पर्यावरण रसायन विज्ञान: अध्ययन और अनुप्रयोगों के क्षेत्र - वातावरण - 2025

पर्यावरण रसायन शास्त्र रासायनिक प्रक्रियाओं है कि पर्यावरण के स्तर पर जगह ले अध्ययन करता है। यह एक विज्ञान है जो पर्यावरण के प्रदर्शन और मानव गतिविधियों द्वारा उत्पन्न प्रभावों के अध्ययन के लिए रासायनिक सिद्धांतों को लागू करता है।

इसके अतिरिक्त, पर्यावरणीय रसायन विज्ञान मौजूदा पर्यावरणीय क्षति के लिए रोकथाम, शमन और उपचारात्मक तकनीकों को डिजाइन करता है।

चित्र 1. स्थलीय वातावरण, जलमंडल, स्थलमंडल और जीवमंडल के आरेख। स्रोत: विकमॉन कॉमन्स से बोजाना पेट्रोविक्व

पर्यावरण रसायन विज्ञान को तीन मूल विषयों में विभाजित किया जा सकता है:

1. वातावरण का पर्यावरणीय रसायन।
2. जलमंडल के पर्यावरण रसायन विज्ञान।
3. मृदा पर्यावरण रसायन विज्ञान।

पर्यावरण रसायन विज्ञान के लिए एक व्यापक दृष्टिकोण अतिरिक्त रूप से इन तीन डिब्बों (वायुमंडल, जलमंडल, मिट्टी) में होने वाली रासायनिक प्रक्रियाओं और जैवमंडल के साथ उनके संबंधों के बीच अंतर्संबंधों के अध्ययन की आवश्यकता है।

वातावरण का पर्यावरणीय रसायन

वायुमंडल गैसों की परत है जो पृथ्वी को घेरती है; यह एक बहुत ही जटिल प्रणाली का गठन करता है, जहां तापमान, दबाव और रासायनिक संरचना, बहुत विस्तृत श्रृंखला में ऊंचाई के साथ बदलती हैं।

सूरज विकिरण और उच्च-ऊर्जा कणों के साथ वातावरण पर बमबारी करता है; इस तथ्य का वातावरण की सभी परतों में बहुत महत्वपूर्ण रासायनिक प्रभाव है, लेकिन विशेष रूप से, ऊपरी और बाहरी परतों में।

-Stratosphere

वायुमंडल के बाहरी क्षेत्रों में फोटोडिसिज़ेशन और फोटोरिज़ेशन प्रतिक्रियाएं होती हैं। पृथ्वी की सतह से स्ट्रैटोस्फियर में मापी जाने वाली ऊँचाई 30 से 90 किमी के बीच के क्षेत्र में एक परत होती है जिसमें मुख्य रूप से ओज़ोन (O ₃) होता है, जिसे ओज़ोन परत कहा जाता है।

ओजोन परत

ओजोन उच्च-ऊर्जा पराबैंगनी विकिरण को अवशोषित करता है जो सूरज से आता है और अगर यह इस परत के अस्तित्व के लिए नहीं था, तो ग्रह पर कोई भी ज्ञात जीवन रूप जीवित नहीं रह सकता है।

1995 में, वायुमंडलीय रसायनविद मारियो जे। मोलिना (मैक्सिकन), फ्रैंक एस। रॉलैंड (अमेरिकी) और पॉल क्रुटजन (डच) ने समताप मंडल में ओजोन के विनाश और कमी पर अपने शोध के लिए रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार जीता।

चित्रा 2. ओजोन परत में कमी की योजना। Nasa.gov से

1970 में क्रूटजन ने दिखाया कि नाइट्रोजन ऑक्साइड उत्प्रेरक रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से ओजोन को नष्ट करते हैं। इसके बाद, 1974 में मोलिना और रोलैंड ने दिखाया कि क्लोरोफ्लोरोकार्बन यौगिकों (सीएफसी) में क्लोरीन भी ओजोन परत को नष्ट करने में सक्षम है।

-क्षोभ मंडल

पृथ्वी की सतह के लिए तत्काल वायुमंडलीय परत, 0 से 12 किमी की ऊँचाई के बीच, जिसे ट्रोपोस्फीयर कहा जाता है, मुख्य रूप से नाइट्रोजन (एन ₂) और ऑक्सीजन (ओ ₂) से बना है।

ज़हरीली गैसें

मानव गतिविधियों के परिणामस्वरूप, क्षोभ मंडल में वायु प्रदूषक माने जाने वाले कई अतिरिक्त रसायन होते हैं जैसे:

• कार्बन डाइऑक्साइड और मोनोऑक्साइड (CO ₂ और CO)।
• मीथेन (सीएच ₄)।
• नाइट्रोजन ऑक्साइड (NO)।
• सल्फर डाइऑक्साइड (एसओ ₂)।
• ओजोन ओ ₃ (ट्रोपोस्फीयर में प्रदूषक माना जाता है)
• वाष्पशील कार्बनिक यौगिक (वीओसी), पाउडर या ठोस कण।

कई अन्य पदार्थों में, जो मानव और पौधे और पशु स्वास्थ्य को प्रभावित करते हैं।

अम्ल वर्षा

सल्फर ऑक्साइड (SO ₂ और SO ₃) और नाइट्रोजन ऑक्साइड जैसे नाइट्रस ऑक्साइड (NO ₂) एक और पर्यावरणीय समस्या का कारण बनता है जिसे एसिड रेन कहा जाता है।

ये ऑक्साइड, जो मुख्य रूप से औद्योगिक गतिविधियों और परिवहन में जीवाश्म ईंधन के दहन के उत्पादों के रूप में क्षोभ मंडल में मौजूद हैं, परिणामी अम्लीय वर्षा के साथ वर्षा जल के उत्पादन वाले सल्फ्यूरिक एसिड और नाइट्रिक एसिड के साथ प्रतिक्रिया करते हैं।

चित्रा 3. अम्ल वर्षा की योजना। स्रोत: अल्फ्रेड्सिटो94, विकिमीडिया कॉमन्स से

इस बारिश को तेज करने से जिसमें तेज एसिड होता है, यह कई पर्यावरणीय समस्याओं जैसे कि समुद्र और ताजे पानी के अम्लीकरण को ट्रिगर करता है। यह जलीय जीवों की मृत्यु का कारण बनता है; मिट्टी का अम्लीकरण जो फसलों की मृत्यु और इमारतों, पुलों और स्मारकों की संक्षारक रासायनिक क्रिया द्वारा विनाश का कारण बनता है।

अन्य वायुमंडलीय पर्यावरणीय समस्याएं फोटोकैमिकल स्मॉग हैं, जो मुख्य रूप से नाइट्रोजन ऑक्साइड और ट्रोपोस्फेरिक ओजोन के कारण होती हैं।

वैश्विक तापमान

ग्लोबल वार्मिंग वायुमंडलीय सीओ ₂ और अन्य ग्रीनहाउस गैसों (जीएचजी) की उच्च सांद्रता द्वारा निर्मित होती है, जो पृथ्वी की सतह द्वारा उत्सर्जित अवरक्त विकिरण और ट्रोपोस्फीयर में जाल गर्मी को अवशोषित करती है। यह ग्रह पर जलवायु परिवर्तन उत्पन्न करता है।

जलमंडल के पर्यावरण रसायन विज्ञान

जलमंडल पृथ्वी पर पानी के सभी पिंडों से बना है: सतह या वेटलैंड्स - महासागर, झीलें, नदियाँ, झरने - और भूमिगत या एक्वीफ़र्स।

-पानी जलाना

पानी ग्रह पर सबसे आम तरल पदार्थ है, यह पृथ्वी की सतह का 75% हिस्सा कवर करता है और जीवन के लिए बिल्कुल आवश्यक है।

जीवन के सभी रूप ताजे पानी पर निर्भर हैं (0.01% से कम नमक सामग्री के साथ पानी के रूप में परिभाषित)। ग्रह पर 97% पानी खारा पानी है।

शेष 3% ताजे पानी में से, 87% में है:

• पृथ्वी के ध्रुव (जो ग्लोबल वार्मिंग के कारण समुद्र में पिघल रहे हैं और बह रहे हैं)।
• ग्लेशियर (गायब होने की प्रक्रिया में भी)।
• भूजल।
• वायुमंडल में मौजूद वाष्प के रूप में पानी।

ग्रह के कुल ताजे पानी का केवल 0.4% ही उपभोग के लिए उपलब्ध है। महासागरों से पानी का वाष्पीकरण और लगातार बारिश का कम होना इस छोटे प्रतिशत को प्रदान करता है।

पानी का पर्यावरणीय रसायन विज्ञान रासायनिक प्रक्रियाओं का अध्ययन करता है जो जल चक्र या हाइड्रोलॉजिकल चक्र में होते हैं और मानव उपभोग के लिए पानी के शुद्धिकरण के लिए प्रौद्योगिकी विकसित करते हैं, औद्योगिक और शहरी अपशिष्ट जल का उपचार, समुद्री जल का पुनर्चक्रण, पुनर्चक्रण और दूसरों के बीच में इस संसाधन की बचत।

-जल चक्र

पृथ्वी पर जल चक्र में तीन मुख्य प्रक्रियाएँ होती हैं: वाष्पीकरण, संघनन और वर्षा, जिसमें से तीन सर्किट व्युत्पन्न होते हैं:

1. सतह अपवाह
2. संयंत्र वाष्पीकरण
3. घुसपैठ, जिसमें पानी भूमिगत स्तर (फैलिक) तक जाता है, जलभृत चैनलों के माध्यम से घूमता है और स्प्रिंग्स, फव्वारे या कुओं के माध्यम से निकलता है।

चित्रा 4. जल चक्र। स्रोत: Wasserkreislauf.png: से: बेनुतज़र: जूडेरिवेटिव कार्य: मोयोगो, विकिमीडिया कॉमन्स के माध्यम से

-जल चक्र पर मानव संबंधी प्रभाव

मानव गतिविधि का पानी के चक्र पर प्रभाव पड़ता है; नृविज्ञान क्रिया के कुछ कारण और प्रभाव निम्नलिखित हैं:

भूमि की सतह का संशोधन

यह वनों की कटाई के साथ जंगलों और खेतों के विनाश से उत्पन्न होता है। यह वाष्पीकरण (पौधों द्वारा पानी का सेवन और पसीने और वाष्पीकरण द्वारा पर्यावरण में वापस आना) और अपवाह को बढ़ाकर जल चक्र को प्रभावित करता है।

सतह अपवाह में वृद्धि नदियों और बाढ़ के प्रवाह में वृद्धि का उत्पादन करती है।

शहरीकरण भूमि की सतह को भी संशोधित करता है और जल चक्र को प्रभावित करता है, क्योंकि झरझरा मिट्टी को अभेद्य सीमेंट और डामर द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, जिससे घुसपैठ असंभव हो जाती है।

जल चक्र प्रदूषण

जल चक्र में पूरे जीवमंडल शामिल हैं और परिणामस्वरूप, विभिन्न प्रक्रियाओं द्वारा मानव-जनित कचरे को इस चक्र में शामिल किया जाता है।

हवा में रासायनिक प्रदूषकों को बारिश में शामिल किया जाता है। मिट्टी पर लागू होने वाले एग्रोकेमिकल्स, एक्विफर्स को लीफेट और घुसपैठ से पीड़ित करते हैं, या नदियों, झीलों और समुद्रों में भाग जाते हैं।

इसके अलावा वसा और तेलों की बर्बादी और सैनिटरी लैंडफिल के रिसाव से भूजल में घुसपैठ होती है।

जल संसाधनों में ओवरड्राफ्ट के साथ पानी की आपूर्ति का निष्कर्षण

ये ओवरड्राफ्ट अभ्यास भूजल और सतह के पानी के भंडार को कम करते हैं, पारिस्थितिक तंत्र को प्रभावित करते हैं और मिट्टी के स्थानीय उप-उत्पादन का उत्पादन करते हैं।

मृदा पर्यावरण रसायन विज्ञान

जैवमंडल के संतुलन में मिट्टी सबसे महत्वपूर्ण कारकों में से एक है। वे पौधों को लंगर, पानी और पोषक तत्व प्रदान करते हैं, जो स्थलीय ट्राफिक श्रृंखला में उत्पादक हैं।

मिट्टी

मिट्टी को तीन चरणों के साथ एक जटिल और गतिशील पारिस्थितिकी तंत्र के रूप में परिभाषित किया जा सकता है: खनिज और कार्बनिक समर्थन के साथ एक ठोस चरण, एक जलीय तरल चरण और एक गैसीय चरण; एक विशेष जीव और वनस्पति (बैक्टीरिया, कवक, वायरस, पौधे, कीड़े, नेमाटोड, प्रोटोजोआ) होने की विशेषता है।

मिट्टी के गुणों को पर्यावरणीय परिस्थितियों और उसमें विकसित होने वाली जैविक गतिविधियों द्वारा लगातार संशोधित किया जाता है।

मिट्टी पर मानवशास्त्रीय प्रभाव

मृदा क्षरण एक ऐसी प्रक्रिया है जो मिट्टी की उत्पादक क्षमता को कम करती है, जो पारिस्थितिकी तंत्र में एक गहरा और नकारात्मक परिवर्तन पैदा करने में सक्षम है।

मृदा क्षरण उत्पन्न करने वाले कारक हैं: जलवायु, शरीर विज्ञान, लिथोलॉजी, वनस्पति और मानव क्रिया।

चित्रा 5. घटित मिट्टी। स्रोत: pexels.com

मानव क्रिया से हो सकता है:

• मिट्टी का भौतिक क्षरण (उदाहरण के लिए, अनुचित खेती और पशुपालन प्रथाओं से संघनन)।
• मिट्टी का रासायनिक क्षरण (अम्लीकरण, क्षारीकरण, लवणीकरण, एग्रोकेमिकल्स के साथ संदूषण, औद्योगिक और शहरी गतिविधि के अपशिष्टों के साथ, तेल फैल, दूसरों के बीच)।
• मिट्टी का जैविक क्षरण (कार्बनिक पदार्थों की सामग्री में कमी, वनस्पति आवरण का क्षरण, नाइट्रोजन-फिक्सिंग सूक्ष्मजीवों का नुकसान, अन्य लोगों के बीच)।

रासायनिक - पर्यावरण संबंध

पर्यावरण रसायन विज्ञान तीन पर्यावरणीय डिब्बों में होने वाली विभिन्न रासायनिक प्रक्रियाओं का अध्ययन करता है: वातावरण, जलमंडल और मिट्टी। एक साधारण रासायनिक मॉडल पर एक अतिरिक्त दृष्टिकोण की समीक्षा करना दिलचस्प है, जो पर्यावरण में होने वाले पदार्थ के वैश्विक स्थानान्तरण को समझाने की कोशिश करता है।

-मॉडल गरल और लर्मन

गेरेल्स और लर्मन (1981) ने पृथ्वी की सतह के जैव-रसायन विज्ञान का एक सरलीकृत मॉडल विकसित किया, जो वायुमंडल, जलमंडल, पृथ्वी की पपड़ी और शामिल जैवमंडल डिब्बों के बीच की बातचीत का अध्ययन करता है।

गरल और लर्मन मॉडल ग्रह के सात प्रमुख घटक खनिजों पर विचार करता है:

1. जिप्सम (CaSO ₄)
2. पाइराइट (FeS ₂)
3. कैल्शियम कार्बोनेट (CaCO ₃)
4. मैग्नीशियम कार्बोनेट (MgCO ₃)
5. मैग्नीशियम सिलिकेट (MgSiO ₃)
6. फेरिक ऑक्साइड (Fe ₂ O ₃)
7. सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO ₂)

जीवमंडल (जीवित और मृत दोनों) के घटक कार्बनिक पदार्थ को CH ₂ O के रूप में दर्शाया जाता है, जो जीवित ऊतकों की अनुमानित स्टोइकोमेट्रिक रचना है।

गरल और लर्मन मॉडल में, रासायनिक प्रतिक्रियाओं और द्रव्यमान संरक्षण के शुद्ध संतुलन के माध्यम से, ग्रह के इन आठ घटकों के बीच पदार्थ के शुद्ध स्थानान्तरण के रूप में भूवैज्ञानिक परिवर्तनों का अध्ययन किया जाता है।

CO का संचय

उदाहरण के लिए, वायुमंडल में CO ₂ के संचय की समस्या का अध्ययन इस मॉडल में किया गया है, जिसमें कहा गया है: हम वर्तमान में जैवमंडल में संग्रहीत जैविक कार्बन को जल के रूप में जमा कर रहे हैं, जो भूगर्भीय काल में सबसॉइल में जमा तेल, और प्राकृतिक गैस के रूप में होता है। ।

जीवाश्म ईंधन के इस गहन जलने के परिणामस्वरूप, वायुमंडलीय सीओ ₂ की एकाग्रता बढ़ रही है।

पृथ्वी के वायुमंडल में CO ₂ सांद्रता में वृद्धि इस तथ्य के कारण है कि जीवाश्म कार्बन दहन की दर पृथ्वी के जैव-रासायनिक प्रणाली के अन्य घटकों (जैसे प्रकाश संश्लेषक जीवों) द्वारा कार्बन अवशोषण की दर से अधिक है उदाहरण के लिए)।

इस तरह, मानव गतिविधियों के कारण वातावरण में सीओ ₂ का उत्सर्जन, नियामक प्रणाली को पार करता है जो पृथ्वी पर परिवर्तनों को नियंत्रित करता है।

जीवमंडल के आकार

गेरेल्स और लर्मन द्वारा विकसित मॉडल भी मानता है कि प्रकाश संश्लेषण और श्वसन के बीच संतुलन के परिणामस्वरूप जीवमंडल का आकार बढ़ता और घटता है।

पृथ्वी पर जीवन के इतिहास के दौरान, प्रकाश संश्लेषण की उच्च दर के साथ जीवमंडल के द्रव्यमान में वृद्धि हुई। इसके परिणामस्वरूप कार्बनिक कार्बन और ऑक्सीजन का शुद्ध भंडारण होता है:

सीओ ₂ + एच ₂ ओ → सीएच ₂ ओ + ओ ₂

सूक्ष्मजीवों और उच्च जानवरों की चयापचय गतिविधि के रूप में श्वसन, कार्बनिक कार्बन को कार्बन डाइऑक्साइड (सीओ ₂) और पानी (एच ₂ ओ) में परिवर्तित करता है, अर्थात यह पिछली रासायनिक प्रतिक्रिया को उलट देता है।

पानी की उपस्थिति, जैविक कार्बन का भंडारण और आणविक ऑक्सीजन का उत्पादन जीवन के अस्तित्व के लिए मौलिक हैं।

पर्यावरण रसायन विज्ञान अनुप्रयोग

पर्यावरण रसायन विज्ञान मानव गतिविधि के कारण पर्यावरणीय क्षति की रोकथाम, शमन और बचाव के लिए समाधान प्रदान करता है। इनमें से कुछ समाधानों का हम उल्लेख कर सकते हैं:

• एमओएफ (अंग्रेजी में इसके संक्षिप्त रूप के लिए: मेटल ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क) नामक नई सामग्रियों का डिज़ाइन। ये बहुत छिद्रपूर्ण हैं और इनमें सीओ ₂ को अवशोषित करने और बनाए रखने की क्षमता है, रेगिस्तान क्षेत्रों में वायु वाष्प से एच ₂ ओ प्राप्त करते हैं और एच ₂ को छोटे कंटेनरों में स्टोर करते हैं ।
• कच्चे माल में कचरे का रूपांतरण। उदाहरण के लिए, कृत्रिम घास या जूता तलवों के उत्पादन में पहने हुए टायरों का उपयोग। बायोगैस या बायोएथेनॉल के उत्पादन में भी, फसल की बर्बादी का उपयोग।
• सीएफसी पदार्थों के रासायनिक संश्लेषण।
• गैर-प्रदूषणकारी बिजली के उत्पादन के लिए वैकल्पिक ऊर्जा का विकास, जैसे कि हाइड्रोजन कोशिकाएं।
• वायुमंडलीय प्रदूषण का नियंत्रण, अक्रिय फिल्टर और प्रतिक्रियाशील फिल्टर के साथ।
• रिवर्स ऑस्मोसिस द्वारा समुद्री जल का विलवणीकरण।
• पानी (शोधन प्रक्रिया) में निलंबित कोलाइडयन पदार्थों के प्रवाह के लिए नई सामग्रियों का विकास।
• झील यूट्रोफिकेशन का उलटा।
• "ग्रीन केमिस्ट्री" का विकास, एक प्रवृत्ति जो कम विषाक्त लोगों द्वारा विषाक्त रासायनिक यौगिकों के प्रतिस्थापन का प्रस्ताव करती है, और "पर्यावरण के अनुकूल" रासायनिक प्रक्रियाएं। उदाहरण के लिए, यह उद्योग में, दूसरों के बीच, लॉन्ड्रियों की सूखी सफाई में, कम विषैले सॉल्वैंट्स और कच्चे माल के उपयोग में लगाया जाता है।

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