Química Ambiental: campo de estudo e aplicações

A química ambiental estuda os processos químicos que ocorrem no nível ambiental. É uma ciência que aplica princípios químicos ao estudo do desempenho ambiental e aos impactos gerados pelas atividades humanas.

Além disso, a química ambiental projeta técnicas de prevenção, mitigação e remediação para os danos ambientais existentes.

A química ambiental pode ser subdividida em três disciplinas básicas:

1. Química ambiental da atmosfera.
2. Química ambiental da hidrosfera.
3. Química ambiental do solo.

Uma abordagem abrangente da química ambiental também requer o estudo das inter-relações entre os processos químicos que ocorrem nesses três compartimentos (atmosfera, hidrosfera, solo) e suas relações com a biosfera.

Química Ambiental da Atmosfera

A atmosfera é a camada de gases que envolve a Terra; É um sistema muito complexo, onde a temperatura, pressão e composição química variam com a altitude em intervalos muito amplos.

O sol bombardeia a atmosfera com radiação e partículas de alta energia; este fato tem efeitos químicos muito significativos em todas as camadas da atmosfera, mas em particular, nas camadas mais altas e externas.

-Estratosfera

Reações de fotodissociação e fotoionização ocorrem nas regiões externas da atmosfera. Na região entre 30 e 90 km de altura, medidos a partir da superfície da Terra, na estratosfera, localiza-se uma camada que contém principalmente ozônio (O ₃ ), denominada camada de ozônio.

Camada de ozônio

O ozônio absorve a radiação ultravioleta de alta energia que vem do sol e, se não fosse pela existência dessa camada, nenhum modo de vida conhecido no planeta poderia subsistir.

Em 1995, os químicos atmosféricos Mario J. Molina (mexicano), Frank S. Rowland (americano) e Paul Crutzen (holandês) ganharam o Prêmio Nobel de Química por suas pesquisas sobre a destruição e o esgotamento do ozônio na estratosfera.

Em 1970, Crutzen mostrou que os óxidos de nitrogênio destroem o ozônio através de reações químicas catalíticas. Posteriormente, Molina e Rowland, em 1974, mostraram que o cloro dos compostos clorofluorcarbonos (CFC's) também é capaz de destruir a camada de ozônio.

-Troposfera

A camada atmosférica imediatamente acima da superfície da terra, entre 0 e 12 km de altura, chamada de troposfera, é composta principalmente de nitrogênio (N ₂ ) e oxigênio (O ₂ ).

Gases tóxicos

Como resultado das atividades humanas, a troposfera contém muitos produtos químicos adicionais considerados poluentes do ar, como:

• Dióxido e monóxido de carbono (CO ₂ e CO).
• Metano (CH ₄ ).
• Óxido de nitrogênio (NO).
• Dióxido de enxofre (SO ₂ ).
• Ozono O ₃ (considerado contaminante na troposfera)
• Compostos orgânicos voláteis (COVs), pós ou partículas sólidas.

Entre muitas outras substâncias, que afetam a saúde humana e vegetal e animal.

Chuva ácida

Os óxidos de enxofre (SO ₂ e SO ₃ ) e os óxidos de nitrogênio, como o óxido nitroso (NO ₂ ), causam outro problema ambiental chamado chuva ácida.

Estes óxidos, presentes na troposfera principalmente como produtos da combustão de combustíveis fósseis em atividades industriais e de transporte, reagem com a água da chuva produzindo ácido sulfúrico e ácido nítrico, com as conseqüentes precipitações ácidas.

Ao precipitar esta chuva que contém ácidos fortes, desencadeia vários problemas ambientais, como a acidificação dos mares e das águas doces. Isso causa a morte de organismos aquáticos; a acidificação de solos que causam a morte de plantações e a destruição por ação corrosiva química de edifícios, pontes e monumentos.

Outros problemas ambientais atmosféricos são o smog fotoquímico, causado principalmente por óxidos de nitrogênio e ozônio troposférico

Aquecimento global

O aquecimento global é produzido por altas concentrações de CO ₂ atmosférico e outros gases de efeito estufa (GEEs), que absorvem grande parte da radiação infravermelha emitida pela superfície da Terra e prendem o calor na troposfera. Isso gera mudanças climáticas no planeta.

Química Ambiental da Hidrosfera

A hidrosfera é conformada por todos os corpos de água da terra: superficial ou humedales - oceanos, lagos, rios, nascentes - e subterrâneos ou aqüíferos.

-A água doce

A água é a substância líquida mais comum no planeta, cobre 75% da superfície da Terra e é absolutamente essencial para a vida.

Todas as formas de vida dependem da água doce (definida como água com teor de sal inferior a 0, 01%). 97% da água do planeta é água salgada.

Dos restantes 3% de água doce, 87% está em:

• Os pólos da Terra (que estão derretendo e derramando nos mares devido ao aquecimento global).
• As geleiras (também no processo de desaparecimento).
• A água subterrânea.
• Água na forma de vapor presente na atmosfera.

Apenas 0, 4% do total de água doce do planeta está disponível para consumo. A evaporação da água dos oceanos e a precipitação das chuvas fornecem continuamente essa pequena porcentagem.

A química ambiental da água estuda os processos químicos que ocorrem no ciclo hidrológico ou ciclo hidrológico e também desenvolve tecnologias para a purificação de água para consumo humano, o tratamento de efluentes industriais e urbanos, a dessalinização da água do mar, a reciclagem e salvando esse recurso, entre outros.

-O ciclo da Agua

O ciclo da água na Terra consiste em três processos principais: evaporação, condensação e precipitação, dos quais três circuitos são derivados:

1. O escoamento superficial
2. A evapotranspiração de plantas
3. A infiltração, na qual a água passa pelo subsolo (água), circula pelos canais de água e sai por meio de nascentes, nascentes ou poços.

Impactos antropológicos no ciclo da água

A atividade humana tem impactos no ciclo da água; Algumas das causas e efeitos da ação antropológica são os seguintes:

Modificação da superfície terrestre

É gerado pela destruição de florestas e campos com desmatamento. Isso afeta o ciclo da água, eliminando a evapotranspiração (retirando água das plantas e retornando ao meio ambiente através da transpiração e evaporação) e aumentando o escoamento.

O aumento do escoamento superficial provoca o aumento do fluxo do rio e inundações.

A urbanização também modifica a superfície da terra e afeta o ciclo da água, já que o solo poroso é substituído por cimento e asfalto impermeável, o que impossibilita a infiltração.

Contaminação do ciclo da água

O ciclo da água envolve toda a biosfera e, como consequência, os resíduos gerados pelo ser humano são incorporados a esse ciclo por diferentes processos.

Os poluentes químicos no ar são incorporados à chuva. Os agroquímicos se aplicam ao solo, sofrem lixiviados e infiltração de aqüíferos, ou correm para rios, lagos e mares.

Também o desperdício de gorduras e óleos e os lixiviados dos aterros são arrastados pela infiltração nas águas subterrâneas.

Extração de abastecimento de água com cheque especial em recursos hídricos

Essas práticas com cheque especial produzem esgotamento das reservas de águas subterrâneas e superficiais, afetam os ecossistemas e produzem subsidência local do solo.

Química do solo ambiental

Os solos são um dos fatores mais importantes no equilíbrio da biosfera. Eles fornecem ancoragem, água e nutrientes às plantas, que são produtores nas cadeias tróficas terrestres.

O chão

O solo pode ser definido como um ecossistema complexo e dinâmico de três fases: uma fase sólida de suporte mineral e orgânico, uma fase líquida aquosa e uma fase gasosa; caracterizado por ter uma fauna e flora particulares (bactérias, fungos, vírus, plantas, insetos, nematóides, protozoários).

As propriedades do solo estão em constante mudança devido às condições ambientais e à atividade biológica que se desenvolve nele.

Impactos antropológicos no solo

A degradação do solo é um processo que diminui a capacidade produtiva do solo, capaz de produzir uma mudança profunda e negativa no ecossistema.

Os fatores que produzem a degradação do solo são: clima, fisiografia, litologia, vegetação e ação humana.

Por ação humana pode ocorrer:

• Degradação física do solo (por exemplo, compactação devido a práticas inadequadas de cultivo e pecuária).
• Degradação química do solo (acidificação, alcalinização, salinização, contaminação com agroquímicos, efluentes da atividade industrial e urbana, derramamentos de óleo, entre outros).
• Degradação biológica do solo (diminuição do teor de matéria orgânica, degradação da cobertura vegetal, perda de microrganismos fixadores de azoto, entre outros).

Relação químico-ambiental

A química ambiental estuda os diferentes processos químicos que ocorrem nos três compartimentos ambientais: atmosfera, hidrosfera e solo. É interessante revisar um foco adicional em um modelo químico simples, que tenta explicar as transferências globais de matéria que ocorrem no ambiente.

-Modelo Garrels e Lerman

Garrels e Lerman (1981) desenvolveram um modelo simplificado da biogeoquímica da superfície da Terra, que estuda as interações entre a atmosfera, a hidrosfera, a crosta terrestre e os compartimentos da biosfera incluídos.

O modelo de Garrels e Lerman considera sete principais minerais constituintes do planeta:

1. Gesso (CaSO ₄ )
2. Pirite (FeS ₂ )
3. Carbonato de cálcio (CaCO ₃ )
4. Carbonato de magnésio (MgCO ₃ )
5. Silicato de magnésio (MgSiO ₃ )
6. Óxido férrico (Fe ₂ O ₃ )
7. Dióxido de silício (SiO ₂ )

A matéria orgânica que constitui a biosfera (viva e morta) é representada como CH ₂ O, que é a composição estequiométrica aproximada dos tecidos vivos.

No modelo de Garrels e Lerman, as mudanças geológicas são estudadas como transferências líquidas de matéria entre esses oito componentes do planeta, através de reações químicas e um balanço de conservação de massa líquida.

A acumulação de CO ₂ na atmosfera

Por exemplo, o problema do acúmulo de CO ₂ na atmosfera é estudado neste modelo, dizendo que: estamos atualmente queimando carbono orgânico armazenado na biosfera, como carvão, petróleo e gás natural depositados no subsolo em tempos geológicos passados. .

Como resultado dessa intensa queima de combustíveis fósseis, a concentração de CO ₂ atmosférico está aumentando.

O aumento das concentrações de CO ₂ na atmosfera da Terra deve-se ao facto de a taxa de combustão do carbono fóssil exceder a taxa de absorção de carbono pelos outros componentes do sistema biogeoquímico da Terra (como os organismos fotossintéticos e hidrosfera, por exemplo).

Desta forma, a emissão de CO ₂ para a atmosfera devido às atividades humanas supera o sistema regulador que modula as mudanças na Terra.

O tamanho da biosfera

O modelo desenvolvido por Garrels e Lerman, também considera que o tamanho da biosfera aumenta e diminui como resultado do equilíbrio entre a fotossíntese e a respiração.

Durante a história da vida na Terra, a massa da biosfera aumentou em estágios com altas taxas de fotossíntese. Isso resultou em um armazenamento líquido de carbono orgânico e emissão de oxigênio:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

Respirar como atividade metabólica de microorganismos e animais superiores, converte carbono orgânico de volta em dióxido de carbono (CO ₂ ) e água (H ₂ O), ou seja, reverte a reação química anterior.

A presença de água, o armazenamento de carbono orgânico e a produção de oxigênio molecular são fundamentais para a existência da vida.

Aplicações de química ambiental

A química ambiental oferece soluções para prevenção, mitigação e remediação de danos ambientais causados ​​pela atividade humana. Entre algumas dessas soluções, podemos mencionar:

• O design de novos materiais chamados MOF's (por sua sigla em inglês: Metal Organic Frameworks ). Eles são muito porosos e têm a capacidade de: absorver e reter CO2, obter H2O do vapor de ar de áreas desérticas e armazenar H2 em pequenos recipientes.
• A conversão de resíduos em matérias-primas. Por exemplo, o uso de pneus desgastados na produção de grama artificial ou sola de sapato. Também o uso de resíduos de poda de culturas, na geração de biogás ou bioetanol.
• A síntese química de substitutos de CFC.
• O desenvolvimento de energias alternativas, como células de hidrogênio, para a geração de eletricidade não poluente.
• O controle da poluição atmosférica, com filtros inertes e filtros reativos.
• A dessalinização da água do mar por osmose reversa.
• O desenvolvimento de novos materiais para a floculação de substâncias coloidais suspensas em água (processo de purificação).
• A reversão da eutrofização dos lagos.
• O desenvolvimento da "química verde", uma tendência que propõe a substituição de compostos químicos tóxicos por outros menos tóxicos e procedimentos químicos "ecologicamente corretos". Por exemplo, ele é aplicado no uso de solventes menos tóxicos e matérias-primas, na indústria, na limpeza a seco de lavanderias, entre outros.