Chimia mediului (poluare, cicluri biogeochimice, tratarea apelor si aerului)

Pe scurt

Chimia mediului analizează compoziția chimică a componentelor naturale ale ecosistemelor și efectele activităților antropice asupra acestora. Poluarea apare când substanțele introduse în mediu depășesc capacitatea de autopurificare, iar ciclurile biogeochimice descriu circulația elementelor între compartimentele mediului. Tratarea apelor și aerului implică procese fizice, chimice și biologice pentru reducerea poluanților și protejarea ecosistemelor.

Definiții și concepte fundamentale

Chimia mediului studiază compoziția chimică a componentelor naturale ale ecosistemelor (atmosferă, hidrosferă, litosferă, biosferă), precum și efectele activităților antropice asupra acestora.

Poluarea reprezintă introducerea în mediu a unor substanțe (poluanți) care depășesc capacitatea de autopurificare și produc efecte nocive asupra sănătății umane și a ecosistemelor.

Capacitatea de autopurificare – noțiunea de încărcare limită a ecosistemelor.

Tipuri de poluanți

• Poluanți organici: hidrocarburi, pesticide, detergenți
• Poluanți anorganici: metale grele (Pb, Hg, Cd), oxizi de sulf și azot, compuși halogenați
• Poluanți primari și secundari – clasificare suplimentară

Cicluri biogeochimice

Ciclurile biogeochimice (carbon, azot, fosfor, sulf) descriu circulația elementelor chimice între compartimentele mediului.

• Ciclul carbonului implică:

- Fotosinteza: CO₂ + H₂O → glucoză + O₂

- Respirația

- Descompunerea

• Ciclul azotului include:

- Fixarea: N₂ → NH₃ (de către bacterii)

- Nitrificarea: NH₃ → NO₂⁻ → NO₃⁻

- Asimilarea de către plante

- Denitrificarea: NO₃⁻ → N₂

Ploaia acidă

Formarea ploii acide: SO₂, NOₓ → H₂SO₄, HNO₃

Efecte: pH < 5,6, corodarea calcarului, acidifierea solurilor

Exemplu de calcul: Presupunem că într-o regiune, concentrația de H₂SO₄ în apa de ploaie este de 2·10⁻⁵ M. Acidul sulfuric este un acid diprotic puternic (disociază complet: H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄²⁻), deci [H⁺] = 2 × 2·10⁻⁵ = 4·10⁻⁵ M. pH = -log(4·10⁻⁵) = 5 - log4 ≈ 5 - 0,602 = 4,398. Un pH < 5,6 indică ploaia acidă, iar efectele includ degradarea solurilor și a clădirilor de calcar (CaCO₃ + H₂SO₄ → CaSO₄ + CO₂ + H₂O).

Tratarea apelor

Tratarea apelor se realizează prin procese fizice, chimice și biologice.

Procese fizice: sedimentare, filtrare

Procese chimice: coagulare, neutralizare, oxidare

Procese biologice: degradare aerobă/anaerobă

Etape în stațiile de epurare

• Grătar – separare deșeuri mari
• Decantor – sedimentare nisip
• Bazin de aerare – biomasă activă ce oxidează materia organică
• Clorinare – dezinfecție

Exemplu – Neutralizarea unui devers acid: O fabrică deversează 1000 L de apă reziduală cu pH=2 (deci [H⁺]=0,01 M). Câte grame de Ca(OH)₂ sunt necesare pentru neutralizarea completă? Reacția: H⁺ + OH⁻ → H₂O.

Moli H⁺ = 0,01 mol/L × 1000 L = 10 moli. Pentru neutralizare, trebuie 10 moli de OH⁻. Ca(OH)₂ furnizează 2 OH⁻ per moleculă, deci moli Ca(OH)₂ = 10/2 = 5 moli.

Masa molară Ca(OH)₂ = 40+2(16+1)=74 g/mol, deci masa = 5×74 = 370 g.

Exemplu – Epurarea biologică (CBO₅): O probă de apă reziduală are CBO₅ = 300 mg O₂/L. Aceasta înseamnă că pentru oxidarea materiei organice biodegradabile din 1 L de apă, microorganismele consumă 300 mg de oxigen în 5 zile la 20°C. Dacă debitul stației este de 10 m³/h (10.000 L/h), atunci consumul orar de oxigen = 10.000 L/h × 300 mg/L = 3.000.000 mg/h = 3 kg O₂/h.

Stația trebuie să asigure aerare suficientă pentru a menține oxigenul dizolvat peste 2 mg/L.

Tratarea aerului

Tratarea aerului vizează reducerea emisiilor de SOₓ, NOₓ, CO, compuși organici volatili (COV) și particule.

Metode de reducere a emisiilor

• Absorbția – spălarea gazelor cu soluții alcaline pentru SO₂: SO₂ + Ca(OH)₂ → CaSO₃ + H₂O
• Adsorbția pe cărbune activ
• Precipitarea electrostatică – pentru particule fine
• Catalizatori – de exemplu, convertorul catalitic auto: 2CO + 2NO → 2CO₂ + N₂

Efectul de seră

Gaze cu efect de seră: CO₂, CH₄, N₂O, freoni

Impact: încălzirea globală

Verifică-te!

1. Care sunt cele patru componente naturale ale ecosistemelor studiate de chimia mediului?
2. Ce procese chimice au loc în ciclul azotului și care este rolul bacteriilor în acestea?
3. Ce metodă de tratare a aerului utilizează soluții alcaline pentru reducerea emisiilor de SO₂ și care este ecuația reacției implicate?