Milieuchemie studiegebied en toepassingen

de milieuchemie Het bestudeert de chemische processen die plaatsvinden op het niveau van de omgeving. Het is een wetenschap die chemische principes toepast op de studie van milieuprestaties en de effecten die door menselijke activiteiten worden gegenereerd.

Daarnaast ontwerpt de milieuchemie oplossingen voor preventie, mitigatie en sanering van bestaande milieuschade.

Milieuchemie kan worden onderverdeeld in drie basisdisciplines die zijn:

1. Milieuchemie van de atmosfeer.
2. Milieuchemie van de hydrosfeer.
3. Environmental soil chemistry.

Een alomvattende benadering van de milieuchemie vereist ook de studie van de onderlinge relaties tussen de chemische processen die plaatsvinden in deze drie compartimenten (atmosfeer, hydrosfeer, bodem) en hun relaties met de biosfeer.

index

• 1 Milieuchemie van de atmosfeer
  • 1.1 -Stratosfeer
  • 1.2 -Troposfeer
• 2 Milieuchemie van de hydrosfeer
  • 2.1 - Zoet water
  • 2.2 -De watercyclus
  • 2.3 - Antropologische effecten op de waterkringloop
• 3 Environmental soil chemistry
  • 3.1 De grond
  • 3.2 Antropologische effecten op de bodem
• 4 Chemisch-milieu relatie
  • 4.1 - Model Garrels en Lerman
• 5 Toepassingen van milieuchemie
• 6 Referenties

Milieuchemie van de atmosfeer

De atmosfeer is de laag gassen die de aarde omringt; het is een zeer complex systeem, waarbij temperatuur, druk en chemische samenstelling variëren met de hoogte in zeer grote bereiken.

De zon bombardeert de atmosfeer met straling en energierijke deeltjes; dit feit heeft zeer significante chemische effecten in alle lagen van de atmosfeer, maar in het bijzonder in de hoogste en buitenste lagen.

-stratosfeer

Fotodissociatie en foto-ionisatiereacties komen voor in de buitenste regionen van de atmosfeer. In het gebied tussen 30 en 90 km hoog gemeten vanaf het aardoppervlak, in de stratosfeer, bevindt zich een laag met voornamelijk ozon (OF₃), de ozonlaag genoemd.

Ozonlaag

Ozon absorbeert hoogenergetische ultraviolette straling die afkomstig is van de zon en zo niet voor het bestaan ​​van deze laag, geen bekende manier van leven op de planeet, zou kunnen overleven.

In 1995, Mario J. Molina atmosferische chemie (Mexicaanse), Frank S. Rowland (US) en Paul Crutzen (Nederlands), won de Nobelprijs voor de Scheikunde voor zijn onderzoek naar de vernietiging en uitputting van ozon in de stratosfeer.

In 1970 toonde Crutzen aan dat stikstofoxiden ozon vernietigen door katalytische chemische reacties. Vervolgens hebben Molina en Rowland in 1974 aangetoond dat het chloor van chloorfluorkoolstofverbindingen (CFC's) ook in staat is om de ozonlaag te vernietigen.

-troposfeer

De atmosferische laag direct boven het aardoppervlak, tussen 0 en 12 km hoog, de troposfeer genoemd, bestaat hoofdzakelijk uit stikstof (N₂) en zuurstof (O₂).

Giftige gassen

Als een resultaat van menselijke activiteiten bevat de troposfeer veel extra chemicaliën die als luchtverontreinigende stoffen worden beschouwd, zoals:

• Dioxide en koolmonoxide (CO₂ en CO).
• Methaan (CH₄).
• Stikstofoxide (NO).
• Zwaveldioxide (SO)₂).
• Ozon O₃ (beschouwd als een verontreiniging in de troposfeer)
• Vluchtige organische stoffen (VOC's), poeders of vaste deeltjes.

Onder vele andere stoffen, die de gezondheid van mens en plant en dier beïnvloeden.

Zure regen

Zwaveloxiden (SO₂ en ZO₃) en stikstofhoudende stoffen zoals stikstofoxide (NO₂), veroorzaken een ander milieuprobleem dat zure regen wordt genoemd.

Deze oxiden, voornamelijk aanwezig in de troposfeer en verbrandingsproducten van fossiele brandstoffen in industriële en reageren met regenwater zwavelzuur en salpeterzuur, met daaruit zuurprecipitatie produceren.

Door het neerslaan van deze regen die sterke zuren bevat, veroorzaakt dit verschillende milieuproblemen, zoals de verzuring van de zeeën en zoet water. Dit veroorzaakt de dood van in het water levende organismen; de verzuring van de bodem die de dood van gewassen veroorzaakt en de vernietiging door chemische bijtende werking van gebouwen, bruggen en monumenten.

Andere atmosferische milieuproblemen zijn fotochemische smog, voornamelijk veroorzaakt door stikstofoxiden en troposferisch ozon

Opwarming van de aarde

De opwarming van de aarde wordt veroorzaakt door hoge CO-concentraties₂ atmosferische en andere broeikasgassen (BKG), die veel van de infrarode straling van het aardoppervlak en val warmte in de troposfeer vangen. Dit genereert klimaatverandering op de planeet.

Milieuchemie van de hydrosfeer

De hydrósfera wordt gevormd door alle waterlichamen van de aarde: oppervlakkige of humedales - oceanen, meren, rivieren, bronnen - en ondergronds of watervoerende lagen.

-Het zoete water

Water is de meest voorkomende vloeibare stof op de planeet, bedekt 75% van het aardoppervlak en is absoluut essentieel voor het leven.

Alle levensvormen zijn afhankelijk van zoet water (gedefinieerd als water met een zoutgehalte van minder dan 0,01%). 97% van het water op de planeet is zout water.

Van de resterende 3% zoet water is 87% in:

• De polen van de aarde (die smelten en in de zeeën stromen als gevolg van het broeikaseffect).
• De gletsjers (ook in het proces van verdwijnen).
• Het grondwater.
• Water in de vorm van damp in de atmosfeer.

Slechts 0,4% van het totale zoete water van de planeet is beschikbaar voor consumptie. De verdamping van water uit de oceanen en de neerslag van regen zorgen continu voor dit kleine percentage.

Milieu-water chemie bestudeert de chemische processen die zich voordoen in de waterkringloop of hydrologische cyclus en ook ontwikkelt technologieën voor de zuivering van water voor menselijke consumptie, verwerking van industrieel en stedelijk afvalwater, ontzilting van zeewater, recycling en het opslaan van deze bron, onder anderen.

-De watercyclus

De waterkringloop op aarde bestaat uit drie hoofdprocessen: verdamping, condensatie en neerslag, waaruit drie circuits zijn afgeleid:

1. De oppervlakte-afvoer
2. De verdamping van planten
3. De infiltratie, waarbij het water naar ondergrondse niveaus (grondwater) gaat, circuleert door watervoerende kanalen en verlaat de bronnen via bronnen, bronnen of putten.

-Antropologische impact op de waterkringloop

Menselijke activiteit heeft impact op de waterkringloop; Enkele van de oorzaken en gevolgen van de antropologische actie zijn de volgende:

Wijziging van het landoppervlak

Het wordt gegenereerd door de vernietiging van bossen en velden met ontbossing. Dit beïnvloedt de waterkringloop door het elimineren van verdamping (water door de planten halen en terugkeren naar de omgeving door transpiratie en verdamping) en toenemende afvloeiing..

Verhoogde afvloeiing van het oppervlak veroorzaakt verhoogde rivierstroming en overstromingen.

Verstedelijking wijzigt ook het landoppervlak en beïnvloedt de waterkringloop, omdat de poreuze grond wordt vervangen door cement en ondoordringbaar asfalt, wat infiltratie onmogelijk maakt.

Vervuiling van de watercyclus

De waterkringloop omvat de gehele biosfeer en bijgevolg het afval dat door de mens wordt gegenereerd, wordt door verschillende processen in deze cyclus opgenomen.

De chemische verontreinigende stoffen in de lucht worden opgenomen in de regen. Agrochemicaliën toegepast op de bodem, lijden aan percolaat en infiltratie in aquifers, of wegvloeien in rivieren, meren en zeeën.

Ook het afval van vetten en oliën en het percolaat van stortplaatsen worden door infiltratie naar grondwater gesleept.

Winning van watervoorzieningen met roodstand in waterbronnen

Deze praktijken met roodstand, produceren uitputting van grondwater- en oppervlaktewaterreserves, beïnvloeden ecosystemen en produceren lokale bodemdaling.

Environmental soil chemistry

Bodems zijn een van de belangrijkste factoren in de balans van de biosfeer. Ze bieden verankering, water en voedingsstoffen aan de planten, die producenten zijn in de terrestrische trofische ketens.

De vloer

Bodem kan worden gedefinieerd als een complex en dynamisch ecosysteem van drie fasen: een vaste fase van minerale en organische ondersteuning, een waterige vloeibare fase en een gasfase; gekenmerkt door het hebben van een bepaalde fauna en flora (bacteriën, schimmels, virussen, planten, insecten, nematoden, protozoa).

De eigenschappen van de grond veranderen voortdurend vanwege de omgevingsomstandigheden en de biologische activiteit die zich daarin ontwikkelt..

Antropologische effecten op de grond

Bodemdegradatie is een proces dat de productiecapaciteit van de bodem vermindert en een diepgaande en negatieve verandering in het ecosysteem tot stand kan brengen..

De factoren die bodemdegradatie veroorzaken zijn: klimaat, fysiologie, lithologie, vegetatie en menselijke actie.

Door menselijke actie kan optreden:

• Fysieke afbraak van de bodem (bijvoorbeeld verdichting als gevolg van ontoereikende teelt en veeteelt).
• Chemische afbraak van de bodem (verzuring, alkalinisering, verzilting, verontreiniging met agrochemicaliën, afvalwater van industriële en stedelijke activiteit, olieverontreiniging, onder andere).
• Biologische bodemaantasting (afname van organischestofgehalte, afbraak van vegetatiebedekking, verlies van stikstofbindende micro-organismen, onder andere).

Chemisch-milieu relatie

Milieuchemie bestudeert de verschillende chemische processen die plaatsvinden in de drie milieucompartimenten: atmosfeer, hydrosfeer en bodem. Het is interessant om een ​​extra focus te bekijken op een eenvoudig chemisch model, dat probeert de globale overdrachten van materie die in de omgeving voorkomen, uit te leggen.

-Model Garrels en Lerman

Garrels en Lerman (1981), ontwikkelde een vereenvoudigd model van het biochemische oppervlak van de aarde, die de interacties tussen de atmosfeer compartimenten, hydrosfeer korst en de biosfeer inbegrip bestudeert.

Het model van Garrels en Lerman beschouwt zeven belangrijke mineralen van de planeet:

1. Pleister (CaSO₄)
2. Pyriet (FeS₂)
3. Calciumcarbonaat (CaCO₃)
4. Magnesiumcarbonaat (MgCO₃)
5. Magnesiumsilicaat (MgSiO₃)
6. IJzeroxide (Fe₂O₃)
7. Siliciumdioxide (SiO)₂)

De organische materie die de biosfeer vormt (zowel levend als dood), wordt weergegeven als CH₂Of, wat de geschatte stoichiometrische samenstelling is van levende weefsels.

In het Garrels- en Lerman-model worden geologische veranderingen bestudeerd als netto overdracht van materie tussen deze acht componenten van de planeet, door chemische reacties en een netto massa-instandhoudingssaldo.

De accumulatie van CO₂ in de atmosfeer

Het probleem van de accumulatie van CO₂ in de atmosfeer wordt in dit model bestudeerd, zeggend dat: op dit moment de organische koolstof die in de biosfeer is opgeslagen verbrandt als steenkool, olie en aardgas dat in de afgelopen geologische tijden in de ondergrond is afgezet.

Als gevolg van deze intensieve verbranding van fossiele brandstoffen, is de concentratie van CO₂ atmosferische neemt toe.

De toename van CO-concentraties₂ in de aardse atmosfeer is het omdat de fossiele koolstofverbrandingssnelheid groter is dan de snelheid van koolstofabsorptie door de andere componenten van het biogeochemische systeem van de aarde (zoals fotosynthetische organismen en de hydrosfeer bijvoorbeeld).

Op deze manier wordt de uitstoot van CO₂ in de atmosfeer als gevolg van menselijke activiteiten, overtreft het reguleringssysteem dat de veranderingen op aarde moduleert.

De grootte van de biosfeer

Het model ontwikkeld door Garrels en Lerman, is ook van mening dat de omvang van de biosfeer toeneemt en afneemt als gevolg van de balans tussen fotosynthese en ademhaling.

Tijdens de geschiedenis van het leven op aarde nam de massa van de biosfeer in fasen toe met een hoge mate van fotosynthese. Dit resulteerde in een netto opslag van organische koolstof en zuurstofemissie:

CO₂    +   H₂O → CH₂O + O₂

Ademhaling als metabolische activiteit van micro-organismen en hogere dieren, zet organische koolstof terug in koolstofdioxide (CO₂) en water (H.₂O), dat wil zeggen, keert de vorige chemische reactie om.

De aanwezigheid van water, de opslag van organische koolstof en de productie van moleculaire zuurstof zijn van fundamenteel belang voor het bestaan ​​van het leven.

Toepassingen van milieuchemie

Milieuchemie biedt oplossingen voor preventie, beperking en herstel van milieuschade veroorzaakt door menselijke activiteiten. Onder sommige van deze oplossingen kunnen we noemen:

• Het ontwerp van nieuwe materialen met de naam MOF's (voor zijn afkorting in het Engels: Metal Organic Frameworks). Deze zijn zeer poreus en hebben de mogelijkheid om CO te absorberen en vast te houden₂, haal H₂Of luchtdamp uit woestijngebieden en winkel H₂ in kleine containers.
• De omzetting van afval in grondstoffen. Bijvoorbeeld het gebruik van versleten banden bij de productie van kunstgras of schoenzolen. Ook het gebruik van snoeiafval bij de productie van biogas of bio-ethanol.
• De chemische synthese van CFC-substituten.
• De ontwikkeling van alternatieve energieën, zoals waterstofcellen, voor het genereren van schone elektriciteit.
• De controle van luchtvervuiling, met inerte filters en reactieve filters.
• De ontzilting van zeewater door omgekeerde osmose.
• De ontwikkeling van nieuwe materialen voor de flocculatie van colloïdale stoffen gesuspendeerd in water (zuiveringsproces).
• De terugkeer van de eutrofiëring van meren.
• De ontwikkeling van "groene chemie", een trend die de vervanging van toxische chemische stoffen met minder toxische stoffen voorstelt, en "milieuvriendelijke" chemische procedures. Het wordt bijvoorbeeld toegepast in het gebruik van minder toxische oplosmiddelen en grondstoffen, in de industrie, in de stomerij van wasserijen, onder anderen..

referenties

1. Calvert, J.G., Lazrus, A., Kok, G.L., Heikes, B.G., Walega, J.G., Lind, J., en Cantrell, C.A. (1985). Chemische mechanismen van zuurvorming in de troposfeer. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, P.J. (1970). De invloed van stikstofoxiden op het atmosferische gehalte. Q.J.R. Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, R.M. en Lerman, A. (1981). Feroerozoïsche cycli van sedimentaire koolstof en zwavel. Proceedings van de Natural Academy of Sciences. U.S.A. 78: 4,652-4,656.
4. Hester, R.E. en Harrison, R.M. (2002). Wereldwijde milieuverandering. Royal Society of Chemistry. pp 205.
5. Hites, R. A. (2007). Elementen van milieuchemie. Wiley Interscience. pp 215.
6. Manahan, S.E. (2000). Milieuchemie. Zevende editie. CRC. pp 876
7. Molina, M.J. en Rowland, F.S. (1974). Stratospheric sink for chlorofluoromethanes: door chlooratoom gekatalyseerde afbraak van ozon. Nature. 249: 810-812.
8. Morel, F.M. en Hering, J.M. (2000). Principes en toepassingen van aquatische chemie. New York: John Wiley.
9. Stockwell, W.R., Lawson, C.V., Saunders, E., en Goliff, W. S. (2011). Een overzicht van atmosferische atmosferische chemie en gasfase chemische mechanismen voor luchtkwaliteitsmodellering. Atmosphere, 3 (1), 1-32. doi: 10.3390 / atmos3010001