PWS Blue Energy

48
Blue Energy Thijs van der Zaan Martijn Klein Profielwerkstuk V6 NLT Fase 3 Profielwerkstuk

Transcript of PWS Blue Energy

Page 1: PWS Blue Energy

Blue Energy

Thijs van der Zaan

Martijn Klein Profielwerkstuk V6

NLT

Fase 3 Profielwerkstuk

Page 2: PWS Blue Energy

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

Page 3: PWS Blue Energy

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

Page 4: PWS Blue Energy

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. Tijdschema’s ....................................................................................... 32

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

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

Page 5: PWS Blue Energy

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?

Page 6: PWS Blue Energy

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

Page 7: PWS Blue Energy

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

Page 8: PWS Blue Energy

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 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

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

Page 9: PWS Blue Energy

9

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.

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).

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

Page 10: PWS Blue Energy

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 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.

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.

Page 11: PWS Blue Energy

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

Afbeelding 3: Membranen

Afbeelding 2: Elektroden

Afbeelding 1: Kopplaat

Page 12: PWS Blue Energy

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

Page 13: PWS Blue Energy

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

Page 14: PWS Blue Energy

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

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

Page 15: PWS Blue Energy

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.

Page 16: PWS Blue Energy

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 ampèremeters 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

Page 17: PWS Blue Energy

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

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

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)

Page 18: PWS Blue Energy

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

- 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.

Page 19: PWS Blue Energy

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

Page 20: PWS Blue Energy

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

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.

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)

Page 21: PWS Blue Energy

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.

Page 22: PWS Blue Energy

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

Page 23: PWS Blue Energy

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

Page 24: PWS Blue Energy

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 één 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

Page 25: PWS Blue Energy

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.

Page 26: PWS Blue Energy

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 mitochondriën. 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

Page 27: PWS Blue Energy

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.

Page 28: PWS Blue Energy

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 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)6

4-. Deze reactie heeft 0.36 V nodig. 10

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

Page 29: PWS Blue Energy

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.

Page 30: PWS Blue Energy

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 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 = P x t

[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

Page 31: PWS Blue Energy

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 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.

Page 32: PWS Blue Energy

32

13. Tijdschema’s

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

Page 33: PWS Blue Energy

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

Page 34: PWS Blue Energy

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

Page 35: PWS Blue Energy

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

Page 36: PWS Blue Energy

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

Page 37: PWS Blue Energy

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 Brazilië, 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.

Page 38: PWS Blue Energy

38

14. Bijlagen

1. De ontwikkeling van onze RED-cel ……………………………………………37

Page 39: PWS Blue Energy

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

Page 40: PWS Blue Energy

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 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 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

Page 41: PWS Blue Energy

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:

Page 42: PWS Blue Energy

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

Page 43: PWS Blue Energy

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.

Page 44: PWS Blue Energy

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

Page 45: PWS Blue Energy

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 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.

Page 46: PWS Blue Energy

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 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 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.

Page 47: PWS Blue Energy

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)

Page 48: PWS Blue Energy

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 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.