Xem mẫu
- TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HUẾ
KHOA HÓA
⎯ ⎯
Giáo trình
HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG
(ENVIRONMENTAL CHEMISTRY)
ThS. HOÀNG THÁI LONG
Huế − 2008
- 1
MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................................. 1
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................................. 4
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................................. 6
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 7
1.
1.1. Một số khái niệm ........................................................................................................................................ 7
1.1.1. Môi trường .......................................................................................................................................... 7
1.1.2. Hóa học môi trường ............................................................................................................................ 7
1.1.3. Ô nhiễm môi trường ............................................................................................................................ 7
1.1.4. Chất gây ô nhiễm ................................................................................................................................ 7
1.1.5. Đường đi của chất gây ô nhiễm (pollutant pathways) ........................................................................ 7
1.2. Cấu trúc và các thành phần môi trường của Trái đất .................................................................................. 8
1.2.1. Cấu trúc của Trái đất.......................................................................................................................... 8
1.2.2. Thành phần môi trường của Trái đất................................................................................................ 11
1.3. Quá trình phát triển của sự sống trên Trái đất ........................................................................................... 12
1.4. Chu trình địa hóa....................................................................................................................................... 13
Câu hỏi ............................................................................................................................................................. 15
KHÍ QUYỂN VÀ SỰ Ô NHIỄM KHÍ QUYỂN ....................................................... 16
2.
2.1. Cấu trúc của khí quyển ............................................................................................................................. 16
2.1.1. Tầng đối lưu ...................................................................................................................................... 17
2.1.2. Tầng bình lưu .................................................................................................................................... 18
2.1.3. Tầng trung lưu .................................................................................................................................. 18
2.1.4. Tầng nhiệt lưu ................................................................................................................................... 18
2.2. Sự hình thành và thành phần của khí quyển.............................................................................................. 18
2.2.1. Sự hình thành khí quyển.................................................................................................................... 18
2.2.2. Thành phần của khí quyển ................................................................................................................ 19
2.3. Các phản ứng của oxy trong khí quyển ..................................................................................................... 21
2.4. Ô nhiễm không khí.................................................................................................................................... 25
2.4.1. Sulfua dioxit (SO2) ............................................................................................................................ 26
2.4.2. Các oxit của nitơ ............................................................................................................................... 29
2.4.3. Các oxit cacbon ................................................................................................................................ 32
2.4.4. Hydrocacbon..................................................................................................................................... 34
2.4.4.1. Mêtan (CH4) ............................................................................................................................................... 34
2.4.4.2. Các hydrocacbon khác mêtan (non-methane hydrocarbons−NMHCs) ....................................................... 34
2.4.4.3. Các dẫn xuất halogen của hydrocacbon...................................................................................................... 35
2.4.5. Các hạt lơ lửng trong tầng đối lưu ................................................................................................... 37
2.4.5.1. Muội than (soot) ......................................................................................................................................... 37
2.4.5.2. Các hạt hợp chất chì ................................................................................................................................... 38
2.4.5.3. Tro bay (fly ash) ......................................................................................................................................... 38
2.4.5.4. Amiăng (asbestos) ...................................................................................................................................... 38
2.4.5.5. Biện pháp giảm thiểu ô nhiễm do hạt chất rắn lơ lửng ............................................................................... 39
2.5. Tác động tổng hợp của các chất ô nhiễm không khí ................................................................................. 41
2.5.1. Hiệu ứng nhà kính............................................................................................................................. 41
2.5.2. Sự suy giảm nồng độ ozon trong tầng bình lưu ................................................................................ 43
2.5.2.1. Tầng ozon ................................................................................................................................................... 43
2.5.2.2. Các phản ứng tạo thành và phân hủy ozon trong tầng bình lưu .................................................................. 43
2.5.2.3. Sự suy giảm nồng độ ozon trong tầng bình lưu .......................................................................................... 44
2.5.3. Sương khói (smog) ............................................................................................................................ 46
2.5.3.1. Sương khói kiểu London ............................................................................................................................ 46
2.5.3.2. Sương khói kiểu Los Angeles .................................................................................................................... 47
2.5.4. Mưa axit ............................................................................................................................................ 49
Câu hỏi ............................................................................................................................................................. 51
3 . THỦY QUYỂN VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC ............................................. 52
- 2
3.1. Tài nguyên nước và chu trình nước .......................................................................................................... 52
3.2. Thành phần của nước tự nhiên .................................................................................................................. 53
3.2.1. Các khí hòa tan ................................................................................................................................. 53
3.2.2. Chất rắn ............................................................................................................................................ 53
3.2.2.1. Chất rắn lơ lửng và chất rắn hòa tan ........................................................................................................... 53
3.2.2.2. Các chất vô cơ hòa tan................................................................................................................................ 55
3.2.2.3. Các chất hữu cơ .......................................................................................................................................... 57
3.2.3. Thành phần sinh học của nước tự nhiên ........................................................................................... 58
3.3. Vai trò của vi sinh vật trong các chuyển hóa hóa học của môi trường nước............................................. 59
3.3.1. Phản ứng chuyển hóa cacbon ........................................................................................................... 59
3.3.2. Phản ứng chuyển hóa nitơ ................................................................................................................ 60
3.3.3. Phản ứng chuyển hóa lưu huỳnh....................................................................................................... 61
3.3.4. Phản ứng chuyển hóa photpho ......................................................................................................... 61
3.3.5. Phản ứng chuyển hóa sắt .................................................................................................................. 61
3.5.6. Phản ứng chuyển hóa halogen và các hợp chất hữu cơ chứa halogen ............................................. 62
3.4. Sự tạo phức trong nước tự nhiên và nước thải .......................................................................................... 62
3.5. Ô nhiễm môi trường nước ......................................................................................................................... 64
3.5.1. Các nguồn gây ô nhiễm nước ........................................................................................................... 64
3.5.2. Các tác nhân gây ô nhiễm nước........................................................................................................ 66
3.5.2.1. Các ion vô cơ hòa tan ................................................................................................................................. 66
3.5.2.2. Các chất hữu cơ .......................................................................................................................................... 71
3.5.2.3. Dầu mỡ ....................................................................................................................................................... 77
3.5.2.4. Các chất có màu ......................................................................................................................................... 78
3.5.2.5. Các chất gây mùi vị .................................................................................................................................... 78
3.5.2.6. Các vi sinh vật gây bệnh (pathogens) ......................................................................................................... 78
3.5.3. Các yêu cầu về chất lượng nước − Tiêu chuẩn chất lượng nước ...................................................... 80
3.6. Xử lý nước thải ......................................................................................................................................... 83
3.6.1. Các phương pháp sinh học để xử lý nước thải.................................................................................. 83
3.6.1.1. Các phương pháp hiếu khí .......................................................................................................................... 83
3.6.1.2. Các phương pháp kỵ khí............................................................................................................................. 85
3.6.1.3. Một số phương pháp xử lý sinh học thông dụng khác ................................................................................ 86
3.6.2. Các phương pháp cơ lý − hóa học để xử lý nước thải ...................................................................... 87
3.6.2.1. Phương pháp lắng và keo tụ ....................................................................................................................... 87
3.6.2.2. Phương pháp hấp phụ ................................................................................................................................. 87
3.6.2.3. Phương pháp trung hòa .............................................................................................................................. 87
3.6.2.4. Phương pháp oxy hóa ................................................................................................................................. 88
Câu hỏi ............................................................................................................................................................. 88
4 . ĐỊA QUYỂN VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT ..................................................... 89
4.1. Khái niệm về đất ....................................................................................................................................... 89
4.2. Bản chất và thành phần của đất ................................................................................................................. 89
4.2.1. Các thành phần vô cơ của đất .......................................................................................................... 90
4.2.2. Các thành phần hữu cơ của đất ........................................................................................................ 91
4.3. Nước và không khí trong đất .................................................................................................................... 93
4.3.1. Nước trong đất .................................................................................................................................. 93
4.3.2. Không khí trong đất .......................................................................................................................... 94
4.4. Dịch đất ..................................................................................................................................................... 94
4.5. Phản ứng axit-bazơ và phản ứng trao đổi ion trong đất ............................................................................ 94
4.5.1. Sự tạo thành axit vô cơ trong đất ...................................................................................................... 94
4.5.2. Điều chỉnh độ axit của đất ................................................................................................................ 95
4.5.3. Cân bằng trao đổi ion trong đất ....................................................................................................... 95
4.6. Chất dinh dưỡng vi lượng và đa lượng trong đất ...................................................................................... 96
4.6.1. Chất dinh dưỡng đa lượng ................................................................................................................ 96
4.6.1.1. Nitơ ............................................................................................................................................................ 97
4.6.1.2. Photpho ...................................................................................................................................................... 98
4.6.1.3. Kali ............................................................................................................................................................. 98
4.6.2. Chất dinh dưỡng vi lượng ................................................................................................................. 98
4.7. Sự xói mòn và thoái hóa đất.................................................................................................................... 100
4.7.1. Xói mòn đất ..................................................................................................................................... 100
4.7.2. Sa mạc hóa ...................................................................................................................................... 100
4.7.3. Đất và tài nguyên nước ................................................................................................................... 101
4.8. Ô nhiễm môi trường đất .......................................................................................................................... 101
- 3
4.8.1. Ảnh hưởng của hoạt động nông nghiệp .......................................................................................... 101
4.8.1.1. Sử dụng phân bón ..................................................................................................................................... 101
4.8.1.2. Sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật ............................................................................................................. 101
4.8.1.3. Chế độ tưới tiêu ........................................................................................................................................ 102
4.8.2. Ảnh hưởng của hoạt động sinh hoạt và công nghiệp ...................................................................... 103
4.8.3. Một số phương pháp xử lý đất bị ô nhiễm....................................................................................... 104
4.8.3.1. Xử lý tại chỗ (in-situ) ............................................................................................................................... 104
4.8.3.2. Xử lý đất bị ô nhiễm sau khi đã bóc khỏi vị trí......................................................................................... 105
Câu hỏi ........................................................................................................................................................... 106
5 . HÓA CHẤT ĐỘC TRONG MÔI TRƯỜNG ............................................................. 107
5.1. Hóa chất độc trong môi trường ............................................................................................................... 107
5.2. Độc học môi trường ................................................................................................................................ 107
5.3. Tính bền vững của độc chất trong môi trường ........................................................................................ 109
5.3.1. Phân hủy phi sinh học..................................................................................................................... 109
5.3.2. Phân hủy sinh học ........................................................................................................................... 110
5.3.3. Quá trình suy giảm nồng độ không do phân hủy ............................................................................ 110
5.4. Tích lũy sinh học..................................................................................................................................... 111
5.4.1. Tích lũy sinh học ............................................................................................................................. 111
5.4.2. Những yếu tố ảnh hưởng đến sự tích lũy sinh học .......................................................................... 112
5.5. Độc tính .................................................................................................................................................. 113
5.5.1. Độ độc cấp tính ............................................................................................................................... 113
5.5.2. Cơ chế gây độc cấp tính.................................................................................................................. 114
5.5.3. Độ độc mãn tính.............................................................................................................................. 115
5.6. Tác dụng độc hại của một số chất ........................................................................................................... 116
5.6.1. Hóa chất bảo vệ thực vật ................................................................................................................ 116
5.6.1.1. Tác dụng độc hại của thuốc trừ sâu cơ clo................................................................................................ 116
5.6.1.2. Tác dụng độc hại của thuốc trừ sâu cơ photpho và cacbamat ................................................................... 118
5.6.1.3. Tác dụng độc hại của metyl izocyanat (MIC)........................................................................................... 119
5.6.2. Kim loại .......................................................................................................................................... 119
5.6.2.1. Các cơ chế gây độc phổ biến và bộ phận cơ thể bị tổn hại ....................................................................... 120
5.6.2.2. Tác dụng độc hại của asen ........................................................................................................................ 121
5.6.2.3. Tác dụng độc hại của cadmi ..................................................................................................................... 123
5.6.2.4. Tác dụng độc hại của chì .......................................................................................................................... 123
5.6.2.5. Tác dụng độc hại của thủy ngân ............................................................................................................... 124
5.6.3. Tác dụng độc hại của một số chất độc khác ................................................................................... 127
5.6.3.1. Tác dụng độc hại của cacbon monooxit (CO) .......................................................................................... 127
5.6.3.2. Tác dụng độc hại của các oxit nitơ (NOx) ................................................................................................ 127
5.6.3.3. Tác dụng độc hại của khí sunfurơ (SO2)................................................................................................... 128
5.6.3.4. Tác dụng độc hại của ozon và PAN ......................................................................................................... 128
5.6.3.5. Tác dụng độc hại của cyanua (CN−) ......................................................................................................... 128
5.6.3.6. Các chất gây ung thư (carcinogens).......................................................................................................... 129
Câu hỏi ........................................................................................................................................................... 133
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 134
- 4
DANH MỤC HÌNH
Cấu trúc của Trái đất [17] ........................................................................................ 8
Hình 1.1.
Mặt cắt ngang của bề mặt Trái đất [17] ................................................................... 9
Hình 1.2.
Các mảng lục địa chính [7] .................................................................................... 10
Hình 1.3.
Sự dịch chuyển của các mảng lục địa [17] ............................................................ 10
Hình 1.4.
Hai dạng tế bào Prokaryote và Eukaryote [19] ...................................................... 13
Hình 1.5.
Mô hình tổng quát của chu trình địa hóa [17]........................................................ 14
Hình 1.6.
Các thành phần của khí quyển [15] ....................................................................... 16
Hình 2.1.
Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao trong khí quyển [8] ............................................ 17
Hình 2.2.
Trao đổi oxy giữa khí quyển, địa quyển, thủy quyển và sinh quyển [15] ............. 21
Hình 2.3.
Cấu trúc của (a) pyrrole, (b) một vòng porphyrin, (c) chlorophyll ........................ 23
Hình 2.4.
Vai trò của ATP và NADPH trong các phản ứng quang hợp [17] ........................ 24
Hình 2.5.
Các nguồn gây ô nhiễm khí quyển tự nhiên và nhân tạo ....................................... 26
Hình 2.6.
Nồng độ (trung bình 1 giờ) hàng ngày của các chất ô nhiễm ở Los Angeles, USA [8] 30
Hình 2.7.
Các chuyển hóa hóa học chủ yếu của NOx trong tầng đối lưu [7] ......................... 31
Hình 2.8.
Các phản ứng oxy hóa mêtan chủ yếu khi có mặt NOx trong tầng đối lưu vào ban
Hình 2.9.
ngày (xảy ra trong cả không khí sạch lẫn không khí bị ô nhiễm) [7] .................... 34
(a) pyren; (b): benzopyren ..................................................................................... 37
Hình 2.10.
Kiểm tra bụi amiăng trong các công trình xây dựng [18] ...................................... 38
Hình 2.11.
Thiết bị lắng quán tính (cyclon) [12] ..................................................................... 39
Hình 2.12.
Thiết bị lọc bụi bằng túi vải [15] ........................................................................... 40
Hình 2.13.
Thiết bị lọc bụi Venturi [15] .................................................................................. 40
Hình 2.14.
Sơ đồ nguyên tắc lọc bụi tĩnh điện [15] ................................................................. 41
Hình 2.15.
Hiệu ứng nhà kính.................................................................................................. 42
Hình 2.16.
Sơ đồ mô tả lốc xoáy hình thành vào mùa Đông ở Nam cực [17]......................... 45
Hình 2.17.
Lỗ thủng lớn nhất của tầng ozon ở Nam cực ghi nhận được (21-30/9/2006) [28] 46
Hình 2.18.
Sương khói năm 1952 tại London [26] .................................................................. 47
Hình 2.19.
Điều kiện và sự tạo thành sương khói quang hóa [17] .......................................... 48
Hình 2.20.
(A) Các phản ứng tạo thành sương khói; (B) Các phản ứng tạo thành PAN [8] ... 48
Hình 2.21.
Sương khói tại Los Angeles [27] ........................................................................... 49
Hình 2.22.
Mưa axit hủy hoại rừng cây ở dãy núi Blue Ridge, North Carolina [29] .............. 50
Hình 2.23.
Mưa axit ăn mòn tượng đá vôi [25] ....................................................................... 50
Hình 2.24.
Chu trình nước [12] ............................................................................................... 52
Hình 3.1.
Sơ đồ xác định và quan hệ giữa chất rắn lơ lửng và chất rắn hòa tan [16] ............ 54
Hình 3.2.
Chu trình Nitơ [8] .................................................................................................. 60
Hình 3.3.
Công thức cấu tạo dự đoán của axit fulvic [8] ....................................................... 63
Hình 3.4.
Sơ đồ tách chiết các hợp chất humic từ xác thực vật đã phân hủy ........................ 63
Hình 3.5.
Các kiểu tạo phức của hợp chất humic với ion kim loại [8] .................................. 63
Hình 3.6.
Trẻ em dị tật do ảnh hưởng của vụ nhiễm độc thủy ngân ở Minamata [23] .......... 70
Hình 3.7.
Công thức cấu tạo của các hợp chất DDT, DDD, DDE......................................... 72
Hình 3.8.
Công thức cấu tạo của một số hóa chất bảo vệ thực vật thông dụng ..................... 73
Hình 3.9.
Công thức cấu tạo của các nhóm dioxin và chất dioxin (TCDD) .......................... 74
Hình 3.10.
Cấu trúc của phân tử biphenyl
Hình 3.11.
(mỗi vị trí được đánh số có thể có một nguyên tử clo thế vào tạo thành các phân tử
PCB)....................................................................................................................... 75
Chrysence và benzo(a)pyrene là các hợp chất thuộc nhóm PAHs ........................ 75
Hình 3.12.
Sơ đồ hệ xử lý nước thải theo kỹ thuật bùn hoạt hóa ............................................ 84
Hình 3.13.
Bể lọc nhỏ giọt để xử lý nước thải đô thị [20] ....................................................... 84
Hình 3.14.
- 5
Sơ đồ hệ thống UASB............................................................................................ 85
Hình 3.15.
Sơ đồ biểu diễn hoạt động của ao tùy nghi [12] .................................................... 86
Hình 3.16.
Các tầng đất ........................................................................................................... 90
Hình 4.1.
Sự chuyển hóa của nitơ trong đất .......................................................................... 97
Hình 4.2.
Muối tích tụ trên bề mặt đất ở một vùng canh tác [21]........................................ 103
Hình 4.3.
Ảnh hưởng của nắng (quang phân) và mưa (thủy phân)
Hình 5.1.
đến sự phân hủy của parathion ............................................................................ 110
Tương quan giữa hàm lượng chất béo trong cơ thể của nhiều loại động vật ở hồ
Hình 5.2.
Ontario (thuộc Ngũ Đại Hồ) và hàm lượng PCBs trong toàn bộ cơ thể [10] ...... 112
Sự tích lũy DDT qua chuỗi thức ăn trong môi trường nước [8] .......................... 118
Hình 5.3.
Quá trình nhập bào (endocytosis) và quá trình xuất bào (exocytosis) ................. 120
Hình 5.4.
Nhiễm độc asen gây hoại tử bàn tay và mất ngón tay [30] .................................. 121
Hình 5.5.
Công thức cấu tạo của ALA−dehydraza enzim và porphobilinogen ................... 124
Hình 5.6.
Phức chelat của chì với các chất chống độc......................................................... 124
Hình 5.7.
Bàn tay bị biến dạng của nạn nhân bị ngộ độc Hg ở Minamata [22] .................. 125
Hình 5.8.
Sự khuếch đại sinh học của thủy ngân trong chuỗi thức ăn [8] ........................... 126
Hình 5.9.
- 6
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Các nguyên tố chính trong các phần cấu trúc của Trái đất [17] .............................. 9
Bảng 1.2. 10 nguyên tố hóa học trong vũ trụ, Trái đất, vỏ Trái đất, đại dương, khí quyển
(không khí khô) và sinh quyển (% khối lượng) [17] ............................................. 11
Bảng 2.1. Thành phần chính của không khí khô ở tầng đối lưu [7] ...................................... 20
Bảng 2.2. Các chất khí có hàm lượng thấp trong không khí khô ở tầng đối lưu [15] ........... 20
Bảng 2.3. Thời gian lưu của một số chất gây ô nhiễm khí quyển [7] .................................... 26
Bảng 2.4. Một số ảnh hưởng của SO2 đối với con người [7]................................................. 27
Bảng 2.5. So sánh khả năng hấp thụ bức xạ của các khí nhà kính [7] ................................... 42
Bảng 2.6. So sánh sự đóng góp vào hiệu ứng nhà kính của các khí nhà kính [7] ................. 43
Bảng 3.1. Sự phân bố tài nguyên nước toàn cầu [12] ............................................................ 52
Bảng 3.2. Thành phần hóa học trung bình của nước sông hồ và nước biển toàn cầu [5] ...... 55
Bảng 3.3. Tải lượng tác nhân ô nhiễm do con người đưa vào môi trường hàng ngày [5] ..... 65
Bảng 3.4. Một số nguyên tố vi lượng quan trọng trong nước tự nhiên [15] .......................... 68
Bảng 3.5. Nồng độ tối đa cho phép của một số kim loại nặng trong các loại nước
theo Tiêu chuẩn Việt Nam về môi trường ............................................................. 69
Bảng 3.6. Giá trị giới hạn cho phép của các thông số và nồng độ các chất ô nhiễm
trong nước mặt (TCVN 5942−1995) ..................................................................... 81
Bảng 3.7. Giá trị giới hạn cho phép và các thông số và nồng độ chất ô nhiễm
trong nước thải công nghiệp (TCVN 5945 -1995) ................................................ 82
Bảng 4.1. Hàm lượng các nguyên tố hóa học trong đá và đất (‰ w/w) [6] .......................... 91
Bảng 4.2. Các loại hợp chất hữu cơ chính trong đất [15] ...................................................... 92
Bảng 5.1. Các nguyên tố độc hại trong nước thiên nhiên và nước thải [8] ......................... 108
Bảng 5.2. Thời gian bán hủy của một số hóa chất độc bền vững trong môi trường [10] .... 109
Bảng 5.3. Tích lũy sinh học trong cá của một số chất gây ô nhiễm [10] ............................. 111
Bảng 5.4. Giá trị phân tích và giá trị tính toán của hệ số tích lũy sinh học trong cá
của một số hóa chất có khả năng chuyển hóa sinh học khác nhau ...................... 113
Bảng 5.5. Phân loại độ độc theo Hodge & Sterner [24] ...................................................... 114
Bảng 5.6. Phân loại độ độc (liều độc qua đường ăn uống có thể gây chết người)
theo Gosselin, Smith & Hodge [24] .................................................................... 114
Bảng 5.7. Phân loại độ độc cấp tính của hóa chất độc đối với cá và động vật [10] ............ 114
Bảng 5.8. Độ độc cấp tính và độ độc mãn tính của một số loại thuốc trừ sâu
xác định trong phòng thí nghiệm trên các loài cá [10] ........................................ 116
Bảng 5.9. Đặc tính hóa học và sinh hóa của thủy ngân và các hợp chất của nó [8] ............ 126
Bảng 5.10. Ảnh hưởng độc hại của CO đối với con người ở các nồng độ khác nhau [8] ..... 127
Bảng 5.11. Ảnh hưởng độc hại của NO2 với con người ở các nồng độ khác nhau [8].......... 127
Bảng 5.12. Phân loại các chất gây ung thư theo IARC và EPA [10] .................................... 130
Bảng 5.13. Danh mục các tác nhân, chất, hỗn hợp chất gây ung thư ở người
và ngành nghề có nguy cơ bị phơi nhiễm [10] .................................................... 130
- 7
MỞ ĐẦU
1.
1.1. Một số khái niệm
1.1.1. Môi trường
Môi trường là tổng hợp những điều kiện bên ngoài có ảnh hưởng đến đời sống và sự
phát triển của mỗi sinh vật.
Đối với con người, môi trường sống là tổng hợp các điều kiện vật lý, hóa học, kinh tế
xã hội có ảnh hưởng đến sự sống và phát triển của từng cá nhân, của cộng đồng con người.
Môi trường sống của con người là cả vũ trụ, trong đó hệ Mặt trời và Trái đất có ảnh hưởng
trực tiếp và rõ rệt nhất.
Để đánh giá chất lượng môi trường, người ta thường đo đạc, phân tích và so sánh các
thông số chất lượng môi trường với các tiêu chuẩn về chất lượng môi trường do từng quốc gia
hay các tổ chức quốc tế đưa ra.
1.1.2. Hóa học môi trường
Hóa học môi trường là môn khoa học nghiên cứu các hiện tượng hóa học xảy ra trong
môi trường.
Nói cách khác, hóa học môi trường nghiên cứu các nguồn, các phản ứng, sự vận
chuyển, hiệu ứng và sự tồn tại của các chất hóa học trong không khí, nước, đất, và ảnh hưởng
của các hoạt động của con người đến các quá trình này.
Như vậy, hóa học môi trường là môn học đa ngành liên quan trực tiếp đến các ngành
hóa học, vật lý, sinh học, địa chất học, nông học, y học,... Các kiến thức về hóa học môi
trường không những chỉ cần thiết cho các nhà hóa học, mà còn rất cần thiết cho cả những nhà
nghiên cứu môi trường, kỹ thuật và quản lý.
1.1.3. Ô nhiễm môi trường
Ô nhiễm môi trường là các thay đổi không mong muốn về tính chất vật lý, hóa học,
sinh học của không khí, nước hay đất có thể gây ảnh hưởng có hại cho sức khỏe, sự sống,
hoạt động của con người hay các sinh vật khác [13].
Một định nghĩa khác về ô nhiễm môi trường, được sử dụng khá phổ biến hiện nay cho
rằng, ô nhiễm môi trường là quá trình con người chuyển vào môi trường các chất hay dạng
năng lượng có khả năng gây hại cho sức khỏe của con người, sinh vật, hệ sinh thái, hủy hoại
cấu trúc, sự hài hòa, hoặc làm ảnh hưởng đến các tác dụng lợi ích vốn có của môi trường [14].
Theo Luật Bảo vệ môi trường Việt Nam, ô nhiễm môi trường là sự làm thay đổi tính
chất của môi trường, vi phạm tiêu chuẩn môi trường.
1.1.4. Chất gây ô nhiễm
Chất (gây) ô nhiễm là những chất không có trong tự nhiên, hoặc vốn có trong tự nhiên
nhưng nay có hàm lượng lớn hơn và gây tác động có hại cho môi trường thiên nhiên, cho con
người cũng như các sinh vật khác.
Chất gây ô nhiễm có thể có nguồn gốc tự nhiên (núi lửa, cháy rừng, bão lụt,...) hoặc do
các hoạt động của con người tạo ra (hoạt động sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải, chiến
tranh, sinh hoạt đô thị,...).
1.1.5. Đường đi của chất gây ô nhiễm (pollutant pathways)
Đường đi của chất gây ô nhiễm là cơ chế phát tán chất gây ô nhiễm từ nguồn phát sinh
đến các bộ phận của môi trường. Ví dụ: đường đi của chì trong xăng dầu động cơ vào cơ thể
- 8
người và gây độc hại:
äúng xaí khê
Pb(C2H5)4 (xăng, dầu động cơ) ⎯⎯⎯⎯⎯ PbCl2 + PbBr2 (khí quyển)
→
← Thực phẩm ←
Người PbCl2 + PbBr2 (trong đất)
1.2. Cấu trúc và các thành phần môi trường của Trái đất
1.2.1. Cấu trúc của Trái đất
Có nhiều giả thiết giải thích nguồn gốc của hệ Mặt trời nói chung và Trái đất nói
riêng, song tất cả các giả thiết ấy đều chỉ dựa trên các hiểu biết rất ít ỏi hiện nay về hệ Mặt
trời, do đó còn gây nhiều tranh cãi. Những bằng chứng hiện có cho thấy rằng, Trái đất là một
hành tinh có lớp vỏ cứng xuất hiện cách đây khoảng 4,5 tỷ năm, cách Mặt trời 150 triệu km.
Cấu trúc chính của Trái đất (Hình 1.1) rất ít thay đổi trong 4 tỷ năm gần đây.
Đại dương
Bề dày (Km)
0
4
Vỏ lục địa
10
Vỏ đại dương
60
0 − 40
Vỏ Lớp phủ trên
1000
2900
400
5100
6370
Lớp phủ Ngoài Trong
Vùng chuyển tiếp
Nhân
1000
Lớp phủ dưới
Hình 1.1. Cấu trúc của Trái đất [17]
Phần vỏ mỏng bên ngoài của Trái đất, chỉ chiếm 1% khối lượng của Trái đất, nhưng
lại đóng vai trò rất quan trọng đối với sự sống và phát triển của loài người.
Bề mặt Trái đất không đều, khoảng 70% bị bao phủ bởi nước với độ sâu trung bình
khoảng 4 km (0 − 11 km). Phần còn lại là khối đất với độ cao trung bình 0,84 km (0 − 8,8 km)
trên mặt nước biển. Hai phần ba của khối đất này thuộc phần Bắc bán cầu.
Khối đất chính là lục địa được xác định giới hạn không phải bằng bờ biển, mà bằng
- 9
mép phần phẳng của đáy đại dương (có thể ở xa bờ), vì vậy lục địa bao gồm cả phần thềm lục
địa. Theo cách xác định này thì trong nhiều trường hợp, các đảo ngoài khơi vẫn có thể là một
bộ phận của khối đất lục địa gần chúng. Cách xác định phần lục địa này hoàn toàn phù hợp
với thực tế về sự khác nhau của thành phần đá lớp vỏ lục địa và đá lớp vỏ đáy đại dương.
Bảng 1.1. Các nguyên tố chính trong các phần cấu trúc của Trái đất [17]
Phần cấu trúc của Trái đất Các nguyên tố chính (theo thứ tự nồng độ giảm dần)
Khí quyển N, O
Đại dương O, H (Cl, Na, Mg, S)
Đá trầm tích O, Si, Al, Fe, Ca, K, Mg, C, Na
Đá granit từ nham thạch O, Si, Al, K, Na, Ca, Fe, Mg
Đá bazan từ nham thạch O, Si, Al, Fe, Ca, Mg
Lớp phủ O, Si, Mg, Fe
Khí quyển Tầng bình lưu (35 km)
Núi (8,8 km)
bao gồm tầng ozon (15 km)
Tầng đối lưu (15 km)
Đất thấp (trung bình 0,84 km)
Thềm lục địa
Đá trầm tích
Đại dương (sâu trung bình 4 km)
Vực (11 km)
Đá granit từ
nham thạch
Đá bazan từ
nham thạch
Lớp phủ
0 20 40
40 60 80 100
% bề mặt Trái đất bị chiếm
Hình 1.2. Mặt cắt ngang của bề mặt Trái đất [17]
Phần đọc thêm: Sự chuyển dịch của các mảng lục địa
Giả thuyết về hoạt động kiến tạo cho rằng, lớp vỏ cứng của Trái đất được tạo nên
bởi 15 mảng lục địa có kích thước khác nhau lắp ghép lại, trong đó có 9 mảng chính.
Có mảng chỉ chứa phần đại dương hoặc chỉ chứa phần lục địa, nhưng đa số các mảng
lục địa vừa chứa phần đại duơng, vừa chứa phần lục địa.
Dưới tác động của các dòng chuyển dịch bên trong lòng Trái đất, các mảng lục
địa luôn trôi dạt trên lớp quyển mềm (asthenosphere). Có 3 kiểu chuyển dịch tương đối
giữa các mảng lục địa liền nhau.
- 10
Kiểu chuyển dịch phân kỳ làm cho các mảng lục địa tách xa nhau tạo nên các khe
hở để dung nham từ lòng đất trào ra ngoài, khô đặc lại tạo thành các ngọn núi lửa trên
đất liền hay các dãy núi ngầm dưới đáy đại dương. Chuyển dịch phân kỳ thường xảy ra
ở phần đại dương hơn trên lục địa.
Hình 1.3. Các mảng lục địa chính [7]
Tạo núi
Dãy núi ngầm
ở đại dương
Phần vỏ ở lục địa
Phần vỏ ở Phần vỏ ở
đại dương đại dương
Hoạt động núi lửa
Tái nóng chảy
Tái
Vùng lún
xuống LỚP PHỦ
Mảng lục địa 1 Mảng lục địa 2 Mảng lục địa 3
Đường biên có Đường biên có
sự dịch chuyển hội tụ sự dịch chuyển phân kỳ
Hình 1.4. Sự dịch chuyển của các mảng lục địa [17]
Kiểu chuyển dịch hội tụ làm các mảng lục địa xô đập hay trườn, trượt, đè chồng
lên nhau. Khi một mảng lục địa là lục địa còn mảng kia là đại dương thì mảng đại
dương sẽ trượt và lún xuống bên dưới mảng lục địa. Phần lún xuống bị nóng chảy, các
thành phần vật liệu nóng chảy có khối lượng riêng nhỏ sẽ di chuyển đi lên tạo ra núi,
- 11
các vật liệu nặng hơn sẽ chìm xuống vào lớp phủ. Khi hai mảng lục địa dịch chuyển hội
tụ đều là lục địa sẽ dẫn đến hiện tượng dồn ép các lớp đất đá lên thành các dãy núi cao
(dãy Himalayas, Anpes). Khi một phần của mảng lục địa đại dương trượt và lún sâu
xuống bên dưới mảng lục địa, thì một phần mảng lục địa mới được hình thành từ đại
dương thay thế các phần mảng lục địa đã bị mất đi.
Kiểu chuyển dịch trượt của hai mảng lục địa có thể tạo ra các vết nứt gãy trên
mặt đất hay đại dương (ví dụ: vết nứt San Andreas chạy từ thành phố San Francisco cắt
ngang bang California (Mỹ) đến tận biên giới Mexico).
1.2.2. Thành phần môi trường của Trái đất
Khi nghiên cứu, người ta thường chia môi trường của Trái đất thành 4 thành phần chính:
khí quyển, thủy quyển, địa quyển và sinh quyển. Ngoài 4 thành phần chính này, các nhà khoa
học còn đưa ra khái niệm mới về trí quyển – một thành phần của môi trường Trái đất.
− Khí quyển: là lớp khí bao phủ xung quanh bề mặt Trái đất, nuôi dưỡng sự sống trên
mặt đất và bảo vệ chúng trước các tác động có hại từ khoảng không vũ trụ.
Khí quyển hấp thụ hầu hết các tia vũ trụ và một phần đáng kể bức xạ điện từ của Mặt
trời chiếu xuống Trái đất.
Khí quyển chỉ cho các bức xạ có bước sóng trong khoảng 320 đến 2500 nm đi qua và
ngăn chặn phần bức xạ tử ngoại có bước sóng nhỏ hơn 320 nm (phần bức xạ gây hại da).
Khí quyển đóng một vai trò quan trọng trong quá trình cân bằng nhiệt của Trái đất,
thông qua khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại của ánh sáng Mặt trời và phần tái bức xạ từ
Trái đất.
Thành phần chính của khí quyển là nitơ và oxy, ngoài ra còn có argon, cacbonic và
nhiều chất khí khác có nồng độ nhỏ hơn rất nhiều.
Bảng 1.2. 10 nguyên tố hóa học trong vũ trụ, Trái đất, vỏ Trái đất, đại dương, khí quyển
(không khí khô) và sinh quyển (% khối lượng) [17]
Vũ trụ Trái đất Vỏ Trái đất Đại dương Khí quyển Sinh quyển
H : 77 Fe : 35 O : 46,6 O : 85,8 N : 75,5 O : 53
He : 21 O : 29 Si : 29,5 H : 11 O : 23,2 C : 39
O : 0,8 Si : 14 Al : 8,2 Cl : 1,94 Ar : 1,3 H : 6,6
−3
C : 9,3 × 10
C : 0,3 Mg : 14 Fe : 5,0 Na : 1,05 N : 0,5
Ne : 1,3 × 10−3
Ne : 0,2 S : 2,9 Ca : 3,6 Mg : 0,13 Ca : 0,4
Kr : 0,45 × 10−3
Fe : 0,1 Ni : 2,4 Na : 2,8 S : 0,09 K : 0,2
He : 72 × 10−6
Si : 0,07 Ca : 2,1 K : 2,6 Ca : 0,048 Si : 0,1
Xe : 40 × 10−6
N : 0,06 Al : 1,8 Mg : 2,1 K : 0,039 P : 0,1
H : 23 × 10−6
Mg : 0,06 Na : 0,3 Ti : 0,57 Br : 0,007 Mg : 0,1
S : 70 × 10−9
S : 0,04 P : 0,2 H : 0,22 C : 0,003 S : 0,07
− Thủy quyển: bao gồm tất cả các nguồn nước: đại dương, biển, sông, suối, hồ, băng ở
các cực, nước ngầm,... Khoảng 97% lượng nước của thủy quyển là nước ở các đại dương.
Lượng nước ngọt con người có thể sử dụng được (nước sông, hồ, suối và nước ngầm) chỉ
chiếm chưa đến 1% lượng nước của thủy quyển.
Nước được con người sử dụng vào các mục đích chính sau: nông nghiệp (30%), nhà
máy nhiệt điện (50%), công nghiệp (12%), sinh hoạt (7%).
- 12
Nước bề mặt (nước mặt) ngày càng bị ô nhiễm do thuốc trừ sâu, phân bón trong nước
chảy tràn từ đồng ruộng, do các chất thải khác của con người, động vật và sản xuất công nghiệp.
Các bệnh lây qua đường nước từ nước thải đô thị đã làm chết hàng triệu người ở các nước đang
phát triển.
− Địa quyển (thạch quyển): là phần vỏ Trái đất từ mặt đất đến độ sâu khoảng 100 km,
bao gồm các khoáng chất trong lớp phong hóa và đất (là hỗn hợp phức tạp gồm các chất
khoáng, chất hữu cơ, không khí và nước).
− Sinh quyển: là một phần của Trái đất và khí quyển có tồn tại sự sống. Giữa sinh
quyển và môi trường có sự tác động qua lại lẫn nhau. Sinh quyển cũng có mối quan hệ chặt
chẽ với dòng năng lượng trong môi trường và hóa học môi trường nước.
− Trí quyển (noosphere): là khái niệm để chỉ các dạng thông tin biểu hiện rất phức tạp
trong sinh quyển mà trong đó phát triển cao nhất là trí tuệ con người. Một cách ngắn gọn có
thể xem trí quyển là “quyển” của trí tuệ loài người.
Trí quyển đang thay đổi nhanh chóng và phạm vi tác động của nó ngày càng mở rộng
kể cả ở ngoài phạm vi Trái đất.
1.3. Quá trình phát triển của sự sống trên Trái đất
Cũng như lịch sử phát triển của Trái đất, quá trình phát triển của sự sống trên Trái đất
được giải thích dựa vào các giả thiết. Những giả thiết này được xây dựng dựa trên việc nghiên
cứu các hóa thạch tìm được.
Các hóa thạch cổ nhất đã tìm thấy được có tuổi trên 3 tỷ năm. Các hóa thạch này có
dạng tương tự vi khuẩn và tảo ngày nay, tức là các sinh vật đơn bào. Các tế bào này chưa có
nhân phát triển hoàn chỉnh và được đặt tên là prokaryotes (sinh vật nhân sơ) . Quá trình tạo
thành các prokaryotes cho đến nay vẫn còn là điều bí ẩn.
Quá trình phát triển của sự sống được xem là một quá trình tiến triển dần dần từ các
phân tử vô cơ đơn giản đến các sinh vật đa dạng, từ đơn giản đến phức tạp hiện nay. Tất cả
các dạng sống đều được tạo thành từ các hợp chất hữu cơ. Các hợp chất này có thể đã được
tạo thành trong tự nhiên từ các phân tử đơn giản như, H2O, NH3, CO2, CO, CH4, H2S, H2. Các
phân tử đơn giản này có thể đã tồn tại trong khí quyển, đại dương của Trái đất lúc sơ khai.
Người ta suy đoán rằng, từ nhiều loại phân tử hữu cơ được tạo thành, các hệ vô sinh
(non-living systems) được hình thành, tiến hóa thành các sinh vật tự sinh tồn và sinh sản, sau
cùng phát triển thành các dạng sống phong phú ngày nay.
Các sinh vật đầu tiên phụ thuộc vào các nguồn cung cấp các phân tử hữu cơ được tổng
hợp từ bên ngoài, và do đó chúng được gọi là sinh vật dị dưỡng.
Các sinh vật tự dưỡng có khả năng tổng hợp nên các phân tử hữu cơ cần thiết từ các phân
tử vô cơ đơn giản. Vì các phân tử vô cơ đơn giản có sẵn rất nhiều trong khí quyển và đại dương so
với các phân tử hữu cơ, nên các sinh vật tự dưỡng phát triển mạnh hơn các sinh vật dị dưỡng.
Cả hai loại sinh vật prokaryotes có thể đã thu năng lượng từ các phản ứng lên men:
C6H12O6 → 2C3H4O3 + 4H
glucoz axit pyruvic (kết hợp với các nhóm khác)
Phản ứng lên men không phải là nguồn cung cấp năng lượng tốt. Khả năng dùng phần
phổ khả kiến của bức xạ Mặt trời làm nguồn năng lượng chuyển hóa CO2 thành các phân tử
hữu cơ, đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của loại vi khuẩn quang hợp. Các phân tử
như H2S, hay các phân tử hữu cơ đơn giản, có thể đóng vai trò là tác nhân cho hydro:
aïnh saïng
+ 2nH2A ⎯⎯⎯⎯⎯ (CH2O)n + →
nCO2 nH2O + 2nA
tác nhân cho hydro cacbohydrat
- 13
Từ đó, tảo lam sử dụng nước của đại dương, như một tác nhân cho hydro, để phát triển
và tạo ra sản phẩm phụ là oxy:
anh saïng
ï
nCO2 + nH2O ⎯⎯⎯⎯⎯ (CH2O)n + nO2 →
tác nhân cho hydro cacbohydrat
Oxy tạo thành từ quá trình quang hợp đã làm thay đổi bề mặt Trái đất, đồng thời tiêu
diệt các sinh vật không thích ứng với loại khí hoạt động hóa học mạnh này.
Khi oxy tích tụ nhiều trong khí quyển, tầng ozon dần hình thành ở tầng bình lưu (cách
mặt đất 15 − 40 km), hấp thụ tia tử ngoại có hại. Lúc này, các sinh vật đã có thể phát triển
thành quần thể trong vùng tiếp giáp của khí quyển/nước/đất và nhu cầu phải sinh sống dưới
nước để tránh tác hại của tia tử ngoại không còn là điều bắt buộc nữa. Các sinh vật bắt đầu
chuyển lên sống trên cạn. S ự c ó mặ t c ủ a oxy t ạ o đ i ề u ki ệ n cho nh ữ ng bi ế n đ ổi thích h ợ p
c ủ a t ế b ào, nhằ m có th ể s ử d ụ ng phả n ứng hô hấ p cung c ấ p n ă ng l ượ ng cho s ự p hát
tri ể n. Ngu ồ n nă ng l ượ ng thu t ừ p h ả n ứ ng hô h ấ p l ớ n h ơ n nă ng l ượ ng thu t ừ p h ả n ứ ng
lên men đế n 18 l ầ n.
(CH2O)n + nO2 → nCO2 + nH2O
cacbohydrat
Các tổ chức bên trong tế bào lúc này chịu những thay đổi mạnh mẽ và phát triển. Xuất
hiện nhân tế bào có màn bọc, chứa các axit nucleic mang thông tin gen của tế bào, ngoài ra
còn có một loạt các biến đổi khác biệt về đặc điểm cấu trúc.
Các tế bào mới này được gọi là các eukaryotes (sinh vật nhân thực), chứa nhân xác
định. Các eukaryotes đơn bào tự dưỡng tiến hóa thành thực vật đa bào, có khả năng quang
hợp để sản xuất các chất hữu cơ và oxy. Sự phát triển về số lượng các sinh vật có khả năng
quang hợp và hô hấp tốt tạo thành tập hợp dị dưỡng. Các eukaryotes dị dưỡng tiến hóa thành
cá, côn trùng và động vật ngày nay.
Hình 1.5. Hai dạng tế bào Prokaryote và Eukaryote [19]
Quá trình phát triển sự sống, như vừa nêu sơ lược ở trên làm cho hàm lượng oxy trong
khí quyển tăng cao và trở thành loại khí chủ yếu của khí quyển, đồng thời làm giảm đáng kể
hàm lượng các khí có lúc đầu trong khí quyển sơ khai (N2, CO2, H2, CO, CH4...).
1.4. Chu trình địa hóa
Các số liệu trong Bảng 1.2 chỉ cho thấy sự phân bố các nguyên tố trong các thành
- 14
phần của môi trường mà không cho thấy sự di chuyển (vận động) của các nguyên tố đó từ bộ
phận này sang bộ phận khác, ví dụ: sông vận chuyển các chất tan và chất rắn lơ lửng từ đất
liền ra đại dương; sự di chuyển của các mảng lục địa vỏ Trái đất tạo ra sự nâng lên (uplift) của
đá trầm tích đại dương và các khối đất mới; thực vật tạo thêm oxy cho khí quyển thông qua
quá trình quang hợp, đồng thời lấy oxy từ không khí trong quá trình hô hấp.
Sự di chuyển của một nguyên tố hóa học giữa đất, đại dương, không khí có thể được
biểu diễn bởi chu trình gọi là chu trình địa hóa. Mỗi chu trình địa hóa là một mô hình, mô tả
sự di chuyển của một nguyên tố hóa học (hay một chất), thông thường là xảy ra gần bề mặt
Trái đất.
Trong một chu trình địa hóa có một số nơi chứa (reservoirs), được xác định rõ về mặt
vật lý (như lục địa, đất, đại dương, khí quyển,...) và các đường di chuyển (transport paths) của
vật chất từ nơi chứa này đến nơi chứa khác. Số lượng nơi chứa trong một chu trình địa hóa
phụ thuộc vào mức độ chi tiết của việc nghiên cứu hệ.
Dòng vật chất di chuyển giữa các nơi chứa thường được xác định trong một khoảng
thời gian cố định, thường là một năm.
1 2 3
KHÔNG KHÍ
2 4
1
3
2
5
3
ĐẤT 6
ĐẠI DƯƠNG
8
7
TRẦM TÍCH
nơi chứa đường di chuyển
1. Ngưng tụ (mưa, tuyết) 5. Sự thoát khí (gas evolution)
2. Bụi 6. Các chất tan và lơ lửng (trong nước sông)
3. Bụi nước biển (sea spray) 7. Sa lắng
4. Sự tách khí (degassing) 8. Sự nâng lên
Hình 1.6. Mô hình tổng quát của chu trình địa hóa [17]
Nếu lượng nguyên tố (hay chất) được chuyển vào và chuyển ra khỏi nơi chứa bằng
nhau thì nồng độ của nó trong nơi chứa đó sẽ không đổi, lúc đó trạng thái dừng (steady state)
được thiết lập. Về cơ bản, nếu không bị ảnh hưởng bởi hoạt động của con người hầu hết các
chu trình tự nhiên đều ở trạng thái dừng. Kết luận này được rút ra từ thực tế: môi trường hóa
- 15
học toàn cầu không có thay đổi lớn nào xảy ra trong vài trăm triệu năm gần đây.
Nếu hệ đang ở trạng thái dừng, ta có thể xác định thời gian lưu (residence times) của
một chất xác định trong nơi chứa xác định dựa vào công thức:
læåüng nguyãn täú (chát ) trong nåi chæïa
ú
t=
täc âäü âi vao (hay ra ) nåi chæïa cuía nguyãn täú (chát )
ú ì ú
Ví dụ, nếu lượng natri tan trong đại dương là 15×1018 kg, lượng thêm vào hằng năm là
100×109 kg, thì thời gian lưu của natri trong đại dương sẽ là 150 triệu năm (thực ra, natri có
thời gian lưu trong đại dương là 210 triệu năm). Hầu hết các nguyên tố có thời gian lưu trong
đại dương khoảng vài triệu năm, hoặc ít hơn. Thời gian lưu trong vỏ Trái đất thường cao hơn
nhiều thời gian lưu trong không khí, điều đó phản ảnh tính lưu động của các hệ.
Người ta cho rằng, các tác động của con người lên các chu trình địa hóa đã làm tăng
tốc độ chuyển chất rắn từ lục địa ra đại dương, do chặt phá rừng, hoạt động canh tác, làm tăng
xói mòn. Nghiên cứu cho thấy, tốc độ xói mòn ngày nay cao gấp đôi cách đây 5000 năm. Rất
khó đánh giá được ảnh hưởng của các hoạt động nhân tạo lên các chu trình, do chúng ta
không biết chắc giá trị nền nồng độ của các chất cũng như dòng di chuyển vật chất trong các
chu trình đã nêu.
Mặc dù, hiểu biết về các chu trình địa hóa toàn cầu là rất quan trọng, song chúng ta
cũng cần quan tâm đến cả những gì đang xảy ra ở quy mô nhỏ hơn. Một quá trình chung trên
toàn cầu có thể che lấp mất các biến đổi bất thường tại một khu vực nhỏ. Sự rò rỉ cadmi từ
vùng khai khoáng có thể gây chết cá ở phía hạ lưu, đó là một sự cố rất quan trọng trên phạm
vi khu vực địa phương, nhưng dòng di chuyển của cadmi này sẽ không đáng kể gì khi so với
dòng di chuyển tổng cộng toàn cầu. Vì vậy, ngoài các chu trình địa hóa, chúng ta vẫn rất cần
các mô hình để minh họa và dự đoán các biến đổi môi trường khu vực.
Câu hỏi
1. Định nghĩa các thuật ngữ: “Môi trường”, “Ô nhiễm môi trường”, “Chất gây ô nhiễm”.
2. Phân biệt hai khái nhiệm “chất gây ô nhiễm” và “chất gây nhiễm bẩn”.
3. Chu trình địa hóa là gì?
3. Tại sao nghiên cứu chu trình địa hóa lại có ý nghĩa quan trọng đối với hóa học môi trường?
- 16
KHÍ QUYỂN VÀ SỰ Ô NHIỄM KHÍ QUYỂN
2.
2.1. Cấu trúc của khí quyển
Khí quyển là lớp vỏ khí bao quanh Trái đất. Ranh giới phân chia giữa khí quyển và
khoảng không gian bên ngoài không rõ ràng. Độ cao của lớp vỏ khí này có thể từ 500−1000
km từ mặt đất, tuy nhiên 99% khối lượng của khí quyển lại tập trung ở lớp khí chỉ cách mặt
đất 30 km.
Khí quyển được cấu tạo bởi nhiều chất khác nhau. Trong khí quyển có khoảng 50 hợp
chất hóa học, gồm cả những hạt lơ lửng (bụi, phấn hoa, vi khuẩn, vi rút,...). Thành phần và
hàm lượng các chất có mặt trong khí quyển tùy thuộc vào điều kiện địa lý, khí hậu và phân bố
theo độ cao. Càng lên cao, áp suất càng giảm, ở độ cao 100 km, áp suất khí quyển chỉ bằng
một phần triệu (3×10−7 at) áp suất ở bề mặt Trái đất (1 at). Nhiệt độ thay đổi trong khoảng từ
−92° đến 1200°C. Khối lượng tổng cộng của khí quyển ước khoảng 5×1015 tấn, tức vào
khoảng một phần triệu khối lượng Trái đất.
Căn cứ vào sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao, người ta chia khí quyển thành 4 tầng:
tầng đối lưu (troposhere), tầng bình lưu (stratosphere), tầng trung lưu (mesosphere), tầng
nhiệt lưu (thermosphere). Các thành phần của khí quyển và sự thay đổi nhiệt độ khí quyển
theo độ cao được trình bày trong Hình 2.1 và Hình 2.2.
Bức xạ Mặt trời
500 km
UV (λ < 100 nm): đến độ cao 200 km
UV (λ = 200 - 330 nm): đến độ cao 50 km
UV, VIS, IR (λ > 330 nm): đến mặt đất
Tầng Nhiệt lưu
+ + +
O2 , O , NO
85 km
+ +
O2 , NO
Tầng Trung lưu
50 km
O3 + hν (220 - 330 nm) → O2 + O
Tầng Bình lưu O3
Lớp dừng
10 - 16 km
Tầng Đối lưu N2, O2, CO2, H2O
Trái đất
Hình 2.1. Các thành phần của khí quyển [15]
- 17
Độ cao (km)
Tầng Nhiệt lưu −92 ÷ 1200°C
100
80
Tầng Trung lưu −2 ÷ −92°C
60
40
Tầng Bình lưu −56 ÷ −2°C
20
Lớp dừng
Tầng Đối lưu 15 ÷ −56°C
−100 −50 50
0
Nhiệt độ (°C)
Hình 2.2. Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao trong khí quyển [8]
2.1.1. Tầng đối lưu
Tầng đối lưu (troposphere) chiếm khoảng 70% khối lượng khí quyển, ở độ cao từ 0
đến 11 km, càng lên cao nhiệt độ càng giảm. Độ cao của tầng đối lưu có thể thay đổi khoảng
vài km, tùy thuộc vào các yếu tố, nhiệt độ, bề mặt đất... (khoảng 8 km ở hai cực, 18 km ở
vùng xích đạo). Tầng này quyết định khí hậu của Trái đất, thành phần chủ yếu là N2, O2, CO2
và hơi nước. Khí trong khí quyển tập trung chủ yếu ở tầng đối lưu, với khối lượng khoảng
4,12.1015 tấn so với tổng khối lượng khí trong khí quyển là 5,15×1015 tấn. Mật độ không khí
và nhiệt độ trong tầng đối lưu không đồng nhất. Mật độ không khí giảm rất nhanh theo độ cao
(giảm theo hàm số mũ). Nếu không bị ô nhiễm, thì nhìn chung thành phần của khí quyển ở
tầng đối lưu khá đồng nhất, do có dòng đối lưu liên tục của các khối không khí trong tầng.
Tầng đối lưu là một vùng xoáy, do có sự mất cân bằng trong tốc độ sưởi ấm và làm lạnh giữa
vùng xích đạo và ở hai đầu cực.
Phần trên cùng của tầng đối lưu có nhiệt độ thấp nhất (vào khoảng −56°C) được gọi là
đỉnh tầng đối lưu hoặc lớp dừng (tropopause). Tầng này đánh dấu sự kết thúc xu hướng giảm
nhiệt theo độ cao trong tầng đối lưu và bắt đầu có sự tăng nhiệt độ. Ở đỉnh tầng đối lưu do
nhiệt độ rất thấp, hơi nước bị ngưng tụ và đông đặc nên không thể thoát khỏi tầng khí quyển
thấp. Nếu không có đỉnh tầng đối lưu đóng vai trò như tấm chắn hữu hiệu, hơi nước có thể
bay lên các tầng khí quyển phía trên và sẽ bị phân tích dưới tác dụng của bức xạ tử ngoại có
năng lượng lớn. Hydro tạo thành do phản ứng phân tích sẽ thoát khỏi khí quyển (hầu hết
hydro và heli vốn có trong khí quyển đã thoát khỏi khí quyển theo con đường này).
- 18
2.1.2. Tầng bình lưu
Tầng bình lưu (stratosphere) ở độ cao từ 11 đến 50 km, nhiệt độ tăng theo độ cao, từ
−56°C đến khoảng −2°C. Thành phần chủ yếu của tầng này là O3, ngoài ra còn có N2, O2 và
một số gốc hóa học khác.
Phía trên đỉnh tầng đối lưu và phần dưới của tầng bình lưu là tầng ozon, nhiệt độ trong
tầng này gần như không đổi. Ozon ở vùng này đóng một vai trò cực kỳ quan trọng, nó có tác
dụng như lá chắn bảo vệ cho cuộc sống trên bề mặt Trái đất, tránh được tác dụng có hại của
tia tử ngoại từ ánh sáng Mặt trời.
O3 + hν (λ: 220 − 330 nm) → O2 + O + Q (làm tăng nhiệt độ)
Trong tầng bình lưu, không khí ít bị khuấy động, do đó thời gian lưu của các phần tử
hóa học ở vùng này khá lớn. Nếu các chất gây ô nhiễm bằng cách nào đó xâm nhập vào tầng
này, thì chúng sẽ tồn tại và gây ảnh hưởng tác động trong một thời gian dài hơn nhiều so với
ảnh hưởng của chúng ở tầng đối lưu.
2.1.3. Tầng trung lưu
Tầng trung lưu (còn gọi là tầng trung gian, mesosphere) ở độ cao từ 50 km đến 85 km,
nhiệt độ giảm theo độ cao, từ −2°C đến −92°C, do không có nhiều các phần tử hóa học hấp
thụ tia tử ngoại, đặc biệt là ozon. Thành phần hóa học chủ yếu trong tầng này là các gốc tự do
O2+, NO+ được tạo thành do oxy và nitơ oxit hấp thụ bức xạ tử ngoại xa.
2.1.4. Tầng nhiệt lưu
Tầng nhiệt lưu (còn gọi là tầng nhiệt, thermosphere), ở độ cao từ 85 đến trên 500 km.
Nhiệt độ trong tầng này tăng từ −92°C đến 1200°C. Trong tầng này, do tác dụng của bức xạ
Mặt trời, nhiều phản ứng hóa học xảy ra với oxy, ozon, nitơ, nitơ oxit, hơi nước, CO2...,
chúng bị phân tách thành nguyên tử và sau đó ion hóa thành các ion O2+, O+, O, NO+, e−,
CO32−, NO2−, NO3−,...và nhiều hạt bị ion hóa phản xạ sóng điện từ sau khi hấp thụ bức xạ Mặt
trời ở vùng tử ngoại xa (UV-C, λ < 290 nm).
Ngoài các tầng trên, người ta còn có khái niệm tầng điện ly hay tầng ngoài
(exosphere) và tầng ion (ionosphere).
Tầng ngoài bao quanh Trái đất ở độ cao lớn hơn 800 km, có chứa các ion oxy O+ (ở độ
cao < 1500 km), heli He+ (< 1500 km) và hydro H+ (> 1500 km). Một phần hydro ở tầng này
có thể tách ra và đi vào vũ trụ (khoảng vài nghìn tấn năm). Mặt khác, các dòng plasma do Mặt
trời phát ra và bụi vũ trụ (khoảng 2 g/km2) cũng đi vào khí quyển Trái đất. Nhiệt độ của tầng
này tăng rất nhanh đến khoảng 1700°C.
Khái niệm Tầng ion được dùng để chỉ phần khí quyển ở độ cao từ 50 km trở lên, trong
vùng này không khí có chứa nhiều ion. Sự có mặt của các ion trong vùng này đã được biết
đến từ năm 1901, khi người ta phát hiện ra hiện tượng phản xạ sóng radio của lớp khí quyển
tầng cao.
Giới hạn trên của khí quyển và đoạn chuyển tiếp vào vũ trụ rất khó xác định, cho tới
nay, người ta mới ước đoán khoảng 500 − 1000 km.
2.2. Sự hình thành và thành phần của khí quyển
2.2.1. Sự hình thành khí quyển
Có nhiều giả thuyết khác nhau về sự hình thành của khí quyển. Giả thuyết được nhiều
nhà khoa học chấp nhận nhất cho rằng, khí quyển lúc sơ khai có thành phần rất khác với thành
phần của khí quyển hiện nay và hoạt động của vi sinh vật là nguyên nhân chính gây ra sự biến
đổi này. Sự hình thành khí quyển gắn liền với sự hình thành và phát triển của sự sống trên
Trái Đất.
- 19
Hơn một tỷ năm trước đây, núi lửa đã phun CO2, NH3 và hơi nước vào khí quyển. Các
chất này được tạo thành từ CH4 và các khí khác có trong lòng đất. Sau đó, dưới tác dụng của
tia tử ngoại, sấm chớp, tia phóng xạ, các chất ban đầu trong khí quyển phản ứng với nhau tạo
thành các amino axit và đường. Các dạng sống đầu tiên bắt đầu xuất hiện và phát triển trong
đại dương. Các dạng sống sử dụng năng lượng từ quá trình lên men chất hữu cơ, quá trình
quang hợp và cuối cùng là quá trình hô hấp.
Người ta cho rằng, có thể trong khí quyển ở thời kỳ đầu cũng đã có sẵn một ít oxy để
duy trì sự sống của các dạng sống sơ khai. Lượng oxy này có thể đã được tạo thành từ phản
ứng phân tích hơi nước dưới tác dụng của sấm chớp hoặc bức xạ Mặt trời ở phần trên của khí
quyển. Nhưng chính các loài thực vật mới là nguồn sản xuất oxy chủ yếu cho khí quyển,
thông qua phản ứng quang hợp.
CO2 + H2O + hν → {CH2O} + O2↑
Khi lượng O2 trong khí quyển gia tăng, nhiều loại thực vật phức tạp bắt đầu phát triển
mạnh. Song song với quá trình phát triển của thực vật, các loài động vật tiêu thụ O2 cũng tăng,
do đó tạo ra sự cân bằng oxy trong khí quyển.
Thành phần của khí quyển ở kỷ Cambri (khoảng 500 triệu năm trước đây) gần như
tương tự với thành phần khí quyển hiện nay. Tuy vậy, thành phần của khí quyển ngày nay
đang bị thay đổi. Các chất khí dễ bị biến đổi của khí quyển luôn bị đất, đá và các sinh vật hấp
thụ hoặc thất thoát ra khoảng không vũ trụ.
Chu kỳ đổi mới lượng CO2 trong khí quyển là từ 4 đến 8 năm, 3000 năm đối với O2 và
100 triệu năm với N2. Chu kỳ tiêu thụ và tái tạo các chất khí trong khí quyển thể hiện một cân
bằng liên quan đến đất, không khí, động và thực vật.
Lúc đầu, oxy có thể là chất khí độc hại cho các dạng sinh vật sơ khai. Tuy nhiên, lúc
này, một lượng lớn O2 đã đuợc Fe(II) hấp thụ để tạo thành Fe2O3:
4Fe2+ + O2 +4H2O → 2Fe2O3 + 8H+
Quá trình này tạo thành một lượng lớn Fe2O3 sa lắng và là bằng chứng cho sự tạo
thành của O2 tự do trong khí quyển thời kỳ đầu.
Về sau, khi có hệ enzim phát triển, nhiều vi sinh vật có thể sử dụng O2 để oxy hóa các
chất hữu cơ có trong đại dương.
O2 tích lũy dần trong khí quyển dẫn đến sự hình thành lớp ozon ở tầng bình lưu. Tầng
ozon đóng vai trò một lớp áo giáp bảo vệ cho sinh vật trên mặt đất khỏi bị bức xạ tử ngoại gây
tác hại. Cuối cùng, Trái đất trở thành một môi trường sống thân thiện hơn, sinh vật bắt đầu
chuyển từ cuộc sống dưới nước trong đại dương sang cuộc sống trên cạn ở mặt đất
2.2.2. Thành phần của khí quyển
Nitơ, oxy và cacbon dioxit là 3 nhân tố sinh thái quan trọng của khí quyển.
Nitơ là chất khí khá trơ về mặt hóa học, nó hầu như không tham gia các phản ứng hóa
học ở điều kiện thường. Ở nhiệt độ cao hoặc trong tia lửa điện, nitơ tác dụng với O2 tạo thành
NO, tác dụng với H2 tạo thành NH3. Một số vi sinh vật trong tự nhiên có thể vượt qua được
hàng rào năng lượng cao để phá vỡ liên kết bền vững trong phân tử nitơ, tạo thành các hợp
chất của nitơ, cung cấp chất dinh dưỡng cho nhu cầu phát triển của thực vật trong tự nhiên.
Oxy là chất khí quan trọng trong khí quyển đối với động vật trên cạn cũng như với
động vật dưới nước. Oxy là chất khí có hoạt tính hóa học cao, vì vậy, trong khí quyển, oxy
tham gia vào nhiều phản ứng, tạo thành nhiều sản phẩm khác nhau. Nồng độ oxy trong khí
quyển nguyên thủy rất thấp, sau đó tăng dần qua các kỷ nguyên địa chất, chủ yếu do quá trình
quang hợp. Do sự điều chỉnh tự nhiên mà nồng độ oxy trong khí quyển hiện nay hầu như luôn
được giữ ổn định ở khoảng 21%.
nguon tai.lieu . vn
