Phát thải nox là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa phát thải NOx

Phát thải NOx là sự giải phóng các oxit nitơ – chủ yếu là nitric oxide (NO) và nitrogen dioxide (NO₂) – vào khí quyển từ các quá trình đốt cháy nhiên liệu hoặc hoạt động công nghiệp. Các hợp chất NOx có tính phản ứng mạnh, đóng vai trò trung tâm trong bầu khí quyển vì chúng tham gia vào các chuỗi phản ứng photô‑hóa, tạo ozone tầng thấp và vật chất dạng hạt thứ cấp.

Thuật ngữ NOx thường được dùng để chỉ tổng hàm lượng NO và NO₂ trong không khí, không bao gồm nitrous oxide (N₂O), vốn có đặc tính hóa học và vai trò khí hậu khác biệt. Theo định nghĩa từ Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), NO₂ được sử dụng làm chỉ số tiêu biểu để đánh giá mức độ NOx trong không khí vì NO nhanh chóng chuyển hóa thành NO₂ trong điều kiện ánh sáng mặt trời. EPA – NO₂ Pollution Basic Information

Các dạng NOx và đặc điểm hóa học

Trong nhóm NOx, hai dạng phổ biến nhất là nitric oxide (NO) và nitrogen dioxide (NO₂). NO là khí không màu, không mùi, sinh ra trực tiếp từ quá trình đốt cháy, trong khi NO₂ là khí màu nâu đỏ, mùi hắc và có độc tính cao với hệ hô hấp. EEA – Nitrogen Oxides (NOx)

Phản ứng hóa học giữa chúng và oxy trong không khí là:

$2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$

Các dạng oxit nitơ khác như N₂O₃, N₂O₄ hoặc N₂O₅ ít phổ biến trong khí quyển thông thường, hoặc phát sinh trong điều kiện phản ứng đặc biệt. Trong các tài liệu quy chuẩn môi trường, NOx được xem là hỗn hợp phản ứng cao gồm NO và NO₂ chính. Canada – Common Contaminants: Nitrogen Oxides

Nguồn phát sinh NOx

NOx phát sinh từ hai loại nguồn chính: tự nhiên và nhân tạo. Nguồn tự nhiên gồm hiện tượng sét đánh, hoạt động núi lửa, và phản ứng vi sinh trong đất; nguồn nhân tạo chiếm phần lớn gồm các quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch (xăng, dầu diesel, than) trong giao thông vận tải, nhà máy điện, ngành công nghiệp và nông nghiệp.

Theo dữ liệu từ Canada, NOx chủ yếu hình thành từ việc giải phóng nitơ có trong nhiên liệu và không khí khi đốt trong điều kiện nhiệt độ cao. Canada – Nitrogen Oxides

Ví dụ tại Mỹ, giao thông đường bộ chiếm tỷ trọng lớn trong tổng phát thải NOx; EPA xác định NO₂ như chỉ số điển hình để quản lý ô nhiễm NOx do xe cộ và nhà máy. EPA – NO₂ Pollution Basic Information

Cơ chế hình thành NOx trong quá trình cháy

Ba cơ chế hình thành NOx trong đốt cháy được công nhận rộng rãi là: NOx nhiệt (thermal NOx), NOx nhiên liệu (fuel NOx) và NOx tức thời (prompt NOx). Thermal NOx hình thành khi N₂ và O₂ trong không khí phản ứng ở nhiệt độ cao, đặc biệt trên 1300 °C, theo cơ chế Zeldovich.

Fuel NOx xuất phát từ nitơ có trong thành phần nhiên liệu (ví dụ than, dầu nặng), khi bị oxy hóa tạo ra NO hoặc NO₂. Prompt NOx là dạng xuất hiện rất nhanh trong giai đoạn đầu của ngọn lửa, do phản ứng trung gian giữa hydrocarbon và N₂.

Ví dụ phản ứng nhiệt điển hình là:

$N_2 + O_2 \rightarrow 2NO \quad (\text{ở } T > 1300^\circ C)$

Tùy nhiên các chiến lược giảm NOx thường tập trung vào kiểm soát nhiệt độ đốt và tỷ lệ không khí/nhiên liệu để giảm tạo nhiệt NOx và fuel NOx đồng thời.

Ảnh hưởng của NOx đến sức khỏe con người

NO₂ là một trong những chất ô nhiễm không khí có ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe hô hấp. Khi hít phải ở nồng độ cao, NO₂ gây kích ứng mô phổi, làm suy giảm chức năng hô hấp và có thể dẫn đến viêm phế quản cấp và mãn tính. Trẻ em, người già và bệnh nhân hen suyễn đặc biệt nhạy cảm với tác động của NO₂.

Tiếp xúc dài hạn với NOx, ngay cả ở nồng độ thấp, làm tăng nguy cơ phát triển các bệnh như hen suyễn, viêm phổi mãn, bệnh tim mạch và tăng tỷ lệ tử vong sớm. Một số nghiên cứu dịch tễ học quy mô lớn cho thấy mối liên hệ giữa nồng độ NO₂ trong môi trường đô thị và tỷ lệ nhập viện do bệnh tim mạch và hô hấp.

Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), mức giới hạn tiếp xúc NO₂ trong không khí khuyến nghị là 10 µg/m³ trung bình năm, do các bằng chứng về tác hại sức khỏe đã rõ ràng ngay cả dưới mức này.

Tác động môi trường của NOx

NOx là tiền chất quan trọng dẫn đến các hiện tượng môi trường nguy hiểm như mưa axit, tạo ozone tầng đối lưu và bụi mịn thứ cấp (PM₂.₅). Trong khí quyển, NO₂ phản ứng với hơi nước và oxy để tạo ra nitric acid (HNO₃), chất gây axit hóa nước mưa:

$4NO_2 + 2H_2O + O_2 \rightarrow 4HNO_3$

Mưa axit ảnh hưởng đến đất nông nghiệp, phá hủy rừng, gây axit hóa hồ và suối làm chết sinh vật thủy sinh. Ngoài ra, NOx còn tham gia chuỗi phản ứng quang hóa tạo ozone tầng thấp khi có sự hiện diện của VOCs và ánh sáng mặt trời:

$NO_2 + h\nu \rightarrow NO + O \quad ; \quad O + O_2 \rightarrow O_3$

Ozone tầng thấp là chất ô nhiễm thứ cấp có thể gây suy giảm năng suất cây trồng, tăng nguy cơ đột biến thực vật và tổn thương mô động vật.

Các phương pháp đo và giám sát NOx

Giám sát NOx trong môi trường không khí được thực hiện thông qua các kỹ thuật phân tích phổ và điện hóa. Một số phương pháp phổ biến bao gồm:

• Hóa phát quang (Chemiluminescence): Dựa trên phản ứng giữa NO và ozone để tạo ánh sáng huỳnh quang, từ đó định lượng NO.
• Hấp thụ tia cực tím (UV absorption): Đo độ hấp thụ của NO₂ ở bước sóng 405 nm.
• Phân tích hồng ngoại không phân tán (NDIR): Áp dụng phổ hấp thụ của NOx trong vùng hồng ngoại để xác định nồng độ.

Các trạm quan trắc không khí cố định và di động hiện nay đều sử dụng một trong các phương pháp trên, kết hợp với đo khí ozone, CO và PM để đánh giá mức độ ô nhiễm quang hóa. Ngoài ra, mạng lưới vệ tinh như Sentinel-5P của Copernicus cung cấp dữ liệu NO₂ toàn cầu với độ phân giải cao, phục vụ cho cảnh báo và mô hình hóa khí quyển.

Các biện pháp kiểm soát phát thải NOx

Kiểm soát NOx được thực hiện cả ở đầu nguồn (giảm phát sinh) và cuối nguồn (xử lý khí thải). Một số giải pháp kỹ thuật bao gồm:

• Đốt cháy có kiểm soát: Tối ưu hóa tỷ lệ không khí/nhiên liệu, sử dụng đầu đốt low-NOx để giảm nhiệt độ đốt.
• Hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR): Dẫn một phần khí thải trở lại buồng đốt để làm giảm nhiệt độ cháy.
• Khử NOx chọn lọc bằng xúc tác (SCR): Sử dụng ammonia hoặc ure phản ứng với NOx trên bề mặt xúc tác ở 300–400 °C để tạo thành N₂ và H₂O:

$4NO + 4NH_3 + O_2 \rightarrow 4N_2 + 6H_2O$

$6NO_2 + 8NH_3 \rightarrow 7N_2 + 12H_2O$

Về mặt chính sách, nhiều quốc gia áp dụng tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt như Euro 6 (châu Âu), Tier 3 (Hoa Kỳ), hoặc QCVN 86:2015/BTNMT tại Việt Nam cho xe cơ giới. Các chương trình kiểm tra định kỳ khí thải và giám sát giao thông cũng góp phần giảm phát thải NOx.

Xu hướng công nghệ và chính sách tương lai

Với áp lực từ biến đổi khí hậu và sức khỏe cộng đồng, thế giới đang hướng đến giảm mạnh phát thải NOx thông qua các biện pháp phi công nghệ như chuyển đổi sang giao thông điện hóa, sử dụng hydrogen và năng lượng tái tạo. Các giải pháp công nghệ như AI, cảm biến phân tán chi phí thấp và mô hình hóa dự báo đang được triển khai để cải thiện quản lý chất lượng không khí.

Chính sách Carbon Border Adjustment Mechanism (CBAM) của Liên minh châu Âu sẽ gián tiếp yêu cầu các nước xuất khẩu kiểm soát NOx trong chuỗi sản xuất. Tương lai, cơ chế định giá phát thải theo đơn vị NOx có thể được đưa vào các hệ thống tín chỉ carbon nhằm khuyến khích ngành công nghiệp đổi mới.

Tài liệu tham khảo

1. United States Environmental Protection Agency (EPA). NO₂ Pollution.
2. European Environment Agency (EEA). Nitrogen Dioxide (NO₂).
3. World Health Organization (WHO). Ambient Air Quality and Health.
4. Copernicus Atmosphere Monitoring Service. Air Quality Monitoring.
5. Canada Environment and Climate Change. Nitrogen Oxides.