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

TIỂU LUẬN : CÁC CHẤT Ô NHIỄM CHÍNH PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ TÁC HẠI I.Khái quát chung: Ô nhiễm không khí là hậu quả từ các hoạt động của cuộc sống hiện đại như : sự gia tăng tiêu thụ năng lượng, sự phát triển của các ngành công nghiệp mũi nhọn : công nghiệp luyện kim, hóa học, giao thông đường bộ và hàng không, v.v. Ô nhiễm có nguồn gốc từ ba nguồn chính : nguồn gốc thiên nhiên (thực vật, đất), nguồn gốc cố định (sưởi ấm gia đình, sản xuất điện, công nghiệp), và giao thông. Thực vậy, ôtô và các phương tiện vận chuyển là một phần nguyên nhân trong tình trạng mô trường ô nhiễm như ngày nay.  1. Ô nhiễm khí thải : tổng quan Các hợp chất ô nhiễm chính trong khí thải có thể chia làm hai nhóm : khí và hạt rắn. Người ta phân biệt các chất ô nhiễm sơ cấp được thải ra từ các nguồn xác định (CO, HC,) với các chất ô nhiễm thứ cấp (O3, ) được sản sinh ra từ các phản ứng giữa các chất ô nhiễm sơ cấp với nhau dưới tác động của điều kiện môi trường như bức xạ mặt trời. Nhìn chung chất gây ô nhiễm môi trường thải ra từ động cơ gồm các chất sau : Dioxyde de carbone (CO2), sản phẩm của quá trình oxi hóa hoàn toàn nhiên liệu Monoxyde de carbone (CO), đến từ quá trình oxi hóa không hoàn toàn nhiên liệu Oxyde d’azote (NOx), bao gồm monoxyde d’azote (NO) và dioxyde d’azote (NO2). Các hạt rắn, sản phẩm của các quá trình hình thành phức tạp. Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (COV-composés organiques volatils), là các hợp chất hóa học hữu cơ có áp suất hơi đủ cao để dưới các điều kiện bình thường có thể bay hơi một lượng đáng kể vào không khí. Về thành phần COV là sự kết hợp giữa các hydrocarbure (như alcane, alcène, aromatique, ) và các hợp chất chứa oxi (aldéhyde, kétone, ). Các hợp chất hữu cơ đa vòng (hydrocarbures aromatiques polycycliques – HAP), như benzoapyrene Dioxyde de sulfure (SO2), hình thành từ lưu huỳnh có sẵn trong nhiên liệu. Các kim loại, có trong dầu và nhiên liệu. Những chất ô nhiễm này thải ra môi trường sẽ dẫn đến rất nhiều ảnh hưởng taihại cho sức khỏe và môi trường. Một vài chất trong đó sẽ góp phần hình thành sương mù trong đô thị (brouillards urbains), mưa acide từ SO2 và NOx. Trong đó NOx và VOCs là nguyên nhân gây ra các phản ứng khác nhau dẫn đến sự hình thành ozone ở tầng đối lưu của khí quyển. Các hydrocarbon chưa cháy gây ra bệnh ung thư, còn các hạt rắn, đặc biệt là các hạt rắn nhỏ, rất nguy hiểm cho sức khỏe, vì nó có thể đi vào trong phổi, gây ra các bệnh về hô hấp. 2. Ô nhiễm khí thải động cơ Diesel : Động cơ Diesel chuyển đổi năng lượng hóa học (carburant, gazole) thành năng lượng cơ học. Gazole là hỗn hợp của các hydrocarbure mà trong quá trình cháy lý tưởng, nó chỉ sinh ra CO2 và H2O. Trong thực tế người ta quan sát thấy một vài sản phẩm khí và rắn khác. Điều này liên quan một phần đến sự có mặt của các tạp chất chứa trong các HC (như các hợp chất chứa lưu huỳnh), và mặt khác liên quan đến sự phức tạp của các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình cháy.  2.1. Cấu trúc suie Diesel Suie Diesel được tạo thành từ nhiều hạt rắn có kích thước khoảng 0,3 mm. Các hạt rắn này lại được tạo thành từ các hạt carbone nhỏ hơn có bán kính khoảng 10 – 60 nm liên kết lại với nhau thành dạng chuỗi hay agrégat, có hình thù « kết túm » (floconneux) đặc trưng, và có thể coi hạt suie Diesel là một hỗn hợp của các cấu tử hữu cơ và vô cơ Suie được tạo nên từ một pha rắn ở tâm và một pha ngưng tụ trên bề mặt. Tâm của suie là than carbone, pha ngưng tụ thực chất là các chất hữu cơ gồm các hydrocarbon ngưng tụ trong pha lỏng trên bề mặt (SOF) và các sufates. Các sulfates trong khí thải động cơ Diesel có nguồn gốc từ các chất hữu cơ chứa lưu huỳnh trong nhiên liệu. Khi nhiên liệu cháy, lưu huỳnh trong các hợp chất hóa học này chuyển thành SO2, và sau đấy một phần (khoảng 2%) sẽ bị oxi hóa thành SO3. SO3 sau đó sẽ phản ứng với nước để tạo thành các giọt lỏng acide sulfurique. 2.2. Ảnh hưởng của hạt rắn suie lên môi trường và sức khỏe. Các hạt suie thải ra từ động cơ Diesel có ảnh hưởng xấu đến môi trường cũng như sức khỏe con người. Thực vậy, các hạt rắn này góp phần tạo thành các đám bụi lơ lửng trong môi trường đô thị. Kích thước của hạt suie đóng một vai trò quan trọng. Hạt càng nhỏ, chúng càng lơ lửng lâu trong không khí, và khi đi vào phổi, thời gian chúng lưu lại càng lâu. Đối với những hạt có đường kính lớn hơn 10 mm, chúng dễ dàng bị đẩy ra khỏi đường hô hấp; các hạt có từ 3 – 10 mm, chúng dễ dàng lưu lại ở khí quản và phế quản; dưới 3 mm, các hạt này có thể thâm nhập vào tận các phế nang của phổi (les alvéoles pulmonaires), và có thể thâm nhập vào máu. Rõ ràng các hạt rắn này là nguồn gốc của các bệnh về hô hấp thường gặp như: hen suyễn, viêm phế quản, và ung thư phổi. II.Các phương pháp: 1.Các công nghệ xứ lý suie : Người ta đã nghiên cứu nhiều công nghệ lọc suie thải ra từ động cơ Diesel. Một số thiết bị lọc cho kết quả khá tốt như : bộ lọc vách xốp bằng ceramique dạng monolithe (cordiérithe), vải kim loại (toiles métalliques), hoặc bọt kim loại hoặc ceramique. Có các phương pháp sau : -Phương pháp nhiệt Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là cả bộ lọc và khí thải động cơ sẽ được gia nhiệt đến một nhiệt độ tối thiểu cần thiết để có thế bắt đầu quá trình cháy của hạt rắn. Để nâng nhiệt độ của bộ lọc, người ta có thể dùng một trong các cách sau : + Sử dụng năng lượng điện để gia nhiệt nhờ vi sóng (micro-ondes), bằng cách dùng một bộ lọc làm bằng vật liệu bán dẫn, hoặc bằng cách lắp đặt bộ lọc ceramique có dây gia nhiệt. + Người ta có thể gia nhiệt bộ lọc bằng một brûleur với hệ thống tự động có hai lớp lọc : khí thải được nạp qua lớp lọc thứ nhất, trong khi đó lớp thứ hai chứa đầy hạt rắn sẽ được tái sinh đồng thời nhờ brûleur. Các phương pháp này gặp khá nhiều vấn đề về mặt ứng dụng, như hệ thống choáng nhiều chỗ lắp đặt trên ôtô, và cũng khá đắt. -Phương pháp xúc tác Mục đích của phương pháp này là giảm nhiệt độ tối thiểu cần thiết cho quá trình đốt cháy suie nhờ sử dụng các xúc tác oxi hóa toàn phần (oxidation totale). Tuy nhiên hiệu quả của các vật liệu này không những phụ thuộc vào hoạt tính oxi hóa của xúc tác, mà còn phụ thuộc vào tính chất tiếp xúc (qualité de contact) của chúng với suie. Sự tiếp xúc của hai pha rắn (suie – catalyseur) càng « chặt », hiệu quả xúc tác càng ca 2. Các phương pháp khử suie bằng xúc tác Ngày nay người ta đều công nhận rằng nếu tiếp xúc giữa xúc tác và suie không « bền chặt » (contact intime intense), hiệu quả của xúc tác trong quá trình cháy suie là không đáng kể. Và những nghiên cứu để đạt được sự tiếp xúc tốt nhất có thể giữa hai pha rắn này đã làm nảy sinh ra hai dạng xúc tác : xúc tác nội (catalyse interne) và xúc tác ngoại (catalyse externe). Xúc tác nội : Giải pháp đầu tiên là thêm trực tiếp vào nhiên liệu một lượng rất bé (0,03 đến 0,1 g/l) các phụ gia có nền tảng là các hợp chất cơ kim nhằm cải thiện quá trình cháy trong động cơ. Các phụ gia này đóng vai trò xúc tác vì các kim loại được sinh ra sau khi nhiên liệu cháy (Ni, Cu, Mo, Mn, Zn, Ca, Ba) [3] sẽ bám trên hạt suie dưới dạng các oxide vô cơ và có hoạt tính xúc tác cao. Các xúc tác này ở trong các hạt rắn và hoàn toàn đảm bảo sự tiếp xúc chặt với suie, tuy nhiên cũng không thể tránh khỏi phụ gia sẽ bám lên bộ lọc. Điều này sẽ làm cho các lỗ xốp của nó bị nghẽn trong một thời gia ngắn. Giải pháp thứ hai là thêm phụ gia vào dòng khí thải của động cơ một cách liên tục hoặc gián đoạn. Người ta dùng các đồng phân hữu cơ của đồng (Cu) làm phụ gia. Và nhược điểm của phương pháp này cũng giống như phương pháp thứ nhất. · Xúc tác ngoại : Giải pháp này liên quan đến việc dùng một bộ lọc xúc tác có khả năng giảm nhiệt độ cháy của suie, cũng như có thể đốt một cách liên tục nhằm tránh việc các lỗ xốp của bộ lọc bị bít lại do suie bám lên quá nhiều. Với phương pháp này người ta không phải thêm vào một hệ thống tái sinh phụ, mà nó cũng không ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ như các phương pháp thêm phụ gia ở trên. Nhưng vấn đề đặt ra với bộ lọc xúc tác là việc đảm bảo tiếp xúc tốt giữa hai pha rắn suie-xúc tác. Hiện nay, đây là nguyên nhân chính cản trở khả năng ứng dụng của phương pháp này vào thực tế, chứ không phải vấn đề hoạt tính của xúc tác không đảm bảo. Tuy nhiên ở phạm vi nghiên cứu người ta đã đề ra rất nhiều dạng xúc tác dùng cho bộ lọc xúc tác. Các xúc tác này có thể là các kim loại hiếm (Ni, Pt, ) [4], các xúc tác đơn (MnOx, La2O3, CeO2, MgO, Fe2O3, Al2O3, VOx) [5-8], hoặc các xúc tác phức tạp hơn đặc biệt là xúc tác dạng pérovskite (chromites [9-11], lanthanides [9], cobaltites [11], manganites [3, 11]) Trong các nghiên cứu gần đây người ta quan tâm nhiều đến các xúc tác có cấu trúc phức tạp, đặc biệt là xúc tác dựa trên các oxyde dạng pérovskite. Các oxyde đặc biệt này, thường có công thức chung là ABO3, thu hút sự quan tâm ở chỗ người ta có thể tác động vào vị trí A và/hoặc vị trí B để thay thế (riêng phần) bằng một ion của nguyên tố khác. III.Kết luận: Ngày nay ô nhiễm môi trường ngày càng trở thành một vấn đề nhức nhối với con người. Trong đó một phần không nhỏ nguyên nhân có nguồn gốc từ khí thải động cơ. Động cơ Diesel được công nhận có nhiều ưu thế vượt trội nhưng loại động cơ này vẫn tồn tại nhiều nhược điểm ở khía cạnh môi trường, đặc biệt là việc thải suie. Suie Diesel là một hợp chất có cấu trúc phức tạp mà quá trình hình thành của nó vẫn còn là một vấn đề đang nghiên cứu. Việc nắm rõ cấu trúc, đặc điểm, và quá trình hình thành của suie có vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu các phương pháp khử suie. Người ta đã và đang nghiên cứu nhiều phương pháp khác nhau để oxy hóa suie, như phương pháp nhiệt, xúc tác, Nói chung mỗi phương pháp đều có nhưng ưu và nhược điểm nhất định. Trong đó bộ lọc xúc tác có vẻ là một phương pháp tối ưu nhất. Phương pháp này thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội, tuy nhiên việc tái sinh bộ lọc sau một thời gian sử dụng vẫn còn là một vấn đề cần được tiếp tục cải thiện. Và trong các chất xúc tác dùng cho bộ lọc xúc tác, các oxyde dạng perovskite chiếm được nhiều quan tâm vì hoạt tính xúc tác cao, và kinh tế.