環境化学：研究分野と応用 - 環境 - 2025

環境化学の研究環境のレベルで起こる化学プロセス。それは、化学的原理を環境パフォーマンスと人間の活動によって生成される影響の研究に適用する科学です。

さらに、環境化学は、既存の環境損傷の防止、緩和、および修復技術を設計します。

図1.地球の大気、水圏、リソスフェア、生物圏の図。出典：BojanaPetrović、Wikimedia Commons

環境化学は、次の3つの基本的な分野に細分できます。

1. 大気の環境化学。
2. 水圏の環境化学。
3. 土壌環境化学。

環境化学への包括的なアプローチは、これら3つのコンパートメント（大気、水圏、土壌）で発生する化学プロセスと生物圏との関係の相互関係の研究をさらに必要とします。

大気の環境化学

大気は地球を取り巻くガスの層です。それは非常に複雑なシステムを構成し、高度、温度、圧力、化学組成は非常に広い範囲で変化します。

太陽は放射線と高エネルギー粒子で大気を攻撃します。この事実は、大気のすべての層、特に上層と外層に非常に重要な化学的影響を及ぼします。

-成層圏

光解離と光イオン化反応は、大気の外側の領域で発生します。地表から測った高さ30〜90kmの地域の成層圏には、オゾン層と呼ばれるオゾン（O ₃）を主成分とする層があります。

オゾン層

オゾンは太陽から来る高エネルギーの紫外線を吸収し、それがこの層の存在のためでなければ、地球上の既知の生命体は生き残ることができませんでした。

1995年に、大気化学者のマリオJ.モリナ（メキシコ）、フランクS.ローランド（アメリカ）、およびポールクルッツェン（オランダ）が、成層圏におけるオゾンの破壊と破壊に関する研究でノーベル化学賞を受賞しました。

図2.オゾン層の破壊のスキーム。nasa.govから

1970年にCrutzenは、窒素酸化物が触媒化学反応を通じてオゾンを破壊することを示しました。その後、1974年のモリーナとローランドは、クロロフルオロカーボン化合物（CFC）の塩素もオゾン層を破壊できることを示しました。

-対流圏

対流圏と呼ばれる、地表近くの高さ0〜12 kmの大気層は、主に窒素（N ₂）と酸素（O ₂）で構成されています。

有毒ガス

人間の活動の結果として、対流圏には、大気汚染物質と見なされる次のような多くの追加の化学物質が含まれています。

• 二酸化炭素および一酸化炭素（CO ₂およびCO）。
• メタン（CH ₄）。
• 窒素酸化物（NO）。
• 二酸化硫黄（SO ₂）。
• オゾンO ₃（対流圏の汚染物質と見なされる）
• 揮発性有機化合物（VOC）、粉末または固体粒子。

他の多くの物質の中で、人間と植物と動物の健康に影響を与えます。

酸性雨

硫黄酸化​​物（SO ₂およびSO ₃）および亜酸化窒素（NO ₂）などの窒素酸化物は、酸性雨と呼ばれる別の環境問題を引き起こします。

これらの酸化物は、主に産業活動や輸送における化石燃料の燃焼の生成物として対流圏に存在し、雨水と反応して硫酸と硝酸を生成し、結果として酸が沈殿します。

図3.酸性雨のスキーム。出典：Wikimedia CommonsのAlfredsito94

強酸を含むこの雨を沈殿させることにより、海や淡水の酸性化などのいくつかの環境問題を引き起こします。これは水生生物の死を引き起こします。作物の死を引き起こす土壌の酸性化、および建物、橋、記念碑の腐食性化学作用による破壊。

その他の大気環境問題は、主に窒素酸化物と対流圏オゾンによって引き起こされる光化学スモッグです。

地球温暖化

地球温暖化は、高濃度の大気中のCO ₂と他の温室効果ガス（GHG）によって生成され、地球表面から放出される赤外線放射の多くを吸収し、対流圏に熱を閉じ込めます。これにより、地球に気候変動が発生します。

水圏の環境化学

水圏は、地球上のすべての水域で構成されています。表面または湿地-海、湖、川、泉-地下または帯水層。

-淡水

水は地球上で最も一般的な液体物質であり、地球の表面の75％を占めており、生命にとって不可欠です。

すべての生命体は真水（塩分が0.01％未満の水と定義）に依存しています。地球上の水の97％は海水です。

残りの3％の淡水のうち、87％は次の場所にあります。

• 地球の極（地球温暖化のために溶けて海に注いでいる）。
• 氷河（これも消滅の途上にあります）。
• 地下水。
• 大気中に存在する蒸気の形の水。

地球全体の淡水の0.4％しか消費できません。海からの水の蒸発と雨の降水は、この小さな割合を継続的に提供します。

水の環境化学は、水循環または水循環で発生する化学プロセスを研究し、また、人間が消費するための水の浄化、産業および都市廃水の処理、海水の脱塩、リサイクルのための技術を開発しますとりわけ、このリソースを保存します。

-水循環

地球上の水循環は、蒸発、凝縮、降水の3つの主要なプロセスで構成され、そこから3つの回路が導き出されます。

1. 表面流出
2. 植物の蒸発散
3. 水が地下レベル（水蒸気）を通過する浸透は、帯水層の水路を循環し、泉、噴水、または井戸を通って出ます。

図4.水循環。出典：Wasserkreislauf.png：from：Benutzer：Joooo派生著作：moyogo、Wikimedia Commons経由

-水循環に対する人類学的影響

人間の活動は水循環に影響を与えます。人類学的行動の原因と影響のいくつかは次のとおりです。

地表面の改変

それは、森林破壊と森林とフィールドの破壊によって生成されます。これは、蒸発散（植物による水の取り込みと汗と蒸発による環境への戻り）を排除し、流出を増加させることにより、水循環に影響を与えます。

地表流出量の増加は、河川や洪水の流れを増加させます。

多孔性の土壌が不浸透性のセメントとアスファルトに置き換えられ、浸透が不可能になるため、都市化はまた、土地表面を改変し、水循環に影響を与えます。

水循環汚染

水循環には生物圏全体が関係しているため、人間が生み出した廃棄物はさまざまなプロセスによってこの循環に組み込まれます。

空気中の化学汚染物質は雨に組み込まれます。土壌に適用された農薬は、帯水層への浸出液と浸透に苦しみ、河川、湖、海に流れ込みます。

また、油脂の廃棄物と衛生埋立地の浸出液は、地下水への浸透によって運ばれます。

水資源の当座貸越による給水の抽出

これらの過剰使用の慣行は、地下水と地表水の貯留を枯渇させ、生態系に影響を与え、土壌の局所的な沈下を引き起こします。

土壌環境化学

土壌は、生物圏のバランスにおいて最も重要な要素の1つです。それらは陸上栄養連鎖の生産者である植物に足場、水、栄養素を提供します。

土

土壌は、3つの相からなる複雑で動的な生態系として定義できます。特定の動植物（細菌、真菌、ウイルス、植物、昆虫、線虫、原生動物）を持つことを特徴とする。

土壌の特性は、環境条件やその中で発生する生物活性によって常に変化しています。

土壌に対する人類学的影響

土壌の劣化は、土壌の生産能力を低下させるプロセスであり、生態系に深刻で負の変化をもたらす可能性があります。

土壌劣化を引き起こす要因は次のとおりです。気候、地形学、岩相、植生、人間の行動。

図5.劣化した土壌。ソース：pexels.com

人間の行動によって発生する可能性があります：

• 土壌の物理的劣化（たとえば、不適切な農業や牧場での締固め）。
• 土壌の化学的分解（酸性化、アルカリ化、塩類化、農薬による汚染、産業および都市活動からの廃水、とりわけ油流出）。
• 土壌の生物学的劣化（特に、有機物の含有量の減少、植生被覆の劣化、窒素固定微生物の損失など）。

化学–環境関係

環境化学では、大気、水圏、土壌という3つの環境区画で行われるさまざまな化学プロセスを研究します。環境で発生する物質の地球規模での移動を説明しようとする、単純な化学モデルに関する追加のアプローチを確認するのは興味深いことです。

-モデルガレルとラーマン

Garrels and Lerman（1981）は、大気、水圏、地殻、含まれている生物圏区画間の相互作用を研究する、地球表面の生物地球化学の簡略化されたモデルを開発しました。

Garrels and Lermanモデルは、惑星の7つの主要な構成鉱物を考慮しています。

1. 石膏（CaSO ₄）
2. パイライト（FeS ₂）
3. 炭酸カルシウム（CaCO ₃）
4. 炭酸マグネシウム（MgCO ₃）
5. ケイ酸マグネシウム（MgSiO ₃）
6. 酸化第二鉄（Fe ₂ O ₃）
7. 二酸化ケイ素（SiO ₂）

生物圏（生きているものと死んでいるものの両方）を構成する有機物質は、CH ₂ O として表されます。これは、生体組織のおおよその化学量論的組成です。

ガレルズとラーマンのモデルでは、地質学的変化は、化学反応と質量保存の正味のバランスを介した、惑星のこれら8つのコンポーネント間の物質の正味の移動として研究されています。

COの蓄積

たとえば、大気中のCO ₂の蓄積の問題がこのモデルで調査され、次のように述べられています。現在、生物圏に保存されている有機炭素を、過去の地質時代に下層土に堆積した石炭、石油、天然ガスとして燃焼している。

この化石燃料の激しい燃焼の結果として、大気中のCO _2の濃度は増加しています。

地球の大気中のCO ₂濃度の増加は、化石炭素の燃焼速度が、地球の生物地球化学システムの他の構成要素（光合成生物やたとえば、水圏）。

このように、人間の活動に起因する大気中へのCO ₂の排出は、地球の変化を調整する規制システムを上回ります。

生物圏のサイズ

GarrelsとLermanによって開発されたモデルでは、光合成と呼吸のバランスの結果として、生物圏のサイズが増減することも考慮しています。

地球上の生命の歴史の中で、生物圏の質量は、光合成の割合が高い段階で増加しました。これは、有機炭素の正味の貯蔵と酸素の放出をもたらしました：

CO ₂ + H ₂ O→CH ₂ O + O ₂

微生物や高等動物の代謝活動としての呼吸は、有機炭素を二酸化炭素（CO ₂）と水（H ₂ O）に戻します。つまり、以前の化学反応を逆転させます。

水の存在、有機炭素の貯蔵、分子状酸素の生成は生命の存在の基本です。

環境化学アプリケーション

環境化学は、人間の活動によって引き起こされる環境被害の防止、緩和、修復のためのソリューションを提供します。これらのソリューションの中には、次のようなものがあります。

• MOF（英語での頭字語：Metal Organic Frameworks）と呼ばれる新しい材料の設計。これらは非常に多孔性であり、CO _2を吸収および保持し、砂漠地域の水蒸気からH ₂ Oを取得し、小さな容器にH ₂を貯蔵する能力があります。
• 廃棄物の原料への転換。たとえば、人工芝または靴底の製造における摩耗したタイヤの使用。バイオガスまたはバイオエタノールの生成における作物剪定廃棄物の使用。
• 代替フロンの化学合成。
• 非汚染電力を生成するための水素電池などの代替エネルギーの開発。
• 不活性フィルターと反応フィルターによる大気汚染の制御。
• 逆浸透による海水の淡水化。
• 水に懸濁したコロイド状物質の凝集のための新しい材料の開発（精製プロセス）。
• 湖の富栄養化の逆転。
• 「グリーンケミストリー」の開発、毒性の低い化学化合物による毒性のある化学化合物の代替を提案するトレンド、および「環境にやさしい」化学手順。たとえば、毒性の少ない溶剤や原材料の使用、産業、ランドリーのドライクリーニングなどに使用されます。

参考文献

1. Calvert、JG、Lazrus、A.、Kok、GL、Heikes、BG、Walega、JG、Lind、J.、and Cantrell、CA（1985）。対流圏における酸発生の化学的メカニズム。自然、317（6032）、27-35。土井：10.1038 / 317027a0。
2. Crutzen、PJ（1970）。大気含有量に対する窒素酸化物の影響。QJR Metheorol。Soc。Wiley-Blackwell。96：320-325。
3. Garrels、RMおよびLerman、A。（1981）。堆積炭素と硫黄の顕生代サイクル 自然科学アカデミーの議事録。USA 78：4,652-4,656。
4. Hester、REおよびHarrison、RM（2002）。地球環境の変化。王立化学協会。205ページ。
5. Hites、RA（2007）。環境化学の要素。Wiley-Interscience。215ページ。
6. Manahan、SE（2000）。環境化学。第7版。CRC。pp 876
7. Molina、MJおよびRowland、FS（1974）。クロロフルオロメタンの成層圏シンク：塩素原子が触媒するオゾンの破壊。自然。249：810-812。
8. モレル、FMおよびヘリング、JM（2000）。水生化学の原理と応用。ニューヨーク：ジョン・ワイリー。
9. ストックウェル、WR、ローソン、CV、サンダース、E、およびゴリフ、WS（2011）。大気質モデリングのための対流圏大気化学と気相化学メカニズムのレビュー 雰囲気、3（1）、1〜32。土井：10.3390 / atmos3010001