5
Chương 1
TÁC HẠI C
Ủ
A
CÁC CH
Ấ
T Ô NHI
Ễ
M
TRONG KHÍ X
Ả
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1. Giới thiệu
Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocarbure với không khí chỉ sinh ra CO
2
,
H
2
O và N
2
. Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như do
tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả
động cơ đốt trong luôn có chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như oxyde
nitơ (NO, NO
2
, N
2
SO
4
. Mặt khác, để tăng
tính chống kích nổ của nhiên liệu, người ta
pha thêm Thétraétyle chì Pb(C
2
H
5
)
4
vào
xăng. Sau khi cháy, những hạt chì có đường
kính cực bé thoát ra theo khí xả, lơ lửng
trong không khí và trở thành chất ô nhiễm
đối với bầu khí quyển, nhất là ở khu vực
thành phố có mật độ giao thông cao.
Một trong những thông số có tính tổng quát ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô
nhiễm của động cơ là hệ số dư lượng không khí a. Hình 1.1 trình bày một cách định tính
sự phụ thuộc của nồng độ NO, CO và HC trong khí xả
theo a. Động cơ đánh lửa cưỡng
bức thường làm việc với hệ số dư lượng không khí a ≈ 1. Theo đồ thị này thì động cơ làm
Hình 1.1: Biến thiên nồng độ các chất
ô nhiễm theo hệ số dư lượng không khí
1
0
,
8
1
,
Bảo vệ môi trường không phải chỉ là yêu cầu của từng nước, từng khu vực mà nó
có ý nghĩa trên phạm vi toàn cầu. Tùy theo điều kiện của mỗi quốc gia, luật lệ cũng như
tiêu chuẩn về ô nhiễm môi trường được áp dụng ở những thời điểm và với mức độ khắt
khe khác nhau.
Ô nhiễm môi trường do động cơ phát ra được các nhà khoa học quan tâm từ đầu
thế kỉ 20 và nó bắt đầu thành luật ở một số nước vào những năm 50. Ở nước ta, luật bảo
vệ môi trường có hiệu lực từ ngày 10-1-1994 và Chính phủ đã ban hành Nghị định số
175/CP ngày 18-10-1994 để hướng dẫn việc thi hành Luật bảo vệ môi trường.
1.2. Ô nhiễm không khí là gì?
Chúng ta có thể tham khảo định nghĩa sau đây do Cộng đồng Châu Âu đưa ra vào
năm 1967: "Không khí gọi là ô nhiễm khi thành phần của nó bị thay đổi hay khi có sự hiện
diện của những chất lạ gây ra những tác hại mà khoa học chứng minh được hay gây ra sự
khó chịu đối với con người". Theo định nghĩa đó thì:
- Các chất gây ô nhiễm có thể gây nguy hại đến tự nhiên và con người mà khoa học
ở thời điểm đó nhận biết được hay chỉ đơn thuần gây ra sự khó chịu chẳng hạn như mùi
hôi, màu sắc
- Danh sách các chất ô nhiễm cũng như giới hạn về nồng độ cho phép của chúng
trong các nguồn phát thải có thể thay đổi theo thời gian.
Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
7
Đến nay, người ta đã xác định được các chất ô nhiễm trong không khí mà phần lớn
những chất đó có mặt trong khí xả của động cơ đốt trong. Bảng 1.1 dưới đây cho thấy sự
gia tăng nồng độ một cách đáng ngại của một số chất ô nhiễm trong bầu khí quyển:
Bảng 1.2: Tỉ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Nhật (tính theo %)
Nguồn phát ô nhiễm CO HC NO
x
Ô tô 93,0 57,3 39
Sản xuất điện năng 0,1 0,1 21,5
Quá trình cháy trong
công nghiệp
0,0 26,4 31,3
Các quá trình cháy
khác
6,3 0,7 0,8
Công nghiệp dầu mỏ - 14,8 5,1
Các hoạt động khác 0,6 0,7 2,6
Tổng cộng
100 100 100
Bảng 1.3: Tỉ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Mĩ (tính theo %)
Nguồn phát ô nhiễm CO HC NO
x
Ô tô 64,7 45,7 36,6
Các phương tiện giao
thông khác
9,0 7,2 10,5
Quá trình cháy công
nghiệp
9,1 16,8 42,8
tác dụng với O
2
ở điều kiện nhiệt độ cao (vượt quá 1100°C). Monoxyde nitơ
(x=1) không nguy hiểm mấy, nhưng nó là cơ sở để tạo ra dioxyde nitơ (x=2). NO
2
là chất
khí màu hơi hồng, có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong không khí
đạt khoảng 0,12ppm. NO
2
là chất khó hòa tan, do đó nó có thể theo đường hô hấp đi sâu
vào phổi gây viêm và làm hủy hoại các tế bào của cơ quan hô hấp. Nạn nhân bị mất ngủ,
ho, khó thở. Protoxyde nitơ N
2
O là chất cơ sở tạo ra ozone ở hạ tầng khí quyển.
- Hydocarbure: Hydrocarbure (HC) có mặt trong khí thải do quá trình cháy không
hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường. Chúng gây tác
hại đến sức khỏe con người chủ yếu là do các hydrocarbure thơm. Từ lâu người ta đã xác
định được vai trò của benzen trong căn bệnh ung thư máu (leucémie) khi nồng độ của nó
lớn hơn 40ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m
3
, đôi khi nó là
nguyên nhân gây các bệnh về gan.
- SO
2
: Oxyde lưu huỳnh là một chất háu nước, vì vậy nó rất dễ hòa tan vào nước
mũi, bị oxy hóa thành H
2
SO
nó trong máu vượt quá 200 đến 250mg/lít.
1.3.2. Đối với môi trường
1. Thay đổi nhiệt độ khí quyển
Sự hiện diện của các chất ô nhiễm, đặc biệt là những chất khí gây hiệu ứng nhà
kính, trong không khí trước hết ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nhiệt của bầu khí
quyển. Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khí
carbonic CO
2
vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa thành
phần carbon. Sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển do sự hiện diện của các chất khí gây hiệu
ứng nhà kính có thể được giải thích như sau:
Quả đất nhận năng lượng từ mặt trời và bức xạ lại ra không gian một phần nhiệt
lượng mà nó nhận được. Phổ bức xạ nhiệt của mặt trời và vỏ trái đất trình bày trên các
hình 1.4 và hình 1.5. Bức xạ mặt trời đạt cực đại trong vùng ánh sáng thấy được (có bước
sóng trong khoảng 0,4-0,73mm) còn bức xạ cực đại của vỏ trái đất nằm trong vùng hồng
ngoại (7-15mm).
Các chất khí khác nhau có dải hấp thụ bức xạ khác nhau. Do đó, thành phần các
chất khí có mặt trong khí quyển có ảnh hưởng đến sự trao đổi nhiệt giữa mặt trời, quả đất
và không gian. Carbonic là chất khí có dải hấp thụ bức xạ cực đại ứng với bước sóng
15mm, vì vậy nó được xem như trong suốt đối với bức xạ mặt trời nhưng là chất hấp thụ
quan trọng đối với tia bức xạ hồng ngoại từ mặt đất. Một phần nhiệt lượng do lớp khí CO
2
giữ lại sẽ bức xạ ngược lại về trái đất (hình 1.6) làm nóng thêm bầu khí quyển theo hiệu
Hình 1.4: Phổ bức xạ từ mặt trời Hình 1.5: Phổ bức xạ từ mặt đất
Hình 1.6: Hiệu ứng nhà kính
Với tốc độ gia tăng nồng độ khí carbonic trong bầu khí quyển như hiện nay, người
ta dự đoán vào khoảng giữa thế kỉ 22, nồng độ khí carbonic có thể tăng lên gấp đôi. Khi
đó, theo dự tính của các nhà khoa học, sẽ xảy ra sự thay đổi quan trọng đối với sự cân bằng
nhiệt trên quả đất:
- Nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tăng lên từ 2 đến 3°C.
- Một phần băng ở vùng Bắc cực và Nam cực sẽ tan làm tăng chiều cao mực
Bức xạ mặt trời
Bức xạ mặt đất
Lớp khí gây hiệu ứng nhà kính
Chương 1: Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong
11
12
Chương 2
QUY TRÌNH ĐO
CÁC CHỈ TIÊU Ô NHI
Ễ
M
CỦA Ô TÔ
Mức độ phát sinh các chất ô nhiễm phụ thuộc vào điều kiện vận hành cũng như tình
Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của mỗi nước căn cứ vào chế độ giao thông tiêu
biểu của nước đó. Bảng 2.1 so sánh các thông số đặc trưng của một số quy trình được áp
dụng rộng rãi nhất hiện nay.
Bảng 2.1: So sánh các thông số đặc trưng của một số quy trình thử tiêu biểu
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô
13
Thông số Đơn vị ECE California FTP72 FTP75 Nhật 10
chế độ
Nhật 11
chế độ
Tốc độ trung bình (km/h)
18,7 35,6 31,5 34,1 17,7 30,6
Tốc độ trung bình
(không kể thời gian
không tải)
(km/h) 27,1 41,7 38,3 41,6 24,1 39,1
Gia tốc trung bình (m/s
2
)
0,75 0,68 0,60 0,67 0,54 0,64
Giảm tốc trung bình (m/s
2
)
0,75 0,68 0,70 0,71 0,65 0,60
Thời gian trung bình
- Điều kiện đường sá: Tùy vào chất lượng đường sá của mỗi nước mà chế độ hoạt
động của các phương tiện khác nhau, do đó khả năng phát ô nhiễm của chúng cũng khác
nhau. Tiêu chuẩn ô nhiễm vì vậy cũng cần xét đến yếu tố này. 2.4. Quy trình thử của một số nước
2.4.1. Quy trình thử của Mĩ
a. Quy trình FTP 72 và FTP 75
20
40
60
Vận tốc (m/s)
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô
14
Đây là quy trình thử cũ được sử dụng từ năm 1968. Nó gồm 7 giai đoạn giống hệt
nhau (hình 2.2) và cách bởi thời gian chạy không tải. Quy trình thử kéo dài trong 16 phút 19
giây. Động cơ khởi động ở trạng thái nguội sau khi dừng ít nhất 12 giờ ở điều kiện nhiệt độ
môi trường. Quy trình này hiện nay đã được thay thế bằng các quy trình FTP trên đây.
979s
0
50
100
km/h
20
40
60
0
400
Giai đoạn quá độ nóng
Thời
g
ian
(
s
)
Vận tốc (m/s)
Quy trình FTP 72
(Federal Test Procedure) (hình
2.1a) bao gồm hai giai đoạn. Giai
đoạn 1 kéo dài trong 505s, tương
công đoạn thử tương ứng với chế độ vận hành của ô tô ở vùng ngoại thành (hình 2.3b).
Công đoạn bổ sung có tốc độ cực đại là 120km/h, thời gian thử là 400s tương ứng một
quãng đường 6,955km với tốc độ trung bình 62,6km/h. Công đoạn thử bổ sung này được
tiến hành sau khi đã thực hiện chu trình ECE và được bắt đầu bằng một giai đoạn chạy
không tải 20s. Mức độ ô nhiễm được cho theo đơn vị g/km thay vì g/lần thử.
n bổ sun
g
n
g
o
ạ
i thành
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô
16
Hình 2.3: Quy trình thử ECE, EUDC của Cộng đồng Châu Âu
2.4.3. Quy trình thử của Nhật Bản
a. Quy trình thử 10 chế độ
Hình 2.4: Quy trình thử 10 chế độ của Nhật. Hình 2.5: Quy trình thử 11 chế độ của Nhật.
Quy trình thử 10 chế độ ứng với điều kiện giao thông trong thành phố. Thời gian của
mỗi công đoạn thử là 135s, ứng với quãng đường 0,664km với tốc độ trung bình 17,7km/h
(hình 2.4). Quy trình thử được lập lại với 6 công đoạn như nhau. Nồng độ ô nhiễm được
biểu diễn theo g/km.
135s
0
20
40
km/h
120s
60
0
20
40
km/h
100
200
300 400 500
600
660(s)
60
80
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô
17
4,16km trong thời gian 660s với tốc độ trung bình 22,7km/h. Quy trình này được áp dụng
cho ô tô du lịch xuất xưởng sau tháng 11 năm 1991. Đến tháng 10 năm 1993 nó được áp
dụng thêm cho xe tải dưới 2,5 tấn. 2.5. Nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả ô tô
2.5.1. Các chất ô nhiễm thể khí
1. Hoa Kì
Hình 2.7 trình bày sự thay đổi theo thời gian về nồng độ cho phép của các chất ô
nhiễm trong khí xả ô tô áp dụng ở các nước trong Cộng đồng Châu Âu. Trước năm 1984,
tiêu chuẩn được tính chung đối với HC+NO
x
nhưng sau đó được quy định riêng cho từng
chất.
Q đ
ị hEU
Tr
ư
ớc khi có
quy đ
ịnh EU
Đo thêm NO
x
Quy trình
% giá trị trước
khi quy định
Ô
tô cỡ trung 1130kg, 1400-2000 c
Loại động cơ
(V (lít) là thể tích
xi lanh)
CO
(g/km)
HC+NO
x
(g/km)
NO
x
(g/km)
Năm áp dụng
Xăng V>2,0
6,17 1,6 0,86 1988
Xăng 1,4≤V≤2,0
7,4 1,97 - 1991
Xăng V<1,4
4,6 1,23 - 1992
Diesel V>2,0
7,4 1,97 - 1988
Diesel 1,4≤V≤2,0
7,4 1,97 - 1991
Diesel V<1,4
4,6 1,23 - 1992
Các quốc gia Đông Âu cũ trước đây cũng áp dụng tiêu chuẩn của Cộng đồng Châu
Âu ECE.
3. Nhật Bản
1979 - 680ppm - 670ppm - 450ppm
1982 - 680ppm - 670ppm - 390ppm
1983 - 680ppm - 670ppm - 610ppm
1987 2,7(g/km) - 0,62(g/km
)
- 0,98(g/km
)
-
Bảng 2.6: Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với ô tô vận tải nhẹ sử dụng động cơ xăng hay GPL Năm
CO (g/km) HC (g/km) NO
x
(g/km)
10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ 10 C.độ 11 C.độ
1973 26 - 3,8 - 3,0 -
1975 17 31,83 2,7 4,16 2,3 4,9
1979 17 31,89 2,7 4,16 1,6 2,69
1981 17 31,83 2,7 4,16 1,26 2,33
1988 17 31,83 2,7 4,16 0,7 2,33
Các loại xe vận tải và ô tô buýt sử dụng động cơ Diesel tuân theo cùng tiêu chuẩn ô
nhiễm của xe du lịch dùng động cơ Diesel.
4. Các nước khác
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô
20
0,62
0,25
Úc và
New
Zealand
1976
1982
1986
FTP 72
FTP 72
FTP 75
24,20
22,00
9,30
2,10
1,91
0,93
1,90
1,73
1,90
Đài Loan 1987
1988
1989
ECE
ECE
FTP 75
14,31
14,31
2,11
4,69
10 C.độ
10 C.độ
FTP 75
FTP 75
26
18
8
2,11
3,8
2,8
2,1
0,25
3,0
2,5
1,5
0,62
Mexico 1989
1990
1991
1993
FTP 75
FTP 75
FTP 75
FTP 75
21,9
18,52
6,96
2,11
1,99
2.5.2. Các quy định về nồng độ bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel
Các quy định về nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm dạng khí trong khí xả động
cơ được áp dụng rất sớm so với các quy định về nồng độ bồ hóng. Tiêu chuẩn Liên Bang
Hoa Kì quy định, theo chu trình đo 2.8, độ mờ không được vượt quá 20% khi gia tốc, 15%
khi phanh và 50% ở một điểm bất kì của chu trình. Theo tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu ở
chế độ ổn định đầy tải, giới hạn của hệ số hấp thụ quang học theo lưu lượng của dòng khí
xả cho ở bảng 2.8 hoặc hình 2.9.
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô
21
Tiêu chuẩn độ khói trong khí xả động cơ Diesel được đo theo các đơn vị khác nhau
phụ thuộc từng nước: Hệ số hấp thụ quang học k (Cộng đồng Châu Âu, Úc, Brazil), độ mờ
(Mĩ, Hàn Quốc), chỉ số Bosch (Nhật, Thụy Điển). Bảng 2.9 giới thiệu tiêu chuẩn độ khói
của một số nước.
Bảng 2.8: Giới hạn hệ số hấp thụ quang học theo lưu lượng khí xả
của động cơ Diesel làm việc ở chế độ ổn định đầy tải (tiêu chuẩn EU)
G(l/s) k(1/m) G(l/s) k(1/m) G(l/s) k(1/m)
<42 2,260 95 1,535 150 1,225
45 2,190 100 1,495 155 1,205
50 2,080 105 1,465 160 1,190
55 1,985 110 1,425 165 1,170
60 1,900 115 1,395 170 1,155
65 1,840 120 1,370 175 1,140
70 1,775 125 1,345 180 1,125
75 1,720 130 1,320 185 1,110
80 1,665 135 1,300 190 1,095
mờ
(%)
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô
22 Hình 2.8: Tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu
Hình 2.9: Tiêu chuẩn của Cộng đồng Châu Âu về độ khói trong
khí xả động cơ Diesel
Bảng 2.9: Tiêu chuẩn độ khói của động cơ Diesel áp dụng ở một số nước
Quốc gia Năm Chế độ đo Tiêu chuẩn
Cộng đồng
Châu Âu
1972
1982
Gia tốc tự do
(Xem hình 2.9)
k <0,5 m
-1
Bảng 2.10: Tiêu chuẩn ô nhiễm của ô tô ở chế độ không tải20
40
60
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô
23
Quốc gia Loại xe Chất ô nhiễmGiới hạn
Cộng đồng
Châu Âu
Du lịch, vận tải
Mô tô
CO
CO
3,5%
4,5% Thụy Sĩ
Ô tô tải <0,76t hay khách <9 chỗ
Ô tô tải >0,76t hay khách >9 chỗ
Mô tô
CO
HC
CO
HC
CO
0,5%V
Phần lớn các tiểu bang ở Mĩ đã sử dụng quy trình kiểm tra đơn giản để đánh giá mức
độ phát ô nhiễm của ô tô đã qua sử dụng. Quy trình đo được thực hiện ở chế độ không tải
với các tiêu chuẩn quy định đối với nồng độ CO, HC và độ mờ của khí xả động cơ Diesel.
Định kì hằng năm hay cứ hai năm một lần, tất cả ô tô phải qua kiểm tra ô nhiễm bằng quy
trình này. Bảng 2.10 giới thiệu tiêu chuẩn ô nhiễm của ô tô đo ở chế độ không tải ở một số
nước.
Cộng hòa Liên Bang Đức là nước đi đầu ở Châu Âu về kiểm tra định kì tình hình ô
nhiễm của ô tô. Quy trình kiểm tra được thực hiện bằng cách đo nồng độ CO ở chế độ
không tải. Tiếp theo là các nước Thụy Sĩ, Áo, Thụy Điển, Hà Lan.
Ở Thụy Sĩ, từ năm 1986 trở đi, cứ một năm hay ba năm một lần, ô tô phải qua kiểm
tra thành phần CO, CO
2
và HC ở chế độ không tải. Ở Áo, từ năm 1985, hằng năm ô tô buộc
phải qua kiểm tra HC ở chế độ không tải (<600ppm) và độ mờ của khí xả động cơ Diesel ở
chế độ gia tốc tự do. Ở Anh, kiểm tra nồng độ CO ở chế độ không tải bắt buộc đối với ô tô
hằng năm. Giới hạn cho phép của CO là 4,5%. Ở Thụy Điển, hằng năm ô tô phải qua kiểm
tra định kì. Nồng độ CO ở chế độ không tải phải nhỏ hơn 5,5% và độ khói của khí xả Diesel
không được vượt quá 4,5 đơn vị Bosch ở chế độ đầy tải. Thụy điển cũng đề nghị quy trình
thử INCOLL, trong đó không cần băng thử ru-lô mà dùng quán tính của các bộ phận quay
tự do sau động cơ (bánh đà, ly hợp, các bánh răng của hộp tốc độ ) làm tải khi tăng tốc tự
do. Ở Hà Lan, tất cả ô tô đã qua sử dụng quá ba năm đều phải qua kiểm tra ô nhiễm dựa trên
việc đo nồng độ CO ở chế độ không tải.
Chương 2: Quy trình đo các chỉ tiêu ô nhiễm của ô tô
24
2.6.2. Tiêu chuẩn Việt Nam
- Năm 1990, Chính phủ Việt Nam đã ban hành tiêu chuẩn (TCVN 5123-90) quy
Thành phần ô nhiễm
Phương tiện đang sử dụng Phương tiện đăng ký
lần đầu
trong khí thải Phương tiện
động cơ xăng
Phương tiện
động cơ Diesel
Phương
tiện động
cơ xăng
Phương tiện
động cơ
Diesel
Mức 1 Mức 2 Mức 3 Mức 1 Mức 2 Mức 1 Mức 2
CO (% thể tích) 6,5 6,0 4,5 4,5
HC (ppm thể tích) :
- Động cơ 4 kì - 1500 1200 - - 1200 - -
- Động cơ 2 kì - 7800 7800 - - 7800 - -
- Động cơ đặc biệt (có kết
cấu khác với động cơ
kiểu piston tịnh tiến)
- 3300 3300 - - 3300 - -
Độ khói (%HSU) - - - 85 72 - 72 50
_________________________________________________________________________
26
Chương 3
CƠ CHẾ HÌNH THÀNH NO
X
ngay trong quá trình cháy
cũng đã được áp dụng trên động cơ hiện đại: giải pháp hồi lưu khí xả, giải pháp thay đổi
thời kỳ trùng điệp của góc độ phối khí.
Vì vậy, việc hiểu biết tường tận cơ chế hình thành NO
x
để tìm biện pháp hạn chế
nồng độ của chúng ngay trong quá trình cháy là cần thiết. Mức độ phát sinh ô nhiễm trung
bình của quá trình cháy nhiên liệu hydrocarbure như sau:
Chất ô nhiễm Lượng phát sinh
(g/kg nhiên liệu)
NO
x
20
CO 200
HC 25
Bồ hóng
2÷5
Đây là số liệu mang tính chất trung bình ở điều kiện cháy của hỗn hợp có hệ số dư
lượng không khí a=1. Tuy nhiên trong những điều kiện cháy đặc biệt ở áp suất và nhiệt độ
cao với hệ số dư lượng không khí lớn thì tỉ lệ thành phần các chất ô nhiễm cho trong bảng
trên đây thay đổi theo hướng gia tăng NO
x
.
3.2. Tác hại của Oxyde Nitơ
Chương 3: Cơ chế hình thành NO
x
các chất của NO
x
, độc tính của NO
2
cao hơn rất nhiều lần so với NO.
NO
x
chủ yếu do quá trình cháy gây ra. Ngoài các quá trình cháy công nghiệp và
gia dụng, trong sinh hoạt, con người còn chịu đựng ảnh hưởng trực tiếp của NO
x
do khói
thuốc lá gây ra. Tùy theo loại thuốc lá, khi hút một điếu thuốc người hút đã đưa vào phổi
từ 100 đến 600µg NO
x
, trong đó hơn 5% là NO
2
. Với thuốc lá nâu thông thường, trung
bình mỗi điếu sinh ra 350µg NO
x
. Nếu người hút thuốc hít 8 lần, mỗi lần 2s với dung tích
35ml và khoảng thời gian giữa hai lần hít là 60s, chúng ta tính được nồng độ NO
x
trung
bình là 933ppm theo thể tích trong toàn bộ khói thuốc. Nhưng mỗi lần hít vào, khói thuốc
lá hòa tan vào phổi có thể tích 3500ml, nghĩa là đã làm loãng đi 100 lần, nồng độ NO
x
trung bình trong phổi khoảng 9,3ppm đối với người chủ động hút thuốc lá.
10 lần so với nồng độ của chúng trong không khí khi bị ô nhiễm nặng nhất cho thấy các
loại cây này không bị hư hại gì nhưng nồng độ nitơ tổng cộng trong môi trường gia tăng.
Các thí nghiệm trên cây cam trồng trong không gian nhà kính với 4 điều kiện môi
trường không khí như sau:
a. Không khí nguyên thủy nơi làm thí nghiệm
b. Không khí được lọc
c. Không khí lọc + NO
2
với nồng độ môi trường
d. Không khí lọc + 2 lần nồng độ NO
2
trong môi trường
Chương 3: Cơ chế hình thành NO
x
trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
28
Thí nghiệm được tiến hành bằng cách cân lá rụng và trái cây thu hoạch được trong
thời gian cho trước trên một số cành xác định. Người ta thấy rằng lá cây trong điều kiện c
có khuynh hướng rụng nhiều hơn cây trong điều kiện b; Lượng lá rụng nhiều nhất trong
môi trường không khí d nhưng lượng trái cây thu hoạch được tối ưu nhất trong môi trường
c.
Những thí nghiệm khác được tiến hành bằng cách đặt cam trong môi trường không
khí ô nhiễm nặng hơn, có nồng độ NO
2
từ 0,5 đến 1ppm, kéo dài trong 35 ngày cho thấy lá
cây bị vàng và rụng nghiêm trọng. Vì vậy thực vật chỉ bị tác hại khi nồng độ NO
x
Hình 3.1: Ảnh hưởng của NO đến Hình 3.2: Ảnh hưởng của NO
2
đến
quang hợp quang hợp
Khi nồng độ NO
x
lớn hơn 0,5 ÷ 0,7ppm chúng sẽ làm giảm sự quang hợp. Hình 3.1
và 3.2 cho thấy rằng NO và NO
2
làm giảm sự quang hợp với nhiều mức độ khác nhau đối
với cùng thời gian tác động. Sự giảm quang hợp đạt đến trạng thái cân bằng đối với NO
nhanh hơn đối với NO
2
và sau khi môi trường hết ô nhiễm, sự quay trở lại trạng thái ban
đầu đối với NO nhanh hơn đối với NO
2
. Trong những vùng đô thị hóa cao (nồng độ NO
x
đạt khoảng 3,93ppm), sự quang hợp có thể bị giảm đi 25%.
3.3. Cơ chế hình thành Oxyde Nitơ
3.3.1. Cơ chế hình thành monoxyde nitơ
Trong họ NO
x
thì NO chiếm tỉ lệ lớn nhất. NO
60
100
t(s)
Tỉ lệ gia tăng CO
2
5,8ppm
3,2ppm
1,6ppm
Phục hồi
Ảnh hưởng
Chương 3: Cơ chế hình thành NO
x
trong quá trình cháy của động cơ đốt trong
29
vào động cơ tạo ra. Nhiên liệu xăng hay Diesel chứa rất ít nitơ nên ảnh hưởng của chúng
đến nồng độ NO
x
không đáng kể. Nhiên liệu nặng sử dụng ở động cơ tàu thủy tốc độ thấp
có chứa khoảng vài phần nghìn nitơ (tỉ lệ khối lượng) nên có thể phát sinh một lượng nhỏ
NO
x
trong khí xả. Sự hình thành NO do oxy hóa nitơ trong không khí có thể được mô tả
bởi cơ chế Zeldovich. Trong điều kiện hệ số dư lượng không khí xấp xỉ 1, những phản ứng
chính tạo thành và phân hủy NO là:
(3.1)
(3.2)
(3.3)
Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy. Nồng độ NO
cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ oxy. Vì vậy trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ O
2
lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy cũng lớn. 3.3.2. Sự hình thành dioxide nitơ
Nồng độ NO
2
có thể bỏ qua so
với NO nếu tính toán theo nhiệt động
học cân bằng trong điều kiện nhiệt độ
bình thường của ngọn lửa. Kết quả này
có thể áp dụng gần đúng trong trường
hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức. Đối
với động cơ Diesel, người ta thấy có
đến 30% NO
x
dưới dạng NO
2
. Dioxyde
nitơ NO
2
được hình thành từ monoxyde
nitơ NO và các chất trung gian của sản
20
N
O
2
/NO(%)
ON NON
++
←
→
2
NO NOO
++
←
→
2
NOH NOH
++
←
→
NO HO NO OH
++
←
→
22
NO NO
22
2
+
←
→
2
thành NO cũng bị khống chế bởi các vùng không khí có
nhiệt độ thấp. Dioxyde nitơ cũng hình thành trên đường xả khi tốc độ thải thấp và có sự
hiện diện của oxy. Hình 3.4 cho thấy biến thiên của tỉ lệ NO
2
/NO
x
trên đường xả động cơ
Diesel theo chế độ tải. Tỉ lệ này càng cao khi tải càng thấp. NO
2
là chất độc khí nhất trong
họ NO
x
vì vậy việc tổ chức tốt quá trình cháy để giảm tốc độ phản ứng tạo thành và tăng
tốc độ phản ứng phân giải chất ô nhiễm này có ý nghĩa quan trọng.
3.3.3. Sự hình thành protoxyde nitơ
Protoxyde nitơ N
2
O chủ yếu hình thành từ các chất trung gian NH và NCO khi
chúng tác dụng với NO:
(3.7)
(3.8)
N
2
O chủ yếu được hình thành ở vùng oxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao, mà
hydrogène là chất tạo ra sự phân hủy mạnh protoxyde nitơ theo phản ứng:
←
→
2
NO H NH NO
2
++
←
→
NO H N OH
22
++
←
→
Copyright: Tài liệu đại học ©