Kierunek i zastosowania chemii środowiskowej



The chemia środowiska Bada procesy chemiczne zachodzące na poziomie środowiska. Jest to nauka, która stosuje zasady chemiczne do badania efektywności środowiskowej i wpływu działalności człowieka.

Dodatkowo, chemia środowiska projektuje techniki zapobiegania, łagodzenia i naprawiania istniejących szkód środowiskowych.

Chemię środowiskową można podzielić na trzy podstawowe dyscypliny:

  1. Chemia środowiska atmosfery.
  2. Chemia środowiska hydrosfery.
  3. Środowiskowa chemia gleby.

Kompleksowe podejście do chemii środowiska wymaga również badania wzajemnych powiązań między procesami chemicznymi zachodzącymi w tych trzech przedziałach (atmosfera, hydrosfera, gleba) i ich relacjami z biosferą.

Indeks

  • 1 Chemia środowiska atmosfery
    • 1.1 -Stratosfera
    • 1.2 -Troposfera
  • 2 Chemia środowiska hydrosfery
    • 2.1 - Świeża woda
    • 2.2 - Cykl wodny
    • 2.3 - Wpływ antropologiczny na obieg wody
  • 3 Środowiskowa chemia gleby
    • 3.1 Gleba
    • 3.2 Wpływ antropologiczny na glebę
  • 4 Związek chemiczno-środowiskowy
    • 4.1 -Model Garrels i Lerman
  • 5 Zastosowania chemii środowiska
  • 6 referencji

Chemia środowiska atmosfery

Atmosfera jest warstwą gazów otaczających Ziemię; jest to bardzo złożony system, w którym temperatura, ciśnienie i skład chemiczny zmieniają się wraz z wysokością w bardzo szerokim zakresie.

Słońce bombarduje atmosferę promieniowaniem i wysokoenergetycznymi cząstkami; fakt ten ma bardzo znaczące działanie chemiczne we wszystkich warstwach atmosfery, w szczególności na najwyższych i zewnętrznych warstwach.

-Stratosfera

Reakcje fotodysocjacji i fotojonizacji zachodzą w zewnętrznych obszarach atmosfery. W rejonie o wysokości od 30 do 90 km, mierzonym od powierzchni ziemi, w stratosferze znajduje się warstwa zawierająca głównie ozon (LUB3), zwany warstwą ozonową.

Warstwa ozonowa

Ozon pochłania wysokoenergetyczne promieniowanie ultrafioletowe, które pochodzi ze słońca, a gdyby nie istnienie tej warstwy, żaden znany sposób życia na planecie nie mógłby przetrwać.

W 1995 r. Chemicy atmosferyczni Mario J. Molina (Meksykanin), Frank S. Rowland (Amerykanin) i Paul Crutzen (Holandia) otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za badania nad zniszczeniem i wyczerpaniem ozonu w stratosferze.

W 1970 Crutzen wykazał, że tlenki azotu niszczą ozon poprzez katalityczne reakcje chemiczne. Następnie Molina i Rowland w 1974 r. Wykazali, że chlor związków chlorofluorowęglowych (CFC) jest również zdolny do niszczenia warstwy ozonowej.

-Troposfera

Warstwa atmosferyczna bezpośrednio nad powierzchnią ziemi o wysokości od 0 do 12 km, zwana troposferą, składa się głównie z azotu (N2) i tlen (O2).

Toksyczne gazy

W wyniku działalności człowieka troposfera zawiera wiele dodatkowych substancji chemicznych uważanych za zanieczyszczenia powietrza, takich jak:

  • Dwutlenek i tlenek węgla (CO2 i CO).
  • Metan (CH4).
  • Tlenek azotu (NO).
  • Dwutlenek siarki (SO)2).
  • Ozon O3 (uważany za zanieczyszczenie w troposferze)
  • Lotne związki organiczne (LZO), proszki lub cząstki stałe.

Wśród wielu innych substancji, które wpływają na zdrowie ludzi i roślin oraz zwierząt.

Kwaśny deszcz

Tlenki siarki (SO2 i TAK3) i azotowe, takie jak podtlenek azotu (NO2), spowodować inny problem środowiskowy zwany kwaśnym deszczem.

Tlenki te, obecne w troposferze, głównie jako produkty spalania paliw kopalnych w działalności przemysłowej i transporcie, reagują z wodą deszczową wytwarzającą kwas siarkowy i kwas azotowy, co powoduje wytrącanie się kwasu.

Wytrącając ten deszcz, który zawiera silne kwasy, wywołuje kilka problemów środowiskowych, takich jak zakwaszenie mórz i wód słodkich. Powoduje to śmierć organizmów wodnych; zakwaszenie gleb, które powoduje śmierć upraw i zniszczenie przez chemiczne działanie korozyjne budynków, mostów i pomników.

Innymi problemami środowiskowymi atmosfery są smog fotochemiczny, powodowany głównie przez tlenki azotu i ozon troposferyczny

Globalne ocieplenie

Globalne ocieplenie jest wytwarzane przez wysokie stężenia CO2 gazy atmosferyczne i inne gazy cieplarniane (GHG), które pochłaniają większość promieniowania podczerwonego emitowanego przez powierzchnię Ziemi i zatrzymują ciepło w troposferze. Powoduje to zmianę klimatu na planecie.

Chemia środowiska hydrosfery

Hydrósfera jest ukształtowana przez wszystkie ciała wodne Ziemi: powierzchowne lub humedales - oceany, jeziora, rzeki, źródła - i podziemne lub warstwy wodonośne.

-Świeża woda

Woda jest najczęstszą substancją ciekłą na planecie, pokrywa 75% powierzchni ziemi i jest absolutnie niezbędna do życia.

Wszystkie formy życia zależą od świeżej wody (zdefiniowanej jako woda o zawartości soli mniejszej niż 0,01%). 97% wody planety to słona woda.

Z pozostałych 3% słodkiej wody 87% to:

  • Bieguny Ziemi (które topią się i wylewają do morza z powodu globalnego ocieplenia).
  • Lodowce (także w trakcie zanikania).
  • Wody podziemne.
  • Woda w postaci pary obecna w atmosferze.

Tylko 0,4% całkowitej słodkiej wody planety jest dostępne do konsumpcji. Parowanie wody z oceanów i opady deszczu stale zapewniają ten niewielki procent.

Chemia środowiskowa wody bada procesy chemiczne zachodzące w obiegu wodnym lub cyklu hydrologicznym, a także opracowuje technologie oczyszczania wody do spożycia przez ludzi, oczyszczania ścieków przemysłowych i miejskich, odsalania wody morskiej, recyklingu i zapisywanie tego zasobu, między innymi.

-Cykl wodny

Cykl wodny na Ziemi składa się z trzech głównych procesów: parowania, kondensacji i opadów, z których pochodzą trzy obwody:

  1. Spływ powierzchniowy
  2. Ewapotranspiracja roślin
  3. Infiltracja, w której woda przechodzi do podziemnych poziomów (wód gruntowych), krąży przez kanały wodonośne i wychodzi przez źródła, źródła lub studnie.

-Wpływ antropologiczny na obieg wody

Działalność człowieka ma wpływ na obieg wody; Niektóre z przyczyn i skutków działania antropologicznego są następujące:

Modyfikacja powierzchni terenu

Powstaje w wyniku niszczenia lasów i pól przez wylesianie. Wpływa to na obieg wody poprzez eliminację ewapotranspiracji (pobieranie wody przez rośliny i powrót do środowiska poprzez transpirację i parowanie) i zwiększanie spływu.

Zwiększony spływ powierzchniowy powoduje zwiększony przepływ rzeki i powodzie.

Urbanizacja modyfikuje również powierzchnię ziemi i wpływa na obieg wody, ponieważ porowata gleba jest zastąpiona cementem i nieprzepuszczalnym asfaltem, co uniemożliwia infiltrację.

Zanieczyszczenie cyklu wodnego

Cykl wodny obejmuje całą biosferę, aw konsekwencji odpady wytwarzane przez człowieka są włączane do tego cyklu przez różne procesy.

Zanieczyszczenia chemiczne w powietrzu zostają włączone do deszczu. Agrochemikalia stosowane do gleby, ulegają odciekowi i infiltracji do warstw wodonośnych lub spływają do rzek, jezior i mórz.

Również odpady tłuszczów i olejów oraz odcieki ze składowisk są wciągane przez infiltrację do wód gruntowych.

Wydobywanie zasobów wodnych z debetem w zasobach wodnych

Te praktyki z przekroczeniem stanu konta powodują wyczerpywanie się zasobów wód podziemnych i powierzchniowych, wpływają na ekosystemy i powodują lokalne osiadanie gleby.

Środowiskowa chemia gleby

Gleby są jednym z najważniejszych czynników równowagi w biosferze. Zapewniają zakotwiczenie, wodę i składniki odżywcze dla roślin, które są producentami w ziemskich łańcuchach troficznych.

Podłoga

Gleby można zdefiniować jako złożony i dynamiczny ekosystem trzech faz: fazy stałej podłoża mineralnego i organicznego, fazy wodnej ciekłej i fazy gazowej; charakteryzuje się szczególną fauny i flory (bakterie, grzyby, wirusy, rośliny, owady, nicienie, pierwotniaki).

Właściwości gleby stale się zmieniają z powodu warunków środowiskowych i rozwijającej się w niej aktywności biologicznej..

Oddziaływania antropologiczne na ziemi

Degradacja gleby jest procesem, który zmniejsza zdolność produkcyjną gleby, zdolną do wywołania głębokiej i negatywnej zmiany w ekosystemie.

Czynnikami powodującymi degradację gleby są: klimat, fizjografia, litologia, roślinność i ludzkie działanie.

Ludzkie działanie może wystąpić:

  • Fizyczna degradacja gleby (na przykład zagęszczenie spowodowane nieodpowiednimi uprawami i praktykami hodowlanymi).
  • Degradacja chemiczna gleby (zakwaszenie, alkalizacja, zasolenie, zanieczyszczenie agrochemikaliami, ścieki z działalności przemysłowej i miejskiej, wycieki ropy, między innymi).
  • Biologiczna degradacja gleby (spadek zawartości materii organicznej, degradacja pokrywy roślinnej, utrata między innymi mikroorganizmów wiążących azot).

Związek chemiczno-środowiskowy

Chemia środowiskowa bada różne procesy chemiczne zachodzące w trzech przedziałach środowiskowych: atmosferze, hydrosferze i glebie. Interesujące jest przejrzenie dodatkowego skupienia się na prostym modelu chemicznym, który próbuje wyjaśnić globalne transfery materii występujące w środowisku.

-Model Garrels i Lerman

Garrels i Lerman (1981) opracowali uproszczony model biogeochemii powierzchni Ziemi, który bada interakcje między atmosferą, hydrosferą, skorupą ziemską i zawartymi w niej przedziałami biosfery..

Model Garrelsa i Lermana rozważa siedem głównych minerałów składowych planety:

  1. Plaster (CaSO4)
  2. Piryt (FeS2)
  3. Węglan wapnia (CaCO3)
  4. Węglan magnezu (MgCO3)
  5. Krzemian magnezu (MgSiO3)
  6. Tlenek żelaza (Fe2O3)
  7. Dwutlenek krzemu (SiO)2)

Materia organiczna tworząca biosferę (zarówno żywa, jak i martwa) jest reprezentowana jako CH2Lub, który jest przybliżonym składem stechiometrycznym żywych tkanek.

W modelu Garrelsa i Lermana, zmiany geologiczne są badane jako transfery netto materii między tymi ośmioma składnikami planety, poprzez reakcje chemiczne i równowagę zachowania masy netto.

Nagromadzenie CO2 w atmosferze

Na przykład problem akumulacji CO2 w atmosferze badany jest w tym modelu, mówiąc: obecnie spalamy węgiel organiczny zmagazynowany w biosferze jako węgiel, ropę naftową i gaz ziemny osadzony w podłożu w minionych czasach geologicznych.

W wyniku tego intensywnego spalania paliw kopalnych stężenie CO2 atmosferyczne wzrasta.

Wzrost stężeń CO2 w ziemskiej atmosferze jest tak, ponieważ szybkość spalania węgla kopalnego przekracza szybkość absorpcji węgla przez inne składniki systemu biogeochemicznego Ziemi (na przykład organizmy fotosyntetyczne i hydrosfera, na przykład).

W ten sposób emisja CO2 do atmosfery w wyniku działalności człowieka przewyższa system regulacyjny, który moduluje zmiany na Ziemi.

Wielkość biosfery

Model opracowany przez Garrelsa i Lermana uważa również, że rozmiar biosfery zwiększa się i zmniejsza w wyniku równowagi między fotosyntezą a oddychaniem.

W historii życia na Ziemi masa biosfery wzrastała stopniowo, z dużą szybkością fotosyntezy. Doprowadziło to do przechowywania netto węgla organicznego i emisji tlenu:

CO2    +   H2O → CH2O + O2

Oddychając jako aktywność metaboliczna mikroorganizmów i wyższych zwierząt, zamienia węgiel organiczny z powrotem w dwutlenek węgla (CO2) i wody (H2O), to znaczy odwraca poprzednią reakcję chemiczną.

Obecność wody, magazynowanie węgla organicznego i wytwarzanie tlenu cząsteczkowego mają zasadnicze znaczenie dla istnienia życia.

Zastosowania chemii środowiska

Chemia środowiskowa oferuje rozwiązania w zakresie zapobiegania, łagodzenia i naprawiania szkód środowiskowych spowodowanych działalnością człowieka. Wśród niektórych z tych rozwiązań możemy wymienić:

  • Projektowanie nowych materiałów zwanych MOF (skrót od angielskiego: Metalowe ramy organiczne). Są one bardzo porowate i mają zdolność do: pochłaniania i zatrzymywania CO2, zdobądź H2Lub pary powietrza z obszarów pustynnych i przechowuj H2 w małych pojemnikach.
  • Przekształcanie odpadów w surowce. Na przykład użycie zużytych opon do produkcji sztucznej trawy lub podeszew butów. Również wykorzystanie odpadów z przycinania roślin do wytwarzania biogazu lub bioetanolu.
  • Synteza chemiczna substytutów CFC.
  • Rozwój alternatywnych źródeł energii, takich jak ogniwa wodorowe, do wytwarzania czystej energii elektrycznej.
  • Kontrola zanieczyszczenia atmosferycznego za pomocą filtrów obojętnych i filtrów reaktywnych.
  • Odsalanie wody morskiej metodą odwróconej osmozy.
  • Opracowanie nowych materiałów do flokulacji substancji koloidalnych zawieszonych w wodzie (proces oczyszczania).
  • Odwrócenie eutrofizacji jezior.
  • Rozwój „zielonej chemii”, trendu, który proponuje zastąpienie toksycznych związków chemicznych mniej toksycznymi i „przyjaznymi dla środowiska” procedurami chemicznymi. Na przykład stosuje się go w mniej toksycznych rozpuszczalnikach i surowcach, w przemyśle, między innymi w pralniach chemicznych..

Referencje

  1. Calvert, J.G., Lazrus, A., Kok, G.L., Heikes, B.G., Walega, J.G., Lind, J., i Cantrell, C.A. (1985). Chemiczne mechanizmy wytwarzania kwasu w troposferze. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
  2. Crutzen, P.J. (1970). Wpływ tlenków azotu na zawartość atmosfery. Q.J.R. Metorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
  3. Garrels, R.M. i Lerman, A. (1981). Fanerozoiczne cykle węgla osadowego i siarki. Materiały z Naturalnej Akademii Nauk. U.S.A. 78: 4,652-4,656.
  4. Hester, R. E. i Harrison, R. M. (2002). Globalna zmiana środowiska. Królewskie Towarzystwo Chemiczne. str. 205.
  5. Hites, R. A. (2007). Elementy chemii środowiska. Wiley-Interscience. str. 215.
  6. Manahan, S. E. (2000). Chemia środowiska. Siódma edycja. CRC str. 876
  7. Molina, M.J. i Rowland, F.S. (1974). Zlew stratosferyczny dla chlorofluorometanów: Katalizowane atomem chloru zniszczenie ozonu. Natura 249: 810-812.
  8. Morel, F.M. i Hering, J.M. (2000). Zasady i zastosowania chemii wodnej. Nowy Jork: John Wiley.
  9. Stockwell, W. R., Lawson, C.V., Saunders, E. i Goliff, W. S. (2011). Przegląd chemii atmosfery troposferycznej i mechanizmów chemicznych w fazie gazowej do modelowania jakości powietrza. Atmosfera, 3 (1), 1-32. doi: 10.3390 / atmos3010001