NOx, CO và Bụi mịn là gì, Tại sao Chúng gây hại cho Chúng ta?

NOx, CO va hạt bụi là ba nhóm khí và chất gây ô nhiễm chính thoát ra từ ống xả của các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong: oxit nitơ sinh ra từ phản ứng giữa nitơ trong không khí với oxy ở nhiệt độ cháy cao, carbon monoxide là sản phẩm của quá trình cháy không hoàn toàn do thiếu oxy, còn hạt bụi được tạo thành từ các hạt bồ kết mịn, thường gặp đặc biệt ở động cơ diesel. Cả ba đều gây hại cho hệ hô hấp và tuần hoàn, vì vậy chúng là mục tiêu hàng đầu của các tiêu chuẩn khí thải.

NOx là gì và động cơ tạo ra nó như thế nào?

NOx là tên gọi chung của các oxit nitơ. Hai thành phần phổ biến nhất là nitric oxide (NO, một nitơ một oxy) và nitrogen dioxide (NO2, một nitơ hai oxy). NO có thể chuyển hóa thành NO2 qua các phản ứng trong khí quyển; trong các báo cáo chất lượng không khí, NO2 được dùng làm chỉ số cho toàn bộ nhóm NOx. Để tôi cũng sửa luôn một sự nhầm lẫn thường gặp: nitrous oxide (N2O) - khí nhà kính ảnh hưởng đến khí hậu - là một chất ô nhiễm khác với NOx.

Cơ chế hình thành là một vấn đề hóa học đơn giản. Nhiệt độ bên trong xy-lanh động cơ đủ để các phân tử nitơ (N2) và oxy (O2) trong không khí phản ứng với nhau. Đây không phải mục tiêu mong muốn của quá trình cháy, mà là sản phẩm phụ tất yếu của nhiệt độ cao. Nhiệt độ và áp suất càng cao thì NOx càng nhiều.

Vì vậy động cơ diesel nổi bật lên ở điểm này. Động cơ diesel hoạt động với lượng không khí dư, tức là cháy "lean" giàu oxy; lượng oxy trên một đơn vị nhiên liệu cùng các giá trị nhiệt độ-áp suất xy-lanh khiến việc tạo ra NOx dồi dào và mạnh hơn so với động cơ xăng. Do đó, trọng tâm kiểm soát NOx luôn nằm ở phía động cơ diesel; khí thải NOx từ phương tiện cũng đã được quản lý từ những năm 1960.

Carbon Monoxide: Không mùi, Không màu, Độc hại

Carbon monoxide là loại khí độc không mùi, không màu, sinh ra do carbon không cháy hoàn toàn. Cơ chế sinh lý đằng sau sự nguy hiểm của nó rất rõ ràng: khi CO vào máu, nó làm rối loạn quá trình vận chuyển oxy. Hậu quả là mệt mỏi, đau đầu, chóng mặt và mất tập trung do não không được cung cấp đủ oxy. Các triệu chứng ban đầu bao gồm đau đầu, buồn ngủ và buồn nôn; phơi nhiễm kéo dài có thể dẫn đến nôn mửa và mất ý thức. Vì không có mùi, mức độ phơi nhiễm nghiêm trọng có thể đạt đến mức chết người mà không được nhận ra.

Chẩn đoán phơi nhiễm lâu dài cũng không phải điều có thể xem nhẹ; việc tiếp xúc mãn tính với CO thường liên quan đến suy giảm trí nhớ, thiếu tập trung và chú ý cũng như các rối loạn vận động kiểu Parkinson. Cũng được biết rằng việc tiếp xúc thường xuyên với khí thải tạo tiền đề cho các vấn đề về hô hấp như viêm phế quản, hen suyễn và ung thư phổi.

Tin tốt về mặt kỹ thuật là: CO là chất ô nhiễm có thể chuyển hóa thành carbon dioxide vô độc trong bộ chuyển đổi xúc tác. Rủi ro nằm ở phần khí không đến được bộ chuyển đổi; nếu đường ống xả có rò rỉ, CO có thể thoát ra ngoài mà không được xử lý. Vì vậy, tính toàn vẹn của đường ống xả không chỉ là vấn đề ồn ào mà còn là vấn đề an toàn.

Vì Sao Vật Chất Nghiêm Trọng Như PM2.5?

Vật chất là hỗn hợp của các hạt rắn và lỏng nhỏ trong không khí; đó chính là điều chúng ta gọi trong ngôn ngữ hàng ngày là "bụi" hay "muội". Quy mô nguy hiểm liên quan trực tiếp đến kích thước của hạt. Các hạt PM2.5 có đường kính dưới 2,5 micron, nhờ kích thước nhỏ có thể xâm nhập sâu vào hệ hô hấp và tuần hoàn. Các hạt siêu mịn, chiếm 80-95% bụi diesel, nhỏ đến mức có thể xâm nhập vào các tế bào phổi.

PM được coi là yếu tố chính gây ra các tác động tiêu cực đến sức khỏe liên quan đến việc tiếp xúc khí thải diesel. Các tác động mà các cơ quan y tế liệt kê bao gồm:

• Tử vong sớm ở những người mắc bệnh tim hoặc phổi
• Nhồi máu cơ tim không tử vong và rối loạn nhịp tim
• Bùng phát hen suyễn, viêm đường hô hấp và khó thở
• Khi mức độ tiếp xúc ngắn hạn tăng lên, nguy cơ tử vong cấp tính ở những người mắc bệnh tim mạch hoặc rối loạn hô hấp hiện có tăng lên

Tác động không chỉ giới hạn ở sức khỏe. Ô nhiễm vật chất làm giảm tầm nhìn, ảnh hưởng tiêu cực đến khí hậu và hệ sinh thái, gây suy giảm vật liệu. Nói cách khác, muội than thoát ra từ ống xả không chỉ là vấn đề hô hấp mà còn là vấn đề kỹ thuật môi trường.

Hydrocarbon Chưa Cháy (HC): Chúng Từ Đâu Đến?

Trong bảng khí thải còn có một chất ô nhiễm khác không xuất hiện thường xuyên như NOx nhưng vẫn nằm trong bảng đó: hydrocarbon chưa cháy. Các nguồn của chúng nghe quen thuộc. Khí blow-by rò rỉ từ hộp trục khuun quay lại buồng đốt, hỗn hợp nhiên liệu-không khí kẹt trong khe rãnh vòng xéc măng, nhiên liệu lỏng trong cổ trú và màng dầu trên thành xi lanh là những nguồn chính. Khi vận hành ở tải cao, khe rãnh vòng xéc măng là nguồn phát thải HC chính.

Còn một nguồn nằm ngoài buồng đốt: bốc hơi nhiên liệu. Ngoài khí thải từ ống xả còn có tổn thất do nhiên liệu bốc hơi từ bình chứa và các đường ống. Ví dụ, hỗn hợp etanol tỷ lệ thấp khiến xăng dễ bay hơi hơn, từ đó có thể làm tăng khí thải do bốc hơi. Cháy không hoàn toàn, thiếu oxy hoặc điều kiện cháy kém là các yếu tố phía đốt làm tăng HC trực tiếp.

Tiêu Chuẩn Khí Thải Nào Nhắm Đến Khí Nào Và Vì Sao?

Các tiêu chuẩn khí thải Euro là tập hợp quy định xác định lượng chất ô nhiễm tối đa mà một xe có thể phát thải hợp pháp; được giới thiệu vào năm 1992 cùng với yêu cầu bắt buộc về bộ chuyển đổi xúc tác. Logic rất đơn giản: vì cơ chế gây hại của mỗi chất ô nhiễm khác nhau nên mỗi loại được đặt một giới hạn riêng. CO nhắm vào việc vận chuyển oxy, NO2 nhắm vào đường hô hấp, PM nhắm vào tim và phổi, vì vậy các tiêu chuẩn đo lường cả ba riêng biệt.

Lịch sử của các tiêu chuẩn cũng cho thấy logic phân biệt này: Từ giai đoạn Euro 2, châu Âu đã đặt các giới hạn khác nhau cho xe diesel và xe xăng. Xe diesel chịu giới hạn CO nghiêm ngặt hơn nhưng được phép phát thải NOx cao hơn; trong khi xe xăng được miễn tiêu chuẩn hạt cho đến Euro 4. Euro 6 có hiệu lực từ tháng 9 năm 2014, siết chặt đáng kể giới hạn NOx và PM của xe diesel, đồng thời đưa ra yêu cầu giới hạn không chỉ khối lượng mà cả số lượng hạt mịn trên cả động cơ diesel và động cơ xăng phun trực tiếp (GDI). Ở phía diesel, yêu cầu này đòi hỏi việc áp dụng rộng bộ lọc hạt diesel (DPF).

Còn khoảng cách giữa phòng thí nghiệm và đường thực tế đã trở thành tâm điểm tranh luận sau Dieselgate. Từ tháng 9 năm 2017, các xe phải qua các bài kiểm tra RDE đo lường trong điều kiện lái thực tế. Kết quả có thể đo lường được: Trong giai đoạn các quy tắc Euro có hiệu lực, lượng phát thải NOx từ năm 2001 đến 2017 đã giảm 84%. Các giới hạn nghiêm ngặt còn buộc hệ thống SCR trở nên phổ biến trên xe diesel.

Các Khí Này Được Làm Sạch Như Thế Nào Trước Khi Thoát Ra Khỏi Ống Xả?

Chuỗi xử lý hậu ống xả hiện đại thiết kế một giải pháp riêng cho từng chất ô nhiễm. SCR (Khử chọn lọc bằng xúc tác) tiêm dung dịch xả diesel gốc urê - tên gọi hàng ngày là AdBlue - vào dòng khí xả; trong chất xúc tác, NOx được khử thành nitơ và nước vô hại. Việc giảm NOx có thể đạt tới 90%; trong cùng quá trình, HC và CO giảm 50–90%, PM giảm 30–50%. DPF thì giữ bụi bồ hóng một cách vật lý; sự kết hợp DPF + SCR + DEF vừa giữ muội vừa giảm NOx, còn SDPF kết hợp chức năng SCR với bộ lọc thực hiện cùng công việc trong một đơn vị duy nhất. Trong xi-lanh cũng có một biện pháp phòng ngừa: EGR (tuần hoàn khí xả) gửi một phần khí xả trở lại xi-lanh, làm giảm lượng oxy và nhiệt độ cháy; vì nhiệt độ giảm nên lượng NOx hình thành cũng giảm.

Nhờ đó, hồ sơ phát thải của xe mới đã thay đổi rõ rệt. Các mẫu xe mới tuy sản xuất nhiều CO2 hơn một chút nhưng giảm đáng kể lượng CO và NOx so với các thế hệ trước. Về mặt kỹ thuật, đây là một sự đánh đổi có thể chấp nhận được: tác động khí hậu và tác động ô nhiễm là hai thang đo khác nhau, và trước năm 2015, định nghĩa "xe phát thải thấp" chỉ tập trung vào CO2 thấp; Sau Dieselgate, các chất ô nhiễm như NOx đã được đưa lên vị trí nổi bật.

Bối cảnh của cuộc tranh luận về NOx ở châu Âu là gì?

Năm 2015, người ta phát hiện ra rằng Volkswagen đã thao túng hệ thống kiểm soát khí thải của các xe diesel nhằm vượt qua các bài kiểm tra trong phòng thí nghiệm; trên đường thực tế, các xe này thải ra lượng nitơ oxit nhiều hơn tới 40 lần so với mức công bố. Sự việc đơn lẻ này không chỉ dừng lại ở vấn đề của một nhà sản xuất: những năm sau đó, bằng chứng cho thấy gần như tất cả các nhà sản xuất diesel ở châu Âu đã sử dụng các chiến lược hợp pháp hoặc có lẽ bất hợp pháp để xuống dưới mức giới hạn kiểm tra. Việc các bài kiểm tra trong phòng thí nghiệm không phản ánh điều kiện lái xe thực tế cũng giải thích cho sự kéo dài của cuộc tranh luận như một vấn đề về độ tin cậy của các tiêu chuẩn.

Các con số về mặt sức khỏe cho thấy mức độ nghiêm trọng của tranh luận. Người ta ước tính rằng lượng khí thải quá mức của các xe Volkswagen bán tại Đức có thể dẫn đến khoảng 1.200 ca tử vong sớm; lượng khí thải NOx diesel vượt mức vào năm 2015 được cho là liên quan đến khoảng 38.000 ca tử vong sớm trên toàn thế giới, phần lớn gánh nặng này nằm ở châu Âu. Ở châu Âu, mỗi năm khoảng 10.000 người tử vong sớm do khí thải của xe diesel vượt quá giới hạn pháp lý; người ta ước tính rằng việc tiếp xúc NO2 ở các đô thị đã góp phần gây ra ước tính 75.000 ca tử vong sớm trên lục địa châu Âu vào năm 2012. Chi phí sức khỏe của ô nhiễm không khí từ phương tiện giao thông đường bộ ở EU được ước tính là 67-80 tỷ euro mỗi năm.

Các nghiên cứu về việc tiếp xúc lâu dài với NO2; báo cáo các mối liên hệ giữa tử vong do mọi nguyên nhân, tử vong do hô hấp và tim mạch với các triệu chứng hô hấp và chức năng phổi ở trẻ em.

Bức tranh không chỉ đi theo một hướng. Trong giai đoạn 2005-2023, số ca tử vong do PM2.5 ở EU đã giảm 57% và mục tiêu giảm 55% đã được đạt vào năm 2023. Nghĩa là khi quy định, công nghệ và giám sát cùng hoạt động, sự cải thiện có thể đo lường được là khả thi. Các quan điểm cũng khác biệt về nơi nên tìm kiếm giải pháp: một cách tiếp cận tập trung vào các công nghệ kiểm soát khí thải và thực thi tiêu chuẩn, trong khi quan điểm khác cho rằng cách giảm NOx nhanh nhất là chuyển những người sử dụng xe tiêu thụ nhiên liệu nhiều nhất sang xe điện.

Các câu hỏi thường gặp về NOx, CO và Vật chất Hạt

Tại sao PM2.5 nguy hiểm hơn PM10?

Câu trả lời nằm ở kích thước. Các hạt PM2.5 có đường kính dưới 2.5 micron có thể xâm nhập sâu vào hệ hô hấp và tuần hoàn; các hạt lớn hơn như PM10 không thể đạt đến độ sâu này. Khi độ sâu xâm nhập tăng lên, tác động ở cấp độ tế bào và nguy cơ di chuyển đến hệ tim mạch cũng tăng lên.

Loại nào sản xuất nhiều NOx hơn, diesel hay xăng?

Diesel. Động cơ diesel sản xuất lượng NOx lớn hơn vì chúng hoạt động ở nhiệt độ và áp suất cao hơn, với quá trình đốt giàu oxy. Đây cũng là câu trả lời cho lý do tại sao kiểm soát NOx diesel đòi hỏi các hệ thống bổ sung như SCR và EGR.

Các triệu chứng của ngộ độc CO là gì?

Các triệu chứng ban đầu là đau đầu, chóng mặt, buồn ngủ và buồn nôn; trong các giai đoạn tiến triển, xuất hiện nôn mửa và mất ý thức. CO không mùi và không màu nên việc tiếp xúc chỉ được nhận ra khi các triệu chứng xuất hiện.

Không khí trong xe có thể thực sự bẩn hơn không?

Có, trong giao thông dày đặc, không khí hít vào trong xe có thể tồi tệ hơn không khí mà người đi bộ trên cùng con đường hít vào; khí xả có thể lọt trực tiếp vào khoang lái. Đây là minh chứng thực tế cho việc vì sao thiết lập đóng kín cửa sổ và tuần hoàn không khí lại quan trọng.

Tóm lại: mỗi chất ô nhiễm thoát ra từ ống xả đều có cơ chế hình thành, đường gây hại và một giải pháp được thiết kế để đối phó với nó. NOx là dấu ấn của nhiệt độ cao, CO của quá trình cháy không hoàn toàn, PM của bồ hóng, còn HC của nhiên liệu chưa cháy hết; vì tiêu chuẩn đo lường riêng từng chất trong bốn chất này nên cũng dễ hiểu hơn vì sao mỗi công nghệ lại tồn tại.

Nguồn tham khảo

• Vehicle NOx emissions: The basics
• Nitrogen Oxides (NOx)
• Basic Information about NO2 | US EPA
• What is nitrogen oxide and how do cars create it?
• Nitrogen Oxides | ToxFAQs™ | ATSDR
• Health and Environmental Effects of Particulate Matter (PM)
• Carbon Monoxide & Health | California Air Resources Board
• Border Agents Exposure to Carbon Monoxide (CO)
• Inhalable Particulate Matter and Health (PM2.5 and PM10)
• A systematic review of the health effects associated with diesel exhaust
• European emission standards
• Facts About SCR
• Impact of excess NOx emissions from diesel cars on air quality
• VW's excess emissions and premature deaths
• New study quantifies impact of NOx emissions from diesel vehicles
• Air pollution | European Environment Agency
• Unburned hydrocarbon emission mechanisms in small engines
• In-car air pollution