PWS Blue Energy

of 48/48
Blue Energy Thijs van der Zaan Martijn Klein Profielwerkstuk V6 NLT Fase 3 Profielwerkstuk
  • date post

    11-Jan-2017
  • Category

    Documents

  • view

    244
  • download

    1

Embed Size (px)

Transcript of PWS Blue Energy

  • Blue Energy

    Thijs van der Zaan

    Martijn Klein Profielwerkstuk V6

    NLT

    Fase 3 Profielwerkstuk

  • 2

    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

  • 3

    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

  • 4

    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. Tijdschemas ....................................................................................... 32

    14. Bronvermelding .................................................................................. 37

    14. Bijlagen ............................................................................................... 38

    file:///C:/Users/Thijs/Desktop/Profielwerkstuk%20Blue%20Energy.docx%23_Toc318235869

  • 5

    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?

  • 6

    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. www.energy.eu | 10-10-2011

    2. http://www.bwea.com/edu/ | 10-10-2011

    3. http://mediatheek.thinkquest.nl/~ll055/waternl/earth.htm | 5-10-2011

  • 7

    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.

    Afbeelding 1: Basisopstelling met

    semipermeabel membraan 4

    Afbeelding 2: Toevoegen van zout

    (NaCl) aan een van de twee

    hoeveelheden water 4

    Afbeelding 3: Watertransport als

    gevolg van het verschil in osmotische

    waarden. 4

    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.

    4. : LOI Cursus. Voedselconsulente , 2012

  • 8

    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.

    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 n 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

    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

    verwaarloosbare massa. 5

    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.

    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.

    5. : BINAS, Noofdhoff Uitgevers, Door CEVO toegestaan hulpmiddel bij examens exacte vakken, 2012

  • 9

    waarde geeft aan hoeveel gram van deze stof er in n 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.

    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 variren, kun je ontzettend veel

    verschillende atoommodelletjes creren. 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).

    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

    Afbeelding 6: Atoommodel met

    elektronen (geel), protonen

    (rood) en neutronen (groen) 7

    Afbeelding 7: Element Helium in

    het elementair systeem. 4,003 is

    de molaire massa. Het getal 2

    geeft het aantal protonen weer 5

    Afbeelding 5: Het IJzercyanide

    complex 6

    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

  • 10

    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.

    De belangrijkste ionen die zich in het zoute water bevinden zijn natrium en

    chloride ionen. Zoals op de vorige paginas 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.

    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.

  • 11

    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 alineas 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 4: Schematische voorstelling van de RED-cel met 1 werkende eenheid. 8

    Afbeelding 3: Membranen

    Afbeelding 2: Elektroden

    Afbeelding 1: Kopplaat

  • 12

    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.

    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.

    Afbeelding 6: Spacers en pakkingen

    Afbeelding 5: Beginplaat met

    slangkoppelingen

    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.

    8: Handleiding bouwpakket Blue Energy, Wageningen University, 2012

  • 13

    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.

    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 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

    Afbeelding 8: Elektrolytvloeistof voor

    en na de bereiding

  • 14

    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

    ampremeter 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

  • 15

    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.

  • 16

    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 ampremeters hebben afgelezen in de tabel.

    Resultaten

    De resultaten waren als volgt:

    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.

    0

    0,1

    0,2

    0,3

    0,4

    0,5

    0,6

    0 20 40 60

    Span

    nin

    g U

    in (

    V)

    en

    St

    roo

    mst

    erk

    te I

    in (

    A)

    Zoutconcentratie in gram NaCl per liter

    Stroomsterkte (A)

    Spanning (V)

    Concentratie zout in gram/liter

    I (A) U (V)

    5 0,1 0,16

    10 0,1 0,32

    15 0,16 0,4

    20 0,17 0,45

    25 0,17 0,47

    30 0,18 0,48

    35 0,18 0,49

    40 0,18 0,5

    Zeewater 0,17 0,45

  • 17

    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

    ampremeter. 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

    Resultaten

    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.

    U-pomp U (V) I (A)

    1 0,25 0,8

    2 0,25 0,8

    3 0,25 0,8

    4 0,24 0,8

    5 0,25 0,8

    6 0,25 0,8

    7 0,26 0,8

    8 0,26 0,8

    9 0,26 0,8

    10 0,25 0,8

    11 0,25 0,8

    12 0,26 0,8

    0

    0,2

    0,4

    0,6

    0,8

    1

    0 5 10 15

    Span

    nin

    g U

    in (

    V)

    en

    st

    roo

    mst

    erk

    te I

    in (

    A)

    Spanning op de pompjes (V)

    Geleverde spanning (V)

    Geleverde stroomsterkte (A)

  • 18

    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

    - Ampremeter

    - 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

    ampremeter. 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.

  • 19

    Resultaten

    De resultaten van onze proef waren als volgt:

    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.

    0

    0,5

    1

    1,5

    2

    2,5

    0 20 40 60

    U(V)

    I(A)

    P (Watt)

    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

    35 0,25 1,5 0,38

    40 0,24 1,8 0,43

    45 0,23 2 0,46

    50 0,23 2,1 0,48

  • 20

    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

    ampremeter. 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.

    Resultaten

    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.

    U-pomp U (V) I (A)

    1 0,25 0,8

    2 0,25 0,8

    3 0,25 0,8

    4 0,24 0,8

    5 0,25 0,8

    6 0,25 0,8

    7 0,26 0,8

    8 0,26 0,8

    9 0,26 0,8

    10 0,25 0,8

    11 0,25 0,8

    12 0,26 0,8

    0

    0,2

    0,4

    0,6

    0,8

    1

    0 5 10 15

    Span

    nin

    g U

    in (

    V)

    en

    st

    roo

    mst

    erk

    te I

    in (

    A)

    Spanning op de pompjes (V)

    Geleverde spanning (V)

    Geleverde stroomsterkte (A)

  • 21

    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.

  • 22

    Resultaten

    We hebben de resultaten van onze proefjes in tabelletjes gezet en hier grafieken van gemaakt.

    Hieruit is goed een conclusie te trekken.

    Circulerende elektrolytvloeistof

    0

    0,05

    0,1

    0,15

    0,2

    0,25

    0,3

    0,35

    0,4

    0,45

    0 100 200 300 400 500

    Span

    nin

    g U

    in (

    V)

    en S

    tro

    om

    ste

    rkte

    I i

    n (

    A)

    Tijd (t) in seconden (s)

    Spanning (V)

    Stroomsterkte (A)

    t (s) U (V) I (A)

    0 0,4 0,17

    10 0,38 0,16

    20 0,38 0,16

    30 0,39 0,17

    40 0,4 0,17

    50 0,4 0,17

    60 0,4 0,17

    70 0,39 0,17

    80 0,38 0,17

    90 0,37 0,17

    100 0,36 0,17

    120 0,35 0,17

    140 0,33 0,16

    160 0,32 0,17

    180 0,31 0,16

    200 0,29 0,16

    220 0,28 0,16

    240 0,26 0,16

    300 0,22 0,16

    450 0,1 0,16

  • 23

    Stilstaande elektrolytvloeistof

    0

    0,05

    0,1

    0,15

    0,2

    0,25

    0,3

    0,35

    0,4

    0,45

    0 100 200 300 400 500

    Span

    nin

    g U

    in (

    V)

    en S

    tro

    om

    ste

    rkte

    I in

    (A

    )

    Tijd in seconden

    Spanning (V)

    Stroomsterkte (A)

    t (s) U (V) I (A)

    0 0,4 0,17

    10 0,36 0,17

    20 0,36 0,17

    30 0,36 0,17

    40 0,36 0,17

    50 0,36 0,17

    60 0,36 0,17

    70 0,36 0,17

    80 0,35 0,17

    90 0,35 0,17

    100 0,34 0,17

    120 0,33 0,17

    130 0,32 0,17

    140 0,31 0,17

    150 0,3 0,16

    160 0,29 0,16

    170 0,29 0,16

    180 0,28 0,16

    190 0,27 0,16

    200 0,26 0,16

    210 0,25 0,16

    220 0,24 0,16

    230 0,24 0,16

    240 0,23 0,16

    250 0,22 0,16

    260 0,22 0,16

    270 0,21 0,16

    280 0,2 0,16

    290 0,19 0,16

    300 0,19 0,16

    310 0,18 0,16

    320 0,18 0,16

    330 0,17 0,16

    340 0,16 0,16

    350 0,15 0,16

    360 0,14 0,16

    370 0,13 0,16

    380 0,12 0,16

    390 0,1 0,17

  • 24

    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 n grafiek te zetten. We krijgen dan

    de volgende grafiek:

    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

    0

    0,05

    0,1

    0,15

    0,2

    0,25

    0,3

    0,35

    0,4

    0,45

    0 100 200 300 400 500

    Spanning (V) bewegend

    Spanning (V) stilstaand

  • 25

    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.

  • 26

    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 mitochondrin. ATP

    zorgt voor het energietransport binnen het menselijk lichaam en is van

    levensbelang.

    Afbeelding 9: Moleculemodel

    van waterstofcyanide 9

    9. Waterstofcyanide, http://chemistry.about.com, 28-2-2011

  • 27

    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.

  • 28

    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 Ampre. 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 1,602210-19 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 ampre gelijk aan 1 coulomb lading die per seconde langs

    komt. Een stroom heeft dus een stroomsterkte van 1 ampre 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 ampre (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)6

    4-. Deze reactie heeft 0.36 V nodig. 10

    10: BINAS, Noofdhoff Uitgevers, Door CEVO toegestaan hulpmiddel bij examens exacte vakken, 2012

  • 29

    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.

  • 30

    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 23C en

    maximaal 33C waardoor de watertemperatuur rond de 24C ligt 12. De

    watertemperatuur komt dus het meest overeen met de

    watertemperatuur waarmee wij onze metingen hebben gedaan, dit is

    22C. 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 * 10

    9

    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 = P x t

    [kWh]= [kW] x [t]

    Dus het aantal kWh is : 3,95 * 106 x (365 x 24) = 3,46 * 10

    10 kWh

    Een gemiddeld huishouden gebruikt 3400kWh aan elektriciteit per jaar 14.

    Er kunnen dus: 3,46 * 1010/3400 = 10,2 * 10

    6 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

  • 31

    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 ampre. 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.

  • 32

    13. Tijdschemas

    Logboek

    Datum tijd Bezigheid

    30/08 1uur pp Onderwerp verzinnen > H-cel

    06/09 1uur pp H-cel gevaarlijk dus afgekeurd, nieuwe ideen zoals blue energy, vleugelprofielen, golfslag generator

    08/09 1uur pp Artikelen over blue energy gevonden en mailtje gestuurd met vragen naar joost veerman

    08/09 1uur pp Mailtje teruggestuurd met vragen over de RED en een tekening van een blue energy cel gemaakt

    13/09 1uur voor martijn Artikelen doorgelezen, belangrijke dingen gemarkeerd, mailtje gestuurd naar joost veerman of er membranen beschikbaar zijn

    14/09 1uur voor thijs Mailtje teruggehad en we moesten mailen naar een man van fujifilm, dit hebben we gedaan.

    15/09 1uur pp Mailtje teruggehad dat wij ze niet konden krijgen ivm dat het in de ontwikkelingsfase zit. Nagedacht over de hoofd-/en deelvragen

    20/09 1 uur pp Tekening van RED-cel geoptimaliseerd, hierbij zijn nog vragen naar voren gekomen, onderzoeksvragen bedacht

    22/09 2 uur pp Mail gestuurd aan joost veerman met vragen over reacties en de grootte van de opstelling

    27/09 1 uur pp Mail van Joost Veerman teruggekregen en de

  • 33

    antwoorden van hem besproken, begin gemaakt van nieuwe schets.

    29/09 2 uur pp 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

    4/10 1 uur pp Op het internet informatie gezocht over de RED- cel en hoe we het best met deze spacerdikte om kunnen gaan.

    6/10 2 uur pp 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.

    11/10 1 uur pp 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

    13/10 1 uur pp Artikelen van Joost Veerman uitgeprint en gemarkeerd wat belangrijk zal zijn voor ons profielwerkstuk

    25/10 1 uur pp Extra theorie opzoeken over RED-cel

    27/10 1 uur pp Bij toa van Scheikunde gevraagd welke onderdelen hij had liggen voor de RED-cel en gevraagd waar we de dingen die er nog niet waren konden kopen

    8/11 1 uur pp RED-cel lespakket binnengekregen, uitgepakt en de spullen geteld of alles

  • 34

    aanwezig was. Opgeschreven welke dingen nog aangeschaft moesten worden.

    10/11 2 uur pp Waterpompjes gezocht bij Graka en dierenspeciaalzaak, maar ze hadden geen pompjes die aan onze eisen voldeden.

    15/11 1 uur pp Pompjes bij de Conrad opgezocht en laten bestellen door Meneer van der Sluis, opgezocht van welke stof de elektroden gemaakt zijn.

    17/11 2 uur pp Slangaansluitingen met teflontape omtrokken en deze in de plexiglazen plaat bevestigd.

    22/11 1 uur pp 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.

    24/11 1 uur pp 5 meter doorzichtige slang gekocht bij AGO-automaterialen en het geld laten verrekenen.

    29/11 1 uur pp Werken aan fase 2, pompjes van conrad binnengekregen en onze aansluitingen erop gepast

    30/11 4uur pp Werken aan fase 2

    01/12 2 uur pp 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

    06/12 1 uur pp Aansluitingen gemaakt voor pompjes.

    08/12 2uur pp Aansluitingen op de RED-cel gemonteerd en de cel in elkaar gezet.

    13/12 1uur pp Spanningsbronnen gehaald bij natuurkunde, deze aangesloten op de pompjes.

    15/12 2uur pp De RED-cel door laten

  • 35

    spoelen met gewoon water, geen problemen met lekken e.d.

    20/12 1uur pp Elektrolytvloeistof aangemaakt en in de RED-cel gepompt

    22/12 4uur pp Zout water aangemaakt en de RED-cel laten draaien, het is gelukt, we hebben spanning!

    12/01 3uur pp Proeven met warmte van de elektrolytvloeistof gedaan, dit gaf goede resultaten.

    19/01 3uur pp Omdat de elektrolytvloeistof neer was geslagen gaf de RED-cel geen spanning meer en moest er dus nieuwe elektrolytvloeistof worden aangemaakt.

    02/02 4uur pp 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.

    07/02 1uur pp E-mail Joost Veerman gestuurd vanwege problemen met de RED-cel

    09/02 4uur pp Problemen met RED-cel opgelost en proeven gedaan

    14/02 1uur pp Bepaalde specificaties van de RED-cel nagegaan zoals stroomsnelheid.

    16/02 3uur pp Verwerken proefresultaten en onderzoeksrapporten schrijven

    22/02 2uur pp Onderzoeksrapporten schrijven en hoofdstukken schrijven.

    23/02 6uur pp Onderzoeksrapporten schrijven en hoofdstukken schrijven.

    24/02 4uur pp Voorlopige

  • 36

    hoofdstukindeling gemaakt en hoofdstukken en onderzoeksrapporten geschreven

    27/02 4uur pp Hoofdstukken doorlezen op fouten en veranderen, uitleg over de RED-cel schrijven

    28/02 5uur pp Voorlopige versie uitgeprint doorgelezen en veranderingen in aangebracht zoals dingen toevoegen in hoofdstukken.

    Totaal: 85 uur per persoon

  • 37

    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 Brazili, 20-2-2012

    www.mediatheek.thinkquest.nl/~ll055/waternl/earth.htm, Water in Nederland, 10-10-

    2011

    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/06-

    wadweten/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.

  • 38

    14. Bijlagen

    1. De ontwikkeling van onze RED-cel 37

  • 39

    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

  • 40

    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 genteresseerd 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 RED-cel 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 elektrolyt-ruimte 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

  • 41

    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:

  • 42

    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

  • 43

    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.

  • 44

    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

  • 45

    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 cordinator 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.

  • 46

    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 n keer gebeuren want anders zouden de

    membranen uitdrogen. We hebben dus in n 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 RED-

    cel 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.

  • 47

    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)

  • 48

    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 n 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.