MILJÖKEMI: STUDIEOMRÅDE OCH TILLÄMPNINGAR - MILJÖ - 2025

Den miljökemi studerar de kemiska processer som sker 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 kemikalier för förebyggande, mildring och sanering för befintlig miljöskada.

Bild 1. Diagram över den markbundna atmosfären, hydrosfären, litosfären och biosfären. Källa: Bojana Petrović, från Wikimedia Commons

Miljökemi kan delas in i tre grundläggande discipliner som är:

1. Miljökemi i atmosfären.
2. Hydrosfärens miljökemi.
3. Jordmiljökemi.

En omfattande strategi för miljökemi kräver dessutom undersökningen av förhållandena mellan de kemiska processerna som förekommer i dessa tre avdelningar (atmosfär, hydrosfär, jord) och deras förhållanden till biosfären.

Miljökemi i atmosfären

Atmosfären är det gasskikt som omger jorden; det utgör ett mycket komplext system, där temperaturen, trycket och den kemiska sammansättningen varierar med höjden i mycket stora intervall.

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

-Stratosfär

Fotodissociation och fotojoniseringsreaktioner inträffar i de yttre områdena av atmosfären. I regionen mellan 30 och 90 km i höjd uppmätt från jordytan, i stratosfären, finns ett lager som mestadels innehåller ozon (O ₃ ), kallat ozonskiktet.

Ozonskikt

Ozon absorberar högenergi ultraviolett strålning som kommer från solen och om det inte var för detta skikt, kunde inga kända livsformer på planeten överleva.

1995 vann atmosfärkemisterna Mario J. Molina (mexikansk), Frank S. Rowland (amerikan) och Paul Crutzen (holländska) Nobelpriset i kemi för sin forskning om förstörelse och utarmning av ozon i stratosfären.

Figur 2. Plan för utarmning i ozonskiktet. Från nasa.gov

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

-Troposfär

Det atmosfäriska skiktet nära jordytan, mellan 0 och 12 km högt, kallad troposfären, består huvudsakligen av kväve (N ₂ ) och syre (O ₂ ).

Giftiga gaser

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

• Koldioxid och monoxid (CO ₂ och CO).
• Metan (CH ₄ ).
• Kväveoxid (NO).
• Svaveldioxid (SO ₂ ).
• Ozon O ₃ (anses vara ett förorenande ämne i troposfären)
• Flyktiga organiska föreningar (VOC), pulver eller fasta partiklar.

Bland många andra ämnen som påverkar människors och växt- och djurhälsa.

Surt regn

Svaveloxider (SO ₂ och SO ₃ ) och kväveoxider som kväveoxid (NO ₂ ) orsakar ett annat miljöproblem som kallas surt regn.

Dessa oxider, som förekommer i troposfären främst som förbränning av fossila bränslen i industriell verksamhet och transport, reagerar med regnvatten som producerar svavelsyra och salpetersyra, med den resulterande sura nederbörden.

Figur 3. Schema med surt regn. Källa: Alfredsito94, från Wikimedia Commons

Genom att fälla ut detta regn som innehåller starka syror, utlöser det flera miljöproblem såsom försurning av haven och färskt vatten. Detta orsakar döden av vattenlevande organismer; försurning av jord som orsakar dödsfall av grödor och förstörelse genom korrosiv kemisk verkan av byggnader, broar och monument.

Andra atmosfäriska miljöproblem är fotokemisk smog, orsakad främst av kväveoxider och troposfäriskt ozon.

Global uppvärmning

Global uppvärmning produceras av höga koncentrationer av atmosfärisk CO ₂ och andra växthusgaser (GHG), som absorberar mycket av den infraröda strålningen som släpps ut från jordens yta och fångar värme i troposfären. Detta genererar klimatförändringar på planeten.

Hydrosfärens miljökemi

Hydrosfären består av alla vattendrag på jorden: yt- eller våtmarker - hav, sjöar, floder, källor - och underjordiska eller vattenfärgade.

-Friskt 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 färskt vatten (definierat som vatten med ett saltinnehåll på mindre än 0,01%). 97% av vattnet på planeten är saltvatten.

Av de återstående 3% färskvatten är 87% i:

• Jordens poler (som smälter och hälls i havet på grund av den globala uppvärmningen).
• Glaciärerna (också i försvinnande process).
• Grundvatten.
• Vatten i form av ånga i atmosfären.

Endast 0,4% av planetens totala färskvatten är tillgänglig för konsumtion. Förångningen av vatten från haven och nederbörden av regn ger kontinuerligt denna lilla procentandel.

Vattenens miljökemi studerar de kemiska processerna som förekommer i vattnets cykel eller hydrologiska cykel och utvecklar också teknik för rening av vatten för mänsklig konsumtion, behandling av industriellt och urbant avloppsvatten, avsaltning av havsvatten, återvinning och sparar bland annat denna resurs.

-Vatten cykeln

Vattencykeln på jorden består av tre huvudprocesser: indunstning, kondensation och nederbörd, från vilken tre kretsar härleds:

1. Ytavrinning
2. Växtindunstning
3. Infiltrationen, i vilken vattnet passerar till underjordiska nivåer (phreatic), cirkulerar genom akviferkanaler och lämnar genom fjädrar, fontäner eller brunnar.

Bild 4. Vattencykel. Källa: Wasserkreislauf.png: från: Benutzer: Jooooderivative work: moyogo, via Wikimedia Commons

-Antropologiska effekter på vattnets cykel

Mänsklig aktivitet påverkar vattencykeln; några av orsakerna till och effekterna av antropologiska åtgärder är följande:

Ändring av landytan

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

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

Urbanisering modifierar också landytan och påverkar vattencykeln, eftersom den porösa marken ersätts av ogenomtränglig cement och asfalt, vilket gör infiltrering omöjlig.

Vattencykelföroreningar

Vattencykeln involverar hela biosfären och följaktligen integreras 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 akviferer eller rinner ut i floder, sjöar och hav.

Även avfallet av fetter och oljor och lakvatten på sanitetsanläggningarna transporteras genom infiltration till grundvattnet.

Utvinning av vattenförsörjning med överdrivet vattenresurs

Dessa kassakraftsmetoder producerar utarmning av grundvatten och ytvattenreserver, påverkar ekosystem och producerar lokal insjutning av marken.

Jordmiljökemi

Jordar är en av de viktigaste faktorerna i biosfärens balans. De tillhandahåller förankring, vatten och näringsämnen till växter, som är producenter i de landliga trofiska kedjorna.

Jord

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

Jordens egenskaper ändras ständigt av miljöförhållanden och av den biologiska aktiviteten som utvecklas i den.

Antropologiska effekter på marken

Jordnedbrytning är en process som minskar jordens produktionskapacitet, som kan ge en djup och negativ förändring i ekosystemet.

De faktorer som producerar marknedbrytning är: klimat, fysiografi, litologi, vegetation och människans handling.

Bild 5. Nedbruten jord. Källa: pexels.com

Genom mänsklig handling kan inträffa:

• Fysisk nedbrytning av marken (till exempel komprimering från felaktigt jordbruk och gårdsbruk).
• Kemisk nedbrytning av marken (surgöring, alkalisering, salinisering, kontaminering med jordbruksämnen, med avloppsvatten från industriell och stadsaktivitet, bland annat oljeutsläpp).
• Biologisk nedbrytning av marken (minskning av innehållet i organiskt material, nedbrytning av vegetationsskyddet, förlust av kvävefixerande mikroorganismer, bland andra).

Kemisk - miljörelation

Miljökemi studerar de olika kemiska processerna som sker i de tre miljöavdelningarna: atmosfär, hydrosfär och jord. Det är intressant att se över ett ytterligare tillvägagångssätt för en enkel kemisk modell som försöker förklara de globala materialöverföringar som uppstår i miljön.

-Modelgarn och Lerman

Garrels och Lerman (1981) utvecklade en förenklad modell av biogeokemin på jordens yta, som studerar interaktionen mellan atmosfären, hydrosfären, jordskorpan och de inkluderade biosfärfacken.

Garrels och Lerman-modellen beaktar sju huvudsakliga beståndsdelar på planeten:

1. Gips (CaSO ₄ )
2. Pyrite (FeS ₂ )
3. Kalciumkarbonat (CaCO ₃ )
4. Magnesiumkarbonat (MgCOs ₃ )
5. Magnesiumsilikat (MgSiO ₃ )
6. Ferrioxid (Fe ₂ O ₃ )
7. Kiseldioxid (SiO ₂ )

Beståndsdelen organiskt material av biosfären (både levande och döda), representeras som CH ₂ O, vilket är den ungefärliga stökiometriska sammansättningen av levande vävnader.

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

Uppsamlingen av CO

Till exempel studeras problemet med ansamling av CO ₂ i atmosfären i denna modell och säger att vi för närvarande bränner det organiska kolet som lagras i biosfären som kol, olja och naturgas avsatt i undergrunden under geologiska tider tidigare .

Som ett resultat av denna intensiva förbränning av fossila bränslen, koncentrationen av atmosfär CO ₂ ökar.

Ökningen av CO ₂ -koncentrationer i jordens atmosfär beror på att graden av fossil kolförbränning överstiger hastigheten för kolupptagning av de andra komponenterna i jordens biogeokemiska system (såsom fotosyntetiska organismer och till exempel hydrosfär).

På detta sätt, utsläpp av CO ₂ i atmosfären på grund av mänsklig verksamhet, överträffar den reglerande system som modulerar förändringar på jorden.

Storleken på biosfären

Modellen utvecklad 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 i steg med höga fotosynteshastigheter. Detta resulterade i en nettolagring av organiskt kol och utsläpp av syre:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

Respiration som metabolisk aktivitet hos mikroorganismer och högre djur, omvandlar organiskt kol tillbaka till koldioxid (CO ₂ ) och vatten (H ₂ O), dvs reverserar det föregående kemiska reaktionen.

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

Miljökemiapplikationer

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

• Utformningen av nya material som kallas MOF's (för dess förkortning på engelska: Metal Organic Frameworks). Dessa är mycket porös och har kapacitet att: absorbera och kvarhålla CO ₂ , ge H ₂ O från luftånga i ökenområden och lagra H ₂ i små behållare.
• Omvandling av avfall till råmaterial. Till exempel användningen av slitna däck vid tillverkning av konstgräs eller skosulor. Även användningen av beskärningsavfall för grödor vid produktion av biogas eller bioetanol.
• Kemiska synteser av CFC-substitut.
• Utvecklingen av alternativa energier, såsom väteceller, för produktion av icke-förorenande elektricitet.
• Kontroll av atmosfärisk förorening med inerta filter och reaktiva filter.
• Avsaltning av havsvatten genom omvänd osmos.
• Utveckling av nya material för flockning av kolloidala ämnen suspenderade i vatten (reningsprocess).
• Omvändningen av övergödning av sjön.
• Utvecklingen av "grön kemi", en trend som föreslår ersättning av giftiga kemiska föreningar med mindre giftiga, och "miljövänliga" kemiska procedurer. Till exempel appliceras det i användning av mindre giftiga lösningsmedel och råvaror, i industrin, bland annat kemtvätt av tvätt.

referenser

1. Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J., och Cantrell, CA (1985). Kemiska mekanismer för syraproduktion i troposfären. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, PJ (1970). Påverkan av kväveoxider på atmosfärens innehåll. QJR Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, RM och Lerman, A. (1981). Phanerozoic cykler av sedimentärt kol och svavel. Proceedings of the Natural Academy of Sciences. USA 78: 4,652-4,656.
4. Hester, RE och Harrison, RM (2002). Global miljöförändring. Royal Society of Chemistry. sid 205.
5. Hites, RA (2007). Element i miljökemi. Wiley-Interscience. sid 215.
6. Manahan, SE (2000). Miljökemi. Sjunde upplagan. CRC. sid 876
7. Molina, MJ och Rowland, FS (1974). Stratosfärisk diskbänk för klorfluormetaner: Kloratomkatalyserad förstörelse av ozon. Natur. 249: 810-812.
8. Morel, FM och Hering, JM (2000). Principer och tillämpningar inom vattenkemi. New York: John Wiley.
9. Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E. och Goliff, WS (2011). En översyn av troposfärisk atmosfärisk kemi och gasfas-kemiska mekanismer för luftkvalitetsmodellering. Atmosfär, 3 (1), 1–32. doi: 10.3390 / atmos3010001