vi khuẩn (Bacteria ): đóng vai trò rất quan trọng trong việc phân hủy chất hữu cơ trong nước, là cơ sở của quá trình tự làm sạch của nước tự nhiên, do vậy nó có ý nghĩa rất quan trọng với môi trường nước, có hai nhóm chính : - Vi khuẩn dị dưỡng sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn năng lượng và nguồn cacbon để thực hiện quá trình sinh tổng hợp. Có 3 loại vi khuẩn dị dưỡng là: + Vi khuẩn hiếu khí (aerobes) là vi khuẩn cần oxi hòa tan khi phân hủy chất hữu cơ để sinh sản và phát triển: vkhk {CH2O} + O2 CO2 + H2O + E + Vi khuẩn kị khí (anaerobes) là vi khuẩn không sử dụng oxi hòa tan khi phân hủy chất hữu cơ để sinh sản và phát triển, tuy nhiên nó sẽ sử dụng oxy trong các liên kết: 2- vkkk {CH2O} + SO4 CO2 + H2S + E axit hữu cơ + CO2 + H2O + E vkhk {CH2O} CH4 + CO2 + E Khí bùn ao Vi khuẩn tuỳ nghi có thể phát triển trong điều kiện có oxi hoặc không có oxi tự do.
21. * Siêu vi trùng ( virus ): Loại này có kích thức nhỏ ( khoảng 20 ÷ 100nm ), là loại kí sinh nội bào. Khi xâm nhập vào tế bào vật chủ nó thực hiện việc chuyển hóa tế bào để tổng hợp protein và axit nucleic của siêu vi trùng mới, chính vì cơ chế sinh sản này nên siêu vi trùng là tác nhân gây bệnh hiểm nghèo cho con người và các loài động vật. * Tảo: là loại thực vật đơn giản nhất có khả năng quang hợp, không có rễ, thân, lá; 3- hυ CO2 + PO4 + NH3 Phát triển tế bào mới + O2 3.3. MỘT SỐ QUÁ TRÌNH HÓA HỌC TRONG NƯỚC 3.3.1. Quá trình tạo phức Mg2+,Ca2+, Mn2+, Re2+, Fe2+, Cu2+, Zn2+, Ni2+, Sr2+, Cd2+, Ba2+ tạo phức vòng càng với EDTA, poliphôtphat ,các hợp chất humic Axit humic là hợp chất cao phân tử có màu đen hoặc hơi nâu sẫm. Thành phần nguyên tố bao gồm: C (52 ÷ 62% ); H (2,8 ÷ 4,5%); O (32 ÷ 39% ); N (3,5 ÷ 4,5%); S; P . Axit humic không hòa tan trong nước, chỉ hòa tan trong dung dịch kiềm. Axit funvic cũng là những hợp chất cao phân tử có màu vàng hoặc nâu nhạt. Thành phần nguyên tố bao gồm: C (44 ÷ 48%); H (4 ÷ 5,5%); O (44 ÷ 48%); N (1,5 ÷ 2,5%); S; P . Axit funvic chứa nhiều nhóm chức axit hơn nên tính axit mạnh hơn axit humic, hòa tan được cả trong dung dịch axit, người ta dựa vào tính chất này để tách axit funvic khỏi axit humic. Humin là những phức của axit humic và axit funvic liên kết bền với nhau và với phần khoáng của đất, rất bền và khó phân hủy, chúng bị rửa trôi từ đất vào 3.3.2. Các quá trình oxi hóa-khử - Sự phân hủy các hợp chất hữu cơ: {CH2O} + O2 → CO2 + H2O 2- + - Phản ứng oxi hóa-khử của các hợp chất vô cơ: H2S + 4H2O → SO4 + 10H 2NH3 + 3O2 → 2HNO2 + 2H2O 3- 4NO + 5C → 2N2 + 3CO2 + 2CO3 2+ - Fe + 2HCO3 + 2H2O Fe(OH)2 + 2H2CO3 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3
22. 3.3.3. Các quá trình axit-bazơ - + -7 H2CO3 HCO3 + H K1= 4,5. 10 - 2- + -10 HCO3 CO3 + H K1= 6,5. 10 - Ca2+ và Mg2+ trong nước do 2+ - CaCO3 + CO2 + 2H2O Ca + 2HCO3 2+ - MgCO3 + CO2 + 2H2O Mg + 2HCO3 - Khi [HCO3 ] cao thì tạo ra kết tủa CaCO3 , đây là nguyên nhân chính gây ra các trầm tích đá vôi. - - Lưu huỳnh có thể ở dạng khí hòa tan H2S, dạng HS và S2 hoặc muối của 2 dạng này: + - -7 H2S H + HS K1 = 0,91.10 - + - -15 HS H + S2 K2 = 2.10 Axit silicic trong nước: + - -10 H2SiO3 H + HSiO3 K1 = 4.10 rất yếu - 2- pH 11 mới tồn tại dạng SiO3 . Tuy vậy, một phần các hợp chất của silic thường tồn tại trong nước dưới dạng
23. 3.4. SỰ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC 3.4.1. Khái niệm về sự ô nhiễm môi trường nước 3.4.2. Một số chất gây ô nhiễm môi trường nước 3.4.2.1. Nước thải Nước thải từ các nguồn sinh hoạt, dịch vụ, chế biến thực phẩm và công nghiệp có chứa một lượng lớn và đa dạng các chất ô nhiễm, bao gồm các chất ô nhiễm hữu cơ, vô cơ, vi sinh Hình 1.7. Nước thải từ các ống cống Hình 1.5. Ô nhiễm nguồn nước bề mặt các nhà máy trực tiếp thải vào các sông do nước thải KCN Hòa Khánh tại qua thôn Trung Sơn - xã Hòa Liên - Huyện Hòa Vang – Tp Đà Nẵng
24. Hình 1.3. Asen và tác hại của nó SH S 3- - - Enzym + AsO3 → Enzym As - O + 2 OH SH S MỨC ĐỘ Ô NHIỄM ĐƯỢC PHÂN THEO MÀU SẮC (Nguồn: UNICEP - Phần màu trắng là phần chưa được đánh giá thực trạng) Hình 1.4. Bản đồ ô nhiễm asen trên toàn quốc
25. Người (5-10 ppm) Chim 10 ppm Cá nước ngọt Cá nước mặn 20 ppm 0,05 ppm Nguyên thể trong nước 0,1 pmm Thực vật dưới Thực vật phù du nước 0,01 ppm 0,05 ppm Nước ngọt Nước biển 0,00001 ppm 0,0000001 ppm Hình 3.2. Nồng độ tích luỹ và phóng đại sinh học của thuốc bảo vệ thực vật
26. 3.4.2.2. Các chất hữu cơ tổng hợp Hàng năm trên thế giới sản xuất vào khoảng 60 triệu tấn các chất hữu cơ tổng hợp, đó là các chất như nhiên liệu, chất dẻo, chất hoá dẻo, chất màu, thuốc trừ sâu, phụ gia thực phẩm và dược phẩm Nói chung các chất này rất độc và khá bền sinh học, đặc biệt là các loại cabuahyđrô thơm, chúng gây ô nhiễm nặng nề cho các nguồn nước. Các hoá chất bảo vệ thực vật ( pesticides ): Hiện nay có khoảng hơn 10.000 các hợp chất khác nhau được sử dụng để bảo vệ thực vật kể các loại chất kích thích sinh trưởng, chúng được phân loại như sau: thuốc trừ sâu (inseciticides); thuốc diệt cỏ (herbicides); thuốc diệt nấm (denticides); thuốc trừ côn trùng (nematocides) và nhóm kích thích sinh trưởng (regulator). Dây chuyền thực phẩm trên hình 3.2 và 3.3. Các chất tẩy rửa ( detergents Sự có mặt của các chất phụ gia và chất hoạt động bề mặt có trong nước đều ảnh hưởng mạnh tới môi trường nước. Pôlyphôtphat bị phân huỷ nhanh nhờ quá trình thuỷ phân sau: -5 -2 - P3O10 + 2H2O = 2HPO4 + H2PO4 Các hợp chất hữu cơ tổng hợp khác: 3.4.2.3. Ô nhiễm dầu mỏ 3.4.2.4. Các chất gây ô nhiễm nước dạng vô cơ Các loại phân bón hoá chất vô cơ Do kết quả của quá trình ôxy hoá các hợp chất itơ từ phân bón mà hàm lượng NO3- trong nước sinh hoạt tăng lên rất nhiều. Điều này không có lợi cho sức khoẻ con người. Khi hàm lượng nitrat NO3- trong nước uống cao sẽ có tác hại rất mạnh vì ảnh hưởng tới thành ruột; ngoài ra khi ở trong cơ thể, nitrat NO3- có thể chuyển thành nitrit NO2-, rồi kết hợp với hồng cầu trong máu, chuyển hoá thành mêthêmôglôbin, là chất ngăn cản việc liên kết và vận chuyển ôxy, gây bệnh thiếu ôxy trong máu và sinh ra bệnh máu trắng: 2+ - +3 - 4HbFe + 2O2 + 4NO2 + 2H2O → 4HbFe + OH + 4NO3 + O2 Hêmôglôbin Mêthêmôglôbin
27. Con ngêi 6.0 Thùc phÈm §éng vËt cã vó ¨n Rau qu¶ ThÞt Chim ¨n thÞt 10.0 thÞt 1.0 0.02 0.2 C¸ níc ngät Chim ¨n c¸ vµ c«n §éng vËt ¨n cá vµ c«n C¸ biÓn 2.0 trïng 2.0 trïng 0.5 0.5 §éng vËt kh«ng C«n trïng Thùc vËt Sinh vËt thuû sinh x¬ng sèng trong §éng vËt kh«ng x¬ng Thùc vËt 1.0 0.05 0.01 ®Êt 4.0 sèng a níc 0.1 næi 0.05 §Êt n«ng nghiÖp Níc biÓn §Êt tù nhiªn 0.01 Níc ngät 1 x10-5 2.0 1 x 10-6 Bôi khÝ 0.3 Kh«ng khÝ Níc biÓn 2x10-9 ®Õn 1x10-4 5x10-4 H×nh 3.3. Nång ®é tÝch luü vµ phãng ®¹i sinh häc cña DDT trong m¹ng líi thøc ¨n (ppm)
28. Ngoài ra nitrit có thể nitro hoá các amin và amit ở môi trường axit yếu thành các nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư, sinh quái thai .v.v pH 3 sẽ cho kết tủa Fe(OH)3 như sau: Fe + 3H2O → Fe(OH)3 + 3H với TFe(OH)3 = 10-39. Đó là nguyên nhân lớp cặn vàng Hình 1.10. Nước ngầm bị ô nhiễm Bảo vệ nước khỏi ô nhiễm bởi các khoáng axit là vấn đề rất khó khăn đối với hoá học môi trường. Những đá cacbonat có thể tham gia vào phản ứng sau đây để trung hoà axit trong nước làm tăng giá trị pH: 2+ 2- CaCO3 + H2SO4 → Ca + SO4 + H2O + CO2
29. Các chất cặn lắng trong nước: Quá trình xói mòn đất tự nhiên (gấp 700 lần lượng chất rắn gây ô nhiễm do sinh hoạt) sẽ tăng lượng cặn lắng trong. Nguyên nhân của hiện tượng sói mòn là các quá trình khai thác mỏ, quá trình xây dựng và phát triển nông nghiệp một cách bừa bãi, không có kế hoạch, các quá trình này là nguồn tạo nên các chất rắn lắng trong nước. Hàm lượng các chất hữu cơ trong cặn lắng lớn hơn trong đất, chúng có khả năng trao đổi cation với các chất trong môi trường nước. Các chất lắng và hạt huyền phù rất quan trọng, giống như kho chứa cho các kim loại như Cr, Cu, Mo, Ni, Co, Mn Các nguyên tố vết trong nước: Pb, Cd, Hg, Se hoặc các á kim như Se, Sb 3.4.3. Hiện tượng nước bị ô nhiễm Màu sắc: Nước tự nhiên sạch không màu, nếu nhìn sâu vào bề dày nước cho ta cảm giác màu xanh nhẹ, do sự hấp thụ chọn lọc các bức xạ ,của tảo ở trạng thái lơ lửng. Màu xanh đậm, hoặc có váng trắng, đó là biểu hiện trạng thái thừa dinh dưỡng hoặc phát triển quá mức của thực vật nổi ( Phytoplankton ) và sản phẩm phân huỷ thực vật chết. Nước có màu vàng bẩn do sự xuất hiện quá nhiều các hợp chất humic (axit humic, axit fulvic ). Mùi và vị : ô nhiễm nước bởi các chất gây mùi: amoniac, phenol, clo tự do, các sunfua, các xianua v.v Mùi của nước cũng gắn liền với sự có mặt của nhiều hợp chất hữu cơ như dầu mỡ, rong tảo và các chất hữu cơ đang phân rã. Một số vi sinh vật cũng làm cho nước có mùi như động vật đơn bào Dinobryon và tảo Volvox gây mùi tanh cá. Các sản phẩm phân huỷ protein trong nước thải có mùi hôi thối. Nước thải công nghiệp chứa nhiều hợp chất hoá học làm cho nước có vị không tốt và đặc trưng, như các muối của sắt, mangan, clo tự do, sunfuahidro, các phenol và hidrocacbon không no. Độ đục: Một đặc trưng vật lý chủ yếu của nước thải sinh hoạt và các loại nước thải công nghiệp là độ đục lớn. Độ đục do các chất lơ lửng gây ra, những chất chất này có kích thước rất khác nhau, từ cỡ các hạt keo đến những thể phân tán thô, phụ thuộc vào trạng thái xáo trộn của nước. Những hạt này thường hấp thụ các kim loại độc và các vi sinh vật gây bệnh lên bề mặt của chúng. Nếu lọc không kĩ vẫn dùng thì rất nguy hiểm cho người và động vật.
30. Mặt khác, độ đục lớn thì khả năng xuyên sâu của ánh sáng bị hạn chế nên quá trình quang hợp trong nước bị giảm, nồng độ oxi hòa tan trong nước bị giảm, nước trở nên yếm khí. Nhiệt độ: Nguồn gốc gây ô nhiễm nhiệt là do nước thải từ các bộ phận làm nguội của các nhà máy nhiệt điện, do việc đốt các vật liệu bên bờ sông, hồ. Nhiệt độ tăng cũng xúc tác sự phát triển các sinh vật phù du còn gọi là hiện tượng "nở hoa" làm thay đổi màu sắc, mùi vị của nước. 3.5. CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC 3.5.1. Các chỉ tiêu vật lý 3.5.1.1. Nhiệt độ Nhiệt độ là yếu tố quan trọng, nó quyết định loài sinh vật nào tồn tại và phát triển một cách ưu thế trong hệ sinh thái nước. Ví dụ các loại tảo lục lam phát triển mạnh khi nhiệt độ của nước tới 320C. 3.5.1.2. Màu sắc Xác định bằng phương pháp so màu. Hình 2.6. Dãy dung dịch I
31. 3.5.1.3. Mùi, vị Nước có mùi là do các chất hữu cơ, vô cơ có mùi đặc trưng hoà tan trong nước.Chỉ tiêu cho phép mẫu thử để trong bình đặc biệt sau khi đậy kín đun 50 ÷ 600C đạt điểm 0 của thang mùi. Bảng 2.2. Mùi của nước Cường độ mùi Đặc trưng Mô tả bằng lời (điểm) 0 Không mùi Không nhận thấy mùi 1 Mùi rất nhẹ Khó nhận biết, nhưng có chuyên môn nhận được khi ngửi kỹ 2 Mùi nhẹ Ngửi kỹ có thể thấy 3 Có mùi Dễ nhận được gây cảm giác khó chịu 4 Có mùi rõ Tác động ngay vào khứu giác, khó chịu. Nếm, uống gây lợm giọng 5 Mùi mạnh Mùi mạnh không thể nếm, uống được Vị của nước cũng được xác định theo thang điểm 5 tương tự như khi xác định mùi. Mẫu được cho vào miệng và giữ ở đầu lưỡi (lấy một lượng ít nước của mẫu), trong vài giây để nhận biết vị của nước và định điểm theo quy ước trong bảng 2.3. Bảng 2.3. Vị của nước Cường độ vị (điểm) Đặc trưng Mô tả bằng lời 0 Không vị Không nhận thấy vị bằng lưỡi 1 Vị rất nhẹ Người có chuyên môn nhận biết được 2 Vị nhẹ Ngửi kỹ và để ý mới nhận thấy được 3 Có vị Dễ nhận biết, có cảm giác khó chịu 4 Vị rõ Gây cảm giác khó chịu, lợm giọng 5 Vị mạnh Không uống được
32. 3.5.1.4. Độ đục. Độ đục trong nước là do sự có mặt của các chất không tan, các chất keo có nguồn gốc vô cơ và hữu cơ gây ra. Hình 2.7. Dung dịch huyền phù tiêu chuẩn gốc. 3.5.2. Các chỉ tiêu về hóa học 3.5.2.1. Độ pH Để xác định pH dùng pH met, giấy đo pH 3.5.2.2. Độ axít Độ axit của nước được xác định bằng lượng kiềm được dùng để trung hòa mẫu nước đó. Do CO2 trong nước, các chất mùn và các axit hữu cơ Đối với các loại nước thải, hàm lượng của các loại axit mạnh tự do thường khá lớn, muối tạo thành bởi bazơ yếu và axit mạnh, nên độ axit của nước cũng cao. 3.5.2.3. Độ kiềm Độ kiềm của nước là hàm lượng của các chất trong nước phản ứng với axit mạnh HCl. Đối với nước thiên nhiên, độ kiềm phụ thuộc vào hàm lượng các muối hidrocacbonat của kim loại kiềm và kiềm thổ. Nếu trong nước chứa lượng không quá nhỏ các muối cacbonat tan được, cũng như các hidroxit tan được thì pH của nước lớn hơn 8,3. Lượng axit cần phải dùng để làm giảm pH của nước xuống còn 8,3 được gọi là độ kiềm tự do của nước.
33. 3.5.2.4. Chỉ tiêu COD – Nhu cầu oxi hóa học(Chemical oxygen demand ) COD là hàm lượng oxy cần thiết để oxy hóa tất cả các hợp chất hữu cơ có trong nước bằng các chất oxy hóa mạnh ( KMnO4 hoặc K2Cr2O7). COD càng cao thì mức độ ô nhiễm chất hữu cơ càng nặng nề. Người ta xác định chỉ số COD của mẫu nước bằng 2 phương pháp chuẩn độ Kali permanganat hoặc Kali dicromat; Hiện nay còn có có các máy đo trực tiếp giá trị COD. Phương pháp Kali permanganat: Lượng kali permanganat tiêu tốn cho 1lit mẫu nước được quy ra lượng oxy (mg/l). Chỉ số COD xác định theo phương pháp này được kí hiệu là COD(Mn) + 2+ + Chất hữu cơ + KMnO4 + H → CO2 + H2O + Mn + K Lượng permanganat còn dư sau phản ứng được xác định bằng dung dịch axit oxalic H2C2O4 theo phản ứng: - 2- + 2+ 2MnO4 + 5C2O4 + 16H → 2Mn + 10CO2 + 8H2O Đối với các mẫu nước có COD nhỏ 10 mg/l được xác định trực tiếp còn các mẫu nước có giá trị COD lớn hơn thì phải pha loãng trước khi xác định. Nước cấp hoặc nước tự nhiên thường có hàm lượng COD nhỏ nên phương pháp KMnO4 là phương pháp tiêu chuẩn. Nước thải thường chứa rất nhiều chất hữu cơ, khi xác định COD phải pha loãng nhiều lần, do đó nếu dùng phương pháp này thường dẫn đến sai số nên đòi hỏi phải dùng phương pháp K2Cr2O7. Phương pháp Dicromat: Phương pháp này dựa trên khả năng oxyhóa mạnh của kali dicromat trong môi trường axit, sẽ oxyhóa các hợp chất hữu cơ trong nước, lượng kali dicromat tiêu tốn cho 1lit mẫu nước được quy ra lượng oxy (mg/l). Chỉ số COD xác định theo phương pháp này được kí hiệu là COD(Cr) 0 2- + Ag2SO4 ,t 3+ + Chất hữu cơ + Cr2O7 + H ⎯ ⎯ ⎯⎯ →CO2 + H2O + 2Cr + 2K Lượng dicromat còn dư sau phản ứng được xác định bằng dung dịch chuẩn muối Fe2+ với chỉ thị feroin theo phản ứng: 2- 2+ + 3+ 3+ Cr2O7 + 6Fe + 14H → 2Cr + 6Fe + 7H2O
34. 3.5.2.5. Hàm lượng clorua + - Trên 2 mg/l thì có thể định lượng bằng dd AgNO3: Ag + Cl → AgCl↓ 3.5.2.6. Độ cứng của nước Không coi là ô nhiễm nhưng độ cứng lại gây ảnh hưởng lớn đến công nghệ và hậu quả - 2+ 2+ kinh tế: độ cứng cacbonat (độ cứng tạm thời), do các muối HCO3 của Ca và Mg gây nên, độ cứng này mất đi khi đun sôi nước vì các muối này bị phân hủy tạo thành kết tủa, lắng cặn ở đáy. Loại thứ hai là độ cứng phicacbonat hay độ cứng vĩnh cửu, do các muối sunfat và clorua của Ca2+, Mg2+ gây nên. 3.5.2.7. Hàm lượng chất rắn Tổng lượng chất rắn (TS):là trọng lượng khô tính bằng mg của phần còn lại sau khi làm bay hơi 1 lít mẫu nước trên nồi cách thủy rồi sấy khô ở 1030C ÷ 1050C cho tới khi trọng lượng không đổi, đơn vị tính bằng mg/l. Lượng chất rắn huyền phù (SS): là những chất rắn ở dạng lơ lửng trong nước,là trọng lượng khô của phần chất rắn còn lại trên giấy lọc sợi thủy tinh khi lọc 1 lít mẫu nước qua phễu lọc Gooch rồi sấy khô ở 1030C ÷ 1050C cho tới khi trọng lượng không đổi, đơn vị tính bằng mg/l. Lượng chất rắn hòa tan (DS): là hiệu số của tổng lượng chất rắn và lượng chất rắn huyền phù của mẫu nước, đơn vị tính bằng mg/l. DS = TS – SS Lượng chất rắn bay hơi (VS): Hàm lượng chất rắn bay hơi là trọng lượng mất đi khi nung lượng chất rắn huyền phù SS hoặc tổng lượng chất rắn TS ở 5500C trong một khoảng thời gian nhất định: mg/l, %SS, %TS. Hàm lượng chất rắn bay hơi trong nước thải thường biểu thị cho hàm lượng chất hữu cơ trong nước. 3.5.3. Tiêu chuẩn vi sinh Khoảng 80% các vi sinh vật gây bệnh thuộc nhóm Coliform, đặc trưng bởi vi khuẩn Escherichi coli ( E.coli ), chúng gây bệnh tiêu chảy cấp tính, viêm dạ dày, nhiễm khuẩn đường tiết niệu hay đường sinh dục Mặt khác, Ecoli là loại vi khuẩn sống dai, vì vậy sự có mặt của E.coli trong nước được dùng làm dấu hiệu về khả năng tồn tại của các vi sinh vật gây bệnh.
35. Chương 4 HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG ĐẤT 4.1. THÀNH PHẦN CỦA MÔI TRƯỜNG ĐẤT 4.1.1. Thành phần cấu trúc Phần đất: từ bề mặt ngoài của Trái đất tới bề mặt đã bị phong hoá, phần đất này chính là Phần cứng: là phần bên dưới, bao gồm các khoáng silicat và alumino silicat. 4- SiO4 : Orthosilicat, là thành phần chính của đá Olivin (Mg,Fe)2SiO4 hay đá Zirkon Zr2SiO4 2- Si2O7 : Disilicat, là thành phần chính của đá Thorvetit Sc2Si2O7 6- Si3O9 : Cyclosilicat, là thành phần chính của đá Benitoit BaTiSi3O9 (SiO2)n: là thành phần chính của thạch anh NaCa2(Al5Si13O36).nH2O - Được chia thành 3 phần: lớp vỏ Trái đất còn gọi là quyển Sial, tiếp đến là quyển Manti và trong cùng là nhân. 4.1.2. Thành phần hoá học của đất Dưới tác động của khí hậu, sinh vật và địa hình, các loại đá cấu tạo nên vỏ Trái đất dần dần bị vụn nát ra rồi sinh ra đất, được gọi là các quá trình phong hóa đất, trong đó có vai trò đặc biệt của con người. Thành phần chủ yếu của chất rắn là các chất vô cơ và các chất hữu cơ. Các chất vô cơ của đất được tạo thành từ những đá mẹ bởi các quá trình phong hoá, trong khi đó các chất hữu cơ được hình thành từ các sinh khối thực vật bị mục nát qua các thời kì cũng như sự tác động của nhiều vi khuẩn, nấm, các động vật và giun đất. Loại đất dùng để sản xuất bao gồm 5% là chất hữu cơ còn lại là chất vô cơ.
36. 4.1.2.1. Thành phần vô cơ của đất Bảng 4.1. Một số nguyên tố chính trong vỏ Trái đất Nguyên tố H.lượng (% khối lượng) Nguyên tố H. lượng ( % khối lượng) O 46,6 Ti 0,44 Si 27,72 H 0,14 Al 9,13 P 0,120 Fe 5,00 Mn 0,10 Ca 3,63 F 0,07 Na 2,83 S 0,052 K 2,59 C 0,020 Mg 2,09 Cr 0,020 Tám nguyên tố đầu tiên đã chiếm 98,5% của khối lượng của vỏ Trái Đất. 4.1.2.2. Thành phần hữu cơ của đất Gồm các chất mùn và các chất không phải mùn như các cacbuahydro, protein, mỡ Các axit hữu cơ bậc thấp có trong đất được khoáng hoá nhanh bởi các vi sinh vật, vì vậy tuổi thọ của chúng trong đất rất ngắn. 4.1.2.3. Nước và khí trong đất Phần rỗng xốp trong đất chứa đầy nước và khí. Khí quan trọng trong đất là ôxy và cacbonic, đảm bảo cho sự sống của hệ sinh vật đất và các quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ; các quá trình vô cơ hóa; mùn hóa ngoài ra trong đất còn có thể có nhiều loại khí khác sinh ra từ các quá trình hóa học, sinh học như: NO2, NO, H2, CH4, C2H4, H2S
37. 4.1.3. Những chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng trong đất 4.1.3.1. Những chất dinh dưỡng vi lượng Những chất dinh dưỡng vi lượng là các chất mà cây cối chỉ cần một lượng rất nhỏ, khoảng 10-3 ppm, thường là: bo, clo, natri, đồng, sắt, mangan, kẽm, vanadi và molipđen. Hầu hết, chúng có mặt trong thành phần của các enzim, một số trong chúng như clo, mangan, sắt, kẽm và vanadi có thể còn tham gia vào trong quá trình quang hợp của cây xanh. 4.1.3.2. Những chất dinh dưỡng đa lượng Cần thiết cho thực vật có chứa các nguyên tố cacbon, hidro, oxi, nitơ, lưu huỳnh, photpho, kali, canxi và magie. Không khí và nước là nguồn cung cấp cacbon, hidro và oxi. Nhờ loại vi khuẩn cố định đạm nên một số thực vật có thể hấp thụ nitơ một cách trực tiếp từ khí quyển. Bón phân cho đất để bổ sung thêm các chất dinh dưỡng chứa các nguyên tố nitơ, photpho và kali. Canxi bị thiếu hụt trong đất là do cây cối đã hấp thụ nó, hoặc nằm ở dạng không tan nên cây trồng không hấp thụ được. Chúng ta cần bón vôi để cung cấp canxi cần thiết cho cây và khử chua cho đất. 4.2. HOÁ HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHONG HOÁ ĐẤT 4.2.1. Khái niệm về các quá trình phong hóa. Quá trình phong hoá vật lý (phong hóa cơ học) là quá trình làm vụn đá do sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ, gió, xói mòn, băng hà có thể đồng thời là những yếu tố dẫn đến quá trình phong hoá vật lý đối với đá. Quá trình phong hoá sinh học là quá trình làm thay đổi hệ thống sinh học của thực vật và động vật trong đất. Sản phẩm phân huỷ của những hệ thống này qua những thay đổi xác định sẽ dẫn tới sự thay đổi sinh học của môi trường xung quanh. Quá trình phong hoá hóa học bao gồm hàng loạt những quá trình hoá học đơn giản như thuỷ phân, cacbonat hoá, oxyhóa-khử, hoà tan và kết tinh.
38. 4.2.2. Các quá trình phong hóa hóa học 4.2.2.1. Qúa trình phong hóa hoà tan và kết tinh SiO2 là thành phần chính của địa quyển có thể hoà tan theo phản ứng sau: SiO2(r) + 2H2O H4SiO4(1) Các hyđrôxyt kim loại M(OH)n hoà tan : n+ - M(OH)n(r) M(aq) + n(OH )(aq) + - Khi kết hợp với cân bằng : H2O H + OH thì ta thấy khả năng tạo thành phức chất của ion kim loại M phụ thuộc rất nhiều vào pH của môi trường đất.: - m- M(OH)n(r) + mOH M(OH)n+m 4.2.2.2. Qúa trình phong hóa cacbonat hoá + - CO2 + H2O H(aq) + HCO3 (aq) + 2+ CaCO3 + H Ca(aq) + HCO3(aq) 2+ - CaCO3 + CO2 + H2O Ca + 2HCO3 4.2.2.3. Qúa trình phong hóa thuỷ phân 4.2.2.3. Quá trình phong hoá ôxy hoá khử 2+ - Fe2SiO4(r) + 4H2O + 4CO2 H4SiO4(1) + 2Fe(1) + 4HCO3(1) 2- + 4Fe2S + 15O2 + 14H2O 4Fe(OH)3 + 8SO4 + 16H - Quá trình phong hoá oxyhoá-khử của khoáng mangan MnSiO3 + 0,5O2 + 2H2O MnO2 + H4SiO4 MnCO3 + 0,5O2 MnO2 + CO2
39. 4.3. SỰ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT 4.3.1. Khái quát chung - ô nhiễm môi trường đất do chất thải sinh hoạt - ô nhiễm môi trường đất do chất thải nông nghiệp - ô nhiễm môi trường đất do chất thải công nghiệp - ô nhiễm môi trường đất do giao thông vận tải - ô nhiễm môi trường đất do chất thải y tế Cũng có thể phân chia: ô nhiễm do tác nhân hóa học, do tác nhân sinh hóa và ô nhiễm do tác nhân vật lí. 4.3.2. Một số chất gây ô nhiễm môi trường đất 4.3.2.1. Ô nhiễm đất do phân hóa học và hóa chất bảo vệ thực vật 4.3.2.2. Ô nhiễm đất do chất thải CN và sinh hoạt rắn, lỏng, khí. Khoảng 50% chất thải công nghiệp là chất thải rắn như than, bụi, chất hữu cơ, xỉ quặng , trong đó có 15% có khả năng gây độc nguy hiểm. Hình 4.1. Ô nhiễm đất trồng trọt phường Hòa Hiệp Nam - Quận Liên Chiểu – Tp Đà Nẵng
40. 4.3.2.3. Ô nhiễm đất do tác nhân sinh học Ô nhiễm đất do chất thải mất vệ sinh, hoặc sử dụng phân bắc tươi, hoặc bón trực tiếp bùn thải sinh Đất bị ô nhiễm trứng giun kí sinh, nhiễm vi sinh vật thường gặp ở một số vùng nông thôn hoặc vùng trồng rau . Đất là một con đường truyền dịch bệnh phổ biến : Người - đất - nước - côn trùng - ký sinh trùng; Người - hoặc vật nuôi - đất - người hoặc đất - người. 4.3.2.4. Ô nhiễm do chiến tranh Miền Nam nước ta qua cuộc chiến tranh tàn khốc đã phải hứng chịu hơn 100.000 tấn chất độc hóa học, trong đó có các hợp chất đioxin. 4.3.2.5. Ô nhiễm đất do thảm họa địa hình Miền núi, cao nguyên nước ta chiếm khoảng 67% diện tích cả nước với gần 20.883.000 ha, có địa hình cao và dốc, mưa gây xói mòn đất, sạt lở đất là nguyên nhân suy thoái môi trường đất. Ngoài ra, do hiện tượng phá rừng, đốt rừng, đời sống du canh, du cư cũng làm cho đất đồi núi tăng thêm hiện tượng xói mòn, lở đất. 4.3.2.6. Ô nhiễm đất do tác nhân vật lí Đốt nhiên liệu như củi, xăng, than, dầu khí trong sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải và sinh hoạt. Đặc biệt nhà máy điện, luyện kim, cháy rừng, phát rừng đốt rẫy làm tăng nhiệt độ của đất, làm hủy hoại môi trường đất, làm đất mất màu mỡ. Nhiệt độ trung bình của Trái Đất tăng lên gây nên Elnino, Lanina, làm mực nước biển sẽ dâng cao, gây ra thiên tai hạn hán, lũ lụt, bão tố 4.3.2.7. Ô nhiễm đất bởi các chất phóng xạ Bên cạnh lợi ích rất to lớn thì phóng xạ đã gây cho con người nhiều hiểm hoạ.