PWS Blue Energy - Profielwerkstuk Natuurkunde

Blue Energy
Thijs van der Zaan
Martijn Klein
Profielwerkstuk V6
NLT
Fase 3 Profielwerkstuk
Wat is het optimale vermogen van onze
RED-cel?
Profielwerkstuk VWO 6
Martijn Klein
Thijs van der Zaan
2012
Begeleidt door J.J. van Nieuwaal
2
‘Als alle water van de Rijn gebruikt zou worden en het
proces voor 100% effectief zou zijn, dan zou 70% van
de Nederlandse elektriciteitsconsumptie met Blue
Energy gemaakt kunnen worden’
Drs. Joost Veerman, docent Life Science & Technology
op de NHL Hoge school te Leeuwarden op clubgreen.nl
3
Inhoud
1.
Opzet .................................................................................................... 5
2.
Inleiding ................................................................................................ 6
3.
Voorkennis............................................................................................ 7
4.
De Opstelling ...................................................................................... 11
5.
Chemische reacties ............................................................................ 14
6.
Invloed van de zoutconcentratie ....................................................... 16
7.
Invloed van de stroomsnelheid van het water .................................. 17
8.
Invloed van de temperatuur van de elektrolytvloeistof .................... 18
9.
Invloed van de stroomsnelheid van de elektrolytvloeistof ............... 20
10. Mogelijkheden met de reactiesnelheid .............................................. 21
11. Discussie ............................................................................................. 26
12. Eindconclusie ...................................................................................... 28
13. Tijdschema’s ....................................................................................... 32
14. Bronvermelding .................................................................................. 37
14. Bijlagen ............................................................................................... 38
4
1. Opzet
Tweetal
Martijn Klein & Thijs van der Zaan
Onderwerp
Blue Energy
Hoofdvraag
Wat is het optimale rendement van onze RED Cel?
Deelvragen
1 Hoe werkt een RED-cel?
2. Wat voor invloed heeft de stroomsnelheid van het zoete/zoute water
op het vermogen?
3 Wat voor invloed heeft in zoutconcentratie van het water op het
vermogen?
4. Wat voor invloed heeft de stroomsnelheid van de elektrolytoplossing
op het vermogen?
5. Wat voor invloed heeft de temperatuur van het de elektrolytvloeistof
voor invloed op het vermogen
6. De RED-cel in het groot?
5
2. Inleiding
In de nabije toekomst zijn, volgens verschillende wetenschappelijke onderzoeken, de fossiele
brandstoffen op onze planeet volledig opgebrand. Aardgas zou niet meer aanwezig zijn in het
jaar 2068. Aardolie is op in 2047 1. Hoe moet het nu verder met de energiebehoeftes op aarde?
Windmolens moeten nog vele verbeteringen ondervinden voor ze echt effectief kunnen zijn2.
Wind is dus misschien niet de oplossing.
De hoeveelheid water op aarde dat zich in rivieren bevindt, is op dit moment ongeveer 1 360
km3. 3 Rivierwater is zoet, en mondt uit in een zee, die zout water bevat. Waar een rivier in een
zee uitmondt, is het mogelijk een ‘Blue Energy Centrale’ op te starten.
Er zijn twee manieren om energie op te wekken met behulp van dit water. Samen worden deze
‘Blue Energy’ genoemd. De ene manier berust op de verschillende osmotische waarden van zoet
en zout water. Hierdoor kan er door passieve verplaatsing van het water hoogte energie aan het
water worden meegegeven. Passief betekend hier dat het geen extra energie behoefd. Deze
techniek heet ‘pressure retarded osmosis’: afgekort tot PRO.
Een andere manier is afgekort met de term ‘RED’. ‘RED’ staat voor ‘reverse electrodialysis’. Het
idee achter deze techniek is dat je zoet en zout water langs een membraan laat stromen. Door
gebruik te maken van verschillende membranen komt er uiteindelijk een elektronenstroom op
gang. Een stroomkring!
Hoe onze RED-cel in elkaar zit, hoe deze werkt en welke chemische processen er optreden gaan
we uitleggen in de volgende hoofdstukken. We zullen u niet direct in het diepe laten vallen en u,
naast de nodige voorkennis, het principe achter de RED-cel uitleggen.
1.
2.
3.
www.energy.eu | 10-10-2011
http://www.bwea.com/edu/ | 10-10-2011
http://mediatheek.thinkquest.nl/~ll055/waternl/earth.htm | 5-10-2011
6
3. Voorkennis
Reverse electrodialysis is een manier om stroom op te wekken door gebruik
te maken van de opgeloste ionen in zout water. Daarnaast gebruikt men zoet
water, dat nauwelijks ionen bevat. Er is hier allereerst sprake van een verschil
in osmotische waarde. De osmotische waarde heeft veel te maken met de
concentratie opgeloste stoffen in een vloeistof. Hoe groter deze
concentratie, hoe groter de osmotische waarde.
Diffusie en osmose
Diffusie en osmose komen veel in het menselijk lichaam voor. Diffusie vindt
eigenlijk overal plaats waar er deeltjes opgelost zijn in een vloeistof. In de
lichaamsvloeistoffen vindt er dus ook diffusie plaats. Osmose is ongeveer het
belangrijkste principe dat voor de werking van de nieren zorgt. Zo worden er
uit de voorurine allerlei zouten terug het bloed in gehaald. Ook hier worden
verschillende soorten membranen gebruikt, want er wordt ook water terug
het bloed in ‘gepompt’ voordat de voorurine het lichaam verlaat. Al deze
processen vinden plaats zonder dat er energie wordt gebruikt en vallen dus
onder passief transport.
Osmose is het scheikundige verschijnsel dat een vloeistof of ion passief
dus zonder dat het energie kost - door een semipermeabel membraan (Uitleg
over membranen: Vak 1) wordt getransporteerd door het verschil in de
osmotische waarden. Stelt u zich het volgende voor: als men in een bakje,
gevuld met water, een hoeveelheid keukenzout (natriumchloride | NaCl)
strooit, zal het zout oplossen (afbeelding 2). Naar verloop van tijd zal de
concentratie opgeloste zoutionen, die afkomstig zijn uit het keukenzout (Na+
en Cl-), overal in het water (in ruimte A) hetzelfde zijn. Dit verschijnsel heet
diffusie.
Een ander voorbeeld is de situatie waarbij men een (kleine) hoeveelheid
(aard)gas in een kleine ruimte vrij laat. Na verloop van tijd zal – mits men de
zwaartekracht op de moleculen verwaarloost de concentratie
aardgasmoleculen overal even groot zijn. Omdat er bij dit verschijnsel geen
energie gebruikt wordt, is er hier ook sprake van passief transport. Stelt u
zich nu een bakje water voor. De inhoud wordt verdeeld in twee – even grote
– gedeelten door er een membraan tussen te plaatsen. Deze opstelling is
afgebeeld in afbeelding 1. Voeg aan het water in ruimte A een hoeveelheid
keukenzout zoals te zien is in afbeelding 2. Het water bestaat nu uit drie
verschillende soorten deeltjes. Watermoleculen en chloor- en natriumionen.
Het membraan dat wordt gebruikt is een semipermeabel membraan. Dit
betekent dat het in dit geval of de watermoleculen of de ionen doorlaat. In
dit voorbeeld (afbeelding 1 t/m 3) is een membraan gebruikt dat alleen
watermoleculen doorlaat. De ionen die afkomstig zijn uit het keukenzout
kunnen het membraan dus niet passeren.
Vak 1: Membraan
Een membraan is een soort vlies
dat een afscheiding kan maken
tussen twee of meerdere
ruimten. Een stuk uit een
varkensmaag wordt bijvoorbeeld
vaak als membraan gebruikt. Een
semipermeabel membraan laat
maar een deel van de stoffen
door. Deze selectie kan berusten
op bijvoorbeeld deeltjesgrootte,
lading of fase waarin de stof zich
bevindt.
Afbeelding 1: Basisopstelling met
4
semipermeabel membraan
Afbeelding 2: Toevoegen van zout
(NaCl) aan een van de twee
4
hoeveelheden water
Afbeelding 3: Watertransport als
gevolg van het verschil in osmotische
4
waarden.
4. : LOI Cursus. Voedselconsulente , 2012
7
De oplossing in ruimte A heeft, dankzij de opgeloste ionen, een hogere
osmotische waarde gekregen als het water in ruimte B omdat ruimte B
nauwelijks tot geen ionen bevat, en ruimte A wel. Door dit verschil zal er
watertransport plaats gaan vinden. Het water stroomt van de kant van de
lage osmotische waarde (B) naar de kant van de hoge osmotische waarde (A)
zoals te zien is in afbeelding 3. Dit verschijnsel heet osmose. Bij osmose
wordt er altijd gestreefd naar gelijke osmotische waarden: een osmotisch
evenwicht.
Doordat het membraan alleen water doorlaat, wordt er water
getransporteerd naar de kant waar de osmotische waarde het grootst is. De
concentratie opgeloste stoffen in ruimte B wordt dan groter omdat de
hoeveelheid water kleiner wordt (In vak 2 staat meer uitleg over
concentratie). De concentratie opgeloste stoffen wordt in ruimte A kleiner
omdat de hoeveelheid water toeneemt en de hoeveelheid opgeloste stof
gelijk blijft. Door de kracht die deze osmose tot stand brengt wordt het water
als het ware omhoog gepompt. Dit gaat net zo lang door tot zich er een
evenwicht tussen de osmotische kracht en de zwaartekracht instelt of de
osmotische waarden van beide oplossingen gelijk worden.
Het proces kan ook omgedraaid worden. Als er een membraan gebruikt
wordt dat alleen ionen doorlaat gebeurt er iets anders. Een RED-cel maakt
gebruik van twee soorten membranen. De ene laat alleen positieve ionen
door, zogenaamde CEM membranen, en de andere laat alleen negatieve
ionen door: AEM membranen. Het transport van water door deze
membranen is niet mogelijk. In dit geval verplaatsen de ionen zich naar de
kant waar de concentratie opgeloste stoffen het kleinst is. Ook hier is sprake
van passief transport.
Vak 2: Concentratie
De concentratie opgeloste stof in
een oplossing is afhankelijk van
twee factoren: de hoeveelheid
opgeloste stof en de hoeveelheid
oplosmiddel. Als de hoeveelheid
oplosmiddel een keer zo groot
wordt, wordt de concentratie een
keer zo klein. Wordt de hoeveelheid
opgeloste stof een keer zo groot,
dan wordt de concentratie ook een
keer zo groot.
Afbeelding 4: Het natriumatoom. Het
getal 11 staat voor het aantal
protonen. 22,99 is het massagetal.
Tevens geldt het massagetal voor het
aantal kerndeeltjes: pro- en
neutronen. Elektronen hebben een
5
verwaarloosbare massa.
Eigenlijk komen osmose en diffusie op hetzelfde neer. Het verschil tussen
deze processen is dat er bij osmose een semipermeabel membraan aanwezig
is, en bij diffusie niet. Als de oplossingen die je bij osmose gebruikt
verschillen in de concentratie opgeloste stoffen – de osmotische waarde –
dan kan er door het membraan transport van water en/of ionen
plaatsvinden. Diffusie vindt altijd in maar één vloeistof plaats.
Elektrolytvloeistof
Zout en zoet water zijn niet de enige vloeistoffen die worden gebruikt in de
RED-cel. Er wordt door de opstelling ook nog een geelkleurige vloeistof
gepompt: de elektrolytvloeistof. Allereerst iets over de samenstelling. De
elektrolytvloeistof is een oplossing van drie zouten in water. Er is een
hoeveelheid keukenzout (NaCl) in opgelost waardoor de concentratie van dit
zout in de oplossing 0,1 Molair wordt. Dit houdt in dat er 0,1 mol per liter van
deze stof in de oplossing aanwezig is. Een mol is een eenheid in de
scheikunde die wordt gebruikt voor het bepalen van de hoeveelheid stof (zie
vak 3). Allereerst hoort er bij ieder element een ‘molaire massa’. Deze
5. : BINAS, Noofdhoff Uitgevers, Door CEVO toegestaan hulpmiddel bij examens exacte vakken, 2012
Vak 3: De mol
De mol is een eenheid waarmee in
de scheikunde wordt gerekend. Met
deze eenheid kun je een
hoeveelheid (in gram) stof
uitdrukken. Deze hoeveelheid is
afhankelijk van de molaire massa
van de stof. Deze waarde is voor
ieder element te vinden in het
elementair systeem.
8
waarde geeft aan hoeveel gram van deze stof er ‘in één mol stof gaat’. Zo is 1
mol Natrium gelijk aan 22,99 gram. Deze waarden zijn te vinden in het
elementair systeem (afbeelding 4). 0,1 Mol natriumchloride komt ongeveer
overeen met een massa van 5,8 gram per liter. Naast keukenzout bevindt er
zich ook Geel- en Rood bloedloogzout in de elektrolytoplossing. Dit zijn
ingewikkelde stoffen met een IJzercyanide complex (afbeelding 5). De
moleculeformules van deze stoffen zijn [K3Fe(CN6) – Rood bloedloogzout] en
[K4Fe(CN6) – Geel bloedloogzout]. Deze stoffen zijn in de elektrolytoplossing
beide aanwezig in de concentratie van 0,05 Molair wat neerkomt op een
massa van 16,5 gram (rood bloedloogzout) en 18,5 gram (geel bloedloogzout)
per liter water.
Afbeelding 5: Het IJzercyanide
6
complex
De functie van de elektrolytoplossing is ingewikkeld. De bedoeling van de
RED-cel is het op gang brengen van een elektronenstroom: een stroomkring.
De elektrolytvloeistof zorgt hier voor. De elektrolytoplossing gaat ionen uit
het zoute water opnemen en ionen aan het zoete water afgeven. Bij dit
proces vinden er zich redoxreacties plaats. Eerst leggen we u uit wat een
redoxreactie is en in een volgend hoofdstuk leggen we de precieze reacties
die in onze RED-cel plaatsvinden uit. [Hoofdstuk 5, Chemische reacties,
bladzijde 14 ]
Redoxreacties
Een redoxreactie is een scheikundige reactie die berust op de uitwisseling van
elektronen tussen verschillende stoffen die mee doen aan deze reactie. Een
redoxreactie vindt plaats tussen twee stoffen: een reductor en een oxidator.
De stof die geldt als ‘reductor’ staat een elektron af aan de oxidator. Deze
neemt het elektron vervolgens op. Allereerst zullen we iets vertellen over de
bouw van een atoom.
Het atoom is de bouwsteen van een molecuul. Alles om je heen is
opgebouwd uit moleculen. Een atoom bestaat uit drie verschillende soorten
deeltjes: protonen, neutronen en elektronen zoals is afgebeeld in afbeelding
6. Het atoom heeft een kern met daar omheen een elektronen ‘wolk’. De
kern bestaat uit protonen, die positief geladen zijn, en uit ongeladen
neutronen. De kern is dus positief geladen. De elektronen die om de kern
heen cirkelen zijn negatief geladen. Omdat een atoom altijd neutraal geladen
is heeft het dus evenveel elektronen als protonen. Door de hoeveelheid
neutronen, protonen en elektronen te variëren, kun je ontzettend veel
verschillende atoommodelletjes creëren. Zo heeft ieder element zijn eigen
atoomsamenstelling. De samenstelling die afgebeeld is in afbeelding 6
behoort bijvoorbeeld bij het element helium. Een heliumatoom bestaat dus
uit 2 neutronen, 2 protonen en 2 elektronen (afbeelding 7).
Afbeelding 6: Atoommodel met
elektronen (geel), protonen
7
(rood) en neutronen (groen)
Afbeelding 7: Element Helium in
het elementair systeem. 4,003 is
de molaire massa. Het getal 2
5
geeft het aantal protonen weer
Bij een redoxreactie gaat het om de elektronen. Deze kunnen namelijk tussen
atomen uitgewisseld worden. Dat is precies wat er bij een redoxreactie
gebeurt. U kunt zich voorstellen dat als een atoom een elektron, met een
5. : BINAS, Noofdhoff Uitgevers, Door CEVO toegestaan hulpmiddel bij examens exacte vakken, 2012
6. : http://www.trueknowledge.com/ , 2012
7. : www.wetenschap.infonu.nl/ , 2011
9
negatieve lading, kwijtraakt, de lading van dit atoom verandert. Een atoom is
neutraal geladen, dus er zijn even veel protonen als neutronen aanwezig. Als
er een elektron weg gaat, mist dit atoom dus negatieve lading. De totale
lading van dit atoom wordt dus positiever ten opzichte van de eerste situatie.
We noemen het dan een ion (definitie van een ion: zie vak 4). We noteren de
lading van het ion met een plusje of een minnetje: Cl –, Na +. Een ander
voorbeeld is het element ijzer. Het ion ijzer kan twee verschillende ladingen
aannemen: Fe2+ en Fe3+. Deze ionen zijn twee of drie ionen kwijtgeraakt.
Vak 4: Het ion
Een ion is een atoom met een
overschot of tekort aan
elektronen. Het verliest
hierdoor zijn neutrale lading.
De lading van het ion noteren
we met een plusje of een
minnetje.
De belangrijkste ionen die zich in het zoute water bevinden zijn natrium en
chloride ionen. Zoals op de vorige pagina’s al te lezen was heeft het chloride
ion een lading van -1 en het natriumion een lading van +1. Doordat zeewater
deze ionen met tegengestelde ladingen bevat en in overvloed beschikbaar is,
is het geschikt voor ‘Blue Energy’. Doordat in een RED-cel verschillende
membranen die of positief geladen of negatief geladen deeltjes doorlaten,
kunnen we door middel van osmose deze deeltjes van elkaar scheiden.
Hierdoor vinden er allerlei reacties plaats in de cel. Hoe deze reacties precies
verlopen komt in een volgend hoofdstuk ter sprake.
10
4. De Opstelling
Onze RED-Cel is opgebouwd uit een aantal onderdelen. We vertellen in
een volgend hoofdstuk hoe we aan deze onderdelen komen. Voor de
duidelijkheid zullen we eerst de hoofdonderdelen introduceren.
De behuizing van onze opstelling bestaat uit twee dikke plexiglazen platen
(afbeelding 1). Naast deze platen, die ongeveer 30 centimeter lang en
breed zijn, hebben we 21 membranen (afbeelding 3), 20 spacers en 20
pakkingen. Een spacer is een soort sponsje waarin water kan worden
opgeslagen en doorheen kan stromen. De spacers hebben een dusdanige
vorm dat ze precies in de uitsparing van de pakkingen passen (afbeelding
6). Als laatste hebben we nog twee elektroden, gemaakt van Titanium
(afbeelding 2). In de volgende alinea’s gaan we uitleggen hoe deze
onderdelen in het pakket passen en waar ze voor dienen.
In de plexiglazen platen, die ongeveer drie centimeter dik zijn, zijn
verschillende gaten en leidingen gefreesd. Ten eerste zijn er leidingen
doorheen geboord waardoor de elektrolytvloeistof kan stromen. Aan de
onderzijde van de plaat, die in afbeelding 4 is genummerd met het cijfer 1,
zijn vier gaten geboord waarin slangkoppelingen kunnen worden
bevestigd. Aan de bovenzijde is een uitsparing van ongeveer 3 millimeter
diep met in het midden een gat, waarin precies de elektroden passen
(afbeelding 2) De staven van de elektroden worden door deze gaten
gestoken en vormen een waterdichte afsluiting. De staven steken aan de
andere kant van de plaat een stukje uit zodat hier een stroom geleidende
draad op aangesloten kan worden.
Afbeelding 1: Kopplaat
Afbeelding 2: Elektroden
Afbeelding 3: Membranen
11
Afbeelding 4: Schematische voorstelling van de RED-cel met 1 werkende eenheid.
8
We maken gebruik van 2 verschillende soorten membranen. De ene soort
laat alleen positief geladen ionen door (Anion Exchange Membrane, AEM)
en de andere soort alleen negatief geladen ionen (Cathion Exchange
Membrane, CEM). De CEM membranen zijn in afbeelding 4 genummerd
met het cijfer 2. Het AEM membraan met een 4. Hoe en waarvoor de
verschillende soorten gebruikt worden vertellen we later in dit hoofdstuk.
De AEM- en CEM-membranen worden om en om gestapeld, met
daartussen afwisselend ‘zoet-‘ en ‘zoutwater’ spacers. Zoals eerder
gezegd, zijn spacers een soort sponsjes die zich kunnen vullen met water
(vak 6). De spacers zijn in afbeelding 4 genummerd met het getal 3.
Afhankelijk van hoe de pakking, die zich om de spacer heen bevindt,
geplaatst is, stroomt er zoet of zout water door de spacer. Zo wordt in
afbeelding 4 de linker spacer een zoetwater spacer, omdat deze in
verbinding staat met de zoetwater stroom. De rechter spacer is een
zoutwater spacer, omdat deze in verbinding staat met de zoutwater
stroom. Het water wordt aan- en afgevoerd door de slangaansluitingen
aan de beginplaat (afbeelding 5) en door de gaten in de spacers en
membranen, die een kanaaltje vormen. Door de pakkingen op de juiste
manier te plaatsen, stroomt er dus aan de ene kant van het membraan
zoet water, en aan de andere kant zout water (afbeelding 4). Door de
schuine vorm van de pakking (afbeelding 6) zijn er steeds twee kanaaltjes
die niet verbonden zijn en twee kanaaltjes die wel met elkaar verbonden
zijn. Als de kanaaltjes niet met elkaar verbonden zijn, stroomt het water
gewoon via het kanaaltje door naar de volgende spacer. Zijn de kanaaltjes
wel verbonden, gaat een deel van het water door de spacer naar de
afvoer en een deel via het kanaaltje naar de volgende spacer.
Afbeelding 5: Beginplaat met
slangkoppelingen
Afbeelding 6: Spacers en pakkingen
Vak 6: Spacers
Spacers zijn geweven structuren
gemaakt van kunststof. Ze reageren
niet met het water en functioneren
als wateropslag. Ze zorgen er ook
voor dat er een kleine ruimte tussen
de membranen blijft als de
kopplaten op elkaar worden
gedraaid zodat er water tussen de
membranen door kan blijven lopen.
Zoals op afbeelding 5 goed te zien is, zijn er totaal 6 slangaansluitingen op
de begin- en eindplaat aanwezig. De aansluitingen op het grote vierkante
deel zorgen voor de in- en uitstroom van het zoete en zoute water, zoals
eerder omschreven. Om het water onze opstelling in te pompen
gebruiken we brandstofpompjes. We sluiten deze aan op een variabele
spanningsbron zodat we onze metingen kunnen uitvoeren met de
instroomsnelheden als variabelen. Twee slangen zorgen voor de instroom
van het water, en twee slangen zorgen voor de uitstroom. Deze laatste
twee kunnen later worden samengevoegd omdat het restproduct van
beide processen brak water is.
8: Handleiding bouwpakket Blue Energy, Wageningen University, 2012
12
Het proces dat in onze opstelling plaatsvindt berust op redoxreacties. Bij
redoxreacties heb je een vloeistof nodig waarin de ionen die gaan
reageren opgelost worden. Dit is in dit geval de elektrolytoplossing. Voor
de samenstelling: zie de voorkennis. Deze vloeistof circuleert door de
plexiglazen platen en bevindt zich in de RED-cel tussen het rooster van de
elektroden (nabij nummer 1 in afbeelding 4). De elektrolyt wordt af- en
aangevoerd via twee slangaansluitingen die zich aan de zijkanten van de
plexiglazen platen bevinden (afbeelding 4, nummer 5). Ook hier
gebruiken we een brandstofpompje om de elektrolytvloeistof rond te
pompen. Ook hier sluiten we het pompje aan op een variabele spanning
zodat we de metingen uit kunnen voeren met een variabele
stroomsnelheid van de elektrolytoplossing.
De elektroden die we in onze opstelling gebruiken staan afgebeeld op
afbeelding 2. Ze zijn gemaakt van titanium. Over dit metaal heen zit
echter een laagje van een ander soort metaal. Dit laagje noemen we een
coating. De coating is bij onze elektroden gemaakt van een verbinding
tussen Iridium en Ruthenium. Dit extra laagje functioneert als een
katalysator in het redox proces. Over de werking van deze katalysator is
zeer weinig bekent. Hoe het proces precies in zijn werk gaat houdt de
producent vaak geheim.
Afbeelding 7: Rood en geel
bloedloogzout in vaste poedervorm
Vak 7: Bloedloogzout
Geel en rood bloedloogzout worden
gezien als gevaarlijke poeders. Ieder
contact moet worden vermeden, en
ook inademing kan schadelijk zijn. Bij
verwarming of bij het reageren met
een zuur kan er zelfs een dodelijk gas
vrijkomen. De gevaren van
bloedloogzouten zijn verder uitgewerkt
in de discussie: hoofdstuk 11 ,
bladzijde 26
Door de redoxreacties die plaatsvinden ontstaat er een potentiaalverschil
over de twee elektrodes. Op de elektronenstroom die hiertussen loopt
kun je een elektrisch apparaat laten werken: in ons geval een propeller.
Afbeelding 8: Elektrolytvloeistof voor
en na de bereiding
13
5. Chemische reacties
We zullen de chemische reacties die in de RED-cel plaats
vinden stapje voor stapje uitleggen zodat u een beeld
kunt krijgen van de werking van dit proces. *
Stap 1
De reactie bij stap 1 verloopt door het verschil is
osmotische waarden tussen het zoete en het zoute water.
Omdat het AEM membraan alleen negatieve ionen door
kan laten blijven de natriumionen (Na+) in het zoute
water. Het zoute water wordt hierbij dus positiever
omdat er negatieve lading weg is. Omdat er in het zoete
water negatieve lading bij is gekomen wordt deze
vloeistof negatiever geladen. Deze stap verloopt geheel
passief: er is dus geen energie nodig.
Stap 2
Ook de tweede stap gebeurt passief. Het ijzerion dat in
het ijzercyanide complex zit, zoals beschreven staat in de
voorkennis (hoofdstuk 3, bladzijde 7 ), staat een elektron
af en wordt positiever van lading. De reactievergelijking
hierbij is [Fe(CN)64-  Fe(CN)6-3 + e- ]. Deze reactie vindt
plaats in de ruimte tussen de kopplaat en het CEM
membraan aan de kant van de zoetwater spacer. Het
elektron dat vrijkomt wordt opgenomen door de
elektrode. Deze elektrode is met een stroomgeleidende
draad verbonden met de elektrode aan de andere kant
van de opstelling. Tussen deze twee punten is een
ampèremeter aangesloten.
Stap 3
Door het afstaan van het elektron aan de elektrode is de
elektrolytoplossing iets positiever geworden. Als de
mogelijkheid hiertoe bestaat zal een samenstelling altijd
‘proberen’ een ongeladen status te verkrijgen. In de
elektrolytoplossing zijn ook losse ionen opgelost: Na+ en
Cl- ionen. Om de lading van de oplossing op dit punt weer
neutraal te krijgen, wordt een natriumion (Na+) door het
CEM membraan aan het zoete water afgegeven. Het
zoete water, dat al iets negatiever geladen was door het
aannemen van een Cl- ion uit het zoute water (zie stap 1)
wordt nu weer neutraal, en wordt zout. Het doel van deze
stap is dat de elektrolytoplossing weer neutraal van
lading wordt.
* De afbeeldingen zijn afkomstig uit een document, gemaakt door Jan. W. Post. Eigen bewerking
14
Stap 4
Stap 4 is een gevolg van stap 3. Het vrijgekomen elektron
dat is opgenomen door de elektrode, kan nu weer
afgegeven worden aan de andere kant van de opstelling.
Daardoor kan de reactie uit stap 3 nu omgekeerd
plaatsvinden, alleen dan aan de andere kant van de cel.
Het ijzerion uit het ijzercyanide complex ontvangt het
elektron van de elektrode en verandert van lading. Van
Fe3+ naar Fe2+. Omdat de elektrolytvloeistof op dit punt
een elektron heeft opgenomen, wordt de vloeistof iets
negatiever.
Stap 5
Omdat de elektrolytvloeistof bij stap 4 iets negatiever is
geworden, wordt er vanuit het zoute water een positief
natriumion opgenomen: een Na+ ion. De lading van de
elektrolytvloeistof wordt dan weer neutraal . Nadat het
zoute water een chloride ion heeft afgestaan aan het zoete
water (stap 1) wordt ook het zoute water weer neutraal
van lading.
Stap 6
De reacties die een de ene kant van de cel optreden,
worden aan de andere kant weer ongedaan gemaakt
omdat de reactie daar omgekeerd verloopt. Om geen
‘vervuilde’ elektrolytoplossing te krijgen, is het belangrijk
dat deze oplossing rondgepompt wordt. Anders zou er
bijvoorbeeld op de plek waar natrium (Na+) uit de
elektrolytoplossing aan het zoete water wordt afgegeven
(stap 3) op den duur een tekort aan natriumionen
ontstaan. Aan de andere kant van de cel worden juist
natriumionen opgenomen door de elektrolytvloeistof.
Door de elektrolytvloeistof rond te pompen kun je dus
oneindig lang doorgaan met het herhalen van deze
reacties.
15
6. Invloed van de zoutconcentratie
Bij deze proef gaan we de invloed van de zoutconcentratie van het zoute water op de spanning en
de stroomsterkte die de RED-cel levert, onderzoeken.
Theorie en hypothese
Als we bedenken dat er voor het proces dat plaatsvindt bij het vrijkomen van een elektron (zie
hoofdstuk 5 , chemische reacties, bladzijde 14 ) begint met het transport van een chloorion (Cl-)
vanuit het zoute naar het zoete water, kunnen we bedenken dat als er zich meer chloorionen in
het zoute water in het water bevinden, er vaker een reactie op kan treden. Meer reacties per
seconde betekent een hogere stroomsterkte (hoofdstuk 3, voorkennis, bladzijde 7). We kunnen
dus beredeneren dat bij een hogere zoutconcentratie in het zoute water de stroomsterkte
toeneemt.
Werkwijze
We voeren de proef 10 keer uit, en steeds met hoeveelheden zout water met verschillende
zoutconcentraties. We nummeren in een tabel voor de concentratie, in gram per liter, van 0 tot
40 met stapjes van 5. Daarnaast doen we nog 1 proef met het zeewater dat we uit het haringvliet
hebben gehaald en daarna hebben gefilterd. We nemen steeds ongeveer een halve liter zout
water en lossen hierin de bijbehorende hoeveelheid zout (natriumchloride, NaCl) op. We hebben
een overmaat aan zoet water zodat deze tijdens het proefje niet op gaat.
We beginnen met meten als de opstelling klaar staat. De elektrolytvloeistof loopt, en we zetten
de pompjes voor het zoete en het zoute water aan. We meten net zo lang tot het zoute water op
is, en noteren dan de piek die we van de volt- en ampèremeters hebben afgelezen in de tabel.
Resultaten
De resultaten waren als volgt:
U (V)
0,16
0,32
0,4
0,45
0,47
0,48
0,49
0,5
0,45
0,6
Spanning U in (V) en
Stroomsterkte I in (A)
Concentratie zout I (A)
in gram/liter
5
0,1
10
0,1
15
0,16
20
0,17
25
0,17
30
0,18
35
0,18
40
0,18
Zeewater
0,17
0,5
0,4
0,3
Stroomsterkte (A)
0,2
Spanning (V)
0,1
0
0
20
40
60
Zoutconcentratie in gram NaCl per liter
Conclusie
De conclusie komt gedeeltelijk overeen met onze hypothese, maar er is een duidelijk verschil. We
hadden verwacht dat de concentratie van de opgeloste zoutionen in het zoute water invloed zou
hebben op de stroomsterkte, maar die blijft nagenoeg gelijk. De spanning is juist hetgeen dat
invloed ondervindt van de verandering in zoutconcentratie.
16
7. Invloed van de stroomsnelheid van het water
Onderzoeksvraag
Is het vermogen dat onze opstelling levert, afhankelijk van de stroomsnelheid het zoete en zoute
water?
Hypothese
Omdat de membranen maar een maximaal aantal negatieve en positieve deeltjes door kunnen
laten zal het vermogen constant blijven omdat er niet meer redoxreacties plaats kunnen vinden.
Benodigdheden
- De RED-Opstelling
- zoet en gefilterd zeewater
- ± 1liter elektrolytvloeistof
- 2 multimeters
- Ventilatortje
- 2 regelbare spanningsbronnen
Werkwijze
Stel de RED-opstelling op zoals we dit altijd doen. Sluit de plus- en de minpool van de cel aan op
de ventilator, maar plaats tussen de ventilator en de pluspool een in serie geschakelde
ampèremeter. Schakel daarnaast over het ventilatortje een parallel geschakelde voltmeter.
Schakel de pompjes die het zoete en het zoute water rond pompen in en wacht tot er met
constante snelheid water door de opstelling stroomt. Verricht de metingen bij 1 tot 12V dat door
de pompjes van het zoete en het zoute water heen gaan. Zorg dat het pompje van de
elektrolytvloeistof op constante snelheid de elektrolytvloeistof circuleert. Noteer de gegevens
met betrekking tot de stroomsnelheid van het zoete en het zoute water bij verschillende waarden
van het aantal volts dat de pompjes krijgen in een tabel
U-pomp
Spanning U in (V) en
stroomsterkte I in (A)
Resultaten
1
0,8
0,6
Geleverde spanning
(V)
0,4
Geleverde
stroomsterkte (A)
0,2
0
0
5
10
Spanning op de pompjes (V)
15
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
U (V) I (A)
0,25
0,8
0,25
0,8
0,25
0,8
0,24
0,8
0,25
0,8
0,25
0,8
0,26
0,8
0,26
0,8
0,26
0,8
0,25
0,8
0,25
0,8
0,26
0,8
Conclusie
De conclusie komt overeen met onze hypothese. De stroomsnelheid van het zoete en/of het
zoute water heeft geen invloed op het vermogen van onze RED-cel. Er is ook een rechte,
constante lijn in de grafiek te zien.
17
8. Invloed van de temperatuur van de elektrolytvloeistof
Theorie
Een regel binnen de scheikunde is dat een reactie sneller zal verlopen naar mate de temperatuur
van de reactieomgeving hoger is. We gaan onderzoeken of dat voor onze redoxreactie ook geldt.
Als de redoxreacties sneller gaan verlopen, betekent dit dat er meer elektronen per seconden vrij
komen wat tot een hogere stroomsterkte zal leiden.
Onderzoeksvraag
Is de reactiesnelheid, en dus de stroomsterkte die onze opstelling levert, afhankelijk van de
temperatuur van de elektrolytvloeistof?
Hypothese
Omdat volgens scheikundige regels geldt dat een reactie sneller zal verlopen bij een hogere
temperatuur denken we dat er bij een hogere temperatuur een grotere stroomsterkte hoort.
Benodigdheden
- Thermoplaat
- Elektrolytvloeistof ( +/- 1 liter )
- De RED-Opstelling
- Ampèremeter
- Ventilatortje
- Thermometer
Werkwijze
Stel de RED-opstelling op zoals we dit altijd doen. Zet het bekerglas dat als ‘elektrolytvloeistof
reserve’ functioneert op de kookplaat. Sluit de plus- en de minpool van de cel aan op de
ventilator, maar plaats tussen de ventilator en de pluspool een in serie geschakelde
ampèremeter. Schakel het pompje dat de elektrolytvloeistof rond pompt in en wacht tot de
vloeistof in de gehele opstelling op temperatuur gekomen is. Verricht de metingen bij
temperaturen tussen kamertemperatuur - 2 Celsius ) met stapjes van 5 graden tot ongeveer
45 graden Celsius. Schakel de pompjes voor het zoete en zoute water pas in als de
elektrolytvloeistof in de gehele opstelling op temperatuur is gekomen. Noteer de gegevens met
betrekking tot de stroomsterkte bij verschillende waardes voor de temperatuur in een tabel.
18
Resultaten
De resultaten van onze proef waren als volgt:
Temperatuur (°C)
U(V)
I(A)
P (Watt)
22
0,27
0,8
0,22
25
0,26
1
0,26
30
0,26
1,2
0,31
1,5
35
0,25
1,5
0,38
1
40
0,24
1,8
0,43
45
0,23
2
0,46
50
0,23
2,1
0,48
2,5
2
U(V)
I(A)
P (Watt)
0,5
0
0
20
40
60
Conclusie
De conclusie komt overeen met onze hypothese. Doordat de temperatuur van de
elektrolytvloeistof toeneemt, gaat de reactiesnelheid omhoog. Dit zorgt voor meer reacties per
seconde: een grotere stroomsterkte. Dit is in de grafiek (de rode stippen) heel goed te zien. We
zien daarnaast dat de spanning ongeveer gelijk blijft. Het verschil dat we gemeten hebben is
verwaarloosbaar klein. We kunnen dus concluderen dat als bij het verwarmen van de
elektrolytvloeistof de spanning gelijk blijft en de stroomsterkte toeneemt, het vermogen van de
RED-cel ook hoger wordt.
Discussie
We liepen bij het uitvoeren van deze proef wel tegen een groot probleem aan. Omdat er zich in
de pompjes vaste ijzer atomen bevinden (Fe), treedt er een reactie op tussen deze atomen en de
elektrolytvloeistof. Hierbij wordt de vaste stof Berlijns-, of Pruisisch blauw gevormd (Hoofdstuk
11, Discussie, bladzijde 26 ). Doordat de reactiesnelheid bij een hogere temperatuur sterkt
toeneemt, waren onze membranen na deze proef vervuild door deze blauwe kleurstof en werd de
doorlaatbaarheid van onze membranen veel kleiner waardoor de RED-cel niet meer werkte.
19
9. Invloed van de stroomsnelheid van de elektrolytvloeistof
Onderzoeksvraag
Is het vermogen dat onze opstelling levert afhankelijk van de stroomsnelheid van de
elektrolytvloeistof?
Hypothese
Omdat de membranen maar een maximaal aantal negatieve en positieve deeltjes door kunnen
laten zal het vermogen constant blijven omdat er niet meer redoxreacties plaats kunnen vinden.
Benodigdheden
- De RED-Opstelling
- zoet en gefilterd zout water
- ± 1liter elektrolytvloeistof
- 2 multimeters
- Ventilatortje
- 2 regelbare spanningsbronnen
Werkwijze
Stel de RED-opstelling op zoals we dit altijd doen. Sluit de plus- en de minpool van de cel aan op
de ventilator, maar plaats tussen de ventilator en de pluspool een in serie geschakelde
ampèremeter. Schakel daarnaast over het ventilatortje een in parallel geschakelde voltmeter.
Schakel het pompje dat de elektrolytvloeistof rond pompt in en wacht tot de vloeistof in de
gehele opstelling op snelheid is gekomen. Verricht de metingen bij 1 tot 12V dat door het pompje
van de elektrolyt heen gaat. Zorg dat de pompjes van het zoete en zoute water op constante
snelheid zoet en zout water circuleren. Noteer de gegevens met betrekking tot de stroomsnelheid
van de elektrolytvloeistof bij verschillende waarden van het aantal volts dat het pompje krijgt in
een tabel.
U-pomp
Spanning U in (V) en
stroomsterkte I in (A)
Resultaten
1
0,8
0,6
Geleverde spanning
(V)
0,4
Geleverde
stroomsterkte (A)
0,2
0
0
5
10
Spanning op de pompjes (V)
15
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
U (V) I (A)
0,25
0,8
0,25
0,8
0,25
0,8
0,24
0,8
0,25
0,8
0,25
0,8
0,26
0,8
0,26
0,8
0,26
0,8
0,25
0,8
0,25
0,8
0,26
0,8
Conclusie
De conclusie komt overeen met onze hypothese. De stroomsnelheid van de elektrolytvloeistof
heeft geen invloed op het vermogen van onze RED-cel. Er is ook een constante lijn in de krommes
van de geleverde stroomsterkte en spanning te zien.
20
10. Mogelijkheden met de reactiesnelheid
Tijdens onze experimenten viel ons het een en ander aan de reacties op. We lieten de
elektrolytvloeistof rondpompen en pompten zoet en zout water door de opstelling. Als het zoute
water, waar we een beperkte hoeveelheid per proef voor beschikbaar gesteld hadden, op was,
schakelde we de pompjes voor het zoete en het zoute water uit. Bij sommige proeven schakelden
we het pompje dat de elektrolytvloeistof rondpompte uit, en bij sommige lieten we hem aan
staan. Het viel ons op dat er geen directe afname van zowel de spanning als de stroomsterkte die
de cel leverde waar te nemen viel. Dit verbaasde ons, met name omdat al het zoute water al door
de opstelling gepompt was. We besloten een experiment uit te voeren waarbij we bekeken hoe
lang de cel stroom kan blijven leveren nadat al het zoute water door de opstelling gepompt is.
Ook bekijken we hierbij of het al dan niet stromen van de elektrolytvloeistof invloed op deze
resultaten heeft. We kunnen met behulp van dit onderzoek bepalen of het mogelijk is energie te
besparen door het elektrolytpompje af en toe uit te schakelen.
Onderzoeksvraag
Kunnen we de energie die we verbruiken reduceren door af en toe het pompje dat de
elektrolytvloeistof rondpompt uit te schakelen?
Hypothese
Het lijkt ons waarschijnlijk dat, nadat al het zoute water door de opstelling gepompt is, er nog wat
zout en zout water tussen de membranen achter blijft. Het is daarom nog steeds mogelijk dat er
een reactie op treedt, ook als er geen water meer rondgepompt wordt. Het lijkt ons alleen wel
logisch dat, omdat het om kleine hoeveelheden water gaat, deze reactie niet lang zal duren. We
denken daarom dat de stroomsterkte en de spanning na eventjes stabiel te zijn snel af zullen
nemen.
Werkwijze
Voor dit onderzoekje voerden we twee proefjes uit waarbij we bij elk proefje na vaste tijdstappen
twee verschillende waarden uit de cel maten: De geleverde spanning en de stroomsterkte. We
voerden twee maal een proef uit met een even grote hoeveelheid zout water, met dezelfde
zoutconcentraties. Nadat al het zoute water, samen met zoet water, door de opstelling gepompt
was, schakelden we de pompjes voor het zoete en het zoute water uit. Bij het ene proefje
schakelden we het pompje dat de elektrolyt rondpompte ook uit. Bij de andere meting lieten we
dit pompje aan staan. We controleerden na vaste tijdstappen de stroomsterkte en de spanning,
geleverd door de RED-cel, en noteerde de waarden.
21
Resultaten
We hebben de resultaten van onze proefjes in tabelletjes gezet en hier grafieken van gemaakt.
Hieruit is goed een conclusie te trekken.
t (s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
120
140
160
180
200
220
240
300
450
U (V)
0,4
0,38
0,38
0,39
0,4
0,4
0,4
0,39
0,38
0,37
0,36
0,35
0,33
0,32
0,31
0,29
0,28
0,26
0,22
0,1
I (A)
0,17
0,16
0,16
0,17
0,17
0,17
0,17
0,17
0,17
0,17
0,17
0,17
0,16
0,17
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
Spanning U in (V) en Stroomsterkte
I in (A)
Circulerende elektrolytvloeistof
0,45
0,4
0,35
0,3
Spanning (V)
0,25
0,2
Stroomsterkte
(A)
0,15
0,1
0,05
0
0
100
200
300
400
500
Tijd (t) in seconden (s)
22
t (s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
370
380
390
U (V)
0,4
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,36
0,35
0,35
0,34
0,33
0,32
0,31
0,3
0,29
0,29
0,28
0,27
0,26
0,25
0,24
0,24
0,23
0,22
0,22
0,21
0,2
0,19
0,19
0,18
0,18
0,17
0,16
0,15
0,14
0,13
0,12
0,1
I (A)
0,17
0,17
0,17
0,17
0,17
0,17
0,17
0,17
0,17
0,17
0,17
0,17
0,17
0,17
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
0,17
Spanning U in (V) en Stroomsterkte I in
(A)
Stilstaande elektrolytvloeistof
0,45
0,4
0,35
Spanning (V)
0,3
Stroomsterkte (A)
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
100
200
300
400
500
Tijd in seconden
23
Conclusie
We kunnen uit de grafiekjes concluderen dat de stroomsterkte in dit tijdsverloop niet afneemt. De
spanning wel: behoorlijk zelfs. We kunnen de invloed van het al dan niet stromen van de
elektrolytvloeistof onderzoeken door de twee krommes in één grafiek te zetten. We krijgen dan
de volgende grafiek:
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
Spanning (V) bewegend
0,2
Spanning (V) stilstaand
0,15
0,1
0,05
0
0
100
200
300
400
500
Spanning U in V op de y-as uitgezet tegen de tijd (t) in seconden.
De rode punten vormen een kromme die staat voor de spanning, uitgezet tegen de tijd, wanneer
we de pompjes voor de elektrolyt uitgeschakeld hebben. De blauwe punten staan voor de
resultaten de horen bij de proef met de rondstromende elektrolytvloeistof.
We kunnen uit deze grafiek concluderen dat er nauwelijks een verschil in spanning is op de korte
termijn. We zien dat de spanning na ongeveer 300 seconden duidelijk een verschil begint te
vertonen tussen de twee proeven. Zo zit er tussen het bereiken van de 0,22 volt ongeveer een
verschil van 40 seconden. We zien ook dat er 140 seconden tussen het bereiken van de 0,1 volt
zit. Op de lange(re) termijn heeft de invloed van het al dan niet stromen van de elektrolytvloeistof
dus wel degelijk invloed op de spanning.
Om een goede conclusie te kunnen trekken, moeten we 2 verschillende resultaten vergelijken: De
invloed van het al dan niet stromen van de elektrolytvloeistof en de spanning die geleverd wordt,
uitgezet tegen de tijd nadat er geen water meer door de opstelling stroomt. We willen de
stroomsterkte en de spanning zo constant mogelijk houden. In onze grafieken zien we dat de
spanning constant blijft tot na ongeveer 100 seconden. Daarna begint bij beide krommes de
spanning flink af te nemen.
De invloed van het al dan niet stromen van de elektrolytvloeistof is pas veel later zichtbaar. Tot na
ongeveer 300 seconden lopen de lijnen die behoren tot de spanning parallel aan elkaar. Daarna
neemt de spanning, behorend bij de proef met het bewegende elektrolyt, minder snel af als de
24
spanning bij de proef met de stilstaande elektrolytvloeistof. We kunnen hieruit concluderen dat
we het pompje dat de elektrolytvloeistof rondpompt ongeveer 300 seconden uit laten staan
voordat dit invloed begint te krijgen op de geleverde spanning. De pompjes die het stromen van
het zoete en het zoute water voor hun rekening nemen kunnen we daarentegen minder lang uit
laten staan. Na ongeveer 100 seconden begint het al dan niet stromen van het zoete en het zoute
water invloed te hebben op de spanning. Het duurt ongeveer 30 seconden om de hoeveelheid
zout water door de opstelling te pompen. Daarna kunnen we, zonder dat onze spanning
verandert, de pompjes ongeveer 100 seconden uit laten. Bij de elektrolytvloeistof gaat het er om
dat de vloeistof een klein stukje is ‘opgeschoven’ zodat de reactie kan blijven lopen. Nadat de
vloeistof dus een paar seconden gelopen heeft, kan deze weer 300 seconden stil blijven staan.
25
11. Discussie
Membraanvervuiling
Bij het uitvoeren van het proefje met de temperatuur van de
elektrolytvloeistof (Hoofdstuk 8, Temperatuur van de elektrolytvloeistof,
bladzijde 18) zijn we tegen een probleem aan gelopen. Na het uitvoeren
van het experiment was onze elektrolytvloeistof extreem groen
geworden. Nadat we een week later opnieuw een meting wilde doen,
werkte onze RED-cel niet meer. We hebben geprobeerd de membranen te
spoelen met demiwater, warm en koud, maar dit hielp niet. We hebben
toen een mailtje gestuurd naar Joost Veerman (Hoofdstuk 14, Bijlagen,
bladzijde 38) met de vraag of hij ons kon helpen.
Het bleek dat we een probleem hadden met het pompje dat de
elektrolytvloeistof rond pompte. Joost Veerman vertelde ons dat de vaste
ijzeratomen die zich in het pompje bevinden, reageren met de
elektrolytvloeistof. Deze ijzeratomen worden dan ‘geoxideerd’ ze staan
elektronen af) en er treedt een reactie met de elektrolytvloeistof op: Fe3+
+ [Fe(CN)]4-  Fe3+4[Fe2+(CN-)6]3 : Berlijns- of Pruisisch blauw.
Deze vaste stof, die blauw van kleur is, sloeg neer op onze membranen en
vermengde zich in de elektrolytvloeistof. Dit is ook de rede waarom onze
vloeistof grond werd. Als je namelijk geel, de oorspronkelijke kleur, mengt
met blauw, krijg je groen. Doordat de kleurstof zich op onze membranen
afzette, ging de doorlaatbaarheid van de membranen sterk achteruit.
Hierdoor kon er uiteindelijk geen transport meer door de membranen
plaatsvinden en moesten we deze uit de RED-cel verwijderen om hem
weer werkend te krijgen.
Blauwzuurgas
De methode reverse elektrodialysis brengt een aantal gevaren met zich
mee. Deze gevaren ontstaan voornamelijk door de aanwezigheid van de
elektrolytvloeistof. Deze vloeistof is opgebouwd uit drie verschillende
zouten: Natriumchloride, rood bloedloogzout en geel bloedloogzout. Deze
laatste twee zouten zijn listige stoffen.
Allereerst geel bloedloogzout. Deze stof wordt als niet-giftig beschouwd,
maar is onder bepaalde omstandigheden wel schadelijk. Toch moet
contact met en inademing van dit poeder worden vermeden. Geel
bloedloogzout ontleed onder invloed van UV straling. Ook reageert het
met een kokend, sterk zuur. In beide gevallen kan het zeer giftige gas
blauwzuurgas, of waterstofcyanide vrijkomen (afbeelding 9).
Blauwzuurgas verstoort de productie van ATP in de mitochondriën. ATP
zorgt voor het energietransport binnen het menselijk lichaam en is van
levensbelang.
Afbeelding 9: Moleculemodel
9
van waterstofcyanide
9. Waterstofcyanide, http://chemistry.about.com, 28-2-2011
26
Ook rood bloedloogzout ontleed onder invloed van UV licht of in
combinatie met een sterk zuur en komt er blauwzuurgas vrij. Daarnaast
wordt rood bloedloogzout gezien als licht giftig. Elk contact met het
poeder moet worden vermeden en het mag niet ingeademd worden. Het
reageert explosief in combinatie met ammoniak. Een verschil met geel
bloedloogzout is dat er ook bij rood bloedloogzout ook bij verhitting
blauwzuurgas kan ontstaan. Al met al zijn het dus stoffen waar we echt
voorzichtig mee moeten zijn.
27
12. Eindconclusie
Stroomsterkte
De stroomsterkte is afhankelijk van de hoeveelheid redoxreacties die er
per seconde in de elektrolytvloeistof plaats vinden. We hebben dit
onderzocht in de proef waarin we de warmte van de elektrolytvloeistof
varieerden. (hoofdstuk 8, Invloed van de temperatuur van de
elektrolytvloeistof, bladzijde 18 ).
De stoomsterkte wordt uitgedrukt in de eenheid Ampère. Zoals we
hierboven al hebben gezegd, is de grootte van de stroomsterkte
afhankelijk van de hoeveelheid elektronen per seconde. Je zou ook
kunnen zeggen dat de stroomsterkte afhankelijk is van de hoeveelheid
lading die per seconde op een punt in een stroomkring langs komt. 1
Elektron heeft een lading van 1,6022×10-19 coulomb. We gebruiken
hiervoor de afkorting C. Coulomb is een eenheid voor lading. 1 Coulomb
lading is, als we naar de lading van een elektron kijken, gelijk aan
6.24x1018 elektronen. 10
= 6.24x1018 elektronen.
Daarnaast is 1 ampère gelijk aan 1 coulomb lading die per seconde langs
komt. Een stroom heeft dus een stroomsterkte van 1 ampère als er
6.24x1018 elektronen per seconde langs een punt in de stroomkring langs
komen. Onze opstelling heeft een maximale stoomsterkte geleverd van
2,1 ampère (hoofdstuk 8, Invloed van de temperatuur van de
elektrolytvloeistof, bladzijde 18) . Dit betekent dat er op dat moment
1.31x1019 elektronen per seconde langs komen.
= 1.31x1019 elektronen.
Ter indicatie: als er 1.31x1019 elektronen per seconden langs komen,
betekent dat ook dat er in de elektrolytvloeistof 1.31x1019 redoxreacties
per seconde plaatsvinden.
Spanning
De volt is weer een andere eenheid. Deze eenheid wordt gebruikt bij de
grootheid spanning, ook wel potentiaalverschil genoemd. In een
stroomkring is de spanning de hoeveelheid energie, in de eenheid joule,
die er aan iedere coulomb lading, een hoeveelheid elektronen, wordt
meegeven. Deze energie komt vrij bij de redoxreacties die plaats vinden in
de elektrolytvloeistof. In onze opstelling komen twee redoxreacties voor.
Bij de ene komt energie vrij, en bij de andere wordt energie opgenomen.
-
Fe3+  Fe2+ + e- . Deze reactie levert 0.77 V
Fe(CN)63- + e-  Fe(CN)64-. Deze reactie heeft 0.36 V nodig. 10
10: BINAS, Noofdhoff Uitgevers, Door CEVO toegestaan hulpmiddel bij examens exacte vakken, 2012
28
In totaal levert de cel dus een stroom met een spanning van 0.77 – 0.36 =
0.41 volt. Dit is meer dan de spanning die onze cel leverde. Dit is te
verklaren door het feit dat onze reacties niet onder de ideale
omstandigheden verlopen. Er is altijd sprake van energieverlies.
Bovendien levert onze cel waarschijnlijk niet de 0.41 volt die theoretisch
mogelijk is.
Nadelen van een RED-cel
- water filteren:
Als een RED-cel in het groot wordt uitgevoerd en dus in directe verbinding
staat met het zeewater en rivierwater zal het water gefilterd moeten
worden, omdat de grove deeltjes de spacers verstopt kunnen laten raken.
Het is echter een probleem dat rivier en zeewater flink veel grove deeltjes
in zitten waardoor de filters snel verstopt zullen raken waardoor deze
vaker zullen moeten gereinigd worden.
- elektrolytvloeistof:
Allereerst is de elektrolytvloeistof slecht voor het milieu, dus er moet
zuinig mee worden omgesprongen, het mag niet aan hoge temperaturen
worden blootgesteld. Als er zich ijzeren delen in de RED-cel bevinden zal
de elektrolytvloeistof neerslaan en de permeabiliteit van de membranen
verminderen of zelfs uitschakelen, dus de elektrolytpomp mag geen
ijzeren delen bevatten.
Ook mag de elektrolytvloeistof niet in aanraking komen met direct
zonlicht, dus de elektrolytvloeistof moet op een andere manier
opgewarmd worden dan direct aan het zonlicht bloot te stellen. Na enige
tijd gaat de elektrolytvloeistof toch nog uit zichzelf neerslaan dus het zal
na een bepaalde tijd vervangen moeten worden, of op een manier
gefilterd moeten worden waar op het moment nog geen methodes voor
zijn.
- pompen:
De pompen van de elektrolytvloeistof moeten een hoog rendement
hebben en langzaam kunnen draaien, anders zou de opgewekte energie al
verloren gaan doordat de pomp teveel energie verbruikt.
- plaatsing:
Het is belangrijk om een goede plek te vinden voor de plaatsing van een
RED-stack, het beste is aan zee bij de monding van de rivier. Maar er is
een probleem, er is vaak veel vaarverkeer aan de monding van de rivier
dus er moet een rustige plek gekozen worden zodat de RED-stack in het
groot uitgevoerd kan worden, anders wegen de kosten van de bouw niet
op tegen de uitkomsten ervan.
29
Ook moet er rekening gehouden worden met de natuur, als een installatie
in de rivier wordt geplaatst moet er nog wel doorgang zijn voor dieren
zodat de natuur niet wordt aangetast.
Plaats van uitvoering
De beste plaats lijkt ons de Amazone, deze rivier voert veel water af,
volgens het WWF is gemiddelde jaarlijkse debiet 219.00m3/s. Het klimaat
bij de amazone is erg gunstig: er zijn minimaal 4 en maximaal 7 zonuren 11
per dag waardoor de elektrolytvloeistof makkelijk opgewarmd kan
worden. De temperatuur in dit gebied ligt ook hoog, minimaal 23°C en
maximaal 33°C waardoor de watertemperatuur rond de 24°C ligt 12. De
watertemperatuur komt dus het meest overeen met de
watertemperatuur waarmee wij onze metingen hebben gedaan, dit is
22°C. 13
Omdat de amazone weinig grote havens heeft omdat de rivier ondiep is
kan er zonder veel problemen een installatie worden gebouwd
uitstrekkend over de rivier. Er moet natuurlijk ook rekening gehouden
worden met de natuur, dus de installatie kan niet de hele riviermonding
beslaan, wat ook niet mogelijk is omdat de maximale breedte van de
monding 300km is. Er is dus water genoeg.
Hoeveel Watt maximaal?
Niet al het rivierwater kan gebruikt worden, dit is gewoon niet mogelijk.
Laten we aannemen dat we 50% van het rivierwater kunnen gebruiken, en
dus evenveel zeewater. Volgens het WWF is gemiddelde jaarlijkse debiet
219.00m3/s, de helft hiervan is dus 109.500m3/s. De stroomsnelheid in
onze RED-cel was 1,3 x 10 -5 m3/s. De maximale opbrengst werd gegeven
met een verwarmde elektrolytvloeistof dit was 0,48W.
De maximale opbrengst van de rivier is dus 109.500/1,33 * 10-5 = 8,23 * 109
dit is het aantal RED-cellen die ervoor nodig zouden zijn.
Dit aantal RED-cellen brengt: 0,48 x (8,23 * 10 9) = 3,95 gigaWatt = 3,95 *
106 kW
3,95 x 106 kW omrekenen naar kWh gaat als volgt:
E=Pxt
[kWh]= [kW] x [t]
Dus het aantal kWh is : 3,95 * 106 x (365 x 24) = 3,46 * 1010 kWh
Een gemiddeld huishouden gebruikt 3400kWh aan elektriciteit per jaar 14.
Er kunnen dus: 3,46 * 1010/3400 = 10,2 * 106 huishoudens op draaien, dit
zijn 10,2 miljoen huishoudens.
11: www.klimaatinfo.nl
12: www.amazonecichliden.nl
13: www.landenweb.net/brazilie
14: www.perfectlabel.nl
30
Eindconclusie hoofdvraag
Onze hoofdvraag was: ‘Wat is het optimale vermogen van onze RED-cel’.
We hebben van een aantal factoren bekeken of deze invloed hadden op
het vermogen van onze RED-cel. Hieruit is gebleken dat alleen de
zoutconcentratie van het zoute water, en de temperatuur van de
elektrolytvloeistof invloed hebben op de het vermogen. Uit de proef
waarin we de invloed van de zoutconcentratie bepaalden (hoofdstuk 6, De
invloed van de zoutconcentratie, bladzijde 16) bleek dat de helling
kromme behorende bij de spanning richting 0 neigde bij ongeveer 40
gram natriumchloride per liter water. Dat wil zeggen het na deze
hoeveelheid zout niet meer uitmaakt of er meer natriumchloride wordt
opgelost: de spanning, en dus het vermogen, blijft gelijk. De top van de
spanning zat op ongeveer 0,5 volt.
De stroomsterkte was afhankelijk van de temperatuur van de
elektrolytvloeistof (hoofdstuk 8, De invloed van de temperatuur van de
elektrolytvloeistof, bladzijde 18). Bij een temperatuur van ongeveer 50
graden Celsius bleek de stroomsterkte niet verder te stijgen. De
stroomsterkte was hier 2,1 ampère. Een nadeel van het verhogen van de
temperatuur van de elektrolytvloeistof is de mogelijkheid van het
vrijkomen van blauwzuurgas. Lees hier meer over in de discussie,
hoofdstuk 11, bladzijde 26.
Als we de twee toppen met elkaar vermenigvuldigen, komen we uit op
het maximale vermogen dat onze RED-cel kon leveren in de ‘ideale’
situaties die wij hebben onderzocht. De cel levert dan een vermogen van
(2.1 x 0.5 = 1.05W) ongeveer 1.1 Watt.
In de voorgaande berekening hebben we echter niet de top in de kromme
van de spanning meegerekend, maar hebben we gerekend met de
zoutconcentratie die zich in zout zeewater bevindt. Het is namelijk
onmogelijk om al het zeewater dat je gaat laten reageren zouter te
maken. Er zou namelijk 20 gram per liter bij moeten komen om aan de het
maximaal haalbare voltage te komen. Dit is simpelweg niet haalbaar.
31
13. Tijdschema’s
Logboek
Datum
30/08
tijd
1uur pp
06/09
1uur pp
08/09
1uur pp
08/09
1uur pp
13/09
1uur voor martijn
14/09
1uur voor thijs
15/09
1uur pp
20/09
1 uur pp
22/09
2 uur pp
27/09
1 uur pp
Bezigheid
Onderwerp verzinnen >
H-cel
H-cel gevaarlijk dus
afgekeurd, nieuwe ideen
zoals blue energy,
vleugelprofielen, golfslag
generator
Artikelen over blue
energy gevonden en
mailtje gestuurd met
vragen naar joost
veerman
Mailtje teruggestuurd
met vragen over de RED
en een tekening van een
blue energy cel gemaakt
Artikelen doorgelezen,
belangrijke dingen
gemarkeerd, mailtje
gestuurd naar joost
veerman of er
membranen beschikbaar
zijn
Mailtje teruggehad en we
moesten mailen naar een
man van fujifilm, dit
hebben we gedaan.
Mailtje teruggehad dat
wij ze niet konden krijgen
ivm dat het in de
ontwikkelingsfase zit.
Nagedacht over de hoofd/en deelvragen
Tekening van RED-cel
geoptimaliseerd, hierbij zijn
nog vragen naar voren
gekomen,
onderzoeksvragen bedacht
Mail gestuurd aan joost
veerman met vragen over
reacties en de grootte van
de opstelling
Mail van Joost Veerman
teruggekregen en de
32
29/09
2 uur pp
4/10
1 uur pp
6/10
2 uur pp
11/10
1 uur pp
13/10
1 uur pp
25/10
1 uur pp
27/10
1 uur pp
8/11
1 uur pp
antwoorden van hem
besproken, begin gemaakt
van nieuwe schets.
Met scheikunde toa
besproken hoe de
spacerdikte maximaal
0,5mm kan zijn en hoe we
dit met bepaalde
materialen op kunnen
lossen.
Gewerkt aan fase 1
Op het internet informatie
gezocht over de RED- cel en
hoe we het best met deze
spacerdikte om kunnen
gaan.
Mail gestuurd aan Joost
Veerman over de
spacerdikte en andere
problemen. Een stukje
plexiglas in
bloedloogzoutoplossing
gedaan om te kijken of het
plexiglas erin oplost.
Meneer van Nieuwaal
kwam met het idee om een
blue energy lespakket aan
te schaffen voor NLT zodat
wij dat dus ook konden
gebruiken, we hebben het
afgewogen of we het wel of
niet gingen doen.
We hebben gekozen om het
pakket met RED-cel wel te
laten aanschaffen
Artikelen van Joost
Veerman uitgeprint en
gemarkeerd wat belangrijk
zal zijn voor ons
profielwerkstuk
Extra theorie opzoeken over
RED-cel
Bij toa van Scheikunde
gevraagd welke onderdelen
hij had liggen voor de REDcel en gevraagd waar we de
dingen die er nog niet
waren konden kopen
RED-cel lespakket
binnengekregen, uitgepakt
en de spullen geteld of alles
33
10/11
2 uur pp
15/11
1 uur pp
17/11
2 uur pp
22/11
1 uur pp
24/11
1 uur pp
29/11
1 uur pp
30/11
01/12
4uur pp
2 uur pp
06/12
1 uur pp
08/12
2uur pp
13/12
1uur pp
15/12
2uur pp
aanwezig was.
Opgeschreven welke dingen
nog aangeschaft moesten
worden.
Waterpompjes gezocht bij
Graka en
dierenspeciaalzaak, maar ze
hadden geen pompjes die
aan onze eisen voldeden.
Pompjes bij de Conrad
opgezocht en laten
bestellen door Meneer van
der Sluis, opgezocht van
welke stof de elektroden
gemaakt zijn.
Slangaansluitingen met
teflontape omtrokken en
deze in de plexiglazen plaat
bevestigd.
Omdat de aansluiting van
de pompjes kleiner is dan
dat van de aansluiting op de
RED- cel hebben we een
overgang gemaakt van
2.5mm naar 10mm.
5 meter doorzichtige slang
gekocht bij AGOautomaterialen en het geld
laten verrekenen.
Werken aan fase 2, pompjes
van conrad binnengekregen
en onze aansluitingen erop
gepast
Werken aan fase 2
Werken aan fase 2,
sommige verkregen info van
Meneer Veerman bleek niet
te kloppen dus een heel
groot deel van fase 2 moest
herschreven worden,
dezelfde dag nog ingeleverd
Aansluitingen gemaakt voor
pompjes.
Aansluitingen op de RED-cel
gemonteerd en de cel in
elkaar gezet.
Spanningsbronnen gehaald
bij natuurkunde, deze
aangesloten op de
pompjes.
De RED-cel door laten
34
20/12
1uur pp
22/12
4uur pp
12/01
3uur pp
19/01
3uur pp
02/02
4uur pp
07/02
1uur pp
09/02
4uur pp
14/02
1uur pp
16/02
3uur pp
22/02
2uur pp
23/02
6uur pp
24/02
4uur pp
spoelen met gewoon water,
geen problemen met lekken
e.d.
Elektrolytvloeistof
aangemaakt en in de REDcel gepompt
Zout water aangemaakt en
de RED-cel laten draaien,
het is gelukt, we hebben
spanning!
Proeven met warmte van
de elektrolytvloeistof
gedaan, dit gaf goede
resultaten.
Omdat de
elektrolytvloeistof neer was
geslagen gaf de RED-cel
geen spanning meer en
moest er dus nieuwe
elektrolytvloeistof worden
aangemaakt.
Proberen d.m.v.
doorspoelen met
demiwater om de
membranen te “wassen”
ook nog met warm water
geprobeerd, heeft geen
effect gehad. Opgezocht in
BINAS wat het probleem
kon zijn, ook besproken
met de scheikunde toa wat
het probleem was.
E-mail Joost Veerman
gestuurd vanwege
problemen met de RED-cel
Problemen met RED-cel
opgelost en proeven
gedaan
Bepaalde specificaties van
de RED-cel nagegaan zoals
stroomsnelheid.
Verwerken proefresultaten
en onderzoeksrapporten
schrijven
Onderzoeksrapporten
schrijven en hoofdstukken
schrijven.
Onderzoeksrapporten
schrijven en hoofdstukken
schrijven.
Voorlopige
35
27/02
4uur pp
28/02
5uur pp
hoofdstukindeling gemaakt
en hoofdstukken en
onderzoeksrapporten
geschreven
Hoofdstukken doorlezen op
fouten en veranderen,
uitleg over de RED-cel
schrijven
Voorlopige versie uitgeprint
doorgelezen en
veranderingen in
aangebracht zoals dingen
toevoegen in hoofdstukken.
Totaal: 85 uur per
persoon
36
14. Bronvermelding
Digitale literatuur












www.amazonecichliden.nl, Water in Zuid Amerika, 20-2-2012
www.bwea.com/edu, Windmolenontwikkeling, 10-10-2011
www.chemistry.about.com, Moleculemodel waterstofcyanide, 20-2-2012
www.clubgreen.nl, Citaat Joost Veerman, 27-2-2012
www.energy.eu , Energiegebruik in Europa, 10-12-2011
www.klimaatinfo.nl, Klimaat in Zuid Amerika, 20-2-2012
www.landenweb.net/brazilie, Klimaat in Brazilië, 20-2-2012
www.mediatheek.thinkquest.nl/~ll055/waternl/earth.htm, Water in Nederland, 10-102011
www.perfectlabel.nl, Energiegebruik in Nederland, 20-2-2012
www.trueknowledge.com, Afbeelding van ijzercyanidestructuur, 15-2-2012
http://www.waddenacademie.nl/fileadmin/inhoud/pdf/06wadweten/Proefschriften/thesis_jan_Post.pdf, Afbeelding werkende eenheid, 21-2-2012
www.wetenschap.infonu.nl, Afbeelding atoommodel, 15-2-2012
Literatuur



BINAS, Noofdhoff Uitgevers, Door CEVO toegestaan hulpmiddel bij examens exacte
vakken, vijfde druk, 2004
Handleiding bouwpakket Blue Energy, Wageningen University, 2011
LOI Cursus, Gewichtsconsulente, Afbeelding osmose & diffusie,
http://www.loi.nl/cursussen/voeding_en_sport/gewichtsconsulent_begeleiding_van_ki
nderen/index.htm, 2012
Personen






W. van Baak. Specialist in membraantechnologie bij Fujifilm te Tilburg, 13-9-2011
M.A. van Dijke. Technisch onderwijs assistent scheikunde. CSG Prins Maurits te
Middelharnis.
P. Krijgsman. Docent scheikunde. CSG Prins Maurits te Middelharnis.
J.J. van Nieuwaal. Docent natuurkunde. CSG Prins Maurits te Middelharnis.
L.J. van der Sluis. Technisch onderwijs assistent natuurkunde. CSG Prins Maurits te
Middelharnis.
Drs. J. Veerman. Docent Life Science & Technology. NHL Hoge school te Leeuwarden.
Specialist in Blue Energy bij Wetsus.
37
14. Bijlagen
1. De ontwikkeling van onze RED-cel ……………………………………………37
38
De ontwikkeling van onze RED-cel
Het was het plan om zelf een RED-cel te gaan maken, alleen er was niet
veel informatie over dit onderwerp te vinden.
Op wikipedia1 vonden wij een uitleg over de RED-cel hoe deze in elkaar zit,
aan de hand van deze site hebben wij een schets van een RED-cel
gemaakt:
We kwamen steeds een naam tegen van een Blue Energy specialist, Joost
Veerman, hij heeft een artikel geschreven over Blue Energy, het leek ons
goed om een aantal vragen aan hem te stellen over het artikel.
Onze vragen staan in het zwart en de antwoorden van Joost Veerman in
het rood.
14. http://nl.wikipedia.org/wiki/Omgekeerde_elektrodialyse, 28-11-11
39
Subject: RE: Profielwerkstuk Atheneum 6
Date: Thu, 8 Sep 2011 11:44:09 +0200
From: [email protected]
To: [email protected]
Beste Martijn en Thijs,
Leuk dat jullie zo geïnteresseerd zijn in Blue Energy.
-
Waaruit bestaat de elektrolyt oplossing die zich in de eerste en laatste ruimte
bevindt?
In kleine proefopstellingen gebruik ik een mengsel van rood en geel bloedloogzout.
Het voordeel is dat er dan netto geen enkele reactie optreed, tenminste als je die
oplossing rondpompt.
-
Is het nodig om de elektrolyt oplossing rond te pompen, en over welke
stroomsnelheid spreken we dan?
Dat rondpompen is dus nodig. Maar erg hard hoeft het niet te stromen hoor.
-
In uw artikel spreekt u over een model van de RED-cel met een vermogen van
0,1 Watt. Als er voor het rondstromen van de elektrolyt oplossing een pomp is
gebruikt, is het stroomverbruik van deze pomp dan in het vermogen van de REDcel verrekend?
Het rondpompen van het elektrolyt kost maar weinig vermogen. Minder dan 1% van
het opgewekte elektrische vermogen. Het doorpompen van zoet en zout water
door het apparaat kost wel veel energie: ca 20% van het geleverde vermogen is
hier voor nodig.
-
Wij hebben zelf ook een tekening van de opbouw van de RED-cel gemaakt,
naar de gegevens die we op internet vonden. We hebben verschillen ontdekt in
dit model in vergelijking met de van u. In uw model gaat de CL vanuit het zoute
+
water door het AEM-membraan naar het zoete water en Na door het CEM+
membraan naar de electrolyt oplossing. Echter in ons model gaat Na van zout
naar zoet water door het CEM-membraan en Cl van het zoute water door de
AEM-membraan naar de electrolyt stroom. Heeft u hiervoor een uitleg?
Ik ken jullie model niet helemaal en weet ook niet waar je het mee vergelijkt. Maar ik
denk wel dat ik het antwoord weet: Een stack bestaat uit vele tientallen
membranen,afwisselend CEM en AEM. Aan de buitenkanten neem je aan beide
kanten een CEM als je een elektrolyt hebt waarvan de anionen in de elektrolytruimte moeten blijven zitten. Dit is bijvoorbeeld het geval met de negatieve
ionen [Fe(CN)6]3- / [Fe(CN6]4-.
Je kan ook vrije ijzerionen gebruiken: een mengsel van Fe2+/Fe3+. In dit geval zorg
je dat er aan de buitenkant AEM's zitten.
Als jullie nog meer vragen hebben, mail me dan. En als je eens een kleine RED in
werking wilt zien, meld me dat dan ook.
Verder nog wat literatuur in de bijlage.
Met vriendelijke groet,
Joost Veerman
40
Na te hebben gekeken naar onze modelschets met de antwoorden op
onze vragen van Joost Veerman erbij kwamen wij tot de conclusie dat
onze schets niet klopte, de AEM membranen moeten juist aan de
buitenkant zitten in plaats van de CEM membranen.
Dit komt omdat alleen Na+ in de elektrolytoplossing van geel en rood
bloedloogzout moet komen zoals Joost Veerman dit in zijn e-mail heeft
vermeld.
We hadden ook de vraag of de elektrolytoplossing moet worden
rondgepompt, dit is wel het geval maar dit hoeft geen hoge snelheid te
zijn.
Ook heeft Joost Veerman ons een paar artikelen die relevant zijn aan ons
onderwerp Blue Energy.
We hebben aan de hand van de antwoorden van Joost Veerman een
nieuwe schets gemaakt:
41
Nadat we deze schets hadden gemaakt kwamen we op een aantal vragen
die we in de volgende mail hebben gesteld.
Van: Martijn Klein [mailto:[email protected]]
Verzonden: do 22-9-2011 10:23
Aan: Veerman, Joost
Onderwerp: Profielwerkstuk VWO-6
Beste meneer Veerman,
Een aantal dingen met betrekking tot Blue Energy zijn ons nog niet helemaal
duidelijk. We hopen dat u ons hiermee kunt helpen.
-Hoe breed moeten de kamers waar het zoute en het zoete water doorstroomt
ongeveer zijn?
De afstand tussen de membranen bedoel je? Dat is 0,5 mm of liever nog dunner
0,2 mm)
-Wat moet de minimale of juist de maximale concentratie van de
bloedloogzoutoplossing zijn?
Een oplossing van geel BLZ (0,05 ml/L) + rood BLZ (0,05 mol/L) + NaCl (0.1 mol/L)
-Hoe breed moeten de kamers met de bloedloogzoutoplossing zijn?
Die mogen veel breder zijn, bijv. 1 cm
-Hoe sterk zijn de membranen ongeveer. Als de ene kamer leeg is en de kamer
daarnaast gevuld wordt, breekt het membraan dan?
Die zijn stevig genoeg. Zijn vergelijkbaar (wat sterkte betreft) met boterhamzakjes
-Als wij het goed begrijpen ontstaat de volgende situatie: [Fe3+ + e- --> Fe2+]
doordat Na+ via de CEM in de elektrolytoplossing komt, als het geheel dan
rondgepompt wordt tot aan de andere kant van de cel gaat Na+ weer door het
CEM membraan en belandt het in het zoete water, dat hierdoor brak wordt.
Hierdoor ontstaat een nieuwe situatie: [Fe2+ --> Fe3+ + e-]. De anode zal het
elektron dus opnemen waardoor er een spanningsverschil ontstaat. Klopt dit?
Ja
Voordat we kunnen zeggen hoeveel cm2 membraan we nodig hebben, moeten
we eigenlijk weten wat de prijs van een CEM/AEM membraan per cm2 zal zijn,
aangezien de school een beperkt budget voor ons profielwerkstuk heeft.
Ik heb nog wel iets liggen. Ik denk er aan jullie een aantal velletjes 16 x 16 cm te
geven.
Past dat bij jullie ontwerp?
We hopen dat u ons kunt helpen!
Mvg,
Thijs & Martijn
42
Uit deze mail blijkt dat we in het scheikundekabinet genoeg bloedloogzout
hebben liggen, echter de afstand tussen de membranen mag maximaal
0,5 mm zijn.
Deze afstand is heel erg klein dus we hebben nog een schets gemaakt hoe
onze RED- cel in elkaar zal zitten, onderwijl we de schets aan het maken
waren kwamen we erachter dat de membraanafstand veel te klein is om
het zoete en zoute water op deze manier toe te voeren.
Vanwege dit probleem hebben we nog een mail aan Joost Veerman
gestuurd.
43
Subject: RE: Profielwerkstuk VWO-6
Date: Fri, 7 Oct 2011 09:20:04 +0200
From: [email protected]
To: [email protected]
CC: [email protected]
Hi Martijn en Thijs,
enig commentaar in rood.
J.V.
From: Martijn Klein [mailto:[email protected]]
Sent: Thu 6-10-2011 20:57
To: Veerman, Joost
Subject: Profielwerkstuk VWO-6
Beste meneer Veerman,
We zijn de afgelopen dagen hard bezig geweest met het nadenken over ons
model en we liepen alweer tegen een aantal vragen aan.
Als eerste zien we ons nog niet voor ons hoe we een tussenruimte tussen de
membranen van maximaal 0,5 mm kunnen gaan realiseren.
Doe je door spacers tussen te voegen. dit zijn geweven open structuren, een
soort vitrages. Zal je ook een stuk sturen.
Daarnaast weten we ook niet hoe we het water in de ruimtes tussen de
membranen kunnen pompen, omdat het zo dun is. We lopen dus eigenlijk vast op
de breedte van deze ruimte.
Toevoer staat in fig. 1 van de bijlage.
In overleg met onze scheikunde leraar kwamen we tot de conclusie dat een
anode en een kathode van platina het beste zou zijn.
Deze zijn blijkbaar behoorlijk prijzig, maar de school heeft er een aantal ter
beschikking. Is platina hier geschikt voor of moeten we een ander materiaal
gebruiken?
Ja, maar ze moeten wel redelijk groot zijn, eigenlijk net zo groot als de
membranen. een alternatief zou zijn koolstof. En voor dekathode zou je misschen
ook RVS kunnen gebruiken
We hopen dat u ons kunt helpen,
Succes,
Joost Veerman
Met vriendelijke groet,
Martijn & Thijs
44
Figuur uit bijlage van Jan W. Post
Na het krijgen van deze Informatie van Joost Veerman was het ons
volkomen duidelijk dat onze schets van de RED-cel niet goed was met
betrekking tot de toevoer van het water en de circulatie van de
elektrolytoplossing.
Nu werd het project toch wel heel lastig uit te voeren want dan zou er
plexiglas gefreesd moeten worden en dat is heel erg bewerkelijk.
Gelukkig net nadat we tot deze conclusie waren gekomen kwam onze
PWS coördinator Meneer van Nieuwaal met het idee om een lespakket
aan te schaffen van een RED-cel wat dan ook gebruikt kan worden voor de
NLT lessen.
Dit was voor ons een uitstekende kans want we weten dan gelijk dat de
cel werkt en kunnen we onze proeven uit gaan voeren.
Voor onze proeven hadden we wel nog een aantal dingen nodig:
- 3 pompjes
- teflon tape
- goede slangaansluiting voor de pompjes
- extra slang
We hebben de pompjes via meneer van der Sluis bij de Conrad besteld, in
het scheikundekabinet lag nog teflontape wat we mochten gebruiken.
45
De slang en slangklemmen hebben we bij de AGO-automaterialen
gekocht.
Nu we alle onderdelen binnen handbereik hadden konden we de RED-cel
op gaan bouwen, dit moest in één keer gebeuren want anders zouden de
membranen uitdrogen. We hebben dus in één keer de RED-cel in elkaar
gezet, de pompjes aangesloten en gelijk gevuld met kraanwater,
vervolgens hebben we de elektrolytvloeistof aangemaakt.
Nadat de elektrolytvloeistof was aangemaakt hebben wij deze in de REDcel gebracht, vervolgens hebben we zout water aangemaakt van
keukenzout zonder jodium en dit samen met zoet water rond laten
pompen: het aangesloten molentje gaat draaien!
Nu we onze proeven konden gaan doen, hebben we zeewater gehaald.
De eerste keer was het water nauwelijks zout, dit kwam waarschijnlijk
doordat de sluizen hebben opengestaan om het rivierwater te lozen.
Het zeewater hebben we gefiltreerd met filtreerpapier, we hebben de
proeven gedaan met de warmte van de elektrolytvloeistof te meten, we
kregen goede resultaten maar de elektrolytvloeistof verkleurde van geel
naar diepgroen. De week erna toen we weer verder gingen was er een
groene neerslag gevormd, we hebben gewoon de pompjes weer aangezet
maar na een korte tijd kregen was er geen spanning meer te meten.
Vervolgens hebben we een nieuwe elektrolytvloeistof aangemaakt en
hebben het weer geprobeerd, we kregen nog steeds geen constante
spanning. We hebben in plaats van de elektrolytvloeistof warm water en
ook nog demiwater gebruikt om te proberen de membranen schoon te
spoelen, helaas zonder resultaat. (Hoofdstuk 11, Discussie, bladzijde 26)
We hadden geen idee hoe het zou kunnen komen dat onze RED-cel het
niet meer deed, ook de scheikunde TOA wist het niet.
Wel hadden we bedacht dat het misschien een optie was om de buitenste
twee membranen te verwijderen, na een mailtje van Joost Veerman werd
ons vermoeden bevestigd.
46
Van: Martijn Klein [mailto:[email protected]]
Verzonden: ma 6-2-2012 21:00
Aan: Veerman, Joost
Onderwerp: Blue energy RED-cel
Geachte heer Veerman,
Een aantal weken terug hebben wij (Thijs en Martijn) contact met u gehad over
blue energy en over het bouwen van een RED-cel.
Wij hebben op uw advies samen met de school een pakket aangeschaft, dit
werkte allemaal uitstekend.
Maar nu na een aantal weken is de elektrolytvloeistof groen geworden, als het
een langere tijd stil staat bezinkt het groene "spul".
Helaas doet nu onze RED-cel het nu niet meer, misschien weet u de oorzaak
hiervan? Is de permeabiliteit van de membranen misschien achteruit gegaan?
Met vriendelijke Groeten,
Thijs van der Zaan en Martijn Klein
Subject: RE: Blue energy RED-cel
Date: Tue, 7 Feb 2012 11:41:10 +0100
From: [email protected]
To: [email protected]
Beste Thijs en Martijn,
Waarschijnlijk is het electrolyt in contact gekomen met ijzer.
Dan wordt ijzer iets geoxideerd tot Fe2+ of zelfs Fe3+
De samenstelling van het electrolyt is:
K4Fe(CN)6 0.05 mol/L
K3Fe(CN)6 0.5 mol/L
NaCl
0.1 mol/L
Je krijgt dan reactie tussen
Fe3+ + [Fe(CN)]4- ---> berlijns blauw ofwel Pruisisch Blauw (zie Wikipedia)
en
Fe2+ + [Fe(CN)]3- ---> ook een blauwe kleurstof
Samen met het oranjegeel van de oorspronkelijke vloeistof geeft dat een
groenige kleur.
Het kan zijn dat dit pruisisch blauw ook je membranen vergiftigd heeft.
NB. Het electroliet kan niet erg goed tegen direct zonlicht. Breekt daardoor
af.
Remedie
a) zorg voor nieuw electroliet
b) zorg dat er geen ijzeren onderdewlen (kranen etc.) in het systeem zitten
c) vervang eventueel de buitenste membranen (door nieuwe membranen van
het type CEM)
47
Als je geen nieuwe membranen hebt, dan aan beide zijden buitenste CEM plus
het volgende AEM verwijderen.
From: Martijn Klein [mailto:[email protected]]
Sent: Tue 7-2-2012 13:12
To: Veerman, Joost
Subject: RE: Blue energy RED-cel
Hallo,
Wij hebben net nog even gekeken of we misschien dit pruisisch blauw op kunnen
lossen, als wij de membranen nu eens in oxaalzuur leggen, zou er inkt ontstaan
misschoen is dit de mogelijkheid om het op te lossen.
Mvg,
Thijs en Martijn
Subject: RE: Blue energy RED-cel
Date: Tue, 7 Feb 2012 20:39:58 +0100
From: [email protected]
To: [email protected]
Doe dat soort experimenten alsjeblieft in een zuurkast.
J.V.
Dat lijkt ons dan toch niet zo'n goed plan als er blauwzuurgas vrij kan komen.
Bedankt voor uw informatie hierover!
Groeten,
Thijs en Martijn
Na deze e-mails van Joost Veerman hebben wij geconcludeerd dat het
nodig was om de buitenste twee membranen uit de RED-cel te halen. We
hebben in één dag de membranen uit de RED-cel gehaald, weer in elkaar
gezet en onze overige proeven gedaan. Het enige probleem is dat nu er in
totaal 4 membranen uit zijn de resultaten niet zo hoog zijn als voorheen.
Om te voorkomen dat de problemen niet meer voorkomen hebben we
gelijk de elektrolytvloeistof uit de RED-cel gepompt en er water in
gepompt. Ook maken we weer nieuwe elektrolytvloeistof aan als we bij
de presentatie de opstelling laten zien.
48