MILJØKJEMI: STUDIERETNING OG APPLIKASJONER - MILJØ - 2025

Den miljøkjemi studerer de kjemiske prosesser som foregår på miljø nivå. Det er en vitenskap som bruker kjemiske prinsipper for studiet av miljøprestasjoner og virkningene generert av menneskelige aktiviteter.

I tillegg designer miljøkjemi teknikker for forebygging, avbøtning og sanering for eksisterende miljøskader.

Figur 1. Diagram over den terrestriske atmosfæren, hydrosfæren, litosfæren og biosfæren. Kilde: Bojana Petrović, fra Wikimedia Commons

Miljøkjemi kan deles inn i tre grunnleggende fagdisipliner som er:

1. Miljøkjemi av atmosfæren.
2. Miljøkjemi i hydrosfæren.
3. Jordmiljøkjemi.

En omfattende tilnærming til miljøkjemi krever i tillegg studier av sammenhengen mellom de kjemiske prosessene som oppstår i disse tre avdelingene (atmosfære, hydrosfære, jord) og deres forhold til biosfæren.

Miljøkjemi av atmosfæren

Atmosfæren er laget av gasser som omgir jorden; det utgjør et veldig komplekst system, der temperaturen, trykket og den kjemiske sammensetningen varierer med høyden i veldig store områder.

Solen bombarderer atmosfæren med stråling og høyenergipartikler; dette faktum har veldig betydningsfulle kjemiske effekter i alle lag i atmosfæren, men spesielt i de øvre og ytre lag.

-Stratosphere

Photodissociation og photoionization reaksjoner forekommer i de ytre områdene av atmosfæren. I regionen mellom 30 og 90 km i høyden målt fra jordoverflaten, i stratosfæren, er det et lag som hovedsakelig inneholder ozon (O ₃ ), kalt ozonlaget.

Ozonlag

Ozon absorberer høyenergi ultrafiolett stråling som kommer fra solen, og hvis det ikke var for eksistensen av dette laget, kunne ingen kjente livsformer på planeten overleve.

I 1995 vant atmosfæriske kjemikere Mario J. Molina (meksikansk), Frank S. Rowland (amerikansk) og Paul Crutzen (nederlandsk) Nobelprisen i kjemi for deres forskning på ødeleggelse og uttømming av ozon i stratosfæren.

Figur 2. Plan for uttømming i ozonlaget. Fra nasa.gov

I 1970 viste Crutzen at nitrogenoksider ødelegger ozon gjennom katalytiske kjemiske reaksjoner. Deretter viste Molina og Rowland i 1974 at klor i klorfluorkarbonforbindelser (CFC) også er i stand til å ødelegge ozonlaget.

-Troposphere

Det atmosfæriske laget nær jordoverflaten, mellom 0 og 12 km høyt, kalt troposfæren, består hovedsakelig av nitrogen (N ₂ ) og oksygen (O ₂ ).

Giftige gasser

Som et resultat av menneskelige aktiviteter inneholder troposfæren mange flere kjemikalier som anses som luftforurensende stoffer, for eksempel:

• Karbondioksid og monoksid (CO ₂ og CO).
• Metan (CH ₄ ).
• Nitrogenoksid (NO).
• Svoveldioksid (SO ₂ ).
• Ozon O ₃ (anses som et miljøgifter i troposfæren)
• Flyktige organiske forbindelser (VOC), pulver eller faste partikler.

Blant mange andre stoffer, som påvirker menneskers og plante- og dyrehelsen.

Sur nedbør

Svoveloksider (SO ₂ og SO ₃ ) og nitrogenoksider som lystgass (NO ₂ ) forårsaker et annet miljøproblem som kalles sur nedbør.

Disse oksydene, som er til stede i troposfæren hovedsakelig som forbrenning av fossile brensler i industriell aktivitet og transport, reagerer med regnvann som produserer svovelsyre og salpetersyre, med den resulterende syreutfelling.

Figur 3. Skjema med sur nedbør. Kilde: Alfredsito94, fra Wikimedia Commons

Ved å utfelle dette regnet som inneholder sterke syrer, utløser det flere miljøproblemer som forsuring av hav og ferskvann. Dette forårsaker død av vannlevende organismer; forsuring av jordsmonn som forårsaker død av avlinger og ødeleggelse ved etsende kjemisk virkning av bygninger, broer og monumenter.

Andre atmosfæriske miljøproblemer er fotokjemisk smog, forårsaket hovedsakelig av nitrogenoksider og troposfærisk ozon.

Global oppvarming

Global oppvarming produseres av høye konsentrasjoner av atmosfærisk CO ₂ og andre klimagasser (GHG), som absorberer mye av den infrarøde strålingen som sendes ut fra jordens overflate og fanger varme i troposfæren. Dette genererer klimaendringer på planeten.

Miljøkjemi i hydrosfæren

Hydrosfæren består av alle vannmasser på jorden: overflate- eller våtmarker - hav, innsjøer, elver, kilder - og underjordiske eller akviferer.

-Friskt vann

Vann er det vanligste flytende stoffet på planeten, det dekker 75% av jordoverflaten og er helt essensielt for livet.

Alle livsformer er avhengig av ferskvann (definert som vann med et saltinnhold på mindre enn 0,01%). 97% av vannet på planeten er saltvann.

Av de resterende 3% ferskvannet er 87% i:

• Jordens poler (som smelter og strømmer ut i havene på grunn av global oppvarming).
• Isbreene (også i ferd med å forsvinne).
• Grunnvann.
• Vann i form av damp til stede i atmosfæren.

Bare 0,4% av planetens totale ferskvann er tilgjengelig for konsum. Fordamping av vann fra havene og nedbør av regn gir kontinuerlig denne lille prosentandelen.

Vannets miljøkjemi studerer de kjemiske prosessene som skjer i vannsyklusen eller den hydrologiske syklusen, og utvikler også teknologier for rensing av vann til konsum, behandling av industrielt og urbant avløpsvann, avsalting av sjøvann, resirkulering og sparer blant annet denne ressursen.

-Vannets syklus

Vannets syklus på jorden består av tre hovedprosesser: fordampning, kondens og nedbør, hvorfra tre kretser er avledet:

1. Overflateavrenning
2. Plantefordampning
3. Infiltrasjonen, der vannet går til underjordiske nivåer (phreatic), sirkulerer gjennom akviferkanaler og går gjennom kilder, fontener eller brønner.

Figur 4. Vannsyklus. Kilde: Wasserkreislauf.png: fra: Benutzer: Jooooderivative work: moyogo, via Wikimedia Commons

-Antropologiske påvirkninger på vannsyklusen

Menneskelig aktivitet har innvirkning på vannsyklusen; noen av årsakene og virkningene av antropologisk handling er følgende:

Endring av landoverflaten

Det er generert av ødeleggelse av skog og mark med avskoging. Dette påvirker vannsyklusen ved å eliminere evapotranspirasjon (vanninntak av planter og tilbake til miljøet ved svette og fordamping) og ved å øke avrenningen.

Økningen i overflateavrenning gir en økning i strømmen av elver og flom.

Urbanisering modifiserer også landoverflaten og påvirker vannsyklusen, da den porøse jorda erstattes av ugjennomtrengelig sement og asfalt, noe som gjør infiltrasjon umulig.

Forurensning av vannsyklus

Vannsyklusen involverer hele biosfæren, og følgelig blir menneskegenerert avfall inkorporert i denne syklusen av forskjellige prosesser.

Kjemiske miljøgifter i luften blir innlemmet i regnet. Jordbrukskjemikalier påført jorden, får lekkasje og infiltrasjon til akviferer, eller renner ut i elver, innsjøer og hav.

Også avfallet av fett og oljer og utvaskingen av sanitære deponier føres ved infiltrasjon til grunnvannet.

Utvinning av vannforsyning med overtrekk i vannressurser

Denne kassekraftspraksisen gir uttømming av grunnvann og overflatevannreserver, påvirker økosystemene og produserer lokal innsynkning av jorda.

Jordmiljøkjemi

Jordsmonn er en av de viktigste faktorene i balansen i biosfæren. De gir forankring, vann og næringsstoffer til planter, som er produsenter i de landlige trofiske kjedene.

Jord

Jorden kan defineres som et komplekst og dynamisk økosystem av tre faser: en fast fase med mineral og organisk støtte, en vandig væskefase og en gassfase; preget av å ha en spesiell fauna og flora (bakterier, sopp, virus, planter, insekter, nematoder, protozoer).

Jordens egenskaper endres kontinuerlig av miljøforhold og av den biologiske aktiviteten som utvikler seg i den.

Antropologiske påvirkninger på jorda

Jordforringelse er en prosess som reduserer jordens produktiv kapasitet, og som er i stand til å produsere en dyp og negativ forandring i økosystemet.

Faktorene som produserer jordforringelse er: klima, fysiografi, litologi, vegetasjon og menneskelig handling.

Figur 5. Nedbrutt jord. Kilde: pexels.com

Ved menneskelig handling kan oppstå:

• Fysisk nedbrytning av jorda (for eksempel komprimering fra feil oppdrett og gårdsdrift).
• Kjemisk nedbrytning av jorda (forsuring, alkalisering, saltvann, forurensning med jordbruksmidler, med avløp fra industriell og urban aktivitet, oljesøl, blant andre).
• Biologisk nedbrytning av jordsmonnet (reduksjon i innholdet av organisk materiale, nedbrytning av vegetasjonsdekket, tap av nitrogenfikserende mikroorganismer, blant andre).

Kjemisk-miljø-forhold

Miljøkjemi studerer de forskjellige kjemiske prosessene som foregår i de tre miljørommene: atmosfære, hydrosphere og jord. Det er interessant å gjennomgå en ekstra tilnærming til en enkel kjemisk modell, som prøver å forklare de globale overføringene av materie som oppstår i miljøet.

-Modell Garrels og Lerman

Garrels og Lerman (1981) utviklet en forenklet modell av biogeokjemien på jordoverflaten, som studerer samspillet mellom atmosfæren, hydrosfæren, jordskorpen og de inkluderte biosfærene.

Garrels and Lerman-modellen vurderer syv viktigste bestanddelmineraler på planeten:

1. Gips (CaSO ₄ )
2. Pyritt (FeS ₂ )
3. Kalsiumkarbonat (CaCO ₃ )
4. Magnesiumkarbonat (MgCO ₃ )
5. Magnesiumsilikat (MgSiO ₃ )
6. Jernoksid (Fe ₂ O ₃ )
7. Silisiumdioksid (SiO ₂ )

Den bestanddel organisk materiale av biosfæren (både levende og døde), er representert som CH ₂ O, som er den omtrentlige støkiometriske sammensetning av levende vev.

I Garrels og Lerman-modellen studeres geologiske endringer som nettoverføringer av materie mellom disse åtte komponentene av planeten, gjennom kjemiske reaksjoner og en nettobalanse av massebehandling.

Akkumulering av CO

For eksempel blir problemet med akkumulering av CO ₂ i atmosfæren studert i denne modellen, og sier at: for tiden brenner vi det organiske karbonet som er lagret i biosfæren som kull, olje og naturgass avsatt i undergrunnen i geologisk tid tidligere .

Som et resultat av denne intensive forbrenningen av fossile brensler øker konsentrasjonen av atmosfærisk CO ₂ .

Økningen i CO ₂ -konsentrasjoner i jordas atmosfære skyldes det faktum at frekvensen av fossilt karbonforbrenning overstiger frekvensen av karbonabsorpsjon av de andre komponentene i jordas biogeokjemiske system (for eksempel fotosyntetiske organismer og hydrosphere, for eksempel).

På denne måten overgår utslippet av CO ₂ i atmosfæren på grunn av menneskelige aktiviteter, det reguleringssystemet som modulerer endringer på jorden.

Størrelsen på biosfæren

Modellen utviklet av Garrels og Lerman vurderer også at biosfærens størrelse øker og avtar som et resultat av balansen mellom fotosyntese og respirasjon.

I løpet av historien til livet på jorden økte biosfærens masse i stadier med høye frekvenser av fotosyntese. Dette resulterte i en nettolagring av organisk karbon og utslipp av oksygen:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

Åndedrett som metabolsk aktivitet av mikroorganismer og høyerestående dyr, omdanner organisk karbon til karbondioksyd (CO ₂ ) og vann (H ₂ O), det vil si, reverserer det foregående kjemisk reaksjon.

Tilstedeværelsen av vann, lagring av organisk karbon og produksjon av molekylært oksygen er grunnleggende for livets eksistens.

Miljøkjemiske applikasjoner

Miljøkjemi tilbyr løsninger for forebygging, avbøtning og utbedring av miljøskader forårsaket av menneskelig aktivitet. Blant noen av disse løsningene kan vi nevne:

• Utformingen av nye materialer kalt MOF's (for dets forkortelse på engelsk: Metal Organic Frameworks). Disse er meget porøse og har kapasitet til å: å absorbere og holde på CO ₂ , oppnå H ₂ O fra luften damp i ørkenområder og lagre H ₂ i små beholdere.
• Konvertering av avfall til råvarer. For eksempel bruk av slitte dekk i produksjon av kunstgress eller skosåler. Også bruk av beskjæringsavfall for avling, til generering av biogass eller bioetanol.
• Kjemiske synteser av CFC-erstatninger.
• Utviklingen av alternative energier, for eksempel hydrogeceller, for generering av ikke-forurensende elektrisitet.
• Kontroll av atmosfærisk forurensning, med inerte filtre og reaktive filtre.
• Avsalting av sjøvann ved omvendt osmose.
• Utviklingen av nye materialer for flokkulering av kolloidale stoffer suspendert i vann (renseprosess).
• Vendingen av overgjødsling av innsjøen.
• Utviklingen av "grønn kjemi", en trend som foreslår erstatning av giftige kjemiske forbindelser med mindre giftige, og "miljøvennlige" kjemiske prosedyrer. For eksempel brukes det i bruk av mindre giftige løsemidler og råvarer, i industrien, blant annet til renseri av vaskerier.

referanser

1. Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J., og Cantrell, CA (1985). Kjemiske mekanismer for syregenerering i troposfæren. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, PJ (1970). Påvirkningen av nitrogenoksider på atmosfærens innhold. QJR Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, RM og Lerman, A. (1981). Phanerozoic sykluser av sedimentært karbon og svovel. Proceedings of the Natural Academy of Sciences. USA 78: 4,652-4,656.
4. Hester, RE og Harrison, RM (2002). Global miljøendring. Royal Society of Chemistry. s. 205.
5. Hites, RA (2007). Elementer av miljøkjemi. Wiley-Interscience. s. 215.
6. Manahan, SE (2000). Miljøkjemi. Syvende utgave. CRC. s 876
7. Molina, MJ og Rowland, FS (1974). Stratosfærisk vask for klorfluormetaner: Kloratomkatalysert ødeleggelse av ozon. Natur. 249: 810-812.
8. Morel, FM og Hering, JM (2000). Prinsipper og anvendelser av akvatisk kjemi. New York: John Wiley.
9. Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E., og Goliff, WS (2011). En gjennomgang av troposfærisk atmosfærisk kjemi og gassfasekjemiske mekanismer for luftkvalitetsmodellering. Atmosfære, 3 (1), 1–32. doi: 10.3390 / atmos3010001