환경 화학 : 연구 및 응용 분야 - 환경 - 2025

환경 화학 환경 수준에서 일어나는 화학 공정을 연구. 환경 성과 및 인간 활동으로 인한 영향 연구에 화학적 원리를 적용하는 과학입니다.

또한 환경 화학은 기존 환경 피해에 대한 예방, 완화 및 개선 기술을 설계합니다.

그림 1. 지상 대기, 수권, 암석권 및 생물권의 다이어그램. 출처 : Bojana Petrović, Wikimedia Commons

환경 화학은 다음과 같은 세 가지 기본 분야로 나눌 수 있습니다.

1. 대기의 환경 화학.
2. 수권의 환경 화학.
3. 토양 환경 화학.

환경 화학에 대한 포괄적 인 접근 방식은이 세 구획 (대기, 수권, 토양)에서 발생하는 화학 과정과 생물권과의 관계 간의 상호 관계에 대한 연구를 추가로 필요로합니다.

대기의 환경 화학

대기는 지구를 둘러싼 가스층입니다. 그것은 온도, 압력 및 화학 성분이 매우 넓은 범위의 고도에 따라 달라지는 매우 복잡한 시스템을 구성합니다.

태양은 방사능과 고 에너지 입자로 대기를 공격합니다. 이 사실은 대기의 모든 층, 특히 상층과 외층에 매우 중요한 화학적 영향을 미칩니다.

-천장

광 해리 및 광 이온화 반응은 대기의 외부 영역에서 발생합니다. 지구 표면으로부터 측정 된 높이 km 30 내지 90 영역에 성층권에 주로 오존 (O 포함하는 레이어가 ₃ 오존층라고 함).

오존층

오존은 태양에서 나오는 고 에너지 자외선을 흡수하며이 층의 존재가 아니었다면 행성에 알려진 생명체는 생존 할 수 없습니다.

1995 년 대기 화학자 Mario J. Molina (멕시코), Frank S. Rowland (미국) 및 Paul Crutzen (네덜란드)은 성층권의 오존 파괴 및 고갈에 대한 연구로 노벨 화학상을 수상했습니다.

그림 2. 오존층의 고갈 계획. nasa.gov에서

1970 년에 Crutzen은 질소 산화물이 촉매 화학 반응을 통해 오존을 파괴한다는 것을 보여주었습니다. 이어 1974 년 Molina와 Rowland는 CFC (chlorofluorocarbon) 화합물의 염소가 오존층을 파괴 할 수 있음을 보여주었습니다.

-대류권

대류권이라고 불리는 지표면 근처의 0-12km 높이의 대기층은 주로 질소 (N ₂ )와 산소 (O ₂ )로 구성되어 있습니다.

독성 가스

인간 활동의 결과로 대류권에는 다음과 같은 대기 오염 물질로 간주되는 많은 추가 화학 물질이 포함되어 있습니다.

• 이산화탄소와 일산화물 (CO ₂ 및 CO).
• 메탄 (CH ₄ ).
• 산화 질소 (NO).
• 이산화황 (SO ₂ ).
• 오존 O ₃ (대류권의 오염 물질로 간주)
• 휘발성 유기 화합물 (VOC), 분말 또는 고체 입자.

인간과 식물 및 동물의 건강에 영향을 미치는 다른 많은 물질 중에서.

산성비

황산화물 (SO ₂ 및 SO ₃ )과 아산화 질소 (NO ₂ ) 와 같은 질소 산화물은 산성비라는 또 다른 환경 문제를 일으 킵니다.

주로 산업 활동 및 운송에서 화석 연료의 연소 생성물로 대류권에 존재하는 이러한 산화물은 황산 및 질산을 생성하는 빗물과 반응하여 결과적으로 산 침전이 발생합니다.

그림 3. 산성비의 계획. 출처 : Alfredsito94, Wikimedia Commons

강산이 포함 된이 비를 침전시킴으로써 바다와 담수의 산성화와 같은 여러 환경 문제를 유발합니다. 이것은 수생 생물의 죽음을 초래합니다. 건물, 다리 및 기념물의 부식성 화학 작용에 의한 작물의 죽음과 파괴를 유발하는 토양의 산성화.

다른 대기 환경 문제는 주로 질소 산화물과 대류권 오존으로 인한 광화학 스모그입니다.

지구 온난화

지구 온난화는 고농도의 대기 CO ₂ 및 기타 온실 가스 (GHG)에 의해 생성되며 , 이는 지구 표면에서 방출되는 적외선의 대부분을 흡수하고 대류권에 열을 가두어 둡니다. 이것은 지구에 기후 변화를 일으 킵니다.

수권의 환경 화학

수권은 지표면이나 습지 (바다, 호수, 강, 샘), 지하 또는 대수층 등 지구상의 모든 수역으로 구성됩니다.

-민물

물은 지구상에서 가장 흔한 액체 물질이며 지구 표면의 75 %를 차지하며 생명에 절대적으로 필요합니다.

모든 형태의 생명체는 담수 (염분 함량이 0.01 % 미만인 물로 정의 됨)에 의존합니다. 지구상의 물의 97 %는 소금물입니다.

나머지 3 % 담수 중 87 %는 다음과 같습니다.

• 지구의 극 (지구 온난화로 인해 녹아 바다로 쏟아져 들어옴).
• 빙하 (또한 사라지는 과정에 있음).
• 지하수.
• 대기 중에 존재하는 증기 형태의 물.

지구 전체 담수의 0.4 %만이 소비 가능합니다. 바다에서 나오는 물의 증발과 비의 강수는이 작은 비율을 지속적으로 제공합니다.

물의 환경 화학은 물의 순환 또는 수문 순환에서 발생하는 화학 과정을 연구하고 인간이 소비하는 물의 정화, 산업 및 도시 폐수 처리, 해수 담수화, 재활용 기술을 개발합니다. 그리고이 자원을 절약하는 것입니다.

-물 순환

지구상의 물 순환은 증발, 응축 및 강수라는 세 가지 주요 과정으로 구성되며, 그로부터 세 가지 회로가 파생됩니다.

1. 표면 유출
2. 식물 증발산
3. 물이 지하 수준 (phreatic)으로 통과하는 침투는 대수층 채널을 통해 순환하고 샘, 분수 또는 우물을 통해 떠납니다.

그림 4. 물 순환. 출처 : Wasserkreislauf.png : 출처 : Benutzer : Jooooderivative work : moyogo, via Wikimedia Commons

-물 순환에 대한 인류 학적 영향

인간의 활동은 물 순환에 영향을 미칩니다. 인류 학적 행동의 원인과 결과는 다음과 같습니다.

지표면 수정

삼림 벌채로 인해 산림과 들판이 파괴되어 생성됩니다. 이는 증발산 (식물의 물 섭취 및 증산 및 증발에 의해 환경으로 복귀)을 제거하고 유출량을 증가시킴으로써 물 순환에 영향을 미칩니다.

지표 유출의 증가는 강과 홍수의 흐름을 증가시킵니다.

도시화는 또한 땅 표면을 수정하고 다공성 토양이 불 침투성 시멘트와 아스팔트로 대체되어 침투를 불가능하게하기 때문에 물 순환에 영향을 미칩니다.

물 순환 오염

물 순환은 전체 생물권을 포함하며 결과적으로 인간이 생성 한 폐기물은 다른 프로세스에 의해이 순환에 통합됩니다.

공기 중의 화학 오염 물질은 비에 포함됩니다. 토양에 적용되는 농약은 침출수 및 대수층으로 침투하거나 강, 호수 및 바다로 흘러갑니다.

또한 지방과 기름의 낭비와 위생 매립지의 침출수는 지하수로 침투하여 운반됩니다.

수자원의 초과 인출로 물 공급 추출

이러한 초과 기류 관행은 지하수 및 지표수의 고갈을 초래하고 생태계에 영향을 미치며 토양의 지역 침하를 일으 킵니다.

토양 환경 화학

토양은 생물권의 균형에서 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 그들은 육상 영양 사슬의 생산자 인 식물에 고정, 물 및 영양분을 제공합니다.

흙

토양은 3 단계의 복잡하고 역동적 인 생태계로 정의 할 수 있습니다 : 광물 및 유기물 지지체가있는 고체상, 수성 액체상 및 기체 상; 특정 동식물 (박테리아, 균류, 바이러스, 식물, 곤충, 선충류, 원생 동물)을 갖는 것이 특징입니다.

토양의 특성은 환경 조건과 그 안에서 발생하는 생물학적 활동에 의해 지속적으로 변경됩니다.

토양에 대한 인류 학적 영향

토양 분해는 토양의 생산 능력을 감소시키는 과정으로 생태계에 심오하고 부정적인 변화를 일으킬 수 있습니다.

토양 분해를 일으키는 요인은 기후, 생리학, 암석학, 초목 및 인간 행동입니다.

그림 5. 저하 된 토양. 출처 : pexels.com

인간의 행동에 의해 다음이 발생할 수 있습니다.

• 토양의 물리적 분해 (예 : 부적절한 경작 및 목장 관행으로 인한 압축).
• 토양의 화학적 분해 (산성화, 알칼리화, 염분 화, 농약 오염, 산업 및 도시 활동의 유출 물, 기름 유출 등).
• 토양의 생물학적 분해 (유기물 함량 감소, 식생 덮개의 분해, 질소 고정 미생물 손실 등).

화학 – 환경 관계

환경 화학은 대기, 수권 및 토양의 세 가지 환경 구획에서 발생하는 다양한 화학 과정을 연구합니다. 환경에서 발생하는 물질의 전 세계적 이동을 설명하려는 간단한 화학 모델에 대한 추가 접근 방식을 검토하는 것은 흥미 롭습니다.

-모델 Garrels 및 Lerman

Garrels와 Lerman (1981)은 대기, 수권, 지각 및 포함 된 생물권 구획 사이의 상호 작용을 연구하는 지구 표면의 생지 화학의 단순화 된 모델을 개발했습니다.

Garrels and Lerman 모델은 행성의 7 가지 주요 구성 광물을 고려합니다.

1. 석고 (CaSO ₄ )
2. 황철석 (FeS ₂ )
3. 탄산 칼슘 (CaCO ₃ )
4. 탄산 마그네슘 (MgCO ₃ )
5. 규산 마그네슘 (MgSiO ₃ )
6. 산화철 (Fe ₂ O ₃ )
7. 이산화 규소 (SiO ₂ )

생물권의 구성 유기물 (살아있는 것과 죽은 것 모두) 은 살아있는 조직의 대략적인 화학 양 론적 구성 인 CH ₂ O 로 표시됩니다 .

Garrels and Lerman 모델에서 지질 학적 변화는 화학 반응과 질량 보존의 순 균형을 통해 행성의 8 개 구성 요소 사이의 물질의 순 이동으로 연구됩니다.

CO의 축적

예를 들어, 대기 중 CO ₂ 축적 문제는 이 모델에서 다음과 같이 연구됩니다. 우리는 현재 과거 지질 시대에 지하 토양에 퇴적 된 석탄, 석유 및 천연 가스로 생물권에 저장된 유기 탄소를 태우고 있습니다. .

화석 연료의 집중적 인 연소의 결과로,의 농도 대기 CO _2는 증가하고있다.

지구 대기 에서 CO ₂ 농도의 증가 는 화석 탄소 연소 속도가 지구 생지 화학적 시스템의 다른 구성 요소 (예 : 광합성 유기체 및 예를 들어 수권).

이러한 방법으로, CO의 배출 _이 때문에 인간 활동으로 대기로는, 변조 지구에서 변화하는 규제 시스템을 능가한다.

생물권의 크기

Garrels와 Lerman이 개발 한 모델은 광합성과 호흡 사이의 균형의 결과로 생물권의 크기가 증가하고 감소한다고 생각합니다.

지구상의 생명체 역사 동안 생물권의 질량은 높은 광합성 속도로 단계적으로 증가했습니다. 이로 인해 유기 탄소의 순 저장 및 산소 방출이 발생했습니다.

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

호흡은 미생물과 고등 동물의 대사 활동으로서 유기 탄소를 다시 이산화탄소 (CO ₂ )와 물 (H ₂ O)로 전환하여 이전의 화학 반응을 역전시킵니다.

물의 존재, 유기 탄소의 저장 및 분자 산소의 생성은 생명의 존재를위한 기본입니다.

환경 화학 응용

환경 화학은 인간 활동으로 인한 환경 피해의 예방, 완화 및 개선을위한 솔루션을 제공합니다. 이러한 솔루션 중 일부를 언급 할 수 있습니다.

• MOF (영어로 된 약어 : Metal Organic Frameworks)라는 새로운 재료의 설계. 이들은 매우 다공성이며 CO _2를 흡수 및 보유 하고 사막 지역의 공기 증기에서 H ₂ O를 얻고 H ₂ 를 작은 용기에 저장할 수 있습니다.
• 폐기물을 원료로 전환. 예를 들어, 인조 잔디 또는 신발 밑창 생산에 마모 된 타이어를 사용합니다. 또한 바이오 가스 또는 바이오 에탄올의 생성에 작물 가지 치기 폐기물을 사용합니다.
• CFC 대체물의 화학적 합성.
• 무공해 전기를 생산하기위한 수소 전지와 같은 대체 에너지의 개발.
• 불활성 필터 및 반응성 필터를 통한 대기 오염 제어.
• 역삼 투에 의한 해수 담수화.
• 물에 현탁 된 콜로이드 물질의 응집을위한 신소재 개발 (정제 공정)
• 호수 부영양화의 역전.
• "녹색 화학"의 개발, 독성이 적은 화합물로 독성 화합물의 대체를 제안하는 추세 및 "환경 친화적 인"화학 절차. 예를 들어, 산업, 세탁물 드라이 클리닝 등 독성이 적은 용매 및 원자재 사용에 적용됩니다.

참고 문헌

1. Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J. 및 Cantrell, CA (1985). 대류권에서 산 생성의 화학적 메커니즘. Nature, 317 (6032), 27-35. 도이 : 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, PJ (1970). 대기 함량에 대한 질소 산화물의 영향. QJR Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96 : 320-325.
3. Garrels, RM 및 Lerman, A. (1981). 퇴적 탄소와 황의 환생주기. 자연 과학 아카데미의 절차. 미국 78 : 4,652-4,656.
4. Hester, RE 및 Harrison, RM (2002). 지구 환경 변화. Royal Society of Chemistry. 205 쪽.
5. Hites, RA (2007). 환경 화학의 요소. Wiley-Interscience. 215 쪽.
6. Manahan, SE (2000). 환경 화학. 일곱 번째 판. CRC. 876 쪽
7. Molina, MJ 및 Rowland, FS (1974). 클로로 플루오로 메탄을위한 성층권 흡수원 : 염소 원자 촉매로 오존 파괴. 자연. 249 : 810-812.
8. Morel, FM 및 Hering, JM (2000). 수 생화학의 원리와 응용. 뉴욕 : John Wiley.
9. Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E. 및 Goliff, WS (2011). 대기 질 모델링을위한 대류권 대기 화학 및 기체 상 화학 메커니즘의 검토. 분위기, 3 (1), 1–32. doi : 10.3390 / atmos3010001