BÈTASIMULATIE BODEM-REDOX

Transcriptie

1 BÈTASTEUNPUNT WAGENINGEN BÈTASIMULATIE BODEM-REDOX Draag bij aan een schonere wereld Docentenhandleiding

2 Colofon Documenttitel: Docentenhandleiding Bètasimulatie Bodem-Redox Auteurs: Durk Veenstra, Bètasteunpunt Wageningen Lisanne Keijzer, Bètasteunpunt Wageningen Wetenschappelijke experts: MSc Nora Sutton, Wageningen University prof.dr.ir. Huub Rijnaarts, Wageningen University dr.ir. Harry Bruning, Wageningen University Onder redactie van: Bètasteunpunt Wageningen & De Praktijk (eindredactie) Vormgeving Margriet van Vianen, Bètasteunpunt Wageningen Foto voorpagina: worker in coveralls and mask takes a sample of the soil in the contaminated area, Versie 1.0 Het auteursrecht op de module berust bij Wageningen University. Wageningen University is derhalve de rechthebbende zoals bedoeld in de hieronder vermelde Creative Commons licentie. De auteurs hebben bij de ontwikkeling van de module gebruik gemaakt van materiaal van derden en daarvoor toestemming verkregen. Bij het achterhalen en voldoen van de rechten op teksten, illustraties, enz. is de grootst mogelijke zorgvuldigheid betracht. Verantwoording van de figuren is in de docentenhandleiding te vinden. Mochten er desondanks personen of instanties zijn die rechten menen te kunnen doen gelden op tekstgedeeltes, illustraties enz. van een module, dan worden zij verzocht contact op te nemen met Wageningen University. De module is met zorg samengesteld en getest. Wageningen University en Bètasteunpunt Wageningen aanvaarden geen enkele aansprakelijkheid voor onjuistheden en/of onvolledigheden in de module. Ook aanvaarden Wageningen University en Bètasteunpunt Wageningen geen enkele aansprakelijkheid voor enige schade, voortkomend uit (het gebruik van) deze module. Dit werk is gelicenseerd onder een Creative Commons Naamsvermelding-NietCommercieel-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie. Docentenhandleiding Bètasimulatie Bodem-Redox,

3 Inhoudsopgave Inleiding... 4 Inhoud en inpasbaarheid... 4 Instructie bètasimulatie... 4 Overzicht en leerdoelen... 5 Antwoorden vragen simulatie... 7 Antwoorden vragen lesbrief... 9 Docentenhandleiding Bètasimulatie Bodem-Redox,

4 Inleiding Voor u ligt de docentenhandleiding bij de Bodem-redox Simulatie van Bètasimulaties.nl. Bètasimulaties.nl is een platform met simulaties voor gebruik binnen het voortgezet onderwijs gemaakt op initiatief van Bètasteunpunt Wageningen en game-ontwikkelaar QLVR, ontwikkeld met steun van Wageningen University en het Platform Bèta Techniek. De simulaties bieden een nieuwe manier om onderzoekend leren in de klas in te brengen. Leerlingen leren door spelenderwijs te modelleren een onderwerp kennen waar Wageningen Universiteit onderzoek naar doet. In de simulaties leren leerlingen werken met modellen en passen hun voorkennis in een Wageningse praktijkcontext toe. Inhoud en inpasbaarheid De Bodem-redox Simulatie is ontwikkeld voor 4-5 vwo. Het materiaal is geschikt voor het vak scheikunde en sluit aan bij het onderwerp redoxchemie. De simulatie is geschikt om bestaande voorkennis toe te passen en te verbreden. In de Bodem-redox Simulatie stapt de leerling in de schoenen van een milieutechnoloog en brengt zijn/haar scheikundekennis in de praktijk door bodemverontreinigingen te saneren. De leerling ontdekt welke eenvoudige redoxkoppels gebruikt kunnen worden om verontreinigingen te laten reageren. Daarbij krijgt hij/zij inzicht in de basistechnieken van bodemsanering en ontdekt hoe ingenieurs zowel handig gebruik maken van chemische reacties als van biologische processen. Instructie bètasimulatie De simulatie kan als geheel achter elkaar worden doorgewerkt, de tijdsbesteding is twee à drie lesuren. Deze simulatie bestaat uit zeven challenges waarvan de resultaten na elke challenge kunnen worden opgeslagen als PDF. Hieronder volgen een aantal tips voor het toepassen van de simulatie in de lessen: Probeer de uitdagingen eerst zelf uit en lees de lesbrief goed door. De combinatie van de lesbrief en simulatie is nodig om het onderwerp goed te begrijpen. Start met een klassikale introductie van het onderwerp. Geef een presentatie van 6 à 7 PowerPointslides. Een voorbeeldpresentatie vindt u terug in het infopakket met de docentenhandleiding. Laat de leerlingen daarna zelfstandig de simulatie spelen op basis van de lesbrief. Laat leerlingen thuis een eerste challenge spelen (flipped classroom). Aarzel niet om eenzelfde simulatie meerdere keren te laten lopen, de resultaten kunnen met dezelfde variabelen flink verschillen. Sluit de les af met een paar vragen die de essentie van de gespeelde challenges dekken. Docentenhandleiding Bètasimulatie Bodem-Redox,

5 Overzicht en leerdoelen De simulatie is opgebouwd uit zeven challenges. Hieronder volgt de opbouw plus leerdoelen per challenge: Challenge 1 Benzeen in zandgrond - In-situ biostimulering met beluchting / zuurstof. Beluchting van een benzeenverontreiniging in een zandgrond. Leerlingen leren dat gestimuleerde oxidatie gebruikt kan worden om organische verontreinigingen, zoals benzeen, op te ruimen. Leerlingen leren hoe een sanering met beluchting in elkaar steekt en hoe zuurstof daarbij gebruikt wordt. Challenge 2 Benzeen in zandgrond - In-situ chemische oxidatie met KMnO 4. Chemische oxidatie met KMnO 4 van een benzeenverontreiniging in een zandgrond. Leerlingen leren dat ook chemische oxidatie gebruikt kan worden om organische verontreinigingen, zoals benzeen, op te ruimen. Leerlingen leren de betekenis van de sliders concentratie, aantal doseringen en interval en kunnen deze koppelen aan de opzet van bodemsanering: meerdere malen injectie met (chemische) stoffen. Challenge 3 PCE in zandgrond - In-situ chemische oxidatie met H 2 O 2. Chemische oxidatie met H 2 O 2 van een PCE-verontreiniging in een zandgrond. Leerlingen leren dat PCE ook met chemische oxidatie kan worden opgeruimd, maar niet door beluchting. Leerlingen leren de betekenis van de slider interval. Challenge 4 PCE in veengrond - In-situ biostimulering met acetaat of HRC. Reductie van een PCE-verontreiniging in een veengrond met acetaat of HRC. Leerlingen leren dat PCE in een anaerobe omgeving ook door reductie met in-situbiostimulering door acetaat of HRC opgeruimd kan worden. Docentenhandleiding Bètasimulatie Bodem-Redox,

6 Challenge 5 PCE in veengrond - In-situ biostimulering met acetaat of HRC. Reductie van een PCE-verontreiniging in een veengrond met acetaat of HRC. Zo snel mogelijk een in-situ bioremediatie van PCE in veengrond uitvoeren. Challenge 6 Benzeen in veengrond - In-situ biostimulering (met acetaat of HRC) of ISCO (met KMnO 4 of H 2 O 2 ). Opruimen van een PCE-verontreiniging in een veengrond met chemische oxidatie of biostimulering. Synthese van voorgaande challenges. Leerlingen leren dat chemische oxidatie in veengrond niet duurzaam is: veen wordt geoxideerd. Challenge 7 Benzeen in veengrond - In-situ biostimulering (met beluchting / zuurstof) of ISCO (met KMnO 4 of H 2 O 2 ). Opruimen van een benzeenverontreiniging in een veengrond met chemische oxidatie of biostimulering. Leerlingen experimenteren met een benzeenverontreiniging in veengrond. Docentenhandleiding Bètasimulatie Bodem-Redox,

7 Antwoorden vragen simulatie Challenge 1 1) Zuurstof is de oxidator (elektronacceptor). Benzeen is de reductor (elektrondonor). De bacteriën zijn de katalysator. 2) De benzeenconcentratie daalt als gevolg van afbraak door zuurstof dat van nature in het grondwater aanwezig is. 3) Water is een polair molecuul, en zuurstof een apolair molecuul. Apolaire stoffen lossen beperkt op polaire stoffen. Challenge 2 1) KMnO 4 reageert direct zonder katalysator en hogere concentraties zijn mogelijk. 2) Het zout MnO 2 ontstaat, wat snel neerslaat en in grote hoeveelheden zorgt voor vaste steenlagen in de bodem. Dit gebeurt vooral bij het injectiepunt en bij verontreinigingen die sterk geconcentreerd zijn. 3) Zand reageert niet mee en het heeft een grote doorlaatbaarheid. 4) Cr3 + Cr e -. Bij beluchting speelt oxidatie van zware metalen geen risico, want zuurstof als oxidator is niet zo sterk als KMnO 4 - de oxidatiereactie bij beluchting wordt gekatalyseerd door bacteriën. Challenge 3 1) Het reageert sneller en laat weinig sporen van gebruik in de bodem na. 2) De actieve tijd is niet zo heel groot. KMnO 4 blijft langer in de bodem actief. 3) De verontreiniging is vrijwel altijd apolair, en die hecht gemakkelijker aan de apolaire bodem, dan dat ze oplost in het polaire grondwater. De hoeveelheid bodem wordt uitgedrukt in massa, vandaar dat de concentratie mol/kg is. 4) De verontreiniging kan door de reactiewarmte verdampen, dat vormt een gezondheidsrisico. De extra reactiewarmte en zuurstof in de bodem zorgen echter ook voor een versnelde biologische afbraak. Als de bodemluchtzone ondiep is, heeft het gezondheidsrisico de overhand. Challenge 4 1) Veen bestaat uit plantenresten, organisch materiaal. Dit organische materiaal werkt als elektrondonor, terwijl PCE als elektronacceptor werkt. 2) Het duurt langer. En er zijn per molecuul PCE bij biostimulering 8 moleculen nodig, terwijl oxidatie van PCE 4 elektronen levert, waardoor er tweemaal zoveel mol saneringsmiddel nodig is (afgezien van andere factoren). 3) Bij de afbraak van HRC is acetaat een tussenproduct. 4) Een oxidator zou gaan reageren met veen, waardoor je er meer van nodig hebt. Bij biostimulering heb je daar geen last van. Challenge 5 1) Het voordeel van de natuurlijke stoffen is dat ze geen sporen in de bodem. Een ander voordeel is dat ze goedkoper zijn dan het gebruik van chemische oxidatoren. Docentenhandleiding Bètasimulatie Bodem-Redox,

8 Challenge 6 1) De reactie wordt gekatalyseerd door bacteriën, boven een bepaalde concentratie saneringsmiddel zal de reactiesnelheid niet meer toenemen. 2) De concentratie saneringsmiddel is meestal de beperkende factor, maar in dit geval is het de oxidatie van veen die ervoor zorgt dat er minder oxidator beschikbaar is voor PCE. 3) Eerst beginnen met een korte intense periode van chemische oxidatie. Daarna sanering met biostimulering om het proces af te maken. Challenge 7 1) Er zit een maximum aan de zuurstofconcentratie in grondwater. In aanwezigheid veengrond is dit een extra groot nadeel, omdat veen concurreert met benzeen. Het veen kan net als benzeen als elektronendonor dienen. Deze situatie vraagt om extra hoge concentraties van je acceptor. 2) De concentratie van het saneringsmiddel moet hoger zijn, want veen reageert met een groot deel van de oxidator. De frequentie ligt hoger, want het saneren duurt langer. De intervallen zijn kleiner, omdat het oxidatiemiddel sneller wegreageert en vervalt. 3) Streefwaarden liggen lager dan interventiewaarden, want interventiewaarden vragen actie, terwijl streefwaarden een wenselijke situatie beschrijven. In de praktijk is het praktisch om te weten wanneer er echt actie nodig is voordat grond opnieuw veilig gebruikt kan worden (interventiewaarde) en wanneer grond echt schoon verklaard mag worden (streefwaarde). Soms is de interventiewaarde voldoende, andere keren is de streefwaarde vereist. Docentenhandleiding Bètasimulatie Bodem-Redox,

9 Antwoorden vragen lesbrief Challenge 1 1) gebruik bijvoorbeeld 1300 dagen * mmol/l = 18,2 mmol/l zuurstof in totaal. 2) 1.5 mmol/l benzeen * (30/4) = mmol/l zuurstof nodig op basis van elektronenverhouding. 3) ruwweg tweemaal zoveel zuurstof gebruikt als strikt genomen noodzakelijk op basis van elektronenverhouding is een heel aannemelijk getal, omdat niet alle zuurstof door bacteriën gebruikt wordt. Je voegt een overmaat toe. Challenge 2 1) dat is de actieve tijd van KMnO 4 in de bodem. 2) de eerste maand is de concentratie KMnO 4 een stuk hoger, dat veroorzaakt een snelle reactie en dus een snelle daling van de concentratie benzeen. 3) bijvoorbeeld 22 * 4 mmol/l KMnO 4 = 88 mmol/l KMnO 4. 4) de efficiëntie is 88/1.5 * 3/30 = 5.9. Een reden waarom deze efficiëntie hoger is dan bij beluchting, is bijvoorbeeld omdat het zich door de stapsgewijze injectie minder efficiënt door de bodem verspreidt. 5) met 11*8 mmol/l = 88 mmol/l lukt het ook. De efficiëntie is dus gelijk. Kennelijk gaat er met het verdubbelen van de concentratie dus weinig saneringsmiddel verloren. Als je goed kijkt zie je dat de grafiek van de concentratie verontreinigingsmiddel in de observatieperiode ietsje hoger begint: een teken dat de reactie iets minder efficiënt verloopt. 6) het plantaardig materiaal bestaat uit organische stoffen deze zullen ook reageren met het toegevoegde oxidant waardoor er minder overblijft voor de verontreiniging Challenge 3 1) een hele praktische invloed: de sanering verloopt sneller! De efficiëntie gaat ook een klein beetje achteruit, hoewel die invloed enorm meevalt. Je moet een extra dosering toevoegen als je kiest voor een interval van 10 dagen. 2) tijdens de reactie daalt de concentratie in het grondwater erg snel. Als de reactie na 2 a 3 dagen afgelopen is, is er voor de verontreiniging nog geen evenwicht tussen grondwater en bodem. Die stelt zich daarna in, in de vorm van een stroom van verontreiniging van de bodem naar het grondwater. Dat veroorzaakt die piekjes. 3) bijvoorbeeld: 2*26 = 52 mmol/l H 2 O 2 toegevoegd. 4) zuurstofgas en de reactiewarmte van de oxidatie van H 2 O 2 zorgen ervoor dat het biologische proces sneller verloopt. Challenge 4 1) bijvoorbeeld: Acetaat: 40*2 = 80 mmol/l HRC: 3*2 = 6 mmol/l 2) 80/6 = 13 maal zoveel. 3) 8 e - /mol voor acetaat / 12 e - /mol voor HRC = 2/3. 13 * ⅔ = effectief 9 maal meer acetaat dan Hydrogen Release Compound. Dit getal is vrij groot. Dit komt doordat HRC effectiever reageert omdat het langzaam lactaat loslaat. Acetaat vervalt sneller. Bovendien reageert het waterstof dat bij lactaat vrijkomt beter dan acetaat. Docentenhandleiding Bètasimulatie Bodem-Redox,