Ympäristökemian tutkimusalat ja sovellukset

ympäristökemia Se tutkii ympäristötasolla tapahtuvia kemiallisia prosesseja. Se on tiede, joka soveltaa kemiallisia periaatteita ympäristönsuojelun ja ihmisen toiminnan aiheuttamien vaikutusten tutkimukseen.

Lisäksi ympäristökemian suunnittelussa ehkäistään, lievennetään ja korjataan olemassa olevia ympäristövahinkoja.

Ympäristökemiaa voidaan jakaa kolmeen perustieteeseen, jotka ovat:

1. Ilmakehän ympäristökemia.
2. Hydrosfäärin ympäristökemia.
3. Ympäristön maaperän kemia.

Ympäristökemian kattava lähestymistapa edellyttää myös näiden kolmen osaston (ilmakehän, hydrosfäärin, maaperän) kemiallisten prosessien ja niiden välisten suhteiden välisten suhteiden tutkimista..

indeksi

• 1 Ilmakehän ympäristökemia
  • 1.1 -Stratosfääri
  • 1.2 -Troposfääri
• 2 Hydrosfäärin ympäristökemia
  • 2.1 - Makea vesi
  • 2.2 - Vesi-kierto
  • 2.3 - Antropologiset vaikutukset veden kiertoon
• 3 Maaperän ympäristö
  • 3.1 Maaperä
  • 3.2 Antropologiset vaikutukset maaperään
• 4 Kemiallisen ympäristön suhde
  • 4.1 -Model Garrels ja Lerman
• 5 Ympäristökemian sovellukset
• 6 Viitteet

Ilmakehän ympäristökemia

Ilmakehä on maapalloa ympäröivä kaasukerros; se on hyvin monimutkainen järjestelmä, jossa lämpötila, paine ja kemiallinen koostumus vaihtelevat korkeudessa hyvin laajalla alueella.

Aurinko pommittaa ilmakehän säteilyllä ja korkean energian hiukkasilla; Tällä tosiseikalla on hyvin merkittäviä kemiallisia vaikutuksia kaikissa ilmakehän kerroksissa, mutta erityisesti korkeimmissa ja ulommissa kerroksissa.

-stratosfääri

Ilmakehän uloimmilla alueilla esiintyy fotodisosiaatio- ja fotoionisointireaktioita. 30 ja 90 kilometrin korkeudella mitattuna maapinnasta mitattuna stratosfäärissä on pääosin otsonia sisältävä kerros (OR₃), jota kutsutaan otsonikerrokseksi.

Otsonikerros

Otsoni absorboi auringosta tulevaa korkean energian ultraviolettisäteilyä, ja jos tämä ei ole olemassa, ei tiedetä, että planeetalla olisi tiedossa elintapoja..

Vuonna 1995 ilmakehän kemistit Mario J. Molina (meksikolainen), Frank S. Rowland (amerikkalainen) ja Paul Crutzen (hollantilainen) voittivat Nobelin palkinnon kemiasta tutkimuksestaan ​​otsonin tuhoutumisesta ja heikkenemisestä stratosfäärissä.

Vuonna 1970 Crutzen osoitti, että typen oksidit tuhoavat otsonia kemiallisten katalyyttisten reaktioiden kautta. Myöhemmin Molina ja Rowland vuonna 1974 osoittivat, että kloorifluorihiilivetyyhdisteiden (CFC) kloori pystyy myös tuhoamaan otsonikerroksen.

-troposfäärissä

Maanpinnan yläpuolella oleva ilmakehän kerros, jonka korkeus on 0–12 km ja jota kutsutaan troposfääriksi, koostuu pääasiassa typestä (N₂) ja happea (O₂).

Myrkylliset kaasut

Ihmisen toiminnan seurauksena troposfääri sisältää monia muita kemikaaleja, joita pidetään ilman epäpuhtauksina, kuten:

• Dioksidi ja hiilimonoksidi (CO₂ ja CO).
• Metaani (CH₄).
• Typpioksidi (NO).
• Rikkidioksidi (SO)₂).
• Otsoni O₃ (katsotaan troposfäärin epäpuhtaudeksi)
• Haihtuvat orgaaniset yhdisteet (VOC: t), jauheet tai kiinteät hiukkaset.

Monista muista aineista, jotka vaikuttavat ihmisten ja kasvien terveyteen.

Happosate

Rikkioksidit (SO₂ ja SO₃) ja typpeä, kuten typpioksidia (NO₂) aiheuttaa toisen ympäristöongelman, jota kutsutaan happosateeksi.

Nämä oksidit, jotka ovat läsnä troposfäärissä pääasiassa fossiilisten polttoaineiden polttamisessa teollisessa toiminnassa ja kuljetuksessa, reagoivat rikkihappoa ja typpihappoa tuottavien sadeveden kanssa..

Saostamalla tämä sade, joka sisältää vahvoja happoja, se aiheuttaa useita ympäristöongelmia, kuten merien ja makean veden happamoitumista. Tämä aiheuttaa vesieliöiden kuoleman; maaperän happamoituminen, joka aiheuttaa viljelykasvien kuoleman ja rakennusten, siltojen ja muistomerkkien kemiallisen syövyttävän vaikutuksen.

Muita ilmakehän ympäristöongelmia ovat valokemiallinen haju, jonka aiheuttavat pääasiassa typen oksidit ja troposfäärinen otsoni

Ilmaston lämpeneminen

Ilmaston lämpeneminen syntyy suurista CO-pitoisuuksista₂ ilmakehän ja muiden kasvihuonekaasujen (kasvihuonekaasujen), jotka absorboivat suuren osan maan pinnan säteilemästä infrapunasäteilystä ja ansaitsevat lämpöä troposfäärissä. Tämä luo ilmastonmuutoksen planeetalle.

Hydrosfäärin ympäristökemia

Kaikkien maapallon vesistöjen mukaista hydrósferaa ovat: pinnalliset tai humedales - valtameret, järvet, joet, jouset - sekä maanalaiset tai pohjakerrokset.

-Makea vesi

Vesi on planeetan yleisin nestemäinen aine, joka kattaa 75% maan pinnasta ja on ehdottoman välttämätöntä elämälle.

Kaikki elämänmuodot riippuvat makeasta vedestä (määritelty vedeksi, jonka suolapitoisuus on alle 0,01%). 97% planeetan vedestä on suolavettä.

Jäljellä olevasta 3 prosentista makeasta vedestä 87 prosenttia on:

• Maapallon pylväät (jotka sulavat ja kaaduvat meriin ilmaston lämpenemisen vuoksi).
• Jäätiköt (myös katoamassa).
• Pohjavesi.
• Ilmakehässä oleva vesi höyryn muodossa.

Vain 0,4% koko planeetan makeasta vedestä on käytettävissä kulutukseen. Veden haihtuminen valtameristä ja sateiden saostuminen antavat tämän pienen prosenttiosuuden.

Veden ympäristökemiassa tutkitaan vesiprosessissa tai hydrologisessa kierrossa esiintyviä kemiallisia prosesseja ja kehitetään myös teknologioita veden puhdistamiseksi ihmisravinnoksi, teollisuus- ja kaupunkijätevesien käsittelyyn, meriveden suolanpoistoon, kierrätykseen. ja säästää tätä resurssia.

-Veden kierto

Maapallon vesisykli koostuu kolmesta pääprosessista: haihduttamisesta, kondensoitumisesta ja saostuksesta, joista johdetaan kolme piiriä:

1. Pinnan valuminen
2. Kasvien evapotranspiraatio
3. Infiltraatio, jossa vesi kulkee maanalaisiin tasoihin (pohjaveteen), kiertää vesikerrosten kanavien läpi ja lähtee jousien, jousien tai kaivojen kautta.

-Antropologiset vaikutukset veden kiertoon

Ihmisen toiminta vaikuttaa veden kiertoon; Jotkut antropologisen toiminnan syistä ja vaikutuksista ovat seuraavat:

Maanpinnan muuttaminen

Se syntyy metsien ja metsien hävittämisen myötä. Tämä vaikuttaa veden kiertoon eliminoimalla evapotranspiraatiota (veden kulkeutuminen kasvien läpi ja paluu ympäristöön haihtumisen ja haihtumisen kautta) ja lisääntyvä valuma.

Lisääntynyt pinnan valuminen aiheuttaa lisääntyneitä jokivirtoja ja tulvia.

Kaupungistuminen muuttaa myös maan pintaa ja vaikuttaa veden kiertoon, koska huokoinen maaperä korvataan sementillä ja läpäisemättömällä asfaltilla, joka tekee tunkeutumisen mahdottomaksi.

Vedenkierron saastuminen

Vesikiertoon sisältyy koko biosfääri ja siten ihmisen synnyttämä jäte sisällytetään tähän sykliin eri prosesseilla.

Ilmassa olevat kemialliset epäpuhtaudet liitetään sateeseen. Maaperään levitettävät kemialliset aineet kärsivät suotautumisesta ja tunkeutumisesta pohjavesiin, tai joutuvat jokiin, järviin ja meriin.

Myös rasvojen ja öljyjen jätteet ja kaatopaikkojen suotovesi vedetään imeytymään pohjaveteen.

Vesivarojen louhinta yliluotolla vesivaroissa

Nämä yliluottokäytännöt, pohjaveden ja pintavesivarojen heikkeneminen, ekosysteemien vaikutukset ja paikallisen maaperän vaurioittaminen.

Ympäristön maaperän kemia

Maaperä on yksi tärkeimmistä tekijöistä biosfäärin tasapainossa. Ne tarjoavat kasveille ankkurointia, vettä ja ravinteita, jotka ovat maanpäällisten troofisten ketjujen tuottajia.

Lattia

Maaperä voidaan määritellä kolmen vaiheen monimutkaiseksi ja dynaamiseksi ekosysteemiksi: mineraali- ja orgaanisen tuen kiinteä faasi, vesipitoinen nestefaasi ja kaasufaasi; joilla on erityinen eläimistö ja kasvisto (bakteerit, sienet, virukset, kasvit, hyönteiset, nematodit, alkueläimet).

Maaperän ominaisuudet muuttuvat jatkuvasti ympäristön olosuhteiden ja siinä kehittyvän biologisen aktiivisuuden vuoksi..

Antropologiset vaikutukset maahan

Maaperän hajoaminen on prosessi, joka vähentää maaperän tuotantokapasiteettia, joka pystyy tuottamaan syvällisen ja negatiivisen muutoksen ekosysteemissä.

Maaperän huonontumista aiheuttavat tekijät ovat ilmasto, fysiografia, litologia, kasvillisuus ja ihmisen toiminta.

Ihmisen toiminnalla voi tapahtua:

• Maaperän fyysinen hajoaminen (esimerkiksi tiivistyminen riittämättömästä viljelystä ja karjankasvatuksesta).
• Maaperän kemiallinen hajoaminen (happamoituminen, alkalointi, suolapitoisuus, maatalouden kemikaalien saastuminen, teollisuus- ja kaupunkiliikenteen jätevedet, öljyvuodot).
• Biologinen maaperän hajoaminen (orgaanisen aineksen pitoisuuden väheneminen, kasvillisuuden peiton heikkeneminen, typen kiinnittävien mikro-organismien häviäminen).

Kemiallisen ympäristön suhde

Ympäristökemia tutkii erilaisia ​​kemiallisia prosesseja, joita tapahtuu kolmessa ympäristöosassa: ilmakehässä, hydrosfäärissä ja maaperässä. On mielenkiintoista tarkistaa uusi keskittyminen yksinkertaiseen kemialliseen malliin, joka yrittää selittää ympäristössä tapahtuvan aineiston yleisiä siirtoja.

-Malli Garrels ja Lerman

Garrels ja Lerman (1981) ovat kehittäneet yksinkertaistetun mallin maan pinnan biogeokemialle, joka tutkii ilmakehän, hydrosfäärin, maankuoren ja biosfääriosastojen välistä vuorovaikutusta..

Garrelsin ja Lermanin mallissa otetaan huomioon seitsemän suurta planeetan mineraalia:

1. Kipsi (CaSO₄)
2. Pyriitti (FeS₂)
3. Kalsiumkarbonaatti (CaCO₃)
4. Magnesiumkarbonaatti (MgCO₃)
5. Magnesiumsilikaatti (MgSiO₃)
6. Rautaoksidi (Fe₂O₃)
7. Piidioksidi (SiO)₂)

Biosfääriä muodostava orgaaninen aine (sekä elävä että kuollut) on esitetty CH: nä₂Tai mikä on elävien kudosten likimääräinen stoikiometrinen koostumus.

Garrels- ja Lerman-malleissa tutkitaan geologisia muutoksia aineen siirtymisenä näiden kahdeksan planeetan komponentin välillä kemiallisten reaktioiden ja nettomassan säilyttämisen tasapainon kautta.

CO: n kertyminen₂ ilmakehässä

Esimerkiksi CO: n kertymisen ongelma₂ ilmakehässä tutkitaan tässä mallissa, sanomalla, että: tällä hetkellä poltamme biosfäärissä varastoitua orgaanista hiiltä, ​​hiiltä, ​​öljyä ja maakaasua aikaisemmin geologisina aikoina..

Tämän fossiilisten polttoaineiden voimakkaan polttamisen seurauksena CO: n pitoisuus on₂ ilmakehä kasvaa.

CO-pitoisuuksien kasvu₂ maanpäällisessä ilmakehässä se johtuu siitä, että fossiilisen hiilen palamisnopeus ylittää hiilen imeytymisnopeuden muiden maapallon biogeokemiallisen järjestelmän komponenttien (kuten esimerkiksi fotosynteettisten organismien ja hydrosfäärin) osalta.

Tällä tavoin CO: n päästöt₂ ilmakehään ihmisen toiminnan seurauksena, ylittää sääntelyjärjestelmän, joka moduloi maapallon muutoksia.

Biosfäärin koko

Garrelsin ja Lermanin kehittämän mallin mukaan biosfäärin koko kasvaa ja pienenee fotosynteesin ja hengityksen tasapainon seurauksena..

Maapallon elämän historian aikana biosfäärin massa lisääntyi vaiheissa, joissa oli paljon fotosynteesiä. Tämä johti orgaanisen hiilen ja happipäästöjen nettovarastoon:

CO₂    +   H₂O → CH₂O + O₂

Hengittäminen mikro-organismien ja korkeampien eläinten aineenvaihdunnan aktiivisuudesta muuttaa orgaanisen hiilen takaisin hiilidioksidiksi (CO₂) ja vedellä (H₂O), eli kääntää edellisen kemiallisen reaktion.

Veden läsnäolo, orgaanisen hiilen varastointi ja molekyylin hapen tuotanto ovat olennaisia ​​elämän olemassaolon kannalta.

Ympäristökemian sovellukset

Ympäristökemia tarjoaa ratkaisuja ihmisen toiminnan aiheuttamien ympäristövahinkojen ehkäisyyn, lieventämiseen ja korjaamiseen. Näistä ratkaisuista voidaan mainita:

• Uusien materiaalien suunnittelu, jota kutsutaan MOFiksi (sen lyhenne englanniksi: Metal Orgaaniset kehykset). Nämä ovat hyvin huokoisia ja niillä on kyky absorboida ja säilyttää CO₂, saada H₂Tai höyryä autiomaassa ja säilytä H₂ pienissä säiliöissä.
• Jätteiden muuntaminen raaka-aineiksi. Esimerkiksi kuluneiden renkaiden käyttö keinotekoisen ruohon tai jalkapohjan valmistuksessa. Myös viljelyjätteen hyödyntäminen biokaasun tai bioetanolin tuotannossa.
• CFC-korvaavien aineiden kemiallinen synteesi.
• Vaihtoehtoisten energialähteiden, kuten vety- solujen, kehittäminen puhtaan sähkön tuottamiseksi.
• Ilmakehän pilaantumisen hallinta inertteillä suodattimilla ja reaktiivisilla suodattimilla.
• Meriveden suolanpoisto käänteisosmoosilla.
• Uusien materiaalien kehittäminen veteen suspendoitujen kolloidisten aineiden flokkulointiin (puhdistusprosessi).
• Järvien rehevöitymisen kääntyminen.
• "Vihreän kemian" kehittäminen, joka ehdottaa myrkyllisten kemiallisten yhdisteiden korvaamista vähemmän myrkyllisillä ja "ympäristöystävällisillä" kemiallisilla menetelmillä. Sitä käytetään esimerkiksi vähemmän myrkyllisten liuottimien ja raaka-aineiden käytössä teollisuudessa pesuloiden kuivapesussa..

viittaukset

1. Calvert, J.G., Lazrus, A., Kok, G. L., Heikes, B.G., Walega, J. G., Lind, J. ja Cantrell, C.A. (1985). Hapon muodostumisen kemialliset mekanismit troposfäärissä. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10,1038 / 317027a0.
2. Crutzen, P.J. (1970). Typen oksidien vaikutus ilmakehään. Q.J.R. Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, R.M. ja Lerman, A. (1981). Sedimenttisen hiilen ja rikin phanerozoic-syklit. Luonnontieteellisen tiedeakatemian toimet. USA 78: 4,652-4,656.
4. Hester, R. E. ja Harrison, R. M. (2002). Globaalit ympäristömuutokset. Royal Society of Chemistry. s. 205.
5. Hites, R. A. (2007). Ympäristökemian elementit. Wiley Interscience. s. 215.
6. Manahan, S. E. (2000). Ympäristökemia. Seitsemäs painos. CRC. s. 876
7. Molina, M.J. ja Rowland, F.S. (1974). Kloorifluorimetaanien stratospherinen pesuallas: otsonin katalyyttinen kloorin atomi. Nature. 249: 810 - 812.
8. Morel, F.M. ja Hering, J.M. (2000). Vesikemian periaatteet ja sovellukset. New York: John Wiley.
9. Stockwell, W. R., Lawson, C. V., Saunders, E. ja Goliff, W. S. (2011). Katsaus troposfääriseen ilmakehän kemiaan ja kaasufaasikemikaaleihin ilmanlaadun mallinnuksessa. Ilmapiiri, 3 (1), 1-32. doi: 10,3390 / atmos3010001