Τομέας χημείας περιβάλλοντος και εφαρμογές

Το περιβαλλοντική χημεία Μελετά τις χημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα σε περιβαλλοντικό επίπεδο. Είναι μια επιστήμη που εφαρμόζει χημικές αρχές στη μελέτη των περιβαλλοντικών επιδόσεων και των επιπτώσεων που προκαλούν οι ανθρώπινες δραστηριότητες.

Επιπλέον, η περιβαλλοντική χημεία σχεδιάζει τεχνικές πρόληψης, μετριασμού και αποκατάστασης για υπάρχουσες περιβαλλοντικές ζημίες.

Η χημεία περιβάλλοντος μπορεί να υποδιαιρεθεί σε τρεις βασικούς τομείς που είναι:

1. Περιβαλλοντική χημεία της ατμόσφαιρας.
2. Περιβαλλοντική χημεία της υδροσφαίρας.
3. Περιβαλλοντική χημεία εδάφους.

Μια ολοκληρωμένη προσέγγιση της χημείας περιβάλλοντος απαιτεί επίσης τη μελέτη των αλληλεξαρτήσεων μεταξύ των χημικών διεργασιών που απαντώνται σε αυτά τα τρία διαμερίσματα (ατμόσφαιρα, υδροσφαιρία, έδαφος) και τις σχέσεις τους με τη βιόσφαιρα.

Ευρετήριο

• 1 Περιβαλλοντική χημεία της ατμόσφαιρας
  • 1.1-Στρατόσφαιρα
  • 1.2 -Τροσφαιρία
• 2 Περιβαλλοντική χημεία της υδροσφαίρας
  • 2.1 - Γλυκό νερό
  • 2.2 - Ο κύκλος νερού
  • 2.3 - Ανθρωπολογικές επιπτώσεις στον κύκλο του ύδατος
• 3 Περιβαλλοντική χημεία εδάφους
  • 3.1 Το χώμα
  • 3.2 Ανθρωπολογικές επιπτώσεις στο έδαφος
• 4 Χημική-περιβαλλοντική σχέση
  • 4.1 -Model Garrels και Lerman
• 5 Εφαρμογές της περιβαλλοντικής χημείας
• 6 Αναφορές

Περιβαλλοντική χημεία της ατμόσφαιρας

Η ατμόσφαιρα είναι το στρώμα αερίων που περιβάλλει τη Γη. είναι ένα πολύ σύνθετο σύστημα, όπου η θερμοκρασία, η πίεση και η χημική σύνθεση ποικίλλουν ανάλογα με το ύψος σε πολύ ευρείες κλίμακες.

Ο ήλιος βομβαρδίζει την ατμόσφαιρα με ακτινοβολία και σωματίδια υψηλής ενέργειας. αυτό το γεγονός έχει πολύ σημαντικές χημικές επιδράσεις σε όλα τα στρώματα της ατμόσφαιρας, αλλά ιδιαίτερα στα υψηλότερα και τα εξωτερικά στρώματα.

-Στρατόσφαιρα

Η αντίδραση φωτοδιάσπασης και φωτοαποσύνθεσης εμφανίζονται στις εξωτερικές περιοχές της ατμόσφαιρας. Στην περιοχή που κυμαίνεται από 30 έως 90 χιλιόμετρα, μετρούμενη από την επιφάνεια της γης, στη στρατόσφαιρα, βρίσκεται μια στοιβάδα που περιέχει κυρίως το όζον (ή₃), που ονομάζεται στρώμα όζοντος.

Στρώμα όζοντος

Το όζον απορροφά την υπεριώδη ακτινοβολία υψηλής ενέργειας που προέρχεται από τον ήλιο και αν όχι για την ύπαρξη αυτού του στρώματος, δεν μπορεί να υπάρξει κανένας γνωστός τρόπος ζωής στον πλανήτη.

Το 1995, ο Mario J. Molina ατμοσφαιρικές χημικές ουσίες (του Μεξικού), Frank S. Rowland (ΗΠΑ) και Paul Crutzen (ολλανδικά), κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Χημείας για την έρευνά του σχετικά με την καταστροφή και την καταστροφή του όζοντος στη στρατόσφαιρα.

Το 1970, ο Crutzen έδειξε ότι τα οξείδια του αζώτου καταστρέφουν το όζον μέσω καταλυτικών χημικών αντιδράσεων. Στη συνέχεια, η Molina και η Rowland το 1974, έδειξαν ότι το χλώριο των ενώσεων χλωροφθορανθράκων (CFC's) είναι επίσης ικανό να καταστρέψει τη στιβάδα του όζοντος.

-Troposphere

Το ατμοσφαιρικό στρώμα που βρίσκεται ακριβώς πάνω από την επιφάνεια της γης, ύψους μεταξύ 0 και 12 χλμ., Που ονομάζεται τροπόσφαιρα, αποτελείται κυρίως από άζωτο (N₂) και οξυγόνο (Ο₂).

Τοξικά αέρια

Ως αποτέλεσμα των ανθρώπινων δραστηριοτήτων, η τροπόσφαιρα περιέχει πολλές πρόσθετες χημικές ουσίες που θεωρούνται ως ατμοσφαιρικοί ρύποι, όπως:

• Το διοξείδιο και το μονοξείδιο του άνθρακα (CO₂ και CO).
• Μεθάνιο (CH₄).
• Το οξείδιο του αζώτου (ΝΟ).
• Διοξείδιο του θείου (SO)₂).
• Όζον Ο₃ (θεωρούμενη ως μολυσματική ουσία στην τροπόσφαιρα)
• Πτητικές οργανικές ενώσεις (VOC), σκόνες ή στερεά σωματίδια.

Μεταξύ πολλών άλλων ουσιών που επηρεάζουν την υγεία των ανθρώπων, των φυτών και των ζώων.

Οξύ βροχή

Τα οξείδια του θείου (SO₂ και SO₃) και άζωτο όπως νιτρώδες οξείδιο (ΝΟ₂), προκαλούν ένα άλλο περιβαλλοντικό πρόβλημα που ονομάζεται όξινη βροχή.

Αυτά τα οξείδια, που υπάρχουν στην τροπόσφαιρα κυρίως ως προϊόντα της καύσης ορυκτών καυσίμων σε βιομηχανικές δραστηριότητες και μεταφορές, αντιδρούν με το όμβριο νερό που παράγει θειικό οξύ και νιτρικό οξύ, με τις επακόλουθες όξινες καταβυθίσεις.

Με την κατακρήμνιση αυτής της βροχής που περιέχει ισχυρά οξέα, προκαλεί διάφορα περιβαλλοντικά προβλήματα όπως η οξίνιση των θαλασσών και των γλυκών υδάτων. Αυτό προκαλεί το θάνατο των υδρόβιων οργανισμών. η οξίνιση των εδαφών που προκαλεί το θάνατο των καλλιεργειών και την καταστροφή των κτιρίων, των γεφυρών και των μνημείων με χημική διαβρωτική δράση.

Άλλα προβλήματα ατμοσφαιρικού περιβάλλοντος είναι το φωτοχημικό νέφος, που προκαλείται κυρίως από τα οξείδια του αζώτου και το όζον του τροπόσφαιρου

Η υπερθέρμανση του πλανήτη

Η υπερθέρμανση του πλανήτη παράγεται από υψηλές συγκεντρώσεις CO₂ τα ατμοσφαιρικά και άλλα αέρια θερμοκηπίου, τα οποία απορροφούν μεγάλο μέρος της υπέρυθρης ακτινοβολίας που εκπέμπεται από την επιφάνεια της Γης και θερμαίνουν τη θερμότητα στην τροπόσφαιρα. Αυτό δημιουργεί την αλλαγή του κλίματος στον πλανήτη.

Περιβαλλοντική χημεία της υδροσφαίρας

Η υδρόσφαρα συμμορφώνεται με όλα τα υδάτινα σώματα της Γης: επιφανειακά ή χονδροειδή - ωκεανούς, λίμνες, ποτάμια, πηγές - και υπόγειους ή υδροφορείς.

-Το γλυκό νερό

Το νερό είναι η πιο συνηθισμένη υγρή ουσία στον πλανήτη, καλύπτει το 75% της επιφάνειας της γης και είναι απολύτως απαραίτητο για τη ζωή.

Όλες οι μορφές ζωής εξαρτώνται από το γλυκό νερό (ορίζεται ως νερό με περιεκτικότητα σε αλάτι μικρότερη από 0,01%). Το 97% του νερού του πλανήτη είναι το αλμυρό νερό.

Από το υπόλοιπο 3% γλυκού νερού, το 87% είναι:

• Οι πόλοι της Γης (που λιώνουν και ρίχνουν στις θάλασσες λόγω της υπερθέρμανσης του πλανήτη).
• Οι παγετώνες (επίσης στη διαδικασία της εξαφάνισης).
• Τα υπόγεια ύδατα.
• Νερό με τη μορφή ατμών που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα.

Μόνο το 0,4% του συνολικού γλυκού νερού του πλανήτη είναι διαθέσιμο για κατανάλωση. Η εξάτμιση του νερού από τους ωκεανούς και η καθίζηση των βροχών παρέχουν συνεχώς αυτό το μικρό ποσοστό.

χημεία περιβαλλοντικό νερό μελετά τις χημικές διεργασίες που συμβαίνουν στον κύκλο του νερού ή υδρολογικός κύκλος και επίσης αναπτύσσει τεχνολογίες για τον καθαρισμό νερού για ανθρώπινη κατανάλωση, επεξεργασία βιομηχανικών και αστικών λυμάτων, αφαλάτωση του θαλασσινού νερού, την ανακύκλωση και την εξοικονόμηση αυτού του πόρου, μεταξύ άλλων.

-Ο κύκλος του νερού

Ο κύκλος του νερού στη Γη αποτελείται από τρεις κύριες διαδικασίες: εξάτμιση, συμπύκνωση και κατακρήμνιση, από τις οποίες προκύπτουν τρία κυκλώματα:

1. Η επιφανειακή απορροή
2. Η εξατμισοδιαπνοή των φυτών
3. Η διείσδυση, στην οποία το νερό περνά σε υπόγεια ύδατα (υπόγεια ύδατα), κυκλοφορεί μέσα από κανάλια υδροφόρων οδών και εξέρχεται από πηγές, πηγές ή πηγάδια.

-Ανθρωπολογικές επιπτώσεις στον κύκλο του νερού

Η ανθρώπινη δραστηριότητα έχει επιπτώσεις στον κύκλο του ύδατος. Ορισμένα από τα αίτια και τα αποτελέσματα της ανθρωπολογικής δράσης είναι τα εξής:

Τροποποίηση της επιφάνειας της γης

Προέρχεται από την καταστροφή των δασών και των αγρών με αποδάσωση. Αυτό επηρεάζει τον κύκλο του νερού εξαλείφοντας την εξατμισοδιαπνοή (λήψη νερού μέσω των φυτών και επιστροφή στο περιβάλλον μέσω της διαπνοής και της εξάτμισης) και αύξηση της απορροής.

Η αυξημένη επιφανειακή απορροή προκαλεί αυξημένη ροή του ποταμού και πλημμύρες.

Η αστικοποίηση τροποποιεί επίσης την επιφάνεια της γης και επηρεάζει τον κύκλο του νερού, αφού το πορώδες χώμα αντικαθίσταται από τσιμέντο και αδιαπέραστη άσφαλτο, γεγονός που καθιστά αδύνατη τη διείσδυση.

Μόλυνση κύκλου νερού

Ο κύκλος του νερού περιλαμβάνει ολόκληρη τη βιόσφαιρα και κατά συνέπεια, τα απόβλητα που παράγονται από τον άνθρωπο, ενσωματώνεται σε αυτόν τον κύκλο με διαφορετικές διαδικασίες.

Οι χημικοί ρύποι στον αέρα ενσωματώνονται στη βροχή. Τα αγροχημικά προϊόντα εφαρμόζονται στο έδαφος, υφίστανται διήθηση και διείσδυση σε υδροφορείς ή εξέρχονται σε ποτάμια, λίμνες και θάλασσες.

Επίσης, τα απόβλητα λιπών και ελαίων και η έκπλυση των χώρων υγειονομικής ταφής απορροφώνται με διείσδυση στα υπόγεια ύδατα.

Εξόρυξη παροχών νερού με υπερανάληψη σε υδάτινους πόρους

Αυτές οι πρακτικές με υπερανάληψη, προκαλούν εξάντληση των αποθεμάτων υπόγειων και επιφανειακών υδάτων, επηρεάζουν τα οικοσυστήματα και προκαλούν τοπική καθίζηση του εδάφους.

Περιβαλλοντική χημεία εδάφους

Τα εδάφη είναι ένας από τους πιο σημαντικούς παράγοντες στην ισορροπία της βιόσφαιρας. Παρέχουν αγκύρωση, νερό και θρεπτικά συστατικά στα φυτά, που είναι παραγωγοί στις χερσαίες τροφικές αλυσίδες.

Το πάτωμα

Το έδαφος μπορεί να οριστεί ως ένα σύνθετο και δυναμικό οικοσύστημα τριών φάσεων: μια στερεή φάση ανόργανου και οργανικού υποστρώματος, μια υδατική υγρή φάση και μια αέρια φάση. που χαρακτηρίζεται από την ύπαρξη συγκεκριμένης πανίδας και χλωρίδας (βακτήρια, μύκητες, ιούς, φυτά, έντομα, νηματώδη, πρωτόζωα).

Οι ιδιότητες του εδάφους αλλάζουν συνεχώς λόγω των περιβαλλοντικών συνθηκών και της βιολογικής δραστηριότητας που αναπτύσσεται σε αυτό..

Ανθρωπολογικές επιπτώσεις στο έδαφος

Η υποβάθμιση του εδάφους είναι μια διαδικασία που μειώνει την παραγωγική ικανότητα του εδάφους, ικανή να προκαλέσει μια βαθιά και αρνητική αλλαγή στο οικοσύστημα.

Οι παράγοντες που προκαλούν υποβάθμιση του εδάφους είναι: το κλίμα, η φυσιογραφία, η λιθολογία, η βλάστηση και η ανθρώπινη δράση.

Με ανθρώπινη δράση μπορεί να συμβεί:

• Η φυσική υποβάθμιση του εδάφους (π.χ. συμπύκνωση λόγω ανεπαρκούς καλλιέργειας και πρακτικών εκτροφής ζώων).
• Η χημική υποβάθμιση του εδάφους (οξίνιση, αλκαλινισμός, αλάτωση, μόλυνση με αγροχημικά προϊόντα, απόβλητα από τη βιομηχανική και αστική δραστηριότητα, πετρελαιοκηλίδες, μεταξύ άλλων).
• Βιολογική υποβάθμιση του εδάφους (μείωση της περιεκτικότητας σε οργανική ύλη, υποβάθμιση της βλάστησης, απώλεια μικροοργανισμών που καθορίζουν το άζωτο, μεταξύ άλλων).

Χημική-περιβαλλοντική σχέση

Η περιβαλλοντική χημεία μελετά τις διάφορες χημικές διεργασίες που διεξάγονται στα τρία περιβαλλοντικά διαμερίσματα: την ατμόσφαιρα, την υδροσφαιρία και το έδαφος. Είναι ενδιαφέρον να αναθεωρηθεί μια πρόσθετη εστίαση σε ένα απλό χημικό μοντέλο, το οποίο επιχειρεί να εξηγήσει τις συνολικές μεταφορές της ύλης που συμβαίνουν στο περιβάλλον.

-Μοντέλο Garrels και Lerman

Garrels και Lerman (1981), ανέπτυξαν ένα απλοποιημένο μοντέλο της βιογεωχημικές επιφάνεια της Γης, η οποία μελετά τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των διαμερισμάτων ατμόσφαιρα, υδρόσφαιρα, κρούστα και της βιόσφαιρας συμπεριλαμβανομένων.

Το μοντέλο των Garrels και Lerman θεωρεί επτά σημαντικά συστατικά ορυκτά του πλανήτη:

1. Γύψος (CaSO₄)
2. Πυρίτης (FeS₂)
3. Το ανθρακικό ασβέστιο (CaCO₃)
4. Ανθρακικό μαγνήσιο (MgCO₃)
5. Το πυριτικό μαγνήσιο (MgSiO₃)
6. Οξείδιο του σιδήρου (Fe₂Ο₃)
7. Το διοξείδιο του πυριτίου (SiO)₂)

Η οργανική ύλη που αποτελεί τη βιόσφαιρα (ζωντανή και νεκρή) αντιπροσωπεύεται ως CH₂Ή, η οποία είναι η κατά προσέγγιση στοιχειομετρική σύνθεση των ζωντανών ιστών.

Στο μοντέλο Garrels και Lerman, οι γεωλογικές μεταβολές μελετώνται ως καθαρές μεταφορές ύλης μεταξύ αυτών των οκτώ συνιστωσών του πλανήτη, μέσω χημικών αντιδράσεων και ενός καθαρού ισοζυγίου συντήρησης μάζας.

Η συσσώρευση CO₂ στην ατμόσφαιρα

Για παράδειγμα, το πρόβλημα της συσσώρευσης CO₂ στην ατμόσφαιρα μελετάται σε αυτό το μοντέλο, λέγοντας ότι: προς το παρόν καίγουμε τον οργανικό άνθρακα που αποθηκεύεται στη βιόσφαιρα όπως ο άνθρακας, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο που εναποτέθηκαν στο υπέδαφος σε προηγούμενους γεωλογικούς χρόνους.

Ως αποτέλεσμα αυτής της εντατικής καύσης ορυκτών καυσίμων, η συγκέντρωση CO₂ ατμοσφαιρική αυξάνεται.

Η αύξηση των συγκεντρώσεων CO₂ στην ατμόσφαιρα της Γης, είναι επειδή ο ρυθμός καύσης του ορυκτού άνθρακα, υπερβαίνει το ρυθμό πρόσληψης άνθρακα με τα άλλα συστατικά του συστήματος βιογεωχημικών Earth (όπως είναι φωτοσυνθετικούς οργανισμούς και υδρόσφαιρα, για παράδειγμα).

Με αυτό τον τρόπο, η εκπομπή CO₂ στην ατμόσφαιρα λόγω ανθρώπινων δραστηριοτήτων, ξεπερνά το ρυθμιστικό σύστημα που ρυθμίζει τις αλλαγές στη Γη.

Το μέγεθος της βιόσφαιρας

Το μοντέλο που αναπτύχθηκε από τους Garrels και Lerman, θεωρεί επίσης ότι το μέγεθος της βιόσφαιρας αυξάνεται και μειώνεται ως αποτέλεσμα της ισορροπίας μεταξύ της φωτοσύνθεσης και της αναπνοής.

Κατά τη διάρκεια της ιστορίας της ζωής στη Γη, η μάζα της βιόσφαιρας αυξήθηκε σταδιακά με υψηλούς ρυθμούς φωτοσύνθεσης. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα καθαρή αποθήκευση εκπομπών οργανικού άνθρακα και οξυγόνου:

CO₂    +   H₂O → CH₂O + O₂

Αναπνοή ως μεταβολική δραστηριότητα μικροοργανισμών και ανώτερων ζώων, μετατρέπει οργανικό άνθρακα πίσω σε διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) και νερό (Η₂O), δηλαδή αναστρέφει την προηγούμενη χημική αντίδραση.

Η παρουσία νερού, η αποθήκευση οργανικού άνθρακα και η παραγωγή μοριακού οξυγόνου είναι θεμελιώδεις για την ύπαρξη της ζωής.

Εφαρμογές της περιβαλλοντικής χημείας

Η χημεία περιβάλλοντος προσφέρει λύσεις για την πρόληψη, τον μετριασμό και την αποκατάσταση περιβαλλοντικών ζημιών που προκαλούνται από την ανθρώπινη δραστηριότητα. Μεταξύ ορισμένων από αυτές τις λύσεις μπορούμε να αναφέρουμε:

• Ο σχεδιασμός νέων υλικών που ονομάζονται MOF (για το ακρωνύμιό του στην αγγλική γλώσσα: Μεταλλικά οργανικά πλαίσια). Αυτά είναι πολύ πορώδη και έχουν την ικανότητα: να απορροφούν και να συγκρατούν CO₂, πάρτε H₂Ή ατμούς ατμού από περιοχές της ερήμου και αποθηκεύστε το H₂ σε μικρά δοχεία.
• Η μετατροπή των αποβλήτων σε πρώτες ύλες. Για παράδειγμα, η χρήση φθαρμένων ελαστικών στην παραγωγή τεχνητών χόρτων ή πέλματος υποδημάτων. Επίσης, η χρήση των υπολειμμάτων κλαδέματος καλλιεργειών, στην παραγωγή βιοαερίου ή βιοαιθανόλης.
• Η χημική σύνθεση των υποκατάστατων CFC.
• Η ανάπτυξη εναλλακτικών μορφών ενέργειας, όπως τα κύτταρα υδρογόνου, για την παραγωγή καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας.
• Ο έλεγχος της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, με αδρανή φίλτρα και αντιδραστικά φίλτρα.
• Η αφαλάτωση του θαλασσινού νερού με αντίστροφη όσμωση.
• Η ανάπτυξη νέων υλικών για την κροκίδωση κολλοειδών ουσιών εναιωρημένων σε νερό (διαδικασία καθαρισμού).
• Η αναστροφή του ευτροφισμού των λιμνών.
• Η ανάπτυξη της "πράσινης χημείας", μια τάση που προτείνει την υποκατάσταση των τοξικών χημικών ενώσεων με λιγότερο τοξικές και "φιλικές προς το περιβάλλον" χημικές διαδικασίες. Για παράδειγμα, εφαρμόζεται στη χρήση λιγότερο τοξικών διαλυτών και πρώτων υλών στη βιομηχανία, στον στεγνό καθαρισμό των πλυντηρίων, μεταξύ άλλων..

Αναφορές

1. Calvert, J.G., Lazrus, Α., Kok, G.L., Heikes, Β. G., Walega, J.G., Lind, J., and Cantrell, C.A. (1985). Χημικοί μηχανισμοί παραγωγής όξων στην τροπόσφαιρα. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027α0.
2. Crutzen, P.J. (1970). Η επίδραση των οξειδίων του αζώτου στην ατμοσφαιρική περιεκτικότητα. Q.J.R. Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, R.M. και Lerman, Α. (1981). Φανεροζωικοί κύκλοι ιζηματικού άνθρακα και θείου. Πρακτικά της Φυσικής Ακαδημίας Επιστημών. U.S.A. 78: 4,652-4,656.
4. Hester, R. Ε. And Harrison, R. Μ. (2002). Παγκόσμια περιβαλλοντική αλλαγή. Βασιλική Εταιρεία Χημείας. σελ. 205.
5. Hites, R. Α. (2007). Στοιχεία Περιβαλλοντικής Χημείας. Wiley-Interscience. σ. 215.
6. Manahan, S.E. (2000). Περιβαλλοντική Χημεία. Έβδομη έκδοση. CRC σ. 876
7. Molina, M.J. και Rowland, F.S. (1974). Στρατόσφαιρα νεροχύτης για χλωροφθορομεθάνες: Καταστροφή του όζοντος καταλυόμενη από άτομα χλωρίου. Φύση 249: 810-812.
8. Morel, F.M. και Hering, J.M. (2000). Αρχές και εφαρμογές της υδάτινης χημείας. Νέα Υόρκη: John Wiley.
9. Stockwell, W.R., Lawson, C.V., Saunders, Ε., And Goliff, W.S. (2011). Μια ανασκόπηση της Τροποσφαιρικής Ατμοσφαιρικής Χημείας και των Χημικών Μηχανισμών Αερίου-Φάσης για την Μοντελοποίηση της Ποιότητας του Αέρα. Ατμόσφαιρα, 3 (1), 1-32. doi: 10.3390 / ατμόσχο10001