Bài giảng Hóa học môi trường

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA MÔI TRƯỜNG - BỘ MÔN HÓA HỌC BÀI GIẢNG HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI - 2009 2 LỜI NÓI ĐẦU Loài người sinh tồn và phát triển trong mối quan hệ mật thiết với các yếu tố môi trường sau: - các thành tố sinh thái tự nhiên (đất, nước, khí quyển, thiên tai...). - các thành tố sinh thái nhân tạo (đô thị hóa, các thành tựu khoa học kỹ thuật trong đời sống...). - các thành tố sinh thái xã hội nhân văn (khai thác tài nguyên, tác động của công nghiệp hóa, hiện đại hóa; bùng nổ dân số...). Từ thập niên 80, thế kỷ 20 trở lại đây, đã chứng kiến hàng loạt thảm họa về môi trường Trái đất (thảm họa thiên tai; sự cố hạt nhân, ô nhiễm không khí, mưa axit, suy thoái quỹ đất; cạn kiệt nguồn nhiên liệu; lan tràn hóa chất bảo vệ thực vật, ô nhiễm nguồn nước; thủng tầng ozon, hiện tượng ấm lên toàn cầu...). Điều này đã dẫn đến tích lũy trong môi trường các yếu tố vật lý, hóa học, sinh học... vượt quá giới hạn cho phép, trở nên độc hại với con người. Bởi vậy, bảo vệ môi trường trở nên là vấn đề cấp thiết, vấn đề toàn cầu để loài người có thể sinh tồn và phát triển bền vững trên Trái đất. Chúng ta cần nghiên cứu và thực hiện các biện pháp bảo vệ môi trường, xử lý các suy thoái môi trường để đảm bảo sự sinh tồn và phát triển bền vững của loài người. Công việc to lớn đó đòi hỏi sự phối hợp, góp sức của nhiều ngành khoa học, trong đó có ngành hóa học. Hóa học môi trường là môn học nghiên cứu các quá trình hóa học xảy ra trong môi trường. Cụ thể là nghiên cứu sâu về các hiện tượng hóa học xảy ra trong môi trường khí quyển, thủy quyển, đất... giúp hiểu biết về bản chất các nguồn gây ô nhiễm, các phản ứng hóa học, sự lan truyền, hiệu ứng và sự tồn tại của các chất hóa học trong không khí, nước, đất; tác hại của chúng với đời sống của con người; một số biện pháp bảo vệ môi trường khí quyển, nước, đất... 3 Đây là bài giảng Hóa học môi trường được biên soạn đầu tiên để phục vụ công tác giảng dạy cho sinh viên khoa Môi trường, trường Đại học Thủy Lợi. Trong quá trình biên soạn, chúng tôi đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới nhất của thế giới về vấn đề hóa học môi trường, nhưng chắc chắn không trách thiếu sót; rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các bạn đọc để nâng cao chất lượng của bài giảng. 4 MỤC LỤC BÀI GIẢNG ................................................................................................... 1 LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................... 2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................. 8 CHƯƠNG 1. HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG KHÍ QUYỂN ....................... 10 1.1. SỰ HÌNH THÀNH KHÍ QUYỂN....................................................................... 10 1.2. CẤU TRÚC CỦA KHÍ QUYỂN......................................................................... 12 1.2.1. Mật độ và áp suất không khí........................................................................ 12 1.2.1.1. Mật độ không khí ..................................................................................... 12 1.2.1.2. Áp suất không khí..................................................................................... 12 1.2.2. Cấu trúc khí quyển theo biến thiên nhiệt độ .............................................. 14 1.2.1.1. Tầng đối lưu ............................................................................................. 14 1.2.1.2. Tầng bình lưu ........................................................................................... 15 1.2.1.3. Tầng trung lưu ......................................................................................... 16 1.2.1.4. Tầng nhiệt lưu .......................................................................................... 16 1.2.1.5. Tầng điện li .............................................................................................. 16 1.3. THÀNH PHẦN CỦA KHÍ QUYỂN................................................................... 18 1.4. CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC CHỦ YẾU TRONG KHÍ QUYỂN ................. 21 1.4.1. Phản ứng quang hóa ..................................................................................... 22 1.4.2. Phản ứng của oxi trong khí quyển............................................................... 23 1.4.2.1. Tiêu thụ oxi .............................................................................................. 23 1.4.2.2. Tái tạo oxi ................................................................................................ 23 1.4.3. Phản ứng của các hợp chất N trong khí quyển .......................................... 24 1.4.4. Phản ứng của các hợp chất S trong khí quyển ........................................... 26 a. Phản ứng quang hóa ......................................................................................... 26 b. Phản ứng với một số gốc hóa học..................................................................... 26 c. SO2 phản ứng với NH3 trong khí quyển............................................................. 27 d. Phản ứng tạo thành H2SO4 ............................................................................... 27 e. Các phản ứng trong khí quyển của H2S ............................................................ 27 1.4.5. Phản ứng của các hợp chất C trong khí quyển .......................................... 27 a. Các oxit của C................................................................................................... 27 b. Phản ứng với ankan .......................................................................................... 27 c. Phản ứng với anken........................................................................................... 28 d. Phản ứng với aren............................................................................................. 28 1.4.6. Phản ứng của các gốc tự do trong khí quyển ............................................. 28 a. Gốc hydroxil (HO•) và hydroperoxi (HOO•)..................................................... 29 b. Một số gốc tự do khác ....................................................................................... 30 1.4.7. Phản ứng axit bazơ ....................................................................................... 31 1.5. Ô NHIỄM KHÍ QUYỂN ..................................................................................... 31 1.5.1. Các nguồn ô nhiễm khí quyển...................................................................... 31 5 1.5.2. Các chất ô nhiễm khí quyển điển hình........................................................ 32 1.5.2.1. Các oxit của lưu huỳnh ............................................................................ 32 1.5.2.2. Các oxit của nitơ ...................................................................................... 33 1.5.2.3. Các oxit của cacbon................................................................................. 34 1.5.2.4. Các hydrocacbon ..................................................................................... 35 1.5.2.5. Bụi ............................................................................................................ 37 1.5.3. Tác động của ô nhiễm khí quyển ở qui mô toàn cầu ................................. 40 1.5.3.1. Hiệu ứng nhà kính.................................................................................... 40 1.5.3.2. Biến đổi tầng ozon ................................................................................... 43 1.5.3.3. Mưa axit ................................................................................................... 49 1.5.4. Ô nhiễm đô thị ............................................................................................... 52 1.5.4.1. Sương khói kiểu London .......................................................................... 52 1.5.4.2. Sương khói quang hóa ............................................................................. 54 1.5.4.3. Chỉ số ô nhiễm (Pollution Index) ............................................................. 56 1.5.5. Ô nhiễm trong nhà ........................................................................................ 59 1.5.5.1. Nguồn và đặc điểm chất ô nhiễm trong nhà ............................................ 60 1.5.5.2. Một số nguồn ô nhiễm trong nhà ............................................................. 61 1.5.5.3. Một số biện pháp giảm thiểu không khí trong nhà .................................. 63 1.5.6. Tiêu chuẩn chất lượng môi trường không khí ........................................... 63 1.5.7. Một số biện pháp bảo vệ môi trường không khí ........................................ 64 a. Quản lý và áp dụng các công cụ pháp lý .......................................................... 64 b. Thực hiện định kỳ kiểm toán nguồn thải ........................................................... 65 c. Áp dụng các công cụ kinh tế quản lý tài nguyên không khí .............................. 65 d. Sử dụng các nguồn nhiên liệu và năng lượng thân thiện với môi trường......... 66 CHƯƠNG 2. MÔI TRƯỜNG THỦY QUYỂN........................................ 68 2.1. TÀI NGUYÊN NƯỚC VÀ VÒNG TUẦN HOÀN CỦA NƯỚC ..................... 69 2.1.1. Phân bố tài nguyên nước trên Trái Đất ...................................................... 69 2.1.2.Vòng tuần hoàn của nước.............................................................................. 70 2.1.3. Đặc điểm của nước ........................................................................................ 71 2.2. THÀNH PHẦN CỦA NƯỚC TỰ NHIÊN ......................................................... 72 2.2.1. Thành phần hóa học của nước tự nhiên ..................................................... 73 2.2.1.1. Đặc điểm chung ....................................................................................... 73 2.2.1.2. Các ion chủ yếu........................................................................................ 74 2.2.1.3. Các khí hòa tan ........................................................................................ 75 2.2.2. Thành phần sinh học của nước thiên nhiên................................................ 77 2.2.2.1. Tảo ........................................................................................................... 77 2.2.2.2. Nấm .......................................................................................................... 78 2.2.2.3. Động vật đơn bào..................................................................................... 79 2.2.2.4. Vi khuẩn và virút ...................................................................................... 79 2.3. CÁC PHẢN ỨNG CHỦ YẾU TRONG THỦY QUYỂN ................................. 80 2.3.1. Phản ứng tạo phức ........................................................................................ 80 2.3.2. Phản ứng hòa tan và kết tủa ........................................................................ 81 2.3.3. Phản ứng oxy hóa khử .................................................................................. 82 2.3.4. Phản ứng hóa học có xúc tác vi sinh............................................................ 82 2.3.4.1. Phản ứng chuyển hóa cacbon .................................................................. 82 2.3.4.2. Phản ứng chuyển hóa nitơ ....................................................................... 83 6 2.3.4.3. Phản ứng chuyển hóa lưu huỳnh.............................................................. 84 2.3.4.4. Phản ứng chuyển hóa photpho ................................................................ 85 2.3.4.5. Phản ứng chuyển hóa một số kim loại ..................................................... 86 2.4. Ô NHIỄM NƯỚC ................................................................................................ 87 2.4.1. Nguồn thải các chất gây ô nhiễm nước ....................................................... 87 2.4.1.1. Nguồn ô nhiễm tự nhiên ........................................................................... 88 2.4.1.2. Nguồn ô nhiễm nhân tạo .......................................................................... 88 2.4.2. Các chất gây ô nhiễm nước điển hình ......................................................... 92 2.4.2.1. Các hợp chất và ion của N, P .................................................................. 92 2.4.2.2. Các kim loại nặng .................................................................................... 93 2.4.2.3. Các chất hữu cơ ....................................................................................... 94 2.4.2.4. Dầu mỡ..................................................................................................... 95 2.4.2.5. Các chất tạo màu ..................................................................................... 95 2.4.2.6. Các vi sinh vật gây bệnh .......................................................................... 95 2.4.3. Ô nhiễm biển ................................................................................................. 95 2.4.3.1. Nguồn ô nhiễm ......................................................................................... 95 2.4.3.2. Ô nhiễm biển do tràn dầu ........................................................................ 96 Protofoa........................................................................................................ 98 96................................................................................................................... 98 1,70................................................................................................................ 98 Ctenophora .................................................................................................. 98 24................................................................................................................... 98 0,60................................................................................................................ 98 Pteropoda..................................................................................................... 98 48................................................................................................................... 98 0,20................................................................................................................ 98 Amphipoda .................................................................................................. 98 48................................................................................................................... 98 0,80................................................................................................................ 98 96................................................................................................................... 98 0,05-0,20 ....................................................................................................... 98 96................................................................................................................... 98 0,90-4,90 ....................................................................................................... 98 2.4.3.3. Bảo vệ môi trường biển............................................................................ 98 2.4.3.4. Các vấn đề bảo vệ môi trường biển của Việt Nam .................................. 99 2.4.4. Ô nhiễm sông, hồ......................................................................................... 100 2.4.4.1. Nguyên nhân ô nhiễm............................................................................. 100 2.4.4.2. Vài nét về ô nhiễm sông tại Việt Nam .................................................... 101 2.4.5. Ô nhiễm nước ngầm.................................................................................... 103 2.4.5.1. Các khả năng và nguyên nhân ô nhiễm ................................................. 103 2.4.5.2. Vài nét về ô nhiễm nước ngầm tại Việt Nam.......................................... 105 2.4.7. Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng môi trường nước .................................. 108 2.4.7.1. Các thông số đánh giá chất lượng môi trường nước ............................. 108 2.4.7.2. Các tiêu chuẩn đối với môi trường nước ............................................... 109 7 2.4.8. Một số biện pháp bảo vệ môi trường nước ............................................... 114 2.4.8.1. Bảo vệ môi trường nước mặt ................................................................. 114 2.4.8.2. Các biện pháp quản lí nước ngầm ......................................................... 115 CHƯƠNG 3. HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG ĐẤT.................................... 117 3.1. KHÁI NIỆM VÀ THÀNH PHẦN CỦA ĐẤT ................................................. 118 3.1.1. Khái niệm về đất ......................................................................................... 118 3.1.2. Phong hóa và quá trình tạo thành đất ...................................................... 119 a) Phong hóa lí học (cơ học).......................................................................... 121 b) Phong hóa hóa học .................................................................................... 121 c) Phong hóa sinh học ................................................................................... 123 3.1.3. Thành phần hóa học của đất...................................................................... 123 3.1.3.1 . Nước và khí trong đất ....................................................................... 127 3.1.3.2. Thành phần vô cơ................................................................................... 129 3.1.3.3. Thành phần hữu cơ ................................................................................ 137 3.2. PHẢN ỨNG HÓA HỌC TRONG ĐẤT........................................................... 140 3.2.1. Phản ứng tạo thành axit vô cơ trong đất .................................................. 140 3.2.2. Phản ứng điều chỉnh độ pH của đất .......................................................... 141 3.2.3. Phản ứng trao đổi ion trong đất ................................................................ 142 3.3. SỰ XÓI MÒN VÀ THOÁI HÓA ĐẤT ............................................................ 144 3.3.1. Xói mòn đất ................................................................................................. 145 3.3.2. Axit hóa môi trường đất ............................................................................. 146 3.3.3. Sa mạc hóa ................................................................................................... 149 3.4. Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT...................................................................... 150 3.4.1. Khái quát chung .......................................................................................... 150 3.4.2. Các loại hình ô nhiễm đất........................................................................... 153 3.4.2.1. Ô nhiễm đất do tác nhân hoá học .......................................................... 153 3.4.2.2. Ô nhiễm đất do tác nhân vật lí............................................................... 162 3.4.2.3. Ô nhiễm đất do tác nhân sinh học ......................................................... 164 3.4.3. Các thông số cơ bản và tiêu chuẩn đánh giá chất lượng đất................... 165 3.4.4. Một số biện pháp bảo vệ môi trường đất .................................................. 169 CHƯƠNG 4. CÁC VÒNG TUẦN HOÀN TRONG TỰ NHIÊN ........ 172 4.1. VÒNG TUẦN HOÀN CACBON ...................................................................... 175 4.2.