CHEMIA ŚRODOWISKA: KIERUNEK I ZASTOSOWANIA - ŚRODOWISKO - 2025

Chemia środowiska bada procesy chemiczne, które zachodzą na poziomie środowiska. Jest to nauka, która stosuje zasady chemiczne do badania efektów działalności środowiskowej i wpływu wywieranego przez działalność człowieka.

Ponadto chemia środowiska projektuje techniki zapobiegania, łagodzenia i naprawiania istniejących szkód w środowisku.

Rysunek 1. Schemat ziemskiej atmosfery, hydrosfery, litosfery i biosfery. Źródło: Bojana Petrović, źródło Wikimedia Commons

Chemię środowiska można podzielić na trzy podstawowe dyscypliny, którymi są:

1. Chemia środowiska atmosfery.
2. Chemia środowiska hydrosfery.
3. Chemia środowiska gleby.

Kompleksowe podejście do chemii środowiska wymaga dodatkowo zbadania współzależności między procesami chemicznymi zachodzącymi w tych trzech przedziałach (atmosfera, hydrosfera, gleba) a ich związkami z biosferą.

Chemia środowiska atmosfery

Atmosfera to warstwa gazów otaczająca Ziemię; stanowi bardzo złożony system, w którym temperatura, ciśnienie i skład chemiczny zmieniają się wraz z wysokością w bardzo szerokich zakresach.

Słońce bombarduje atmosferę promieniowaniem i wysokoenergetycznymi cząsteczkami; fakt ten ma bardzo znaczące skutki chemiczne we wszystkich warstwach atmosfery, ale w szczególności w warstwie górnej i zewnętrznej.

-Stratosfera

Reakcje fotodysocjacji i fotojonizacji zachodzą w zewnętrznych obszarach atmosfery. W rejonie o wysokości od 30 do 90 km mierzonej od powierzchni Ziemi, w stratosferze znajduje się warstwa zawierająca głównie ozon (O ₃ ), zwana warstwą ozonową.

Warstwa ozonowa

Ozon pochłania wysokoenergetyczne promieniowanie ultrafioletowe pochodzące ze słońca i gdyby nie istnienie tej warstwy, żadne znane formy życia na planecie nie mogłyby przetrwać.

W 1995 roku chemicy atmosferyczni Mario J. Molina (Meksyk), Frank S. Rowland (Amerykanin) i Paul Crutzen (Holender) otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za swoje badania nad niszczeniem i zubożeniem ozonu w stratosferze.

Rysunek 2. Schemat ubytku warstwy ozonowej. Z nasa.gov

W 1970 Crutzen wykazał, że tlenki azotu niszczą ozon poprzez katalityczne reakcje chemiczne. Następnie Molina i Rowland w 1974 r. Wykazali, że chlor w związkach chlorofluorowęglowodorowych (CFC) jest również zdolny do niszczenia warstwy ozonowej.

-Troposfera

Warstwa atmosferyczna w pobliżu powierzchni Ziemi, na wysokości od 0 do 12 km, zwana troposferą, składa się głównie z azotu (N ₂ ) i tlenu (O ₂ ).

Gazy toksyczne

W wyniku działalności człowieka troposfera zawiera wiele dodatkowych chemikaliów uznawanych za zanieczyszczenia powietrza, takich jak:

• Dwutlenek i tlenek węgla (CO ₂ i CO).
• Metan (CH ₄ ).
• Tlenek azotu (NO).
• Dwutlenek siarki (SO ₂ ).
• Ozon O ₃ (uważany za zanieczyszczenie w troposferze)
• Lotne związki organiczne (LZO), proszki lub cząstki stałe.

Wśród wielu innych substancji, które mają wpływ na zdrowie ludzi, roślin i zwierząt.

Kwaśny deszcz

Tlenki siarki (SO ₂ i SO ₃ ) oraz tlenki azotu, takie jak podtlenek azotu (NO ₂ ), powodują inny problem środowiskowy zwany kwaśnymi deszczami.

Tlenki te, obecne w troposferze głównie jako produkty spalania paliw kopalnych w działalności przemysłowej i transporcie, reagują z wodą deszczową, wytwarzając kwas siarkowy i azotowy, co prowadzi do wytrącania się kwasów.

Rysunek 3. Schemat kwaśnego deszczu. Źródło: Alfredsito94, źródło Wikimedia Commons

Wytrącając ten deszcz, który zawiera silne kwasy, powoduje szereg problemów środowiskowych, takich jak zakwaszenie mórz i słodkich wód. To powoduje śmierć organizmów wodnych; zakwaszenie gleb, które powoduje obumieranie upraw i zniszczenie budynków, mostów i pomników przez korozyjne działanie chemiczne.

Inne problemy związane ze środowiskiem atmosferycznym to smog fotochemiczny, powodowany głównie przez tlenki azotu i ozon troposferyczny.

Globalne ocieplenie

Globalne ocieplenie jest spowodowane wysokimi stężeniami atmosferycznego CO ₂ i innych gazów cieplarnianych (GHG), które pochłaniają większość promieniowania podczerwonego emitowanego przez powierzchnię Ziemi i zatrzymują ciepło w troposferze. To powoduje zmianę klimatu na naszej planecie.

Chemia środowiska hydrosfery

Hydrosfera składa się ze wszystkich zbiorników wodnych na Ziemi: powierzchniowych lub podmokłych - oceanów, jezior, rzek, źródeł - oraz podziemnych lub warstw wodonośnych.

-Świeża woda

Woda jest najpowszechniejszą substancją płynną na naszej planecie, pokrywa 75% powierzchni Ziemi i jest absolutnie niezbędna do życia.

Wszystkie formy życia zależą od słodkiej wody (definiowanej jako woda o zawartości soli poniżej 0,01%). 97% wody na naszej planecie to woda słona.

Z pozostałych 3% wody słodkiej 87% znajduje się w:

• Bieguny Ziemi (które topią się i wlewają do mórz z powodu globalnego ocieplenia).
• Lodowce (także zanikające).
• Wody gruntowe.
• Woda w postaci pary występującej w atmosferze.

Tylko 0,4% całkowitej słodkiej wody na naszej planecie jest dostępne do spożycia. Parowanie wody z oceanów i opady deszczu stale zapewniają ten niewielki procent.

Chemia środowiska wody bada procesy chemiczne zachodzące w cyklu wodnym lub hydrologicznym, a także opracowuje technologie oczyszczania wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi, oczyszczania ścieków przemysłowych i miejskich, odsalania wody morskiej, recyklingu i m.in. zapisywanie tego zasobu.

-Obieg wody

Cykl wodny na Ziemi składa się z trzech głównych procesów: parowania, kondensacji i opadów, z których pochodzą trzy obwody:

1. Spływ powierzchniowy
2. Ewapotranspiracja roślin
3. Infiltracja, w której woda przechodzi do poziomów podziemnych (freatic), krąży kanałami wodonośnymi i wypływa przez źródła, fontanny lub studnie.

Rysunek 4. Obieg wody. Źródło: Wasserkreislauf.png: from: Benutzer: Jooooderivative work: moyogo, via Wikimedia Commons

-Antropologiczny wpływ na obieg wody

Działalność człowieka ma wpływ na obieg wody; niektóre przyczyny i skutki działań antropologicznych są następujące:

Modyfikacja powierzchni terenu

Powstaje w wyniku niszczenia lasów i pól z wylesieniem. Wpływa to na obieg wody poprzez eliminację ewapotranspiracji (pobór wody przez rośliny i powrót do środowiska w wyniku transpiracji i parowania) oraz zwiększenie odpływu.

Wzrost odpływu powierzchniowego powoduje wzrost przepływu rzek i powodzi.

Urbanizacja modyfikuje również powierzchnię terenu i wpływa na obieg wody, ponieważ porowatą glebę zastępuje nieprzepuszczalny cement i asfalt, co uniemożliwia infiltrację.

Zanieczyszczenie obiegu wody

Cykl wodny obejmuje całą biosferę, w związku z czym odpady wytwarzane przez człowieka są włączane do tego cyklu za pomocą różnych procesów.

Zanieczyszczenia chemiczne w powietrzu są przenoszone do deszczu. Substancje agrochemiczne stosowane do gleby, ulegają wymywaniu i infiltracji do warstw wodonośnych lub spływają do rzek, jezior i mórz.

Również odpady tłuszczów i olejów oraz odcieki ze składowisk sanitarnych przenoszone są drogą infiltracji do wód gruntowych.

Wydobycie wody z debetem w zasobach wodnych

Takie praktyki w zakresie przekroczenia stanu konta powodują wyczerpywanie się zasobów wód gruntowych i powierzchniowych, wpływają na ekosystemy i powodują lokalne osiadanie gleby.

Chemia środowiska gleby

Gleby są jednym z najważniejszych czynników wpływających na równowagę biosfery. Zapewniają kotwiczenie, wodę i składniki odżywcze roślinom, które są producentami w ziemskich łańcuchach troficznych.

Gleba

Glebę można zdefiniować jako złożony i dynamiczny ekosystem składający się z trzech faz: fazy stałej z podłożem mineralnym i organicznym, wodnej fazy ciekłej i fazy gazowej; charakteryzuje się posiadaniem określonej fauny i flory (bakterie, grzyby, wirusy, rośliny, owady, nicienie, pierwotniaki).

Właściwości gleby są stale zmieniane przez warunki środowiskowe i rozwijającą się w niej aktywność biologiczną.

Oddziaływania antropologiczne na glebę

Degradacja gleby to proces, który zmniejsza produktywność gleby i może spowodować głęboką i negatywną zmianę w ekosystemie.

Czynniki powodujące degradację gleby to: klimat, fizjografia, litologia, roślinność i działalność człowieka.

Rysunek 5. Zdegradowana gleba. Źródło: pexels.com

Ludzkie działanie może spowodować:

• Fizyczna degradacja gleby (na przykład zagęszczenie w wyniku niewłaściwych praktyk rolniczych i ranczerskich).
• Chemiczna degradacja gleby (m.in. zakwaszenie, alkalizacja, zasolenie, zanieczyszczenie agrochemikaliami, ściekami z działalności przemysłowej i miejskiej, wycieki ropy).
• Biologiczna degradacja gleby (m.in. zmniejszenie zawartości materii organicznej, degradacja szaty roślinnej, utrata mikroorganizmów wiążących azot).

Związek chemiczny - środowisko

Chemia środowiska bada różne procesy chemiczne zachodzące w trzech częściach środowiska: atmosferze, hydrosferze i glebie. Interesujący jest przegląd dodatkowego podejścia do prostego modelu chemicznego, który próbuje wyjaśnić globalne transfery materii zachodzące w środowisku.

-Model Garrels i Lerman

Garrels i Lerman (1981) opracowali uproszczony model biogeochemii powierzchni Ziemi, który bada interakcje między atmosferą, hydrosferą, skorupą ziemską i zawartymi w niej przedziałami biosfery.

Model Garrelsa i Lermana uwzględnia siedem głównych minerałów składowych planety:

1. Gips (CaSO ₄ )
2. Piryt (FeS ₂ )
3. Węglan wapnia (CaCO ₃ )
4. Węglan magnezu (MgCO ₃ )
5. Krzemian Magnezu (MgSiO ₃ )
6. Tlenek żelaza (Fe ₂ O ₃ )
7. Dwutlenek krzemu (SiO ₂ )

Składowa materia organiczna biosfery (zarówno żywa, jak i martwa) jest reprezentowana jako CH ₂ O, który jest przybliżonym składem stechiometrycznym żywych tkanek.

W modelu Garrelsa i Lermana zmiany geologiczne są badane jako transfery netto materii między tymi ośmioma składnikami planety w wyniku reakcji chemicznych i bilansu zachowania masy netto.

Nagromadzenie CO

Przykładowo, w modelu tym badany jest problem akumulacji CO ₂ w atmosferze, mówiąc, że: obecnie spalamy węgiel organiczny zmagazynowany w biosferze w postaci węgla, ropy i gazu osadzonego w podłożu w przeszłości geologicznej. .

W wyniku tego intensywnego spalania paliw kopalnych stężenie atmosferycznego CO ₂ wzrasta.

Wzrost stężenia CO ₂ w atmosferze ziemskiej wynika z faktu, że tempo spalania węgla kopalnego przewyższa tempo pochłaniania węgla przez inne składniki ziemskiego układu biogeochemicznego (takie jak organizmy fotosyntetyczne i hydrosfera).

W ten sposób emisja CO ₂ do atmosfery w wyniku działalności człowieka przewyższa system regulacyjny, który moduluje zmiany na Ziemi.

Wielkość biosfery

Model opracowany przez Garrelsa i Lermana uwzględnia również, że rozmiar biosfery rośnie i maleje w wyniku równowagi między fotosyntezą a oddychaniem.

W historii życia na Ziemi masa biosfery wzrastała etapami z wysokim współczynnikiem fotosyntezy. Spowodowało to magazynowanie netto węgla organicznego i emisję tlenu:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

Oddychanie jako aktywność metaboliczna mikroorganizmów i wyższych zwierząt przekształca węgiel organiczny z powrotem w dwutlenek węgla (CO ₂ ) i wodę (H ₂ O), czyli odwraca poprzednią reakcję chemiczną.

Obecność wody, magazynowanie węgla organicznego i wytwarzanie tlenu cząsteczkowego mają fundamentalne znaczenie dla istnienia życia.

Zastosowania chemii środowiska

Chemia środowiska oferuje rozwiązania w zakresie zapobiegania, łagodzenia i naprawiania szkód w środowisku spowodowanych działalnością człowieka. Wśród niektórych z tych rozwiązań możemy wymienić:

• Projekt nowych materiałów zwanych MOF's (od angielskiego akronimu: Metal Organic Frameworks). Są one bardzo porowate i mają zdolność: pochłaniania i zatrzymywania CO ₂ , pozyskiwania H ₂ O z oparów powietrza na obszarach pustynnych oraz przechowywania H ₂ w małych pojemnikach.
• Przekształcenie odpadów w surowce. Na przykład wykorzystanie zużytych opon do produkcji sztucznej trawy lub podeszew do butów. Również wykorzystanie odpadów z przycinania roślin do produkcji biogazu lub bioetanolu.
• Chemiczne syntezy substytutów CFC.
• Rozwój alternatywnych źródeł energii, takich jak ogniwa wodorowe, do wytwarzania niezanieczyszczającej energii elektrycznej.
• Kontrola zanieczyszczenia atmosfery za pomocą filtrów obojętnych i filtrów reaktywnych.
• Odsalanie wody morskiej metodą odwróconej osmozy.
• Opracowanie nowych materiałów do flokulacji zawieszonych w wodzie substancji koloidalnych (proces oczyszczania).
• Odwrócenie eutrofizacji jezior.
• Rozwój „zielonej chemii”, trendu, który proponuje zastępowanie toksycznych związków chemicznych mniej toksycznymi, oraz „przyjaznych dla środowiska” procedur chemicznych. Przykładowo znajduje zastosowanie przy stosowaniu mniej toksycznych rozpuszczalników i surowców, w przemyśle m.in. w pralniach na sucho.

Bibliografia

1. Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J. i Cantrell, CA (1985). Mechanizmy chemiczne powstawania kwasów w troposferze. Naturę, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, PJ (1970). Wpływ tlenków azotu na zawartość atmosfery. QJR Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, RM i Lerman, A. (1981). Cykle fanerozoiczne węgla osadowego i siarki. Materiały Naturalnej Akademii Nauk. USA 78: 4,652-4,656.
4. Hester, RE i Harrison, RM (2002). Globalna zmiana środowiska. Królewskie Towarzystwo Chemii. pp 205.
5. Hites, RA (2007). Elementy chemii środowiska. Wiley-Interscience. pp 215.
6. Manahan, SE (2000). Chemia środowiska. Wydanie siódme. CRC. pp 876
7. Molina, MJ i Rowland, FS (1974). Stratosferyczny pochłaniacz chlorofluorometanów: katalizowane atomem chloru niszczenie ozonu. Natura. 249: 810-812.
8. Morel, FM i Hering, JM (2000). Zasady i zastosowania chemii wodnej. Nowy Jork: John Wiley.
9. Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E. i Goliff, WS (2011). Przegląd troposferycznej chemii atmosfery i mechanizmów chemicznych w fazie gazowej do modelowania jakości powietrza. Atmosfera, 3 (1), 1–32. doi: 10.3390 / atm3010001