Các chất ô nhiễm và khí nhà kính trong khí thải PTCGĐB

Mức phát thải chất ô nhiễm và khí nhà kính của PTCGĐB tỷ lệ thuận trực tiếp với mức tiêu thụ nhiên liệu của chúng. Do vậy, việc giảm mức tiêu thụ nhiên liệu là biện pháp hiệu quả để “giảm phát thải khí nhà kính và chất gây ô nhiễm không khí” từ PTCGĐB.
"Giảm mức tiêu thụ nhiên liệu là biện pháp hiệu quả để giảm phát thải khí nhà kính và chất gây ô nhiễm không khí"
1. Các nguồn gây ô nhiễm từ động cơ đốt trong
Các nguồn gây ô nhiễm từ động cơ đốt trong lắp trên mô tô, xe máy được trình bày trên Hình 3a. Tác động tiêu cực của động cơ đốt trong lắp trên PTCGĐB đến môi trường bao gồm:
Hình 3a
* Ô nhiễm do khí thải: Trong các nguồn ô nhiễm từ động cơ đốt trong, khí thải là nguồn gây ô nhiễm lớn nhất. Trong quá trình hoạt động, động cơ đốt trong thải ra các chất ô nhiễm như CO, CO2, NOx, HC, Pb, CFC... Ngoài việc gây ô nhiễm trực tiếp, các chất thải này khi phát tán vào không khí sẽ bị phân tích hoặc tổng hợp để tạo ra các tác nhân khác, gây ảnh hưởng xấu đến con người cũng như đến môi trường sinh thái, khí hậu.
* Ô nhiễm do nhiên liệu bay hơi: Nguồn ô nhiễm này chủ yếu do nhiên liệu xăng bay hơi từ hệ thống nhiêu liệu của phương tiện. Lượng xăng bay hơi này phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường (nhất là vùng nhiệt đới hoặc mùa hè tại các vùng ôn đới). Phần xăng bay hơi chủ yếu là các thành phần HC có hoạt tính cao, dễ tạo thành ô zôn (O3) trong khí quyển.
* Ô nhiễm do khí các te: Khí các te hình thành do sự lọt khí từ buồng cháy xuống hộp trục khuỷu hoặc không gian phía trên nắp máy. Khí các te có chứa một lượng nhỏ Nitrosamin và các hợp chất HC thơm đa vòng. Các kết quả nghiên cứu cho thấy các chất này có thể gây ung thư và biến đổi gen ở người. Khí các te vừa gây ô nhiễm môi trường vừa làm giảm tính kinh tế nhiên liệu của phương tiện.
* Ô nhiễm do tiếng ồn: Tại các khu đô thị, một trong những nguồn gây ồn chính là các PTCGĐB. Các nước phát triển đều đã ban hành những điều luật về mức độ ồn lớn nhất có thể phát ra từ một phương tiện ứng với chu trình thử đã được thiết kế sẵn.
* Ô nhiễm phát sinh từ tạp chất trong nhiên liệu và các chất phụ gia: Trong nhiên liệu có chứa một lượng nhỏ tạp chất (lưu huỳnh, phốt pho, chì...). Khi bị đốt cháy trong động cơ chúng sẽ tạo thành các chất ô nhiễm và bị thải ra môi trường cùng với khí thải. Để đảm bảo yêu cầu về chất lượng nhiên liệu (ví dụ như chỉ số ốc tan, độ ổn định khi lưu trữ..), người ta phải sử dụng phụ gia. Trong quá trình cháy, phụ gia bị phân hủy một phần hoặc tạo thành các hợp chất mới và cũng bị thải ra môi trường cùng với khí thải. Ngoài việc gây ô nhiễm, các chất ô nhiễm phát sinh từ tạp chất và phụ gia nhiên liệu còn tác động mạnh đến hiệu quả làm việc của các thiết bị xử lý khí thải. Chính vì vậy, sử dụng nhiên liệu sạch là một trong các giải pháp hiệu quả nhằm giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường của PTCGĐB.
2. Tác động của các chất ô nhiễm đến sức khỏe, môi trường
a. Các vấn đề chung
Tác động của các chất ô nhiễm đến sức khoẻ con người và môi trường sinh thái được trình bày tóm tắt trong Bảng 1a.
* Phì dưỡng: là sự làm giầu nước do đưa vào những vật liệu hữu cơ hoặc nước chảy trên mặt có chứa nitrat và phốt phát. Quá trình này làm tăng thêm mức phát triển của các thực vật trong nước và thường dẫn tới sự phồn thịnh của các loài tảo. Sự phát triển mạnh của các loài tảo có thể chèn ép các thực vật cao cấp, làm giảm cường độ ánh sáng, tiết ra chất độc làm cá chết hoặc gây ra hiện tượng khử ô xy trong nước. Trong những trường hợp cực mạnh thì kết quả sẽ dẫn tới tử vong đối với phần lớn động vật và thực vật sống trong nước.
* Hiệu ứng nhà kính: là hiện tượng khí quyển ấm lên do hấp thụ tia hồng ngoại từ Trái đất. Hiện tượng này là có lợi theo chiều hướng cung cấp cho bề mặt trái đất nhiệt độ trung bình khoảng 15 oC (nếu không có hiện tượng này thì nhiệt độ trung bình bề mặt sẽ là -18 oC). Khi các loại khí nhà kính hấp thụ bức xạ hồng ngoại, một phần nhiệt lượng nhận được từ sự hấp thụ này sẽ bức xạ trở lại trái đất và làm nóng thêm bầu khí quyển. Đây là nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi nghiêm trọng cân bằng nhiệt của Trái đất (nhiệt độ không khí tăng; tan một phần băng ở Bắc cực và Nam cực, làm tăng mực nước biển; làm thay đổi chế độ mưa và sa mạc hoá bề mặt trái đất...). Hiệu ứng nhà kính phụ thuộc vào cấu tạo của khí quyển trái đất. Các chất khí hấp thụ bức xạ hồng ngoại được gọi là khí nhà kính, chúng bao gồm: hơi nước; CO2; một số hợp chất khác (với hàm lượng nhỏ): mê tan, NOx, các sản phẩm CFC (chloro-fluoro-hydrocarbon), ô zôn ở tầng đối lưu...
b. Cơ chế hình thành và tác động của CO
CO là loại khí không mầu, không mùi, không vị. CO là một sản phẩm trung gian của quá trình đốt cháy nhiên liệu để tạo thành sản phẩm cuối cùng là CO2. Trong động cơ,ở chế độ tải cao và chế độ khởi động, hỗn hợp không khí-nhiên liệu thường là hỗn hợp giàu. Do đó, quá trình cháy xảy ra không hoàn toàn dẫn đến hàm lượng CO lớn. Hàm lượng CO trong khí thải động cơ rất cao ở chế độ không tải. Do vậy, không được để động cơ chạy không tải trong phòng kín hoặc khi ga ra xe đang đóng kín.
CO gây ra cảm giác chuếnh choáng, nó có tác động rất xấu đối với sức khoẻ con người, đặc biệt với những người mắc bệnh tim, phụ nữ có thai, bệnh nhân hen xuyễn. Hít thở không khí có hàm lượng CO là 0,3% (theo thể tích) có thể dẫn đến tử vong trong vòng 30 phút. CO ngăn cản việc vận chuyển ô xy từ máy vào các mô làm cho các bộ phận của cơ thể có thể bị thiếu ô xy. Nạn nhân có thể bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO trong không khí > 1000 ppm). Ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hiểm lâu dài cho con người. Khi 20 % hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn; và khi tỷ lệ tăng lên 50 % thì bộ não của con người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh.
Ngoài các hiện tượng trên, CO còn có thể gây ra các bệnh về tim mạch, thần kinh. Những người khỏe mạnh cũng bị ảnh hưởng bởi CO khi tiếp xúc ở mức cao. Khi tiếp xúc với CO ở mức cao sẽ dẫn đến suy giảm thị lực, năng lực làm việc, sự khéo léo, khả năng học tập và hiệu suất công việc.
Trong môi trường không khí, CO bị ô xy hóa chậm thành CO2 (là một loại khí nhà kính). Ngoài ra, CO còn tiếp tục sinh ra các sản phẩm phản ứng khác. Chính vì vậy, CO, HC và NOx được coi là tiền chất làm phát sinh ô zôn ở tầng đối lưu của khí quyển.
c. Cơ chế hình thành và tác động của HC
Lượng hydrocarbon (HC) có trong khí thải động cơ chủ yếu là do quá trình cháy không hoàn toàn. Có nhiều nguồn phát thải HC chưa cháy trong động cơ:
+ Do hiện tượng ngọn lửa bị dập tắt ở gần thành vách buồng cháy.
+ Hỗn hợp chưa cháy trong quá trình nén đã chèn vào các vùng thể tích chết, tại đó ngọn lửa không lan tới được và lượng HC chưa cháy này sẽ thải ra ngoài.
+ Phần HC bị màng dầu bôi trơn (trên thành buồng cháy) hấp thụ trong kỳ nạp, nén và chúng sẽ được nhả ra trong kỳ giãn nở, thải.
+ Do ngọn lửa yếu hoặc xảy ra hiện tượng mất lửa...
Lượng HC chưa cháy từ các nguồn trên sẽ lẫn vào các sản phẩm cháy ở cuối quá trình cháy và được thải ra ngoài buồng cháy. Trong đường ống thải một phần lượng HC này (khoảng 1040 %) sẽ cháy tiếp và tạo ra CO, CO2. Phần còn lại thoát ra khỏi hệ thống thải và đó chính là lượng thải HC của động cơ. Thuật ngữ "Hydrocacbon chưa cháy" (Unburned Hydrocarbon) thường được sử dụng để chỉ tất cả các loại HC có trong khí thải động cơ.
HC trong khí thải động cơ sẽ góp phần vào sự hình thành các chất quang hoá (làm cho tầm nhìn bị suy giảm) và ô zôn trong khí quyển. Khi HC bị thải ra môi trường có ánh nắng mặt trời và NOx chúng sẽ làm tăng hiệu ứng nhà kính. Ngoài ra, trong lượng HC này có chứa các chất ô nhiễm có thể có tác động đáng kể đến sức khỏe con người, cụ thể như:
+ Benzen: Theo Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ, Benzen là chất gây ung thư cho con người khi tiếp xúc bằng bất kỳ cách nào. Khi hệ hô hấp phải tiếp xúc lâu dài với không khí có nồng độ benzen cao sẽ gây ung thư các mô tạo ra bạch cầu trong máu. Khi tiếp xúc với benzen và/hoặc các chất chuyển hóa của nó cũng có thể dẫn đến biến đổi gen ở người và động vật.
+ Formalđêhyt: Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ đã phân Formalđêhyt vào nhóm chất có khả năng gây ung thư (do chưa có đủ căn cứ về gây ung thư cho người nhưng lại có đủ căn cứ về gây ung thư khi thí nghiệm trên chuột và khỉ). Các nghiên cứu dịch tễ học cho thấy, hít thở Formalđêhyt lâu ngày có thể liên quan đến các khối u trong vòm họng, khoang mũi và xoang.
+ Butađien 1,3: Butađien 1,3 được Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ phân loại là chất có thể gây ung thư cho con người.
+ Chì: Chì là chất độc, có ảnh hưởng đến nhiều cơ quan và hệ thống các cơ quan trong cơ thể người (dễ thấy nhất là gây biến đổi dưới mức tế bào và ảnh hưởng đến phát triển hệ thần kinh). Ngoài ra, chì có thể gây ra những ảnh hưởng khác như: giảm chức năng vận động giác quan, suy giảm chức năng thận, tăng huyết áp. Chì trong không khí có thể lắng đọng vào đất, nước và sau đó vào cơ thể người qua thức ăn, nước uống. Việc loại bỏ xăng pha chì là rất cần thiết và đã được nhiều quốc gia và vùng lãnh thổ thực hiện, trong đó có Việt Nam.
d. Cơ chế hình thành và tác động của NOx
NOx là thuật ngữ chuyên môn được dùng để gọi chung tất cả các loại ô xít ni tơ có trong khí thải động cơ. NOx là các hợp chất do N2 kết hợp với O2 ở điều kiện nhiệt độ cao (trên 1100 0C) tạo thành. Về nguyên tắc, NOx hình thành trong tất cả các quá trình cháy có không khí. Trong buồng cháy của động cơ, NOx hình thành ở những vùng nghèo nhiên liệu và có nhiệt độ cao.
Nhóm NOx bao gồm 3 thành phần chính: Monoxít ni tơ (NO), Dioxít Nitơ (NO2) và Protoxít Nitơ (N2O). Trong đó, NO chiếm khoảng 65 70 %, NO2 chiếm 25 30 %. NO là chất khí không màu, không mùi và không vị, khối lượng riêng 1,226 g/lít, nhiệt độ sôi là -151,7 0C. N2O là chất khí có mầu nâu, có mùi, khứu giác con người có thể phát hiện khi nồng độ của nó đạt khoảng 0,12 ppm. NO2 là chất khí độc, có mầu nâu-đỏ với mùi khó chịu, có khối lượng riêng 1,491 g/lít và sôi ở 21 0C .
NOx được quan tâm là do những tác động của chúng đến sức khoẻ, tới sự hình thành ô zôn và các chất ô xy quang hoá trong khí quyển. Trong nhóm NOx thì Dioxít Nitơ (NO2) là độc hại nhất (gấp 4 lần so với NO). Tuy nhiên, NO dễ dàng bị biến đổi trong khí quyển thành NO2 (theo phản ứng: NO + 0,5 O2  NO2). Do vậy, cần phải kiểm soát chặt chẽ đối với thành phần NO. NO2 là chất khó hoà tan nên nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm phổi và làm huỷ hoại các tế bào của phế nang. Khi vào được trong phổi, 80 % lượng NO2 bị giữ lại (đối với SO2, chỉ 5% được giữ lại). Bệnh nhân bị mất ngủ, ho, khó thở. Một số nghiên cứu còn cho thấy NO2 còn gây tổn thương cho mắt và dạ dày.
NOx có trong khí quyển dưới tác dụng của mặt trời sẽ kết hợp với HC tạo thành lớp khói quang hoá (sương mù quyện khói quang hoá), nguyên nhân gây ra sự hình thành ô zôn (một trong những thành phần làm ô nhiễm môi trường) ở tầng đối lưu (lớp khí quyển kéo dài khoảng 7 dặm từ mặt đất đi lên). Ô zôn (O3) ở tầng đối lưu là chất có hại đến sức khoẻ con người. Tuy nhiên, nó là chất cần thiết ở tầng bình lưu (vùng khí quyển ở trên tầng đối lưu, có chứa nhiều ô zôn) để lọc tia cực tím trong ánh sáng mặt trời (bức xạ cực tím có thể gây đột biến, sinh ra các vi trùng lạ; và đặc biệt là dễ gây gây ung thư da). Protoxít Nitơ (N2O) là chất khí có thể gây huỷ hoại ô zôn ở tầng bình lưu. Đối với các nước phát triển, nồng độ ô zôn trong không khí ở các thành phố lớn là chỉ tiêu đầu tiên đánh giá mức độ ô nhiễm không khí trong mùa hè (vì trong những ngày nóng bức và tốc độ gió thấp lượng ô zôn hình thành khuyếch tán chậm vào không gian làm tăng cục bộ mật độ của nó ở khu vực thành phố). Khi nồng độ ô zôn đến giới hạn báo động, chính quyền các thành phố thường áp dụng một số biện pháp cấp bách như: cấm xe trên các tuyến đường qua thành phố, cấm xe tải vào thành phố ban ngày, chỉ cho phép các xe có lắp bộ xử lý khí thải ra vào thành phố...Tuy nhiên, đó chỉ là những giải pháp tạm thời vì nó gây xáo trộn hoạt động giao thông vận tải và cuộc sống của người dân.
Trong không khí môi trường, NO2 còn tác dụng với nước tạo thành a xít HNO3. Lượng a xít này sẽ hoà tan trong mưa, tuyết, sương mù và nghiêm trọng hơn khi nồng độ HNO3 đủ lớn có thể tạo ra mưa a xít làm huỷ hoại thảm thực vật và ăn mòn các công trình kim loại.
Khi hàm lượng NOx trong không khí lớn hơn từ 0,5  0,7 ppm sẽ làm giảm quá trình quang hợp của thực vật. Đây là vấn đề cần phải quan tâm, do quá trình quang hợp của thực vật chính là quá trình tái cung cấp ô xy cho không khí. Với nồng độ hiện nay của ô xít ni tơ trong khí quyển, không gây hại trực tiếp đến thực vật, nhưng dưới tác dụng của tia cực tím trong môi trường có hydrocacbon, NOx có thể tạo ra những hợp chất nguy hiểm đối với thực vật gấp hàng ngàn lần so với chính bản thân NOx.
d. Cơ chế hình thành và tác động của PM
Chất thải dạng hạt (PM) được định nghĩa là tất cả các chất không hoà tan trong nước, thường tồn tại trong khí thải động cơ ở trạng thái rắn (tro, các bon) hoặc thể lỏng. Hạt PM thường bao gồm các thành phần: các bon, dầu bôi trơn chưa cháy hoặc cháy dở, nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy dở, các hợp chất của lưu huỳnh (SO2 hoặc SO4) và các chất khác (hơi nước, hợp chất của can xi, sắt, chì, silicon...).
Nhìn chung, cần phải quan tâm đến lượng thải PM vì chúng góp phần làm gia tăng lượng hạt lơ lửng trong không khí xung quanh, làm trầm trọng thêm các bệnh về đường hô hấp (hen suyễn, viêm phế quản, khí thũng…) và là tác nhân gây ung thư, gây đột biến gen.
PM từ khí thải động cơ đốt trong chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng lượng bụi từ rất nhiều nguồn khác nhau (hoạt động công nghiệp, giao thông vận tải, làm đường...) có mặt trong không khí. Tuy nhiên, với tất cả các loại bụi có trong không khí, PM trong khí thải động cơ có kích thước hạt dễ bị giữ lại nhất và thời gian giữ lại lâu nhất trong hệ thống hô hấp. Các hạt PM có khả năng làm rối loạn hệ hô hấp và tạo điều kiện thuận lợi cho tác động ung thư từ các chất khác. PM còn gây tổn thương mắt, gây dị ứng mũi... và cũng có khả năng gây ung thư da khi tiếp xúc liên tục. Một số nghiên cứu khác cho thấy các hạt PM qua đường mũi, đường miệng làm tăng khả năng tụ máu và do đó dễ gây ra tác động xấu đến hoạt động của hệ tim-mạch.
Hình 3b
Ngoài ra, khi PM bám vào cây xanh sẽ cản trở quá trình quang hợp làm cho cây cối dễ bị héo chết. PM bám vào các công trình xây dựng dễ gây ăn mòn kim loại và phân huỷ bê tông, đá xây dựng...
d. Cơ chế hình thành và tác động của SOx
Nhiên liệu thường chứa một lượng lưu huỳnh nhất định (phụ thuộc vào hàm lượng lưu huỳnh trong dầu thô gốc và phương pháp tinh lọc tiếp theo). Hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu xăng thường thấp hơn nhiều so với nhiên liệu diesel. Toàn bộ lượng lưu huỳnh chứa trong nhiên liệu khi cháy sẽ bị chuyển hóa thành SO2. Lượng SO2 này có thể tiếp tục bị ô xy hoá thành SO3 và sau đó chuyển thành a xít sunfuric.
Nồng độ SO2 cao có thể gây suy giảm khả năng thở tạm thời đối với trẻ em bị hen và với những người lớn làm việc nặng ngoài trời. Những người bị bệnh hen chỉ cần tiếp xúc thời gian ngắn với mức SO2 cao, khi gắng sức vừa phải có thể gây nên giảm chức năng phổi kèm theo các triệu chứng như thở khò khè, tức ngực hoặc thở ngắn. Tiếp xúc lâu dài với không khí có nồng độ SO2 cao có thể gây bệnh hô hấp và giảm khả năng bảo vệ phổi.
Các ô xít lưu huỳnh trong khí thải động cơ là một trong các nguyên nhân gây mưa a xít. Đây là hiện tượng có nhiều tác hại: làm giảm chất dinh dưỡng của đất và tăng khả năng hòa tan của kim loại; ảnh hưởng lớn đến cây cối, động vật và sinh vật dưới nước; làm đẩy nhanh quá trình phân rã của vật liệu xây dựng và sơn…
Sự phát thải ô xít lưu huỳnh có liên quan trực tiếp đến hàm lượng lưu huỳnh có trong nhiên liệu. Do vậy, để giảm hàm lượng ô xít lưu huỳnh cần sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp.