YMPÄRISTÖKEMIA: TUTKIMUSALA JA SOVELLUKSET - YMPÄRISTÖ - 2025

Ympäristön kemia tutkii kemiallisia prosesseja, jotka tapahtuvat ympäristön tasolla. Se on tiede, joka soveltaa kemiallisia periaatteita ympäristönsuojelun tason ja ihmisen toiminnan aiheuttamien vaikutusten tutkimiseen.

Ympäristökemia suunnittelee lisäksi olemassa olevien ympäristövahinkojen ehkäisy-, lieventämis- ja korjaustekniikoita.

Kuva 1. Kaavio maanpäällisestä ilmakehästä, hydrosfääristä, litosfääristä ja biosfääristä. Lähde: Bojana Petrović, Wikimedia Commonsista

Ympäristökemia voidaan jakaa kolmeen perusalaan, jotka ovat:

1. Ilmakehän ympäristökemia.
2. Hydrosfäärin ympäristökemia.
3. Maaperän ympäristökemia.

Ympäristökemian kokonaisvaltainen lähestymistapa vaatii lisäksi tutkimusta näissä kolmessa osastossa (ilmakehä, hydrosfääri, maaperä) tapahtuvien kemiallisten prosessien ja niiden suhteiden biosfääriin suhteita.

Ilmakehän ympäristökemia

Ilmakehä on maapallon ympäröivä kaasukerros; se on erittäin monimutkainen järjestelmä, jossa lämpötila, paine ja kemiallinen koostumus vaihtelevat korkeuden mukaan hyvin laajoilla alueilla.

Aurinko pommittaa ilmakehää säteilyllä ja korkean energian hiukkasilla; tällä tosiseikalla on erittäin merkittäviä kemiallisia vaikutuksia kaikissa ilmakehän kerroksissa, mutta erityisesti ylä- ja ulkokerroksissa.

-Stratosfääri

Valodissosiaatio- ja fotoionisaatioreaktioita tapahtuu ilmakehän ulkoalueilla. Maan pinnasta mitattuna 30–90 km korkealla alueella stratosfäärissä on kerros, joka sisältää pääasiassa otsonia (O ₃), nimeltään otsonikerros.

Otsonikerros

Otsoni imee auringosta peräisin olevan korkeaenergisen ultraviolettisäteilyn, ja ellei tätä kerrosta olisi olemassa, mikään planeetan tunnetuista elämänmuodoista ei pystyisi hengissä.

Vuonna 1995 ilmakeemikot Mario J. Molina (meksikolainen), Frank S. Rowland (amerikkalainen) ja Paul Crutzen (hollantilainen) voittivat Nobelin kemian palkinnon tutkimuksestaan ​​otsonin tuhoamisesta ja ehtymisestä stratosfäärissä.

Kuva 2. Otsonikerroksen ehtymisen kaavio. Alkaen nasa.gov

Vuonna 1970 Crutzen osoitti, että typen oksidit tuhoavat otsonia katalyyttisten kemiallisten reaktioiden kautta. Myöhemmin Molina ja Rowland vuonna 1974 osoittivat, että kloorifluorihiilivetyyhdisteissä oleva kloori (CFC) kykenee myös tuhoamaan otsonikerroksen.

-Troposphere

Ilmakehän kerros, joka on lähellä maan pintaa, välillä 0–12 km, nimeltään troposfääri, koostuu pääasiassa typestä (N ₂) ja hapesta (O ₂).

Myrkylliset kaasut

Ihmisen toiminnan seurauksena troposfääri sisältää monia muita kemikaaleja, joita pidetään ilman epäpuhtauksina, kuten:

• Hiilidioksidi ja monoksidi (CO ₂ ja CO).
• Metaani (CH ₄).
• Typpioksidi (NO).
• Rikkidioksidi (SO ₂).
• Otsoni O ₃ (pidetään pilaavana aineena troposfäärissä)
• Haihtuvat orgaaniset yhdisteet (VOC), jauheet tai kiinteät hiukkaset.

Monien muiden aineiden joukossa, jotka vaikuttavat ihmisten sekä kasvien ja eläinten terveyteen.

Hapan sade

Rikkioksidit (SO ₂ ja SO ₃) ja typen oksidit, kuten typpioksidi (NO ₂), aiheuttavat toisen ympäristöongelman, jota kutsutaan happosateeksi.

Nämä oksidit, joita on läsnä troposfäärissä pääasiassa fossiilisten polttoaineiden palamisen tuotteina teollisessa toiminnassa ja kuljetuksissa, reagoivat sadeveden kanssa tuottaen rikkihappoa ja typpihappoa, mistä seuraa happojen saostuminen.

Kuva 3. Kaavio happamasta sateesta. Lähde: Alfredsito94, Wikimedia Commonsista

Saostamalla sade, joka sisältää voimakkaita happoja, se aiheuttaa useita ympäristöongelmia, kuten merien ja makeiden vesien happamoitumisen. Tämä aiheuttaa vesieliöiden kuoleman; maaperän happamaksi tekeminen, joka aiheuttaa viljelykasvien kuoleman ja rakennusten, siltojen ja muistomerkkien tuhoamisen syövyttävällä kemiallisella vaikutuksella.

Muita ilmakehän ympäristöongelmia ovat valokemiallinen savu, joka johtuu pääasiassa typen oksideista ja troposfäärin otsonista.

Ilmaston lämpeneminen

Ilmaston lämpenemisen tuotetaan suuria pitoisuuksia ilmakehän CO ₂ ja muiden kasvihuonekaasupäästöjen (kasvihuonekaasuja), jotka absorboivat paljon infrapunasäteilyn Maan pinnan ja ansa lämpöä troposfäärissä. Tämä aiheuttaa ilmastonmuutosta planeetalla.

Hydrosfäärin ympäristökemia

Hydrosfääri koostuu kaikista maapallon vesistöistä: pinta- tai kosteikoista - valtameret, järvet, joet, lähteet - sekä maanalaisista tai vesistöalueista.

- Raikas vesi

Vesi on yleisin nestemäinen aine planeetalla, se kattaa 75% maan pinnasta ja on ehdottoman välttämätöntä elämälle.

Kaikki elämän muodot ovat riippuvaisia ​​makeasta vedestä (määritelty vedeksi, jonka suolapitoisuus on alle 0,01%). 97% planeetan vedestä on suolavettä.

Jäljelle jäävistä 3% makeasta vedestä 87% on:

• Maapallon navat (jotka sulavat ja kaatavat mereen ilmaston lämpenemisestä johtuen).
• Jäätiköt (myös katoamassa).
• Pohjaveteen.
• Vesi ilmakehässä höyrynä.

Vain 0,4% koko maapallon makeasta vedestä on käytettävissä kulutusta. Veden haihtuminen valtamereistä ja sateiden saostuminen tuottavat jatkuvasti tämän pienen prosenttimäärän.

Veden ympäristökemia tutkii vesikiertoon tai hydrologiseen kiertoon liittyviä kemiallisia prosesseja ja kehittää myös tekniikoita ihmisten käyttöön tarkoitetun veden puhdistamiseen, teollisuus- ja yhdyskuntajätevesien käsittelyyn, meriveden suolanpoistoon, kierrätykseen ja säästämällä tämä resurssi muun muassa.

-Vesykli

Maapallon vesisykli koostuu kolmesta pääprosessista: haihtumisesta, kondensoitumisesta ja saostumisesta, joista johdetaan kolme virtapiiriä:

1. Pintavuoto
2. Kasvien haihtuminen
3. Suodatus, jossa vesi kulkee maanalaisiin tasoihin (virtaus), kiertää pohjavesikerroskanavien läpi ja lähtee lähteiden, suihkulähteiden tai kaivojen kautta.

Kuva 4. Vesisykli. Lähde: Wasserkreislauf.png: Lähettäjä: Benutzer: Jooooderivaattorityö: moyogo, Wikimedia Commonsin kautta

-Antropologiset vaikutukset veden kiertoon

Ihmisen toiminnalla on vaikutuksia veden kiertoon; jotkut antropologisen toiminnan syyt ja vaikutukset ovat seuraavat:

Maanpinnan muuttaminen

Se syntyy tuhoamalla metsiä ja peltoja metsäkadolla. Tämä vaikuttaa veden kiertoon poistamalla haihtumisen (kasvien vedenotto ja palautuminen ympäristöön hikoilemalla ja haihduttamalla) ja lisäämällä vuotoa.

Pintavuotojen lisääntyminen kasvattaa jokien ja tulvien virtausta.

Kaupungistuminen muuttaa myös maan pintaa ja vaikuttaa veden kiertoon, koska huokoinen maatila korvaa läpäisemätön sementti ja asfaltti, mikä tekee tunkeutumisen mahdottomaksi.

Vesisyklin pilaantuminen

Vesisykli kattaa koko biosfäärin, ja tämän seurauksena ihmisen tuottama jäte sisällytetään tähän kiertoon eri prosessien avulla.

Ilmassa olevat kemialliset epäpuhtaudet sisällytetään sateeseen. Maaperään levitetyt maatalouskemikaalit kärsivät huuhtoutumisesta ja tunkeutumisesta pohjakerroksiin tai valuvat jokiin, järviin ja meriin.

Myös rasvojen ja öljyjen jätteet ja terveysjätteen kaatopaikkojen suotovedet kulkeutuvat tunkeutumalla pohjaveteen.

Vesimäärien hankinta vesivarojen ylitysten kanssa

Nämä ylimääräiset käytännöt aiheuttavat pohja- ja pintavesivarojen ehtymisen, vaikuttavat ekosysteemeihin ja tuottavat maaperän paikallista vajoamista.

Maaperän ympäristökemia

Maaperä on yksi tärkeimmistä tekijöistä biosfäärin tasapainossa. Ne tarjoavat kiinnityspisteitä, vettä ja ravinteita kasveille, jotka ovat tuottajia maanpäällisissä troofisissa ketjuissa.

maaperä

Maaperä voidaan määritellä monimutkaiseksi ja dynaamiseksi ekosysteemeksi, jossa on kolme vaihetta: kiinteä faasi mineraalien ja orgaanisten kantajien kanssa, vesipitoinen nestemäinen faasi ja kaasumainen faasi; tunnettu siitä, että niillä on tietty eläimistö ja kasvisto (bakteerit, sienet, virukset, kasvit, hyönteiset, nematodit, alkueläimet).

Maaperän ominaisuuksia muuttavat jatkuvasti ympäristöolosuhteet ja siinä kehittyvä biologinen aktiivisuus.

Antropologiset vaikutukset maaperään

Maaperän huonontuminen on prosessi, joka vähentää maaperän tuotantokapasiteettia ja pystyy aiheuttamaan ekosysteemissä syvän ja negatiivisen muutoksen.

Maaperän hajoamista aiheuttavat tekijät ovat: ilmasto, fysiografia, litologia, kasvillisuus ja ihmisen toiminta.

Kuva 5. Heikentynyt maaperä. Lähde: pexels.com

Ihmisen vaikutuksesta voi tapahtua:

• Maaperän fyysinen heikkeneminen (esimerkiksi tiivistäminen epäasianmukaisista viljely- ja karjatilanteista).
• Maaperän kemiallinen hajoaminen (happamaksi tekeminen, alkalisointi, suolaantuminen, kontaminaatio maatalouskemikaalien kanssa, muun muassa teollisuuden ja kaupunkien jätevesien kanssa, öljyvuodot).
• Maaperän biologinen hajoaminen (orgaanisen aineen pitoisuuden väheneminen, kasvillisuuden peittäminen, muun muassa typpeä kiinnittävien mikro-organismien menetys).

Kemiallinen suhde ympäristöön

Ympäristökemia tutkii erilaisia ​​kemiallisia prosesseja, jotka tapahtuvat kolmessa ympäristöosastossa: ilmakehässä, hydrosfäärissä ja maaperässä. On mielenkiintoista tarkastella ylimääräistä lähestymistapaa yksinkertaiseen kemialliseen malliin, joka yrittää selittää ympäristössä tapahtuvat aineen globaalit siirrot.

- Malli Garrels ja Lerman

Garrels ja Lerman (1981) kehittivät yksinkertaistetun maanpinnan biogeokemian mallin, jossa tutkitaan ilmakehän, hydrosfäärin, maankuoren ja mukana olevien biosfääriosastojen vuorovaikutusta.

Garrels ja Lerman -mallissa otetaan huomioon seitsemän planeetan pääaineosaa:

1. Kipsi (CaSO ₄)
2. Pyrite (FeS ₂)
3. Kalsiumkarbonaatti (CaCO ₃)
4. Magnesiumkarbonaatti (MgCO ₃)
5. Magnesiumsilikaatti (MgSiO ₃)
6. Rautaoksidi (Fe ₂ O ₃)
7. Piidioksidi (SiO ₂)

Osatekijän orgaaninen aines biosfäärin (sekä elävät ja kuolleet), on edustettuina CH ₂ O, joka on suunnilleen stoikiometrinen koostumus elävien kudosten.

Garrels- ja Lerman-mallissa geologisia muutoksia tutkitaan aineen nettosiirtona planeetan näiden kahdeksan komponentin välillä kemiallisten reaktioiden ja massasäilön nettopainon kautta.

CO: n kertyminen

Esimerkiksi ongelma kertyminen CO ₂ ilmakehässä on tutkittu tässä mallissa, sanomalla, että: tällä hetkellä polttaminen orgaanisen hiilen biosfäärissä kuten hiilen, öljyn ja maakaasun talletetaan maapohjan geologiset kertaa ohi.

Seurauksena tämän tehokkaan fossiilisten polttoaineiden, pitoisuus ilmakehän CO ₂ kasvaa.

Kasvu CO ₂ pitoisuuksina maapallon ilmakehään johtuu siitä, että nopeus fossiilisen hiilen palaminen on nopeampaa kuin hiilen absorptio muiden komponenttien Maan biogeokemiallinen järjestelmä (kuten fotosynteettisiä organismeja ja esimerkiksi hydrosfääri).

Tällä tavoin päästöjä CO ₂ ilmakehään ihmisen toiminnan takia, ylittää sääntelyjärjestelmä moduloi muutoksia maapallolla.

Biosfäärin koko

Garrelsin ja Lermanin kehittämässä mallissa otetaan myös huomioon, että biosfäärin koko kasvaa ja pienenee fotosynteesin ja hengityksen tasapainon seurauksena.

Maapallon elämähistorian aikana biosfäärin massa kasvoi vaiheittain korkealla fotosynteesin nopeudella. Tämä johti orgaanisen hiilen varastointiin ja hapen päästöihin:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

Hengitys mikro-organismien ja korkeampien eläinten metabolisena aktiivisuutena muuttaa orgaanisen hiilen takaisin hiilidioksidiksi (CO ₂) ja vedeksi (H ₂ O), ts. Se kääntää edellisen kemiallisen reaktion.

Veden läsnäolo, orgaanisen hiilen varastointi ja molekyylin hapen tuotanto ovat elintärkeitä elämän olemassaololle.

Ympäristökemian sovellukset

Ympäristökemia tarjoaa ratkaisuja ihmisen toiminnan aiheuttamien ympäristövahinkojen ehkäisyyn, lieventämiseen ja korjaamiseen. Joistakin näistä ratkaisuista voimme mainita:

• Uusien materiaalien suunnittelu, nimeltään MOF's (lyhenteellä englanniksi: Metal Organic Frameworks). Nämä ovat hyvin huokoisia ja niiden kyky: absorboida ja pitää CO ₂, jolloin saatiin H ₂ O ilmasta höyry autiomaahan ja tallentaa H ₂ pieniin säiliöihin.
• Jätteiden muuntaminen raaka-aineiksi. Esimerkiksi kuluneiden renkaiden käyttö keinotekoisen ruohon tai kenkäpohjien tuotannossa. Myös sadon karsimisjätteen käyttö biokaasun tai bioetanolin tuotannossa.
• CFC-korvikkeiden kemialliset synteesit.
• Vaihtoehtoisten energioiden, kuten vetykennojen, kehittäminen saastuttamattoman sähkön tuottamiseksi.
• Ilman saastumisen hallinta inertteillä suodattimilla ja reaktiivisilla suodattimilla.
• Meriveden suolanpoisto käänteisosmoosilla.
• Uusien materiaalien kehittäminen veteen suspendoitujen kolloidisten aineiden flokkuloimiseksi (puhdistusprosessi).
• Järvien rehevöitymisen kääntö.
• "Vihreän kemian" kehittäminen, suuntaus, jossa ehdotetaan myrkyllisten kemiallisten yhdisteiden korvaamista vähemmän myrkyllisillä yhdisteillä ja "ympäristöystävällisiä" kemiallisia menetelmiä. Sitä käytetään esimerkiksi vähemmän myrkyllisten liuottimien ja raaka-aineiden käytössä, muun muassa teollisuudessa, pesuloiden kuivapesuun.

Viitteet

1. Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J. ja Cantrell, CA (1985). Hapon muodostumisen kemialliset mekanismit troposfäärissä. Nature, 317 (6032), 27 - 35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, PJ (1970). Typpioksidien vaikutus ilmakehän pitoisuuteen. QJR Metheorol. Sos. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, RM ja Lerman, A. (1981). Sedimenttisen hiilen ja rikin phanerozoiset jaksot. Luonnontieteiden akatemian julkaisut. USA 78: 4 652 - 4 656.
4. Hester, RE ja Harrison, RM (2002). Globaali ympäristömuutos. Royal Society of Chemistry. s. 205.
5. Hites, RA (2007). Ympäristökemian elementit. Wiley-Interscience. s. 215.
6. Manahan, SE (2000). Ympäristökemia. Seitsemäs painos. CRC. s. 876
7. Molina, MJ ja Rowland, FS (1974). Kloorifluorimetaanien stratosfäärinen pesuallas: Otsonin tuhoaminen klooriatomisella. Nature. 249: 810-812.
8. Morel, FM ja Hering, JM (2000). Vesikemian periaatteet ja sovellukset. New York: John Wiley.
9. Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E. ja Goliff, WS (2011). Katsaus troposfäärin ilmakehän kemiaan ja kaasufaasikemiallisiin mekanismeihin ilmanlaadun mallintamiseksi. Ilmapiiri, 3 (1), 1–32. doi: 10,3390 / atmos3010001