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