Mưa axit

Mưa axit là hiện tượng khi mưa hoặc bất kỳ dạng giáng thủy nào khác có tính acid một cách bất thường, thể hiện qua độ ion hydro cao (pH thấp). Trong khi hầu hết các loại nước, bao gồm cả nước uống, có mức pH trung tính từ 6,5 đến 8,5, mưa axit có chỉ số pH thấp hơn, thường dao động từ 4 đến 5. Mưa axit càng có tính acid cao thì chỉ số pH càng thấp.

Mưa axit hình thành từ lượng khí SO₂ và N_xO_y phát thải từ các hoạt động công nghiệp, đặc biệt là khi tiêu thụ nhiều than đá, dầu mỏ và các nhiên liệu hóa thạch khác. Từ những năm 1970, một số quốc gia đã thực hiện các biện pháp giảm lượng lưu huỳnh dioxide và oxit nitơ thải vào khí quyển với những kết quả tích cực. Bên cạnh đó, oxit nitơ cũng được tạo ra từ tia sét, và lưu huỳnh dioxide có thể phát sinh từ các vụ phun trào núi lửa. Mưa axit gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng, bao gồm thiệt hại cho rừng, nguồn nước ngọt, đất đai, gây chết côn trùng và sinh vật thủy sinh, ăn mòn kết cấu thép như cầu và công trình, phá hoại các công trình xây dựng bằng đá, cũng như ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người.

Lịch sử

Từ thế kỷ XVII, John Evelyn đã ghi nhận tác động ăn mòn của không khí ô nhiễm và có tính acid lên đá vôi và đá hoa, cho rằng nguyên nhân là do chất lượng kém của đá hoa Arundel. Kể từ cuộc cách mạng công nghiệp, lượng khí dioxide lưu huỳnh và oxit nitơ thải vào khí quyển đã gia tăng. Vào năm 1852, Robert Angus Smith là người đầu tiên phát hiện mối liên hệ giữa mưa acid và ô nhiễm không khí tại Manchester, Anh.

Dù mưa acid đã được phát hiện từ năm 1853, đến cuối thập niên 1960 các nhà khoa học mới thực sự chú ý và nghiên cứu hiện tượng này một cách rộng rãi. Thuật ngữ 'mưa acid' được Robert Angus Smith đưa ra vào năm 1872. Harold Harvey người Canada là một trong những nhà nghiên cứu đầu tiên về hồ 'chết'. Nhận thức về mưa acid tại Hoa Kỳ gia tăng vào thập niên 1970 sau khi báo The New York Times công bố các nghiên cứu từ Hubbard Brook Experimental Forest ở New Hampshire về những tác động tiêu cực của mưa acid đối với môi trường.

Các chỉ số pH đo được trong nước mưa và nước sương thường dưới 2,4 ở các khu vực công nghiệp hóa. Mưa acid công nghiệp là vấn đề nghiêm trọng ở Trung Quốc và Nga cũng như các khu vực chịu ảnh hưởng của gió từ những nơi này. Những khu vực này đốt than chứa lưu huỳnh để cung cấp nhiệt và sản xuất điện.

Vấn đề mưa acid không chỉ gia tăng theo tốc độ phát triển dân số và công nghiệp mà còn trở nên phổ biến hơn. Việc sử dụng các ống khói cao để giảm ô nhiễm đã làm tăng mức độ lan truyền của mưa acid bằng cách phát tán khí thải vào các khu vực tuần hoàn của khí quyển.

Lịch sử mưa acid tại Việt Nam

Mưa acid đã được ghi nhận xuất hiện tại bán đảo Cà Mau vào năm 1998. Dù tỉnh Cà Mau không phải là khu công nghiệp lớn, các nguyên nhân gây mưa acid không chỉ từ những yếu tố cục bộ như giao thông, cháy rừng hay đốt rừng, mà còn có thể đến từ các nguồn ô nhiễm khác như khói công nghiệp, hoạt động núi lửa, và cả từ các quốc gia lân cận như Indonesia, Philippines, Malaysia qua gió. Hiện tượng mưa acid đang gia tăng, đặc biệt ở các thành phố lớn và khu công nghiệp như Hà Nội, Hải Phòng, Việt Trì, Đà Nẵng, Cần Thơ, TP.HCM, Bình Dương. Tại Cần Thơ, tỷ lệ xuất hiện mưa acid trung bình trong mười năm là 58%, còn ở Tây Ninh là 57,9%.

Nguyên nhân

Có nhiều nguyên nhân dẫn đến hiện tượng mưa acid như phun trào núi lửa và các đám cháy, nhưng nguyên nhân chính vẫn là hoạt động của con người. Việc đốt than đá và dầu mỏ, chứa lưu huỳnh, cùng với khí nitơ trong không khí, là nguồn chính gây ra mưa acid. Ôtô, nhà máy nhiệt điện, và các nhà máy khác xả khí SO₂ và NO₂ trong quá trình đốt nhiên liệu. Khi các khí này phản ứng với hơi nước trong khí quyển, chúng hình thành các acid như H₂SO₄ và HNO₃, làm cho nước mưa có tính acid.

Quá trình hình thành mưa acid

Trong các nhiên liệu như than đá và dầu mỏ có chứa nhiều lưu huỳnh, còn không khí chứa nhiều nitơ. Quá trình đốt các nhiên liệu này sản sinh ra khí độc hại như SO₂ và NO₂. Các khí này hòa tan trong hơi nước, tạo thành acid sulfuric (H₂SO₄) và acid nitric (HNO₃). Khi mưa, các acid này hòa vào nước mưa, làm giảm độ pH của nước. Nếu nước mưa có pH dưới 5,6 thì được gọi là mưa acid. Nước mưa có tính acid cao có thể hòa tan các bụi kim loại và oxit kim loại, làm cho nước mưa trở nên độc hại hơn với cây trồng, động vật và con người.

Quá trình hình thành mưa acid diễn ra thông qua các phản ứng hóa học sau đây:

• Lưu huỳnh:

S + O₂ → SO₂;

Khi lưu huỳnh được đốt cháy trong không khí chứa oxi, nó tạo ra khí lưu huỳnh dioxide.

SO₂ + OH· → HOSO₂·;

Phản ứng giữa lưu huỳnh dioxide và các gốc hydroxide tạo thành hợp chất HOSO₂·.

HOSO₂· + O₂ → HO₂· + SO₃;

Hợp chất HOSO₂· phản ứng với O₂ để tạo thành HO₂· và SO₃ (lưu huỳnh trioxide).

SO₃(k) + H₂O(l) → H₂SO₄(l);

Lưu huỳnh trioxide SO₃ phản ứng với nước tạo thành acid sulfuric H₂SO₄, thành phần chính của mưa acid.

• Nitơ:

N₂ + O₂ → 2NO;

2NO + O₂ → 2NO₂;

3NO₂(k) + H₂O(l) → 2HNO₃(l) + NO(k);

Acid nitric HNO₃ là một thành phần quan trọng của mưa acid.

Lắng đọng acid

Lắng đọng ướt

Lắng đọng ướt của acid xảy ra dưới mọi hình thức mưa (như mưa, tuyết,...) và là quá trình loại bỏ acid trong khí quyển, đưa chúng xuống bề mặt trái đất. Đây có thể là kết quả của sự lắng đọng acid trong giọt mưa hoặc từ sự kết tủa của các acid trong mây hoặc dưới mây.

Lắng đọng khô

Lắng đọng khô acid xảy ra khi không có mưa, chiếm từ 20 đến 60% tổng lượng acid lắng đọng. Hiện tượng này xảy ra khi các hạt và khí độc hại bám vào mặt đất, thực vật, hoặc các bề mặt khác.

Tác hại

Mưa acid được phát hiện lần đầu vào năm 1952, nhưng đến thập niên 1960, các nhà khoa học mới bắt đầu nghiên cứu sâu về hiện tượng này. Thuật ngữ 'mưa acid' được Robert Angus Smith đặt ra vào năm 1972. Mưa acid được biết đến là mối nguy lớn đối với môi trường, ảnh hưởng đến xây dựng và bảo tồn di tích lịch sử.

Vào năm 1984, phát hiện tại Đức cho thấy hơn một nửa diện tích rừng miền Tây nước này đang bị hủy hoại, với thiệt hại ước tính khoảng 800 triệu đô la Mỹ. Ở Thụy Sĩ, khoảng 12 triệu cây bị chết, chiếm 14% diện tích rừng, và ở Hà Lan, diện tích rừng bị phá hủy lên đến 40%. Mưa acid tàn phá rừng do làm rửa trôi chất dinh dưỡng và vi sinh vật có lợi, làm suy yếu sức đề kháng của cây, khiến cây dễ mắc bệnh do ký sinh trùng. Lá cây bị mưa acid có hiện tượng 'cháy' lấm chấm và mầm cây chết khô. Cây thông là một trong những loài nhạy cảm nhất với mưa acid.

Mưa acid không chỉ gây tổn hại cho các vùng đất liền mà còn tác động nghiêm trọng đến các ao hồ. Khi mưa acid rơi xuống, nó làm giảm độ pH của nước, dẫn đến sự suy giảm hoặc thậm chí là tuyệt chủng của các sinh vật trong hồ. Kết quả là, nhiều ao hồ trở thành các vùng nước chết. Vào những năm 1950, Na Uy đã phát hiện hiện tượng mưa acid khi nhiều loài cá trong hồ bị suy thoái, và Thụy Điển ghi nhận 4.000 hồ không còn cá, 9.000 hồ mất một phần lớn số cá, và 20.000 hồ khác bị biến đổi môi trường nước.

Mưa acid không chỉ tạo ra các tác động ngay lập tức mà còn có hậu quả lâu dài. Vào năm 1977, Mỹ thải ra 31 triệu tấn oxide lưu huỳnh và 22 triệu tấn oxide nitơ vào khí quyển, dẫn đến tình trạng acid hóa cả trong tuyết. Những bông tuyết có thể bị nhiễm acid, và khi tan chảy, chúng tạo ra nước có nồng độ acid gấp 10 lần so với mưa acid bình thường. Nước acid này thấm xuống đất, làm tăng độ chua, suy thoái đất và ảnh hưởng xấu đến nguồn nước ngầm. Tại Na Uy, có đến 56.000 tấn oxide lưu huỳnh được mưa thấm vào đất mỗi năm, và ở Anh, vùng Perth trải qua cơn mưa acid có nồng độ acid cao gấp 500 lần so với mức tự nhiên.

Mưa acid làm tăng độ chua của đất do nước mưa thấm vào, hòa tan các nguyên tố cần thiết như canxi (Ca), magiê (Mg), dẫn đến suy thoái đất và làm cây cối kém phát triển. Lá cây bị mưa acid thường xuất hiện các đốm cháy và mầm cây có thể chết khô, làm giảm khả năng quang hợp và năng suất của cây. Mưa acid cũng gây hại cho các công trình xây dựng, di tích lịch sử, và tượng đài, đặc biệt là các công trình bằng đá vôi và đá cẩm thạch, do acid phản ứng với canxi trong đá tạo thành thạch cao.

Ảnh hưởng của mưa acid có thể thấy rõ trên các bia mộ cũ, nơi chữ khắc trở nên không thể đọc được do sự ăn mòn. Mưa acid cũng làm tăng tốc độ ăn mòn của các kim loại như sắt, thép, và đồng, làm giảm tuổi thọ của các công trình và gây hư hại bề mặt đá của các công trình.

Dù mưa acid gây ra nhiều tổn thất, nó cũng có những lợi ích bất ngờ. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng mưa acid chứa acid sulfuric có khả năng giảm lượng khí methane phát thải từ các đầm lầy, từ đó góp phần làm giảm hiện tượng nóng lên toàn cầu.

Mưa acid có tác động nghiêm trọng đến sức khỏe con người, gây hại qua không khí và ô nhiễm đất. Khi mưa acid phản ứng với các hóa chất tự nhiên, nó tạo ra các hợp chất độc hại. Những hợp chất này có thể xâm nhập vào nguồn nước uống và chuỗi thực phẩm, gây tổn thương hệ thần kinh ở trẻ em hoặc gây tổn thương não nghiêm trọng, thậm chí tử vong. Các nghiên cứu cho thấy nhôm, một kim loại bị ảnh hưởng bởi mưa acid, có thể liên quan đến bệnh Alzheimer. Khí thải nitơ oxide và sulfur dioxide có thể kích thích cổ họng, mũi, mắt, gây đau đầu, hen suyễn và ho khan.

Khu vực bị ảnh hưởng

Mưa acid tác động nghiêm trọng đến các khu vực toàn cầu như hầu hết Đông Âu từ Ba Lan đến Scandinavia, phần đông của Hoa Kỳ và đông nam Canada. Ngoài ra, khu vực bờ biển đông nam Trung Quốc và Đài Loan cũng bị ảnh hưởng.

Lợi ích

Dù mưa acid chủ yếu gây hại cho môi trường, một nghiên cứu toàn cầu gần đây cho thấy thành phần sunphua trong mưa có thể làm giảm hiện tượng ấm lên toàn cầu bằng cách ảnh hưởng đến quá trình sản xuất methane trong đầm lầy. Methane là một trong những yếu tố gây hiệu ứng nhà kính, chiếm 22% tổng lượng khí gây hiệu ứng này, và vi khuẩn trong đầm lầy là nguồn chính sản xuất methane. Những vi khuẩn này tiêu thụ các chất nền như hydro và axetat trong than bùn, giải phóng methane vào khí quyển. Tuy nhiên, khi mưa acid đổ xuống, vi khuẩn ăn sunphua cạnh tranh với vi khuẩn sinh methane và tiêu thụ các chất nền mà vi khuẩn sinh methane cần. Kết quả là, vi khuẩn sinh methane giảm sản xuất methane. Các thí nghiệm cho thấy sunphua lắng đọng có thể giảm sản lượng methane lên đến 30%.

Biện pháp

Mưa đầu mùa thường chứa nhiều tạp chất, bao gồm các acid như H₂SO₄ và HNO₃. Do đó, không nên sử dụng nước mưa đầu mùa cho sinh hoạt. Một điều đáng lưu ý là những biện pháp chống ô nhiễm xung quanh các nhà máy điện có thể làm gia tăng mưa acid trên diện rộng. Khi các nhà máy xây dựng ống khói cao để giảm ô nhiễm địa phương, các hóa chất gây mưa acid có thể được phát tán xa hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn km.

Để giảm lượng khí SO₂ từ các nhà máy nhiệt điện xuống còn 7,84 triệu tấn vào năm 2020, trước năm 2005, 80% nhà máy phải trang bị thiết bị khử sunphua. Đây là một trong những giải pháp mà chính phủ Trung Quốc đưa ra năm ngoái để hạn chế mưa acid. Các nhà máy lắp đặt thiết bị này sẽ được hưởng giá bán điện cao hơn.

Tuy nhiên, việc thực hiện quy định này rất khó khăn với các nhà máy nhiệt điện cũ. Hầu hết các nhà máy này chưa lắp đặt thiết bị khử sunphua do chi phí lắp đặt lên đến 1/3 tổng đầu tư xây dựng. Các nhà máy thường chọn chịu phạt thay vì đầu tư hệ thống khử sunphua. Năm ngoái, Chính phủ Trung Quốc đã tăng mức phạt khí thải SO₂ từ 210 NDT lên 420 NDT/tấn, và dự kiến năm sau mức phạt sẽ là 630 NDT. Tại tỉnh Quý Châu, chỉ có 2 trong số 9 nhà máy nhiệt điện trang bị thiết bị này. Các chuyên gia khuyến nghị chính phủ nên đầu tư thêm để nâng cấp các nhà máy cũ.

Giải pháp kỹ thuật

Đốt tầng sôi giúp giảm đáng kể lượng lưu huỳnh phát thải từ sản xuất năng lượng.

Kiểm soát khí thải từ các phương tiện giao thông giúp giảm lượng oxide nitơ phát thải từ động cơ xe.

Cần tuân thủ chặt chẽ các quy định về phát thải để hạn chế tối đa sự phát tán của SOx và NOx vào không khí.

Nâng cao chất lượng nhiên liệu hóa thạch bằng cách loại bỏ hoàn toàn lưu huỳnh và nitơ trong dầu mỏ và than đá trước khi sử dụng.

Tìm kiếm và dần thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng các nguồn năng lượng sạch như hydro, đồng thời sử dụng năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường.

Đối với các phương tiện giao thông, cần cải tiến động cơ theo tiêu chuẩn EURO để đảm bảo đốt sạch nhiên liệu, lắp đặt bộ chuyển hóa xúc tác để giảm thiểu NOx (DeNOx) và SOx, nhằm giảm tối đa lượng khí thải phát sinh.

Hiệp ước quốc tế

Nhiều hiệp ước quốc tế đã được thiết lập để kiểm soát sự vận chuyển của các chất ô nhiễm qua các khu vực rộng lớn, chẳng hạn như Nghị định thư Giảm Sulphur theo Công ước về ô nhiễm không khí xuyên biên giới. Canada và Mỹ đã ký Hiệp định chất lượng không khí vào năm 1991. Hầu hết các quốc gia châu Âu và Canada đều đã ký kết các hiệp ước này.

Liên kết bên ngoài