Kierunek i zastosowania chemii środowiska

Plik chemia środowiska bada procesy chemiczne zachodzące na poziomie środowiskowym. Jest to nauka, która stosuje zasady chemiczne do badania efektów działalności środowiskowej i wpływu wywieranego przez działalność człowieka..

Ponadto chemia środowiska projektuje techniki zapobiegania, łagodzenia i naprawiania istniejących szkód w środowisku..

Chemię środowiska można podzielić na trzy podstawowe dyscypliny, którymi są:

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

Integralne podejście do chemii środowiska wymaga dodatkowo zbadania wzajemnych zależności między procesami chemicznymi zachodzącymi w tych trzech przedziałach (atmosfera, hydrosfera, gleba) a ich związkami z biosferą..

Indeks artykułów

• 1 Chemia środowiska atmosfery
  • 1.1 -Stratosfera
  • 1.2 -Troposfera
• 2 Chemia środowiska hydrosfery
  • 2.1 -Świeża woda
  • 2.2 -Cykl wodny
  • 2.3 - Oddziaływania antropologiczne na obieg wody
• 3 Chemia środowiska gleby
  • 3.1 Gleba
  • 3.2 Oddziaływania antropologiczne na glebę
• 4 Relacja chemiczna-środowisko
  • 4.1 -Model Garrels i Lerman
• 5 Zastosowania chemii środowiska
• 6 Odnośniki

Chemia środowiska atmosfery

Atmosfera to warstwa gazów otaczająca Ziemię; stanowi bardzo złożony system, w którym temperatura, ciśnienie i skład chemiczny zmieniają się wraz z wysokością w bardzo szerokich zakresach.

Słońce bombarduje atmosferę promieniowaniem i wysokoenergetycznymi cząsteczkami; fakt ten ma bardzo znaczące skutki chemiczne we wszystkich warstwach atmosfery, ale w szczególności w warstwie górnej i zewnętrznej.

-Stratosfera

Reakcje fotodysocjacji i fotojonizacji zachodzą w zewnętrznych obszarach atmosfery. W rejonie między 30 a 90 km wysokości mierzonej od powierzchni Ziemi, w stratosferze, znajduje się warstwa zawierająca głównie ozon (O₃), zwany warstwą ozonową.

Warstwa ozonowa

Ozon pochłania wysokoenergetyczne promieniowanie ultrafioletowe pochodzące ze słońca i gdyby nie istnienie tej warstwy, żadna znana forma życia na planecie nie mogłaby przetrwać..

W 1995 roku chemicy atmosferyczni Mario J. Molina (Meksyk), Frank S. Rowland (Amerykanin) i Paul Crutzen (Holender) otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za swoje badania nad niszczeniem i zubożeniem ozonu w stratosferze..

W 1970 Crutzen wykazał, że tlenki azotu niszczą ozon poprzez katalityczne reakcje chemiczne. Później Molina i Rowland w 1974 roku wykazali, że chlor w związkach chlorofluorowęglowodorowych (CFC) jest również zdolny do niszczenia warstwy ozonowej.

-Troposfera

Bezpośrednia warstwa atmosfery na powierzchni Ziemi, o wysokości od 0 do 12 km, zwana troposferą, składa się głównie z azotu (N_dwa) i tlen (O_dwa).

Gazy toksyczne

W wyniku działalności człowieka troposfera zawiera wiele dodatkowych chemikaliów uznawanych za zanieczyszczenia powietrza, takich jak:

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

Wśród wielu innych substancji, które mają wpływ na zdrowie ludzi, roślin i zwierząt.

Kwaśny deszcz

Tlenki siarki (SO_dwa A więc₃) i azotowych, takich jak podtlenek azotu (NO_dwa), powodują 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, wytwarzając kwas siarkowy i azotowy, co prowadzi do wytrącania się kwasów..

Wytrącając ten deszcz, który zawiera silne kwasy, wywołuje szereg problemów środowiskowych, takich jak zakwaszenie mórz i słodkich wód. To powoduje śmierć organizmów wodnych; zakwaszenie gleb powodujące obumieranie upraw i niszczenie przez korozyjne działanie chemiczne budynków, mostów i pomników.

Inne problemy związane ze środowiskiem atmosferycznym to smog fotochemiczny, wywoływany głównie przez tlenki azotu i ozon troposferyczny.

Globalne ocieplenie

Globalne ocieplenie jest spowodowane wysokimi stężeniami CO_dwa atmosferyczne i inne gazy cieplarniane (GHG), które pochłaniają większość promieniowania podczerwonego emitowanego przez powierzchnię Ziemi i zatrzymują ciepło w troposferze. To powoduje zmianę klimatu na naszej planecie.

Chemia środowiska hydrosfery

Hydrosfera składa się ze wszystkich zbiorników wodnych na Ziemi: powierzchniowych lub podmokłych - oceanów, jezior, rzek, źródeł - oraz podziemnych lub warstw wodonośnych..

-Świeża woda

Woda jest najpowszechniejszą substancją płynną na naszej planecie, pokrywa 75% powierzchni Ziemi i jest absolutnie niezbędna do życia..

Wszystkie formy życia zależą od słodkiej wody (definiowanej jako woda o zawartości soli poniżej 0,01%). 97% wody na naszej planecie to woda słona.

Z pozostałych 3% świeżej wody 87% znajduje się w:

• Bieguny Ziemi (które topią się i wlewają do mórz w wyniku globalnego ocieplenia).
• Lodowce (również zanikające).
• Wody gruntowe.
• Woda w postaci pary występującej w atmosferze.

Tylko 0,4% całkowitej słodkiej wody na naszej planecie jest dostępne do spożycia. Odparowywanie wody z oceanów i opady nieustannie zapewniają ten niewielki procent..

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

-Obieg wody

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

1. Spływ powierzchniowy
2. Ewapotranspiracja roślin
3. Infiltracja, podczas której woda przedostaje się do poziomów podziemnych (freatic), krąży kanałami wodonośnymi i wychodzi przez źródła, fontanny lub studnie.

-Oddziaływania antropologiczne na obieg wody

Działalność człowieka ma wpływ na obieg wody; niektóre przyczyny i skutki działań antropologicznych są następujące:

Modyfikacja powierzchni ziemi

Powstaje w wyniku niszczenia lasów i pól z wylesieniem. Wpływa to na obieg wody poprzez eliminację ewapotranspiracji (pobór wody przez rośliny i powrót do środowiska w wyniku transpiracji i parowania) oraz zwiększenie odpływu..

Wzrost spływu powierzchniowego powoduje wzrost przepływu rzek i powodzi.

Urbanizacja modyfikuje również powierzchnię terenu i wpływa na obieg wody, ponieważ porowatą glebę zastępuje nieprzepuszczalny cement i asfalt, co uniemożliwia infiltrację..

Zanieczyszczenie obiegu wody

Cykl wodny obejmuje całą biosferę, w związku z czym odpady wytwarzane przez człowieka są włączane do tego cyklu za pomocą różnych procesów..

Zanieczyszczenia chemiczne w powietrzu przedostają się do deszczu. Substancje agrochemiczne stosowane do gleby, ulegają wymywaniu i infiltracji do warstw wodonośnych lub spływają do rzek, jezior i mórz.

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

Wydobywanie zasobów wodnych z debetem w zasobach wodnych

Te praktyki w zakresie przekroczenia stanu konta powodują wyczerpywanie się zasobów wód gruntowych i powierzchniowych, wpływają na ekosystemy i powodują lokalne osiadanie gleby..

Chemia środowiska gleby

Gleby są jednym z najważniejszych czynników wpływających na równowagę biosfery. Zapewniają kotwiczenie, wodę i składniki odżywcze roślinom, które są producentami ziemskich łańcuchów troficznych.

Gleba

Glebę można zdefiniować jako złożony i dynamiczny ekosystem składający się z trzech faz: fazy stałej z podłożem mineralnym i organicznym, wodnej fazy ciekłej i fazy gazowej; charakteryzuje się posiadaniem określonej fauny i flory (bakterie, grzyby, wirusy, rośliny, owady, nicienie, pierwotniaki).

Właściwości gleby są stale modyfikowane przez warunki środowiskowe i zachodzącą w niej aktywność biologiczną..

Oddziaływania antropologiczne na glebę

Degradacja gleby to proces, który zmniejsza produktywność gleby i może spowodować głęboką i negatywną zmianę w ekosystemie..

Czynniki powodujące degradację gleby to: klimat, fizjografia, litologia, roślinność i działalność człowieka.

Ludzkie działanie może spowodować:

• Fizyczna degradacja gleby (na przykład zagęszczenie spowodowane niewłaściwymi praktykami rolniczymi i ranczerskimi).
• Chemiczna degradacja gleby (m.in. zakwaszenie, alkalizacja, zasolenie, zanieczyszczenie agrochemikaliami, ściekami z działalności przemysłowej i miejskiej, wycieki ropy).
• Biologiczna degradacja gleby (m.in. zmniejszenie zawartości materii organicznej, degradacja szaty roślinnej, utrata mikroorganizmów wiążących azot).

Relacja chemiczno-środowiskowa

Chemia środowiska bada różne procesy chemiczne zachodzące w trzech częściach środowiska: atmosferze, hydrosferze i glebie. Interesujący jest przegląd dodatkowego podejścia do prostego modelu chemicznego, który próbuje wyjaśnić globalne transfery materii zachodzące w środowisku..

-Model Garrels i Lerman

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

Model Garrelsa i Lermana uwzględnia siedem głównych minerałów składowych planety:

1. Gips (CaSO₄)
2. Piryt (FeS_dwa)
3. Węglan wapnia (CaCO₃)
4. Węglan magnezu (MgCO₃)
5. Krzemian magnezu (MgSiO₃)
6. Tlenek żelaza (Fe_dwaLUB₃)
7. Dwutlenek krzemu (SiO_dwa)

Materia organiczna tworząca biosferę (zarówno żywa, jak i martwa) jest reprezentowana jako CH_dwaLub, 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 CO_dwa w atmosferze

Na przykład problem akumulacji CO_dwa w atmosferze jest badany w tym modelu, mówiąc, że: obecnie spalamy węgiel organiczny zmagazynowany w biosferze w postaci węgla, ropy i gazu ziemnego osadzonych w podłożu w przeszłości geologicznej.

Konsekwencją tego intensywnego spalania paliw kopalnych jest stężenie CO_dwa atmosferyczne rośnie.

Zwiększone stężenie CO_dwa w atmosferze ziemskiej wynika z faktu, że tempo spalania węgla kopalnego przewyższa szybkość jego pochłaniania przez inne składniki ziemskiego układu biogeochemicznego (takie jak na przykład organizmy fotosyntetyzujące i hydrosfera).

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

Wielkość biosfery

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

W historii życia na Ziemi masa biosfery zwiększała się etapami z wysokim współczynnikiem fotosyntezy. Spowodowało to magazynowanie netto węgla organicznego i emisję tlenu:

WSPÓŁ_dwa    +   H._dwaO → CH_dwaO + O_dwa

Oddychanie jako aktywność metaboliczna mikroorganizmów i wyższych zwierząt przekształca węgiel organiczny z powrotem w dwutlenek węgla (CO_dwa) i wodę (H._dwaO), czyli odwraca poprzednią reakcję chemiczną.

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

Zastosowania chemii środowiska

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

• Projekt nowych materiałów zwanych MOF (od angielskiego akronimu: Metalowe ramy organiczne). Są bardzo porowate i mają zdolność: pochłaniania i zatrzymywania CO_dwa, dostać H_dwaLub z pustynnych oparów powietrza i przechowuj H._dwa w małych pojemnikach.
• Przekształcanie odpadów w surowce. Na przykład wykorzystanie zużytych opon do produkcji sztucznej trawy lub podeszew do butów. Również wykorzystanie odpadów z przycinania roślin do produkcji biogazu lub bioetanolu.
• Chemiczne syntezy substytutów CFC.
• Rozwój alternatywnych źródeł energii, takich jak ogniwa wodorowe, do wytwarzania niezanieczyszczającej energii elektrycznej.
• Kontrola zanieczyszczenia atmosfery za pomocą filtrów obojętnych i filtrów reaktywnych.
• Odsalanie wody morskiej metodą odwróconej osmozy.
• Opracowanie nowych materiałów do flokulacji zawieszonych w wodzie substancji koloidalnych (proces oczyszczania).
• Odwrócenie eutrofizacji jezior.
• Rozwój „zielonej chemii”, trendu proponującego zastępowanie toksycznych związków chemicznych mniej toksycznymi, oraz „przyjaznych dla środowiska” procedur chemicznych. Przykładowo znajduje zastosowanie przy stosowaniu mniej toksycznych rozpuszczalników i surowców, w przemyśle m.in. w pralniach na sucho..

Bibliografia

1. Calvert, J. G., Lazrus, A., Kok, G. L., Heikes, B. G., Walega, J. G., Lind, J., and Cantrell, C. A. (1985). Mechanizmy chemiczne powstawania kwasów w troposferze. Naturę, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, P.J. (1970). Wpływ tlenków azotu na zawartość atmosfery. Q.J.R. Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, R.M. i Lerman, A. (1981). Cykle fanerozoiczne węgla osadowego i siarki. Materiały z Akademii Nauk Przyrodniczych. ZASTOSOWANIA. 78: 4,652-4,656.
4. Hester, R. E. i Harrison, R. M. (2002). Globalna zmiana środowiska. Królewskie Towarzystwo Chemii. pp 205.
5. Hites, R. A. (2007). Elementy chemii środowiska. Wiley-Interscience. pp 215.
6. Manahan, S. E. (2000). Chemia środowiska. Wydanie siódme. CRC. pp 876
7. Molina, M.J. i Rowland, F.S. (1974). Stratosferyczny pochłaniacz chlorofluorometanów: katalizowane atomem chloru niszczenie 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 troposferycznej chemii atmosfery i mechanizmów chemicznych fazy gazowej do modelowania jakości powietrza. Atmosfera, 3 (1), 1-32. doi: 10.3390 / atm3010001