Област на изучаване и приложения на химията на околната среда

на химия на околната среда Проучва химичните процеси, които протичат на екологично ниво. Това е наука, която прилага химически принципи към изследването на екологичните резултати и въздействията, генерирани от човешката дейност.

Освен това, екологичната химия проектира техники за предотвратяване, смекчаване и възстановяване на съществуващите екологични щети.

Химията на околната среда може да бъде разделена на три основни дисциплини, които са:

1. Химия на околната среда на атмосферата.
2. Химия на околната среда на хидросферата.
3. Екологична почвена химия.

Всеобхватният подход към химията на околната среда също изисква проучване на взаимовръзките между химичните процеси, които се случват в тези три отделения (атмосфера, хидросфера, почва) и техните взаимоотношения с биосферата..

индекс

• 1 Химия на околната среда на атмосферата
  • 1.1 -Стратосферата
  • 1.2 - Тропосфера
• 2 Химия на околната среда на хидросферата
  • 2.1 - Прясна вода
  • 2.2 - Воден цикъл
  • 2.3 - Антропологични въздействия върху водния цикъл
• 3 Околна среда на почвата
  • 3.1 Почвата
  • 3.2 Антропологични въздействия върху почвата
• 4 Химико-екологични отношения
  • 4.1 - Модел Гарелс и Лерман
• 5 Приложения на химията на околната среда
• 6 Препратки

Химия на околната среда на атмосферата

Атмосферата е слой от газове, които заобикалят Земята; това е много сложна система, където температурата, налягането и химичният състав варират с височина в много широки граници.

Слънцето бомбардира атмосферата с радиация и високоенергийни частици; този факт има много значителни химични ефекти във всички слоеве на атмосферата, но по-специално в най-високите и външните слоеве.

-стратосфера

Реакциите на фотодисоциация и фотоионизация се срещат във външните участъци на атмосферата. В района между 30 и 90 км височина, измерен от земната повърхност, в стратосферата се намира слой, съдържащ най-вече озон (ИЛИ)₃), наречен озонов слой.

Озонов слой

Озонът поглъща ултравиолетовата радиация с висока енергия, която идва от слънцето и ако не за съществуването на този слой, няма познат начин на живот на планетата, може да съществува.

През 1995 г. атмосферните химици Mario J. Molina (мексикански), Frank S. Rowland (американски) и Пол Crutzen (холандски), спечелиха Нобелова награда за химия за техните изследвания за разрушаването и изчерпването на озона в стратосферата..

През 1970 г. Crutzen показа, че азотните оксиди разрушават озона чрез каталитични химични реакции. Впоследствие Molina и Rowland през 1974 г. показаха, че хлорът на хлорофлуоровъглеводородните съединения (CFC) също може да разруши озоновия слой..

-тропосфера

Атмосферният слой непосредствено над земната повърхност, висок между 0 и 12 km, наречен тропосферата, се състои главно от азот (N₂и кислород (О₂).

Токсични газове

В резултат на човешката дейност тропосферата съдържа много допълнителни химикали, считани за замърсители на въздуха, като:

• Диоксид и въглероден оксид (СО₂ и CO).
• Метан (СН₄).
• Азотен оксид (NO).
• Серен диоксид (SO)₂).
• Озон О₃ (счита се за замърсител в тропосферата)
• Летливи органични съединения (ЛОС), прахове или твърди частици.

Сред много други вещества, които засягат здравето на хората и растенията и животните.

Киселинен дъжд

Серни оксиди (SO₂ и SO₃и азотни такива като азотен оксид (NO₂), предизвика друг екологичен проблем, наречен киселинен дъжд.

Тези оксиди, присъстващи в тропосферата главно като продукти от изгарянето на изкопаеми горива в промишлени дейности и транспорт, реагират с дъждовната вода, произвеждаща сярна киселина и азотна киселина, с последващи киселинни валежи..

Чрез ускоряване на този дъжд, който съдържа силни киселини, той предизвиква няколко екологични проблема като подкисляването на моретата и пресните води. Това води до смърт на водни организми; подкиселяването на почвите, причиняващи смъртта на културите и унищожаването чрез химично корозивно действие на сгради, мостове и паметници.

Други атмосферни проблеми на околната среда са фотохимичният смог, причинен главно от азотни оксиди и тропосферен озон

Глобално затопляне

Глобалното затопляне се произвежда от високите концентрации на СО₂ атмосферни и други парникови газове (ПГ), които поглъщат голяма част от инфрачервеното лъчение, излъчвано от земната повърхност и улавят топлината в тропосферата. Това генерира изменение на климата на планетата.

Химия на околната среда на хидросферата

Хидросферата е съобразена с всички водни басейни на Земята: повърхностни или хуметални - океани, езера, реки, извори - и подземни или водоносни хоризонти..

-Прясна вода

Водата е най-разпространеното течно вещество на планетата, покрива 75% от земната повърхност и е абсолютно необходимо за живота.

Всички форми на живот зависят от прясна вода (определена като вода със съдържание на сол по-малко от 0.01%). 97% от водата на планетата е солена вода.

От останалите 3% прясна вода, 87% са в:

• Полюсите на Земята (които се топят и се изливат в моретата поради глобалното затопляне).
• Ледниците (също в процес на изчезване).
• Подземните води.
• Вода под формата на пара, присъстваща в атмосферата.

Само 0,4% от общата чиста вода на планетата е достъпна за консумация. Изпарението на водата от океаните и валежите от дъждове непрекъснато осигуряват този малък процент.

Химията на околната среда на водата изследва химичните процеси, които се срещат във водния цикъл или хидроложкия цикъл и също така разработва технологии за пречистване на вода за консумация от човека, третиране на промишлени и градски отпадъчни води, обезсоляване на морска вода, рециклиране и запазване на този ресурс, наред с други.

-Водният цикъл

Водният цикъл на Земята се състои от три основни процеса: изпаряване, кондензация и утаяване, от които се получават три вериги:

1. Повърхностният отток
2. Евапотранспирацията на растенията
3. Инфилтрацията, при която водата преминава в подземни нива (подземни води), циркулира през водоносните канали и излиза през извори, извори или кладенци.

-Антропологични въздействия върху водния цикъл

Човешката дейност оказва въздействие върху водния цикъл; Някои от причините и последиците от антропологичното действие са следните:

Модификация на земната повърхност

Тя се генерира от унищожаването на гори и полета с обезлесяване. Това се отразява на водния цикъл чрез елиминиране на евапотранспирацията (вземане на вода през растенията и връщане в околната среда чрез изпаряване и изпаряване) и увеличаване на оттока..

Увеличеният повърхностен отток води до увеличаване на речния отток и наводнения.

Урбанизацията променя и земната повърхност и влияе на водния цикъл, тъй като порестата почва се заменя с цимент и непропусклив асфалт, което прави инфилтрацията невъзможна..

Замърсяване на водния цикъл

Водният цикъл включва цялата биосфера и следователно отпадъците, генерирани от човека, са включени в този цикъл чрез различни процеси.

Химическите замърсители във въздуха са включени в дъжда. Агрохимикалите, полагани в почвата, претърпяват инфилтрат и инфилтрация в водоносни хоризонти или изтичат в реки, езера и морета.

Също така отпадъците от мазнини и масла и от инфилтрата на депата се изтеглят чрез инфилтрация в подземните води.

Добив на водни запаси с овърдрафт във водни ресурси

Тези практики с овърдрафт, произвеждат изчерпване на запасите от подземни и повърхностни води, засягат екосистемите и произвеждат местно потъване на почвата.

Екологична почвена химия

Почвите са един от най-важните фактори в баланса на биосферата. Те осигуряват закрепване, вода и хранителни вещества на растенията, които са производители на земните трофични вериги.

Подът

Почвата може да бъде определена като сложна и динамична екосистема от три фази: твърда фаза на минерална и органична поддръжка, водна течна фаза и газова фаза; характеризиращи се със специфична фауна и флора (бактерии, гъби, вируси, растения, насекоми, нематоди, протозои).

Свойствата на почвата постоянно се променят поради условията на околната среда и биологичната активност, която се развива в нея..

Антропологични въздействия върху земята

Деградацията на почвата е процес, който намалява производствения капацитет на почвата, който може да доведе до дълбока и отрицателна промяна в екосистемата.

Факторите, които причиняват деградация на почвата, са: климат, физиография, литология, растителност и човешко действие.

Чрез човешко действие може да се случи:

• Физическа деградация на почвата (например уплътняване поради неадекватно отглеждане и животновъдство).
• Химично разграждане на почвата (подкиселяване, алкализиране, засоляване, замърсяване с агрохимикали, отпадъчни води от промишлена и градска дейност, разливи на петрол).
• Биологична деградация на почвата (намаляване на съдържанието на органични вещества, деградация на растителния покрив, загуба на азотфиксиращи микроорганизми, наред с други).

Химико-екологични отношения

Химията на околната среда изследва различните химични процеси, които протичат в трите компонента на околната среда: атмосфера, хидросфера и почва. Интересно е да се разгледа допълнителен акцент върху един прост химически модел, който се опитва да обясни глобалните трансфери на материята, които се срещат в околната среда.

-Модел Гарелс и Лерман

Garrels and Lerman (1981), разработиха опростен модел на биогеохимията на земната повърхност, който изследва взаимодействията между атмосферата, хидросферата, земната кора и биосферните отделения..

Моделът на Гаррелс и Лерман разглежда седем основни съставни минерала на планетата:

1. Мазилка (CaSO₄)
2. Пирит (FeS₂)
3. Калциев карбонат (СаСО₃)
4. Магнезиев карбонат (MgCO₃)
5. Магнезиев силикат (MgSiO₃)
6. Железен оксид (Fe₂О₃)
7. Силициев диоксид (SiO)₂)

Органичната материя, съставляваща биосферата (жива и мъртва), е представена като СН₂Или, което е приблизителният стехиометричен състав на живите тъкани.

В модела на Гаррелс и Лерман са изследвани геоложките промени като нетни трансфери на материя между тези осем компонента на планетата, чрез химични реакции и баланс на консервиране на нетна маса..

Натрупването на СО₂ в атмосферата

Например, проблемът с натрупването на СО₂ в атмосферата се изучава в този модел, казвайки, че: понастоящем изгаряме органичния въглерод, съхраняван в биосферата като въглища, нефт и природен газ, депонирани в подпочвата в минали геоложки времена.

В резултат на това интензивно изгаряне на изкопаеми горива, концентрацията на СО₂ атмосферното се увеличава.

Увеличението на концентрациите на СО₂ в земната атмосфера това се дължи на факта, че скоростта на изгаряне на изкопаемия въглерод надвишава скоростта на абсорбиране на въглерод от другите компоненти на биогеохимичната система на Земята (като фотосинтетичните организми и хидросферата, например).

По този начин емисиите на СО₂ в атмосферата, дължаща се на човешката дейност, надминава регулаторната система, която модулира промените на Земята.

Размерът на биосферата

Моделът, разработен от Гаррелс и Лерман, също смята, че размерът на биосферата се увеличава и намалява в резултат на баланса между фотосинтезата и дишането.

По време на историята на живота на Земята, масата на биосферата нараства постепенно с високи темпове на фотосинтеза. Това доведе до нетно съхранение на емисиите на органичен въглерод и кислород:

CO₂    +   Н₂O → CH₂O + O₂

Дишането като метаболитна активност на микроорганизми и по-висши животни превръща органичния въглерод обратно в въглероден диоксид (СО.)₂) и вода (Н₂О), т.е., обръща предишната химическа реакция.

Наличието на вода, съхранението на органичен въглерод и производството на молекулен кислород са основни за съществуването на живота.

Приложения на химията на околната среда

Химията на околната среда предлага решения за превенция, смекчаване и отстраняване на екологични щети, причинени от човешката дейност. Сред някои от тези решения можем да споменем:

• Дизайнът на нови материали, наречени MOF (за акроним на английски: Метални органични рамки). Те са много порести и имат способността да: абсорбират и задържат CO₂, получавате H₂Или въздушни пари от пустинни зони и съхранявайте H₂ в малки контейнери.
• Превръщане на отпадъците в суровини. Например, използването на износени гуми при производството на изкуствени подметки за трева или обувки. Също така използването на отпадъци от резитба на културите, при производството на биогаз или биоетанол.
• Химическият синтез на заместителите на CFC.
• Развитието на алтернативни енергии, като водородни клетки, за генериране на чиста електроенергия.
• Контрол на атмосферното замърсяване, с инертни филтри и реактивни филтри.
• Обезсоляване на морска вода чрез обратна осмоза.
• Разработване на нови материали за флокулация на колоидни вещества, суспендирани във вода (процес на пречистване).
• Връщането на еутрофикацията на езерата.
• Развитието на "зелената химия", тенденция, която предлага заместване на токсични химични съединения с по-малко токсични, и "екологично чисти" химични процедури. Например, той се прилага при използването на по-малко токсични разтворители и суровини, в промишлеността, в химическото чистене на перални, между другото..

препратки

1. Calvert, J.G., Lazrus, A., Kok, G.L., Heikes, B.G., Walega, J.G., Lind, J., and Cantrell, C.A. (1985). Химични механизми на генериране на киселини в тропосферата. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, P.J. (1970). Влиянието на азотните оксиди върху атмосферното съдържание. Q.J.R. Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, R.M. и Lerman, A. (1981). Фанерозойски цикли на седиментния въглерод и сяра. Известия на Физическата академия на науките. САЩ 78: 4,652-4,656.
4. Hester, R.E. и Harrison, R. M. (2002). Глобална екологична промяна. Кралско химическо дружество. 205.
5. Hites, R. A. (2007). Елементи на химията на околната среда. Wiley Interscience. стр. 215.
6. Manahan, S.E. (2000). Химия на околната среда. Седмо издание. КРС. pp. 876
7. Molina, M.J. и Rowland, F.S. (1974). Стратосферна мивка за хлорофлуорометани: катализирано с хлорен атом разрушаване на озона. Nature. 249: 810-812.
8. Morel, F.M. и Hering, J.M. (2000 г.). Принципи и приложения на водната химия. Ню Йорк: Джон Уайли.
9. Stockwell, W.R., Lawson, C.V., Saunders, Е. и Goliff, W.S. (2011). Преглед на тропосферната атмосферна химия и газофазни химични механизми за моделиране на качеството на въздуха. Атмосфера, 3 (1), 1-32. doi: 10.3390 / atmos3010001