Studijní obor a aplikace chemie životního prostředí

The enviromentální chemie studuje chemické procesy, které probíhají na úrovni životního prostředí. Jedná se o vědu, která aplikuje chemické principy na studium vlivu na životní prostředí a dopadů vyvolaných lidskou činností..

Chemie životního prostředí navíc navrhuje techniky prevence, zmírňování a nápravy stávajících škod na životním prostředí..

Chemie životního prostředí lze rozdělit do tří základních disciplín, kterými jsou:

1. Chemie prostředí v atmosféře.
2. Chemie prostředí hydrosféry.
3. Chemie životního prostředí v půdě.

Integrovaný přístup k chemii životního prostředí navíc vyžaduje studium vzájemných vztahů mezi chemickými procesy, které se vyskytují v těchto třech složkách (atmosféra, hydrosféra, půda), a jejich vztahy s biosférou..

Rejstřík článků

• 1 Chemie prostředí v atmosféře
  • 1.1 - Stratosféra
  • 1.2 - Troposféra
• 2 Chemie prostředí hydrosféry
  • 2.1 - Čerstvá voda
  • 2.2 - Koloběh vody
  • 2.3 - Antropologické dopady na vodní cyklus
• 3 Chemie životního prostředí v půdě
  • 3.1 Půda
  • 3.2 Antropologické dopady na půdu
• 4 Chemicko-environmentální vztah
  • 4.1 - Model Garrels a Lerman
• 5 Aplikace chemie prostředí
• 6 Reference

Chemie prostředí v atmosféře

Atmosféra je vrstva plynů, která obklopuje Zemi; představuje velmi složitý systém, kde se teplota, tlak a chemické složení mění s nadmořskou výškou ve velmi širokých rozsazích.

Slunce bombarduje atmosféru zářením a vysoce energetickými částicemi; tato skutečnost má velmi významné chemické účinky ve všech vrstvách atmosféry, ale zejména v horní a vnější vrstvě.

-Stratosféra

Fotodisociační a fotoionizační reakce probíhají ve vnějších oblastech atmosféry. V oblasti výšky 30 až 90 km měřené od zemského povrchu se ve stratosféře nachází vrstva, která obsahuje převážně ozon (O₃), nazývané ozonová vrstva.

Ozónová vrstva

Ozon absorbuje vysokoenergetické ultrafialové záření, které pochází ze slunce, a kdyby nebylo existence této vrstvy, žádná známá forma života na planetě by nemohla přežít..

V roce 1995 získali atmosférickí chemici Mario J. Molina (Mexičan), Frank S. Rowland (Američan) a Paul Crutzen (Holanďan) Nobelovu cenu za chemii za výzkum ničení a poškozování ozonu ve stratosféře..

V roce 1970 Crutzen ukázal, že oxidy dusíku ničí ozon katalytickými chemickými reakcemi. Později Molina a Rowland v roce 1974 ukázali, že chlor v chlorfluoruhlovodíkových sloučeninách (CFC) je také schopen ničit ozonovou vrstvu.

-Troposféra

Okamžitá atmosférická vrstva na zemský povrch, vysoká mezi 0 až 12 km, nazývaná troposféra, je složena převážně z dusíku (N_dva) a kyslík (O._dva).

Toxické plyny

V důsledku lidské činnosti obsahuje troposféra mnoho dalších chemických látek považovaných za látky znečišťující ovzduší, například:

• Oxid uhličitý a oxid uhelnatý (CO_dva a CO).
• Metan (CH₄).
• Oxid dusnatý (NO).
• Oxid siřičitý (SO_dva).
• Ozon O.₃ (považováno za znečišťující v troposféře)
• Těkavé organické sloučeniny (VOC), prášky nebo pevné částice.

Mezi mnoha dalšími látkami, které ovlivňují zdraví lidí, rostlin a zvířat.

Kyselý déšť

Oxidy síry (SO_dva A tak₃) a dusíku, jako je oxid dusný (NO_dva), způsobují další ekologický problém zvaný kyselý déšť.

Tyto oxidy, které se v troposféře vyskytují hlavně jako produkty spalování fosilních paliv v průmyslových činnostech a dopravě, reagují s dešťovou vodou za vzniku kyseliny sírové a kyseliny dusičné s následným kyselým srážením..

Vysrážením tohoto deště, které obsahuje silné kyseliny, vyvolává několik environmentálních problémů, jako je okyselování moří a sladké vody. To způsobí smrt vodních organismů; okyselování půd, které způsobuje odumírání plodin a ničení korozními chemickými účinky budov, mostů a památek.

Dalšími atmosférickými problémy prostředí jsou fotochemický smog, způsobený hlavně oxidy dusíku a troposférickým ozonem.

Globální oteplování

Globální oteplování je produkováno vysokými koncentracemi CO_dva atmosférické a jiné skleníkové plyny (GHG), které absorbují velkou část infračerveného záření emitovaného zemským povrchem a zachycují teplo v troposféře. To generuje změnu klimatu na planetě.

Chemie prostředí hydrosféry

Hydrosféru tvoří všechny vodní útvary na Zemi: povrchové nebo mokřadní - oceány, jezera, řeky, prameny - a podzemí nebo zvodnělé vrstvy..

-Čerstvá voda

Voda je nejběžnější kapalná látka na planetě, pokrývá 75% zemského povrchu a je naprosto nezbytná pro život..

Všechny formy života závisí na sladké vodě (definované jako voda s obsahem solí nižším než 0,01%). 97% vody na planetě je slaná voda.

Ze zbývajících 3% čerstvé vody je 87% v:

• Póly Země (které se v důsledku globálního oteplování tají a proudí do moří).
• Ledovce (také v procesu mizení).
• Podzemní voda.
• Voda ve formě páry přítomné v atmosféře.

Pouze 0,4% z celkové čerstvé vody na planetě je k dispozici ke spotřebě. Toto malé procento neustále poskytuje odpařování vody z oceánů a srážky..

Environmentální chemie vody studuje chemické procesy, které se vyskytují ve vodním cyklu nebo hydrologickém cyklu, a také vyvíjí technologie pro čištění vody pro lidskou spotřebu, čištění průmyslových a městských odpadních vod, odsolování mořské vody, recyklaci a záchranu tohoto zdroje, mezi ostatními.

-Vodní cyklus

Koloběh vody na Zemi se skládá ze tří hlavních procesů: odpařování, kondenzace a srážení, od nichž jsou odvozeny tři okruhy:

1. Povrchový odtok
2. Evapotranspirace rostlin
3. Infiltrace, při které voda přechází do podzemních úrovní (phreatic), cirkuluje skrz vodonosné kanály a vystupuje přes prameny, fontány nebo studny.

-Antropologické dopady na vodní cyklus

Lidská činnost má dopady na vodní cyklus; některé z příčin a následků antropologického působení jsou následující:

Úprava povrchu země

Vzniká ničením lesů a polí odlesňováním. To ovlivňuje vodní cyklus eliminací evapotranspirace (příjem vody rostlinami a návrat do prostředí transpirací a odpařováním) a zvýšením odtoku..

Zvýšení povrchového odtoku vede ke zvýšení toku řek a povodní.

Urbanizace také upravuje povrch země a ovlivňuje vodní cyklus, protože porézní půdu nahrazuje nepropustný cement a asfalt, což znemožňuje infiltraci..

Znečištění vodního cyklu

Koloběh vody zahrnuje celou biosféru a následně je do tohoto cyklu různými procesy zabudován odpad vytvářený lidmi..

Chemické znečišťující látky ve vzduchu jsou zabudovány do deště. Agrochemikálie aplikované na půdu, trpí výluhem a infiltrací do zvodnělých vrstev nebo stékají do řek, jezer a moří.

Také odpady tuků a olejů a výluhy sanitárních skládek jsou odváděny infiltrací do podzemních vod.

Těžba vodních zdrojů přečerpáním vodních zdrojů

Tyto kontokorentní postupy způsobují vyčerpání zásob podzemní a povrchové vody, ovlivňují ekosystémy a produkují místní pokles půdy..

Chemie životního prostředí v půdě

Půdy jsou jedním z nejdůležitějších faktorů rovnováhy biosféry. Poskytují ukotvení, vodu a živiny rostlinám, které jsou producenty v suchozemských trofických řetězcích.

Půda

Půdu lze definovat jako komplexní a dynamický ekosystém tří fází: pevná fáze s minerální a organickou podporou, vodná kapalná fáze a plynná fáze; vyznačující se tím, že má konkrétní faunu a flóru (bakterie, houby, viry, rostliny, hmyz, hlístice, prvoky).

Vlastnosti půdy se neustále mění podmínkami prostředí a biologickou aktivitou, která v ní probíhá..

Antropologické dopady na půdu

Degradace půdy je proces, který snižuje produktivní kapacitu půdy a je schopen vyvolat hlubokou a negativní změnu v ekosystému..

Faktory, které způsobují degradaci půdy, jsou: klima, fyziografie, litologie, vegetace a lidská činnost.

Lidskou činností může nastat:

• Fyzická degradace půdy (například zhutnění způsobené nesprávným zemědělským a farmářským postupem).
• Chemická degradace půdy (okyselení, alkalizace, zasolení, kontaminace agrochemikáliemi, odpadními vodami z průmyslové a městské činnosti, ropné skvrny atd.).
• Biologická degradace půdy (mimo jiné pokles obsahu organických látek, degradace vegetačního krytu, ztráta dusíkatých mikroorganismů).

Vztah chemicko-prostředí

Chemie životního prostředí studuje různé chemické procesy, které probíhají ve třech složkách životního prostředí: atmosféra, hydrosféra a půda. Je zajímavé přezkoumat další přístup k jednoduchému chemickému modelu, který se pokouší vysvětlit globální přenosy hmoty, ke kterým dochází v životním prostředí..

-Garrels a Lerman model

Garrels a Lerman (1981) vyvinuli zjednodušený model biogeochemie zemského povrchu, který studuje interakce mezi kompartmentovou atmosférou, hydrosférou, zemskou kůrou a zahrnutou biosférou..

Garrels a Lerman model uvažuje o sedmi hlavních základních minerálech planety:

1. Sádra (CaSO₄)
2. Pyrit (FeS_dva)
3. Uhličitan vápenatý (CaCO₃)
4. Uhličitan hořečnatý (MgCO₃)
5. Křemičitan hořečnatý (MgSiO₃)
6. Oxid železitý (Fe_dvaNEBO₃)
7. Oxid křemičitý (SiO_dva)

Organická hmota tvořící biosféru (živou i mrtvou) je reprezentována jako CH_dvaNebo, což je přibližné stechiometrické složení živých tkání.

V Garrelsově a Lermanově modelu jsou geologické změny studovány jako čisté převody hmoty mezi těmito osmi složkami planety prostřednictvím chemických reakcí a čisté bilance zachování hmotnosti..

Akumulace CO_dva v atmosféře

Například problém s akumulací CO_dva v atmosféře je studován na tomto modelu s tím, že: v současné době spalujeme organický uhlík uložený v biosféře jako uhlí, ropu a zemní plyn uložený v podloží v geologických dobách minulých.

V důsledku tohoto intenzivního spalování fosilních paliv byla koncentrace CO_dva atmosférický se zvyšuje.

Zvýšené koncentrace CO_dva v zemské atmosféře je způsobeno skutečností, že rychlost spalování fosilních uhlíků převyšuje rychlost absorpce uhlíku jinými složkami biogeochemického systému Země (například fotosyntetickými organismy a hydrosférou).

Tímto způsobem emise CO_dva do atmosféry v důsledku lidské činnosti, obchází regulační systém, který moduluje změny na Zemi.

Velikost biosféry

Model vyvinutý Garrelsem a Lermanem také uvažuje o tom, že velikost biosféry se zvětšuje a zmenšuje v důsledku rovnováhy mezi fotosyntézou a dýcháním..

Během historie života na Zemi se hmotnost biosféry postupně zvyšovala s vysokou rychlostí fotosyntézy. Výsledkem bylo čisté ukládání organického uhlíku a emise kyslíku:

CO_dva    +   H_dvaO → CH_dvaO + O_dva

Dýchání jako metabolická aktivita mikroorganismů a vyšších živočichů přeměňuje organický uhlík zpět na oxid uhličitý (CO_dva) a voda (H_dvaO), to znamená, že obrátí předchozí chemickou reakci.

Přítomnost vody, skladování organického uhlíku a výroba molekulárního kyslíku jsou pro existenci života zásadní..

Aplikace chemie prostředí

Chemie životního prostředí nabízí řešení pro prevenci, zmírňování a nápravu škod na životním prostředí způsobených lidskou činností. Mezi některá z těchto řešení můžeme zmínit:

• Návrh nových materiálů zvaných MOF (pro zkratku v angličtině: Kovové organické rámce). Jsou velmi porézní a mají schopnost: absorbovat a zadržovat CO_dva, dostat H_dvaNebo z pouštní vzduchové páry a skladujte H_dva v malých nádobách.
• Přeměna odpadu na suroviny. Například použití opotřebovaných pneumatik při výrobě umělé trávy nebo podrážek obuvi. Také využití odpadu z prořezávání plodin při výrobě bioplynu nebo bioethanolu.
• Chemické syntézy náhražek CFC.
• Vývoj alternativních energií, jako jsou vodíkové články, pro výrobu neznečišťující elektřiny.
• Kontrola znečištění ovzduší pomocí inertních filtrů a reaktivních filtrů.
• Odsolování mořské vody reverzní osmózou.
• Vývoj nových materiálů pro flokulaci koloidních látek suspendovaných ve vodě (proces čištění).
• Zvrat eutrofizace jezera.
• Vývoj „zelené chemie“, trendu, který navrhuje náhradu toxických chemických sloučenin za méně toxické, a „ekologických“ chemických postupů. Například se používá při použití méně toxických rozpouštědel a surovin, v průmyslu, mimo jiné při chemickém čištění prádelen..

Reference

1. Calvert, J. G., Lazrus, A., Kok, G. L., Heikes, B. G., Walega, J. G., Lind, J. a Cantrell, C. A. (1985). Chemické mechanismy tvorby kyselin v troposféře. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, P.J. (1970). Vliv oxidů dusíku na atmosférický obsah. Q.J.R. Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, R.M. a Lerman, A. (1981). Fanerozoické cykly sedimentárního uhlíku a síry. Proceedings of the Natural Academy of Sciences. POUŽITÍ. 78: 4,652-4,656.
4. Hester, R. E. a Harrison, R. M. (2002). Globální změna životního prostředí. Royal Society of Chemistry. str. 205.
5. Hites, R. A. (2007). Základy chemie životního prostředí. Wiley-Interscience. 215.
6. Manahan, S.E. (2000). Chemie životního prostředí. Sedmé vydání. CRC. str. 876
7. Molina, M.J. a Rowland, F.S. (1974). Stratosférický dřez pro chlorfluormethany: atomem chloru katalyzovaná destrukce ozonu. Příroda. 249: 810-812.
8. Morel, F.M. a Hering, J.M. (2000). Principy a aplikace vodní chemie. New York: John Wiley.
9. Stockwell, W. R., Lawson, C. V., Saunders, E. a Goliff, W. S. (2011). Přehled troposférické atmosférické chemie a chemických mechanismů v plynné fázi pro modelování kvality ovzduší. Atmosféra, 3 (1), 1-32. doi: 10,3390 / atmos3010001