Nguyên cứu mưa axit

LỜI MỞ ĐẦU Trong khoảng hơn 30 năm trở lại đây, ô nhiễm không khí đã và đang trở thành vấn đề cấp bách đòi hỏi phải quan tâm giải quyết không chỉ đối với các nước công nghiệp phát triển, mà còn đối với các nước đang phát triển như Việt Nam. Như chúng ta đều biết, nước mưa khi rơi xuống sẽ quét phần không khí mà nó đi qua và do đó nước mưa sẽ chứa đựng không những các chất hoá học trong mây mà còn kéo theo các chất ô nhiễm có sẵn trong không khí. Do vậy biến đổi hoá học nước mưa theo không gian và thời gian giúp chúng ta mô tả về hoá học khí hậu không những cho một vùng mà cho cả một lãnh thổ. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hoá học khí hậu: phát thải các chất ô nhiễm vào không khí, các chất đó được trộn lẫn, được khuếch tán lại chỗ hay di chuyển, hay biến đổi hoá học như thế nào trong không khí, và cuối cùng chúng ở trạng thái nào trong nước mưa. Như vậy, toàn bộ quá trình từ phát thải đến rơi xuống mặt đất nếu có thể kiểm soát được chúng ta sẽ có những bức tranh tương đối toàn diện về ô nhiễm không khí mà trong đó hoá học nước mưa đóng góp một phần quan trọng. Một trong những hậu quả nghiệm trong của ô nhiễm không khí là mưa axit. Mưa axit đã gây tác hại nặng nề cho môi trường, hệ sinh thái và con người. Mưa axit được phát hiện lần đầu tiên ở nước Anh vào cuối thế kỷ XIX, sau đó ở Bắc Mỹ, châu Âu và nhiều nơi khác trên thế giới. Hiện nay việc nghiên cứu, đặc biệt là monitoring mưa axit ở nhiều nước trên thế giới đã trở nên rất bài bản và quy củ. Nhiều nước đã có luật liên quan đến phát thải khí gây mưa axit như nước Mỹ nhiều nước và đang triển khai các mạng lưới nhằm tìm hiểu và đánh giá mức độ tham gia của các chất ô nhiễm không khí đến lưu vực (chất lượng nước) và sinh thái như ở các nước trong Liên minh châu Âu. Việt Nam, mặc dù công nghiệp và đô thị chưa ở mức cao trên thế giới và khu vực, nhưng lại có tiềm năng mưa axit cao đó là do mức tăng trưởng mạnh về kinh tế và mặt khác nước ta có đường biên giới đất liền và biển rất lớn. Số liệu hoá học nước mưa những năm gần đây cho thấy đã có dấu hiệu của mưa axit ở một số nơi. CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MƯA AXIT MƯA AXIT LÀ GÌ? Mưa axit là hiện tượng mưa mà nước mưa có độ pH dưới 5,6. Đây là hậu quả của quá trình phát triển sản xuất con người tiêu thụ nhiều than đá, dầu mỏ và các nhiên liệu tự nhiên khác. Mưa axit là do sự kết hợp của các oxit phi kim và nước. Nước có sẵn trong tự nhiên, các oxit được thải ra từ hoạt động của con người, đặc biệt là việc sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch. Và điều đó dẫn đến kết quả là những cơn mưa chứa đầy chất axit. 1.2 NGUYÊN NHÂN GÂY MƯA AXIT Nguyên nhân chủ yếu là các loại oxit nitơ (N2O, N2O3, N2O4…) và oxit lưu huỳnh (SO, SO2, SO3). Những loại oxit này tạo nên những loại axit mạnh nhất là axit nitric (HNO3), và axit sulfuric (H2SO4). Ngoài ra còn một số nguyên nhân dẫn đến hiện tượng mưa axit trong tự nhiên như những vụ phun trào của núi lửa, hay các đám cháy… Tuy nhiên nguyên nhân chủ yếu vẫn bắt nguồn các hoạt động của con người, đặc biệt chính là sự lạm dụng các nhiên liệu hóa thạch đã khiến những cơn mưa chứa đầy chất axit bởi do các hoạt động như: các phương tiện giao thông, các nhà máy nhiệt điện dùng than,  các thiết bị công nghiệp, khai khoáng đều tạo ra một lượng lớn các khí SOX và NOX. Chỉ trong năm 1977, nước Mĩ đã thải vào bầu khí quyển 31 triệu tấn oxit sulfur và 22 triệu tấn oxit nitơ. Trong đó, 80% oxit sulfur là do hoạt động của các thiết bị tạo năng lượng, 15% là do hoạt động đốt cháy của các ngành công nghiệp khác nhau, và 5% từ các nguồn khác. Còn đối với oxit nito, 1/3 là do hoạt động của các máy phát năng lượng, 1/3 khác là do hoạt động đốt nhiên liệu để chuyển hóa thành năng lượng và phần còn lại cũng do các nguồn khác nhau. Hình 1. Các hoạt động gây ra mưa axit như: khí thải công nghiệp, xe cộ, cháy rừng và phun trào của núi lửa… CHƯƠNG II. QUÁ TRÌNH TẠO THÀNH MƯA AXIT Hình 2. Sơ đồ tạo mưa axit Hình 3. Sơ đồ hình thành mưa axit Trong thành phần các chất đốt tự nhiên như than đá và dầu mỏ có chứa một lượng lớn lưu huỳnh, còn trong không khí lại chứa nhiều nitơ. Quá trình đốt sản sinh ra các khí độc hại như :lưu huỳnh đioxit (SO2) và nitơ đioxit (NO2). Các khí này hòa tan với hơi nước trong không khí tạo thành các axit sunfuric (H2SO4) và axit nitric (HNO3). Khi trời mưa, các hạt axit này tan lẫn vào nước mưa, làm độ pH của nước mưa giảm. Nếu nước mưa có độ pH dưới 5,6 được gọi là mưa axit. Do có độ chua khá lớn, nước mưa có thể hoà tan được một số bụi kim loại và ôxit kim loại có trong không khí như ôxit chì,... làm cho nước mưa trở nên độc hơn nữa đối với cây cối, vật nuôi và con người. Hình 4. Sơ đồ diễn biến mưa axit Quá trình này diễn ra theo các phản ứng hoá học sau đây: Lưu huỳnh: S + O2 → SO2 Quá trình đốt cháy lưu huỳnh trong khí oxi sẽ sinh ra lưu huỳnh đioxit. SO2 + OH· → HOSO2· Phản ứng hoá hợp giữa lưu huỳnh đioxit và các hợp chất gốc hiđroxyl. HOSO2· + O2 → HO2· + SO3 Phản ứng giữa hợp chất gốc HOSO2· và O2 sẽ cho ra hợp chất gốc HO2· và SO3 (lưu huỳnh trioxit). SO3(k) + H2O(l) → H2SO4(l) Lưu huỳnh trioxit SO3 sẽ phản ứng với nước và tạo ra axit sulfuric H2SO4. Đây chính là thành phần chủ yếu của mưa axit. Nitơ: N2 + O2 → 2NO 2NO + O2 → 2NO2 3NO2(k) + H2O(l) → 2HNO3(l) + NO(k) Axit nitric HNO3 chính là thành phần của mưa axit. CHƯƠNG III. TÌNH HÌNH MƯA AXIT Ở VIỆT NAM 3.1. MƯA AXIT Ở VIỆT NAM Trong cả nước, mưa axit chiếm tới 30-50% số lần mưa. Những nơi có tần suất cao lên tới 50%, điển hình như Việt Trì, Tây Ninh và Huế. Tính riêng khu vực Hà Nội, tần suất xuất hiện mưa axit là 11%. Theo số liệu quan trắc, Hà Nội và TP.HCM có tần suất mưa axit thấp hơn các vùng khác. Mặc dù vậy, trong đề tài “Đánh giá hiện trạng mưa axit ở Việt Nam” của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường, ở các thành phố công nghiệp lớn như Hà Nội, Hải Phòng, Đà Nẵng, TP.HCM, lượng mưa axit luôn cao hơn gấp 2 tới 3 lần so với các khu vực có giá trị sinh thái cao như Cúc Phương, Nha Trang, Cà Mau... Hà Nội và các thành phố lớn là nơi lưu giữ khá nhiều di tích lịch sử, các công trình kiến trúc… có giá trị quan trọng của cả nước. Do vậy, việc bảo tồn và giữ gìn các công trình này khỏi ảnh hưởng của thiên nhiên là cả bài toán lớn. Ông Dương Hồng Sơn - Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Môi trường (Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường) khẳng định: “Còn nhiều công trình và hiện vật lịch sử đặt ngoài trời nên ảnh hưởng của mưa axit tới các công trình này là không tránh khỏi. Nhưng để đo được mức ảnh hưởng, mức thiệt hại ra sao thì rất khó”. Tuy nhiên, đây là vấn đề còn rất ít được nghiên cứu. Theo ông Dương Hồng Sơn: “Việc nghiên cứu những ảnh hưởng của mưa axit chưa được tiến hành không hẳn do thiếu kinh phí hay thiếu nhân tố con người. Mà thực tế cho thấy, ảnh hưởng của mưa axit chưa được nhìn nhận sâu sắc. Khi nói về ô nhiễm không khí, hiện tại người ta chỉ quan tâm tới bụi. Còn đối với các nhà hoạch định chính sách trên thế giới hiện nay, vấn đề nổi bật và được ưu tiên hơn hết là ô nhiễm nước nên số 1 chưa phải là ô nhiễm không khí”. Ông Sơn khẳng định: “Mưa axit gây tác hại lớn cho con người, vật nuôi, cây trồng cũng như các cơ sở hạ tầng và các công trình kiến trúc. Tuy nhiên, những nghiên cứu về những ảnh hưởng của mưa axit hầu như chưa có và còn khá mới mẻ ở Việt Nam”. Ông Sơn cho rằng: “ Mưa axit xảy ra ở ngoài trời, trong nước mưa có lẫn axit nên việc tách bạch rõ ràng thiệt hại nào do mưa, ảnh hưởng nào do axit, ảnh hưởng nào do yếu tố khác gần như không làm được. Chỉ có thể kiểm định được nồng độ, tần suất của mưa axit cũng như số liệu quan trắc thông qua thí nghiệm trong phòng với mẫu nước mưa”. “Việc thuyết phục các nhà hoạch định chính sách trong Mạng lưới Giám sát Lắng đọng Axit Đông Á (EANET) thống kê về tỷ lệ gây hại do mưa axit cũng không đơn giản. Bởi hiện tại, chưa có bất cứ đề tài nào nghiên cứu về tác động của mưa axit, ngay cả những nước tiên tiến cũng rất hiếm. Ở Việt Nam hầu như là chưa có đề tài nào. Duy nhất, vào năm 2005, có nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của mưa axit lên rau cải và tôm sú của ThS. Nguyễn Thị Kim Lan (Phân viện Khí tượng Thủy văn và Môi trường phía Nam)”. Nhận định về tính chất của mưa axit, ông Dương Hồng Sơn cho rằng: “Mưa axit là do ô nhiễm không khí, mà ô nhiễm không khí thì không có biên giới. Cho nên ô nhiễm xảy ra ở các quốc gia khác nhưng cũng có thể ảnh hưởng sang tận Việt Nam. Trong một đề tài nghiên cứu gần đây, tôi thấy rằng, có tới 30-50% lượng lưu huỳnh lắng đọng – chất gây ô nhiễm không khí và tạo mưa axit tại miền Bắc Việt Nam có xuất xứ từ các quốc gia lân cận. Bởi thế, ô nhiễm không khí nói chung và mưa axit nói riêng đều mang tính xuyên quốc gia". Một kết luận gây bất ngờ của Viện Khoa học Khí tượng và Thủy văn nói rằng, tần suất mưa axit tại các khu công nghiệp hay đô thị lớn chưa chắc đã lớn hơn. Lắng đọng axit mang tính lan truyền và phụ thuộc vào các phản ứng hóa học trong khí quyển nên cả khu đó và khu lân cận đều hứng chịu. Hiện tại, Việt Nam có trên 20 trạm quan sát nhưng hoạt động theo 3 quy trình khác nhau. Trong đó, Hà Nội có một trạm Khí tượng do hai đơn vị cùng giám sát về mưa axit. Trung tâm Khí tượng Thủy văn quốc gia quan trắc về nước mưa hóa nói chung còn Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường tập trung nghiên cứu lắng đọng axit (lắng đọng ướt hay còn gọi là mưa axit và lắng đọng khô). Theo nguồn tin từ Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường cho biết, EANET đồng ý cho Việt Nam đặt thêm 2 trạm Khí tượng giám sát mưa axit tại Đà Nẵng và TP.HCM trong thời gian tới. 3.2. MƯA AXIT Ở THÀNH PHỐ CẦN THƠ Tại khu vực thành phố Cần Thơ, tần suất xuất hiện mưa axit trung bình trong mười năm đã lên đến 58%, cao nhất trong bốn khu vực tiến hành nghiên cứu về loại mưa nguy hiểm này tại Nam bộ. Hay nói cách khác, cứ 100 cơn mưa đổ xuống khu vực Cần Thơ thì có 58 cơn mưa được gọi là mưa axit (độ pH trong nước mưa nhỏ hơn 5,6, độ pH càng nhỏ thì mưa axit càng nặng). Kết quả nghiên cứu này được thực hiện liên tục trong giai đoạn 1996 - 2005, do Thạc sĩ Nguyễn Thị Kim Lan - Phân viện Khí tượng thủy văn và môi trường phía Nam (Viện Khoa học khí tượng thủy văn và môi trường) - thực hiện. Được xếp thứ hai, tần suất xuất hiện mưa axit ở Tây Ninh trung bình trong mười năm cũng ở con số 57,9%, thấp hơn khu vực Cần Thơ chẳng bao nhiêu. Trong khi đó, khu vực TP.HCM và Cà Mau tần suất xuất hiện mưa axit lần lượt là 41,2% và 39,8%. Thạc sĩ Nguyễn Thị Kim Lan cho biết mưa axit xảy ra tại khu vực Nam bộ thường tập trung vào cuối mùa mưa (tháng chín, mười) và tháng chuyển tiếp từ mùa mưa sang mùa khô (tháng mười một). Kết quả phân tích nước mưa cho thấy tháng mười hằng năm là thời điểm mưa axit xuất hiện với tần suất cao nhất. Hai hợp chất axit sunfuric (H2SO4) và axit nitric (HNO3) được giới chuyên môn xem là “thủ phạm” gây mưa axit. Còn nguồn gốc của hai hợp chất này có liên quan mật thiết đến khí dioxit sunfua (SO2) và các oxit nitơ (NOX) trong khí quyển. Trong khi đó, SO2 và NOX chính là những chất gây ô nhiễm không khí, xuất phát từ hoạt động công nghiệp, giao thông..., hay nói cách khác đây là những sản phẩm ô nhiễm sinh ra do quá trình đốt cháy không triệt để các loại nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ... Kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lượng sunphat (SO42-) và nitrat (NO3-) tại khu vực TP.HCM khá cao, trong khi tần suất xuất hiện mưa axit trung bình trong mười năm tại khu vực này chỉ 41,1%, so với 58% tại Cần Thơ và 57,9% tại Tây Ninh. Thạc sĩ Nguyễn Thị Kim Lan nhận định rằng hai thành phần canxi (Ca2+) có nhiều trong thành phần bụi và amoni (NH4+) chủ yếu từ hoạt động nông nghiệp, đã trung hòa tính axit trong nước mưa. Có lẽ hai thành phần trung hòa tính axit này có ở khu vực TP.HCM khá cao nên giúp giảm mưa axit so với một số nơi khác trong khu vực Nam bộ. Đây là điều may mắn cho TP.HCM nhưng cũng cho thấy khu vực này ô nhiễm bụi là nghiêm trọng. Thạc sĩ Nguyễn Thị Kim Lan cho biết kết quả thực nghiệm đã cho phép kết luận trường hợp người nuôi tôm không quản lý được nguồn nước vào mùa mưa, tôm thường bị sốc và chết khi có mưa lớn, đặc biệt là trong những tháng có mưa axit lớn. Tuy nhiên, “tác động có hại của mưa axit chỉ thể hiện rõ rệt ở các ao đầm nuôi quảng canh và quảng canh cải tiến” - bà Lan nhận định. Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy ứng với nước ao có độ mặn 6 phần nghìn và pH 7,2 thì lô tôm thí nghiệm chết 50% sau 72 giờ khi pH trong nước giảm 0,27-0,58 đơn vị. Tương tự, từ kết quả thực nghiệm, mưa axit có thể làm giảm 20-69% năng suất rau trồng trên hiện trường... Giải pháp nào cho vấn đề mưa axit, theo bà Lan, “trước mắt nên kiểm soát chặt chẽ và khống chế hiệu quả nguồn ô nhiễm không khí vì đây là nguồn gốc gây mưa axit”. CHƯƠNG IV. ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA AXIT 4.1. TÁC HẠI CỦA MƯA AXIT Mưa axit do các hoá chất nhiễm bẩn tạo thành, phổ biến là SO2 và NO2, khi chúng thâm nhập vào cơ thể qua các đường khác nhau đều gây tác hại cho người, nhất là với hệ hô hấp. Nếu hít vào cơ thể lượng SO2 nồng độ cao sẽ bị phù thanh quản, viêm phế quản... Khi những cơn mưa trở thành mưa độc, axit sẽ biến nước ao, hồ thành axit loãng, làm cho cá và các sinh vật bị chết. Độ chua trong mưa axit lớn, lại hòa tan được một số bụi kim loại và oxit kim loại có trong không khí như oxit chì... làm thành thứ nước cực kỳ độc hại đối với cây trồng, vật nuôi và con người; trực tiếp gây ra sự thay đổi về lá của cây, phá huỷ cây trồng, rừng, ô nhiễm sông hồ và hệ sinh thái, phá huỷ các công trình xây dựng, kiến trúc, cầu cống... Nông nghiệp bị ảnh hưởng nặng vì đất bị trung hòa, giảm độ màu mỡ. Rễ cây bị phá hoại, ức chế sự sinh trưởng và phát triển, làm giảm năng suất và sản lượng. Đặc biệt khi xảy ra hiện tượng mù hoặc mây, lượng axit còn cao gấp 10 lần nước mưa bình thường. - Mưa axit được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1872 tại Anh. Người ta đã thấy rằng mưa axit rất nguy hại đến môi trường sống, trong xây dựng, trong bảo tồn di tích lịch sử... - Mưa axit ảnh hưởng xấu tới các thuỷ vực (ao, hồ). Các dòng chảy do mưa axit đổ vào hồ, ao sẽ làm độ pH của hồ, ao giảm đi nhanh chóng, các sinh vật trong hồ, ao suy yếu hoặc chết hoàn toàn. - Mưa axit ảnh hưởng xấu tới đất do nước mưa ngầm xuống đất làm tăng độ chua của đất, hoà tan các nguyên tố trong đất cần thiết cho cây như canxi (Ca), magiê (Mg),... làm suy thoái đất, cây cối kém phát triển. - Mưa axit ảnh hưởng đến hệ thực vật trên trái đất, làm cho khả năng quang hợp của cây giảm, thay đổi về lá của cây, phá huỷ cây trồng, rừng, làm cho năng suất thấp. Nông nghiệp bị ảnh hưởng nặng vì đất bị trung hòa, giảm độ màu mỡ. Rễ cây bị phá hoại, ức chế sự sinh trưởng và phát triển, làm giảm năng suất và sản lượng. - Mưa axit còn phá huỷ các vật liệu làm bằng kim loại như sắt, đồng, kẽm,... làm giảm tuổi thọ các công trình xây dựng, làm lở loét bề mặt bằng đá của các công trình xây dựng, di tích lịch sử. Hình 5. Mưa axit tàn phá môi trường Hình 6. Mưa axit tàn phá kiến trúc, công trình 4.2. LỢI ÍCH CỦA MƯA AXIT Ngoài các  tác hại nêu trên, trong các nghiên cứu mới đây các nhà khoa học phát hiện thấy một số lợi ích đáng kể mà mưa axit đem đến. Các cơn mưa chứa axit sunphuaric làm giảm phát thải methane từ những đầm lầy, nơi sản sinh ra lượng lớn khí methane, khí gây nên hiệu ứng nhà kính, nhờ đó hạn chế hiện tượng trái đất nóng lên. Một cuộc điều tra toàn cầu mới đây đã cho thấy thành phần sunphua trong các cơn mưa này có thể ngăn cản trái đất ấm lên, bằng việc tác động vào quá trình sản xuất khí methane tự nhiên của vi khuẩn trong đầm lầy. Methane chiếm 22% trong các yếu tố gây ra hiệu ứng nhà kính. Và các vi khuẩn ở đầm lầy là thủ phạm sản xuất chính. Chúng tiêu thụ chất nền (gồm hydro và axetat) trong than bùn, rồi giải phóng methane vào khí quyển. Nhưng trong đầm lầy ngoài vi khuẩn sinh methane, còn có vi khuẩn ăn sunphua cạnh tranh thức ăn với chúng. Khi mưa axit đổ xuống, nhóm vi khuẩn này sẽ sử dụng sunphua, đồng thời tiêu thụ luôn phần chất nền đáng lý được dành cho vi khuẩn sinh methane. Do vậy, các vi khuẩn sinh methane bị "đói" và sản xuất ra ít khí nhà kính. Nhiều thí nghiệm cho thấy phần sunphua lắng đọng có thể làm giảm quá trình sinh methane tới 30%. CHƯƠNG V. CÁC GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC MƯA AXIT Cần tuân thủ nghiêm ngặt các quy định về phát thải nhằm hạn chế tối đa phát tán SOX và NOX vào khí quyển. Đổi mới công nghệ để giảm lượng khí thải SO2 từ các nhà máy nhiệt điện xuống còn 7,84 tỷ tấn năm 2020 bằng cách lắp đặt các thiết bị khử và hấp phụ SOX và NOX. Nâng cao chất lượng nhiên liệu hóa thạch bằng cách loại bỏ triệt để lưu huỳnh và nitơ có trong dầu mỏ và than đá trước khi sử dụng Đối với các phương tiện giao thông, tiến hành cải tiến các động cơ theo các tiêu chuẩn EURO để đốt hoàn toàn nhiên liệu, gắn hộp xúc tác để khử NOX (DeNOx) và SOX nhằm hạn chế đến mức thấp nhất lượng khí thải ra. Tìm kiếm và thay thế dần các nhiên liệu hóa thạch bằng các nhiên liệu sạch như hydro, sử dụng các loại năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bộ Tài nguyên và Môi trường. Báo cáo Môi trường Quốc gia, năm 2007. Môi trường không khí đô thị Việt Nam. 2. Phạm Ngọc Đăng. Các thách thức về ô nhiễm môi trường không khí ở nước ta. Tạp chí BVMT, số 8/2007. 3. Phạm Ngọc Đăng. Bàn về xã hội hóa phát triển cây xanh đô thị. Tạp chí BVMT, số 4/2009. 4. Phạm Ngọc Đăng. Các giải pháp phát triển giao thông đô thị bền vững - giao thông đô thị xanh ở nước ta. Tạp chí xây dựng và Quy hoạch, số 10/2010. 5. Trần Ngọc Chấn. Bộ Giáo dục và Đào tạo, Bộ Khoa học, Công nghệ và Môi trường, Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 11/1997. 6. Trần Thanh Minh. Chuyên mục Đời sống Khoa học tự nhiên. Theo vietnamnet.vn. 7. Việt Linh. Theo LiveScience, Vnexpress, số 12/ 2006. 8. Trần Ngọc Chấn, Bùi Sỹ Lý. Báo cáo khoa học tại Hội thảo khoa học toàn quốc lần thứ nhất về môi trường do Bộ Khoa học, Công nghệ và Môi trường tổ chức, 12–5–1998. 9. Nguyễn Xuân Hoàng, 2003. Giáo trình “Năng lượng tái tạo”. Trường Đại học Cần Thơ.