KIMIA LINGKUNGAN: BIDANG STUDI DAN APLIKASI - LINGKUNGAN HIDUP - 2025

The kimia lingkungan mempelajari proses kimia yang terjadi di tingkat lingkungan. Ini adalah ilmu yang menerapkan prinsip-prinsip kimiawi untuk mempelajari kinerja lingkungan dan dampak yang ditimbulkan oleh aktivitas manusia.

Selain itu, kimia lingkungan mendesain teknik pencegahan, mitigasi dan remediasi untuk kerusakan lingkungan yang ada.

Gambar 1. Diagram atmosfer bumi, hidrosfer, litosfer, dan biosfer. Sumber: Bojana Petrović, dari Wikimedia Commons

Kimia lingkungan dapat dibagi lagi menjadi tiga disiplin ilmu dasar yaitu:

1. Kimia lingkungan dari atmosfer.
2. Kimia lingkungan hidrosfer.
3. Kimia lingkungan tanah.

Pendekatan komprehensif untuk kimia lingkungan juga memerlukan studi tentang keterkaitan antara proses kimia yang terjadi di tiga kompartemen ini (atmosfer, hidrosfer, tanah) dan hubungannya dengan biosfer.

Kimia lingkungan dari atmosfer

Atmosfer adalah lapisan gas yang mengelilingi bumi; Ini merupakan sistem yang sangat kompleks, di mana suhu, tekanan dan komposisi kimianya, bervariasi dengan ketinggian dalam kisaran yang sangat luas.

Matahari membombardir atmosfer dengan radiasi dan partikel berenergi tinggi; fakta ini memiliki efek kimiawi yang sangat signifikan di semua lapisan atmosfer, tetapi khususnya, di lapisan atas dan luar.

-Stratosfir

Reaksi fotodisosiasi dan fotoionisasi terjadi di bagian luar atmosfer. Pada wilayah dengan ketinggian antara 30 dan 90 km diukur dari permukaan bumi, di stratosfer terdapat lapisan yang terutama mengandung ozon (O ₃ ), yang disebut lapisan ozon.

Lapisan ozon

Ozon menyerap radiasi ultraviolet berenergi tinggi yang berasal dari matahari dan jika bukan karena adanya lapisan ini, tidak ada bentuk kehidupan yang diketahui di planet ini yang dapat bertahan.

Pada tahun 1995, ahli kimia atmosfer Mario J. Molina (Meksiko), Frank S. Rowland (Amerika) dan Paul Crutzen (Belanda), memenangkan Hadiah Nobel dalam Kimia untuk penelitian mereka tentang penghancuran dan penipisan ozon di stratosfer.

Gambar 2. Skema penipisan lapisan ozon. Dari nasa.gov

Pada tahun 1970 Crutzen menunjukkan bahwa nitrogen oksida menghancurkan ozon melalui reaksi kimia katalitik. Selanjutnya Molina dan Rowland pada tahun 1974, menunjukkan bahwa klorin dalam senyawa chlorofluorocarbon (CFC's) juga mampu merusak lapisan ozon.

-Troposfer

Lapisan atmosfer di dekat permukaan bumi, dengan ketinggian antara 0 dan 12 km, yang disebut troposfer, sebagian besar terdiri dari nitrogen (N ₂ ) dan oksigen (O ₂ ).

Gas beracun

Akibat aktivitas manusia, troposfer mengandung banyak bahan kimia tambahan yang dianggap sebagai pencemar udara seperti:

• Karbon dioksida dan monoksida (CO ₂ dan CO).
• Metana (CH ₄ ).
• Nitrogen oksida (NO).
• Sulfur dioksida (SO ₂ ).
• Ozon O ₃ (dianggap sebagai polutan di troposfer)
• Senyawa organik yang mudah menguap (VOC), bubuk atau partikel padat.

Di antara banyak zat lainnya, yang mempengaruhi kesehatan manusia dan tumbuhan dan hewan.

Hujan asam

Sulfur oksida (SO ₂ dan SO ₃ ) dan nitrogen oksida seperti nitrous oxide (NO ₂ ) menyebabkan masalah lingkungan lain yang disebut hujan asam.

Oksida-oksida ini, yang terdapat di troposfer terutama sebagai produk dari pembakaran bahan bakar fosil dalam kegiatan industri dan transportasi, bereaksi dengan air hujan yang menghasilkan asam sulfat dan asam nitrat, dengan akibat pengendapan asam.

Gambar 3. Skema hujan asam. Sumber: Alfredsito94, dari Wikimedia Commons

Dengan mengendapkan hujan yang mengandung asam kuat ini, memicu beberapa masalah lingkungan seperti pengasaman laut dan perairan tawar. Hal ini menyebabkan kematian organisme air; pengasaman tanah yang menyebabkan kematian tanaman dan kehancuran oleh tindakan kimiawi korosif pada bangunan, jembatan dan monumen.

Masalah lingkungan atmosfer lainnya adalah kabut fotokimia, yang terutama disebabkan oleh nitrogen oksida dan ozon troposfer.

Pemanasan global

Pemanasan global diproduksi oleh konsentrasi tinggi dari atmosfer CO ₂ dan gas rumah kaca (GRK), yang menyerap banyak radiasi inframerah yang dipancarkan oleh permukaan dan memerangkap panas bumi di troposfer. Ini menghasilkan perubahan iklim di planet ini.

Kimia lingkungan hidrosfer

Hidrosfer terdiri dari semua badan air di Bumi: permukaan atau lahan basah - lautan, danau, sungai, mata air - dan bawah tanah atau akuifer.

-Air segar

Air adalah zat cair yang paling umum di planet ini, menutupi 75% permukaan bumi dan sangat penting bagi kehidupan.

Segala bentuk kehidupan bergantung pada air tawar (didefinisikan sebagai air dengan kadar garam kurang dari 0,01%). 97% air di planet ini adalah air asin.

Dari 3% sisa air tawar, 87% ada di:

• Kutub bumi (yang mencair dan mengalir ke laut karena pemanasan global).
• Gletser (juga dalam proses menghilang).
• Air tanah.
• Air dalam bentuk uap hadir di atmosfer.

Hanya 0,4% dari total air tawar planet yang tersedia untuk dikonsumsi. Penguapan air dari lautan dan curah hujan terus menerus menghasilkan persentase kecil ini.

Kimia lingkungan air mempelajari proses kimia yang terjadi dalam siklus air atau siklus hidrologi dan juga mengembangkan teknologi pemurnian air untuk konsumsi manusia, pengolahan air limbah industri dan perkotaan, desalinasi air laut, daur ulang dan menyimpan sumber daya ini, antara lain.

-Siklus air

Siklus air di Bumi terdiri dari tiga proses utama: penguapan, kondensasi, dan presipitasi, yang menghasilkan tiga sirkuit:

1. Limpasan permukaan
2. Evapotranspirasi tanaman
3. Infiltrasi, di mana air mengalir ke permukaan bawah tanah (freatik), bersirkulasi melalui saluran akuifer dan daun melalui mata air, air mancur atau sumur.

Gambar 4. Siklus air. Sumber: Wasserkreislauf.png: dari: Benutzer: Karya Jooooderivative: moyogo, via Wikimedia Commons

-Dampak antropologis pada siklus air

Aktivitas manusia berdampak pada siklus air; Beberapa penyebab dan akibat tindakan antropologis adalah sebagai berikut:

Modifikasi permukaan tanah

Ini dihasilkan oleh perusakan hutan dan ladang dengan deforestasi. Hal ini mempengaruhi siklus air dengan menghilangkan evapotranspirasi (pengambilan air oleh tanaman dan kembali ke lingkungan melalui keringat dan penguapan) dan dengan meningkatkan limpasan.

Peningkatan limpasan permukaan menghasilkan peningkatan aliran sungai dan banjir.

Urbanisasi juga mengubah permukaan tanah dan mempengaruhi siklus air, karena tanah yang keropos digantikan oleh semen dan aspal yang tidak dapat ditembus, yang membuat infiltrasi tidak mungkin dilakukan.

Pencemaran siklus air

Siklus air melibatkan seluruh biosfer dan akibatnya, limbah yang dihasilkan manusia dimasukkan ke dalam siklus ini melalui proses yang berbeda.

Polutan kimiawi di udara dimasukkan ke dalam hujan. Bahan kimia pertanian yang diterapkan pada tanah, mengalami pelindian dan infiltrasi ke akuifer, atau mengalir ke sungai, danau dan laut.

Juga limbah lemak dan minyak serta lindi dari tempat pembuangan sampah, terbawa oleh infiltrasi ke air tanah.

Ekstraksi persediaan air dengan cerukan dalam sumber daya air

Praktik cerukan ini menghasilkan penipisan air tanah dan cadangan air permukaan, mempengaruhi ekosistem dan menghasilkan penurunan permukaan tanah secara lokal.

Kimia lingkungan tanah

Tanah adalah salah satu faktor terpenting dalam keseimbangan biosfer. Mereka menyediakan tempat berlabuh, air dan nutrisi bagi tanaman, yang merupakan produsen dalam rantai trofik terestrial.

Tanah

Tanah dapat didefinisikan sebagai ekosistem yang kompleks dan dinamis dari tiga fase: fase padat dengan dukungan mineral dan organik, fase cair berair dan fase gas; dicirikan dengan memiliki fauna dan flora tertentu (bakteri, jamur, virus, tumbuhan, serangga, nematoda, protozoa).

Sifat-sifat tanah secara konstan diubah oleh kondisi lingkungan dan oleh aktivitas biologis yang berkembang di dalamnya.

Dampak antropologis pada tanah

Degradasi tanah adalah suatu proses yang menurunkan kapasitas produktif tanah, yang mampu menghasilkan perubahan ekosistem yang dalam dan negatif.

Faktor-faktor yang menyebabkan degradasi tanah adalah: iklim, fisiografi, litologi, vegetasi dan tindakan manusia.

Gambar 5. Tanah yang rusak. Sumber: pexels.com

Oleh tindakan manusia dapat terjadi:

• Degradasi fisik tanah (misalnya, pemadatan dari praktik pertanian dan peternakan yang tidak tepat).
• Degradasi kimiawi tanah (pengasaman, alkalisasi, salinisasi, kontaminasi dengan bahan kimia pertanian, dengan limbah dari aktivitas industri dan perkotaan, antara lain tumpahan minyak).
• Degradasi biologis tanah (penurunan kandungan bahan organik, penurunan tutupan vegetasi, hilangnya mikroorganisme pengikat nitrogen, antara lain).

Kimia - hubungan lingkungan

Kimia lingkungan mempelajari berbagai proses kimia yang terjadi di tiga kompartemen lingkungan: atmosfer, hidrosfer, dan tanah. Menarik untuk meninjau pendekatan tambahan pada model kimia sederhana, yang mencoba menjelaskan transfer materi global yang terjadi di lingkungan.

-Model Garrels dan Lerman

Garrels dan Lerman (1981) mengembangkan model biogeokimia permukaan bumi yang disederhanakan, yang mempelajari interaksi antara atmosfer, hidrosfer, kerak bumi, dan kompartemen biosfer yang disertakan.

Model Garrels dan Lerman mempertimbangkan tujuh mineral penyusun utama planet ini:

1. Gipsum (CaSO ₄ )
2. Pirit (FeS ₂ )
3. Kalsium karbonat (CaCO ₃ )
4. Magnesium karbonat (MgCO ₃ )
5. Magnesium Silikat (MgSiO ₃ )
6. Besi oksida (Fe ₂ O ₃ )
7. Silikon dioksida (SiO ₂ )

Bahan organik penyusun biosfer (hidup dan mati), direpresentasikan sebagai CH ₂ O, yang merupakan perkiraan komposisi stoikiometri jaringan hidup.

Dalam model Garrels dan Lerman, perubahan geologis dipelajari sebagai transfer bersih materi antara delapan komponen planet ini, melalui reaksi kimia dan keseimbangan bersih kekekalan massa.

Akumulasi CO

Misalnya, masalah akumulasi CO ₂ di atmosfer dipelajari dalam model ini, dengan mengatakan bahwa: saat ini kami membakar karbon organik yang disimpan di biosfer sebagai batu bara, minyak, dan gas alam yang tersimpan di lapisan tanah di masa geologis yang lalu. .

Akibat pembakaran bahan bakar fosil yang intensif ini, konsentrasi CO _{2 di} atmosfer meningkat.

Peningkatan konsentrasi CO ₂ di atmosfer bumi disebabkan oleh fakta bahwa laju pembakaran karbon fosil melebihi laju penyerapan karbon oleh komponen lain dari sistem biogeokimia bumi (seperti organisme fotosintetik dan hidrosfer, misalnya).

Dengan cara ini, emisi CO ₂ ke atmosfer akibat aktivitas manusia melampaui sistem regulasi yang mengatur perubahan di Bumi.

Ukuran biosfer

Model yang dikembangkan oleh Garrels dan Lerman ini juga menilai bahwa ukuran biosfer bertambah dan berkurang sebagai akibat dari keseimbangan antara fotosintesis dan respirasi.

Selama sejarah kehidupan di Bumi, massa biosfer meningkat secara bertahap dengan tingkat fotosintesis yang tinggi. Hal ini menghasilkan penyimpanan bersih karbon organik dan emisi oksigen:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

Respirasi sebagai aktivitas metabolisme mikroorganisme dan hewan tingkat tinggi, mengubah karbon organik kembali menjadi karbon dioksida (CO ₂ ) dan air (H ₂ O), yaitu membalikkan reaksi kimia sebelumnya.

Keberadaan air, penyimpanan karbon organik, dan produksi oksigen molekuler sangat penting bagi keberadaan kehidupan.

Aplikasi Kimia Lingkungan

Kimia lingkungan menawarkan solusi untuk pencegahan, mitigasi, dan pemulihan kerusakan lingkungan yang disebabkan oleh aktivitas manusia. Di antara beberapa solusi ini, kami dapat menyebutkan:

• Desain material baru disebut MOF's (Metal Organic Frameworks). Ini sangat berpori dan memiliki kapasitas untuk: menyerap dan menahan CO ₂ , memperoleh H ₂ O dari uap udara di daerah gurun dan menyimpan H ₂ dalam wadah kecil.
• Konversi limbah menjadi bahan baku. Misalnya penggunaan ban bekas dalam produksi rumput tiruan atau sol sepatu. Juga penggunaan limbah pemangkasan tanaman, dalam menghasilkan biogas atau bioetanol.
• Sintesis kimia pengganti CFC.
• Pengembangan energi alternatif, seperti sel hidrogen, untuk pembangkit listrik non-polusi.
• Pengendalian polusi atmosfer, dengan filter inert dan filter reaktif.
• Desalinasi air laut dengan osmosis balik.
• Pengembangan bahan baru untuk flokulasi zat koloid yang tersuspensi dalam air (proses pemurnian).
• Pembalikan eutrofikasi danau.
• Perkembangan "kimia hijau", sebuah tren yang mengusulkan penggantian senyawa kimia beracun dengan yang lebih sedikit beracun, dan prosedur kimia yang "ramah lingkungan". Misalnya, diterapkan dalam penggunaan pelarut dan bahan baku yang tidak terlalu beracun, di industri, di dry cleaning cucian, dan lain-lain.

Referensi

1. Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J., dan Cantrell, CA (1985). Mekanisme kimiawi pembentukan asam di troposfer. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, PJ (1970). Pengaruh nitrogen oksida pada kandungan atmosfer. QJR Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, RM dan Lerman, A. (1981). Siklus Fanerozoikum karbon sedimen dan belerang. Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Alam. Amerika Serikat 78: 4.652-4.656.
4. Hester, RE dan Harrison, RM (2002). Perubahan Lingkungan Global. Royal Society of Chemistry. hlm 205.
5. Hites, RA (2007). Unsur Kimia Lingkungan. Wiley-Interscience. hlm 215.
6. Manahan, SE (2000). Kimia Lingkungan. Edisi ketujuh. CRC. hlm 876
7. Molina, MJ dan Rowland, FS (1974). Penyerap stratosfer untuk klorofluorometana: Penghancuran ozon yang dikatalis oleh atom klorin. Alam. 249: 810-812.
8. Morel, FM dan Hering, JM (2000). Prinsip dan Aplikasi Kimia Perairan. New York: John Wiley.
9. Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E., dan Goliff, WS (2011). Tinjauan tentang Kimia Atmosfer Troposfer dan Mekanisme Kimia Fase Gas untuk Pemodelan Kualitas Udara. Atmosfir, 3 (1), 1–32. doi: 10.3390 / atmos3010001