เคมีสิ่งแวดล้อม: สาขาวิชาและการประยุกต์

เคมีสิ่งแวดล้อม ศึกษากระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นในระดับสิ่งแวดล้อม เป็นวิทยาศาสตร์ที่ใช้หลักการทางเคมีเพื่อศึกษาประสิทธิภาพของสิ่งแวดล้อมและผลกระทบที่เกิดจากกิจกรรมของมนุษย์

นอกจากนี้เคมีสิ่งแวดล้อมออกแบบเทคนิคการป้องกันการบรรเทาและการแก้ไขสำหรับความเสียหายด้านสิ่งแวดล้อมที่มีอยู่

เคมีสิ่งแวดล้อมสามารถแบ่งออกเป็นสามสาขาวิชาพื้นฐานที่:

1. เคมีสิ่งแวดล้อมของบรรยากาศ
2. เคมีสิ่งแวดล้อมของไฮโดรสเฟียร์
3. เคมีสิ่งแวดล้อมของดิน

วิธีการที่ครอบคลุมเกี่ยวกับเคมีสิ่งแวดล้อมยังต้องมีการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างกระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นในห้องทั้งสาม (บรรยากาศ, ไฮโดรสเฟียร์, ดิน) และความสัมพันธ์ของพวกเขากับชีวมณฑล

เคมีสิ่งแวดล้อมของบรรยากาศ

บรรยากาศคือชั้นของก๊าซที่ล้อมรอบโลก มันเป็นระบบที่ซับซ้อนมากที่อุณหภูมิความดันและองค์ประกอบทางเคมีแตกต่างกันไปตามระดับความสูงในช่วงกว้างมาก

ดวงอาทิตย์ระเบิดบรรยากาศด้วยรังสีและอนุภาคพลังงานสูง ความจริงข้อนี้มีผลทางเคมีที่สำคัญมากในทุกชั้นของชั้นบรรยากาศโดยเฉพาะอย่างยิ่งในชั้นสูงสุดและชั้นนอก

-Estratósfera

ปฏิกิริยาโฟโตไดทิสเซชันและโฟโตไนเซชันเกิดขึ้นในบริเวณรอบนอกของชั้นบรรยากาศ ในพื้นที่ระหว่าง 30 ถึง 90 กม. วัดจากพื้นผิวโลกในสตราโตสเฟียร์เลเยอร์ตั้งอยู่ที่ส่วนใหญ่ประกอบด้วยโอโซน (O ₃ ) เรียกว่าชั้นโอโซน

ชั้นโอโซน

โอโซนดูดซับรังสีอุลตร้าไวโอเลตของพลังงานสูงที่มาจากดวงอาทิตย์และหากไม่มีการดำรงอยู่ของเลเยอร์นี้จะไม่มีวิถีชีวิตที่เป็นที่รู้จักบนโลก

ในปี 1995 นักเคมีชั้นบรรยากาศ Mario J. Molina (เม็กซิกัน), Frank S. Rowland (อเมริกัน) และ Paul Crutzen (ดัตช์) ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีสำหรับการวิจัยเกี่ยวกับการทำลายและการลดลงของโอโซนในสตราโตสเฟียร์

ในปี 1970 Crutzen แสดงให้เห็นว่าไนโตรเจนออกไซด์ทำลายโอโซนผ่านปฏิกิริยาทางเคมีที่เร่งปฏิกิริยา ต่อมาโมลินาและโรว์แลนด์ในปี 1974 แสดงให้เห็นว่าคลอรีนของสารประกอบคลอโรฟอร์มาร์บอน (CFC's) ก็สามารถทำลายชั้นโอโซนได้เช่นกัน

-Tropósfera

ชั้นบรรยากาศเหนือผิวน้ำของโลกในช่วงระหว่าง 0 ถึง 12 กม. สูงเรียกว่าโทรโพสเฟียร์ประกอบด้วยไนโตรเจน (N ₂ ) และออกซิเจน (O ₂ ) เป็นส่วนใหญ่

ก๊าซพิษ

อันเป็นผลมาจากกิจกรรมของมนุษย์ทำให้โทรโพสเฟียร์มีสารเคมีเพิ่มเติมมากมายที่พิจารณาว่าเป็นมลพิษทางอากาศเช่น:

• ไดออกไซด์และคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO ₂ และ CO)
• มีเทน (CH ₄ )
• ไนโตรเจนออกไซด์ (NO)
• ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO ₂ )
• โอโซน O ₃ (ถือว่าเป็นสารปนเปื้อนในโทรโพสเฟียร์)
• สารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย (VOCs), ผงหรืออนุภาคของแข็ง

ในบรรดาสารอื่น ๆ อีกมากมายซึ่งส่งผลกระทบต่อสุขภาพของมนุษย์และพืชและสัตว์

ฝนกรด

ซัลเฟอร์ออกไซด์ (SO ₂ และ SO ₃ ) และไนโตรเจนออกไซด์เช่นไนตรัสออกไซด์ (NO ₂ ) ทำให้เกิดปัญหาสิ่งแวดล้อมอีกอย่างหนึ่งที่เรียกว่าฝนกรด

ออกไซด์เหล่านี้มีอยู่ในโทรโพสเฟียร์ส่วนใหญ่เป็นผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงฟอสซิลในกิจกรรมอุตสาหกรรมและการขนส่งทำปฏิกิริยากับน้ำฝนที่ผลิตกรดซัลฟูริกและกรดไนตริกด้วยการตกตะกอนของกรดตามมา

การตกตะกอนของฝนที่มีกรดแก่นี้จะทำให้เกิดปัญหาสิ่งแวดล้อมหลายประการเช่นการทำให้เป็นกรดในทะเลและน้ำจืด สิ่งนี้ทำให้เกิดการตายของสิ่งมีชีวิตในน้ำ; ความเป็นกรดของดินที่เป็นสาเหตุของการตายของพืชและการทำลายโดยการกระทำสารเคมีกัดกร่อนของอาคารสะพานและอนุสาวรีย์

ปัญหาสิ่งแวดล้อมในชั้นบรรยากาศอื่น ๆ ได้แก่ หมอกควันเคมีโฟโตเคมีส่วนใหญ่เกิดจากไนโตรเจนออกไซด์และโอโซน tropospheric

ภาวะโลกร้อน

ภาวะโลกร้อนนั้นเกิดจากความเข้มข้นของ CO ₂ ในบรรยากาศและก๊าซเรือนกระจกอื่น ๆ (GHGs) ซึ่งดูดซับรังสีอินฟราเรดจำนวนมากที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิวโลกและดักความร้อนในโทรโพสเฟียร์ สิ่งนี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศบนโลก

เคมีสิ่งแวดล้อมของไฮโดรสเฟียร์

hydrósferaนั้นสอดคล้องกับแหล่งน้ำของโลกทั้งหมด: ผิวเผินหรือฮิเมดาเลส - มหาสมุทร, ทะเลสาบ, แม่น้ำ, น้ำพุ - และใต้ดินหรือชั้นหินอุ้มน้ำ

- น้ำจืด

น้ำเป็นสารเหลวที่พบมากที่สุดในโลกครอบคลุม 75% ของพื้นผิวโลกและจำเป็นอย่างยิ่งต่อชีวิต

ทุกรูปแบบของชีวิตขึ้นอยู่กับน้ำจืด (หมายถึงน้ำที่มีปริมาณเกลือน้อยกว่า 0.01%) น้ำ 97% ของดาวเคราะห์เป็นน้ำเค็ม

ส่วนที่เหลืออีก 3% ของน้ำจืด 87% อยู่ใน:

• เสาของโลก (ซึ่งกำลังละลายและเทลงในทะเลเนื่องจากภาวะโลกร้อน)
• ธารน้ำแข็ง (ยังอยู่ในกระบวนการหายไป)
• น้ำใต้ดิน
• น้ำในรูปของไอน้ำที่มีอยู่ในบรรยากาศ

มีเพียง 0.4% ของน้ำจืดทั้งหมดของโลกที่มีไว้สำหรับการบริโภค การระเหยของน้ำจากมหาสมุทรและการตกตะกอนของฝนอย่างต่อเนื่องให้เปอร์เซ็นต์เล็ก ๆ นี้

เคมีสิ่งแวดล้อมของน้ำศึกษากระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นในวัฏจักรของน้ำหรือวัฏจักรทางอุทกวิทยาและยังพัฒนาเทคโนโลยีสำหรับการทำน้ำให้บริสุทธิ์เพื่อการบริโภคของมนุษย์การบำบัดน้ำเสียจากอุตสาหกรรมและในเมืองการกำจัดน้ำทะเลจากการรีไซเคิล และบันทึกทรัพยากรนี้รวมถึงกลุ่มอื่น ๆ

- วัฏจักรของน้ำ

วัฏจักรของน้ำบนโลกประกอบด้วยสามกระบวนการหลัก ได้แก่ การระเหยการควบแน่นและการตกตะกอนซึ่งมาจากสามวงจร:

1. พื้นผิวที่ไหลบ่า
2. การคายระเหยของพืช
3. การแทรกซึมซึ่งน้ำไหลผ่านใต้ดิน (น้ำ) ไหลเวียนผ่านช่องทางน้ำและออกจากสปริงน้ำพุหรือบ่อน้ำ

- ผลกระทบทางมานุษยวิทยาต่อวัฏจักรของน้ำ

กิจกรรมของมนุษย์มีผลกระทบต่อวัฏจักรของน้ำ สาเหตุและผลกระทบของการกระทำทางมานุษยวิทยาบางประการมีดังนี้:

ดัดแปลงผิวดิน

มันถูกสร้างขึ้นโดยการทำลายป่าไม้และทุ่งนาด้วยการทำลายป่า สิ่งนี้มีผลต่อวัฏจักรของน้ำโดยการกำจัดการคายระเหย (การรับน้ำจากพืชและกลับสู่สภาพแวดล้อมผ่านการคายน้ำและการระเหย) และการไหลบ่าที่เพิ่มขึ้น

การไหลบ่าของพื้นผิวที่เพิ่มขึ้นทำให้แม่น้ำไหลและน้ำท่วมเพิ่มขึ้น

ความเป็นเมืองยังปรับผิวหน้าดินและส่งผลกระทบต่อวัฏจักรของน้ำเนื่องจากดินที่มีรูพรุนถูกแทนที่ด้วยซีเมนต์และยางมะตอยที่ผ่านไม่ได้ซึ่งทำให้การแทรกซึมเป็นไปไม่ได้

วัฏจักรของน้ำ

วัฏจักรของน้ำเกี่ยวข้องกับชีวมณฑลทั้งหมดและด้วยเหตุนี้ขยะที่เกิดจากมนุษย์ถูกรวมเข้ากับวัฏจักรนี้ด้วยกระบวนการที่แตกต่างกัน

มลพิษทางเคมีในอากาศถูกรวมเข้าไปในสายฝน สารเคมีทางการเกษตรที่นำไปใช้กับดิน, การรั่วไหลของน้ำและการแทรกซึมของชั้นหินอุ้มน้ำหรือไหลลงสู่แม่น้ำทะเลสาบและทะเล

นอกจากนี้ยังมีการสูญเสียไขมันและน้ำมันและน้ำชะจากหลุมฝังกลบด้วยการแทรกซึมเข้าไปในน้ำใต้ดิน

การสกัดแหล่งน้ำที่มีเงินเบิกเกินบัญชีในแหล่งน้ำ

การปฏิบัติเหล่านี้ด้วยการเบิกเงินเกินบัญชีผลิตการลดลงของน้ำใต้ดินและแหล่งน้ำผิวดินส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศและผลิตการทรุดตัวของดินในท้องถิ่น

เคมีของดินสิ่งแวดล้อม

ดินเป็นหนึ่งในปัจจัยที่สำคัญที่สุดในความสมดุลของชีวมณฑล พวกเขาให้ทอดสมอน้ำและสารอาหารให้กับพืชซึ่งเป็นผู้ผลิตในห่วงโซ่โภชนาการภาคพื้นดิน

พื้น

ดินสามารถนิยามได้ว่าเป็นระบบนิเวศที่ซับซ้อนและมีพลวัตสามขั้นตอนคือการสนับสนุนแร่ธาตุและอินทรีย์ของแข็งระยะของเหลวและก๊าซ โดดเด่นด้วยการมีสัตว์และพืชโดยเฉพาะ (แบคทีเรีย, เชื้อรา, ไวรัส, พืช, แมลง, ไส้เดือนฝอย, โปรโตซัว)

คุณสมบัติของดินเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาเนื่องจากสภาพแวดล้อมและกิจกรรมทางชีวภาพที่พัฒนาขึ้น

ผลกระทบทางมานุษยวิทยาบนพื้นดิน

การเสื่อมสภาพของดินเป็นกระบวนการที่จะลดความสามารถในการผลิตของดินความสามารถในการผลิตการเปลี่ยนแปลงที่ลึกซึ้งและเชิงลบในระบบนิเวศ

ปัจจัยที่ก่อให้เกิดความเสื่อมโทรมของดิน ได้แก่ : สภาพภูมิอากาศ, สรีรวิทยา, lithology, พืชพรรณและการกระทำของมนุษย์

โดยการกระทำของมนุษย์สามารถเกิดขึ้นได้:

• ความเสื่อมโทรมทางกายภาพของดิน (ตัวอย่างเช่นการบดอัดเนื่องจากการเพาะปลูกไม่เพียงพอและการปฏิบัติปศุสัตว์)
• การเสื่อมสภาพของดินทางเคมี (ความเป็นกรด, อัลคาไลไนเซชั่น, ความเค็ม, การปนเปื้อนด้วยสารเคมีเกษตร, น้ำทิ้งจากกิจกรรมอุตสาหกรรมและเมือง, การรั่วไหลของน้ำมัน, อื่น ๆ )
• การย่อยสลายทางชีวภาพของดิน (ลดลงในเนื้อหาของสารอินทรีย์, การเสื่อมสภาพของพืชปกคลุม, การสูญเสียของจุลินทรีย์ตรึงไนโตรเจนในหมู่อื่น ๆ )

ความสัมพันธ์ระหว่างเคมีกับสิ่งแวดล้อม

เคมีสิ่งแวดล้อมศึกษากระบวนการทางเคมีที่แตกต่างกันซึ่งเกิดขึ้นในสามส่วนของสิ่งแวดล้อม: ชั้นบรรยากาศไฮโดรสเฟียร์และดิน เป็นที่น่าสนใจที่จะทบทวนการมุ่งเน้นเพิ่มเติมเกี่ยวกับแบบจำลองทางเคมีอย่างง่าย ๆ ซึ่งพยายามอธิบายการถ่ายโอนทั่วโลกของสสารที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อม

-Model Garrels และ Lerman

Garrels and Lerman (1981) พัฒนาแบบจำลองที่เรียบง่ายของชีวเคมีของพื้นผิวโลกซึ่งศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างชั้นบรรยากาศไฮโดรสเฟียร์เปลือกโลกและช่องใส่ชีวภาค

แบบจำลองของ Garrels and Lerman พิจารณาแร่ธาตุสำคัญ 7 ชนิดของโลก:

1. พลาสเตอร์ (CaSO ₄ )
2. หนาแน่น (FeS ₂ )
3. แคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO ₃ )
4. แมกนีเซียมคาร์บอเนต (MgCO ₃ )
5. แมกนีเซียมซิลิเกต (MgSiO ₃ )
6. เฟอริกออกไซด์ (Fe ₂ O ₃ )
7. ซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO ₂ )

อินทรียวัตถุที่ประกอบขึ้นเป็นชีวมณฑล (ทั้งที่มีชีวิตและที่ตายแล้ว) ถูกแทนด้วย CH ₂ O ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่สัมพันธ์กันโดยประมาณของเนื้อเยื่อสิ่งมีชีวิต

ในแบบจำลอง Garrels and Lerman การศึกษาการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยาเป็นการถ่ายโอนสุทธิของสสารระหว่างองค์ประกอบทั้งแปดของดาวเคราะห์ผ่านปฏิกิริยาทางเคมีและสมดุลการอนุรักษ์มวลสุทธิ

การสะสมของ CO ₂ ในชั้นบรรยากาศ

ตัวอย่างเช่นปัญหาของการสะสมของ CO ₂ ในชั้นบรรยากาศถูกศึกษาในแบบจำลองนี้โดยบอกว่า: เรากำลังเผาไหม้คาร์บอนอินทรีย์ที่เก็บอยู่ใน biosphere เช่นถ่านหินน้ำมันและก๊าซธรรมชาติที่สะสมอยู่ในชั้นดินในอดีต .

จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลอย่างเข้มข้นทำให้ความเข้มข้นของ CO ₂ ในบรรยากาศเพิ่มขึ้น

การเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของ CO ₂ ในชั้นบรรยากาศโลกนั้นเกิดจากความจริงที่ว่าอัตราการเผาไหม้ของฟอสซิลคาร์บอนสูงกว่าอัตราการดูดซับคาร์บอนโดยส่วนประกอบอื่น ๆ ของระบบชีวภาพทางชีวภาพของโลก (เช่นสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงและ ยกตัวอย่างเช่น hydrosphere)

ด้วยวิธีนี้การปล่อยก๊าซ CO ₂ สู่ชั้นบรรยากาศเนื่องจากกิจกรรมของมนุษย์นั้นเหนือกว่าระบบควบคุมที่เปลี่ยนแปลงการเปลี่ยนแปลงของโลก

ขนาดของชีวมณฑล

แบบจำลองที่พัฒนาโดย Garrels และ Lerman พิจารณาด้วยว่าขนาดของชีวมณฑลเพิ่มขึ้นและลดลงอันเป็นผลมาจากความสมดุลระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงและการหายใจ

ในช่วงประวัติศาสตร์ของสิ่งมีชีวิตบนโลกมวลของชีวมณฑลเพิ่มขึ้นในระยะที่มีอัตราการสังเคราะห์แสงสูง สิ่งนี้ส่งผลให้มีการจัดเก็บสุทธิของอินทรีย์คาร์บอนและการปล่อยออกซิเจน:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

หายใจเป็นกิจกรรมการเผาผลาญของจุลินทรีย์และสัตว์ที่สูงขึ้นแปลงคาร์บอนอินทรีย์เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (CO ₂ ) และน้ำ (H ₂ O) นั่นคือย้อนกลับปฏิกิริยาทางเคมีก่อนหน้านี้

การปรากฏตัวของน้ำการกักเก็บคาร์บอนอินทรีย์และการผลิตออกซิเจนโมเลกุลเป็นพื้นฐานสำหรับการดำรงอยู่ของชีวิต

การประยุกต์เคมีสิ่งแวดล้อม

เคมีสิ่งแวดล้อมเสนอวิธีแก้ปัญหาในการป้องกันบรรเทาและแก้ไขความเสียหายด้านสิ่งแวดล้อมที่เกิดจากกิจกรรมของมนุษย์ ในบรรดาวิธีการแก้ปัญหาเหล่านี้เราสามารถพูดถึง:

• การออกแบบวัสดุใหม่ที่เรียกว่า MOF (สำหรับตัวย่อเป็นภาษาอังกฤษ: Metal Organic Frameworks ) สิ่งเหล่านี้มีรูพรุนมากและมีความสามารถในการ: ดูดซับและเก็บ CO ₂, รับ H ₂ O จากไออากาศของพื้นที่ทะเลทรายและเก็บ H ₂ ไว้ในภาชนะขนาดเล็ก
• การแปลงขยะเป็นวัตถุดิบ ตัวอย่างเช่นการใช้ยางที่สึกหรอในการผลิตหญ้าเทียมหรือพื้นรองเท้า นอกจากนี้ยังใช้ของเสียตัดแต่งกิ่งพืชในรุ่นของก๊าซชีวภาพหรือเอทานอล
• การสังเคราะห์สารเคมีของสาร CFC
• การพัฒนาพลังงานทางเลือกเช่นเซลล์ไฮโดรเจนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าที่ไม่ก่อให้เกิดมลพิษ
• การควบคุมมลพิษในชั้นบรรยากาศพร้อมตัวกรองเฉื่อยและตัวกรองปฏิกิริยา
• การแยกเกลือออกจากน้ำทะเลโดยการ Reverse Osmosis
• การพัฒนาวัสดุใหม่สำหรับการตกตะกอนของสารคอลลอยด์ที่แขวนอยู่ในน้ำ (กระบวนการทำให้บริสุทธิ์)
• การพลิกกลับของ eutrophication ของทะเลสาบ
• การพัฒนา "เคมีสีเขียว" แนวโน้มที่เสนอการแทนที่ของสารเคมีที่เป็นพิษด้วยสารพิษน้อยกว่าและกระบวนการทางเคมี "เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม" ตัวอย่างเช่นมันถูกนำไปใช้ในการใช้ตัวทำละลายที่เป็นพิษและวัตถุดิบน้อยลงในอุตสาหกรรมในการซักแห้งของซักรีดและอื่น ๆ