Miljøkemi fagområde og applikationer



den miljøkemi Den studerer de kemiske processer, der finder sted på miljøniveau. Det er en videnskab, der anvender kemiske principper for undersøgelsen af ​​miljøpræstationer og virkningerne af menneskelige aktiviteter.

Derudover designer miljøkemi forebyggelse, afbødning og afhjælpningsteknikker for eksisterende miljøskader.

Miljøkemi kan opdeles i tre grundlæggende discipliner, der er:

  1. Atmosfæreens miljøkemi.
  2. Hydrosfærens miljøkemi.
  3. Miljøjordkemi.

En omfattende tilgang til miljøkemi kræver også undersøgelse af sammenhænge mellem de kemiske processer, der forekommer i disse tre rum (atmosfære, hydrosfære, jord) og deres forhold til biosfæren.

indeks

  • 1 Atmosfærisk kemi af atmosfæren
    • 1.1 -Stratosfæren
    • 1.2 -Troposfæren
  • 2 hydrokfærens miljøkemi
    • 2.1 - Ferskvand
    • 2.2-Vandcyklusen
    • 2.3 - Antropologiske virkninger på vandcyklusen
  • 3 Miljøjordkemi
    • 3.1 jorden
    • 3.2 Antropologiske virkninger på jorden
  • 4 Kemisk-miljømæssige forhold
    • 4.1 -Model Tønder og Lerman
  • 5 Anvendelser af miljøkemi
  • 6 referencer

Atmosfæreens miljøkemi

Atmosfæren er laget af gasser, der omgiver jorden; Det er et meget komplekst system, hvor temperatur, tryk og kemisk sammensætning varierer med højde i meget brede områder.

Solen bombarderer atmosfæren med stråling og høj energi partikler; denne kendsgerning har meget betydelige kemiske virkninger i alle lagene i atmosfæren, men især i de højeste og ydre lag.

-stratosfæren

Fotodissociation og fotoioniseringsreaktioner forekommer i atmosfærens ydre områder. I området mellem 30 og 90 km i højden målt fra jordens overflade, i stratosfæren ligger et lag, der hovedsagelig indeholder ozon (OR3), kaldet ozonlaget.

Ozonlag

Ozon absorberer ultraviolet stråling fra høj energi, der kommer fra solen, og hvis ikke for eksistensen af ​​dette lag, ingen kendt livsstil på planeten, kunne subsistensen.

I 1995 vandt atmosfæriske kemikere Mario J. Molina (mexicansk), Frank S. Rowland (amerikansk) og Paul Crutzen (hollandsk) Nobelprisen i kemi for deres forskning om ødelæggelse og udtømning af ozon i stratosfæren.

I 1970 viste Crutzen at nitrogenoxider ødelægger ozon gennem katalytiske kemiske reaktioner. Efterfølgende viste Molina og Rowland i 1974, at chlor af chlorfluorcarbonforbindelser (CFC'er) også er i stand til at ødelægge ozonlaget.

-troposfæren

Det atmosfæriske lag umiddelbart over jordens overflade, mellem 0 og 12 km høj, kaldet troposfæren, består hovedsagelig af nitrogen (N2) og oxygen (O2).

Giftige gasser

Som følge af menneskelige aktiviteter indeholder troposfæren mange yderligere kemikalier betragtes som luftforurenende stoffer, såsom:

  • Dioxid og kulilte (CO2 og CO).
  • Methan (CH4).
  • Nitrogenoxid (NO).
  • Svovldioxid (SO)2).
  • Ozon O3 (betragtes som en forurenende stof i troposfæren)
  • Flygtige organiske forbindelser (VOC), pulvere eller faste partikler.

Blandt mange andre stoffer, der påvirker menneskers og planters og dyrs sundhed.

Sur regn

Svovloxider (SO2 og så3) og nitrogenoxider såsom nitrogenoxid (NO2), forårsage et andet miljøproblem kaldet sur regn.

Disse oxider, der i troposfæren hovedsageligt findes som forbrændingsprodukter af fossile brændstoffer i industrielle aktiviteter og transport, reagerer med regnvandsproducerende svovlsyre og salpetersyre med de deraf følgende sure udfældninger.

Fældning af denne regn indeholder stærke syrer, udløser forskellige miljøproblemer som forsuring af havene og ferskvand. Dette medfører, at vandlevende organismer dør Jord forsuring forårsaget død og ødelæggelse af afgrøder ved kemisk ætsende virkning af bygninger, broer og monumenter.

Andre atmosfæriske miljøproblemer er fotokemisk smog, der hovedsageligt skyldes nitrogenoxider og troposfærisk ozon

Global opvarmning

Den globale opvarmning produceres af høje koncentrationer af CO2 atmosfæriske og andre drivhusgasser (GHG'er), som absorberer meget af den infrarøde stråling, der udledes af jordens overflade og fældevarme i troposfæren. Dette skaber klimaændringer på planeten.

Hydrosfærens miljøkemi

Hydrósfera er tilpasset af alle Jordens vandområder: overfladiske eller humedales - oceaner, søer, floder, fjedre - og underjordiske eller akviferer.

-Det friske vand

Vand er det mest almindelige flydende stof på planeten, dækker 75% af jordens overflade og er absolut nødvendigt for livet.

Alle livsformer er afhængige af ferskvand (defineret som vand med saltindhold mindre end 0,01%). 97% af planets vand er saltvand.

Af de resterende 3% ferskvand er 87% i:

  • Jordens poler (som smelter og hælder i havene på grund af global opvarmning).
  • Gletscherne (også i færd med at forsvinde).
  • Grundvandet.
  • Vand i form af damp til stede i atmosfæren.

Kun 0,4% af verdens samlede ferske vand er til rådighed til forbrug. Fordampningen af ​​vand fra oceanerne og nedbør af regner giver løbende denne lille procentdel.

Vandmiljølovgivning kemi studerer de kemiske processer, der forekommer i vandkredsløbet eller vandkredsløbet og også udvikler teknologier til rensning af drikkevand, behandling af industrispildevand og byaffald, afsaltning af havvand, genbrug og sparer denne ressource blandt andre.

-Vandcyklusen

Vandcyklusen på Jorden består af tre hovedprocesser: fordampning, kondensation og nedbør, hvoraf tre kredsløb er afledt:

  1. Overfladen afstrømning
  2. Evapotranspiration af planter
  3. Infiltreringen, hvor vandet passerer til underjordiske niveauer (grundvand), cirkulerer gennem akviferkanaler og udgange gennem fjedre, fjedre eller brønde.

-Antropologiske virkninger på vandcyklusen

Menneskelig aktivitet har indvirkning på vandcyklusen; Nogle af årsagerne og virkningerne af den antropologiske virkning er følgende:

Ændring af jordoverfladen

Det er genereret af ødelæggelse af skove og marker med skovrydning. Dette påvirker vandcyklusen ved at eliminere evapotranspiration (tager vand gennem planterne og vender tilbage til miljøet gennem transpiration og fordampning) og stigende afstrømning.

Øget overfladeafstrømning medfører øget flodstrøm og oversvømmelser.

Urbanisering ændrer også jordoverfladen og påvirker vandcyklusen, da den porøse jord erstattes af cement og uigennemtrængelig asfalt, hvilket gør infiltration umulig.

Vandforurening

Vandcyklusen involverer hele biosfæren, og derfor er affaldet, der genereres af mennesket, indarbejdet i denne cyklus ved forskellige processer.

De kemiske forurenende stoffer i luften indgår i regnen. Agrokemikalier anvendt på jorden, lider udløb og infiltration til akviferer eller løber ud i floder, søer og have.

Også affaldet af fedtstoffer og olier og lossepladsen af ​​lossepladser trækkes ved infiltration til grundvand.

Udvinding af vandforsyninger med overtræk i vandressourcer

Disse metoder med overtræk, producerer udtømning af grundvand og overfladevandreserver, påvirker økosystemerne og producerer lokal jordbundsaflejring.

Miljøjordkemi

Jordbunden er en af ​​de vigtigste faktorer i balancen i biosfæren. De giver forankring, vand og næringsstoffer til planterne, som er producenter i de jordiske trofiske kæder.

Gulvet

Jord kan defineres som et komplekst og dynamisk økosystem i tre faser: en fast fase af mineral og organisk bærer, en vandig flydende fase og en gasfase; kendetegnet ved at have en bestemt fauna og flora (bakterier, svampe, vira, planter, insekter, nematoder, protozoer).

Jordens egenskaber ændrer sig konstant på grund af de miljømæssige forhold og den biologiske aktivitet der udvikler sig i den..

Antropologiske virkninger på jorden

Jordbundsforringelse er en proces, der reducerer jordens produktive kapacitet, der er i stand til at producere en dyb og negativ forandring i økosystemet.

De faktorer, der producerer jordforringelse er: klima, fysiografi, litologi, vegetation og menneskelig handling.

Ved menneskelig handling kan forekomme:

  • Fysisk nedbrydning af jorden (fx komprimering på grund af utilstrækkelig dyrkning og husdyrpraksis).
  • Kemisk nedbrydning af jord (forsuring, alkalisering, saltopløsning, forurening med agrokemikalier, spildevand fra industriel og byaktivitet, oliespild).
  • Biologisk nedbrydning af jordbunden (nedgang i indholdet af organisk stof, nedbrydning af vegetationstaben, tab af kvælstoffastgørende mikroorganismer).

Kemisk-miljømæssige forhold

Miljøkemi studerer de forskellige kemiske processer, der finder sted i de tre miljøområder: atmosfære, hydrokugle og jord. Interessant gennemgå en ekstra fokus på en simpel kemisk model, der forsøger at forklare de globale overførsler af stof, der forekommer i miljøet.

-Model Tønder og Lerman

Garrels og Lerman (1981), udviklet en forenklet model af biogeokemisk jordens overflade, som undersøger samspillet mellem atmosfæren rummene, hydrosfæren, skorpe og biosfæren herunder.

Modellen af ​​Garrels og Lerman betragter syv hovedbestanddele mineraler på planeten:

  1. Gips (CaSO4)
  2. Pyrit (FeS2)
  3. Calciumcarbonat (CaCO3)
  4. Magnesiumcarbonat (MgCO3)
  5. Magnesiumsilicat (MgSiO3)
  6. Ferrioxid (Fe2O3)
  7. Siliciumdioxid (SiO)2)

Det organiske stof, der udgør biosfæren (både levende og død), er repræsenteret som CH2Eller hvilket er den omtrentlige støkiometriske sammensætning af levende væv.

I Garrels og Lerman modellen undersøges geologiske ændringer som netto overførsler af materiel mellem disse otte komponenter på planeten gennem kemiske reaktioner og en nettovægtsbevaringsbalance.

Akkumuleringen af ​​CO2 i atmosfæren

For eksempel er problemet med akkumulering af CO2 i atmosfæren studeres i denne model og siger at: I øjeblikket brænder vi det organiske kulstof, der opbevares i biosfæren, da kul, olie og naturgas deponeres i undergrunden i tidligere geologiske tider.

Som følge af denne intensive brænding af fossile brændstoffer er koncentrationen af ​​CO2 atmosfæriske er stigende.

Forøgelsen af ​​CO-koncentrationer2 i den jordiske atmosfære skyldes det, at fossilt kulforbrændingshastighed overskrider carbonabsorptionshastigheden af ​​de andre komponenter i jordens biogeokemiske system (f.eks. fotosyntetiske organismer og hydrosfæren).

På denne måde vil udledningen af ​​CO2 til atmosfæren på grund af menneskelige aktiviteter, overgår reguleringssystemet, der modulerer forandringerne på jorden.

Størrelsen af ​​biosfæren

Modellen udviklet af Garrels og Lerman mener også, at størrelsen af ​​biosfæren øges og falder som følge af balancen mellem fotosyntese og åndedræt.

Under livets historie på jorden steg biosfærens masse i trin med høje fotosyntesehastigheder. Dette resulterede i en netopbevaring af organisk kulstof- og iltemission:

CO2    +   H2O → CH2O + O2

Åndedræt som metabolisk aktivitet af mikroorganismer og højere dyr, omdanner organisk kulstof tilbage til kuldioxid (CO2) og vand (H2O), det vil sige reverserer den tidligere kemiske reaktion.

Tilstedeværelsen af ​​vand, opbevaring af organisk kulstof og produktion af molekylær oxygen er grundlæggende for livets eksistens.

Anvendelser af miljøkemi

Miljøkemi tilbyder løsninger til forebyggelse, begrænsning og afhjælpning af miljøskader forårsaget af menneskelig aktivitet. Blandt nogle af disse løsninger kan vi nævne:

  • Udformningen af ​​nye materialer kaldet MOF's (for sin akronym på engelsk: Metalorganiske rammer). Disse er meget porøse og har evnen til at: absorbere og beholde CO2, få H2Eller luftdamp fra ørkenområder og opbevar H2 i små beholdere.
  • Omdannelsen af ​​affald til råmaterialer. For eksempel brugen af ​​slidte dæk i produktionen af ​​kunstgræs eller skosål. Også brugen af ​​afgrødeskæringsaffald i generering af biogas eller bioethanol.
  • Den kemiske syntese af CFC-substitutter.
  • Udviklingen af ​​alternative energier, såsom hydrogenceller, til generering af ren elektricitet.
  • Kontrol af atmosfærisk forurening, med inerte filtre og reaktive filtre.
  • Afsaltningen af ​​havvand ved omvendt osmose.
  • Udviklingen af ​​nye materialer til flokkulering af kolloide stoffer suspenderet i vand (renseproces).
  • Tilbagevenden af ​​eutrofiering af søer.
  • Udviklingen af ​​"grøn kemi", en tendens, der foreslår udskiftning af giftige kemiske forbindelser med mindre giftige stoffer og "miljøvenlige" kemiske procedurer. For eksempel anvendes den ved anvendelse af mindre giftige opløsningsmidler og råmaterialer, i industrien, blandt andet i tørrensning af vaskerier..

referencer

  1. Calvert, J. G., Lazrus, A., Kok, G. L., Heikes, B. G., Walega, J. G., Lind, J. og Cantrell, C. A. (1985). Kemiske mekanismer for syreproduktion i troposfæren. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
  2. Crutzen, P.J. (1970). Påvirkningen af ​​nitrogenoxider på atmosfærisk indhold. Q.J.R. Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
  3. Garrels, R.M. og Lerman, A. (1981). Phanerozoic cykler af sedimentære kulstof og svovl. Procedurer for det Naturvidenskabelige Akademi. U.S.A. 78: 4 652-4 656.
  4. Hester, R. E. og Harrison, R. M. (2002). Global miljøændring. Royal Society of Chemistry. s. 205.
  5. Hites, R. A. (2007). Elementer af miljøkemi. Wiley Interscience. s. 215.
  6. Manahan, S. E. (2000). Miljøkemi. Syvende udgave. CRC. s. 876
  7. Molina, M.J. og Rowland, F.S. (1974). Stratosfærisk vask til chlorfluormethaner: Kloratomkatalyseret ødelæggelse af ozon. Naturen. 249: 810-812.
  8. Morel, F.M. og Hering, J.M. (2000). Principper og anvendelser af akvatisk kemi. New York: John Wiley.
  9. Stockwell, W. R., Lawson, C. V., Saunders, E. og Goliff, W. S. (2011). En gennemgang af troposfæriske atmosfæriske kemi og gasfase kemiske mekanismer til luftkvalitetsmodellering. Atmosfære, 3 (1), 1-32. doi: 10.3390 / atmos3010001