Miljøkjemi fagfelt og applikasjoner

De miljøkjemi studerer de kjemiske prosessene som foregår på miljønivå. Det er en vitenskap som anvender kjemiske prinsipper for studiet av miljøprestasjoner og påvirkninger generert av menneskelige aktiviteter..

I tillegg designer miljøkjemi forebygging, avbøtende og utbedrende teknikker for eksisterende miljøskader..

Miljøkjemi kan deles inn i tre grunnleggende fagområder:

1. Atmosfærens miljøkjemi.
2. Miljøkjemi av hydrosfæren.
3. Jordmiljøkjemi.

En integrert tilnærming til miljøkjemi krever i tillegg studier av innbyrdes forhold mellom de kjemiske prosessene som forekommer i disse tre avdelingene (atmosfære, hydrosfære, jord) og deres forhold til biosfæren..

Artikkelindeks

• 1 Miljøkjemi i atmosfæren
  • 1.1 -Stratosfæren
  • 1.2 -Troposphere
• 2 Miljøkjemi i hydrosfæren
  • 2.1 -Ferskt vann
  • 2.2 -Vannkretsløpet
  • 2.3 -Antropologiske påvirkninger på vannsyklusen
• 3 Miljøkjemi av jord
  • 3.1 Jorda
  • 3.2 Antropologiske påvirkninger på jorden
• 4 Kjemisk-miljøforhold
  • 4.1 -Modell Garrels og Lerman
• 5 Anvendelser av miljøkjemi
• 6 Referanser

Atmosfærens miljøkjemi

Atmosfæren er laget av gasser som omgir jorden; utgjør et veldig komplekst system, der temperatur, trykk og kjemisk sammensetning varierer med høyde i svært store områder.

Solen bomber atmosfæren med stråling og høyenergipartikler; dette faktum har meget betydelige kjemiske effekter i alle lag av atmosfæren, men spesielt i de øvre og ytre lag.

-Stratosfæren

Fotodissosiasjon og fotoioniseringsreaksjoner forekommer i de ytre områdene av atmosfæren. I området mellom 30 og 90 km i høyde målt fra jordoverflaten, i stratosfæren, er det et lag som hovedsakelig inneholder ozon (O₃), kalt ozonlaget.

Ozonlag

Ozon absorberer ultrafiolett stråling med høy energi som kommer fra solen, og hvis det ikke var for dette laget, kunne ingen kjent livsform på planeten overleve..

I 1995 vant atmosfæriske kjemikere Mario J. Molina (meksikansk), Frank S. Rowland (amerikansk) og Paul Crutzen (nederlandsk) Nobelprisen i kjemi for sin forskning om ødeleggelse og utarmning av ozon i stratosfæren..

I 1970 viste Crutzen at nitrogenoksider ødelegger ozon gjennom katalytiske kjemiske reaksjoner. Senere viste Molina og Rowland i 1974 at klor i klorfluorkarbonforbindelser (CFC) også er i stand til å ødelegge ozonlaget.

-Troposfæren

Det umiddelbare atmosfæriske laget til jordoverflaten, mellom 0 og 12 km høyt, kalt troposfæren, består hovedsakelig av nitrogen (N_to) og oksygen (O_to).

Giftige gasser

Som et resultat av menneskelige aktiviteter inneholder troposfæren mange ekstra kjemikalier som betraktes som luftforurensende stoffer som:

• Karbondioksid og monoksid (CO_to og CO).
• Metan (CH₄).
• Nitrogenoksid (NO).
• Svoveldioksid (SO_to).
• Ozon O₃ (regnes som forurensende i troposfæren)
• Flyktige organiske forbindelser (VOC), pulver eller faste partikler.

Blant mange andre stoffer som påvirker menneskers og plante- og dyrehelsen.

Sur nedbør

Svoveloksider (SO_to Og så₃) og de av nitrogen som lystgass (NO_to), forårsake et annet miljøproblem som kalles surt regn.

Disse oksidene, som hovedsakelig er til stede i troposfæren som produkter av forbrenning av fossilt brensel i industriell virksomhet og transport, reagerer med regnvann som produserer svovelsyre og salpetersyre, med den påfølgende syreutfellingen..

Ved å utfelle dette regnet som inneholder sterke syrer, utløser det flere miljøproblemer som forsuring av havene og ferskvann. Dette forårsaker død av vannlevende organismer; forsuring av jord som forårsaker død av avlinger og ødeleggelse av etsende kjemisk påvirkning av bygninger, broer og monumenter.

Andre atmosfæriske miljøproblemer er fotokjemisk smog, hovedsakelig forårsaket av nitrogenoksider og troposfærisk ozon.

Global oppvarming

Global oppvarming produseres av høye konsentrasjoner av CO_to atmosfæriske og andre klimagasser (GHG), som absorberer mye av den infrarøde strålingen som sendes ut av jordoverflaten og fanger opp varmen i troposfæren. Dette genererer klimaendringer på planeten.

Miljøkjemi av hydrosfæren

Hydrosfæren består av alle vannmassene på jorden: overflate eller våtmark - hav, innsjøer, elver, kilder - og underjordiske eller akviferer..

-Ferskvann

Vann er det vanligste flytende stoffet på planeten, det dekker 75% av jordoverflaten og er helt essensielt for livet..

Alle livsformer avhenger av ferskvann (definert som vann med et saltinnhold på mindre enn 0,01%). 97% av planetens vann er saltvann.

Av de resterende 3% ferskvannet er 87% i:

• Jordens poler (som smelter og strømmer ut i havene som følge av global oppvarming).
• Isbreer (også i ferd med å forsvinne).
• Grunnvann.
• Vann i form av damp som er tilstede i atmosfæren.

Bare 0,4% av planetens totale ferskvann er tilgjengelig for forbruk. Fordamping av vann fra havene og nedbør gir kontinuerlig denne lille prosentandelen..

Vannets miljøkjemi studerer de kjemiske prosessene som oppstår i vannsyklusen eller den hydrologiske syklusen og utvikler også teknologier for rensing av vann til konsum, behandling av industrielt og urbant avløpsvann, avsaltning av sjøvann, resirkulering og lagring av denne ressursen, blant andre.

-Vannets kretsløp

Vannkretsløpet på jorden består av tre hovedprosesser: fordampning, kondens og nedbør, hvorfra tre kretser er avledet:

1. Overflateavrenning
2. Fordamping av planter
3. Infiltrasjon, der vannet går til underjordiske nivåer (freatisk), sirkulerer gjennom vannførerkanaler og går ut gjennom kilder, fontener eller brønner.

-Antropologiske påvirkninger på vannsyklusen

Menneskelig aktivitet har innvirkning på vannsyklusen; noen av årsakene og virkningene av antropologisk handling er følgende:

Modifisering av landoverflaten

Den genereres av ødeleggelse av skog og felt med avskoging. Dette påvirker vannsyklusen ved å eliminere fordampning (vanninntak fra planter og tilbake til miljøet ved transpirasjon og fordampning) og ved å øke avrenningen..

Økningen i overflateavrenning gir en økning i strømmen av elver og flom.

Urbanisering modifiserer også landoverflaten og påvirker vannsyklusen, siden den porøse jorda erstattes av ugjennomtrengelig sement og asfalt, noe som gjør infiltrasjon umulig..

Vannkretsforurensning

Vannkretsløpet involverer hele biosfæren, og menneskelig generert avfall blir følgelig innlemmet i denne syklusen ved forskjellige prosesser..

Kjemiske forurensninger i luften er innlemmet i regnet. Landbrukskjemikalier påføres jorden, utsettes for sigevann og infiltrasjon til vannførende vann, eller renner ut i elver, innsjøer og hav.

Også sløsing med fett og oljer og sigevannet fra de sanitære deponiene blir dratt av infiltrasjon til grunnvannet.

Utvinning av vannforsyning med kassakreditt i vannressursene

Denne kassakredittpraksisen gir uttømming av grunnvann og overflatevannreserver, påvirker økosystemene og produserer lokal innsynking av jorden.

Jordmiljøkjemi

Jord er en av de viktigste faktorene i balansen mellom biosfæren. De gir forankring, vann og næringsstoffer til planter, som er produsenter i terrestriske trofiske kjeder.

Jord

Jorden kan defineres som et komplekst og dynamisk økosystem i tre faser: en fast fase med mineral og organisk bærer, en vandig væskefase og en gassfase; preget av å ha en bestemt fauna og flora (bakterier, sopp, virus, planter, insekter, nematoder, protozoer).

Jordens egenskaper endres kontinuerlig av miljøforhold og av den biologiske aktiviteten som finner sted i den..

Antropologiske påvirkninger på jorden

Jordforringelse er en prosess som reduserer jordens produktivitet, i stand til å produsere en dyp og negativ endring i økosystemet..

Faktorene som gir jordforringelse er: klima, fysiografi, litologi, vegetasjon og menneskelig handling.

Ved menneskelig handling kan forekomme:

• Fysisk nedbrytning av jorda (for eksempel komprimering fra feil oppdrett og gårdsbruk).
• Kjemisk nedbrytning av jorda (forsuring, alkalisering, forsaltning, forurensning med landbrukskjemikalier, med avløp fra industriell og urbane aktivitet, oljesøl, blant andre).
• Biologisk nedbrytning av jorda (reduksjon i innholdet av organisk materiale, nedbrytning av vegetasjonsdekket, tap av nitrogenfikserende mikroorganismer, blant andre).

Kjemisk-miljø-forhold

Miljøkjemi studerer de forskjellige kjemiske prosessene som finner sted i de tre miljøavdelingene: atmosfære, hydrosfære og jord. Det er interessant å gjennomgå en ekstra tilnærming på en enkel kjemisk modell, som prøver å forklare de globale overføringene av materie som skjer i miljøet..

-Garrels og Lerman-modell

Garrels and Lerman (1981), utviklet en forenklet modell av biogeokjemi på jordoverflaten, som studerer samspillet mellom romatmosfæren, hydrosfæren, jordskorpen og den inkluderte biosfæren..

Garrels and Lerman-modellen tar for seg syv store mineraler på planeten:

1. Gips (CaSO₄)
2. Pyritt (FeS_to)
3. Kalsiumkarbonat (CaCO₃)
4. Magnesiumkarbonat (MgCO₃)
5. Magnesiumsilikat (MgSiO₃)
6. Jernoksid (Fe_toELLER₃)
7. Silisiumdioksid (SiO_to)

Det organiske stoffet som utgjør biosfæren (både levende og døde), er representert som CH_toEller som er den omtrentlige støkiometriske sammensetningen av levende vev.

I Garrels og Lerman-modellen studeres geologiske endringer som nettoverføring av materie mellom disse åtte komponentene på planeten, gjennom kjemiske reaksjoner og en netto massebevaringsbalanse..

Akkumuleringen av CO_to i atmosfæren

For eksempel problemet med akkumulering av CO_to i atmosfæren studeres i denne modellen og sier at: vi for tiden forbrenner det organiske karbonet som er lagret i biosfæren som kull, olje og naturgass avsatt i undergrunnen i tidligere geologiske tider.

Som en konsekvens av denne intense forbrenningen av fossile brensler, konsentrasjonen av CO_to atmosfærisk øker.

Økte CO-konsentrasjoner_to i jordens atmosfære skyldes at hastigheten på forbrenning av fossilt karbon overstiger hastigheten på karbonabsorpsjon av de andre komponentene i jordens biogeokjemiske system (for eksempel fotosyntetiske organismer og hydrosfæren, for eksempel).

På denne måten utslipp av CO_to til atmosfæren på grunn av menneskelige aktiviteter, omgår reguleringssystemet som modulerer endringer på jorden.

Størrelsen på biosfæren

Modellen utviklet av Garrels og Lerman vurderer også at størrelsen på biosfæren øker og avtar som et resultat av balansen mellom fotosyntese og respirasjon..

I løpet av livshistorien på jorden økte massen av biosfæren i trinn med høy fotosyntese. Dette resulterte i nettolagring av organisk karbon og utslipp av oksygen:

CO_to    +   H_toO → CH_toO + O_to

Respirasjon som en metabolsk aktivitet av mikroorganismer og høyere dyr, omdanner organisk karbon tilbake til karbondioksid (CO_to) og vann (H_toO), det vil si at den reverserer den forrige kjemiske reaksjonen.

Tilstedeværelsen av vann, lagring av organisk karbon og produksjon av molekylært oksygen er grunnleggende for livets eksistens..

Miljøkjemiske applikasjoner

Miljøkjemi tilbyr løsninger for å forebygge, redusere og avhjelpe miljøskader forårsaket av menneskelig aktivitet. Blant noen av disse løsningene kan vi nevne:

• Designet av nye materialer kalt MOF (for forkortelsen på engelsk: Metal Organic Frameworks). Disse er veldig porøse og har evnen til å: absorbere og beholde CO_to, få H_toEller fra ørkenluftdamp og lagre H_to i små containere.
• Konvertering av avfall til råvarer. For eksempel bruk av slitte dekk ved produksjon av kunstgress eller skosåler. Også bruk av beskjæringsavfall, ved generering av biogass eller bioetanol.
• Kjemiske synteser av CFC-erstatninger.
• Utviklingen av alternative energier, som hydrogenceller, for generering av ikke-forurensende elektrisitet.
• Kontroll av luftforurensning, med inerte filtre og reaktive filtre.
• Avsaltning av sjøvann ved omvendt osmose.
• Utvikling av nye materialer for flokkulering av kolloidale stoffer suspendert i vann (renseprosess).
• Vendingen av eutrofiering av innsjøen.
• Utviklingen av "grønn kjemi", en trend som foreslår å erstatte giftige kjemiske forbindelser med mindre giftige, og "miljøvennlige" kjemiske prosedyrer. For eksempel brukes den i bruk av mindre giftige løsemidler og råvarer, i industrien, i renseri av vaskerier, blant andre..

Referanser

1. Calvert, J. G., Lazrus, A., Kok, G. L., Heikes, B. G., Walega, J. G., Lind, J., og Cantrell, C. A. (1985). Kjemiske mekanismer for syregenerering i troposfæren. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, P.J. (1970). Påvirkningen av nitrogenoksider på atmosfærisk innhold. Q.J.R. Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, R.M. og Lerman, A. (1981). Fanerozoiske sykluser av sedimentært karbon og svovel. Proceedings of the Natural Academy of Sciences. BRUKER. 78: 4,652-4,656.
4. Hester, R. E. og Harrison, R. M. (2002). Global miljøendring. Royal Society of Chemistry. s 205.
5. Hites, R. A. (2007). Elementer av miljøkjemi. Wiley-Interscience. s. 215.
6. Manahan, S. E. (2000). Miljøkjemi. Syvende utgave. CRC. s. 876
7. Molina, M.J. og Rowland, F.S. (1974). Stratosfærisk vask for klorfluormetaner: Kloratomkatalysert ødeleggelse av ozon. Natur. 249: 810-812.
8. Morel, F.M. og Hering, J.M. (2000). Prinsipper og anvendelser av akvatisk kjemi. New York: John Wiley.
9. Stockwell, W. R., Lawson, C. V., Saunders, E. og Goliff, W. S. (2011). En gjennomgang av troposfærisk atmosfærisk kjemi og gassfase kjemiske mekanismer for luftkvalitetsmodellering. Atmosfære, 3 (1), 1-32. doi: 10.3390 / atmos3010001