Mưa acid và những ảnh hưởng

Độ acid được đo bằng thang pH (thang logarith), trong đó pH = 7 để chỉ các dung dịch trung tính. Thông thường pH = 5,6 (pH 5,6 là mức pH của nước bão hoà khí CO₂) được coi là cơ sở để xác định mưa acid. Điều này có nghĩa là bất kỳ một trận mưa nào có độ acid thấp hơn 5,6 được gọi là mưa acid. Cũng cần nói thêm rằng, trong giới chuyên môn đôi khi người ta dùng thuật ngữ "sự lắng đọng acid" (Acid deposition), thay vì mưa acid (acid rain). Hai thuật ngữ này khác nhau ở chỗ acid deposition là sự lắng đọng của acid trong khí quyển xuống bề mặt Trái đất (kế cả dạng khô [các hạt bụi] hay dạng ướt [mưa acid]), còn mưa acid chỉ thuần túy nói về sự lắng đọng acid trong khí quyển xuống bề mặt Trái đất ở dạng ướt.

Trận mưa có độ acid thấp ở mức kỷ lục (pH = 2,4) diễn ra ở New England. Trận mưa này làm cho sơn của các xe hơi đậu ngoài mưa bị rửa trôi và để lại vết các giọt mưa trên bộ khung của các xe hơi này.

Cơ chế hóa học của quá trình chuyển đổi SO₂ và NO_x thành acid

Đối với SO₂

Ở pha khí: Ở pha khí có nhiều phản ứng khác nhau để chuyển đổi SO₂ thành acid sulfuric. Một trong những phản ứng đó là phản ứng quang oxy hóa SO₂ bởi tia UV. Tuy nhiên, phản ứng này đóng góp một phần không quan trọng vào việc tạo thành acid sulfuric. Loại phản ứng thứ hai là quá trình oxy hóa SO₂ bởi oxygen trong khí quyển, phản ứng diễn ra như sau:

2 SO₂ + O₂ ---> 2 SO₃ (1)
SO³ + H₂O ---> H₂SO₄ (2)

Phản ứng số 2 xảy ra với tốc độ nhanh, trong khi phản ứng số 1 xảy ra rất chậm, do đó loại phản ứng số 2 này cũng đóng vai trò không quan trọng trong việc chuyển đổi SO₂ thành acid sulfuric. Một số phản ứng khác cũng đóng vai trò không quan trọng trong việc chuyển đổi SO₂ thành acid sulfuric bao gồm phản ứng oxy hóa bởi sản phẩm của phản ứng alkene - ozone, oxy hóa bởi phản ứng của các chất N_xO_y, oxy hóa bởi gốc peroxy.

Chỉ có loại phản ứng sau đây đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi SO₂ thành acid sulfuric, phản ứng diễn ra như sau:

HO + SO₂(+M) ---> HOSO₂(+M)

Phản ứng này diễn ra với tốc độ rất nhanh, gốc hydroxy cần cho phản ứng được tạo ra bởi quá trình phân hủy quang học ozone.

Ở pha lỏng:Ở pha lỏng SO₂ tồn tại ở 3 dạng:

[S(IV) ---> [SO₂ (aq)] + [HSO₃^-] + [SO₃^2-]

Quá trình phân ly diễn ra như sau:

SO₂ (aq) ---> H⁺ + HSO^3-
HSO₃- (aq) ---> H⁺ + SO₃^2-

Việc thiết lập cân bằng 2 phương trình trên phụ thuộc vào pH, kích thước các hạt nước, "hệ số liên kết" giữa nước và SO_2.

Phản ứng oxy hóa SO₂ ở pha lỏng nhờ vào các xúc tác kim loại như ion Fe³⁺, Mn²⁺ hoặc kết hợp của 2 ion trên. Tuy nhiên, phản ứng oxy hóa SO₂ bởi ozone quan trọng hơn vì nó không cần xúc tác và hàm lượng ozone trong khí quyển cao hơn hàm lượng oxy nguyên tử trong khí quyển. Quá trình oxy hóa SO₂ ở pha lỏng chiếm ưu thế nhất là quá trình oxy hóa bởi hydrogen peroxide, phản ứng này tạo nên một chất trung gian (A-), có thể là peroxymonosulfurous acid ion, phản ứng diễn ra như sau:

HSO₃- + H₂O₂ ---> A- + H₂O
A- + H⁺ ---> H₂SO₄

Đối với NOx:

Ở pha khí: Việc tạo thành acid nitric chủ yếu nhờ vào phản ứng của gốc hydroxy, gốc này có hoạt tính cao và hiện diện nhiều trong khí quyển. Phản ứng diễn ra như sau:

HO + NO₂(+M) ---> HONO₂(+M)

Ở pha lỏng: Có 3 loại phản ứng đóng vai trò tương đương nhau trong việc chuyển hóa NO_x thành acid nitric

2NO₂ (g) + H₂O (L) ---> 2 H⁺ + NO^3- + NO^2-
NO (g) + NO₂ (g) + H₂O (L) ---> 2H⁺ + 2NO^2-
3NO₂ (g)+ H₂O (L) ---> 2H⁺ + 2NO^3- + NO (g)

Ba loại phản ứng này phụ thuộc vào áp suất riêng phần của NO_x hiện diện trong khí quyển và độ hòa tan rất thấp của NO_x trong nước. Các phản ứng trên có thể tăng tốc độ với sự hiện diện của các chất xúc tác kim loại như Fe³⁺, Mn²⁺.

Ảnh hưởng của mưa acid lên ao hồ và hệ thủy sinh vật

Mưa acid ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến các ao hồ và hệ thủy sinh vật. Mưa acid rơi trên mặt đất sẽ rửa trôi các chất dinh dưỡng trên mặt đất và mang các kim loại độc xuống ao hồ. Ngoài ra vào mùa xuân khi băng tan, acid (trong tuyết) và kim loại nặng trong băng theo nước vào các ao hồ và làm thay đổi đột ngột pH trong ao hồ, hiện tượng này gọi là hiện tượng "sốc" acid vào mùa Xuân. Các thủy sinh vật không đủ thời gian để thích ứng với sự thay đổi này. Thêm vào đó mùa Xuân là mùa nhiều loài đẻ trứng và một số loài khác sống trên cạn cũng đẻ trứng và ấu trùng của nó sống trong nước trong một thời gian dài, do đó các loài này bị thiệt hại nặng. Acid sulfuric có thể ảnh hưởng đến cá theo hai cách: trực tiếp và gián tiếp. Acid sulfuric ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hấp thụ oxy, muối và các dưỡng chất để sinh tồn. Đối với các loài cá nước ngọt acid sulfuric ảnh hưởng đến quá trình cân bằng muối và khoáng trong cơ thể chúng. Các phân tử acid trong nước tạo nên các nước nhầy trong mang của chúng làm ngăn cản khả năng hấp thu oxygen của các làm cho cá bị ngạt. Việc mất cân bằng muối Canxi làm giảm khả năng sinh sản của các, trứng của nó sẽ bị hỏng ... và xương sống của chúng bị yếu đi. Muối đạm cũng ảnh hưởng đến cá, khi nó bị mưa acid rửa trôi xuống ao hồ nó sẽ thúc đẩy sự phát triển của tảo, tảo quang hợp sẽ sinh ra nhiều oxygen. Tuy nhiên do cá chết nhiều, việc phân hủy chúng sẽ tiêu thụ một lượng lớn oxy làm suy giảm oxy của thủy vực và làm cho cá bị ngạt.

Mặc dầu nhiều loại cá có thể sống trong môi trường pH thấp đến 5,9 nhưng đến pH này Al²⁺ trong đất bị phóng thích vào ao hồ gây độc cho cá. Al2+ làm hỏng mang cá và tích tụ trong gan cá.

Các ảnh hưởng của pH đến hệ thủy sinh vật có thể tóm tắt như sau

Hơn nữa, do hiện tượng tích tụ sinh học, khi con người ăn các loại cá có chứa độc tố, các độc tố này sẽ tích tụ trong cơ thể con người và gây nguy hiểm đối với sức khoẻ con người. Ở trong các ao hồ, lưỡng thê cũng bị ảnh hưởng, chúng không thể sinh sản được trong môi trường acid.

Bạn có biết theo tiêu chuẩn an toàn lương thực của Canada, lượng muối thủy ngân trong các sông hồ chỉ được ở mức 0,005 ppm. Nhưng hiện nay người Eskimos và người dân da đỏ ở một số vùng của Canada ăn thịt cá và hải cẩu có hàm lượng thủy ngân lên đến 17,5, thậm chí 32,7 ppm.

Ảnh hưởng của mưa acid lên thực vật và đất

Một trong những tác hại nghiêm trọng của mưa acid là các tác hại đối với thực vật và đất. Khi có mưa acid, các dưỡng chất trong đất sẽ bị rửa trôi. Các hợp chất chứa nhôm trong đất sẽ phóng thích các ion nhôm và các ion này có thể hấp thụ bởi rễ cây và gây độc cho cây. Như chúng ta đã nói ở trên, không phải toàn bộ SO₂ trong khí quyển được chuyển hóa thành acid sulfuric mà một phần của nó có thể lắng đọng trở lại mặt đất dưới dạng khí SO₂. Khi khí này tiếp xúc với lá cây, nó sẽ làm tắt các thể soma của lá cây gây cản trở quá trình quang hợp. Một thí nghiệm trên cây Vân Sam (cây lá kim) cho thấy, khi phun một hỗn hợp acid sulfuric và acid nitric có pH từ 2,5 - 4,5 lên các cây Vân Sam con sẽ làm xuất hiện và phát triển các vết tổn thương có màu nâu trên lá của nó và sau đó các lá này rụng đi, các lá mới sẽ mọc ra sau đó nhưng với một tốc độ rất chậm và quá trình quang hợp bị ảnh hưởng nghiêm trọng.

Bạn có biết ngành lâm nghiệp của Canada có thu nhập hàng năm 10 tỉ USD. 10% lực lượng lao động của Canada đang phụ thuộc vào lâm nghiệp. Nếu rừng bị tổn hại, sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến thu nhập và việc làm ở Canada.

Ảnh hưởng đến khí quyển

Các hạt sulphate, nitrate tạo thành trong khí quyển sẽ làm hạn chế tầm nhìn. Các sương mù acid làm ảnh hưởng đến khả năng lan truyền ánh sáng Mặt trời. Ở Bắc cực, nó đã ảnh hưởng đến sự phát triển của Địa y, do đó ảnh hưởng đến quần thể Tuần lộc và Nai tuyết - loại động vật ăn Địa y.

Ảnh hưởng đến các công trình kiến trúc

Các hạt acid khi rơi xuống nhà cửa và các bức tượng điêu khắc sẽ ăn mòn chúng. Ví dụ như tòa nhà Capitol ở Ottawa đã bị tan rã bởi hàm lượng SO₂ trong không khí quá cao. Vào năm 1967, cây cầu bắc ngang sông Ohio đã sập làm chết 46 người; nguyên nhân cũng là do mưa acid.

Ảnh hưởng đến các vật liệu

Mưa acid cũng làm hư vải sợi, sách và các đồ cổ quý giá. Hệ thống thông khí của các thư viện, viện bảo tàng đã đưa các hạt acid vào trong nhà và chúng tiếp xúc và phá hủy các vật liệu nói trên.

Ảnh hưởng lên người

Các tác hại trực tiếp của việc ô nhiễm do các chất khí acid lên người bao gồm các bệnh về đường hô hấp như: suyển, ho gà và các triệu chứng khác như nhức đầu, đau mắt, đau họng ... Các tác hại gián tiếp sinh ra do hiện tượng tích tụ sinh học các kim loại trong cơ thể con người từ các nguồn thực phẩm bị nhiễm các kim loại này do mưa acid.

Cách giảm bớt phát thải khí SO₂ và NO_x

Đối với SO₂

Sử dụng than sạch - than đã được phân loại bằng trọng lực để loại FeS₂ - hoặc sử dụng than có hàm lượng sulfur thấp (subbituminuos).

Sử dụng phương pháp đốt fluidized bed.

Xử lý khí thải bằng phương pháp lọc ướt, sử dụng dung dịch nước vôi hoặc xút để làm chất hấp thụ. Phản ứng xảy ra như sau:

CaCO₃ + SO₂ + H₂O + O₂ ----> CaSO₄ + CO₂ + H₂O

Xử lý khí thải bằng phương pháp lọc khô.

Đối với NO_x

Sử dụng phương pháp đốt gọi là "Overfire Air". Theo phương pháp này một phần không khí cần thiết cho quá trình đốt sẽ được chuyển hướng lên phía trên của buồng đốt. Làm như vậy, quá trình đốt sẽ diễn ra trong điều kiện có ít oxy hơn và làm giảm quá trình oxy hóa nitơ trong không khí thành NO_x.

Xử lý khí thải bằng chất xúc tác. Trong quá trình này người ta cho ammonia tác dụng với NO trong một buồng xúc tác.

4NO + 4 NH₃ + O₂ ----> 4N₂ + 6 H₂O
2NO₂ + 4 NH3 + O₂ ---> 3N₂ + 6 H₂O

Trong các động cơ xe người ta gắn thêm một bộ phận lọc khí có hình tổ ong được mạ platinum, pallandium hoặc Rhodium. Ở tại bộ phận này sẽ diễn ra phản ứng oxy hóa, phản ứng khử để biến NO_x, CO₂ và các HC_s thành các chất khí không gây hại.

Tác giả: Lê Hoàng Việt