HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG: LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG - MÔI TRƯỜNG - 2026

Các hóa học môi trường nghiên cứu các quá trình hóa học xảy ra ở mức độ môi trường. Đây là một ngành khoa học áp dụng các nguyên tắc hóa học để nghiên cứu hoạt động của môi trường và các tác động do hoạt động của con người tạo ra.

Ngoài ra, hóa học môi trường thiết kế các kỹ thuật phòng ngừa, giảm thiểu và khắc phục các thiệt hại môi trường hiện có.

Hình 1. Sơ đồ cấu tạo khí quyển, thủy quyển, thạch quyển và sinh quyển trên cạn. Nguồn: Bojana Petrović, từ Wikimedia Commons

Hóa học môi trường có thể được chia thành ba ngành cơ bản:

1. Hóa học môi trường của khí quyển.
2. Hóa học môi trường của thủy quyển.
3. Hóa học môi trường đất.

Ngoài ra, một cách tiếp cận toàn diện đối với hóa học môi trường cũng đòi hỏi phải nghiên cứu mối quan hệ qua lại giữa các quá trình hóa học xảy ra trong ba ngăn này (khí quyển, thủy quyển, đất) và mối quan hệ của chúng với sinh quyển.

Hóa học môi trường của khí quyển

Bầu khí quyển là lớp khí bao quanh Trái đất; nó tạo thành một hệ thống rất phức tạp, ở đó nhiệt độ, áp suất và thành phần hóa học thay đổi theo độ cao trong phạm vi rất rộng.

Mặt trời bắn phá bầu khí quyển bằng bức xạ và các hạt năng lượng cao; Thực tế này có những tác động hóa học rất quan trọng trong tất cả các lớp của khí quyển, nhưng đặc biệt là ở các lớp trên và ngoài.

-Stratosphere

Các phản ứng quang phân ly và quang hóa xảy ra ở các vùng bên ngoài của khí quyển. Trong vùng có độ cao từ 30 đến 90 km tính từ bề mặt trái đất, trong tầng bình lưu, một tầng chứa phần lớn là ôzôn (O ₃ ), được gọi là tầng ôzôn.

Tầng ozone

Ozone hấp thụ bức xạ cực tím năng lượng cao từ mặt trời và nếu không có sự tồn tại của lớp này, không có dạng sống nào trên hành tinh có thể tồn tại.

Năm 1995, các nhà hóa học khí quyển Mario J. Molina (người Mexico), Frank S. Rowland (người Mỹ) và Paul Crutzen (người Hà Lan), đã đoạt giải Nobel Hóa học nhờ nghiên cứu về sự phá hủy và suy giảm ôzôn trong tầng bình lưu.

Hình 2. Lược đồ suy giảm tầng ôzôn. Từ nasa.gov

Năm 1970, Crutzen đã chỉ ra rằng các oxit nitơ phá hủy ozone thông qua các phản ứng hóa học xúc tác. Sau đó Molina và Rowland vào năm 1974, đã chỉ ra rằng clo trong các hợp chất chlorofluorocarbon (CFC's) cũng có khả năng phá hủy tầng ôzôn.

-Troposphere

Lớp khí quyển liền kề với bề mặt trái đất, cao từ 0 đến 12 km, được gọi là tầng đối lưu, bao gồm chủ yếu là nitơ (N ₂ ) và oxy (O ₂ ).

Khí độc

Do các hoạt động của con người, tầng đối lưu chứa nhiều hóa chất bổ sung được coi là chất gây ô nhiễm không khí như:

• Khí cacbonic và monoxit (CO ₂ và CO).
• Metan (CH ₄ ).
• Nitơ oxit (NO).
• Lưu huỳnh đioxit (SO ₂ ).
• Ozone O ₃ (được coi là chất gây ô nhiễm trong tầng đối lưu)
• Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC's), bột hoặc các hạt rắn.

Trong số nhiều chất khác, có ảnh hưởng đến sức khỏe con người và động thực vật.

Mưa axit

Các oxit lưu huỳnh (SO ₂ và SO ₃ ) và các oxit nitơ như oxit nitơ (NO ₂ ) gây ra một vấn đề môi trường khác được gọi là mưa axit.

Các oxit này, hiện diện trong tầng đối lưu chủ yếu là sản phẩm của quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch trong các hoạt động công nghiệp và giao thông vận tải, phản ứng với nước mưa tạo ra axit sulfuric và axit nitric, dẫn đến kết tủa axit.

Hình 3. Sơ đồ mưa axit. Nguồn: Alfredsito94, từ Wikimedia Commons

Bằng cách kết tủa mưa có chứa axit mạnh, nó gây ra một số vấn đề về môi trường như axit hóa biển và nước ngọt. Điều này gây ra cái chết của các sinh vật sống dưới nước; axit hóa đất gây chết cây trồng và tàn phá do tác động hóa học ăn mòn của các tòa nhà, cầu và đài kỷ niệm.

Các vấn đề môi trường khí quyển khác là sương mù quang hóa, gây ra chủ yếu bởi các oxit nitơ và ozon tầng đối lưu.

Sự nóng lên toàn cầu

Sự nóng lên toàn cầu được tạo ra bởi nồng độ cao của CO ₂ trong khí quyển và các khí nhà kính khác (GHG), chúng hấp thụ phần lớn bức xạ hồng ngoại do bề mặt Trái đất phát ra và giữ nhiệt trong tầng đối lưu. Điều này tạo ra sự thay đổi khí hậu trên hành tinh.

Hóa học môi trường của thủy quyển

Thủy quyển được tạo thành từ tất cả các khối nước trên Trái đất: bề mặt hoặc đất ngập nước - đại dương, hồ, sông, suối - và các tầng ngầm hoặc các tầng chứa nước.

-Nước ngọt

Nước là chất lỏng phổ biến nhất trên hành tinh, nó bao phủ 75% bề mặt trái đất và hoàn toàn cần thiết cho sự sống.

Tất cả các dạng sống phụ thuộc vào nước ngọt (được định nghĩa là nước có hàm lượng muối nhỏ hơn 0,01%). 97% nước trên hành tinh là nước mặn.

Trong 3% nước ngọt còn lại, 87% là:

• Các cực của Trái đất (đang tan chảy và đổ ra biển do sự nóng lên toàn cầu).
• Các sông băng (cũng đang trong quá trình biến mất).
• Nước ngầm.
• Nước ở dạng hơi có trong khí quyển.

Chỉ 0,4% tổng lượng nước ngọt của hành tinh có sẵn để tiêu dùng. Sự bốc hơi của nước từ các đại dương và lượng mưa liên tục tạo ra tỷ lệ nhỏ này.

Hóa học môi trường của nước nghiên cứu các quá trình hóa học xảy ra trong chu trình nước hoặc chu trình thủy văn và cũng phát triển các công nghệ để làm sạch nước cho con người, xử lý nước thải công nghiệp và đô thị, khử mặn nước biển, tái chế và tiết kiệm tài nguyên này, trong số những tài nguyên khác.

-Chu kỳ nước

Vòng tuần hoàn nước trên Trái đất bao gồm ba quá trình chính: bốc hơi, ngưng tụ và kết tủa, từ đó hình thành ba mạch:

1. Dòng chảy bề mặt
2. Sự thoát hơi nước của cây
3. Sự thẩm thấu, trong đó nước đi đến các tầng ngầm (phreatic), lưu thông qua các kênh chứa nước và đi qua các suối, đài phun nước hoặc giếng.

Hình 4. Vòng tuần hoàn của nước. Nguồn: Wasserkreislauf.png: từ: Benutzer: Tác phẩm sáng tạo: moyogo, qua Wikimedia Commons

-Tác động nhân học đến chu trình nước

Hoạt động của con người có tác động đến chu trình nước; một số nguyên nhân và tác động của hành động nhân học như sau:

Biến đổi bề mặt đất

Nó được tạo ra bởi sự tàn phá rừng và nương rẫy với nạn phá rừng. Điều này ảnh hưởng đến chu trình nước bằng cách loại bỏ sự thoát hơi nước (cây lấy nước và trả lại môi trường bằng mồ hôi và bốc hơi) và bằng cách tăng lượng nước chảy tràn.

Sự gia tăng dòng chảy bề mặt tạo ra sự gia tăng dòng chảy của sông và lũ lụt.

Đô thị hóa cũng làm thay đổi bề mặt đất và ảnh hưởng đến vòng tuần hoàn của nước, vì đất xốp được thay thế bằng xi măng và nhựa đường không thấm nước, khiến cho việc thẩm thấu không thể xảy ra.

Ô nhiễm chu trình nước

Chu trình nước liên quan đến toàn bộ sinh quyển và do đó, chất thải do con người tạo ra được đưa vào chu trình này bằng các quá trình khác nhau.

Các chất ô nhiễm hóa học trong không khí được kết hợp với mưa. Các hóa chất nông nghiệp được bón vào đất, bị nước rỉ và thấm vào các tầng chứa nước, hoặc chảy ra sông, hồ và biển.

Ngoài ra, chất thải dầu mỡ và nước rỉ rác của các bãi chôn lấp hợp vệ sinh cũng được mang theo ngấm vào mạch nước ngầm.

Khai thác nguồn cung cấp nước có thấu chi trong tài nguyên nước

Các hoạt động thấu chi này làm cạn kiệt nguồn nước ngầm và trữ lượng nước mặt, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và tạo ra sự sụt lún cục bộ của đất.

Hóa học môi trường đất

Đất là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong sự cân bằng của sinh quyển. Chúng cung cấp nơi neo đậu, nước và chất dinh dưỡng cho thực vật, là những sinh vật sản xuất trong chuỗi dinh dưỡng trên cạn.

Đất

Đất có thể được định nghĩa là một hệ sinh thái phức tạp và năng động gồm ba pha: pha rắn với sự hỗ trợ của khoáng chất và hữu cơ, pha lỏng nước và pha khí; được đặc trưng bởi có một hệ động vật và thực vật cụ thể (vi khuẩn, nấm, vi rút, thực vật, côn trùng, tuyến trùng, động vật nguyên sinh).

Các đặc tính của đất thường xuyên bị biến đổi bởi các điều kiện môi trường và hoạt động sinh học phát triển trong đó.

Tác động của nhân học đối với đất

Suy thoái đất là một quá trình làm giảm khả năng sản xuất của đất, có khả năng tạo ra sự thay đổi sâu sắc và tiêu cực trong hệ sinh thái.

Các yếu tố làm suy thoái đất là: khí hậu, sinh lý, thạch học, thảm thực vật và hành động của con người.

Hình 5. Đất bị thoái hóa. Nguồn: pexels.com

Bằng hành động của con người có thể xảy ra:

• Suy thoái vật chất của đất (ví dụ, nén chặt từ các hoạt động canh tác và chăn nuôi không đúng cách).
• Suy thoái hóa học của đất (axit hóa, kiềm hóa, nhiễm mặn, nhiễm hóa chất nông nghiệp, với nước thải từ hoạt động công nghiệp và đô thị, tràn dầu, v.v.).
• Suy thoái sinh học của đất (giảm hàm lượng chất hữu cơ, suy thoái lớp phủ thực vật, mất các vi sinh vật cố định đạm, và các vi sinh vật khác).

Mối quan hệ hóa học - môi trường

Hóa học môi trường nghiên cứu các quá trình hóa học khác nhau diễn ra trong ba ngăn môi trường: khí quyển, thủy quyển và đất. Thật thú vị khi xem xét một cách tiếp cận bổ sung trên một mô hình hóa học đơn giản, mô hình này cố gắng giải thích sự chuyển giao toàn cầu của vật chất xảy ra trong môi trường.

-Model Garrels và Lerman

Garrels và Lerman (1981) đã phát triển một mô hình đơn giản về địa sinh hóa của bề mặt Trái đất, nghiên cứu sự tương tác giữa khí quyển, thủy quyển, vỏ trái đất và các ngăn sinh quyển bao gồm.

Mô hình Garrels và Lerman xem xét bảy khoáng chất cấu thành chính của hành tinh:

1. Thạch cao (CaSO ₄ )
2. Pyrit (FeS ₂ )
3. Canxi cacbonat (CaCO ₃ )
4. Magie cacbonat (MgCO ₃ )
5. Magie silicat (MgSiO ₃ )
6. Oxit sắt (Fe ₂ O ₃ )
7. Điôxít silic (SiO ₂ )

Chất hữu cơ cấu thành của sinh quyển (cả sống và chết), được biểu thị là CH ₂ O, là thành phần phân vị gần đúng của các mô sống.

Trong mô hình Garrels và Lerman, những thay đổi địa chất được nghiên cứu như sự chuyển giao ròng của vật chất giữa tám thành phần này của hành tinh, thông qua các phản ứng hóa học và sự cân bằng ròng về bảo toàn khối lượng.

Sự tích tụ của CO

Ví dụ, vấn đề tích tụ CO ₂ trong khí quyển được nghiên cứu trong mô hình này, nói rằng: chúng ta hiện đang đốt cácbon hữu cơ được lưu trữ trong sinh quyển như than, dầu và khí tự nhiên lắng đọng trong lòng đất trong các thời kỳ địa chất trước đây. .

Kết quả của việc đốt cháy nhiều nhiên liệu hóa thạch này, nồng độ CO ₂ trong khí quyển ngày càng tăng.

Sự gia tăng nồng độ CO ₂ trong bầu khí quyển của Trái đất là do tốc độ đốt cháy cacbon hóa thạch vượt quá tốc độ hấp thụ cacbon của các thành phần khác trong hệ thống sinh địa hóa của Trái đất (chẳng hạn như các sinh vật quang hợp và thủy quyển chẳng hạn).

Bằng cách này, việc phát thải CO ₂ vào bầu khí quyển do các hoạt động của con người, vượt qua hệ thống quản lý điều chỉnh những thay đổi trên Trái đất.

Kích thước của sinh quyển

Mô hình do Garrels và Lerman phát triển cũng cho rằng kích thước của sinh quyển tăng và giảm là kết quả của sự cân bằng giữa quang hợp và hô hấp.

Trong suốt lịch sử của sự sống trên Trái đất, khối lượng của sinh quyển tăng lên theo từng giai đoạn với tốc độ quang hợp cao. Điều này dẫn đến việc lưu trữ ròng carbon hữu cơ và thải ra oxy:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

Hô hấp là hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật và động vật bậc cao, chuyển carbon hữu cơ trở lại thành carbon dioxide (CO ₂ ) và nước (H ₂ O), tức là nó đảo ngược phản ứng hóa học trước đó.

Sự hiện diện của nước, lưu trữ cacbon hữu cơ và sản xuất ôxy phân tử là cơ bản cho sự tồn tại của sự sống.

Ứng dụng Hóa học Môi trường

Hóa học môi trường đưa ra các giải pháp phòng ngừa, giảm thiểu và khắc phục thiệt hại về môi trường do hoạt động của con người gây ra. Trong số một số giải pháp này, chúng ta có thể kể đến:

• Thiết kế vật liệu mới được gọi là MOF's (viết tắt của nó trong tiếng Anh: Metal Organic Frameworks). Đây là những chất rất xốp và có khả năng: hấp thụ và giữ lại CO ₂ , thu được H ₂ O từ hơi không khí ở vùng sa mạc và chứa H ₂ trong các bình nhỏ.
• Sự chuyển đổi chất thải thành nguyên liệu thô. Ví dụ, việc sử dụng lốp mòn trong sản xuất cỏ nhân tạo hoặc đế giày. Ngoài ra, việc sử dụng chất thải cắt tỉa cây trồng, trong sản xuất khí sinh học hoặc cồn sinh học.
• Tổng hợp hóa học của các chất thay thế CFC.
• Sự phát triển của các năng lượng thay thế, chẳng hạn như tế bào hydro, để tạo ra điện không gây ô nhiễm.
• Kiểm soát ô nhiễm khí quyển, với các bộ lọc trơ và bộ lọc phản ứng.
• Khử muối nước biển bằng phương pháp thẩm thấu ngược.
• Sự phát triển của các vật liệu mới cho quá trình keo tụ các chất dạng keo lơ lửng trong nước (quá trình tinh chế).
• Sự đảo ngược của hiện tượng phú dưỡng hồ.
• Sự phát triển của "hóa học xanh", một xu hướng đề xuất thay thế các hợp chất hóa học độc hại bằng các hợp chất hóa học ít độc hại hơn, và các quy trình hóa học "thân thiện với môi trường". Ví dụ, nó được áp dụng trong việc sử dụng các dung môi và nguyên liệu thô ít độc hại hơn, trong công nghiệp, giặt khô các tiệm giặt là, trong số những người khác.

Người giới thiệu

1. Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J., và Cantrell, CA (1985). Cơ chế hóa học của quá trình tạo axit trong tầng đối lưu. Thiên nhiên, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, PJ (1970). Ảnh hưởng của các oxit nitơ đến hàm lượng khí quyển. QJR Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, RM và Lerman, A. (1981). Các chu trình Phanerozoic của cacbon trầm tích và lưu huỳnh. Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Tự nhiên. Mỹ 78: 4,652-4,656.
4. Hester, RE và Harrison, RM (2002). Thay đổi môi trường toàn cầu. Hiệp hội Hóa học Hoàng gia. trang 205.
5. Hites, RA (2007). Các yếu tố của Hóa học Môi trường. Wiley-Interscience. trang 215.
6. Manahan, SE (2000). Môi trường hoá học. Ấn bản thứ bảy. CRC. trang 876
7. Molina, MJ và Rowland, FS (1974). Bồn rửa tầng bình lưu cho chlorofluoromethanes: nguyên tử clo xúc tác phá hủy ozone. Thiên nhiên. 249: 810-812.
8. Morel, FM và Hering, JM (2000). Nguyên lý và Ứng dụng của Hóa học Thủy sinh. New York: John Wiley.
9. Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E. và Goliff, WS (2011). Đánh giá về Hóa học khí quyển đối lưu và Cơ chế hóa học pha khí để lập mô hình chất lượng không khí. Khí quyển, 3 (1), 1–32. doi: 10.3390 / atmos3010001