Chimica ambientale: campo di studio e applicazioni
La chimica ambientale studia i processi chimici che avvengono a livello ambientale. È una scienza che applica i principi chimici allo studio delle prestazioni ambientali e agli impatti generati dalle attività umane.
Inoltre, la chimica ambientale progetta tecniche di prevenzione, mitigazione e riparazione per i danni ambientali esistenti.
La chimica ambientale può essere suddivisa in tre discipline di base che sono:
- Chimica ambientale dell'atmosfera.
- Chimica ambientale dell'idrosfera.
- Chimica ambientale del suolo.
Un approccio globale alla chimica ambientale richiede anche lo studio delle interrelazioni tra i processi chimici che avvengono in questi tre compartimenti (atmosfera, idrosfera, suolo) e le loro relazioni con la biosfera.
Chimica ambientale dell'atmosfera
L'atmosfera è lo strato di gas che circonda la Terra; È un sistema molto complesso, in cui temperatura, pressione e composizione chimica variano con l'altitudine in intervalli molto ampi.
Il sole bombarda l'atmosfera con radiazioni e particelle ad alta energia; questo fatto ha effetti chimici molto significativi in tutti gli strati dell'atmosfera, ma in particolare negli strati più alti e più esterni.
-Estratósfera
Le reazioni di fotodissociazione e fotoionizzazione si verificano nelle regioni esterne dell'atmosfera. Nella regione tra 30 e 90 km di altezza misurata dalla superficie terrestre, nella stratosfera si trova uno strato che contiene principalmente ozono (O 3 ), chiamato strato di ozono.
Strato di ozono
L'ozono assorbe la radiazione ultravioletta di alta energia che proviene dal sole e se non fosse per l'esistenza di questo strato, nessun modo conosciuto di vita sul pianeta, potrebbe sussistere.
Nel 1995, i chimici atmosferici Mario J. Molina (messicano), Frank S. Rowland (americano) e Paul Crutzen (olandese), hanno vinto il premio Nobel per la chimica per le loro ricerche sulla distruzione e l'esaurimento dell'ozono nella stratosfera.
Nel 1970 Crutzen ha dimostrato che gli ossidi di azoto distruggono l'ozono attraverso reazioni chimiche catalitiche. Successivamente, nel 1974, Molina e Rowland hanno dimostrato che il cloro dei composti clorofluorocarburi (CFC) è anche in grado di distruggere lo strato di ozono.
-Tropósfera
Lo strato atmosferico immediatamente sopra la superficie terrestre, tra 0 e 12 km di altezza, chiamato troposfera, è composto principalmente da azoto (N 2 ) e ossigeno (O 2 ).
Gas tossici
Come risultato delle attività umane, la troposfera contiene molte sostanze chimiche aggiuntive considerate come inquinanti atmosferici, come ad esempio:
- Biossido di carbonio e ossido di carbonio (CO 2 e CO).
- Metano (CH 4 ).
- Ossido di azoto (NO).
- Anidride solforosa (SO 2 ).
- Ozono O 3 (considerato un contaminante nella troposfera)
- Composti organici volatili (COV), polveri o particelle solide.
Tra molte altre sostanze, che influiscono sulla salute umana, vegetale e animale.
Pioggia acida
Gli ossidi di zolfo (SO 2 e SO 3 ) e gli ossidi di azoto come il protossido di azoto (NO 2 ) causano un altro problema ambientale chiamato pioggia acida.
Questi ossidi, presenti nella troposfera principalmente come prodotti della combustione di combustibili fossili nelle attività industriali e nei trasporti, reagiscono con l'acqua piovana producendo acido solforico e acido nitrico, con conseguenti precipitazioni acide.
Facendo precipitare questa pioggia che contiene acidi forti, scatena numerosi problemi ambientali come l'acidificazione dei mari e delle acque dolci. Ciò causa la morte di organismi acquatici; l'acidificazione dei terreni che provoca la morte delle colture e la distruzione per azione corrosiva chimica di edifici, ponti e monumenti.
Altri problemi ambientali atmosferici sono lo smog fotochimico, causato principalmente dagli ossidi di azoto e dall'ozono troposferico
Riscaldamento globale
Il riscaldamento globale è prodotto da alte concentrazioni di CO 2 atmosferica e altri gas serra (GHG), che assorbono gran parte della radiazione infrarossa emessa dalla superficie terrestre e intrappolano il calore nella troposfera. Questo genera cambiamenti climatici sul pianeta.
Chimica ambientale dell'idrosfera
L'idrosfera è conformata da tutti i corpi idrici della Terra: superficiali o humedales - oceani, laghi, fiumi, sorgenti - e sotterranei o falde acquifere.
-L'acqua dolce
L'acqua è la sostanza liquida più comune sul pianeta, copre il 75% della superficie terrestre ed è assolutamente essenziale per la vita.
Tutte le forme di vita dipendono dall'acqua dolce (definita come acqua con un contenuto di sale inferiore allo 0, 01%). Il 97% dell'acqua del pianeta è acqua salata.
Del restante 3% di acqua dolce, l'87% è in:
- I poli della Terra (che si stanno sciogliendo e versando nei mari a causa del riscaldamento globale).
- I ghiacciai (anche in procinto di scomparire).
- Le acque sotterranee.
- Acqua sotto forma di vapore presente nell'atmosfera.
Solo lo 0, 4% dell'acqua dolce totale del pianeta è disponibile per il consumo. L'evaporazione dell'acqua dagli oceani e la precipitazione delle piogge forniscono continuamente questa piccola percentuale.
La chimica ambientale dell'acqua studia i processi chimici che si verificano nel ciclo dell'acqua o nel ciclo idrologico e sviluppa anche tecnologie per la depurazione dell'acqua per il consumo umano, il trattamento delle acque reflue industriali e urbane, la dissalazione dell'acqua marina, il riciclaggio e salvando questa risorsa, tra le altre cose.
-Il ciclo dell'acqua
Il ciclo dell'acqua sulla Terra consiste di tre processi principali: evaporazione, condensazione e precipitazione, da cui derivano tre circuiti:
- Il deflusso superficiale
- L'evapotraspirazione delle piante
- L'infiltrazione, in cui l'acqua passa sottoterra (acqua), circola attraverso canali d'acqua ed esce attraverso sorgenti, sorgenti o pozzi.
- Impatti antropologici sul ciclo dell'acqua
L'attività umana ha impatti sul ciclo dell'acqua; Alcune delle cause e degli effetti dell'azione antropologica sono le seguenti:
Modifica della superficie terrestre
È generato dalla distruzione di foreste e campi con la deforestazione. Ciò influisce sul ciclo dell'acqua eliminando l'evapotraspirazione (prendendo l'acqua dalle piante e ritornando nell'ambiente attraverso la traspirazione e l'evaporazione) e aumentando il deflusso.
L'aumento del deflusso superficiale causa un aumento del flusso del fiume e delle inondazioni.
L'urbanizzazione modifica anche la superficie del terreno e influenza il ciclo dell'acqua, dal momento che il terreno poroso viene sostituito dal cemento e dall'asfalto impermeabile, il che rende impossibile l'infiltrazione.
Contaminazione del ciclo dell'acqua
Il ciclo dell'acqua coinvolge l'intera biosfera e, di conseguenza, i rifiuti generati dall'essere umano vengono incorporati in questo ciclo da diversi processi.
Gli inquinanti chimici nell'aria sono incorporati nella pioggia. Gli agrofarmaci applicati al terreno subiscono percolazione e infiltrazioni nelle falde acquifere o si riversano in fiumi, laghi e mari.
Anche lo spreco di grassi e oli e i percolati delle discariche, vengono trascinati dall'infiltrazione nelle falde acquifere.
Estrazione di riserve idriche con scoperto in risorse idriche
Queste pratiche con scoperto, producono esaurimento delle falde acquifere e riserve di acqua superficiale, influenzano gli ecosistemi e producono subsidenza locale del suolo.
Chimica ambientale del suolo
I terreni sono uno dei fattori più importanti nell'equilibrio della biosfera. Forniscono ancoraggio, acqua e sostanze nutritive alle piante, che sono produttori nelle catene trofiche terrestri.
Il pavimento
Il suolo può essere definito come un ecosistema complesso e dinamico di tre fasi: una fase solida di supporto minerale e organico, una fase liquida acquosa e una fase gassosa; caratterizzato da avere una particolare fauna e flora (batteri, funghi, virus, piante, insetti, nematodi, protozoi).
Le proprietà del suolo cambiano costantemente a causa delle condizioni ambientali e dell'attività biologica che si sviluppa in esso.
Impatti antropologici sul terreno
Il degrado del suolo è un processo che riduce la capacità produttiva del suolo, in grado di produrre un cambiamento profondo e negativo nell'ecosistema.
I fattori che producono il degrado del suolo sono: clima, fisiografia, litologia, vegetazione e azione umana.
Dall'azione umana può verificarsi:
- Degrado fisico del suolo (ad esempio, compattazione dovuta a pratiche inadeguate di coltivazione e allevamento).
- Degrado chimico del suolo (acidificazione, alcalinizzazione, salinizzazione, contaminazione con prodotti agrochimici, effluenti da attività industriali e urbane, fuoriuscite di petrolio, tra gli altri).
- Degrado biologico del suolo (diminuzione del contenuto di sostanza organica, degrado della copertura vegetale, perdita di microrganismi che fissano l'azoto, tra gli altri).
Relazione chimico-ambientale
La chimica ambientale studia i diversi processi chimici che avvengono nei tre compartimenti ambientali: atmosfera, idrosfera e suolo. È interessante rivedere un ulteriore focus su un semplice modello chimico, che tenta di spiegare i trasferimenti globali di materia che si verificano nell'ambiente.
-Model Garrels e Lerman
Garrels and Lerman (1981), hanno sviluppato un modello semplificato della biogeochimica della superficie terrestre, che studia le interazioni tra l'atmosfera, l'idrosfera, la crosta terrestre e i compartimenti inclusi della biosfera.
Il modello di Garrels e Lerman considera sette principali minerali costituenti del pianeta:
- Intonaco (CaSO 4 )
- Pirite (FeS 2 )
- Carbonato di calcio (CaCO 3 )
- Carbonato di magnesio (MgCO 3 )
- Silicato di magnesio (MgSiO 3 )
- Ossido di ferro (Fe 2 O 3 )
- Silicio diossido (SiO 2 )
La materia organica che costituisce la biosfera (sia viva che morta) è rappresentata come CH 2 O, che è la composizione stechiometrica approssimativa dei tessuti viventi.
Nel modello Garrels and Lerman, i cambiamenti geologici sono studiati come trasferimenti netti di materia tra queste otto componenti del pianeta, attraverso reazioni chimiche e un bilancio di conservazione della massa netta.
L'accumulo di CO 2 nell'atmosfera
Ad esempio, il problema dell'accumulo di CO 2 nell'atmosfera è studiato in questo modello, affermando che attualmente stiamo bruciando carbonio organico immagazzinato nella biosfera come carbone, petrolio e gas naturale depositati nel sottosuolo in periodi geologici passati .
Come risultato di questa intensa combustione di combustibili fossili, la concentrazione di CO 2 atmosferica sta aumentando.
L'aumento delle concentrazioni di CO 2 nell'atmosfera terrestre è dovuto al fatto che la velocità di combustione del carbonio fossile supera il tasso di assorbimento del carbonio da parte degli altri componenti del sistema biogeochimico della Terra (come gli organismi fotosintetici e idrosfera, per esempio).
In questo modo, l'emissione di CO 2 nell'atmosfera a causa delle attività umane supera il sistema normativo che modula i cambiamenti sulla Terra.
La dimensione della biosfera
Il modello sviluppato da Garrels e Lerman, inoltre, considera che la dimensione della biosfera aumenta e diminuisce a causa dell'equilibrio tra fotosintesi e respirazione.
Durante la storia della vita sulla Terra, la massa della biosfera è aumentata in fasi con alti tassi di fotosintesi. Ciò ha comportato una conservazione netta dell'emissione di carbonio organico e ossigeno:
CO 2 + H 2 O → CH 2 O + O 2
Respirando come attività metabolica di microrganismi e animali superiori, converte il carbonio organico in anidride carbonica (CO 2 ) e acqua (H 2 O), cioè inverte la precedente reazione chimica.
La presenza di acqua, lo stoccaggio di carbonio organico e la produzione di ossigeno molecolare sono fondamentali per l'esistenza della vita.
Applicazioni della chimica ambientale
La chimica ambientale offre soluzioni per la prevenzione, la mitigazione e il risanamento dei danni ambientali causati dall'attività umana. Tra alcune di queste soluzioni possiamo menzionare:
- Il design di nuovi materiali chiamati MOF (per il suo acronimo in inglese: Metal Organic Frameworks ). Sono molto porosi e hanno la capacità di: assorbire e trattenere la CO 2, ottenere H 2 O dal vapore d'aria delle aree desertiche e immagazzinare H 2 in piccoli contenitori.
- La conversione dei rifiuti in materie prime. Ad esempio, l'uso di pneumatici usurati nella produzione di erba artificiale o suole di scarpe. Anche l'uso di rifiuti potati, nella generazione di biogas o bioetanolo.
- La sintesi chimica dei sostituti del CFC.
- Lo sviluppo di energie alternative, come le celle a idrogeno, per la generazione di elettricità non inquinante.
- Il controllo dell'inquinamento atmosferico, con filtri inerti e filtri reattivi.
- La desalinizzazione dell'acqua di mare mediante osmosi inversa.
- Lo sviluppo di nuovi materiali per la flocculazione di sostanze colloidali sospese in acqua (processo di purificazione).
- Il ritorno dell'eutrofizzazione dei laghi.
- Lo sviluppo della "chimica verde", una tendenza che propone la sostituzione di composti chimici tossici con quelli meno tossici e procedure chimiche "ecologiche". Ad esempio, viene applicato nell'uso di solventi e materie prime meno tossici, nell'industria, nel lavaggio a secco delle lavanderie, tra gli altri.
