Miljökemi studier och tillämpningar

De miljökemi studerar de kemiska processerna som äger rum på miljönivå. Det är en vetenskap som tillämpar kemiska principer för att studera miljöprestanda och de effekter som genereras av mänskliga aktiviteter..

Dessutom utformar miljökemi förebyggande, lindrande och saneringstekniker för befintlig miljöskada..

Miljökemi kan delas in i tre grundläggande discipliner som är:

1. Atmosfärens miljökemi.
2. Miljökemi i hydrosfären.
3. Jordmiljökemi.

Ett integrerat tillvägagångssätt för miljökemi kräver dessutom att man studerar sambandet mellan de kemiska processerna som förekommer i dessa tre avdelningar (atmosfär, hydrosfär, jord) och deras förhållande till biosfären..

Artikelindex

• 1 Miljökemi i atmosfären
  • 1.1 -Stratosfär
  • 1.2 -Troposfär
• 2 Miljökemi i hydrosfären
  • 2.1 -Färskt vatten
  • 2.2 -Vattencykeln
  • 2.3 -Antropologiska effekter på vattencykeln
• 3 Miljökemi i jorden
  • 3.1 Marken
  • 3.2 Antropologiska effekter på jorden
• 4 Kemisk-miljöförhållande
  • 4.1 -Modell Garrels och Lerman
• 5 Tillämpningar av miljökemi
• 6 Referenser

Atmosfärens miljökemi

Atmosfären är det lager av gaser som omger jorden; utgör ett mycket komplext system, där temperatur, tryck och kemisk sammansättning varierar med höjd i mycket stora intervall.

Solen bombarderar atmosfären med strålning och högenergipartiklar; detta faktum har mycket betydande kemiska effekter i alla skikt av atmosfären, men i synnerhet i de övre och yttre skikten.

-Stratosfär

Fotodissociation och fotojoniseringsreaktioner förekommer i de yttre regionerna i atmosfären. I regionen mellan 30 och 90 km i höjd uppmätt från jordytan, i stratosfären, finns det ett lager som mest innehåller ozon (O₃), kallas ozonskiktet.

Ozonskikt

Ozon absorberar ultraviolett strålning med hög energi som kommer från solen och om det inte var för detta lager kunde ingen känd livsform på planeten överleva..

År 1995 vann atmosfäriska kemister Mario J. Molina (mexikanska), Frank S. Rowland (amerikanska) och Paul Crutzen (nederländska) Nobelpriset i kemi för sin forskning om destruktion och utarmning av ozon i stratosfären..

1970 visade Crutzen att kväveoxider förstör ozon genom katalytiska kemiska reaktioner. Senare visade Molina och Rowland 1974 att klor i klorfluorkolföreningar (CFC) också kan förstöra ozonskiktet.

-Troposfär

Det omedelbara atmosfäriska skiktet till jordytan, mellan 0 och 12 km högt, kallat troposfären, består huvudsakligen av kväve (N_två) och syre (O_två).

Giftiga gaser

Som ett resultat av mänskliga aktiviteter innehåller troposfären många ytterligare kemikalier som anses vara luftföroreningar, såsom:

• Koldioxid och monoxid (CO_två och CO).
• Metan (CH₄).
• Kväveoxid (NO).
• Svaveldioxid (SO_två).
• Ozon O₃ (anses förorenande i troposfären)
• Flyktiga organiska föreningar (VOC), pulver eller fasta partiklar.

Bland många andra ämnen som påverkar människors och växters och djurs hälsa.

Surt regn

Svaveloxider (SO_två Och så₃och kväve såsom kväveoxid (NO_två), orsaka ett annat miljöproblem som kallas surt regn.

Dessa oxider, som förekommer i troposfären huvudsakligen som produkter för förbränning av fossila bränslen i industriell verksamhet och transport, reagerar med regnvatten som producerar svavelsyra och salpetersyra, med den därav följande syrafällningen..

Genom att fälla ut detta regn som innehåller starka syror utlöser det flera miljöproblem såsom försurning av haven och sötvatten. Detta orsakar död av vattenlevande organismer; försurning av jord som orsakar grödans död och förstörelse genom frätande kemisk påverkan av byggnader, broar och monument.

Andra atmosfäriska miljöproblem är fotokemisk smog, som främst orsakas av kväveoxider och troposfärisk ozon.

Global uppvärmning

Global uppvärmning produceras av höga koncentrationer av CO_två atmosfäriska och andra växthusgaser (GHG) som absorberar mycket av den infraröda strålningen som avges av jordytan och fångar upp värme i troposfären. Detta genererar klimatförändringar på planeten.

Miljökemi i hydrosfären

Hydrosfären består av alla vattenkroppar på jorden: yta eller våtmarker - hav, sjöar, floder, källor - och underjordiska eller akviferer..

-Färskt vatten

Vatten är det vanligaste flytande ämnet på planeten, det täcker 75% av jordens yta och är absolut nödvändigt för livet..

Alla livsformer beror på färskvatten (definierat som vatten med en salthalt på mindre än 0,01%). 97% av planetens vatten är saltvatten.

Av de återstående 3% färskvattnet är 87% i:

• Jordens poler (som smälter och strömmar ut i haven till följd av global uppvärmning).
• Glaciärer (också på väg att försvinna).
• Grundvatten.
• Vatten i form av ånga som finns i atmosfären.

Endast 0,4% av planetens totala färskvatten är tillgängligt för konsumtion. Avdunstningen av vatten från oceanerna och nederbörden ger kontinuerligt denna lilla andel..

Vattnets miljökemi studerar de kemiska processerna som uppstår i vattencykeln eller den hydrologiska cykeln och utvecklar också tekniker för rening av vatten för konsumtion, behandling av industriellt och urbana avloppsvatten, avsaltning av havsvatten, återvinning och sparande av denna resurs, bland andra.

-Vattencykeln

Vattencykeln på jorden består av tre huvudprocesser: avdunstning, kondens och nederbörd, från vilka tre kretsar härleds:

1. Ytavrinning
2. Växtavdunstning
3. Infiltration, där vattnet passerar till underjordiska nivåer (frytisk), cirkulerar genom vattenlevande kanaler och går ut genom källor, fontäner eller brunnar.

-Antropologiska effekter på vattencykeln

Mänsklig aktivitet har inverkan på vattencykeln; några av orsakerna och effekterna av antropologisk verkan är följande:

Markytemodifiering

Det genereras genom förstöring av skogar och fält med avskogning. Detta påverkar vattencykeln genom att eliminera evapotranspiration (vattenintag av växter och återvända till miljön genom transpiration och avdunstning) och genom att öka avrinningen..

Ökningen i ytavrinning ger en ökning av flödet av floder och översvämningar.

Urbanisering förändrar också markytan och påverkar vattencykeln, eftersom den porösa jorden ersätts med ogenomtränglig cement och asfalt, vilket gör infiltration omöjlig..

Vattencykelföroreningar

Vattencykeln involverar hela biosfären och följaktligen införs mänskligt genererat avfall i denna cykel genom olika processer..

Kemiska föroreningar i luften införlivas i regnet. Jordbrukskemikalier som appliceras på jorden, utsätts för lakvatten och infiltration till vattendrag eller rinner ut i floder, sjöar och hav.

Även slöseriet med fetter och oljor och lakvatten från sanitetsdeponierna dras genom infiltration till grundvattnet.

Utvinning av vattenförsörjning med övertrassering i vattenresurser

Dessa övertrasseringsmetoder ger utarmning av grundvatten- och ytvattenreserver, påverkar ekosystemen och producerar lokal nedsänkning av jorden.

Jordmiljökemi

Jord är en av de viktigaste faktorerna i biosfärens balans. De ger förankring, vatten och näringsämnen till växter, som är producenter i markbundna trofiska kedjor.

Jord

Jorden kan definieras som ett komplext och dynamiskt ekosystem i tre faser: en fast fas med mineral- och organisk bärare, en vattenhaltig flytande fas och en gasformig fas; kännetecknas av att ha en viss fauna och flora (bakterier, svampar, virus, växter, insekter, nematoder, protozoer).

Markens egenskaper förändras ständigt av miljöförhållandena och av den biologiska aktivitet som sker i den..

Antropologiska effekter på jorden

Marknedbrytning är en process som minskar jordens produktionskapacitet, vilket kan ge en djupgående och negativ förändring i ekosystemet..

De faktorer som producerar markförstöring är: klimat, fysiografi, litologi, vegetation och mänsklig handling.

Genom mänsklig handling kan inträffa:

• Fysisk nedbrytning av jorden (till exempel komprimering från felaktig jordbruk och odlingsmetoder).
• Kemisk nedbrytning av jorden (försurning, alkalisering, försaltning, förorening med jordbrukskemikalier, med avlopp från industriell och stadsaktivitet, oljeutsläpp, bland andra).
• Jordens biologiska nedbrytning (minskning av innehållet av organiskt material, nedbrytning av vegetationsskyddet, förlust av bland annat kvävebindande mikroorganismer).

Kemisk-miljö-relation

Miljökemi studerar de olika kemiska processerna som äger rum i de tre miljöavdelningarna: atmosfär, hydrosfär och jord. Det är intressant att granska ett ytterligare tillvägagångssätt på en enkel kemisk modell, som försöker förklara de globala överföringarna av materia som sker i miljön..

-Garrels och Lerman-modell

Garrels and Lerman (1981), utvecklade en förenklad modell av biogeokemin på jordens yta, som studerar samspelet mellan avdelningarna atmosfär, hydrosfär, jordskorpa och den inkluderade biosfären..

Garrels and Lerman-modellen tar hänsyn till sju stora beståndsdelar av mineraler på planeten:

1. Gips (CaSO₄)
2. Pyrit (FeS_två)
3. Kalciumkarbonat (CaCO₃)
4. Magnesiumkarbonat (MgCO₃)
5. Magnesiumsilikat (MgSiO₃)
6. Järnoxid (Fe_tvåELLER₃)
7. Kiseldioxid (SiO_två)

Det organiska materialet som utgör biosfären (både levande och döda) representeras som CH_tvåEller, vilket är den ungefärliga stökiometriska sammansättningen av levande vävnader.

I Garrels and Lerman-modellen studeras geologiska förändringar som nettoöverföringar av materia mellan dessa åtta komponenter på planeten, genom kemiska reaktioner och en nettobalans för massbevarande..

Ackumuleringen av CO_två i atmosfären

Till exempel problemet med ackumulering av CO_två i atmosfären studeras i denna modell och säger att: vi för närvarande förbränner det organiska kolet som lagras i biosfären som kol, olja och naturgas som deponerats i undergrunden under geologiska tider.

Som en konsekvens av denna intensiva förbränning av fossila bränslen, koncentrationen av CO_två atmosfären ökar.

Ökade CO-koncentrationer_två i jordens atmosfär beror på att hastigheten för fossil kolförbränning överstiger kolabsorptionshastigheten av de andra komponenterna i jordens biogeokemiska system (till exempel fotosyntetiska organismer och hydrosfären, till exempel).

På detta sätt utsläpp av CO_två till atmosfären på grund av mänskliga aktiviteter, kringgår regleringssystemet som modulerar förändringar på jorden.

Biosfärens storlek

Modellen som utvecklats av Garrels och Lerman anser också att biosfärens storlek ökar och minskar till följd av balansen mellan fotosyntes och andning..

Under livets historia på jorden ökade biosfärens massa stegvis med höga fotosyntesgrader. Detta resulterade i en nettolagring av organiskt kol och utsläpp av syre:

CO_två    +   H_tvåO → CH_tvåO + O_två

Andning som metabolisk aktivitet hos mikroorganismer och högre djur, omvandlar organiskt kol tillbaka till koldioxid (CO_två) och vatten (H_tvåO), det vill säga det vänder den tidigare kemiska reaktionen.

Närvaron av vatten, lagring av organiskt kol och produktion av molekylärt syre är grundläggande för livets existens..

Miljökemi applikationer

Miljökemi erbjuder lösningar för att förebygga, mildra och avhjälpa miljöskador orsakade av mänsklig aktivitet. Bland några av dessa lösningar kan vi nämna:

• Designen av nya material som kallas MOF (för dess förkortning på engelska: Metall organiska ramar). Dessa är mycket porösa och har förmågan att: absorbera och behålla CO_två, få H_tvåEller från ökenluftånga och förvara H_två i små behållare.
• Omvandling av avfall till råvaror. Till exempel användning av slitna däck vid tillverkning av konstgräs eller skosulor. Också användningen av beskärningsavfall från grödor vid generering av biogas eller bioetanol.
• Kemiska synteser av CFC-ersättare.
• Utvecklingen av alternativa energier, såsom väteceller, för alstring av icke-förorenande el.
• Kontroll av luftföroreningar med inertfilter och reaktiva filter.
• Avsaltning av havsvatten genom omvänd osmos.
• Utveckling av nya material för flockning av kolloidala ämnen suspenderade i vatten (reningsprocess).
• Vändningen av sjöutgjutning.
• Utvecklingen av "grön kemi", en trend som föreslår att giftiga kemiska föreningar ersätts med mindre giftiga och "miljövänliga" kemiska procedurer. Till exempel appliceras den vid användning av mindre giftiga lösningsmedel och råvaror, inom industrin, bland annat i kemtvätt av tvätterier..

Referenser

1. Calvert, J. G., Lazrus, A., Kok, G. L., Heikes, B. G., Walega, J. G., Lind, J. och Cantrell, C. A. (1985). Kemiska mekanismer för syrabildning i troposfären. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, P.J. (1970). Inverkan av kväveoxider på atmosfärens innehåll. Q.J.R. Metheorol. Soc Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, R.M. och Lerman, A. (1981). Fanerozoiska cykler av sedimentärt kol och svavel. Proceedings of the Natural Academy of Sciences. ANVÄNDNINGAR. 78: 4 652-4 656.
4. Hester, R. E. och Harrison, R. M. (2002). Global miljöförändring. Royal Society of Chemistry. sid 205.
5. Hites, R. A. (2007). Element av miljökemi. Wiley-intercience. sid 215.
6. Manahan, S. E. (2000). Miljökemi. Sjunde upplagan. CRC. sid 876
7. Molina, M.J. och Rowland, F.S. (1974). Stratosfärisk diskbänk för klorfluormetaner: Kloratomkatalyserad destruktion av ozon. Natur. 249: 810-812.
8. Morel, F.M. och Hering, J.M. (2000). Principer och tillämpningar av vattenkemi. New York: John Wiley.
9. Stockwell, W. R., Lawson, C. V., Saunders, E. och Goliff, W. S. (2011). En översyn av troposfärisk atmosfärisk kemi och gasfas kemiska mekanismer för luftkvalitetsmodellering. Atmosfär, 3 (1), 1-32. doi: 10.3390 / atmos3010001