MILIEUCHEMIE: VAKGEBIED EN TOEPASSINGEN - MILIEU

De milieuchemie bestudeert de chemische processen die plaatsvinden op milieuniveau. Het is een wetenschap die chemische principes toepast op de studie van milieuprestaties en de effecten die door menselijke activiteiten worden gegenereerd.

Bovendien ontwerpt milieuchemie preventie-, mitigatie- en saneringstechnieken voor bestaande milieuschade.

Figuur 1. Schema van de aardse atmosfeer, hydrosfeer, lithosfeer en biosfeer. Bron: Bojana Petrović, van Wikimedia Commons

Milieuchemie kan worden onderverdeeld in drie basisdisciplines die zijn:

Milieuchemie van de atmosfeer.
Milieuchemie van de hydrosfeer.
Bodem-milieuchemie.

Een alomvattende benadering van milieuchemie vereist bovendien de studie van de onderlinge verbanden tussen de chemische processen die plaatsvinden in deze drie compartimenten (atmosfeer, hydrosfeer, bodem) en hun relaties met de biosfeer.

Milieuchemie van de atmosfeer

De atmosfeer is de laag gassen die de aarde omgeeft; het vormt een zeer complex systeem, waarbij de temperatuur, de druk en de chemische samenstelling in zeer grote bereiken variëren met de hoogte.

De zon bombardeert de atmosfeer met straling en hoogenergetische deeltjes; dit feit heeft zeer significante chemische effecten in alle lagen van de atmosfeer, maar vooral in de bovenste en buitenste lagen.

-Stratosfeer

Fotodissociatie- en foto-ionisatiereacties vinden plaats in de buitenste regionen van de atmosfeer. In het gebied tussen 30 en 90 km hoog gemeten vanaf het aardoppervlak, in de stratosfeer, bevindt zich een laag die voornamelijk ozon (O ₃ ) bevat , de ozonlaag.

Ozonlaag

Ozon absorbeert de hoogenergetische ultraviolette straling die van de zon komt en als deze laag er niet was, zou geen enkele bekende vorm van leven op de planeet kunnen overleven.

In 1995 wonnen atmosferische chemici Mario J. Molina (Mexicaan), Frank S. Rowland (Amerikaans) en Paul Crutzen (Nederlands) de Nobelprijs voor de Scheikunde voor hun onderzoek naar de vernietiging en uitputting van ozon in de stratosfeer.

Figuur 2. Afbraakschema in de ozonlaag. Van nasa.gov

In 1970 toonde Crutzen aan dat stikstofoxiden ozon vernietigen door middel van katalytische chemische reacties. Vervolgens toonden Molina en Rowland in 1974 aan dat het chloor in chloorfluorkoolstofverbindingen (CFK's) ook in staat is de ozonlaag te vernietigen.

-Troposfeer

De atmosferische laag nabij het aardoppervlak, tussen 0 en 12 km hoog, de troposfeer genoemd, bestaat voornamelijk uit stikstof (N ₂ ) en zuurstof (O ₂ ).

Giftige gassen

Als gevolg van menselijke activiteiten bevat de troposfeer veel extra chemicaliën die als luchtverontreinigende stoffen worden beschouwd, zoals:

Kooldioxide en monoxide (CO ₂ en CO).
Methaan (CH ₄ ).
Stikstofoxide (NO).
Zwaveldioxide (SO ₂ ).
Ozon O ₃ (beschouwd als een verontreinigende stof in de troposfeer)
Vluchtige organische stoffen (VOC's), poeders of vaste deeltjes.

Naast vele andere stoffen die de gezondheid van mens, plant en dier aantasten.

Zure regen

Zwaveloxiden (SO ₂ en SO ₃ ) en stikstofoxiden zoals lachgas (NO ₂ ) veroorzaken een ander milieuprobleem dat zure regen wordt genoemd.

Deze oxiden, die voornamelijk in de troposfeer aanwezig zijn als producten van de verbranding van fossiele brandstoffen bij industriële activiteiten en transport, reageren met regenwater en produceren zwavelzuur en salpeterzuur, met als gevolg zure neerslag.

Figuur 3. Schema van zure regen. Bron: Alfredsito94, van Wikimedia Commons

Door deze regen met sterke zuren neer te slaan, veroorzaakt het verschillende milieuproblemen, zoals verzuring van de zeeën en zoet water. Dit veroorzaakt de dood van in het water levende organismen; de verzuring van bodems die de dood van gewassen veroorzaakt en de vernietiging door corrosieve chemische werking van gebouwen, bruggen en monumenten.

Andere atmosferische milieuproblemen zijn fotochemische smog, voornamelijk veroorzaakt door stikstofoxiden en troposferisch ozon.

Opwarming van de aarde

De opwarming van de aarde wordt veroorzaakt door hoge concentraties CO ₂ in de atmosfeer en andere broeikasgassen (BKG's), die veel van de infraroodstraling van het aardoppervlak absorberen en warmte vasthouden in de troposfeer. Dit genereert klimaatverandering op de planeet.

Milieuchemie van de hydrosfeer

De hydrosfeer bestaat uit alle watermassa's op aarde: oppervlakte of wetlands - oceanen, meren, rivieren, bronnen - en ondergrondse of watervoerende lagen.

-Zoetwater

Water is de meest voorkomende vloeibare substantie op aarde, het bedekt 75% van het aardoppervlak en is absoluut essentieel voor leven.

Alle vormen van leven zijn afhankelijk van zoet water (gedefinieerd als water met een zoutgehalte van minder dan 0,01%). 97% van het water op de planeet is zout water.

Van de overige 3% zoet water zit 87% in:

De polen van de aarde (die smelten en door de opwarming van de aarde in de zeeën stromen).
De gletsjers (ook in het verdwijningsproces).
Grondwater.
Water in de vorm van damp aanwezig in de atmosfeer.

Slechts 0,4% van het totale zoete water op aarde is beschikbaar voor consumptie. De verdamping van water uit de oceanen en het neerslaan van regen zorgen continu voor dit kleine percentage.

De milieuchemie van water bestudeert de chemische processen die plaatsvinden in de watercyclus of hydrologische cyclus en ontwikkelt ook technologieën voor de zuivering van water voor menselijke consumptie, de behandeling van industrieel en stedelijk afvalwater, de ontzilting van zeewater, recycling en het opslaan van onder andere deze bron.

-De Water cyclus

De waterkringloop op aarde bestaat uit drie hoofdprocessen: verdamping, condensatie en neerslag, waaruit drie circuits zijn afgeleid:

Afvoer van het oppervlak
Evapotranspiratie van planten
De infiltratie, waarbij het water naar ondergrondse niveaus gaat (freatisch), circuleert door aquiferkanalen en verlaat door bronnen, fonteinen of putten.

Figuur 4. Waterkringloop. Bron: Wasserkreislauf.png: van: Benutzer: Jooooderivative werk: moyogo, via Wikimedia Commons

-Antropologische effecten op de watercyclus

Menselijke activiteit heeft gevolgen voor de waterkringloop; enkele van de oorzaken en gevolgen van antropologische actie zijn de volgende:

Wijziging van het landoppervlak

Het wordt gegenereerd door vernietiging van bossen en velden met ontbossing. Dit beïnvloedt de waterkringloop door het elimineren van verdamping (wateropname door planten en terugkeer naar het milieu door transpiratie en verdamping) en door het verhogen van de afvoer.

De toename van het afstromend oppervlak zorgt voor een toename van de stroming van rivieren en overstromingen.

Verstedelijking verandert ook het landoppervlak en beïnvloedt de waterkringloop, aangezien de poreuze grond wordt vervangen door ondoordringbaar cement en asfalt, waardoor infiltratie onmogelijk wordt.

Vervuiling door de watercyclus

De watercyclus omvat de hele biosfeer en bijgevolg wordt door mensen geproduceerd afval door verschillende processen in deze cyclus opgenomen.

Chemische verontreinigende stoffen in de lucht worden in de regen opgenomen. Agrochemicaliën die op de bodem worden aangebracht, lijden onder percolaat en infiltratie in watervoerende lagen of lopen weg in rivieren, meren en zeeën.

Ook het afval van vetten en oliën en het percolaat van de sanitaire stortplaatsen worden door infiltratie naar het grondwater afgevoerd.

Winning van watervoorraden met rood staan in watervoorraden

Deze roodstandpraktijken leiden tot uitputting van grond- en oppervlaktewatervoorraden, tasten ecosystemen aan en veroorzaken lokale bodemdaling.

Bodem-milieuchemie

Bodems zijn een van de belangrijkste factoren in de balans van de biosfeer. Ze bieden verankering, water en voedingsstoffen aan planten, die producenten zijn in de terrestrische trofische ketens.

Bodem

De bodem kan worden gedefinieerd als een complex en dynamisch ecosysteem van drie fasen: een vaste fase met minerale en organische ondersteuning, een waterige vloeibare fase en een gasvormige fase; gekenmerkt door het hebben van een bepaalde fauna en flora (bacteriën, schimmels, virussen, planten, insecten, nematoden, protozoa).

De eigenschappen van de bodem worden voortdurend gewijzigd door omgevingsfactoren en door de biologische activiteit die erin ontstaat.

Antropologische effecten op de bodem

Bodemdegradatie is een proces dat de productieve capaciteit van de bodem vermindert, wat een diepgaande en negatieve verandering in het ecosysteem kan veroorzaken.

De factoren die bodemdegradatie veroorzaken zijn: klimaat, fysiografie, lithologie, vegetatie en menselijk handelen.

Figuur 5. Gedegradeerde grond. Bron: pexels.com

Door menselijk handelen kan gebeuren:

Fysieke afbraak van de bodem (bijvoorbeeld verdichting door onjuiste landbouw- en veeteeltpraktijken).
Chemische afbraak van de bodem (verzuring, alkalisatie, verzilting, verontreiniging met landbouwchemicaliën, met afvalwater van industriële en stedelijke activiteit, olielozingen, onder andere).
Biologische afbraak van de bodem (onder meer afname van het gehalte aan organische stof, afbraak van de vegetatiebedekking, verlies van stikstofbindende micro-organismen).

Chemisch-omgevingsrelatie

Milieuchemie bestudeert de verschillende chemische processen die plaatsvinden in de drie milieucompartimenten: atmosfeer, hydrosfeer en bodem. Het is interessant om een aanvullende benadering van een eenvoudig chemisch model te bespreken, dat de globale overdrachten van materie die in het milieu plaatsvinden probeert te verklaren.

-Model Garrels en Lerman

Garrels en Lerman (1981) ontwikkelden een vereenvoudigd model van de biogeochemie van het aardoppervlak, dat de interacties bestudeert tussen de atmosfeer, de hydrosfeer, de aardkorst en de opgenomen biosfeercompartimenten.

Het model van Garrels en Lerman beschouwt zeven belangrijke samenstellende mineralen van de planeet:

Gips (CaSO ₄ )
Pyriet (FeS ₂ )
Calciumcarbonaat (CaCO ₃ )
Magnesiumcarbonaat (MgCO ₃ )
Magnesiumsilicaat (MgSiO ₃ )
IJzeroxide (Fe ₂ O ₃ )
Siliciumdioxide (SiO ₂ )

De samenstellende organische stof van de biosfeer (zowel levend als dood) wordt weergegeven als CH ₂ O, wat bij benadering de stoichiometrische samenstelling is van levende weefsels.

In het Garrels en Lerman-model worden geologische veranderingen bestudeerd als netto overdrachten van materie tussen deze acht componenten van de planeet, door middel van chemische reacties en een netto balans van massabehoud.

De ophoping van CO

In dit model wordt bijvoorbeeld het probleem van de ophoping van CO ₂ in de atmosfeer bestudeerd door te zeggen dat: we momenteel de organische koolstof die in de biosfeer is opgeslagen verbranden als steenkool, olie en aardgas die in geologische tijden in de ondergrond zijn afgezet .

Als gevolg van deze intensieve verbranding van fossiele brandstoffen neemt de concentratie van atmosferische CO ₂ toe.

De toename van de CO ₂ -concentraties in de atmosfeer van de aarde is te wijten aan het feit dat de verbrandingssnelheid van fossiele koolstof groter is dan de koolstofabsorptie door de andere componenten van het biogeochemische systeem van de aarde (zoals fotosynthetische organismen en hydrosfeer, bijvoorbeeld).

Op deze manier overtreft de uitstoot van CO ₂ in de atmosfeer als gevolg van menselijke activiteiten het reguleringssysteem dat veranderingen op aarde moduleert.

De grootte van de biosfeer

Het door Garrels en Lerman ontwikkelde model gaat er ook van uit dat de omvang van de biosfeer toeneemt en afneemt als gevolg van het evenwicht tussen fotosynthese en ademhaling.

Tijdens de geschiedenis van het leven op aarde nam de massa van de biosfeer in fasen toe met hoge fotosynthesesnelheden. Dit resulteerde in een netto opslag van organische koolstof en uitstoot van zuurstof:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

Ademhaling als metabolische activiteit van micro-organismen en hogere dieren, zet organische koolstof weer om in kooldioxide (CO ₂ ) en water (H ₂ O), dat wil zeggen, het keert de eerdere chemische reactie om.

De aanwezigheid van water, de opslag van organische koolstof en de productie van moleculaire zuurstof zijn fundamenteel voor het bestaan van leven.

Toepassingen voor milieuchemie

Milieuchemie biedt oplossingen voor het voorkomen, verminderen en herstellen van milieuschade veroorzaakt door menselijke activiteit. Onder enkele van deze oplossingen kunnen we noemen:

Het ontwerp van nieuwe materialen genaamd MOF's (voor de afkorting in het Engels: Metal Organic Frameworks). Deze zijn zeer poreus en hebben het vermogen om: absorberen en vast CO ₂ , te verkrijgen H ₂ O uit de lucht damp in woestijngebieden en bewaar H ₂ in kleine containers.
Het omzetten van afval in grondstoffen. Bijvoorbeeld het gebruik van versleten banden bij de productie van kunstgras of schoenzolen. Ook het gebruik van snoeiafval van gewassen, bij de productie van biogas of bio-ethanol.
Chemische syntheses van CFC-vervangers.
De ontwikkeling van alternatieve energieën, zoals waterstofcellen, voor de opwekking van niet-vervuilende elektriciteit.
De beheersing van luchtverontreiniging, met inerte filters en reactieve filters.
Ontzilting van zeewater door omgekeerde osmose.
De ontwikkeling van nieuwe materialen voor de flocculatie van in water gesuspendeerde colloïdale stoffen (zuiveringsproces).
De omkering van de eutrofiëring van meren.
De ontwikkeling van "groene chemie", een trend die de vervanging van giftige chemische verbindingen door minder giftige, en "milieuvriendelijke" chemische procedures voorstelt. Zo wordt het onder meer toegepast bij het gebruik van minder giftige oplosmiddelen en grondstoffen, in de industrie, bij het chemisch reinigen van wasserijen.

Referenties

Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J., en Cantrell, CA (1985). Chemische mechanismen van zuurproductie in de troposfeer. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
Crutzen, PJ (1970). De invloed van stikstofoxiden op de atmosferische inhoud. QJR Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
Garrels, RM en Lerman, A. (1981). Phanerozoïsche cycli van sedimentaire koolstof en zwavel. Proceedings of the Natural Academy of Sciences. USA 78: 4.652-4.656.
Hester, RE en Harrison, RM (2002). Wereldwijde milieuverandering. Royal Society of Chemistry. blz 205.
Hites, RA (2007). Elementen van milieuchemie. Wiley-Interscience. blz 215.
Manahan, SE (2000). Milieuchemie. Zevende editie. CRC. pp 876
Molina, MJ en Rowland, FS (1974). Stratosferische put voor chloorfluormethanen: door chlooratomen gekatalyseerde vernietiging van ozon. Natuur. 249: 810-812.
Morel, FM en Hering, JM (2000). Principes en toepassingen van aquatische chemie. New York: John Wiley.
Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E., en Goliff, WS (2011). Een overzicht van troposferische atmosferische chemie en gasfase chemische mechanismen voor luchtkwaliteitsmodellering. Atmosfeer, 3 (1), 1–32. doi: 10.3390 / atmos3010001

MILIEUCHEMIE: VAKGEBIED EN TOEPASSINGEN - MILIEU - 2025