Područje studija i primjena kemije okoliša

kemija okoliša Proučava kemijske procese koji se odvijaju na razini okoliša. To je znanost koja primjenjuje kemijske principe na proučavanje učinka na okoliš i utjecaje koji proizlaze iz ljudskih aktivnosti.

Osim toga, okolišna kemija dizajnira tehnike prevencije, ublažavanja i sanacije postojećih šteta u okolišu.

Kemija okoliša može se podijeliti u tri osnovne discipline:

1. Kemija okoliša u atmosferi.
2. Kemija okoliša hidrosfere.
3. Okolišna kemija tla.

Sveobuhvatni pristup kemiji okoliša također zahtijeva proučavanje međuodnosa između kemijskih procesa koji se javljaju u ta tri odjeljka (atmosfera, hidrosfera, tlo) i njihovi odnosi s biosferom..

indeks

• 1 Kemija okoliša u atmosferi
  • 1.1 - Stratosfera
  • 1.2 -Tropposfera
• 2 Kemija okoliša hidrosfere
  • 2.1 - Svježa voda
  • 2.2 - Ciklus vode
  • 2.3 - Antropološki utjecaji na vodeni ciklus
• 3 Okolišna kemija tla
  • 3.1 Tlo
  • 3.2 Antropološki utjecaji na tlo
• 4 Kemijsko-okolišni odnos
  • 4.1 -Model Garrels i Lerman
• 5 Primjena kemije okoliša
• 6 Reference

Kemija okoliša u atmosferi

Atmosfera je sloj plinova koji okružuju Zemlju; to je vrlo složen sustav, gdje se temperatura, tlak i kemijski sastav mijenjaju s visinom u vrlo širokom rasponu.

Sunce bombardira atmosferu zračenjem i česticama visoke energije; ta činjenica ima vrlo značajne kemijske učinke u svim slojevima atmosfere, ali posebno u najvišim i vanjskim slojevima.

-stratosfera

Reakcije fotodisociacije i fotoionizacije javljaju se u vanjskim dijelovima atmosfere. U području između 30 i 90 km visine mjereno od zemljine površine, u stratosferi se nalazi sloj koji sadrži uglavnom ozon (OR)₃), nazvan ozonski omotač.

Ozonski sloj

Ozon upija visokoenergetsko ultraljubičasto zračenje koje dolazi od sunca, a ako ne i za postojanje ovog sloja, nema poznatog načina života na planeti, može opstati.

Godine 1995. kemičari atmosfere Mario J. Molina (meksički), Frank S. Rowland (Amerikanac) i Paul Crutzen (Nizozemac), osvojili su Nobelovu nagradu za kemiju za svoja istraživanja o uništavanju i osiromašenju ozona u stratosferi.

Godine 1970. Crutzen je pokazao da dušikovi oksidi uništavaju ozon katalitičkim kemijskim reakcijama. Potom su Molina i Rowland 1974. godine pokazali da je klor spojeva klorofluorougljika (CFC) također sposoban uništiti ozonski omotač..

-troposfera

Atmosferski sloj neposredno iznad zemljine površine, visok između 0 i 12 km, nazvan troposfera, sastoji se uglavnom od dušika (N₂i kisik (O₂).

Otrovni plinovi

Kao rezultat ljudskih aktivnosti, troposfera sadrži mnoge dodatne kemikalije koje se smatraju zagađivačima zraka, kao što su:

• Dioksid i ugljični monoksid (CO₂ i CO).
• Metan (CH₄).
• Dušikov oksid (NO).
• Sumpor dioksid (SO)₂).
• Ozon O₃ (smatra se kontaminantom u troposferi)
• Hlapljivi organski spojevi (VOC), prašci ili krute čestice.

Među mnogim drugim tvarima koje utječu na zdravlje ljudi i biljke i životinje.

Kisele kiše

Oksidi sumpora (SO₂ i SO₃i dušikovih, kao što je dušikov oksid (NO₂), uzrokovati još jedan ekološki problem koji se naziva kisela kiša.

Ovi oksidi, prisutni u troposferi uglavnom kao produkti izgaranja fosilnih goriva u industrijskim aktivnostima i transportu, reagiraju s kišnicom koja proizvodi sumpornu kiselinu i dušičnu kiselinu, s tim što dolazi do kiselih oborina.

Precipitirajući ovu kišu koja sadrži jake kiseline, ona pokreće nekoliko ekoloških problema, kao što je zakiseljavanje mora i slatkih voda. To uzrokuje smrt vodenih organizama; zakiseljavanje tla koje uzrokuje smrt usjeva i uništavanje kemijskim korozivnim djelovanjem zgrada, mostova i spomenika.

Drugi problemi u atmosferi su fotokemijski smog uzrokovan uglavnom dušikovim oksidima i troposferskim ozonom

Globalno zatopljenje

Globalno zagrijavanje nastaje zbog visokih koncentracija CO₂ atmosferski i drugi staklenički plinovi (GHG), koji apsorbiraju veći dio infracrvenog zračenja koje emitira Zemljina površina i zadržavaju toplinu u troposferi. To stvara klimatske promjene na planetu.

Kemija okoliša hidrosfere

Hidrosfera je usklađena sa svim vodenim tijelima Zemlje: površinskim ili humedalima - oceane, jezera, rijeke, izvori - i podzemni ili vodonosnici.

-Slatka voda

Voda je najčešća tekuća tvar na planeti, pokriva 75% površine Zemlje i apsolutno je neophodna za život.

Svi oblici života ovise o slatkoj vodi (definirana kao voda sa sadržajem soli manjim od 0,01%). 97% vode planete je slane vode.

Od preostalih 3% slatke vode, 87% je u:

• Polovi Zemlje (koji se zbog globalnog zagrijavanja topi i ulivaju u mora).
• Ledenjaci (također u procesu nestajanja).
• Podzemne vode.
• Voda u obliku pare prisutna u atmosferi.

Samo 0,4% ukupne slatke vode planeta je dostupno za potrošnju. Isparavanje vode iz oceana i oborina kiše stalno osiguravaju taj mali postotak.

Kemija okoline vode proučava kemijske procese koji se odvijaju u ciklusu vode ili hidrološkom ciklusu te razvija tehnologije za pročišćavanje vode za ljudsku potrošnju, obradu industrijskih i gradskih otpadnih voda, desalinizaciju morske vode, recikliranje i spremanje tog resursa, između ostalog.

-Ciklus vode

Ciklus vode na Zemlji sastoji se od tri glavna procesa: isparavanja, kondenzacije i oborina, od kojih su izvedena tri kruga:

1. Površinsko otjecanje
2. Evapotranspiracija biljaka
3. Infiltracija, u kojoj voda prelazi u podzemne razine (podzemne vode), cirkulira kroz kanale vodonosnika i izlazi kroz izvore, izvore ili izvore.

-Antropološki utjecaji na vodeni ciklus

Ljudska aktivnost utječe na ciklus vode; Neki od uzroka i posljedica antropološkog djelovanja su sljedeći:

Modifikacija površine zemljišta

Nastaje uništavanjem šuma i polja krčenjem šuma. To utječe na ciklus vode uklanjanjem evapotranspiracije (uzimanje vode kroz biljke i povratak u okoliš putem transpiracije i isparavanja) i povećavanje otjecanja.

Povećano površinsko otjecanje uzrokuje povećani protok rijeka i poplave.

Urbanizacija također modificira površinu kopna i utječe na vodeni ciklus, budući da je porozno tlo zamijenjeno cementom i nepropusnim asfaltom, što onemogućava infiltraciju..

Kontaminacija ciklusa vode

Ciklus vode uključuje cjelokupnu biosferu i posljedično, otpad koji stvara ljudsko biće inkorporiran je u ovaj ciklus različitim procesima.

Kemijski zagađivači u zraku ugrađuju se u kišu. Agrokemikalije primijenjene na tlo, propuštaju procjedne vode i infiltriraju se u vodonosnike ili bježe u rijeke, jezera i mora.

Također se odlaganje masti i ulja i procjednih voda odlagališta odvlače infiltracijom u podzemne vode.

Vađenje vodnih zaliha uz prekoračenje u vodnim resursima

Ove prakse s prekoračenjem, proizvode iscrpljivanje zaliha podzemnih i površinskih voda, utječu na ekosustave i proizvode lokalno slijeganje tla.

Okolišna kemija tla

Tla su jedan od najvažnijih čimbenika u ravnoteži biosfere. Oni osiguravaju sidrenje, vodu i hranjive tvari biljkama koje su proizvođači u zemaljskim trofičkim lancima.

Pod

Tlo se može definirati kao složen i dinamičan ekosustav tri faze: čvrsta faza mineralne i organske potpore, vodena tekuća faza i plinska faza; koje karakterizira određena fauna i flora (bakterije, gljivice, virusi, biljke, insekti, nematode, protozoe).

Svojstva tla se stalno mijenjaju zbog ekoloških uvjeta i biološke aktivnosti koja se u njoj razvija..

Antropološki utjecaji na tlo

Degradacija tla je proces koji smanjuje proizvodni kapacitet tla, sposoban proizvesti duboku i negativnu promjenu u ekosustavu.

Čimbenici koji uzrokuju degradaciju tla su: klima, fiziografija, litologija, vegetacija i ljudsko djelovanje.

Ljudskim djelovanjem može se dogoditi:

• Fizička degradacija tla (na primjer, zbijanje zbog neodgovarajućeg uzgoja i prakse uzgoja).
• Kemijska degradacija tla (zakiseljavanje, alkaliziranje, salinizacija, kontaminacija agrokemikalijama, otpadnim vodama industrijske i urbane djelatnosti, izlijevanje nafte, između ostalog).
• Biološka degradacija tla (smanjenje sadržaja organske tvari, degradacija vegetacijskog pokrivača, gubitak mikroorganizama koji fiksiraju dušik, između ostalog).

Kemijsko-okolišni odnos

Kemija okoliša proučava različite kemijske procese koji se odvijaju u tri dijela okoliša: atmosferi, hidrosferi i tlu. Zanimljivo je preispitati dodatni naglasak na jednostavnom kemijskom modelu, koji pokušava objasniti globalne transfere materije koja se javlja u okolišu.

-Model Garrels i Lerman

Garrels i Lerman (1981.) razvili su pojednostavljeni model biogeokemije Zemljine površine, koji proučava interakcije između atmosfere, hidrosfere, zemljine kore i biosfernih komora..

Model Garrelsa i Lermana razmatra sedam glavnih sastojaka planeta:

1. Žbuka (CaSO₄)
2. Pirit (FeS₂)
3. Kalcijev karbonat (CaCO₃)
4. Magnezijev karbonat (MgCO₃)
5. Magnezijev silikat (MgSiO₃)
6. Željezni oksid (Fe₂O₃)
7. Silicijev dioksid (SiO)₂)

Organska tvar koja čini biosferu (živu i mrtvu), predstavljena je kao CH₂Ili, što je približni stehiometrijski sastav živih tkiva.

U Garrelsovom i Lermanovu modelu, geološke promjene su proučavane kao neto prijenosi tvari između ovih osam komponenti planeta, kroz kemijske reakcije i ravnotežu neto očuvanja mase..

Akumulacija CO₂ u atmosferi

Na primjer, problem nakupljanja CO₂ u atmosferi proučava se u ovom modelu, govoreći da: trenutno spaljujemo organski ugljik pohranjen u biosferi kao ugljen, naftu i prirodni plin pohranjeni u podzemlju u prošlim geološkim vremenima.

Kao rezultat ovog intenzivnog sagorijevanja fosilnih goriva, koncentracija CO₂ atmosferski raste.

Povećanje koncentracije CO₂ u zemaljskoj atmosferi to je zato što brzina izgaranja fosilnog ugljika premašuje stopu apsorpcije ugljika od drugih komponenti Zemljinog biogeokemijskog sustava (kao što su fotosintetski organizmi i hidrosfera, na primjer).

Na taj način emisija CO₂ u atmosferu zbog ljudskih aktivnosti, nadilazi regulatorni sustav koji modulira promjene na Zemlji.

Veličina biosfere

Model koji su razvili Garrels i Lerman također smatra da se veličina biosfere povećava i smanjuje kao rezultat ravnoteže između fotosinteze i disanja.

Tijekom povijesti života na Zemlji, masa biosfere se povećavala u fazama s visokim stopama fotosinteze. To je rezultiralo neto skladištenjem emisije organskog ugljika i kisika:

CO₂    +   H₂O → CH₂O + O₂

Disanje kao metabolička aktivnost mikroorganizama i viših životinja, pretvara organski ugljik natrag u ugljični dioksid (CO₂i vode (H₂O), to jest, obrće prethodnu kemijsku reakciju.

Prisutnost vode, skladištenje organskog ugljika i proizvodnja molekularnog kisika su temelj za postojanje života.

Primjena kemije okoliša

Kemija okoliša nudi rješenja za prevenciju, ublažavanje i sanaciju šteta u okolišu uzrokovanih ljudskim aktivnostima. Među nekim od tih rješenja možemo spomenuti:

• Dizajn novih materijala pod nazivom MOF (za akronim na engleskom jeziku: Metalni organski okviri). Oni su vrlo porozni i imaju sposobnost: apsorbirati i zadržati CO₂, dobiti H₂Ili isparavanje zraka iz pustinjskih područja i pohranjivanje H₂ u malim spremnicima.
• Pretvorba otpada u sirovine. Primjerice, korištenje istrošenih guma u proizvodnji umjetnih trava ili potplata cipela. Također, upotreba otpada za obrezivanje usjeva, u proizvodnji bioplina ili bioetanola.
• Kemijska sinteza zamjena za CFC.
• Razvoj alternativnih energija, kao što su vodikove stanice, za proizvodnju čiste električne energije.
• Kontrola atmosferskog onečišćenja, s inertnim filtrima i reaktivnim filtrima.
• Desalinizacija morske vode reverznom osmozom.
• Razvoj novih materijala za flokulaciju koloidnih tvari suspendiranih u vodi (proces pročišćavanja).
• Povratak eutrofikacije jezera.
• Razvoj "zelene kemije", trend koji predlaže zamjenu otrovnih kemijskih spojeva s manje toksičnim, i "ekološki prihvatljive" kemijske postupke. Primjerice, primjenjuje se u korištenju manje toksičnih otapala i sirovina, u industriji, u kemijskom čišćenju praonica, među ostalima..

reference

1. Calvert, J.G., Lazrus, A., Kok, G.L., Heikes, B.G., Walega, J.G., Lind, J., i Cantrell, C.A. (1985). Kemijski mehanizmi stvaranja kiselina u troposferi. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, P.J. (1970). Utjecaj dušikovih oksida na atmosferski sadržaj. Q.J.R. Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, R.M. i Lerman, A. (1981). Fanerozoički ciklusi sedimentnog ugljika i sumpora. Zbornik radova Prirodne akademije znanosti. USA 78: 4,652-4,656.
4. Hester, R.E. i Harrison, R.M. (2002). Globalna promjena okoliša. Kraljevsko kemijsko društvo. 205.
5. Hites, R.A. (2007). Elementi kemije okoliša. Wiley Interscience. 215.
6. Manahan, S.E. (2000). Kemija okoliša. Sedmo izdanje. CRC. str. 876
7. Molina, M.J. i Rowland, F.S. (1974). Stratosferski sudoper za klorofluorometane: klorirano katalizirano uništavanje ozona. Priroda. 249: 810-812.
8. Morel, F.M. i Hering, J.M. (2000). Principi i primjena vodene kemije. New York: John Wiley.
9. Stockwell, W.R., Lawson, C.V., Saunders, E., i Goliff, W.S. (2011). Pregled troposferske atmosferske kemije i kemijskih mehanizama plinske faze za modeliranje kvalitete zraka. Atmosfera, 3 (1), 1-32. doi: 10.3390 / atmos3010001