Blue Energy Thijs van der Zaan Martijn Klein Profielwerkstuk V6 NLT Fase 3 Profielwerkstuk
Wat is het optimale vermogen van onze RED-cel? Profielwerkstuk VWO 6 Martijn Klein Thijs van der Zaan 2012 Begeleidt door J.J. van Nieuwaal 2
Als alle water van de Rijn gebruikt zou worden en het proces voor 100% effectief zou zijn, dan zou 70% van de Nederlandse elektriciteitsconsumptie met Blue Energy gemaakt kunnen worden Drs. Joost Veerman, docent Life Science & Technology op de NHL Hoge school te Leeuwarden op clubgreen.nl 3
Inhoud 1. Opzet... 5 2. Inleiding... 6 3. Voorkennis... 7 4. De Opstelling... 11 5. Chemische reacties... 14 6. Invloed van de zoutconcentratie... 16 7. Invloed van de stroomsnelheid van het water... 17 8. Invloed van de temperatuur van de elektrolytvloeistof... 18 9. Invloed van de stroomsnelheid van de elektrolytvloeistof... 20 10. Mogelijkheden met de reactiesnelheid... 21 11. Discussie... 26 12. Eindconclusie... 28 13. Tijdschema s... 32 14. Bronvermelding... 37 14. Bijlagen... 38 4
1. Opzet Tweetal Martijn Klein & Thijs van der Zaan Onderwerp Blue Energy Hoofdvraag Wat is het optimale rendement van onze RED Cel? Deelvragen 1 Hoe werkt een RED-cel? 2. Wat voor invloed heeft de stroomsnelheid van het zoete/zoute water op het vermogen? 3 Wat voor invloed heeft in zoutconcentratie van het water op het vermogen? 4. Wat voor invloed heeft de stroomsnelheid van de elektrolytoplossing op het vermogen? 5. Wat voor invloed heeft de temperatuur van het de elektrolytvloeistof voor invloed op het vermogen 6. De RED-cel in het groot? 5
2. Inleiding In de nabije toekomst zijn, volgens verschillende wetenschappelijke onderzoeken, de fossiele brandstoffen op onze planeet volledig opgebrand. Aardgas zou niet meer aanwezig zijn in het jaar 2068. Aardolie is op in 2047 1. Hoe moet het nu verder met de energiebehoeftes op aarde? Windmolens moeten nog vele verbeteringen ondervinden voor ze echt effectief kunnen zijn 2. Wind is dus misschien niet de oplossing. De hoeveelheid water op aarde dat zich in rivieren bevindt, is op dit moment ongeveer 1 360 km 3. 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 6
3. Voorkennis Reverse electrodialysis is een manier om stroom op te wekken door gebruik te maken van de opgeloste ionen in zout water. Daarnaast gebruikt men zoet water, dat nauwelijks ionen bevat. Er is hier allereerst sprake van een verschil in osmotische waarde. De osmotische waarde heeft veel te maken met de concentratie opgeloste stoffen in een vloeistof. Hoe groter deze concentratie, hoe groter de osmotische waarde. Diffusie en osmose Diffusie en osmose komen veel in het menselijk lichaam voor. Diffusie vindt eigenlijk overal plaats waar er deeltjes opgelost zijn in een vloeistof. In de lichaamsvloeistoffen vindt er dus ook diffusie plaats. Osmose is ongeveer het belangrijkste principe dat voor de werking van de nieren zorgt. Zo worden er uit de voorurine allerlei zouten terug het bloed in gehaald. Ook hier worden verschillende soorten membranen gebruikt, want er wordt ook water terug het bloed in gepompt voordat de voorurine het lichaam verlaat. Al deze processen vinden plaats zonder dat er energie wordt gebruikt en vallen dus onder passief transport. Osmose is het scheikundige verschijnsel dat een vloeistof of ion passief - dus zonder dat het energie kost - door een semipermeabel membraan (Uitleg over membranen: Vak 1) wordt getransporteerd door het verschil in de osmotische waarden. Stelt u zich het volgende voor: als men in een bakje, gevuld met water, een hoeveelheid keukenzout (natriumchloride NaCl) strooit, zal het zout oplossen (afbeelding 2). Naar verloop van tijd zal de concentratie opgeloste zoutionen, die afkomstig zijn uit het keukenzout (Na + en Cl - ), overal in het water (in ruimte A) hetzelfde zijn. Dit verschijnsel heet diffusie. Vak 1: Membraan Een membraan is een soort vlies dat een afscheiding kan maken tussen twee of meerdere ruimten. Een stuk uit een varkensmaag wordt bijvoorbeeld vaak als membraan gebruikt. Een semipermeabel membraan laat maar een deel van de stoffen door. Deze selectie kan berusten op bijvoorbeeld deeltjesgrootte, lading of fase waarin de stof zich bevindt. Afbeelding 1: Basisopstelling met semipermeabel membraan 4 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. 4. : LOI Cursus. Voedselconsulente, 2012 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 7
De oplossing in ruimte A heeft, dankzij de opgeloste ionen, een hogere osmotische waarde gekregen als het water in ruimte B omdat ruimte B nauwelijks tot geen ionen bevat, en ruimte A wel. Door dit verschil zal er watertransport plaats gaan vinden. Het water stroomt van de kant van de lage osmotische waarde (B) naar de kant van de hoge osmotische waarde (A) zoals te zien is in afbeelding 3. Dit verschijnsel heet osmose. Bij osmose wordt er altijd gestreefd naar gelijke osmotische waarden: een osmotisch evenwicht. Doordat het membraan alleen water doorlaat, wordt er water getransporteerd naar de kant waar de osmotische waarde het grootst is. De concentratie opgeloste stoffen in ruimte B wordt dan groter omdat de hoeveelheid water kleiner wordt (In vak 2 staat meer uitleg over concentratie). De concentratie opgeloste stoffen wordt in ruimte A kleiner omdat de hoeveelheid water toeneemt en de hoeveelheid opgeloste stof gelijk blijft. Door de kracht die deze osmose tot stand brengt wordt het water als het ware omhoog gepompt. Dit gaat net zo lang door tot zich er een evenwicht tussen de osmotische kracht en de zwaartekracht instelt of de osmotische waarden van beide oplossingen gelijk worden. Het proces kan ook omgedraaid worden. Als er een membraan gebruikt wordt dat alleen ionen doorlaat gebeurt er iets anders. Een RED-cel maakt gebruik van twee soorten membranen. De ene laat alleen positieve ionen door, zogenaamde CEM membranen, en de andere laat alleen negatieve ionen door: AEM membranen. Het transport van water door deze membranen is niet mogelijk. In dit geval verplaatsen de ionen zich naar de kant waar de concentratie opgeloste stoffen het kleinst is. Ook hier is sprake van passief transport. 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 Vak 2: Concentratie De concentratie opgeloste stof in een oplossing is afhankelijk van twee factoren: de hoeveelheid opgeloste stof en de hoeveelheid oplosmiddel. Als de hoeveelheid oplosmiddel een keer zo groot wordt, wordt de concentratie een keer zo klein. Wordt de hoeveelheid opgeloste stof een keer zo groot, dan wordt de concentratie ook een keer zo groot. Afbeelding 4: Het natriumatoom. Het getal 11 staat voor het aantal protonen. 22,99 is het massagetal. Tevens geldt het massagetal voor het aantal kerndeeltjes: pro- en neutronen. Elektronen hebben een verwaarloosbare massa. 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 5. : BINAS, Noofdhoff Uitgevers, Door CEVO toegestaan hulpmiddel bij examens exacte vakken, 2012 8
waarde geeft aan hoeveel gram van deze stof er in één mol stof gaat. Zo is 1 mol Natrium gelijk aan 22,99 gram. Deze waarden zijn te vinden in het elementair systeem (afbeelding 4). 0,1 Mol natriumchloride komt ongeveer overeen met een massa van 5,8 gram per liter. Naast keukenzout bevindt er zich ook Geel- en Rood bloedloogzout in de elektrolytoplossing. Dit zijn ingewikkelde stoffen met een IJzercyanide complex (afbeelding 5). De moleculeformules van deze stoffen zijn [K 3 Fe(CN 6 ) Rood bloedloogzout] en [K 4 Fe(CN6) Geel bloedloogzout]. Deze stoffen zijn in de elektrolytoplossing beide aanwezig in de concentratie van 0,05 Molair wat neerkomt op een massa van 16,5 gram (rood bloedloogzout) en 18,5 gram (geel bloedloogzout) per liter water. Afbeelding 5: Het IJzercyanide complex 6 De functie van de elektrolytoplossing is ingewikkeld. De bedoeling van de RED-cel is het op gang brengen van een elektronenstroom: een stroomkring. De elektrolytvloeistof zorgt hier voor. De elektrolytoplossing gaat ionen uit het zoute water opnemen en ionen aan het zoete water afgeven. Bij dit proces vinden er zich redoxreacties plaats. Eerst leggen we u uit wat een redoxreactie is en in een volgend hoofdstuk leggen we de precieze reacties die in onze RED-cel plaatsvinden uit. [Hoofdstuk 5, Chemische reacties, bladzijde 14 ] Redoxreacties Een redoxreactie is een scheikundige reactie die berust op de uitwisseling van elektronen tussen verschillende stoffen die mee doen aan deze reactie. Een redoxreactie vindt plaats tussen twee stoffen: een reductor en een oxidator. De stof die geldt als reductor staat een elektron af aan de oxidator. Deze neemt het elektron vervolgens op. Allereerst zullen we iets vertellen over de bouw van een atoom. Het atoom is de bouwsteen van een molecuul. Alles om je heen is opgebouwd uit moleculen. Een atoom bestaat uit drie verschillende soorten deeltjes: protonen, neutronen en elektronen zoals is afgebeeld in afbeelding 6. Het atoom heeft een kern met daar omheen een elektronen wolk. De kern bestaat uit protonen, die positief geladen zijn, en uit ongeladen neutronen. De kern is dus positief geladen. De elektronen die om de kern heen cirkelen zijn negatief geladen. Omdat een atoom altijd neutraal geladen is heeft het dus evenveel elektronen als protonen. Door de hoeveelheid neutronen, protonen en elektronen te variëren, kun je ontzettend veel verschillende atoommodelletjes creëren. Zo heeft ieder element zijn eigen atoomsamenstelling. De samenstelling die afgebeeld is in afbeelding 6 behoort bijvoorbeeld bij het element helium. Een heliumatoom bestaat dus uit 2 neutronen, 2 protonen en 2 elektronen (afbeelding 7). Afbeelding 6: Atoommodel met elektronen (geel), protonen (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 Bij een redoxreactie gaat het om de elektronen. Deze kunnen namelijk tussen atomen uitgewisseld worden. Dat is precies wat er bij een redoxreactie gebeurt. U kunt zich voorstellen dat als een atoom een elektron, met een 5. : BINAS, Noofdhoff Uitgevers, Door CEVO toegestaan hulpmiddel bij examens exacte vakken, 2012 6. : http://www.trueknowledge.com/, 2012 7. : www.wetenschap.infonu.nl/, 2011 9
negatieve lading, kwijtraakt, de lading van dit atoom verandert. Een atoom is neutraal geladen, dus er zijn even veel protonen als neutronen aanwezig. Als er een elektron weg gaat, mist dit atoom dus negatieve lading. De totale lading van dit atoom wordt dus positiever ten opzichte van de eerste situatie. We noemen het dan een ion (definitie van een ion: zie vak 4). We noteren de lading van het ion met een plusje of een minnetje: Cl, Na +. Een ander voorbeeld is het element ijzer. Het ion ijzer kan twee verschillende ladingen aannemen: Fe 2+ en Fe 3+. Deze ionen zijn twee of drie ionen kwijtgeraakt. Vak 4: Het ion Een ion is een atoom met een overschot of tekort aan elektronen. Het verliest hierdoor zijn neutrale lading. De lading van het ion noteren we met een plusje of een minnetje. De belangrijkste ionen die zich in het zoute water bevinden zijn natrium en chloride ionen. Zoals op de vorige pagina s al te lezen was heeft het chloride ion een lading van -1 en het natriumion een lading van +1. Doordat zeewater deze ionen met tegengestelde ladingen bevat en in overvloed beschikbaar is, is het geschikt voor Blue Energy. Doordat in een RED-cel verschillende membranen die of positief geladen of negatief geladen deeltjes doorlaten, kunnen we door middel van osmose deze deeltjes van elkaar scheiden. Hierdoor vinden er allerlei reacties plaats in de cel. Hoe deze reacties precies verlopen komt in een volgend hoofdstuk ter sprake. 10
4. De Opstelling Onze RED-Cel is opgebouwd uit een aantal onderdelen. We vertellen in een volgend hoofdstuk hoe we aan deze onderdelen komen. Voor de duidelijkheid zullen we eerst de hoofdonderdelen introduceren. De behuizing van onze opstelling bestaat uit twee dikke plexiglazen platen (afbeelding 1). Naast deze platen, die ongeveer 30 centimeter lang en breed zijn, hebben we 21 membranen (afbeelding 3), 20 spacers en 20 pakkingen. Een spacer is een soort sponsje waarin water kan worden opgeslagen en doorheen kan stromen. De spacers hebben een dusdanige vorm dat ze precies in de uitsparing van de pakkingen passen (afbeelding 6). Als laatste hebben we nog twee elektroden, gemaakt van Titanium (afbeelding 2). In de volgende alinea s gaan we uitleggen hoe deze onderdelen in het pakket passen en waar ze voor dienen. Afbeelding 1: Kopplaat 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 2: Elektroden Afbeelding 3: Membranen Afbeelding 4: Schematische voorstelling van de RED-cel met 1 werkende eenheid. 8 11
We maken gebruik van 2 verschillende soorten membranen. De ene soort laat alleen positief geladen ionen door (Anion Exchange Membrane, AEM) en de andere soort alleen negatief geladen ionen (Cathion Exchange Membrane, CEM). De CEM membranen zijn in afbeelding 4 genummerd met het cijfer 2. Het AEM membraan met een 4. Hoe en waarvoor de verschillende soorten gebruikt worden vertellen we later in dit hoofdstuk. De AEM- en CEM-membranen worden om en om gestapeld, met daartussen afwisselend zoet- en zoutwater spacers. Zoals eerder gezegd, zijn spacers een soort sponsjes die zich kunnen vullen met water (vak 6). De spacers zijn in afbeelding 4 genummerd met het getal 3. Afhankelijk van hoe de pakking, die zich om de spacer heen bevindt, geplaatst is, stroomt er zoet of zout water door de spacer. Zo wordt in afbeelding 4 de linker spacer een zoetwater spacer, omdat deze in verbinding staat met de zoetwater stroom. De rechter spacer is een zoutwater spacer, omdat deze in verbinding staat met de zoutwater stroom. Het water wordt aan- en afgevoerd door de slangaansluitingen aan de beginplaat (afbeelding 5) en door de gaten in de spacers en membranen, die een kanaaltje vormen. Door de pakkingen op de juiste manier te plaatsen, stroomt er dus aan de ene kant van het membraan zoet water, en aan de andere kant zout water (afbeelding 4). Door de schuine vorm van de pakking (afbeelding 6) zijn er steeds twee kanaaltjes die niet verbonden zijn en twee kanaaltjes die wel met elkaar verbonden zijn. Als de kanaaltjes niet met elkaar verbonden zijn, stroomt het water gewoon via het kanaaltje door naar de volgende spacer. Zijn de kanaaltjes wel verbonden, gaat een deel van het water door de spacer naar de afvoer en een deel via het kanaaltje naar de volgende spacer. Afbeelding 5: Beginplaat met slangkoppelingen Afbeelding 6: Spacers en pakkingen Vak 6: Spacers Spacers zijn geweven structuren gemaakt van kunststof. Ze reageren niet met het water en functioneren als wateropslag. Ze zorgen er ook voor dat er een kleine ruimte tussen de membranen blijft als de kopplaten op elkaar worden gedraaid zodat er water tussen de membranen door kan blijven lopen. Zoals op afbeelding 5 goed te zien is, zijn er totaal 6 slangaansluitingen op de begin- en eindplaat aanwezig. De aansluitingen op het grote vierkante deel zorgen voor de in- en uitstroom van het zoete en zoute water, zoals eerder omschreven. Om het water onze opstelling in te pompen gebruiken we brandstofpompjes. We sluiten deze aan op een variabele spanningsbron zodat we onze metingen kunnen uitvoeren met de instroomsnelheden als variabelen. Twee slangen zorgen voor de instroom van het water, en twee slangen zorgen voor de uitstroom. Deze laatste twee kunnen later worden samengevoegd omdat het restproduct van beide processen brak water is. 8: Handleiding bouwpakket Blue Energy, Wageningen University, 2012 12
Het proces dat in onze opstelling plaatsvindt berust op redoxreacties. Bij redoxreacties heb je een vloeistof nodig waarin de ionen die gaan reageren opgelost worden. Dit is in dit geval de elektrolytoplossing. Voor de samenstelling: zie de voorkennis. Deze vloeistof circuleert door de plexiglazen platen en bevindt zich in de RED-cel tussen het rooster van de elektroden (nabij nummer 1 in afbeelding 4). De elektrolyt wordt af- en aangevoerd via twee slangaansluitingen die zich aan de zijkanten van de plexiglazen platen bevinden (afbeelding 4, nummer 5). Ook hier gebruiken we een brandstofpompje om de elektrolytvloeistof rond te pompen. Ook hier sluiten we het pompje aan op een variabele spanning zodat we de metingen uit kunnen voeren met een variabele stroomsnelheid van de elektrolytoplossing. De elektroden die we in onze opstelling gebruiken staan afgebeeld op afbeelding 2. Ze zijn gemaakt van titanium. Over dit metaal heen zit echter een laagje van een ander soort metaal. Dit laagje noemen we een coating. De coating is bij onze elektroden gemaakt van een verbinding tussen Iridium en Ruthenium. Dit extra laagje functioneert als een katalysator in het redox proces. Over de werking van deze katalysator is zeer weinig bekent. Hoe het proces precies in zijn werk gaat houdt de producent vaak geheim. Afbeelding 7: Rood en geel bloedloogzout in vaste poedervorm Vak 7: Bloedloogzout Geel en rood bloedloogzout worden gezien als gevaarlijke poeders. Ieder contact moet worden vermeden, en ook inademing kan schadelijk zijn. Bij verwarming of bij het reageren met een zuur kan er zelfs een dodelijk gas vrijkomen. De gevaren van bloedloogzouten zijn verder uitgewerkt in de discussie: hoofdstuk 11, bladzijde 26 Door de redoxreacties die plaatsvinden ontstaat er een potentiaalverschil over de twee elektrodes. Op de elektronenstroom die hiertussen loopt kun je een elektrisch apparaat laten werken: in ons geval een propeller. Afbeelding 8: Elektrolytvloeistof voor en na de bereiding 13
5. Chemische reacties We zullen de chemische reacties die in de RED-cel plaats vinden stapje voor stapje uitleggen zodat u een beeld kunt krijgen van de werking van dit proces. * Stap 1 De reactie bij stap 1 verloopt door het verschil is osmotische waarden tussen het zoete en het zoute water. Omdat het AEM membraan alleen negatieve ionen door kan laten blijven de natriumionen (Na + ) in het zoute water. Het zoute water wordt hierbij dus positiever omdat er negatieve lading weg is. Omdat er in het zoete water negatieve lading bij is gekomen wordt deze vloeistof negatiever geladen. Deze stap verloopt geheel passief: er is dus geen energie nodig. Stap 2 Ook de tweede stap gebeurt passief. Het ijzerion dat in het ijzercyanide complex zit, zoals beschreven staat in de voorkennis (hoofdstuk 3, bladzijde 7 ), staat een elektron af en wordt positiever van lading. De reactievergelijking hierbij is [Fe(CN) 6 4- Fe(CN) 6-3 + e - ]. Deze reactie vindt plaats in de ruimte tussen de kopplaat en het CEM membraan aan de kant van de zoetwater spacer. Het elektron dat vrijkomt wordt opgenomen door de elektrode. Deze elektrode is met een stroomgeleidende draad verbonden met de elektrode aan de andere kant van de opstelling. Tussen deze twee punten is een ampèremeter aangesloten. Stap 3 Door het afstaan van het elektron aan de elektrode is de elektrolytoplossing iets positiever geworden. Als de mogelijkheid hiertoe bestaat zal een samenstelling altijd proberen een ongeladen status te verkrijgen. In de elektrolytoplossing zijn ook losse ionen opgelost: Na + en Cl - ionen. Om de lading van de oplossing op dit punt weer neutraal te krijgen, wordt een natriumion (Na + ) door het CEM membraan aan het zoete water afgegeven. Het zoete water, dat al iets negatiever geladen was door het aannemen van een Cl - ion uit het zoute water (zie stap 1) wordt nu weer neutraal, en wordt zout. Het doel van deze stap is dat de elektrolytoplossing weer neutraal van lading wordt. * De afbeeldingen zijn afkomstig uit een document, gemaakt door Jan. W. Post. Eigen bewerking 14
Stap 4 Stap 4 is een gevolg van stap 3. Het vrijgekomen elektron dat is opgenomen door de elektrode, kan nu weer afgegeven worden aan de andere kant van de opstelling. Daardoor kan de reactie uit stap 3 nu omgekeerd plaatsvinden, alleen dan aan de andere kant van de cel. Het ijzerion uit het ijzercyanide complex ontvangt het elektron van de elektrode en verandert van lading. Van Fe 3+ naar Fe 2+. Omdat de elektrolytvloeistof op dit punt een elektron heeft opgenomen, wordt de vloeistof iets negatiever. Stap 5 Omdat de elektrolytvloeistof bij stap 4 iets negatiever is geworden, wordt er vanuit het zoute water een positief natriumion opgenomen: een Na + ion. De lading van de elektrolytvloeistof wordt dan weer neutraal. Nadat het zoute water een chloride ion heeft afgestaan aan het zoete water (stap 1) wordt ook het zoute water weer neutraal van lading. Stap 6 De reacties die een de ene kant van de cel optreden, worden aan de andere kant weer ongedaan gemaakt omdat de reactie daar omgekeerd verloopt. Om geen vervuilde elektrolytoplossing te krijgen, is het belangrijk dat deze oplossing rondgepompt wordt. Anders zou er bijvoorbeeld op de plek waar natrium (Na + ) uit de elektrolytoplossing aan het zoete water wordt afgegeven (stap 3) op den duur een tekort aan natriumionen ontstaan. Aan de andere kant van de cel worden juist natriumionen opgenomen door de elektrolytvloeistof. Door de elektrolytvloeistof rond te pompen kun je dus oneindig lang doorgaan met het herhalen van deze reacties. 15
Spanning U in (V) en Stroomsterkte I in (A) 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: Concentratie zout I (A) U (V) in gram/liter 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 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Stroomsterkte (A) Spanning (V) 0 20 40 60 Zoutconcentratie in gram NaCl per liter Conclusie De conclusie komt gedeeltelijk overeen met onze hypothese, maar er is een duidelijk verschil. We hadden verwacht dat de concentratie van de opgeloste zoutionen in het zoute water invloed zou hebben op de stroomsterkte, maar die blijft nagenoeg gelijk. De spanning is juist hetgeen dat invloed ondervindt van de verandering in zoutconcentratie. 16
Spanning U in (V) en stroomsterkte I in (A) 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 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 5 10 15 Spanning op de pompjes (V) Geleverde spanning (V) Geleverde stroomsterkte (A) 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 Conclusie De conclusie komt overeen met onze hypothese. De stroomsnelheid van het zoete en/of het zoute water heeft geen invloed op het vermogen van onze RED-cel. Er is ook een rechte, constante lijn in de grafiek te zien. 17
8. Invloed van de temperatuur van de elektrolytvloeistof Theorie Een regel binnen de scheikunde is dat een reactie sneller zal verlopen naar mate de temperatuur van de reactieomgeving hoger is. We gaan onderzoeken of dat voor onze redoxreactie ook geldt. Als de redoxreacties sneller gaan verlopen, betekent dit dat er meer elektronen per seconden vrij komen wat tot een hogere stroomsterkte zal leiden. Onderzoeksvraag Is de reactiesnelheid, en dus de stroomsterkte die onze opstelling levert, afhankelijk van de temperatuur van de elektrolytvloeistof? Hypothese Omdat volgens scheikundige regels geldt dat een reactie sneller zal verlopen bij een hogere temperatuur denken we dat er bij een hogere temperatuur een grotere stroomsterkte hoort. Benodigdheden - Thermoplaat - Elektrolytvloeistof ( +/- 1 liter ) - De RED-Opstelling - Ampèremeter - Ventilatortje - Thermometer Werkwijze Stel de RED-opstelling op zoals we dit altijd doen. Zet het bekerglas dat als elektrolytvloeistof reserve functioneert op de kookplaat. Sluit de plus- en de minpool van de cel aan op de ventilator, maar plaats tussen de ventilator en de pluspool een in serie geschakelde ampèremeter. Schakel het pompje dat de elektrolytvloeistof rond pompt in en wacht tot de vloeistof in de gehele opstelling op temperatuur gekomen is. Verricht de metingen bij temperaturen tussen kamertemperatuur - 2 Celsius ) met stapjes van 5 graden tot ongeveer 45 graden Celsius. Schakel de pompjes voor het zoete en zoute water pas in als de elektrolytvloeistof in de gehele opstelling op temperatuur is gekomen. Noteer de gegevens met betrekking tot de stroomsterkte bij verschillende waardes voor de temperatuur in een tabel. 18
Resultaten De resultaten van onze proef waren als volgt: Temperatuur ( C) U(V) I(A) P (Watt) 22 0,27 0,8 0,22 25 0,26 1 0,26 30 0,26 1,2 0,31 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 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 20 40 60 U(V) I(A) P (Watt) Conclusie De conclusie komt overeen met onze hypothese. Doordat de temperatuur van de elektrolytvloeistof toeneemt, gaat de reactiesnelheid omhoog. Dit zorgt voor meer reacties per seconde: een grotere stroomsterkte. Dit is in de grafiek (de rode stippen) heel goed te zien. We zien daarnaast dat de spanning ongeveer gelijk blijft. Het verschil dat we gemeten hebben is verwaarloosbaar klein. We kunnen dus concluderen dat als bij het verwarmen van de elektrolytvloeistof de spanning gelijk blijft en de stroomsterkte toeneemt, het vermogen van de RED-cel ook hoger wordt. Discussie We liepen bij het uitvoeren van deze proef wel tegen een groot probleem aan. Omdat er zich in de pompjes vaste ijzer atomen bevinden (Fe), treedt er een reactie op tussen deze atomen en de elektrolytvloeistof. Hierbij wordt de vaste stof Berlijns-, of Pruisisch blauw gevormd (Hoofdstuk 11, Discussie, bladzijde 26 ). Doordat de reactiesnelheid bij een hogere temperatuur sterkt toeneemt, waren onze membranen na deze proef vervuild door deze blauwe kleurstof en werd de doorlaatbaarheid van onze membranen veel kleiner waardoor de RED-cel niet meer werkte. 19
Spanning U in (V) en stroomsterkte I in (A) 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 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 5 10 15 Spanning op de pompjes (V) Geleverde spanning (V) Geleverde stroomsterkte (A) 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 Conclusie De conclusie komt overeen met onze hypothese. De stroomsnelheid van de elektrolytvloeistof heeft geen invloed op het vermogen van onze RED-cel. Er is ook een constante lijn in de krommes van de geleverde stroomsterkte en spanning te zien. 20