Lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng hóa học môi trường

các hóa học môi trường Nó nghiên cứu các quá trình hóa học diễn ra ở cấp độ môi trường. Đây là một khoa học áp dụng các nguyên tắc hóa học vào nghiên cứu hiệu suất môi trường và các tác động do hoạt động của con người tạo ra.

Ngoài ra, hóa học môi trường thiết kế các kỹ thuật phòng ngừa, giảm thiểu và khắc phục cho các thiệt hại môi trường hiện có.

Hóa học môi trường có thể được chia thành ba ngành cơ bản đó là:

1. Hóa học môi trường của khí quyển.
2. Hóa học môi trường của thủy quyển.
3. Hóa học đất môi trường.

Một cách tiếp cận toàn diện về hóa học môi trường cũng đòi hỏi nghiên cứu mối tương quan giữa các quá trình hóa học xảy ra trong ba khoang này (khí quyển, thủy quyển, đất) và mối quan hệ của chúng với sinh quyển.

Chỉ số

• 1 Hóa học môi trường của khí quyển
  • 1.1 -Không gian
  • 1.2-Không gian vũ trụ
• 2 Hóa học môi trường của thủy quyển
  • 2.1 - Nước ngọt
  • 2.2-Chu trình nước
  • 2.3 - Tác động nhân học đến chu trình nước
• 3 Hóa học đất môi trường
  • 3.1 Đất
  • 3.2 Tác động nhân học đến đất
• 4 Mối quan hệ hóa học-môi trường
  • 4.1 -Model Gar tội và Lerman
• 5 Ứng dụng của hóa học môi trường
• 6 tài liệu tham khảo

Hóa học môi trường của khí quyển

Bầu khí quyển là lớp khí bao quanh Trái đất; nó là một hệ thống rất phức tạp, trong đó nhiệt độ, áp suất và thành phần hóa học thay đổi theo độ cao trong phạm vi rất rộng.

Mặt trời bắn phá bầu khí quyển bằng các hạt phóng xạ và năng lượng cao; thực tế này có tác dụng hóa học rất đáng kể trong tất cả các tầng của khí quyển, nhưng đặc biệt, ở các lớp cao nhất và bên ngoài.

-Tầng bình lưu

Phản ứng quang hóa và quang hóa xảy ra ở các vùng bên ngoài của khí quyển. Trong khu vực có chiều cao từ 30 đến 90 km được đo từ bề mặt trái đất, trong tầng bình lưu, một lớp chứa chủ yếu là ozone (OR₃), được gọi là tầng ozone.

Lớp ôzôn

Ozone hấp thụ bức xạ cực tím năng lượng cao đến từ mặt trời và nếu không có sự tồn tại của lớp này, không có cách sống nào được biết đến trên hành tinh, có thể tồn tại.

Năm 1995, các nhà hóa học khí quyển Mario J. Molina (người Mexico), Frank S. Rowland (người Mỹ) và Paul Crutzen (người Hà Lan) đã giành giải thưởng Nobel về hóa học nhờ nghiên cứu về sự phá hủy và suy giảm tầng ozone trong tầng bình lưu.

Năm 1970 Crutzen cho thấy các oxit nitơ phá hủy ozone thông qua các phản ứng hóa học xúc tác. Sau đó Molina và Rowland vào năm 1974, đã chỉ ra rằng clo của các hợp chất chlorofluorocarbon (CFC), cũng có khả năng phá hủy tầng ozone.

-Tầng đối lưu

Tầng khí quyển ngay trên bề mặt trái đất, cao từ 0 đến 12 km, được gọi là tầng đối lưu, có thành phần chủ yếu là nitơ (N₂) và oxy (O₂).

Khí độc

Do hoạt động của con người, tầng đối lưu chứa nhiều hóa chất bổ sung được coi là chất gây ô nhiễm không khí, như:

• Dioxide và carbon monoxide (CO₂ và CO).
• Mêtan (CH₄).
• Nitơ oxit (NO).
• Lưu huỳnh đioxit (SO)₂).
• Ozone O₃ (được coi là chất gây ô nhiễm trong tầng đối lưu)
• Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC's), bột hoặc hạt rắn.

Trong số nhiều chất khác, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và thực vật và động vật.

Mưa axit

Oxit lưu huỳnh (SO₂ và SO₃) và các nitơ như oxit nitơ (NO₂), gây ra một vấn đề môi trường khác gọi là mưa axit.

Các oxit này, có mặt trong tầng đối lưu chủ yếu là sản phẩm của quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch trong các hoạt động công nghiệp và vận chuyển, phản ứng với nước mưa sản xuất axit sunfuric và axit nitric, với kết quả là axit kết quả.

Bằng cách kết tủa cơn mưa này có chứa axit mạnh, nó gây ra một số vấn đề môi trường như axit hóa biển và nước ngọt. Điều này gây ra cái chết của các sinh vật dưới nước; axit hóa các loại đất gây ra cái chết của cây trồng và phá hủy bởi hành động ăn mòn hóa học của các tòa nhà, cây cầu và di tích.

Các vấn đề môi trường khí quyển khác là sương mù quang hóa, nguyên nhân chủ yếu là do oxit nitơ và ozone tầng đối lưu

Sự nóng lên toàn cầu

Sự nóng lên toàn cầu được tạo ra bởi nồng độ CO cao₂ khí quyển và các khí nhà kính khác (GHG), hấp thụ phần lớn bức xạ hồng ngoại phát ra từ bề mặt Trái đất và giữ nhiệt trong tầng đối lưu. Điều này tạo ra sự thay đổi khí hậu trên hành tinh.

Hóa học môi trường của thủy quyển

Hydrósfera phù hợp với tất cả các vùng nước trên Trái đất: bề ngoài hoặc humedales - đại dương, hồ, sông, suối - và dưới lòng đất hoặc tầng ngậm nước.

-Nước ngọt

Nước là chất lỏng phổ biến nhất trên hành tinh, chiếm 75% bề mặt trái đất và thực sự cần thiết cho sự sống.

Tất cả các dạng sống phụ thuộc vào nước ngọt (được định nghĩa là nước có hàm lượng muối nhỏ hơn 0,01%). 97% nước của hành tinh là nước mặn.

Trong số 3% còn lại của nước ngọt, 87% là trong:

• Các cực của Trái đất (đang tan chảy và đổ ra biển do sự nóng lên toàn cầu).
• Các sông băng (cũng đang trong quá trình biến mất).
• Nước ngầm.
• Nước ở dạng hơi có trong khí quyển.

Chỉ 0,4% tổng lượng nước ngọt của hành tinh có sẵn để tiêu thụ. Sự bốc hơi nước từ các đại dương và mưa liên tục cung cấp tỷ lệ nhỏ này.

Hóa học môi trường của nước nghiên cứu các quá trình hóa học xảy ra trong chu trình nước hoặc chu trình thủy văn và cũng phát triển các công nghệ lọc nước cho con người, xử lý nước thải công nghiệp và đô thị, khử mặn nước biển, tái chế và tiết kiệm tài nguyên này, trong số những người khác.

-Vòng tuần hoàn nước

Chu trình nước trên Trái đất bao gồm ba quá trình chính: bay hơi, ngưng tụ và kết tủa, từ đó có ba mạch dẫn xuất:

1. Dòng chảy mặt
2. Sự thoát hơi nước của thực vật
3. Sự xâm nhập, trong đó nước đi đến các tầng ngầm (nước ngầm), lưu thông qua các kênh chứa nước và thoát ra qua suối, suối hoặc giếng.

-Tác động nhân học đến chu trình nước

Hoạt động của con người có tác động đến chu trình nước; Một số nguyên nhân và ảnh hưởng của hành động nhân học như sau:

Sửa đổi bề mặt đất

Nó được tạo ra bởi sự tàn phá rừng và cánh đồng với nạn phá rừng. Điều này ảnh hưởng đến chu trình nước bằng cách loại bỏ sự thoát hơi nước (lấy nước qua cây và trở lại môi trường thông qua sự thoát hơi nước và bốc hơi) và tăng dòng chảy.

Dòng chảy mặt tăng lên làm tăng lưu lượng sông và lũ lụt.

Đô thị hóa cũng làm thay đổi bề mặt đất và ảnh hưởng đến chu trình nước, do đất xốp được thay thế bằng xi măng và nhựa đường không thấm nước, khiến cho việc xâm nhập là không thể.

Ô nhiễm chu kỳ nước

Chu trình nước liên quan đến toàn bộ sinh quyển và do đó, chất thải do con người tạo ra, được đưa vào chu trình này bởi các quy trình khác nhau.

Các chất ô nhiễm hóa học trong không khí được tích hợp vào mưa. Hóa chất áp dụng cho đất, chịu nước rỉ và thấm vào tầng ngậm nước, hoặc chảy ra sông, hồ và biển.

Ngoài ra, chất thải của chất béo và dầu và nước rỉ rác bãi rác, bị kéo vào nước ngầm.

Khai thác nguồn cung cấp nước với thấu chi tài nguyên nước

Những thực hành này với thấu chi, sản xuất cạn kiệt trữ lượng nước ngầm và nước mặt, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và tạo ra sụt lún đất cục bộ.

Hóa học đất môi trường

Đất là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong sự cân bằng của sinh quyển. Họ cung cấp neo, nước và chất dinh dưỡng cho các nhà máy, là những nhà sản xuất trong chuỗi chiến lợi phẩm trên mặt đất.

Sàn nhà

Đất có thể được định nghĩa là một hệ sinh thái phức tạp và năng động gồm ba giai đoạn: một pha rắn của khoáng chất và hỗ trợ hữu cơ, pha lỏng và pha khí; đặc trưng bởi có một động vật và thực vật cụ thể (vi khuẩn, nấm, vi rút, thực vật, côn trùng, tuyến trùng, động vật nguyên sinh).

Các tính chất của đất thay đổi liên tục do các điều kiện môi trường và hoạt động sinh học phát triển trong đó..

Tác động nhân học trên mặt đất

Suy thoái đất là một quá trình làm giảm năng lực sản xuất của đất, có khả năng tạo ra sự thay đổi sâu sắc và tiêu cực trong hệ sinh thái.

Các yếu tố tạo ra suy thoái đất là: khí hậu, sinh lý học, thạch học, thảm thực vật và hành động của con người.

Bởi hành động của con người có thể xảy ra:

• Suy thoái vật lý của đất (ví dụ, đầm nén do canh tác và chăn nuôi không phù hợp).
• Suy thoái hóa học của đất (axit hóa, kiềm hóa, nhiễm mặn, ô nhiễm hóa chất nông nghiệp, nước thải từ hoạt động công nghiệp và đô thị, sự cố tràn dầu, trong số những người khác).
• Suy thoái đất sinh học (giảm hàm lượng chất hữu cơ, suy thoái lớp phủ thực vật, mất vi sinh vật cố định đạm, trong số những thứ khác).

Mối quan hệ hóa học-môi trường

Hóa học môi trường nghiên cứu các quá trình hóa học khác nhau diễn ra trong ba khoang môi trường: khí quyển, thủy quyển và đất. Thật thú vị khi xem xét một trọng tâm bổ sung vào một mô hình hóa học đơn giản, cố gắng giải thích sự chuyển giao toàn cầu của vật chất xảy ra trong môi trường.

-Người mẫu Garbers và Lerman

Gar tội và Lerman (1981), đã phát triển một mô hình đơn giản hóa hóa sinh học bề mặt Trái đất, nghiên cứu sự tương tác giữa khí quyển, thủy quyển, vỏ trái đất và các ngăn sinh quyển bao gồm..

Mô hình của Gar tội và Lerman xem xét bảy khoáng sản cấu thành chính của hành tinh:

1. Thạch cao (CaSO₄)
2. Kim tự tháp (FeS₂)
3. Canxi cacbonat (CaCO₃)
4. Magiê cacbonat (MgCO₃)
5. Magiê silicat (MgSiO₃)
6. Ôxít sắt (Fe₂Ôi₃)
7. Silicon dioxide (SiO)₂)

Các chất hữu cơ cấu thành sinh quyển (cả sống và chết), được biểu diễn dưới dạng CH₂Hoặc, đó là thành phần cân bằng hóa học gần đúng của các mô sống.

Trong mô hình Gar tội và Lerman, những thay đổi địa chất được nghiên cứu là sự chuyển đổi vật chất ròng giữa tám thành phần của hành tinh này, thông qua các phản ứng hóa học và cân bằng bảo tồn khối lượng ròng.

Sự tích lũy CO₂ trong bầu không khí

Ví dụ, vấn đề tích lũy CO₂ Trong bầu khí quyển được nghiên cứu trong mô hình này, nói rằng: hiện tại chúng ta đang đốt carbon hữu cơ được lưu trữ trong sinh quyển dưới dạng than, dầu và khí tự nhiên lắng đọng trong lòng đất trong thời gian địa chất trong quá khứ.

Do quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch mạnh mẽ này, nồng độ CO₂ khí quyển đang tăng lên.

Sự gia tăng nồng độ CO₂ trong bầu khí quyển trên mặt đất là do tốc độ đốt cháy carbon hóa thạch vượt quá tốc độ hấp thụ carbon của các thành phần khác trong hệ thống hóa sinh của Trái đất (ví dụ như các sinh vật quang hợp và thủy quyển).

Theo cách này, phát thải CO₂ với bầu khí quyển do các hoạt động của con người, vượt qua hệ thống điều tiết điều chỉnh những thay đổi trên Trái đất.

Kích thước của sinh quyển

Mô hình được phát triển bởi Gar tội và Lerman, cũng xem xét rằng kích thước của sinh quyển tăng và giảm là kết quả của sự cân bằng giữa quang hợp và hô hấp.

Trong lịch sử sự sống trên Trái đất, khối lượng của sinh quyển tăng lên theo các giai đoạn với tốc độ quang hợp cao. Điều này dẫn đến việc lưu trữ ròng phát thải carbon và oxy hữu cơ:

CO₂    +   H₂O → CH₂O + O₂

Hít thở khi hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật và động vật bậc cao, chuyển đổi carbon hữu cơ trở lại carbon dioxide (CO₂) và nước (H₂O), nghĩa là đảo ngược phản ứng hóa học trước đó.

Sự hiện diện của nước, lưu trữ carbon hữu cơ và sản xuất oxy phân tử là nền tảng cho sự tồn tại của sự sống.

Ứng dụng hóa học môi trường

Hóa học môi trường cung cấp các giải pháp phòng ngừa, giảm thiểu và khắc phục thiệt hại môi trường do hoạt động của con người. Trong số các giải pháp này, chúng tôi có thể đề cập đến:

• Thiết kế của các vật liệu mới gọi là MOF (viết tắt của tiếng Anh: Khung kim loại hữu cơ). Chúng rất xốp và có khả năng: hấp thụ và giữ CO₂, lấy H₂Hoặc hơi không khí từ các khu vực sa mạc và lưu trữ H₂ trong các thùng chứa nhỏ.
• Việc chuyển đổi chất thải thành nguyên liệu. Ví dụ, việc sử dụng lốp xe mòn trong sản xuất cỏ nhân tạo hoặc đế giày. Ngoài ra việc sử dụng chất thải cắt tỉa cây trồng, trong việc tạo ra khí sinh học hoặc ethanol sinh học.
• Sự tổng hợp hóa học của chất thay thế CFC.
• Sự phát triển của các năng lượng thay thế, như tế bào hydro, để tạo ra điện sạch.
• Kiểm soát ô nhiễm khí quyển, với các bộ lọc trơ và các bộ lọc phản ứng.
• Khử mặn nước biển bằng thẩm thấu ngược.
• Sự phát triển của các vật liệu mới cho quá trình keo tụ các chất keo lơ lửng trong nước (quá trình thanh lọc).
• Sự đảo ngược của sự phú dưỡng của hồ.
• Sự phát triển của "hóa học xanh", một xu hướng đề xuất thay thế các hợp chất hóa học độc hại bằng các hợp chất ít độc hơn và các quy trình hóa học "thân thiện với môi trường". Ví dụ, nó được áp dụng trong việc sử dụng các dung môi và nguyên liệu ít độc hại hơn, trong công nghiệp, trong việc giặt khô đồ giặt, trong số những thứ khác..

Tài liệu tham khảo

1. Calvert, J.G., Lazrus, A., Kok, G.L., Heike, B.G., Walega, J.G., Lind, J., và Cantrell, C.A. (1985). Cơ chế hóa học của sự tạo axit trong tầng đối lưu. Thiên nhiên, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, P.J. (1970). Ảnh hưởng của oxit nitơ đến hàm lượng khí quyển. Q.J.R. Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Gar cướp, R.M. và Lerman, A. (1981). Chu trình Phanerozoic của trầm tích carbon và lưu huỳnh. Kỷ yếu của Viện hàn lâm Khoa học tự nhiên. Hoa Kỳ 78: 4,652-4,656.
4. Hester, R. E. và Harrison, R. M. (2002). Thay đổi môi trường toàn cầu. Hội hóa học hoàng gia. trang 205.
5. Gợi ý, R. A. (2007). Các yếu tố của hóa học môi trường. Wiley-Interscience. Trang 215.
6. Manahan, S. E. (2000). Hóa học môi trường. Phiên bản thứ bảy. CRC trang 876
7. Molina, M.J. và Rowland, F.S. (1974). Stratospheric chìm cho chlorofluoromethanes: Sự phá hủy xúc tác nguyên tử clo của ozone. Thiên nhiên 249: 810-812.
8. Morel, F.M. và Hering, J.M. (2000). Nguyên tắc và ứng dụng của hóa học thủy sinh. New York: John Wiley.
9. Stockwell, W. R., Lawson, C.V., Saunders, E. và Goliff, W. S. (2011). Một đánh giá về hóa học khí quyển tầng đối lưu và các cơ chế hóa học pha khí cho mô hình hóa chất lượng không khí. Khí quyển, 3 (1), 1-32. doi: 10.3390 / atmos4950001