Khí nhà kính? Đặc điểm và Nguồn gốc phát sinh khí nhà kính

khí nhà kính được thải vào bầu khí quyển, nhiều khí vẫn ở đó trong thời gian dài từ một thập kỷ đến nhiều thiên niên kỷ. Theo thời gian, những khí này bị loại bỏ khỏi bầu khí quyển bởi các phản ứng hóa học hoặc bởi các bể chứa khí thải, chẳng hạn như đại dương và thảm thực vật, những nơi hấp thụ khí nhà kính từ khí quyển. 

Tuy nhiên, do kết quả của các hoạt động của con người, các khí này đi vào bầu khí quyển nhanh hơn so với việc bị loại bỏ, và do đó nồng độ của chúng ngày càng tăng.

1. Khí nhà kính

1.1. Khí nhà kính là gì? Hiệu ứng khí nhà kính là gì?

- Những khí trong bầu khí quyển của Trái đất hấp thụ bức xạ hồng ngoại được gọi là khí nhà kính. 

- Khí nhà kính là những thành phần khí của bầu khí quyển, cả tự nhiên và nhân tạo, hấp thụ và phát ra bức xạ ở các bước sóng cụ thể trong phổ bức xạ trên mặt đất do bề mặt trái đất, bầu khí quyển và các đám mây phát ra. Tính chất này gây ra hiệu ứng nhà kính. 

Cấu trúc của khí nhà kính

1.2. Đặc điểm của khí nhà kính

Các thí nghiệm để đo lượng nhiệt bức xạ (bức xạ hồng ngoại) mà một số chất khí nhất định có thể hấp thụ và truyền đi được Tyndall thực hiện vào những năm 1860. Kết quả cho thấy rằng hơi nước và carbon dioxide là những chất hấp thụ tốt và phát ra bức xạ hồng ngoại.

Mực độ ảnh hưởng của khí nhà kính tương đối phụ thuộc vào sự dồi dào của nó trong khí quyển Trái đất và mức độ khí có thể hấp thụ các bước sóng năng lượng cụ thể.

Chất hấp thụ hiệu quả bức xạ hồng ngoại có cấu hình hấp thụ rộng hơn, có nghĩa là nó có thể hấp thụ phổ bước sóng rộng hơn. 

+ Hơi nước và khí cacbonic có thể hấp thụ các bức xạ có bước sóng trong khoảng từ 4 μm đến 80 μm, trừ các bước sóng từ 8 μm đến 12 μm. 

+ Ozone có thể hấp thụ các bước sóng từ 9 μm đến 10 μm, nhưng như bạn đã biết, nó được tìm thấy ở nồng độ thấp. 

+ Các bước sóng cực tím của mặt trời bị ôzôn ở tầng bình lưu hấp thụ mạnh.

Quang phổ hấp thụ khí nhà kính

Quang phổ hấp thụ khí nhà kính

Hơi nước (H2O), carbon dioxide (CO2), nitơ oxit (N2O), mêtan (CH4) và ozon (O3) là những khí nhà kính chính trong bầu khí quyển của trái đất. 

Hơn nữa, có một số khí nhà kính hoàn toàn do con người tạo ra trong khí quyển, chẳng hạn như halocarbon và các chất chứa clo và brom khác, các khí nhà kính lưu huỳnh hexafluoride (SF6), hydrocacbon (HFC) và perfluorocarbon (PFCs).

Các ngành công nghiệp phát thải khí nhà kính

Dưới đây là các khí nhà kính quan trọng nhất ảnh hưởng đến hệ thống khí hậu của Trái đất.

2. Khí nhà kính Carbon dioxide

 2.1. Đặc điểm của khí nhà kính Carbon dioxide

- Công thức hóa học: CO2

- Thời gian tồn tại trong khí quyển: hàng nghìn năm

là một khí nhà kính quan trọng. Nó tồn tại lâu dài trong bầu khí quyển của Trái đất. Khí cacbonic hấp thụ mạnh năng lượng có bước sóng 15 μm (micromet). Điều này làm cho carbon dioxide trở thành một chất hấp thụ tốt các bước sóng rơi trong vùng bức xạ hồng ngoại của quang phổ.

Nguồn gốc phát sinh khí nhà kính Carbon dioxide

Carbon dioxide liên tục di chuyển vào và ra khỏi khí quyển thông qua bốn quá trình chính: quang hợp, hô hấp, phân hủy hoặc thối rữa hữu cơ, và đốt cháy hoặc đốt cháy vật liệu hữu cơ. 

2.2. Nguồn gốc phát sinh khí nhà kính Carbon dioxide

Một số khí nhà kính xuất hiện tự nhiên chiếm tỉ trọng rất thấp, đa phần Carbon dioxide (CO2) là khí nhà kính chính được thải ra qua các hoạt động của con người.

- Nguồn gốc tự nhiên

+ Các nguồn tự nhiên của CO2 trong khí quyển bao gồm khí thải từ núi lửa, quá trình đốt cháy và phân hủy tự nhiên của chất hữu cơ, và quá trình hô hấp của các sinh vật hiếu khí (sử dụng oxy). Trung bình, các nguồn này được cân bằng bởi một tập hợp các quá trình vật lý, hóa học hoặc sinh học, được gọi là “bể chìm-sinks”, có xu hướng loại bỏ CO2 khỏi khí quyển. Các bồn tự nhiên quan trọng bao gồm thảm thực vật trên cạn, hấp thụ CO2 trong quá trình quang hợp.

+ Carbon dioxide liên tục được trao đổi giữa bầu khí quyển, đại dương và bề mặt đất liền vì nó được sản xuất và hấp thụ bởi nhiều vi sinh vật, thực vật và động vật. Tuy nhiên, việc phát thải và loại bỏ CO2 bằng các quá trình tự nhiên này có xu hướng cân bằng, không có tác động của con người. 

+ Carbon dioxide hiện diện tự nhiên trong khí quyển như một phần của chu trình carbon của Trái đất (vòng tuần hoàn tự nhiên của carbon giữa khí quyển, đại dương, đất, thực vật và động vật). Các hoạt động của con người đang làm thay đổi chu trình carbon - cả bằng cách thêm nhiều CO2 vào khí quyển và bằng cách ảnh hưởng đến khả năng loại bỏ và lưu trữ CO2 của các bể tự nhiên, như rừng và đất, loại bỏ và lưu trữ CO2 khỏi khí quyển. 

Chu trình carbon

- Nguồn gốc từ hoạt động sản xuất của con người:

Kể từ khi cuộc Cách mạng Công nghiệp bắt đầu vào khoảng năm 1750, các hoạt động của con người đã góp phần đáng kể vào việc thay đổi khí hậu làm tăng lượng CO2 và các khí giữ nhiệt khác vào bầu khí quyển.

Hoạt động chính của con người thải ra CO2 là đốt nhiên liệu hóa thạch (than đá, khí đốt tự nhiên và dầu) để cung cấp năng lượng và giao thông vận tải, mặc dù một số quy trình công nghiệp và thay đổi sử dụng đất cũng thải ra CO2. Các nguồn phát thải CO2 chính được mô tả dưới đây:

+ Giao thông vận tải: Việc đốt các nhiên liệu hóa thạch như xăng và dầu diesel để vận chuyển người và hàng hóa là nguồn phát thải CO2 lớn nhất. Danh mục này bao gồm các nguồn vận tải như đường cao tốc và phương tiện chở khách, đi lại bằng đường hàng không, đường biển và đường sắt.

+ Điện: được sử dụng để cung cấp năng lượng cho gia đình, kinh doanh và công nghiệp. Các loại nhiên liệu hóa thạch được sử dụng để tạo ra điện thải ra một lượng CO2 khác nhau. Để sản xuất một lượng điện nhất định, đốt than sẽ tạo ra nhiều CO2 hơn khí tự nhiên hoặc dầu.

+ Ngành công nghiệp: Nhiều quy trình công nghiệp thải ra CO2 thông qua việc tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch. Một số quy trình cũng tạo ra khí thải CO2 thông qua các phản ứng hóa học không liên quan đến quá trình đốt cháy, và ví dụ bao gồm sản xuất các sản phẩm khoáng sản như xi măng, sản xuất kim loại như sắt và thép và sản xuất hóa chất.  Nhiều quy trình công nghiệp cũng sử dụng điện và do đó gián tiếp dẫn đến phát thải CO2 từ sản xuất điện.

Đốt nhiên liệu hóa thạch gây phát sinh CO2

+ Các nguồn khác do con người gây ra bao gồm đốt rừng và dọn đất: sự phát triển của công nghiệp và sự gia tăng dân số làm cho diện tích đất nông nghiệp và diện tích rừng ngày càng thu hẹp. Điều này làm cho quá trình phát sinh khí CO2  tăng lên mạnh mẽ trong những năm gần đây.

3. Khí nhà kính Halocarbon

Halocarbon bao gồm cacbon, clo, flo và hydro. Có bốn loại khí flo chính - hydrofluorocarbon (HFC), perfluorocarbon (PFCs), lưu huỳnh hexafluoride (SF6) và nitơ trifluoride (NF3). Các nguồn phát thải khí flo lớn nhất được mô tả dưới đây.

Không giống như nhiều loại khí nhà kính khác, khí flo không có nguồn gốc tự nhiên và chỉ đến từ các hoạt động liên quan đến con người. 

3.1. Đặc điểm của khí nhà kính Halocarbon

- Công thức hóa học : CFC, HFCs, PFCs, NF3, SF6

- Tuổi thọ trong khí quyển :

+ HFCs: lên đến 270 năm

+ PFCs: 2.600–50.000 năm

+ NF3: 740 năm

+ SF6: 3.200 năm

Chúng bao gồm chlorofluorocarbons (CFCs), là loại khí nhân tạo thường được sử dụng trong tủ lạnh và máy điều hòa không khí. Nồng độ khí CFC trong khí quyển là cao nhất so với bất kỳ halocarbon nào và chúng có thể hấp thụ nhiều bức xạ hồng ngoại hơn bất kỳ loại khí nhà kính nào khác. Tác động của 1 phân tử khí CFC tương đương với 10.000 phân tử khí cacbonic.

Cấu trúc phân tử chlorofluorocarbon

Các khí này trơ về mặt hóa học, không cháy và không mùi nên chúng cũng có thể có tuổi thọ dài trong khí quyển, trong một số trường hợp, kéo dài hàng nghìn năm. Khi thải ra không khí các chất này bay lên trên tầng khí quyển cao và có khả năng làm xói mòn lớp ozon bao quanh trái đất và cho các tia cực tím từ mặt trời đến mặt đất sẽ nhiều hơn, làm tăng thêm nhanh hiệu ứng nhà kính.

3.2. Nguồn gốc phát sinh khí nhà kính Halocarbon

- Thay thế cho các chất làm suy giảm tầng ôzôn

+ Hydrofluorocarbon được sử dụng làm chất làm lạnh, chất đẩy aerosol, chất thổi bọt, dung môi và chất làm chậm cháy. Nguồn phát thải chính của các hợp chất này là việc sử dụng chúng làm chất làm lạnh 

  >> Trong hệ thống điều hòa không khí ở cả xe cộ và tòa nhà. Những hóa chất này được phát triển để thay thế cho chlorofluorocarbons (CFCs) và hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) vì chúng không làm suy giảm tầng ôzôn ở tầng bình lưu. 

Nguồn phát sinh CFC từ hệ thống lạnh

  >> HFC là khí nhà kính mạnh với GWPs cao và chúng được thải vào khí quyển trong quá trình sản xuất và thông qua rò rỉ, bảo dưỡng và thải bỏ thiết bị mà chúng được sử dụng.

👉 Hydrofluoroolefin (HFO) mới được phát triển là một tập hợp con của HFC và được đặc trưng bởi thời gian sống trong khí quyển ngắn và GWP thấp hơn. HFO hiện đang được giới thiệu là chất làm lạnh, chất đẩy aerosol và chất thổi bọt.

+ Ngành công nghiệp: Perfluorocarbon được sản xuất như một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất nhôm và được sử dụng trong sản xuất chất bán dẫn. PFC thường có tuổi thọ dài trong khí quyển và GWP gần 10.000. Lưu huỳnh hexafluoride được sử dụng trong chế biến magiê và sản xuất chất bán dẫn, cũng như khí đánh dấu để phát hiện rò rỉ. HFC-23 được sản xuất như một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất HCFC-22 và được sử dụng trong sản xuất chất bán dẫn.

Công thức Perfluorocarbon

+ Truyền tải và phân phối điện: Lưu huỳnh hexafluoride được sử dụng làm khí cách điện trong các thiết bị truyền tải điện, kể cả cầu dao. GWP của SF 6 là 22.800, khiến nó trở thành khí nhà kính mạnh nhất mà Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu đã đánh giá.

4. Khí nhà kính Nitơ oxit (N2O)

4.1. Đặc điểm của khí nhà kính Nitơ oxit

- Công thức hóa học : N2O

- Thời gian tồn tại trong khí quyển: 114 năm

Các phân tử oxit nitơ trong khí quyển bị loại bỏ bởi một bồn rửa hoặc bị phá hủy thông qua các phản ứng hóa học. Tác động của 1 phân tử N2O đến việc làm ấm bầu khí quyển gần như gấp 300 lần tác động của 1 phân tử carbon dioxide.

4.2. Nguồn gốc phát sinh khí nhà kính Nitơ oxit 

Sự phát thải nitơ oxit xảy ra tự nhiên thông qua nhiều nguồn liên quan đến chu trình nitơ:

+ là sự luân chuyển tự nhiên của nitơ giữa khí quyển, thực vật, động vật và vi sinh vật sống trong đất và nước. Nitơ có nhiều dạng hóa học khác nhau trong suốt chu trình nitơ, bao gồm N2O. Sự phát thải tự nhiên của N2O chủ yếu do vi khuẩn phân hủy nitơ trong đất và đại dương. 

+ Nitơ oxit được loại bỏ khỏi khí quyển khi nó bị hấp thụ bởi một số loại vi khuẩn hoặc bị phá hủy bởi bức xạ tia cực tím hoặc phản ứng hóa học.

- Nông nghiệp

+ Nitơ oxit có thể là kết quả của các hoạt động quản lý đất nông nghiệp khác nhau, chẳng hạn như bón phân hữu cơ và tổng hợp cũng như các hoạt động trồng trọt khác, quản lý phân hoặc đốt phụ phẩm nông nghiệp. 

+ Mặc dù không được hiển thị và ít đáng kể hơn, nhưng phát thải N2O cũng xảy ra do sử dụng đất và các hoạt động quản lý đất trong sử dụng đất, chuyển mục đích sử dụng đất và lâm nghiệp lĩnh vực (ví dụ cháy rừng và đồng cỏ, bón phân nitơ tổng hợp cho đất đô thị (ví dụ: bãi cỏ, sân gôn) và đất rừng, v.v.).

Cháy rừng amazon

- Đốt cháy nhiên liệu: Nitơ oxit được phát ra khi đốt cháy nhiên liệu. Lượng N2O thải ra từ việc đốt cháy nhiên liệu phụ thuộc vào loại nhiên liệu và công nghệ đốt, bảo dưỡng và thực hành vận hành.

- Ngành công nghiệp: Nitơ oxit được tạo ra như một sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất hóa chất như axit nitric, được sử dụng để sản xuất phân bón thương mại tổng hợp và trong sản xuất axit adipic, được sử dụng để sản xuất sợi, như nylon và các sản phẩm tổng hợp khác.

- Chất thải: Nitơ oxit cũng được tạo ra từ quá trình xử lý nước thải sinh hoạt trong quá trình nitrat hóa và khử nitơ có trong nitơ, thường ở dạng urê, amoniac và protein.

5. Khí nhà kính Ozone (O3)

Khí nhà kính quan trọng nhất tiếp theo là ôzôn bề mặt, hoặc mức thấp (O3). Bề mặt O3 là kết quả của ô nhiễm không khí; nó phải được phân biệt với O3 ở tầng bình lưu tự nhiên , có một vai trò rất khác trong cân bằng bức xạ hành tinh. 

là một loại khí nhà kính tương đối nhỏ vì nó được tìm thấy ở nồng độ tương đối thấp trong tầng đối lưu (tầng thấp nhất của khí quyển). Trong tầng đối lưu, nó được tạo ra bởi sự kết hợp của các chất ô nhiễm - chủ yếu là hydrocacbon và các hợp chất oxit nitơ.

Là thành phần chính của tầng bình lưu, khoảng 90% ozon tập trung ở độ cao là 19-23km so với mặt đất. Có chức năng bảo vệ sinh quyển do khả năng hấp thụ các bức xạ tử ngoại và tỏa nhiệt của phân tử ozon.

Hầu hết phân tử ozon bị phân hủy do 4 tác nhân cơ bản là: các nguyên tử oxy, các gốc hydroxyl hoạt động, các oxit nitơ và quan trọng là các hợp chất clo.

- Nguồn gốc tự nhiên chính của bề mặt O3 là sự sụt lún của tầng bình lưu O3 từ tầng trên của khí quyển.

Ngược lại, nguồn nhân tạo chính của bề mặt O3 là các phản ứng quang hóa liên quan đến chất gây ô nhiễm khí quyển carbon monoxide (CO). Các ước tính tốt nhất về nồng độ tự nhiên của bề mặt O3 là 10 ppb, và lực bức xạ ròng do con người phát ra bề mặt O3 là khoảng 0,35 watt trên một mét vuông.

Khí nhà kính Ozone

- Nồng độ ôzôn có thể tăng lên mức không tốt cho sức khỏe (có nghĩa là, các điều kiện mà nồng độ đáp ứng hoặc vượt quá 70 ppb trong tám giờ hoặc lâu hơn) ở các thành phố dễ bị sương mù quang hóa.

6. Khí nhà kính Mêtan (CH4)

6.1. Đặc điểm của khí nhà kính Mêtan

mạnh hơn 30 lần so với khí cacbonic vì là chất hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Tuy nhiên, mêtan có ở nồng độ nhỏ hơn so với carbon dioxide, do đó, đóng góp thực của nó vào hiệu ứng nhà kính không lớn bằng. Khí mêtan cũng tồn tại tương đối ngắn (kéo dài khoảng 8 năm) trong khí quyển. 

Thời gian tồn tại của mêtan trong khí quyển ngắn hơn nhiều so với carbon dioxide (CO2), nhưng CH4 có hiệu quả hơn trong việc bẫy bức xạ so với CO2. Tính theo bảng Anh, tác động so sánh của CH4 lớn hơn 25 lần so với CO2 trong khoảng thời gian 100 năm.

5.2. Nguồn gốc phát sinh khí nhà kính Mêtan

- Các nguồn khí mê-tan tự nhiên bao gồm 

+ Các vùng đất ngập nước nhiệt đới và phía bắc, vi khuẩn ô-xy hóa mê-tan ăn vật chất hữu cơ do mối mọt, núi lửa tiêu thụ, lỗ thoát nước của đáy biển ở các vùng giàu trầm tích hữu cơ và các khí mê-tan hydrat bị mắc kẹt dọc theo thềm lục địa của đại dương và trong băng vĩnh cửu ở cực. 

+ Bể chứa metan tự nhiên chính là bầu khí quyển, vì metan dễ dàng phản ứng với gốc hydroxyl (OH - ) trong tầng đối lưu để tạo thành CO2 và hơi nước (H2O). Khi CH4 đến tầng bình lưu, nó bị phá hủy. Một bồn rửa tự nhiên khác là đất, nơi khí metan bị ôxy hóa bởi vi khuẩn.

- Nông nghiệp:

+ Các vật nuôi trong nhà như gia súc, lợn, cừu và dê sản xuất CH4 như một phần của quá trình tiêu hóa bình thường của chúng. 

+ Ngoài ra, khi phân động vật được lưu trữ hoặc quản lý trong các đầm phá hoặc bể chứa, CH4 được sản xuất. Bởi vì con người nuôi những động vật này để làm thực phẩm và các sản phẩm khác, khí thải được coi là liên quan đến con người.

+ Mặc dù không được thể hiện và ít đáng kể hơn, nhưng phát thải CH4 cũng xảy ra do sử dụng đất và các hoạt động quản lý đất đai trong  Sử dụng đất, Thay đổi mục đích sử dụng đất và lĩnh vực Lâm nghiệp (ví dụ như cháy rừng và đồng cỏ, phân hủy chất hữu cơ trong các vùng đất ngập nước ven biển, v.v.).

- Năng lượng và Công nghiệp . 

+ Hệ thống khí đốt và dầu khí tự nhiên là nguồn phát thải CH4 lớn. 

+ Mêtan là thành phần chính của khí tự nhiên. Khí mêtan được thải vào khí quyển trong quá trình sản xuất, chế biến, lưu trữ, truyền tải và phân phối khí tự nhiên và sản xuất, tinh chế, vận chuyển và lưu trữ dầu thô. Khai thác than cũng là một nguồn phát thải CH4.

Phát thải khí mê tan trong ngành công nghiệp khai thác than thế giới

+ Việc sử dụng và đốt nhiên liệu hóa thạch. Các  hồ chứa nước thủy điện do đầu ống dẫn nước sẽ vào các tuabin đặt sau dưới đáy hồ, với điều kiện áp suất cao, khí CH4 trong nước dễ dàng thoát ra bên ngoài, gây tổn hại cho môi trường.

- Chất thải từ đời sống hằng ngày của con người và doanh nghiệp

+ Mêtan được tạo ra trong các bãi chôn lấp khi chất thải phân hủy và trong quá trình xử lý nước thải. Các bãi rác là nguồn phát thải CH4.

+ Mêtan cũng được tạo ra từ quá trình xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp và từ quá trình ủ phân compost và phân hủy kỵ khí. 

+ Khí mê-tan cũng được thải ra từ các nguồn tự nhiên như các vùng đất ngập nước tự nhiên. Ngoài ra, các quá trình tự nhiên trong đất và các phản ứng hóa học trong khí quyển giúp loại bỏ CH4 khỏi khí quyển. 

7. Khí nhà kính Hơi nước

Hơi nước là khí nhà kính mạnh nhất trong bầu khí quyển của Trái đất, nồng độ của khí này phần lớn được kiểm soát bởi nhiệt độ của khí quyển.

Vai trò chính của hơi nước không phải là tác nhân trực tiếp của lực bức xạ mà là phản hồi khí hậu - nghĩa là, như một phản ứng bên trong hệ thống khí hậu ảnh hưởng đến hoạt động liên tục của hệ thống. 

Sự khác biệt này nảy sinh bởi vì lượng hơi nước trong khí quyển nói chung không thể được biến đổi trực tiếp bởi hành vi của con người mà thay vào đó được thiết lập bởi nhiệt độ không khí. 

Khi không khí trở nên bão hòa (hoặc giữ độ ẩm nhiều nhất có thể không khí ở nhiệt độ đó), độ ẩm dư thừa sẽ ngưng tụ thành các giọt mây. Và nếu những giọt này đủ lớn, chúng sẽ rơi xuống dưới dạng kết tủa.

Kết luận

Một số khí nhà kính xuất hiện tự nhiên và xâm nhập vào khí quyển do kết quả của cả quá trình tự nhiên và chủ yếu từ hoạt động của con người. Tuy nhiên, Khí nhà kính chủ yếu do hoạt động của con người là chính. Trên đây là những nguồn phát sinh của khí nhà kính mà hóa học đời sống mang đến cho bạn đọc. Hi vong mang đến nhiều kiến thức hóa học đời sống và những thú vị hóa học tuyệt vời của môn khoa học tự nhiên này. Chúc các bạn vui vẻ nhé!!!!