Keskkonnakeemia õppevaldkond ja rakendused

The keskkonna keemia Ta uurib keskkonna tasandil toimuvaid keemilisi protsesse. See on teadus, mis rakendab keskkonnaalase tulemuslikkuse ja inimtegevusest tulenevate mõjude uurimisel keemilisi põhimõtteid.

Lisaks kavandatakse keskkonnakemikaalide ennetamise, leevendamise ja tervendamise tehnikat olemasoleva keskkonnakahju korral.

Keskkonna keemiat saab jagada kolme põhiteaduse alla, mis on:

1. Keskkonnamõju atmosfääri.
2. Hüdrosfääri keskkonna keemia.
3. Keskkonna mulla keemia.

Terviklik lähenemisviis keskkonnakeemiale eeldab ka nende kolme sektsiooni keemiliste protsesside (atmosfäär, hüdrosfäär, pinnas) ja nende suhete biosfääri vaheliste seoste uurimist..

Indeks

• 1 Keskkonna keemia atmosfääris
  • 1.1 -Stratosfäär
  • 1.2
• 2 Hüdrosfääri keskkonna keemia
  • 2.1 - Värske vesi
  • 2.2 - veetsükkel
  • 2.3 - antropoloogilised mõjud veetsüklile
• 3 Keskkonna mulla keemia
  • 3.1 Muld
  • 3.2 Antropoloogilised mõjud pinnasele
• 4 Keemilise keskkonna suhe
  • 4.1 -Modell Garrels ja Lerman
• 5 Keskkonna keemia rakendused
• 6 Viited

Keskkonnamõju atmosfääri

Õhkkond on Maa ümbritsev gaasikiht; see on väga keeruline süsteem, kus temperatuur, rõhk ja keemiline koostis varieeruvad väga kõrgetes kõrgustes.

Päike pommitab atmosfääri kiirguse ja suure energiaga osakestega; sellel faktil on väga märkimisväärne keemiline mõju kõikides atmosfääri kihtides, kuid eriti kõrgemates ja välimistes kihtides.

-Stratosfäär

Fotodissotsiatsiooni- ja fotionisatsioonireaktsioonid ilmnevad atmosfääri välispindadel. 30–90 km kõrgusel maapinnast mõõdetuna on stratosfääris enamasti osooni sisaldav kiht (OR₃), mida nimetatakse osoonikihiks.

Osoonikiht

Osoon neelab päikest pärinevat kõrge energiaga ultraviolettkiirgust ja kui mitte selle kihi olemasolu, ei saa teada, kuidas planeedil elada..

1995. aastal võitsid atmosfääri keemikud Mario J. Molina (Mehhiko), Frank S. Rowland (Ameerika) ja Paul Crutzen (Hollandi) auhinna Nobeli preemiast stratosfääri osooni hävimise ja ammendumise uurimise eest..

1970. aastal näitas Crutzen, et lämmastikoksiidid hävitavad osooni katalüütiliste keemiliste reaktsioonide kaudu. Seejärel näitasid Molina ja Rowland 1974. aastal, et klorofluorosüsivesinike ühendite (CFC) kloor võib osoonikihi hävitada..

-Troposfäär

Vahetult maapinna kohal asuv atmosfääri kiht 0–12 km kõrgusel, mida nimetatakse troposfääriks, koosneb peamiselt lämmastikust (N₂) ja hapnikku (O₂).

Mürgised gaasid

Inimtegevuse tagajärjel on troposfääril palju täiendavaid kemikaale, mida peetakse õhusaasteaineteks, näiteks:

• Dioksiid ja süsinikmonooksiid (CO₂ ja CO).
• Metaan (CH₄).
• Lämmastikoksiid (NO).
• Vääveldioksiid (SO)₂).
• Osoon O₃ (loetakse troposfääris saasteaineks)
• Lenduvad orgaanilised ühendid (VOC), pulbrid või tahked osakesed.

Paljude teiste ainete, mis mõjutavad inimeste ja taimede ning loomade tervist, hulgas.

Happeline vihm

Vääveloksiidid (SO. \ T₂ ja SO₃) ja lämmastikuühendid nagu lämmastikoksiid (NO₂) tekitada teine ​​keskkonnaprobleem, mida nimetatakse happevihmaks.

Need oksiidid, mis esinevad troposfääris peamiselt fossiilkütuste põletamisel tööstustegevuses ja transpordis, reageerivad väävelhapet ja lämmastikhapet tootvate vihmaveega, millest tulenevad happelised sademed.

Selle vihma sadestamisel, mis sisaldab tugevaid happeid, tekitab see mitmeid keskkonnaprobleeme, nagu merede ja magevete hapestumine. See põhjustab veeorganismide surma; muldade hapestamine, mis põhjustab põllukultuuride surma ja hoonete, sildade ja mälestiste keemilise söövitava toime hävitamise.

Muud atmosfääri keskkonnaprobleemid on fotokeemiline suits, mille põhjustavad peamiselt lämmastikoksiidid ja troposfääriosoon

Globaalne soojenemine

Globaalne soojenemine tekib suure CO kontsentratsiooniga₂ atmosfääri- ja muud kasvuhoonegaasid (KHG), mis neelavad suure osa Maa pinnalt kiirgusest ja troposfääri soojusest. See tekitab planeedil kliimamuutusi.

Hüdrosfääri keskkonna keemia

Hüdrosfera vastab kõigile Maa veekogudele: pealiskaudsed või humedalesid - ookeanid, järved, jõed, vedrud - ja maa-alused või põhjaveekihid.

-Värske vesi

Vesi on planeedil kõige levinum vedel aine, mis katab 75% maa pinnast ja on eluks hädavajalik.

Kõik eluvormid sõltuvad värskest veest (määratletud kui vesi, mille soolasisaldus on alla 0,01%). 97% planeedi veest on soolane vesi.

Ülejäänud 3% värskest veest on 87%:

• Maa poolused (mis sulavad ja valavad merele globaalse soojenemise tõttu).
• Liustikud (ka kadumise ajal).
• Põhjavesi.
• Vesi atmosfääris sisalduva auru kujul.

Ainult 0,4% kogu planeedi värskest veest on tarbimiseks saadaval. Ookeanide vee aurustamine ja vihmade sadestumine annavad seda väikest protsenti.

Veekeskkonnas uuritakse veeringluses või hüdroloogilises tsüklis esinevaid keemilisi protsesse ning arendatakse ka tehnoloogiaid vee puhastamiseks inimtoiduks, tööstuslike ja linnaheitmete töötlemiseks, merevee magestamiseks, ringlussevõtuks. ja selle ressursi salvestamine.

-Veetsükkel

Maa veetsükkel koosneb kolmest peamisest protsessist: aurustamine, kondenseerumine ja sadestamine, millest saadakse kolm ahelat:

1. Pinna äravool
2. Taimede aurustumine
3. Infiltratsioon, kus vesi läbib maa-aluseid tasemeid (põhjavesi), ringleb läbi põhjaveekihtide ja väljub vedrude, vedrude või kaevude kaudu.

-Antropoloogilised mõjud veetsüklile

Inimtegevusel on mõju veetsüklile; Mõned antropoloogilise tegevuse põhjused ja tagajärjed on järgmised:

Maapinna muutmine

Selle tekitab metsade hävitamine ja metsade hävitamine. See mõjutab veetsüklit, kõrvaldades evapotranspiratsiooni (vee sissevõtmine läbi taimede ja tagasipöördumise ja aurustamise kaudu keskkonda naasmise) ja suureneva äravoolu.

Pinna äravoolu suurenemine põhjustab jõgede suurenenud voolu ja üleujutusi.

Linnastumine muudab ka maapinda ja mõjutab veetsüklit, kuna poorne pinnas asendatakse tsemendiga ja mitteläbilaskva asfaldiga, mis muudab sissetungimise võimatuks.

Veetsükli saastumine

Vee tsükkel hõlmab kogu biosfääri ja sellest tulenevalt inkorporeeritakse inimese tekitatud jäätmed sellesse tsüklisse erinevate protsessidega.

Õhu keemilised saasteained lisatakse vihma. Mullale kantud agro-kemikaalid kannatavad nõrgvee ja infiltreerumise tõttu põhjaveekihtidesse või voolavad jõgedesse, järvedesse ja meredesse.

Samuti lõhub põhjavette sissetungimisega ka rasvade ja õlide jäätmed ning prügilate leostumine.

Veevarude kaevandamine arvelduskrediidi abil veevarudes

Sellised arvelduskrediidi tavad, mis põhjustavad põhjavee ja pinnavee varude ammendumist, mõjutavad ökosüsteeme ja toodavad kohalikku pinnase vajumist.

Keskkonna mulla keemia

Muld on biosfääri tasakaalu üks olulisemaid tegureid. Nad annavad taimedele ankruri, vett ja toitaineid, mis on maismaa troofiliste ahelate tootjad.

Põrand

Mulla võib määratleda kui kolme faasi kompleksset ja dünaamilist ökosüsteemi: mineraal- ja orgaanilise toe tahket faasi, vesilahuse faasi ja gaasifaasi; mida iseloomustab eriline loomastik ja taimestik (bakterid, seened, viirused, taimed, putukad, nematoodid, algloomad).

Mulla omadused muutuvad pidevalt keskkonnatingimuste ja selles areneva bioloogilise aktiivsuse tõttu..

Antropoloogilised mõjud kohapeal

Mulla degradeerumine on protsess, mis vähendab pinnase tootmisvõimsust, mis on võimeline ökosüsteemi põhjalikult ja negatiivselt muutma.

Mulla degradeerumist põhjustavad tegurid on kliima, füsiograafia, litoloogia, taimestik ja inimtegevus.

Inimese tegevus võib juhtuda:

• Mulla füüsiline lagunemine (näiteks tihendamine ebapiisava viljelemise ja loomakasvatustava tõttu).
• Mulla keemiline lagunemine (hapestumine, leelistamine, sooldumine, agrokemikaalidega saastumine, tööstusliku ja linnategevuse heitmed, naftareostus).
• Bioloogiline mulla degradeerumine (orgaaniliste ainete sisalduse vähenemine, taimkatte lagunemine, lämmastikku kinnitavate mikroorganismide kadumine).

Keemilise ja keskkonna seos

Keskkonnakeemia uurib erinevaid keemilisi protsesse, mis toimuvad kolmes keskkonnaosas: atmosfääris, hüdrosfääris ja pinnases. On huvitav vaadata läbi täiendav keskendumine lihtsale keemilisele mudelile, mis püüab selgitada keskkonnas esinevate ainete üldisi ülekandeid.

-Mudel Garrels ja Lerman

Garrels ja Lerman (1981) töötasid välja Maa pinna biogeokeemia lihtsustatud mudeli, mis uurib atmosfääri, hüdrosfääri, maakoore ja biosfääriosakondade vahelisi koostoimeid..

Garreli ja Lermani mudelil on seitse peamist planeedi mineraali:

1. Kips (CaSO₄)
2. Püriit (FeS₂)
3. Kaltsiumkarbonaat (CaCO₃)
4. Magneesiumkarbonaat (MgCO₃)
5. Magneesiumsilikaat (MgSiO₃)
6. Raudoksiid (Fe₂O₃)
7. Ränidioksiid (SiO)₂)

Biosfääri moodustavad orgaanilised ained (nii elavad kui ka surnud) on esindatud kui CH₂Või mis on elavate kudede ligikaudne stöhhiomeetriline koostis.

Garrels ja Lerman mudelis uuritakse geoloogilisi muutusi kui materjali ülekandeid nende kaheksa planeedi komponendi vahel keemiliste reaktsioonide ja puhasmassi säilitamise tasakaalu kaudu.

CO kogunemine₂ atmosfääris

Näiteks CO-i kogunemise probleem₂ atmosfääris uuritakse selles mudelis, öeldes, et: praegu põletame biosfääris säilitatavat orgaanilist süsinikku söena, naftana ja maagaasina varasemates geoloogilistes aegades ladestatud maagaasina.

Selle fossiilkütuste intensiivse põletamise tulemusena on CO kontsentratsioon₂ atmosfääri kasvab.

CO kontsentratsioonide suurenemine₂ maismaa atmosfääris on see, et fossiilse süsiniku põlemiskiirus ületab Maa biogeokeemilise süsteemi teiste komponentide süsiniku neeldumise määra (näiteks fotosünteetilised organismid ja hüdrosfäär).

Sel viisil tekib CO emissioon₂ inimtegevuse tõttu atmosfääri ületab regulatiivsüsteemi, mis moduleerib muutusi Maal.

Biosfääri suurus

Garreli ja Lermani väljatöötatud mudel on samuti seisukohal, et biosfääri suurus suureneb ja väheneb fotosünteesi ja hingamise vahelise tasakaalu tõttu..

Maaelu ajaloos kasvas biosfääri mass fotosünteesi kõrge kiirusega. Selle tulemuseks oli orgaanilise süsiniku ja hapniku emissiooni netohulk:

CO₂    +   H₂O → CH₂O + O₂

Mikroorganismide ja kõrgemate loomade metaboolse toimega hingamine muudab orgaanilise süsiniku tagasi süsinikdioksiidiks (CO₂) ja vesi (H₂O), see tähendab, et pööratakse tagasi eelmine keemiline reaktsioon.

Vee olemasolu, orgaanilise süsiniku säilitamine ja molekulaarse hapniku tootmine on elu olemasolu jaoks olulised.

Keskkonna keemia rakendused

Keskkonna keemia pakub lahendusi inimtegevuse põhjustatud keskkonnakahjustuste ennetamiseks, leevendamiseks ja kõrvaldamiseks. Nende lahenduste hulgas võib mainida:

• Uute materjalide kujundamine, mida nimetatakse MOF-iks (akronüümi eest inglise keeles: Metalli orgaanilised raamistikud). Need on väga poorsed ja neil on võime: absorbeerida ja säilitada CO₂, saada H₂Või õhu auru kõrbepiirkondadest ja hoiustage H₂ väikestes mahutites.
• Jäätmete muundamine tooraineks. Näiteks kulunud rehvide kasutamine tehis- või jalatsitaldade tootmisel. Samuti kasutatakse põllukultuuride lõikamise jäätmeid biogaasi või bioetanooli tootmisel.
• CFC-asendajate keemiline süntees.
• Alternatiivsete energiaallikate, nagu vesinikuelemendid, arendamine puhta elektrienergia tootmiseks.
• Õhusaaste kontrollimine inertsete filtrite ja reaktiivfiltritega.
• Merevee magestamine pöördosmoosi teel.
• Uute materjalide väljatöötamine vees suspendeeritud kolloidsete ainete flokuleerimiseks (puhastusprotsess).
• Järvede eutrofeerumise taastumine.
• "Rohelise keemia" arendamine - suundumus, mis teeb ettepaneku mürgiste keemiliste ühendite asendamiseks vähem toksiliste ainetega ja "keskkonnasõbralike" keemiliste menetlustega. Näiteks kasutatakse seda vähem toksiliste lahustite ja toorainete kasutamisel tööstuses, pesumajade kuivpuhastuses..

Viited

1. Calvert, J. G., Lazrus, A., Kok, G. L., Heikes, B.G., Walega, J. G., Lind, J. ja Cantrell, C. A. (1985). Happe tekkimise keemilised mehhanismid troposfääris. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, P.J. (1970). Lämmastikoksiidide mõju atmosfääri sisaldusele. Q.J.R. Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, R.M. ja Lerman, A. (1981). Söe ja väävli fenerosoootilised tsüklid. Looduslike Teaduste Akadeemia toimingud. U.S.A. 78: 4,652-4,656.
4. Hester, R.E. ja Harrison, R. M. (2002). Globaalne keskkonnamuutus. Royal Society of Chemistry. lk 205.
5. Hites, R. A. (2007). Keskkonnakeemia elemendid. Wiley-Interscience. lk 215.
6. Manahan, S. E. (2000). Keskkonnakeemia. Seitsmes väljaanne. CRC lk 876
7. Molina, M.J. ja Rowland, F.S. (1974). Klorofluorometaanide Stratosfäärne valamu: Osooni katalüütiline kloori purustamine. Loodus 249: 810-812.
8. Morel, F.M. ja Hering, J.M. (2000). Vee keemia põhimõtted ja rakendused. New York: John Wiley.
9. Stockwell, W. R., Lawson, C. V., Saunders, E. ja Goliff, W. S. (2011). Ülevaade õhukvaliteedi modelleerimiseks mõeldud troposfääri atmosfääri keemia ja gaasifaasi keemilistest mehhanismidest. Atmosfäär, 3 (1), 1-32. doi: 10,3390 / atmos3010001