ÇEVRE KIMYASI: ÇALIŞMA ALANI VE UYGULAMALARI - ÇEVRE - 2024

Çevre kimyası , çevre seviyesinde gerçekleşecek kimyasal süreçleri inceler. Kimyasal ilkeleri çevresel performans ve insan faaliyetlerinin yarattığı etkilerin incelenmesine uygulayan bir bilimdir.

Ek olarak, çevre kimyası mevcut çevresel hasara karşı önleme, hafifletme ve iyileştirme teknikleri tasarlar.

Şekil 1. Karasal atmosfer, hidrosfer, litosfer ve biyosferin diyagramı. Kaynak: Bojana Petrović, Wikimedia Commons'tan

Çevre kimyası üç temel disipline ayrılabilir:

1. Atmosferin çevre kimyası.
2. Hidrosferin çevre kimyası.
3. Toprak çevre kimyası.

Çevre kimyasına kapsamlı bir yaklaşım, ek olarak, bu üç bölmede (atmosfer, hidrosfer, toprak) meydana gelen kimyasal süreçler ve bunların biyosferle olan ilişkileri arasındaki karşılıklı ilişkilerin incelenmesini gerektirir.

Atmosferin çevre kimyası

Atmosfer, Dünya'yı çevreleyen gaz tabakasıdır; irtifa ile çok geniş aralıklarda sıcaklık, basınç ve kimyasal bileşimin değiştiği çok karmaşık bir sistem oluşturur.

Güneş atmosferi radyasyon ve yüksek enerjili parçacıklarla bombardıman eder; bu gerçek, atmosferin tüm katmanlarında, özellikle de üst ve dış katmanlarda çok önemli kimyasal etkilere sahiptir.

-Stratosfer

Atmosferin dış bölgelerinde foto-ayrışma ve fotoiyonizasyon reaksiyonları meydana gelir. Dünya yüzeyinden ölçülen yüksekliği 30 ile 90 km arasındaki bölgede, stratosferde, esas olarak ozon tabakası (O ₃ ) içeren ve ozon tabakası adı verilen bir tabaka bulunmaktadır.

Ozon tabakası

Ozon, güneşten gelen yüksek enerjili ultraviyole radyasyonu emer ve bu tabakanın varlığı olmasaydı, gezegende bilinen hiçbir canlı hayatta kalamazdı.

1995 yılında, atmosferik kimyagerler Mario J. Molina (Meksikalı), Frank S. Rowland (Amerikalı) ve Paul Crutzen (Hollandalı), stratosferde ozonun yok edilmesi ve tükenmesi üzerine yaptıkları araştırmalardan dolayı Nobel Kimya Ödülü'nü kazandı.

Şekil 2. Ozon tabakasındaki tükenme şeması. Nasa.gov'dan

1970 yılında Crutzen, nitrojen oksitlerin katalitik kimyasal reaksiyonlar yoluyla ozonu yok ettiğini gösterdi. Daha sonra 1974 yılında Molina ve Rowland, kloroflorokarbon bileşiklerindeki (CFC'ler) klorun da ozon tabakasını yok edebileceğini gösterdi.

-Troposfer

Dünya yüzeyine yakın, 0 ila 12 km yükseklikte, troposfer adı verilen atmosferik katman, esas olarak nitrojen (N ₂ ) ve oksijenden (O ₂ ) oluşur.

Zehirli gazlar

İnsan faaliyetlerinin bir sonucu olarak, troposfer, aşağıdakiler gibi hava kirletici olarak kabul edilen birçok ek kimyasal içerir:

• Karbondioksit ve monoksit (CO ₂ ve CO).
• Metan (CH ₄ ).
• Azot oksit (NO).
• Sülfür dioksit (SO ₂ ).
• Ozon O ₃ (troposferde bir kirletici olarak kabul edilir)
• Uçucu organik bileşikler (VOC'ler), tozlar veya katı parçacıklar.

İnsan, bitki ve hayvan sağlığını etkileyen diğer birçok madde arasında.

Asit yağmuru

Sülfür oksitler (SO ₂ ve SO ₃ ) ve azot oksit (NO ₂ ) gibi nitrojen oksitler , asit yağmuru adı verilen başka bir çevre sorununa neden olur.

Troposferde esas olarak endüstriyel faaliyetlerde ve ulaşımda fosil yakıtların yanmasının ürünleri olarak bulunan bu oksitler, yağmur suyu ile reaksiyona girerek sülfürik asit ve nitrik asit üretir ve bunun sonucunda asit çökelmesi oluşur.

Şekil 3. Asit yağmuru şeması. Kaynak: Alfredsito94, Wikimedia Commons'tan

Kuvvetli asitler içeren bu yağmuru çökelterek, denizlerin ve tatlı suların asitlenmesi gibi çeşitli çevresel sorunları tetikler. Bu, suda yaşayan organizmaların ölümüne neden olur; ekinlerin ölümüne ve binaların, köprülerin ve anıtların aşındırıcı kimyasal etkisiyle tahrip olmasına neden olan toprakların asitlenmesi.

Diğer atmosferik çevre sorunları, esas olarak nitrojen oksitler ve troposferik ozonun neden olduğu fotokimyasal kirliliktir.

Küresel ısınma

Küresel ısınma yüksek konsantrasyonlarda üretilir atmosferik CO ₂ troposferde Dünya yüzeyinin ve tuzak ısı yaydığı kızılötesi radyasyonun çok emer ve diğer sera gazlarının (sera gazı). Bu, gezegende iklim değişikliği yaratır.

Hidrosferin çevre kimyası

Hidrosfer, Dünya üzerindeki tüm su kütlelerinden oluşur: yüzey veya sulak alanlar - okyanuslar, göller, nehirler, kaynaklar - ve yeraltı veya akiferler.

-Temiz su

Su, gezegendeki en yaygın sıvı maddedir, dünya yüzeyinin% 75'ini kaplar ve yaşam için kesinlikle gereklidir.

Tüm yaşam biçimleri tatlı suya bağlıdır (tuz içeriği% 0,01'den az olan su olarak tanımlanır). Gezegendeki suyun% 97'si tuzlu sudur.

Kalan% 3 tatlı suyun% 87'si:

• Dünyanın kutupları (küresel ısınma nedeniyle eriyen ve denizlere dökülen).
• Buzullar (ayrıca kaybolma sürecinde).
• Yeraltı suyu.
• Atmosferde bulunan buhar şeklindeki su.

Gezegenin toplam tatlı suyunun yalnızca% 0,4'ü tüketime hazır. Okyanuslardan suyun buharlaşması ve yağmurların sürekli olarak çökelmesi bu küçük yüzdeyi sağlar.

Suyun çevre kimyası, su döngüsü veya hidrolojik döngüde meydana gelen kimyasal süreçleri inceler ve ayrıca suyun insan tüketimi için arıtılması, endüstriyel ve kentsel atık suların arıtılması, deniz suyunun tuzdan arındırılması, geri dönüşüm için teknolojiler geliştirir. ve diğerleri arasında bu kaynağı korumak.

-Su döngüsü

Dünyadaki su döngüsü üç ana süreçten oluşur: üç devrenin türetildiği buharlaşma, yoğunlaşma ve yağış:

1. Yüzeysel akış
2. Bitki evapotranspirasyonu
3. Suyun yer altı seviyelerine geçtiği (freatik) sızma, akifer kanallarından ve yapraklardan kaynaklardan, çeşmelerden veya kuyulardan geçer.

Şekil 4. Su döngüsü. Kaynak: Wasserkreislauf.png: from: Benutzer: Jooood türevi çalışma: moyogo, Wikimedia Commons aracılığıyla

-Su döngüsü üzerindeki antropolojik etkiler

İnsan faaliyetinin su döngüsü üzerinde etkileri vardır; antropolojik eylemin bazı nedenleri ve etkileri şunlardır:

Arazi yüzeyinin modifikasyonu

Ormansızlaşma ile ormanların ve tarlaların yok edilmesi ile üretilir. Bu, evapotranspirasyonu (bitkiler tarafından su alımı ve terleme ve buharlaşma yoluyla çevreye geri dönüş) ortadan kaldırarak ve akışı artırarak su döngüsünü etkiler.

Yüzey akışındaki artış nehirlerin ve taşkınların akışında bir artışa neden olur.

Kentleşme ayrıca arazi yüzeyini de değiştirir ve gözenekli toprağın yerini geçirimsiz çimento ve asfaltla değiştirerek sızmayı imkansız hale getirdiğinden su döngüsünü etkiler.

Su döngüsü kirliliği

Su döngüsü tüm biyosferi kapsar ve sonuç olarak insan kaynaklı atık, farklı süreçlerle bu döngüye dahil edilir.

Havadaki kimyasal kirleticiler yağmura karışır. Toprağa uygulanan tarım kimyasalları sızıntı suyuna maruz kalır ve akiferlere sızar veya nehirlere, göllere ve denizlere akar.

Ayrıca katı ve sıvı yağ atıkları ve düzenli depolama sahalarının sızıntı suları infiltrasyon yoluyla yeraltı sularına taşınır.

Su kaynaklarında aşırı su çekimi olan su kaynaklarının çıkarılması

Bu aşırı çekim uygulamaları yeraltı suyu ve yüzey suyu rezervlerinin tükenmesine neden olur, ekosistemleri etkiler ve toprağın yerel çökmesine neden olur.

Toprak çevre kimyası

Toprak, biyosferin dengesini sağlayan en önemli faktörlerden biridir. Karasal trofik zincirlerde üretici olan bitkilere demirleme, su ve besin sağlarlar.

Toprak

Toprak, üç fazdan oluşan karmaşık ve dinamik bir ekosistem olarak tanımlanabilir: mineral ve organik destekli katı faz, sulu sıvı faz ve gaz fazı; belirli bir fauna ve floraya (bakteriler, mantarlar, virüsler, bitkiler, böcekler, nematodlar, protozoa) sahip olmasıyla karakterize edilir.

Toprağın özellikleri, çevre koşulları ve içinde gelişen biyolojik aktivite tarafından sürekli olarak değiştirilir.

Toprak üzerindeki antropolojik etkiler

Toprak bozulması, toprağın üretim kapasitesini azaltan, ekosistemde derin ve olumsuz bir değişim yaratabilen bir süreçtir.

Toprak bozulmasına neden olan faktörler şunlardır: iklim, fizyografi, litoloji, bitki örtüsü ve insan eylemi.

Şekil 5. Bozulmuş toprak. Kaynak: pexels.com

İnsan eylemiyle gerçekleşebilir:

• Toprağın fiziksel olarak bozulması (örneğin, uygunsuz tarım ve çiftlik uygulamalarından kaynaklanan sıkıştırma).
• Toprağın kimyasal bozunması (asitleştirme, alkalileştirme, tuzlanma, tarım kimyasalları ile kirlenme, endüstriyel ve kentsel faaliyetlerden kaynaklanan atık sular, petrol sızıntıları vb.).
• Toprağın biyolojik olarak bozulması (organik madde içeriğinde azalma, bitki örtüsünün bozulması, azot bağlayıcı mikroorganizmaların kaybı, diğerleri arasında).

Kimyasal - çevre ilişkisi

Çevre kimyası, üç çevresel bölümde yer alan farklı kimyasal süreçleri inceler: atmosfer, hidrosfer ve toprak. Çevrede meydana gelen küresel madde transferlerini açıklamaya çalışan basit bir kimyasal model üzerine ek bir yaklaşımı incelemek ilginçtir.

-Model Garrels ve Lerman

Garrels ve Lerman (1981), atmosfer, hidrosfer, yer kabuğu ve dahil edilen biyosfer bölmeleri arasındaki etkileşimleri inceleyen Dünya yüzeyinin biyojeokimyasının basitleştirilmiş bir modelini geliştirdi.

Garrels ve Lerman modeli, gezegenin yedi ana bileşen mineralini dikkate alır:

1. Alçı (CaSO ₄ )
2. Pirit (FeS ₂ )
3. Kalsiyum karbonat (CaCO ₃ )
4. Magnezyum karbonat (MgCO ₃ )
5. Magnezyum Silikat (MgSiO ₃ )
6. Demir oksit (Fe ₂ O ₃ )
7. Silikon dioksit (SiO ₂ )

Biyosferin (canlı ve ölü) oluşturan organik madde, CH olarak temsil edilir ₂ canlı dokuların yaklaşık olarak stoikhiometrik bir bileşim olup, O,.

Garrels ve Lerman modelinde, jeolojik değişiklikler, kimyasal reaksiyonlar ve net bir kütle korunumu dengesi yoluyla gezegenin bu sekiz bileşeni arasında net madde aktarımı olarak incelenir.

CO birikimi

Örneğin, CO birikme sorunu ₂ anda kömürü, petrol ve geçmiş jeolojik zamanlarda toprak altındaki biriken doğal gaz olarak biyosferde saklanan organik karbon yanma vardır: bir atmosferde söyleyerek bu modelde incelenmiştir .

Fosil yakıtların bu yoğun yanmasının bir sonucu olarak, atmosferik CO ₂ konsantrasyonu artmaktadır.

CO artış ₂ konsantrasyonları dünya atmosferinde fosil karbon yanma hızı, fotosentez yapan organizmaların gibi dünyanın biyokimyasal sistemin diğer bileşenleri ile karbon absorpsiyon oranı (fazla olması nedeniyle hidrosfer, örneğin).

Böylelikle insan faaliyetleri nedeniyle atmosfere CO ₂ emisyonu , Dünya'daki değişiklikleri modüle eden düzenleyici sistemi aşıyor.

Biyosferin boyutu

Garrels ve Lerman tarafından geliştirilen model, fotosentez ve solunum arasındaki dengenin bir sonucu olarak biyosferin boyutunun arttığını ve küçüldüğünü de dikkate alıyor.

Dünyadaki yaşam tarihi boyunca, biyosferin kütlesi, yüksek fotosentez oranları ile aşamalar halinde artmıştır. Bu, net bir organik karbon depolanması ve oksijen emisyonu ile sonuçlandı:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

Mikroorganizmaların ve daha yüksek hayvanların metabolik aktivitesi olan solunum, organik karbonu tekrar karbondioksit (CO ₂ ) ve suya (H ₂ O) dönüştürür, yani önceki kimyasal reaksiyonu tersine çevirir.

Suyun varlığı, organik karbonun depolanması ve moleküler oksijen üretimi, yaşamın varlığının temelidir.

Çevre Kimyası Uygulamaları

Çevre kimyası, insan faaliyetlerinden kaynaklanan çevresel hasarın önlenmesi, hafifletilmesi ve iyileştirilmesi için çözümler sunar. Bu çözümlerden bazıları arasında şunlar sayılabilir:

• MOF adlı yeni materyallerin tasarımı (İngilizce kısaltması için: Metal Organik Çerçeveler). Bunlar çok gözenekli yapma yeteneğine sahiptir: emme ve CO muhafaza ₂ elde edilir, * H ₂ O çöl bölgelerinde hava buharı ve mağaza H ₂ küçük kaplarda.
• Atıkların hammaddeye dönüştürülmesi. Örneğin suni çim veya ayakkabı tabanı üretiminde aşınmış lastik kullanımı. Ayrıca biyogaz veya biyoetanol üretiminde mahsul budama atığının kullanılması.
• CFC ikamelerinin kimyasal sentezleri.
• Kirletmeyen elektrik üretimi için hidrojen hücreleri gibi alternatif enerjilerin geliştirilmesi.
• İnert filtreler ve reaktif filtrelerle atmosferik kirliliğin kontrolü.
• Ters ozmoz ile deniz suyunun tuzdan arındırılması.
• Suda asılı koloidal maddelerin flokülasyonu için yeni materyallerin geliştirilmesi (arıtma işlemi).
• Göl ötrofikasyonunun tersine çevrilmesi.
• Toksik kimyasal bileşiklerin daha az toksik olanlarla değiştirilmesini öneren bir trend olan "yeşil kimya" nın geliştirilmesi ve "çevre dostu" kimyasal prosedürler. Örneğin, sanayide, çamaşırhanelerin kuru temizlemesinde ve diğerlerinin yanında daha az toksik çözücülerin ve hammaddelerin kullanımında uygulanmaktadır.

Referanslar

1. Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J. ve Cantrell, CA (1985). Troposferde asit oluşumunun kimyasal mekanizmaları. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, PJ (1970). Nitrojen oksitlerin atmosfer içeriği üzerindeki etkisi. QJR Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, RM ve Lerman, A. (1981). Sedimanter karbon ve sülfürün fanerozoik döngüleri. Doğa Bilimleri Akademisi Bildirileri. USA 78: 4,652-4,656.
4. Hester, RE ve Harrison, RM (2002). Küresel Çevresel Değişim. Kraliyet Kimya Derneği. s. 205.
5. Hites, RA (2007). Çevre Kimyasının Unsurları. Wiley-Interscience. s 215.
6. Manahan, SE (2000). Çevre Kimyası. Yedinci baskı. CRC. s 876
7. Molina, MJ ve Rowland, FS (1974). Kloroflorometanlar için stratosferik lavabo: Klor atomu ile katalize edilen ozon tahribatı. Doğa. 249: 810-812.
8. Morel, FM ve Hering, JM (2000). Su Kimyasının İlkeleri ve Uygulamaları. New York: John Wiley.
9. Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E. ve Goliff, WS (2011). Hava Kalitesi Modellemesi için Troposferik Atmosfer Kimyası ve Gaz-Fazlı Kimyasal Mekanizmaların Gözden Geçirilmesi. Atmosfer, 3 (1), 1–32. doi: 10.3390 / atmos3010001