KEMIJA OKOLIŠA: POLJE PROUČAVANJA I PRIMJENA - OKOLIŠ - 2025

Kemija okoliša proučava kemijske procese koji se odvijaju na razini okoliša. To je znanost koja primjenjuje kemijska načela za proučavanje okolišnih učinaka i utjecaja nastalih ljudskim aktivnostima.

Dodatno, kemija okoliša dizajnira tehnike prevencije, ublažavanja i sanacije postojećih šteta na okolišu.

Slika 1. Dijagram zemaljske atmosfere, hidrosfere, litosfere i biosfere. Izvor: Bojana Petrović, iz Wikimedia Commons

Kemija okoliša može se podijeliti u tri osnovne discipline koje su:

1. Okolišna kemija atmosfere.
2. Okolišna kemija hidrosfere.
3. Kemija okoliša tla.

Sveobuhvatan pristup kemiji okoliša dodatno zahtijeva proučavanje međusobnih odnosa kemijskih procesa koji se odvijaju u ova tri odjeljka (atmosfera, hidrosfera, tlo) i njihovih odnosa s biosferom.

Okolišna kemija atmosfere

Atmosfera je sloj plinova koji okružuje Zemlju; on predstavlja vrlo složen sustav, pri čemu temperatura, tlak i kemijski sastav variraju s visinom u vrlo širokim rasponima.

Sunce bombardira atmosferu zračenjem i česticama visoke energije; ta činjenica ima vrlo značajne kemijske učinke u svim slojevima atmosfere, ali posebno u gornjim i vanjskim slojevima.

-Stratosfera

Reakcije fototizocijacije i fotojonizacije javljaju se u vanjskim područjima atmosfere. U području od 30 do 90 km visine mjereno od zemljine površine, u stratosferi, postoji sloj koji uglavnom sadrži ozon (O ₃), nazvan ozonski sloj.

Ozonski omotač

Ozon apsorbira visokoenergetsko ultraljubičasto zračenje koje dolazi od sunca i da nije postojalo ovaj sloj, niti jedan poznati oblik života na planeti ne bi mogao preživjeti.

1995. atmosferski kemičari Mario J. Molina (Meksikanac), Frank S. Rowland (Amerikanac) i Paul Crutzen (Nizozemski) osvojili su Nobelovu nagradu za kemiju za svoja istraživanja o uništavanju i iscrpljivanju ozona u stratosferi.

Slika 2. Shema iscrpljivanja ozonskog omotača. Od nasa.gov

1970. Crutzen je pokazao da dušikovi oksidi uništavaju ozon katalitičkim kemijskim reakcijama. Nakon toga su Molina i Rowland, 1974., pokazali da klor u klorofluoro-ugljikovodičkim spojevima također može uništiti ozonski sloj.

-Troposfera

Atmosferski sloj blizini Zemljine površine, između 0 i 12 km visoke, nazvan troposfere, uglavnom se sastoji od dušika (N ₂) i kisika (O ₂).

Toksični plinovi

Kao rezultat ljudskih aktivnosti, troposfera sadrži mnogo dodatnih kemikalija koje se smatraju zagađivačima zraka kao što su:

• Ugljični dioksid i monoksid (CO ₂ i CO).
• Metan (CH ₄).
• Dušikov oksid (NO).
• Sumpor dioksid (SO ₂).
• Ozon O ₃ (smatra se zagađivačem u troposferi)
• Hlapljivi organski spojevi (HOS-ovi), prahovi ili čvrste čestice.

Među mnogim drugim tvarima, koje utječu na zdravlje ljudi i biljaka i životinja.

Kisela kiša

Sumporovih oksida (SO ₂ i SO ₃) i dušični oksidi kao što je dušikov oksid (NO ₂) uzrok još jedan problem okoliša pod nazivom kisele kiše.

Ti oksidi, koji su prisutni u troposferi uglavnom kao proizvodi izgaranja fosilnih goriva u industrijskim aktivnostima i transportu, reagiraju s kišnicom koja stvara sumpornu i dušičnu kiselinu s posljedičnim taloženjem kiseline.

Slika 3. Shema kisele kiše. Izvor: Alfredsito94, iz Wikimedia Commons

Taloženje ove kiše koja sadrži jake kiseline pokreće nekoliko problema iz okoliša, poput zakiseljavanja mora i slatkih voda. To uzrokuje smrt vodenih organizama; zakiseljavanje tla što uzrokuje smrt usjeva i uništavanje korozivnim kemijskim djelovanjem zgrada, mostova i spomenika.

Ostali problemi s atmosferskim okolišem su fotokemijski smog koji uglavnom uzrokuju dušikovi oksidi i troposferski ozon.

Globalno zatopljenje

Globalno zagrijavanje proizvedeno je visokim koncentracijama atmosferskog CO ₂ i drugih stakleničkih plinova (GHGs) koji apsorbiraju velik dio infracrvenog zračenja koje emitira Zemljina površina i zarobljavaju toplinu u troposferi. To generira klimatske promjene na planeti.

Okolišna kemija hidrosfere

Hidrosferu čine sva vodna tijela na Zemlji: površinska ili močvarna područja - oceani, jezera, rijeke, izvori - te podzemni ili vodonosnici.

-Svježa voda

Voda je najčešća tekuća tvar na planeti, prekriva 75% zemljine površine i apsolutno je neophodna za život.

Svi oblici života ovise o slatkoj vodi (definiranoj kao voda s udjelom soli manjom od 0,01%). 97% vode na planeti je slana voda.

Od preostalih 3% slatke vode, 87% je u:

• Stupovi Zemlje (koji se tope i izlivaju u mora zbog globalnog zagrijavanja).
• Glečeri (također u procesu nestanka).
• Podzemne vode.
• Voda u obliku pare prisutne u atmosferi.

Samo 0,4% ukupne svježe vode planete dostupno je za konzumaciju. Isparavanje vode iz oceana i padavine kiše kontinuirano pružaju taj mali postotak.

Kemija vode u okolišu proučava kemijske procese koji se događaju u vodenom ciklusu ili hidrološkom ciklusu, a također razvija tehnologije za pročišćavanje vode za ljudsku upotrebu, pročišćavanje industrijskih i gradskih otpadnih voda, desaliniranje morske vode, recikliranje i štedi ovaj resurs, među ostalim.

-Vodeni ciklus

Vodeni ciklus na Zemlji sastoji se od tri glavna procesa: isparavanja, kondenzacije i oborina iz kojih se izvode tri kruga:

1. Površinski otjec
2. Evapotranspiracija biljaka
3. Infiltracija, u kojoj voda prelazi u podzemne razine (phreatic), cirkulira vodonosnim kanalima i ostavlja kroz izvore, fontane ili bunare.

Slika 4. Vodeni ciklus. Izvor: Wasserkreislauf.png: od: Benutzer: Jooooderivativni rad: moyogo, putem Wikimedia Commons

- Antropološki utjecaji na vodeni ciklus

Ljudska aktivnost ima utjecaja na vodeni ciklus; neki od uzroka i posljedica antropološkog djelovanja su sljedeći:

Izmjena kopnene površine

Nastaje uništavanjem šuma i polja sa krčenjem šuma. To utječe na vodeni ciklus uklanjanjem evapotranspiracije (unos vode biljkama i povratkom u okoliš transpiracijom i isparavanjem) i povećanjem otjecanja.

Povećanje površinskog otjecanja povećava protok rijeka i poplava.

Urbanizacija također mijenja površinu zemljišta i utječe na vodeni ciklus, jer je porozno tlo zamijenjeno nepropusnim cementom i asfaltom, što onemogućuje infiltraciju.

Zagađenje vodenog ciklusa

Vodeni ciklus uključuje cjelokupnu biosferu, te je prema tome ljudski otpad u ovaj ciklus uključen različitim procesima.

Kemijski zagađivači u zraku su uključeni u kišu. Agrokemijske tvari koje se primjenjuju na tlo, podliježu izlučivanju i infiltraciji vodonosnika ili istječu u rijeke, jezera i mora.

Otpad masti i ulja i ispiranje sanitarnih odlagališta odvoze se infiltracijom u podzemne vode.

Vađenje vodoopskrbe s prekoračenjem u vodnim resursima

Ove prakse prekoračenja vode uzrokuju iscrpljivanje rezervi podzemne i površinske vode, utječu na ekosustave i proizvode lokalno ispadanje tla.

Kemija okoliša tla

Tla su jedan od najvažnijih čimbenika u ravnoteži biosfere. Oni daju sidrište, vodu i hranjive tvari biljkama koje su proizvođači u zemaljskim trofičkim lancima.

Tlo

Tlo se može definirati kao složen i dinamičan ekosustav tri faze: kruta faza s mineralnim i organskim potporom, vodena tekuća faza i plinovita faza; karakterizirano postojanjem određene faune i flore (bakterije, gljivice, virusi, biljke, insekti, nematode, protozoe).

Svojstva tla neprestano se mijenjaju zbog okolišnih uvjeta i biološke aktivnosti koja se u njemu razvija.

Antropološki utjecaji na tlo

Degradacija tla proces je koji smanjuje produktivnu sposobnost tla, sposobnu proizvesti duboke i negativne promjene u ekosustavu.

Čimbenici koji uzrokuju degradaciju tla su: klima, fiziografija, litologija, vegetacija i ljudski rad.

Slika 5. Degradirano tlo. Izvor: pexels.com

Do ljudskog djelovanja može doći:

• Fizička degradacija tla (na primjer, zbijanje zbog nepravilnog uzgoja i obrana tla).
• Kemijska degradacija tla (zakiseljavanje, alkalizacija, zaslanjivanje, onečišćenje agrokemijskim tvarima, otpadnim vodama iz industrijske i urbane djelatnosti, izlijevanje nafte, između ostalog).
• Biološka degradacija tla (smanjenje sadržaja organske tvari, propadanje vegetacijskog pokrova, gubitak dušičnih mikroorganizama, između ostalih).

Odnos kemikalije i okoliša

Kemija zaštite okoliša proučava različite kemijske procese koji se odvijaju u tri odjeljenja za okoliš: atmosfera, hidrosfera i tlo. Zanimljivo je pregledati dodatni pristup jednostavnom kemijskom modelu koji pokušava objasniti globalne prijenose materije koji se događaju u okolišu.

-Model Garrels i Lerman

Garrels i Lerman (1981) razvili su pojednostavljeni model biogeohemije Zemljine površine koji proučava interakcije između odjeljaka atmosfere, hidrosfere, zemljine kore i uključene biosfere.

Model Garrels i Lerman razmatra sedam glavnih sastavnih minerala planete:

1. Gips (CaSO ₄)
2. Pirit (FeS ₂)
3. Kalcijev karbonat (CaCO ₃)
4. Magnezijev karbonat (MgCO ₃)
5. Magnezijev silikat (MgSiO ₃)
6. Željezni oksid (Fe ₂ O ₃)
7. Silicijum dioksid (SiO ₂)

Sastavni organske tvari biosfere (i živih i mrtvih), predstavljen je kao CH ₂ O, koja je približno stehiometrijski sastav od živih tkiva.

U modelu Garrels i Lerman geološke promjene proučavaju se kao neto prijenosi materije između ovih osam komponenti planete, kemijskim reakcijama i neto ravnotežom mase.

Akumulacija CO

Na primjer, problem akumulacije CO ₂ u atmosferi proučava se u ovom modelu, govoreći tako: trenutno sagorijevamo organski ugljik pohranjen u biosferi u obliku ugljena, nafte i prirodnog plina koji se u podzemlju taloži u prošlim geološkim vremenima, Kao rezultat ovog intenzivnog sagorijevanja fosilnih goriva, koncentracija atmosferskog CO ₂ raste.

Povećanje koncentracije CO ₂ u Zemljinoj atmosferi posljedica je činjenice da brzina sagorijevanja fosilnih ugljika prelazi brzinu apsorpcije ugljika od ostalih komponenti Zemljinog biogeokemijskog sustava (poput fotosintetskih organizama i hidrosfera, na primjer).

Na taj način emisija CO ₂ u atmosferu uslijed ljudskih aktivnosti nadmašuje regulatorni sustav koji modulira promjene na Zemlji.

Veličina biosfere

Model koji su razvili Garrels i Lerman također smatra da se veličina biosfere povećava i smanjuje kao rezultat ravnoteže između fotosinteze i disanja.

Tijekom povijesti života na Zemlji masa biosfere povećavala se u fazama s visokom stopom fotosinteze. To je rezultiralo neto skladištenjem organskog ugljika i emisijom kisika:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O O + ₂

Disanje metaboličkog djelovanja mikroorganizama i više životinje, pretvara organski ugljik natrag u ugljični dioksid (CO ₂) i voda (H ₂ O), koji je, poništava prethodni kemijsku reakciju.

Prisutnost vode, skladištenje organskog ugljika i proizvodnja molekularnog kisika temeljni su za život života.

Primjene kemije okoliša

Kemijska zaštita okoliša nudi rješenja za sprečavanje, ublažavanje i sanaciju štete na okolišu uzrokovane ljudskom aktivnošću. Među nekim od ovih rješenja možemo spomenuti:

• Dizajn novih materijala pod nazivom MOF's (za akronim na engleskom: Metal Organic Frameworks). Oni su vrlo porozan i imaju sposobnost da: apsorbiraju i zadrže CO ₂, se dobije H ₂ O iz zračnog pare u pustinjskih područja i pohraniti H ₂ u male spremnike.
• Pretvorba otpada u sirovine. Primjerice, upotreba istrošenih guma u proizvodnji umjetne trave ili cipela. Također upotreba otpada od obrezivanja usjeva, za proizvodnju bioplina ili bioetanola.
• Kemijske sinteze nadomjestaka CFC-a.
• Razvoj alternativnih energija, poput vodikovih ćelija, za proizvodnju električne energije bez zagađenja.
• Kontrola zagađenja atmosfere pomoću inertnih filtera i reaktivnih filtera.
• Desalinacija morske vode reverznom osmozom.
• Razvoj novih materijala za flokulaciju koloidnih tvari suspendiranih u vodi (postupak pročišćavanja).
• Preokret eutrofikacije jezera.
• Razvoj "zelene kemije", trenda koji predlaže zamjenu toksičnih kemijskih spojeva manje otrovnim, i "ekološki prihvatljivih" kemijskih postupaka. Primjerice, primjenjuje se u korištenju manje toksičnih otapala i sirovina, u industriji, među ostalim, u kemijskom čišćenju praonica.

Reference

1. Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J., i Cantrell, CA (1985). Kemijski mehanizmi stvaranja kiselina u troposferi. Priroda, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, PJ (1970). Utjecaj dušikovih oksida na sadržaj atmosfere. QJR Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, RM i Lerman, A. (1981). Fanerozojski ciklusi sedimentnog ugljika i sumpora. Zbornik Prirodne akademije znanosti. SAD 78: 4,652-4,656.
4. Hester, RE i Harrison, RM (2002). Globalne promjene okoliša. Kraljevsko društvo za kemiju. pp. 205.
5. Hites, RA (2007). Elementi kemije okoliša. Wiley-Interscience. pp 215.
6. Manahan, SE (2000). Kemija okoliša. Sedmo izdanje. CRC. pp 876
7. Molina, MJ i Rowland, FS (1974). Stratosferski sudoper za klorofluorometane: uništavanje ozona kataliziranim atomom klora. Priroda. 249: 810-812.
8. Morel, FM i Hering, JM (2000). Načela i primjene vodene kemije. New York: John Wiley
9. Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E. i Goliff, WS (2011). Pregled troposferske kemije atmosfere i kemijskih mehanizama plinske faze za modeliranje kvalitete zraka. Atmosfera, 3 (1), 1–32. doi: 10,3390 / atmos3010001