MILJØKEMI: STUDIERETNING OG ANVENDELSER - MILJØ - 2025

Den miljøkemi studerer de kemiske processer, der finder sted på det miljømæssige plan. Det er en videnskab, der anvender kemiske principper til studiet af miljøpræstation og de virkninger, der genereres af menneskelige aktiviteter.

Derudover designer miljøkemi teknikker til forebyggelse, afhjælpning og afhjælpning af eksisterende miljøskader.

Figur 1. Diagram over den jordiske atmosfære, hydrosfæren, lithosfæren og biosfæren. Kilde: Bojana Petrović, fra Wikimedia Commons

Miljøkemi kan opdeles i tre grundlæggende discipliner, der er:

1. Miljøkemi af atmosfæren.
2. Miljøkemi i hydrosfæren.
3. Jordmiljøkemi.

En omfattende tilgang til miljøkemi kræver endvidere undersøgelse af sammenhængen mellem de kemiske processer, der forekommer i disse tre rum (atmosfære, hydrosfære, jord) og deres forhold til biosfæren.

Miljøkemi af atmosfæren

Atmosfæren er det lag af gasser, der omgiver Jorden; det udgør et meget komplekst system, hvor temperaturen, trykket og den kemiske sammensætning varierer med højden i meget brede områder.

Solen bombarderer atmosfæren med stråling og højenergipartikler; denne kendsgerning har meget markante kemiske virkninger i alle lag i atmosfæren, men især i de øverste og ydre lag.

-Stratosphere

Fotodissociation og fotoioniseringsreaktioner forekommer i de ydre regioner i atmosfæren. I regionen mellem 30 og 90 km i højde målt fra jordoverfladen, i stratosfæren, er der et lag, der hovedsageligt indeholder ozon (O ₃), kaldet ozonlaget.

Ozonlag

Ozon absorberer ultraviolet stråling med høj energi, der kommer fra solen, og hvis det ikke var for dette lag, kunne ingen kendte livsformer på planeten overleve.

I 1995 vandt atmosfæriske kemikere Mario J. Molina (mexicansk), Frank S. Rowland (amerikaner) og Paul Crutzen (hollandsk) Nobelprisen i kemi for deres forskning i ødelæggelse og nedbrydning af ozon i stratosfæren.

Figur 2. Plan for nedbrydning i ozonlaget. Fra nasa.gov

I 1970 viste Crutzen, at nitrogenoxider ødelægger ozon gennem katalytiske kemiske reaktioner. Efterfølgende viste Molina og Rowland i 1974, at klor i chlorofluorcarbonforbindelser (CFC'er) også er i stand til at ødelægge ozonlaget.

-Troposphere

Det atmosfæriske lag nær jordoverfladen, mellem 0 og 12 km høj, kaldet troposfæren, består hovedsageligt af nitrogen (N ₂) og ilt (O ₂).

Giftige gasser

Som et resultat af menneskelige aktiviteter indeholder troposfæren mange yderligere kemikalier, der betragtes som luftforurenende stoffer, såsom:

• Kuldioxid og monoxid (CO ₂ og CO).
• Metan (CH ₄).
• Nitrogenoxid (NO).
• Svovldioxid (SO ₂).
• Ozon O ₃ (betragtes som et forurenende stof i troposfæren)
• Flygtige organiske forbindelser (VOC'er), pulvere eller faste partikler.

Blandt mange andre stoffer, der påvirker menneskers og plante- og dyresundhed.

Syreregn

Svovloxider (SO ₂ og SO ₃) og nitrogenoxider såsom nitrogenoxid (NO ₂) forårsager et andet miljøproblem kaldet sur nedbør.

Disse oxider, der forekommer i troposfæren hovedsageligt som produkter fra forbrænding af fossile brændstoffer i industrielle aktiviteter og transport, reagerer med regnvand, der producerer svovlsyre og salpetersyre, med den deraf følgende syreudfældning.

Figur 3. Skema med surt regn. Kilde: Alfredsito94, fra Wikimedia Commons

Ved at udfælde dette regn, der indeholder stærke syrer, udløser det adskillige miljøproblemer, såsom forsuring af havene og ferskvandet. Dette forårsager død af vandlevende organismer; forsuring af jord, der forårsager afgrødens død og ødelæggelse ved korrosive kemiske virkninger af bygninger, broer og monumenter.

Andre atmosfæriske miljøproblemer er fotokemisk smog, der hovedsageligt skyldes nitrogenoxider og troposfærisk ozon.

Global opvarmning

Global opvarmning produceres ved høje koncentrationer af atmosfærisk CO ₂ og andre drivhusgasser (GHG'er), der absorberer meget af den infrarøde stråling, der udsendes af jordoverfladen og fælder varme i troposfæren. Dette genererer klimaændringer på planeten.

Miljøkemi i hydrosfæren

Hydrosfæren består af alle vandmasser på Jorden: overflade eller vådområder - oceaner, søer, floder, kilder - og underjordiske eller akviferer.

- Frisk vand

Vand er det mest almindelige flydende stof på planeten, det dækker 75% af jordoverfladen og er absolut vigtigt for livet.

Alle former for liv afhænger af ferskvand (defineret som vand med et saltindhold på mindre end 0,01%). 97% af vandet på planeten er saltvand.

Af de resterende 3% ferskvand er 87% i:

• Jordens poler (som smelter og hældes i havet på grund af den globale opvarmning).
• Glacierne (også i forsvinden).
• Grundvand.
• Vand i form af damp til stede i atmosfæren.

Kun 0,4% af planetens samlede ferskvand er tilgængeligt til forbrug. Fordampning af vand fra oceanerne og nedbør giver konstant denne lille procentdel.

Vandets miljøkemi studerer de kemiske processer, der forekommer i vandcyklussen eller den hydrologiske cyklus, og udvikler også teknologier til rensning af vand til menneskeføde, behandling af industrielt og byspildevand, afsaltning af havvand, genanvendelse og gemme denne ressource blandt andre.

-Vandcyklus

Vandcyklussen på Jorden består af tre hovedprocesser: fordampning, kondensation og nedbør, hvorfra tre kredsløb er afledt:

1. Overfladeafstrømning
2. Plantefordampningstranspiration
3. Infiltrationen, hvor vandet passerer til underjordiske niveauer (frreatisk), cirkulerer gennem akviferkanaler og forlader gennem fjedre, springvand eller brønde.

Figur 4. Vandcyklus. Kilde: Wasserkreislauf.png: fra: Benutzer: Jooooderivative arbejde: moyogo, via Wikimedia Commons

-Antropologiske påvirkninger på vandcyklussen

Menneskelig aktivitet har indflydelse på vandcyklussen; nogle af årsagerne og virkningerne af antropologisk handling er følgende:

Ændring af landoverfladen

Det genereres ved ødelæggelse af skove og marker med skovrydning. Dette påvirker vandcyklussen ved at fjerne evapotranspiration (vandindtagelse af planter og vende tilbage til miljøet ved sved og fordampning) og ved at øge afstrømningen.

Stigningen i overfladeafstrømning giver en stigning i strømmen af ​​floder og oversvømmelser.

Urbanisering ændrer også landoverfladen og påvirker vandcyklussen, da den porøse jord erstattes af uigennemtrængelig cement og asfalt, hvilket gør infiltration umulig.

Forurening af vandcyklus

Vandcyklussen involverer hele biosfæren, og følgelig indarbejdes humant genereret affald i denne cyklus af forskellige processer.

Kemiske forurenende stoffer i luften indarbejdes i regnen. Jordkemikalier anvendt på jorden, lider udvaskning og infiltration til akviferer eller løber ud i floder, søer og søer.

Også affaldet af fedt og olier og udvaskningen af ​​de sanitære deponeringsanlæg transporteres ved infiltration til grundvandet.

Udvinding af vandforsyninger med overtræk i vandressourcer

Denne kassekraftspraksis producerer udtømning af grundvands- og overfladevandsreserver, påvirker økosystemer og producerer lokal jordbunden.

Jordmiljøkemi

Jord er en af ​​de vigtigste faktorer i biosfærens balance. De leverer forankring, vand og næringsstoffer til planter, der er producenter af de jordiske trofiske kæder.

Jord

Jorden kan defineres som et komplekst og dynamisk økosystem med tre faser: en fast fase med mineral og organisk understøtning, en vandig flydende fase og en gasfase; kendetegnet ved at have en bestemt fauna og flora (bakterier, svampe, vira, planter, insekter, nematoder, protozoer).

Jordens egenskaber ændres konstant af miljømæssige forhold og af den biologiske aktivitet, der udvikler sig i den.

Antropologiske påvirkninger på jorden

Jordforringelse er en proces, der reducerer jordens produktionsevne, der er i stand til at skabe en dyb og negativ ændring i økosystemet.

De faktorer, der producerer jordforringelse er: klima, fysiografi, litologi, vegetation og menneskelig handling.

Figur 5. Nedbrudt jord. Kilde: pexels.com

Ved menneskelig handling kan der opstå:

• Fysisk nedbrydning af jorden (for eksempel komprimering fra forkert landbrugs- og gårdspraksis).
• Kemisk nedbrydning af jorden (forsuring, alkalisering, saltvand, forurening med landbrugskemikalier, med spildevand fra industriel og bymæssig aktivitet, blandt andet oliespild).
• Biologisk nedbrydning af jorden (fald i indholdet af organisk stof, nedbrydning af vegetationsdækningen, tab af kvælstoffikserende mikroorganismer, blandt andre).

Kemisk-miljø-forhold

Miljøkemi studerer de forskellige kemiske processer, der finder sted i de tre miljørum: atmosfære, hydrosfære og jord. Det er interessant at gennemgå en yderligere tilgang til en simpel kemisk model, der prøver at forklare de globale overførsler af stof, der forekommer i miljøet.

-Model Garrels og Lerman

Garrels og Lerman (1981) udviklede en forenklet model for biogeokemien på jordoverfladen, som undersøger samspillet mellem atmosfæren, hydrosfæren, jordskorpen og de inkluderede biosfærerum.

Garrels and Lerman-modellen betragter syv vigtigste bestanddele mineraler på planeten:

1. Gips (CaSO ₄)
2. Pyrit (FeS ₂)
3. Calciumcarbonat (CaCO ₃)
4. Magnesiumcarbonat (MgCO ₃)
5. Magnesiumsilikat (MgSiO ₃)
6. Ferrioxid (Fe ₂ O ₃)
7. Siliciumdioxid (SiO ₂)

Bestanddelen organisk materiale i biosfæren (både levende og døde), repræsenteret som CH ₂ O, hvilket er den omtrentlige støkiometriske sammensætning af levende væv.

I Garrels og Lerman-modellen studeres geologiske ændringer som nettooverførsler af stof mellem disse otte komponenter af planeten gennem kemiske reaktioner og en nettobalance af massebesparelse.

Akkumulering af CO

For eksempel studeres problemet med akkumulering af CO ₂ i atmosfæren i denne model, idet det siges: For tiden forbrænder vi det organiske kulstof, der er lagret i biosfæren som kul, olie og naturgas deponeret i undergrunden i geologiske tider tidligere.

Som et resultat af denne intensive forbrænding af fossile brændstoffer øges koncentrationen af atmosfærisk CO ₂.

Stigningen i CO ₂ -koncentrationer i jordens atmosfære skyldes det faktum, at forekomsten af ​​fossilt kulstofforbrænding overstiger hastigheden for carbonabsorption af de andre komponenter i jordens biogeokemiske system (såsom fotosyntetiske organismer og fx hydrosfære).

På denne måde overgår emissionen af ​​CO ₂ til atmosfæren på grund af menneskelige aktiviteter det reguleringssystem, der modulerer ændringer på Jorden.

Størrelsen på biosfæren

Modellen udviklet af Garrels og Lerman mener også, at størrelsen på biosfæren øges og mindskes som et resultat af balancen mellem fotosyntesen og respiration.

Under livets historie på Jorden steg biosfærens masse i stadier med høje fotosyntesen. Dette resulterede i en nettolagring af organisk kulstof og emission af ilt:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

Respiration som metabolisk aktivitet af mikroorganismer og højere dyr, omdanner organisk kulstof tilbage til carbondioxid (CO ₂) og vand (H ₂ O), dvs. den vender den tidligere kemisk reaktion.

Tilstedeværelsen af ​​vand, opbevaring af organisk kulstof og produktionen af ​​molekylært ilt er grundlæggende for livets eksistens.

Anvendelser til miljøkemi

Miljøkemi tilbyder løsninger til forebyggelse, afhjælpning og afhjælpning af miljøskader forårsaget af menneskelig aktivitet. Blandt nogle af disse løsninger kan vi nævne:

• Designet af nye materialer kaldet MOF'er (til dets akronym på engelsk: Metal Organic Frameworks). Disse er meget porøst og har kapacitet til: at absorbere og tilbageholde CO ₂, opnå H ₂ O fra luften damp i ørkenområder og opbevare H ₂ i små containere.
• Konvertering af affald til råvarer. For eksempel brugen af ​​slidte dæk til produktion af kunstgræs eller skosåler. Også brugen af ​​beskæringsaffald til afgrøder til produktion af biogas eller bioethanol.
• Kemiske synteser af CFC-erstatninger.
• Udviklingen af ​​alternative energier, såsom brintceller, til produktion af ikke-forurenende elektricitet.
• Styring af atmosfærisk forurening med inerte filtre og reaktive filtre.
• Afsaltning af havvand ved omvendt osmose.
• Udviklingen af ​​nye materialer til flokkulering af kolloide stoffer suspenderet i vand (rensningsproces).
• Vendingen af ​​eutrofiering af søen.
• Udviklingen af ​​"grøn kemi", en tendens, der foreslår udskiftning af giftige kemiske forbindelser med mindre giftige, og "miljøvenlige" kemiske procedurer. F.eks. Anvendes det i brugen af ​​mindre giftige opløsningsmidler og råmaterialer i industrien, blandt andet til rensning af vaskerier.

Referencer

1. Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J., og Cantrell, CA (1985). Kemiske mekanismer til syrefrembringelse i troposfæren. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, PJ (1970). Påvirkningen af ​​nitrogenoxider på det atmosfæriske indhold. QJR Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, RM og Lerman, A. (1981). Phanerozoic cyklusser af sedimentært kulstof og svovl. Forløb fra Natural Academy of Sciences. USA 78: 4,652-4,656.
4. Hester, RE og Harrison, RM (2002). Global miljøændring. Royal Society of Chemistry. s. 205.
5. Hites, RA (2007). Elementer af miljøkemi. Wiley-Interscience. s. 215.
6. Manahan, SE (2000). Miljøkemi. Syvende udgave. CRC. s. 876
7. Molina, MJ og Rowland, FS (1974). Stratosfærisk synke til chlorfluormethaner: Kloratomer-katalyseret ødelæggelse af ozon. Natur. 249: 810-812.
8. Morel, FM og Hering, JM (2000). Principper og anvendelser af akvatisk kemi. New York: John Wiley.
9. Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E., og Goliff, WS (2011). En gennemgang af troposfærisk atmosfærisk kemi og gasfasekemiske mekanismer til luftkvalitetsmodellering. Atmosfære, 3 (1), 1–32. doi: 10.3390 / atmos3010001