Studijní obor environmentální chemie a aplikace

environmentální chemie Studuje chemické procesy probíhající na úrovni životního prostředí. Je to věda, která aplikuje chemické principy na studium vlivu na životní prostředí a dopady způsobené lidskou činností.

Kromě toho navrhují metody environmentální chemie prevenci, zmírnění a sanaci stávajících škod na životním prostředí.

Environmentální chemie může být rozdělena do tří základních disciplín, které jsou: \ t

1. Environmentální chemie atmosféry.
2. Environmentální chemie hydrosféry.
3. Environmentální chemie půdy.

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

Index

• 1 Environmentální chemie atmosféry
  • 1.1 -Stratosféra
  • 1,2-Tpospozice
• 2 Environmentální chemie hydrosféry
  • 2.1 - Čerstvá voda
  • 2.2 - Cyklus vody
  • 2.3 - Antropologické dopady na vodní cyklus
• 3 Chemie životního prostředí v půdě
  • 3.1 Půda
  • 3.2 Antropologické dopady na půdu
• 4 Vztah chemicko-environmentální
  • 4.1 -Model Garrels a Lerman
• 5 Aplikace environmentální chemie
• 6 Odkazy

Environmentální chemie atmosféry

Atmosféra je vrstva plynů, které obklopují Zemi; Jedná se o velmi složitý systém, kde se teplota, tlak a chemické složení mění s výškou ve velmi širokém rozsahu.

Slunce bombarduje atmosféru ozařováním a vysokoenergetickými částicemi; tato skutečnost má velmi významné chemické účinky ve všech vrstvách atmosféry, ale zejména v nejvyšších a vnějších vrstvách.

-Stratosféra

Fotodisociační a fotoionizační reakce probíhají ve vnějších oblastech atmosféry. V oblasti mezi 30 a 90 km ve výšce měřené od zemského povrchu, ve stratosféře, se nachází vrstva obsahující převážně ozon (OR₃), zvaná ozonová vrstva.

Ozonová vrstva

Ozon absorbuje vysokoenergetické ultrafialové záření, které pochází ze slunce, a pokud ne pro existenci této vrstvy, žádný známý způsob života na planetě nemůže existovat..

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

V roce 1970 Crutzen ukázal, že oxidy dusíku ničí ozon prostřednictvím katalytických chemických reakcí. Následně Molina a Rowland v roce 1974 ukázali, že chlor chlorfluoruhlovodíkových sloučenin (CFC) je také schopen zničit ozonovou vrstvu.

-Troposphere

Atmosférická vrstva bezprostředně nad povrchem země, mezi 0 a 12 km vysoká, volal troposphere, je složen hlavně dusíku (N \ t₂) a kyslíku (O₂).

Toxické plyny

V důsledku lidské činnosti, troposféra obsahuje mnoho dalších chemikálií považovaných za látky znečišťující ovzduší, jako jsou: \ t

• Dioxid a oxid uhelnatý (CO₂ a CO).
• Metan (CH₄).
• Oxid dusnatý (NO).
• Oxid siřičitý (SO)₂).
• Ozon O₃ (považován za kontaminant v troposféře)
• Těkavé organické sloučeniny (VOC), prášky nebo pevné částice.

Mezi mnoho dalších látek, které ovlivňují zdraví lidí a rostlin a zvířat.

Kyselý déšť

Oxidy síry (SO₂ a SO₃) a dusíkaté, jako je oxid dusný (NO₂), způsobují další environmentální problém zvaný kyselý déšť.

Tyto oxidy, přítomné v troposféře především jako produkty spalování fosilních paliv v průmyslových činnostech a dopravě, reagují s dešťovou vodou produkující kyselinu sírovou a kyselinu dusičnou s následnými kyselými srážkami.

Srážením tohoto deště, který obsahuje silné kyseliny, vyvolává několik ekologických problémů, jako je okyselení moří a sladkých vod. To způsobuje smrt vodních organismů; okyselení půd, které způsobují smrt plodin a ničení chemickými korozními účinky budov, mostů a památek.

Další atmosférické environmentální problémy jsou fotochemický smog, způsobený především oxidy dusíku a troposférickým ozonem

Globální oteplování

Globální oteplování je způsobeno vysokými koncentracemi CO₂ atmosférické a jiné skleníkové plyny (GHG), které absorbují většinu infračerveného záření emitovaného zemským povrchem a zachycují teplo v troposféře. To způsobuje změnu klimatu na planetě.

Environmentální chemie hydrosféry

Hydrósfera je přizpůsobena všem vodním útvarům Země: povrchním nebo humedales - oceánům, jezerům, řekám, pramenům - a podzemím nebo vodním vrstvám.

-Sladká voda

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

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

Ze zbývajících 3% sladké vody je 87% v:

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

Pro spotřebu je k dispozici pouze 0,4% celkové pitné vody planety. Odpařování vody z oceánů a srážení deště nepřetržitě poskytují toto malé procento.

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, úpravu průmyslových a městských odpadních vod, odsolování mořské vody, recyklaci a ukládání tohoto zdroje, mimo jiné.

-Cyklus vody

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

1. Povrchový odtok
2. Evapotranspirace rostlin
3. Infiltrace, ve které voda přechází do podzemních hladin (podzemních vod), cirkuluje skrze vodonosné kanály a východy přes prameny, prameny nebo studny.

-Antropologické dopady na vodní cyklus

Lidská činnost má dopad na vodní cyklus; Některé z příčin a důsledků antropologického působení jsou následující:

Úpravy povrchu půdy

Vzniká zničením lesů a polí odlesňováním. To ovlivňuje koloběh vody tím, že eliminuje evapotranspirace (odebírání vody rostlinami a návrat do životního prostředí transpirací a odpařováním) a zvyšuje odtok vody.

Zvýšený povrchový odtok způsobuje zvýšený tok řek a povodně.

Urbanizace také modifikuje povrch půdy a ovlivňuje koloběh vody, protože porézní půda je nahrazena cementem a nepropustným asfaltem, což znemožňuje pronikání..

Kontaminace vodního cyklu

Cyklus vody zahrnuje celou biosféru, a proto odpad vznikající člověkem je do tohoto cyklu začleněn různými procesy.

Chemické znečišťující látky ve vzduchu jsou začleněny do deště. Agrochemikálie aplikované na půdu, trpící průsaky a infiltrací do vodonosných vrstev, nebo utékající do řek, jezer a moří.

Také odpady z tuků a olejů a louhování skládek se přetahují infiltrací do podzemních vod.

Těžba vod s přečerpáním vodních zdrojů

Tyto praktiky s kontokorentním úvěrem produkují vyčerpání zásob podzemních a povrchových vod, ovlivňují ekosystémy a produkují místní pokles půdy.

Environmentální chemie půdy

Půdy jsou jedním z nejdůležitějších faktorů rovnováhy biosféry. Poskytují kotvení, vodu a živiny rostlinám, které jsou výrobci v terestrických trofických řetězcích.

Na podlaze

Půda může být definována jako komplexní a dynamický ekosystém tří fází: pevná fáze minerální a organické podpory, vodná kapalná fáze a plynná fáze; charakterizované určitou faunou a flórou (bakterie, houby, viry, rostliny, hmyz, háďátka, prvoky).

Vlastnosti půdy se neustále mění v důsledku podmínek prostředí a biologické aktivity, která se v ní vyvíjí..

Antropologické dopady na zemi

Degradace půdy je proces, který snižuje produkční kapacitu půdy, která je schopna vyvolat hlubokou a negativní změnu v ekosystému..

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

Lidskou činností může dojít:

• Fyzikální degradace půdy (například zhutnění způsobené nedostatečnou kultivací a chovem hospodářských zvířat).
• Chemická degradace půdy (acidifikace, alkalizace, salinizace, kontaminace agrochemikáliemi, odpady z průmyslové a městské činnosti, mimo jiné úniky ropy).
• Biologická degradace půdy (pokles obsahu organických látek, degradace vegetačního pokryvu, mimo jiné ztráta mikroorganismů fixujících dusík) \ t.

Chemicko-environmentální vztah

Environmentální chemie studuje různé chemické procesy, které probíhají ve třech složkách životního prostředí: atmosféra, hydrosféra a půda. Je zajímavé přehodnotit další zaměření na jednoduchý chemický model, který se snaží vysvětlit globální přenosy látek, které se vyskytují v životním prostředí.

-Model Garrels a Lerman

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

Model Garrels a Lerman zvažuje sedm hlavních minerálů planety:

1. Sádra (CaSO₄)
2. Pyrit (FeS₂)
3. Uhličitan vápenatý (CaCO)₃)
4. Uhličitan hořečnatý (MgCO)₃)
5. Křemičitan hořečnatý (MgSiO₃)
6. Oxid železitý (Fe₂O₃)
7. Oxid křemičitý (SiO)₂)

Organická hmota tvořící biosféru (živá i mrtvá) je reprezentována jako CH₂Nebo, což je přibližné stechiometrické složení živých tkání.

V modelu Garrels a Lerman jsou studovány geologické změny jako čisté přenosy hmoty mezi těmito osmi složkami planety, chemickými reakcemi a čistou bilancí váhy..

Akumulace CO₂ v atmosféře

Například problém akumulace CO₂ v tomto modelu je studována atmosféra, která říká, že: v současné době spalujeme organický uhlík uložený v biosféře jako uhlí, ropu a zemní plyn uložený v podloží v minulých geologických časech.

Výsledkem tohoto intenzivního spalování fosilních paliv je koncentrace CO₂ atmosférický se zvyšuje.

Zvýšení koncentrací CO₂ v zemské atmosféře je to proto, že rychlost spalování fosilního uhlíku překračuje rychlost absorpce uhlíku ostatními složkami biogeochemického systému Země (například fotosyntetické organismy a hydrosféry).

Tímto způsobem, emise CO₂ do atmosféry způsobené lidskou činností překonává regulační systém, který mění změny na Zemi.

Velikost biosféry

Model vyvinutý Garrelsem a Lermanem se také domnívá, že velikost biosféry se zvyšuje a snižuje v důsledku rovnováhy mezi fotosyntézou a dýcháním.

Během historie života na Zemi se hmotnost biosféry zvyšovala ve stupních s vysokou mírou fotosyntézy. To vedlo k čistému ukládání emisí organického uhlíku a kyslíku:

CO₂    +   H₂O → CH₂O + O₂

Dýchání jako metabolická aktivita mikroorganismů a vyšších zvířat přeměňuje organický uhlík zpět na oxid uhličitý (CO₂) a vody (H.)₂O), tj. Převrací předchozí chemickou reakci.

Pro existenci života je zásadní přítomnost vody, skladování organického uhlíku a produkce molekulárního kyslíku.

Aplikace environmentální chemie

Environmentální chemie nabízí řešení pro prevenci, zmírňování a nápravu škod na životním prostředí způsobených lidskou činností. Mezi některými z těchto řešení můžeme zmínit:

• Návrh nových materiálů nazvaný MOF (pro jeho zkratku v angličtině: Kovové organické rámce). Ty jsou velmi porézní a mají schopnost: absorbovat a zadržovat CO₂, dostat H₂Nebo vzduchové páry z pouštních oblastí a sklad H₂ v malých nádobách.
• Přeměna odpadů na suroviny. Například použití opotřebovaných pneumatik při výrobě umělé trávy nebo podrážek obuvi. Využití odpadů prořezávání plodin při výrobě bioplynu nebo bioetanolu.
• Chemická syntéza CFC náhrad.
• Vývoj alternativních energií, jako jsou vodíkové články, pro výrobu čisté elektřiny.
• Řízení znečištění ovzduší, s inertními filtry a reaktivními filtry.
• Odsolování mořské vody reverzní osmózou.
• Vývoj nových materiálů pro flokulaci koloidních látek suspendovaných ve vodě (proces čištění) \ t.
• Obrácení eutrofizace jezer.
• Vývoj "zelené chemie", trend, který navrhuje náhradu toxických chemických sloučenin za méně toxické, a "ekologické" chemické postupy. Uplatňuje se například při použití méně toxických rozpouštědel a surovin, v průmyslu, mimo jiné při čistírnách prádelen..

Odkazy

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). Phanerozoické cykly usazeného uhlíku a síry. Sborník Akademie věd ČR. U.S.A. 78: 4,652-4,656.
4. Hester, R.E. a Harrison, R.M. (2002). Globální změna životního prostředí. Královská chemická společnost. str. 205.
5. Hites, R. A. (2007). Prvky chemie životního prostředí. Wiley-Interscience. pp 215.
6. Manahan, S.E. (2000). Chemie životního prostředí. Sedmé vydání. CRC pp 876
7. Molina, M.J. a Rowland, F.S. (1974). Stratospheric dřez pro chlorfluormetethanes: Chrom-katalyzoval zničení ozónu. 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 troposférických atmosférických chemických látek a chemických mechanismů plynové fáze pro modelování kvality ovzduší. Atmosféra, 3 (1), 1-32. doi: 10,3390 / atmos3010001