Scheikunde met beide voeten aan de grond!

Scheikunde met beide voeten aan de grond!
Scheikunde is best wel aard-ig
een chemische benadering van bodemverontreiniging
In 2011 probeerde een werknemer van Chemiepack een bevroren pomp te ontdooien met een
snijbrander. Bij de zeer grote brand die daarbij ontstond zijn veel chemicalien in het bluswater
terecht gekomen zoals je aan de paarse kleur van het water op de rechter foto kan zien. Een groot
deel van dit bluswater is de bodem in getrokken samen met de chemicalien. Dit gebied is nu
ongeschikt om in te werken of te wonen. Er zijn gelukkig technieken om de grond weer schoon te
maken en bruikbaar voor de mens.
vooraf
achteraf
De brand bij Chemiepack is een spectaculair voorbeeld van
bodemverontreiniging. Meestal komt bij het ontstaan van
bodemverontreiniging geen explosies aan te pas en is er sprake
van lekkage of slordig werken. Zo kan er ongemerkt een grote
vervuiling ontstaan zoals in het plaatje hiernaast.
Op het kaartje hiernaast zie je waar de ongeveer
400000 plekken met bodemverontreiniging in
Nederland voorkomen.
Je ziet dat bodemverontreiniging een wijd verbreidt
probleem is. De verontreiniging is schadelijk voor de
mens en het ecosysteem. Het is een directe
bedreiging voor onze drinkwater voorziening die in
ons land vooral op grondwater is gebaseerd. Omdat
er niet mag worden gebouwd op verontreinigde
grond houdt bodemverontreiniging veel
bouwprojecten tegen wat de economische groei
remt. Het blijkt dat de verontreiniging niet op
dezelfde plek in de bodem blijft zitten maar zich
langzaam verspreid. Het probleem wordt dus steeds
groter!
Verpreiding van vuiling door de bodem
ontvanger/receptor
pad
bron
Wat kan er gedaan worden om deze vervuiling op te ruimen?
Om deze vraag te beantwoorden moeten eerst meer weten over de soorten verontreinigingen en
hun eigenschappen.
Soorten vervuiling
Er zijn vele soorten vervuiling van de bodem. De chemische en natuurkundige eigenschappen zijn van
belang om de beste methode van opruimen te kiezen. Je kan de verontreiniging in 3 grote groepen
indelen;



Zware metalen. Zouten waarin giftige ionen (bv Zn2+, Cd2+, enz.) zitten van zware metalen.
Organische verbindingen zoals de koolwaterstoffen diesel en benzeen.
Organische verbindingen met een halogeenatoom zoals trichlooretheen. Dit soort
verbindingen werd onder andere gebruikt om te ontvetten.
Soorten sanering
Het schoon maken van de bodem wordt saneren genoemd. Welke saneringstechniek wordt gekozen
hangt af van de stofeigenschappen van de verontreiniging en van factoren zoals de snelheid
waarmee er moet worden opgeruimd en de kosten die daaraan zijn verbonden. De volgende
technieken worden veel gebruikt;



Afgraven en de vervuilde grond verwerken in een fabriek.
Bodem op zijn plaatst houden en de verontreiniging extraheren
Bodem op zijn plaatst houden en de verontreiniging in de bodem omzetten in onschadelijke
stof. (In-situ afbraaktechnieken)
Vraag:
Het afgraven van grond en daarna verhitten tot 800 graden Celsius waardoor de
verontreiniging verbrandt is een lang bestaande techniek. Leg met chemische argumenten
uit voor welk van de 3 typen verontreiniging deze techniek niet geschikt is.
Vraag:
Tegenwoordig wordt er bij voorkeur niet afgegraven omdat dit minder duurzaam is. Geef
een argument waarom afgraven minder duurzaam dan in-situ afbraak?
In-situ afbraaktechnieken
In-situ afbraaktechnieken zijn technieken die de verontreinigingen terplekke in de bodem afbreken.
Je laat de bodemstructuur intact. Onder in-situ afbraaktechnieken vallen de volgende technieken:



Chemische reductie (met ijzer)
Chemische oxidatie (ISCO) met verschillende soorten oxidatoren
Versnelde natuurlijke afbraak
Je ziet aan de woorden reductie en oxidatie dat reacties met elektronen overdracht een belangrijke
rol spelen bij het afbreken van verontreinigingen. De zo worden (gechloreerde) koolwaterstoffen
omgezet onschadelijke stoffen zoals etheen. Deze stof komt van nature in de bodem voor.
Vraag:
Stel de halfreactie op van de omzetting van benzine (octaan (C8H18) in etheen (C2H4), water,
H+ en elektronen spelen ook een rol in deze halfreactie.
Vraag:
Leg met chemische argument uit of het zin heeft fijn verdeeld ijzer toe te voegen aan de
bodem om een verontreiniging met benzine op te ruimen.
In het algemeen hebben koolwaterstoffen een lage redoxpotentiaal en kunnen reageren als een
reductor. Gechloreerde koolwaterstoffen hebben een iets hogere rodoxpotentiaal en kunnen
daardoor zowel reductor als oxidator zijn. Je kan dus heel veel verschillende stoffen in de vervuilde
bodem brengen die met de verontreiniging zullen reageren mits ze de juiste redoxpotentiaal hebben.
In-situ chemische oxidatie
Bij een bodemsanering door in-situ chemische oxidatie (ISCO) wordt een sterk oxidatiemiddel in de
bodem gebracht. Hierdoor wordt de verontreiniging langs chemische weg afgebroken (geoxideerd),
waarbij onschadelijke verbindingen worden gevormd. Met deze techniek is een grote hoeveelheid
aan verontreiniging in een korte periode te verwijderen uit de bodem en blijft er vergeleken met
andere in-situ technieken slechts een kleine restverontreiniging achter.
Het belangrijkste aspect bij een ISCO-sanering is dat het oxidatiemiddel voldoende in contact moet
komen met de verontreiniging. Daarom is een goede bodemdoorlatendheid bepalend voor de
effectiviteit en het succes van de sanering. Ook een niet te lage grondwaterstand is een belangrijke
voorwaarde voor het slagen van de sanering, alsmede een niet te hoog gehalte aan organisch
materiaal (planten resten) in de grond.
Vraag:
Geef een chemisch argument waarom teveel plantenresten (bv veen) in de bodem de
afbraak van de verontreiniging verstoord.
Een oplossing van het oxidatiemiddel wordt de grond in gebracht met een injectiesysteem dat is
afgestemd op de omstandigheden ter plaatse.
Vraag:
Geef een technisch argument waarom de waterstand in de bodem hoog moet zijn voor een
effectiever omzetting van de verontreiniging.
Veel gebruikte oxidatoren voor ISCO
Oplossingen van de volgende stoffen worden veel gebruikt om verontreiningen te oxideren.
waterstofperoxide (H2O2),( natrium)permanganaat (Na+ MnO4-) en (natrium)persulfaat (Na+2S2O82-).
Dit zijn sterke oxidatoren die met veel verontreinigen kunnen reageren en geen giftige
restproducten achterlaten. Ook zijn deze stoffen relatief goedkoop wat voor de economische
haalbaarheid van een sanering van belang is. De stoffen verschillen onder andere in de tijd dat ze
actief blijven in de bodem. De werkzaamheid van H2O2 is maar 1 a 2 dagen, permanganaat (MnO4-)
werkt een paar maanden en persulfaat (S2O82-) werkt tot een jaar in de bodem.
Injectie voor oxidator in de grond
Vraag: Hoe bereken je hoeveel moet je de grond in pompen?
Je krijgt als consultant het volgende probleem. Uit een ondergrondse tank van een
benzinestation is 200L diesel gelekt. Je gaat natriumpersulfaat gebruiken om de
verontreiniging te saneren. Het persulfaat reageert maar voor 20% met de diesel, de rest
reageert met andere (niet schadelijke) stoffen in bodem. Hoeveel kg van deze oxidator
moet je bestellen om het benzine station te saneren?
Gebruik de volgende gegevens;
De chemische formule voor diesel is bij benadering C13H28
De dichtheid van diesel is 0,84 kg L-1
De halfreactie van diesel is : C13H28 + 26H2O  13CO2 + 80H+ + 80eDe halfreactie van persulfaat is : S2O82- +2e-  2SO42We gaan in stapjes naar het antwoord werken
Bereken het aantal mol diesel in de 200 L
Stel m.b.v. de halfreacties de totaal reactie tussen persulfaat en diesel op en bereken het
aantal mol natriumpersulfaat dat je bij 100% effectiviteit nodig hebt.
Corrigeer voor de 20% effectiviteit en bereken het aantal kilogram natriumpersulfaat wat
je nodig hebt.
Invloed van ICSO op de bodem
Omdat de verontreiniging bij een ISCO-sanering wordt geoxideerd, worden de omstandigheden in de
bodem zuurstofrijker. In sommige gevallen heeft dit een positief effect op biologische
afbraakprocessen. Hier staat echter tegenover dat bacteriën (die uit organisch materiaal bestaan)
ook geoxideerd worden. Omdat bacteriën in zeer kleine bodemporiën onbereikbaar blijven voor het
oxidatiemiddel en kunnen overleven, gaat de bodem door ISCO overigens niet biologisch dood.
Verder vindt bij de toepassing van alle oxidatiemiddelen zuurvorming plaats, en kan ook de
doorlaatbaarheid van de bodem worden beïnvloed. Afhankelijk van het gebruikte oxidatiemiddel kan
deze hoger of juist lager worden.
Vraag:
De doorlaatbaarheid van een bodem die wordt behandeld met kaliumpermanganaat
(KMnO4) neemt in de loop van de tijd af. Leg m.b.v. de halfreactie in de binas uit waarom
dit gebeurd.
Natuurlijke afbraak
Veel soorten bodemverontreiniging kunnen door natuurlijke afbraak langzaam (100 jaar) uit de
bodem worden verwijderd. In de meeste gevallen gaat het hierbij om biologische afbraak waarbij
micro-organismen zoals bacteriën de verontreiniging afbreken. Welke bacterie aan de slag gaat, en
met welk afbraakproces, hangt af van het soort afval en het milieu in de bodem. De belangrijkste
randvoorwaarde is dat de omstandigheden in de bodem zodanig zijn dat de micro-organismen er
goed kunnen gedijen. Met name het voedsel, ingrediënten voor de ademhaling, de temperatuur, de
zuurtegraad, en het voorkomen van toxische verbindingen zijn van belang. Deze bepalen welke
micro-organismen voorkomen, en welk afbraakproces mogelijk is. Door de omstandigheden voor de
mirco-organismen optimaal te maken kan je het afbraakproces versnellen.
Biologische ademhaling van belang voor de afbraak
Er komen van nature in de bodem microben voor die verontreinigingen kunnen verteren. Om te
begrijpen hoe dat kan moeten wat dieper ingaan op de biologische processen die plaatsvinden in de
cel.
Alle levende organismen halen adem en verbranden voedsel om energie op te wekken. Soms bestaat
dat voedsel uit zelf aangemaakte glucose die is aangemaakt d.m.v. fotosynthese. Deze glucose wordt
door dissimilatie met behulp van zuurstof omzet in een energiedrager voor de cel, ATP. Het glucose
wordt m.b.v water omgezet in CO2 en H+ en elektronen terwijl de zuurstof met H+ en elektronen
wordt omgezet in water
Vraag:
Stel de halfreacties en de totaal reactie op voor de omzetting van glucose in waterig milieu
met zuurstof tot koolstofdioxide en water
Voor het aanmaken van ATP zijn altijd redoxreacties van belang omdat die reacties de energie
aanleveren. Het voedsel is altijd een reductor en levert elektronen terwijl voor de ‘ademhaling’ een
oxidator nodig is om de elektronen kwijt te raken. Het gebruik van zuurstof is een relatief recente
evolutionaire ontwikkeling. Wegens de hoge redoxpotentiaal van zuurstof is dit gas erg giftig voor
veel organismen. Je eigen lichaam bevat dan ook veel enzymen die je beschermen te gen de
giftigheid van zuurstof. De organismen, zoals jezelf, die wel overweg kunnen met zuurstof kunnen
veel energie halen uit hun voedsel door het grote potentiaal verschil van de redoxreactie. In de loop
van de evolutie zijn er organismen ontstaan met die een veelheid aan reductoren en oxidatoren
kunnen gebruiken. Voorbeelden van oxidatoren die door organismen gebruikt worden zijn , in
afnemende redoxpotentiaal.
O2
Mn4+
NO3Fe3+
SO42CO2
De reactie van sulfaat als oxidator vindt volgens de Binas (tab 49) alleen plaats in warm
geconcentreerd zwavelzuur. Een organisme zal dit niet overleven. Door gebruik te maken van
katalysatoren kan een cel deze reactie ook in water bij neutrale pH en lage temperatuur laten
plaatsvinden.
Vraag:
Hoe worden de katalysatoren in een cel genoemd?
Een op het eerste gezicht vreemde stof om in te ademen is koolstofdioxide. Toch vindt dit veel plaats
en de microben die dit kunnen hebben een grote invloed op ons klimaat. Ze maken moerasgas
oftewel methaan aan, een sterk broeikasgas. Moerasgas zijn de gasbellen die je soms in modderige
sloten omhoog ziet komen.
Vraag:
Stel de halfreactie van koolstofdioxde als oxidator op. Methaan , H+ en water komen ook
voor in de halfreactie.
Er zijn zelfs organismen die een metalen oppervlak kunnen gebruiken om hun elektronen
rechtstreeks aan kwijt te raken. Deze elektrode fungeert dan als oxidator. Voor het organisme is
alleen van belang dat het de elektronen die vrijkomen uit het voedsel kwijt kan. Een voorbeeld Eplant?
Oefening concentraties en potentialen verder uitwerken?
Samenvattend
Organische bodemverontreiniging wordt afgebroken door oxidatieprocessen. Dit betekent dat er
elektronen vrijkomen uit de veronteiniging. De reactie kan dus alleen plaatsvinden als zich in de
bodem tevens stoffen bevinden zie deze elektronen weer op kunnen nemen, zoals zuurstof, nitraat,
ijzer(III)-ionen, sulfaat of koolstofdioxide. Of zo´n gecombineerde reductie-oxidatie (redox)-reactie
kan plaatsvinden is de bepalende factor voor de mogelijkheid van natuurlijke afbraak.
Vraag:
Het gebruik van waterstofperoxide zal in eerste instantie de biologische afbraak nagenoeg
stilleggen maar in de periode na het uitwerken van het waterstofperoxide (2 dagen) vindt
er juist extra biologische afbraak plaatst. Welk gas dat is ontstaan zorgt voor deze
versnelling?
uitbreiden?
Een voorbeeld, VOCl
VOCl zijn Vluchtige OrganoChloor-verbindingen, ofwel vluchtige alifatische chloorkoolwaterstoffen.
VOCl worden gebruikt als oplosmiddel en/of ontvettingsmiddel in de metaal- en galvanische-, de
elektronische- en de grafische industrie, als reinigingsmiddel bij chemische wasserijen, als
bestanddeel van PVC, en als hulpstof in de voedingsmiddelenindustrie. Ook in huis zijn VOCl vaak in
omloop, bijvoorbeeld in printerinkt en verfverwijderaar. Omdat ze zo veel gebruikt worden zijn er tot
ruim tien jaar geleden veel locaties verontreinigd geraakt met deze stoffen. En dat is vervelend, want
VOCl zijn in vergelijking met andere verontreinigingen relatief toxisch (gifitg). Bovendien breken ze
langzaam af, verspreiden ze zich gemakkelijk en zakt puur product door het hoge soortelijk gewicht
vaak diep de bodem in.
De risico's die VOCl met zich meebrengen zijn te onderscheiden in humane-, ecotoxicologische- en
verspreidingsrisico's. Afhankelijk van de blootstelling aan VOCl kunnen acute (directe) of chronische
(lange termijn) effecten optreden. Bij blootstelling door bodemverontreiniging treden de acute
effecten overigens zelden op. Om de risico's terug te dringen wordt een VOCl verontreiniging
gesaneerd.
Je kan een veel voorkomende verontreiniging als trichlooretheen verwijderen door het te laten
reageren met H2O2. Hierbij ontstaan onder andere water, koolstofdioxide, zuurstof en chloride.
Vraag:
Stel de eerst de halfreactie op van trichlooretheen en zoek daarna de juiste halfreactie
van waterstofperoxide op in de binas (tab 49). Combineer deze tot een totaal reactie.
Vraag:
Welke stof in de vorige vraag is de reductor?
Sanering van VOCl + koolwaterstof verontreinigingen
Op veel plaatsen is de bodem verontreinigd met een mengsel van stoffen. Dit kan het opruimen
bemoeilijken. Soms heeft de natuur een meevaller in petto. Zo blijkt de combinatie van
koolwaterstoffen, zoals vet en diesel, en gechloreerde koolwaterstoffen, zoals de vetverwijderaar
trichlooretheen, biologisch afbreekbaar. Als eerste stap wordt trichlooretheen omgezet in
dichloorethen, andere microben zetten het om in chlooretheen en uiteindelijk in etheen, een stof die
van nature voorkomt in de bodem.
Ontgraving bij VOCl-verontreinigingen wordt alleen toegepast ten behoeve van bronverwijdering.
Hierbij wordt grond met zeer hoge VOCl-gehalten verwijderd. Deze hoge concentraties zijn toxisch
voor de micro-organismen.
Vraag:
Wat is hier het voedsel en welke stof wordt ingeademd?
Vraag:
Berekening benzeen met PCE? Bv 100 liter
Vervuiling bij jouw inde buurt?
Zoek op www.soilpedia.nl naar een plek bij jouw in de buurt die wordt gesaneerd. De vervuiling is
dichterbij dan je denkt!