Chemia środowiska: dziedzina studiów i zastosowań

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. Chemia środowiskowa 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.

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 skutki chemiczne we wszystkich warstwach atmosfery, w szczególności w warstwach najwyższych i zewnętrznych.

-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 (O ₃ ), nazywany warstwą ozonową.

Warstwa ozonowa

Ozon pochłania promieniowanie ultrafioletowe o wysokiej energii, które pochodzi ze słońca, a jeśli nie, to istnienie tej warstwy nie pozwala na istnienie znanego sposobu życia na planecie.

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 (N ₂ ) i tlenu (O ₂ ).

Toksyczne gazy

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

• Dwutlenek i tlenek węgla (CO ₂ i CO).
• Metan (CH ₄ ).
• Tlenek azotu (NO).
• Dwutlenek siarki (SO ₂ ).
• Ozon O ₃ (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 (SO ₂ i SO ₃ ) oraz tlenki azotu, takie jak podtlenek azotu (NO ₂ ), powodują kolejny 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 w konsekwencji prowadzi do wytrącania 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 atmosferycznego CO ₂ i innych gazów cieplarnianych (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 zbiorniki wodne Ziemi: powierzchowne lub humedales - oceany, jeziora, rzeki, źródła - i podziemne lub warstwy wodonośne.

- Słodka 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 gruntowe.
• 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 w sposób ciągły 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 pod ziemią (woda), krąży przez kanały wodne i wychodzi przez sprężyny, sprężyny lub studnie.

-Antropologiczne oddziaływanie 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 z roślin 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 zastępowana cementem i nieprzepuszczalnym asfaltem, co uniemożliwia infiltrację.

Zanieczyszczenie cyklu wodnego

Cykl wodny obejmuje całą biosferę iw 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 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).
• Chemiczna degradacja 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 włączonymi przedziałami biosfery.

Model Garrelsa i Lermana rozważa siedem głównych minerałów składowych planety:

1. Tynk (CaSO ₄ )
2. Piryt (FeS ₂ )
3. Węglan wapnia (CaCO ₃ )
4. Węglan magnezu (MgCO ₃ )
5. Krzemian magnezu (MgSiO ₃ )
6. Tlenek żelaza (Fe ₂ O ₃ )
7. Dwutlenek krzemu (SiO ₂ )

Materia organiczna stanowiąca biosferę (zarówno żywa, jak i martwa) jest reprezentowana jako CH2O, który jest przybliżonym składem stechiometrycznym żywych tkanek.

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

Nagromadzenie CO ₂ w atmosferze

Na przykład problem akumulacji CO ₂ w atmosferze jest badany w tym modelu, mówiąc, że: obecnie spalamy węgiel organiczny zmagazynowany w biosferze, taki jak węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny osadzony w podłożu w minionych czasach geologicznych,

W wyniku tego intensywnego spalania paliw kopalnych wzrasta stężenie CO2 w atmosferze.

Wzrost stężenia CO ₂ w atmosferze ziemskiej wynika z faktu, że tempo spalania węgla kopalnego przekracza szybkość absorpcji węgla przez inne składniki systemu biogeochemicznego Ziemi (takie jak organizmy fotosyntetyczne i na przykład hydrosfera).

W ten sposób emisja CO ₂ 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:

C02 + H2O → CH2O + O2

Oddychając jako aktywność metaboliczna mikroorganizmów i wyższych zwierząt, zamienia węgiel organiczny z powrotem w dwutlenek węgla (CO ₂ ) i wodę (H ₂ O), 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 English: Metal Organic Frameworks ). Są one bardzo porowate i mają zdolność do: pochłaniania i zatrzymywania CO ₂, uzyskiwania H ₂ O z pary powietrza obszarów pustynnych i przechowywania H ₂ w małych pojemnikach.
• Przekształcanie odpadów w surowce. Na przykład używanie 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 niezanieczyszczającej 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.