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

Blue Energy

Thijs van der Zaan Martijn Klein Profielwerkstuk V6 NLT

Fase 3 Profielwerkstuk

Wat is het optimale vermogen van onze RED-cel?

Profielwerkstuk VWO 6 Martijn Klein Thijs van der Zaan 2012 Begeleidt door J.J. van Nieuwaal

2

‘Als alle water van de Rijn gebruikt zou worden en het proces voor 100% effectief zou zijn, dan zou 70% van de Nederlandse elektriciteitsconsumptie met Blue Energy gemaakt kunnen worden’ Drs. Joost Veerman, docent Life Science & Technology op de NHL Hoge school te Leeuwarden op clubgreen.nl

3

Inhoud 1.

Opzet .................................................................................................... 5

2.

Inleiding ................................................................................................ 6

3.

Voorkennis............................................................................................ 7

4.

De Opstelling ...................................................................................... 11

5.

Chemische reacties ............................................................................ 14

6.

Invloed van de zoutconcentratie ....................................................... 16

7.

Invloed van de stroomsnelheid van het water .................................. 17

8.

Invloed van de temperatuur van de elektrolytvloeistof .................... 18

9.

Invloed van de stroomsnelheid van de elektrolytvloeistof ............... 20

10. Mogelijkheden met de reactiesnelheid .............................................. 21 11. Discussie ............................................................................................. 26 12. Eindconclusie ...................................................................................... 28 13. Tijdschema’s ....................................................................................... 32 14. Bronvermelding .................................................................................. 37 14. Bijlagen ............................................................................................... 38

4

1. Opzet Tweetal Martijn Klein & Thijs van der Zaan

Onderwerp Blue Energy Hoofdvraag Wat is het optimale rendement van onze RED Cel? Deelvragen 1 Hoe werkt een RED-cel? 2. Wat voor invloed heeft de stroomsnelheid van het zoete/zoute water op het vermogen? 3 Wat voor invloed heeft in zoutconcentratie van het water op het vermogen? 4. Wat voor invloed heeft de stroomsnelheid van de elektrolytoplossing op het vermogen? 5. Wat voor invloed heeft de temperatuur van het de elektrolytvloeistof voor invloed op het vermogen 6. De RED-cel in het groot?

5

2. Inleiding In de nabije toekomst zijn, volgens verschillende wetenschappelijke onderzoeken, de fossiele brandstoffen op onze planeet volledig opgebrand. Aardgas zou niet meer aanwezig zijn in het jaar 2068. Aardolie is op in 2047 1. Hoe moet het nu verder met de energiebehoeftes op aarde? Windmolens moeten nog vele verbeteringen ondervinden voor ze echt effectief kunnen zijn2. Wind is dus misschien niet de oplossing. De hoeveelheid water op aarde dat zich in rivieren bevindt, is op dit moment ongeveer 1 360 km3. 3 Rivierwater is zoet, en mondt uit in een zee, die zout water bevat. Waar een rivier in een zee uitmondt, is het mogelijk een ‘Blue Energy Centrale’ op te starten. Er zijn twee manieren om energie op te wekken met behulp van dit water. Samen worden deze ‘Blue Energy’ genoemd. De ene manier berust op de verschillende osmotische waarden van zoet en zout water. Hierdoor kan er door passieve verplaatsing van het water hoogte energie aan het water worden meegegeven. Passief betekend hier dat het geen extra energie behoefd. Deze techniek heet ‘pressure retarded osmosis’: afgekort tot PRO. Een andere manier is afgekort met de term ‘RED’. ‘RED’ staat voor ‘reverse electrodialysis’. Het idee achter deze techniek is dat je zoet en zout water langs een membraan laat stromen. Door gebruik te maken van verschillende membranen komt er uiteindelijk een elektronenstroom op gang. Een stroomkring! Hoe onze RED-cel in elkaar zit, hoe deze werkt en welke chemische processen er optreden gaan we uitleggen in de volgende hoofdstukken. We zullen u niet direct in het diepe laten vallen en u, naast de nodige voorkennis, het principe achter de RED-cel uitleggen.

1. 2. 3.

www.energy.eu | 10-10-2011 http://www.bwea.com/edu/ | 10-10-2011 http://mediatheek.thinkquest.nl/~ll055/waternl/earth.htm | 5-10-2011

6

3. Voorkennis Reverse electrodialysis is een manier om stroom op te wekken door gebruik te maken van de opgeloste ionen in zout water. Daarnaast gebruikt men zoet water, dat nauwelijks ionen bevat. Er is hier allereerst sprake van een verschil in osmotische waarde. De osmotische waarde heeft veel te maken met de concentratie opgeloste stoffen in een vloeistof. Hoe groter deze concentratie, hoe groter de osmotische waarde. Diffusie en osmose Diffusie en osmose komen veel in het menselijk lichaam voor. Diffusie vindt eigenlijk overal plaats waar er deeltjes opgelost zijn in een vloeistof. In de lichaamsvloeistoffen vindt er dus ook diffusie plaats. Osmose is ongeveer het belangrijkste principe dat voor de werking van de nieren zorgt. Zo worden er uit de voorurine allerlei zouten terug het bloed in gehaald. Ook hier worden verschillende soorten membranen gebruikt, want er wordt ook water terug het bloed in ‘gepompt’ voordat de voorurine het lichaam verlaat. Al deze processen vinden plaats zonder dat er energie wordt gebruikt en vallen dus onder passief transport. Osmose is het scheikundige verschijnsel dat een vloeistof of ion passief dus zonder dat het energie kost - door een semipermeabel membraan (Uitleg over membranen: Vak 1) wordt getransporteerd door het verschil in de osmotische waarden. Stelt u zich het volgende voor: als men in een bakje, gevuld met water, een hoeveelheid keukenzout (natriumchloride | NaCl) strooit, zal het zout oplossen (afbeelding 2). Naar verloop van tijd zal de concentratie opgeloste zoutionen, die afkomstig zijn uit het keukenzout (Na+ en Cl-), overal in het water (in ruimte A) hetzelfde zijn. Dit verschijnsel heet diffusie. Een ander voorbeeld is de situatie waarbij men een (kleine) hoeveelheid (aard)gas in een kleine ruimte vrij laat. Na verloop van tijd zal – mits men de zwaartekracht op de moleculen verwaarloost de concentratie aardgasmoleculen overal even groot zijn. Omdat er bij dit verschijnsel geen energie gebruikt wordt, is er hier ook sprake van passief transport. Stelt u zich nu een bakje water voor. De inhoud wordt verdeeld in twee – even grote – gedeelten door er een membraan tussen te plaatsen. Deze opstelling is afgebeeld in afbeelding 1. Voeg aan het water in ruimte A een hoeveelheid keukenzout zoals te zien is in afbeelding 2. Het water bestaat nu uit drie verschillende soorten deeltjes. Watermoleculen en chloor- en natriumionen. Het membraan dat wordt gebruikt is een semipermeabel membraan. Dit betekent dat het in dit geval of de watermoleculen of de ionen doorlaat. In dit voorbeeld (afbeelding 1 t/m 3) is een membraan gebruikt dat alleen watermoleculen doorlaat. De ionen die afkomstig zijn uit het keukenzout kunnen het membraan dus niet passeren.

Vak 1: Membraan Een membraan is een soort vlies dat een afscheiding kan maken tussen twee of meerdere ruimten. Een stuk uit een varkensmaag wordt bijvoorbeeld vaak als membraan gebruikt. Een semipermeabel membraan laat maar een deel van de stoffen door. Deze selectie kan berusten op bijvoorbeeld deeltjesgrootte, lading of fase waarin de stof zich bevindt.

Afbeelding 1: Basisopstelling met 4 semipermeabel membraan

Afbeelding 2: Toevoegen van zout (NaCl) aan een van de twee 4 hoeveelheden water

Afbeelding 3: Watertransport als gevolg van het verschil in osmotische 4 waarden.

4. : LOI Cursus. Voedselconsulente , 2012

7

De oplossing in ruimte A heeft, dankzij de opgeloste ionen, een hogere osmotische waarde gekregen als het water in ruimte B omdat ruimte B nauwelijks tot geen ionen bevat, en ruimte A wel. Door dit verschil zal er watertransport plaats gaan vinden. Het water stroomt van de kant van de lage osmotische waarde (B) naar de kant van de hoge osmotische waarde (A) zoals te zien is in afbeelding 3. Dit verschijnsel heet osmose. Bij osmose wordt er altijd gestreefd naar gelijke osmotische waarden: een osmotisch evenwicht. Doordat het membraan alleen water doorlaat, wordt er water getransporteerd naar de kant waar de osmotische waarde het grootst is. De concentratie opgeloste stoffen in ruimte B wordt dan groter omdat de hoeveelheid water kleiner wordt (In vak 2 staat meer uitleg over concentratie). De concentratie opgeloste stoffen wordt in ruimte A kleiner omdat de hoeveelheid water toeneemt en de hoeveelheid opgeloste stof gelijk blijft. Door de kracht die deze osmose tot stand brengt wordt het water als het ware omhoog gepompt. Dit gaat net zo lang door tot zich er een evenwicht tussen de osmotische kracht en de zwaartekracht instelt of de osmotische waarden van beide oplossingen gelijk worden. Het proces kan ook omgedraaid worden. Als er een membraan gebruikt wordt dat alleen ionen doorlaat gebeurt er iets anders. Een RED-cel maakt gebruik van twee soorten membranen. De ene laat alleen positieve ionen door, zogenaamde CEM membranen, en de andere laat alleen negatieve ionen door: AEM membranen. Het transport van water door deze membranen is niet mogelijk. In dit geval verplaatsen de ionen zich naar de kant waar de concentratie opgeloste stoffen het kleinst is. Ook hier is sprake van passief transport.

Vak 2: Concentratie De concentratie opgeloste stof in een oplossing is afhankelijk van twee factoren: de hoeveelheid opgeloste stof en de hoeveelheid oplosmiddel. Als de hoeveelheid oplosmiddel een keer zo groot wordt, wordt de concentratie een keer zo klein. Wordt de hoeveelheid opgeloste stof een keer zo groot, dan wordt de concentratie ook een keer zo groot.

Afbeelding 4: Het natriumatoom. Het getal 11 staat voor het aantal protonen. 22,99 is het massagetal. Tevens geldt het massagetal voor het aantal kerndeeltjes: pro- en neutronen. Elektronen hebben een 5 verwaarloosbare massa.

Eigenlijk komen osmose en diffusie op hetzelfde neer. Het verschil tussen deze processen is dat er bij osmose een semipermeabel membraan aanwezig is, en bij diffusie niet. Als de oplossingen die je bij osmose gebruikt verschillen in de concentratie opgeloste stoffen – de osmotische waarde – dan kan er door het membraan transport van water en/of ionen plaatsvinden. Diffusie vindt altijd in maar één vloeistof plaats. Elektrolytvloeistof Zout en zoet water zijn niet de enige vloeistoffen die worden gebruikt in de RED-cel. Er wordt door de opstelling ook nog een geelkleurige vloeistof gepompt: de elektrolytvloeistof. Allereerst iets over de samenstelling. De elektrolytvloeistof is een oplossing van drie zouten in water. Er is een hoeveelheid keukenzout (NaCl) in opgelost waardoor de concentratie van dit zout in de oplossing 0,1 Molair wordt. Dit houdt in dat er 0,1 mol per liter van deze stof in de oplossing aanwezig is. Een mol is een eenheid in de scheikunde die wordt gebruikt voor het bepalen van de hoeveelheid stof (zie vak 3). Allereerst hoort er bij ieder element een ‘molaire massa’. Deze 5. : BINAS, Noofdhoff Uitgevers, Door CEVO toegestaan hulpmiddel bij examens exacte vakken, 2012

Vak 3: De mol De mol is een eenheid waarmee in de scheikunde wordt gerekend. Met deze eenheid kun je een hoeveelheid (in gram) stof uitdrukken. Deze hoeveelheid is afhankelijk van de molaire massa van de stof. Deze waarde is voor ieder element te vinden in het elementair systeem.

8

waarde geeft aan hoeveel gram van deze stof er ‘in één mol stof gaat’. Zo is 1 mol Natrium gelijk aan 22,99 gram. Deze waarden zijn te vinden in het elementair systeem (afbeelding 4). 0,1 Mol natriumchloride komt ongeveer overeen met een massa van 5,8 gram per liter. Naast keukenzout bevindt er zich ook Geel- en Rood bloedloogzout in de elektrolytoplossing. Dit zijn ingewikkelde stoffen met een IJzercyanide complex (afbeelding 5). De moleculeformules van deze stoffen zijn [K3Fe(CN6) – Rood bloedloogzout] en [K4Fe(CN6) – Geel bloedloogzout]. Deze stoffen zijn in de elektrolytoplossing beide aanwezig in de concentratie van 0,05 Molair wat neerkomt op een massa van 16,5 gram (rood bloedloogzout) en 18,5 gram (geel bloedloogzout) per liter water.

Afbeelding 5: Het IJzercyanide 6 complex

De functie van de elektrolytoplossing is ingewikkeld. De bedoeling van de RED-cel is het op gang brengen van een elektronenstroom: een stroomkring. De elektrolytvloeistof zorgt hier voor. De elektrolytoplossing gaat ionen uit het zoute water opnemen en ionen aan het zoete water afgeven. Bij dit proces vinden er zich redoxreacties plaats. Eerst leggen we u uit wat een redoxreactie is en in een volgend hoofdstuk leggen we de precieze reacties die in onze RED-cel plaatsvinden uit. [Hoofdstuk 5, Chemische reacties, bladzijde 14 ] Redoxreacties Een redoxreactie is een scheikundige reactie die berust op de uitwisseling van elektronen tussen verschillende stoffen die mee doen aan deze reactie. Een redoxreactie vindt plaats tussen twee stoffen: een reductor en een oxidator. De stof die geldt als ‘reductor’ staat een elektron af aan de oxidator. Deze neemt het elektron vervolgens op. Allereerst zullen we iets vertellen over de bouw van een atoom. Het atoom is de bouwsteen van een molecuul. Alles om je heen is opgebouwd uit moleculen. Een atoom bestaat uit drie verschillende soorten deeltjes: protonen, neutronen en elektronen zoals is afgebeeld in afbeelding 6. Het atoom heeft een kern met daar omheen een elektronen ‘wolk’. De kern bestaat uit protonen, die positief geladen zijn, en uit ongeladen neutronen. De kern is dus positief geladen. De elektronen die om de kern heen cirkelen zijn negatief geladen. Omdat een atoom altijd neutraal geladen is heeft het dus evenveel elektronen als protonen. Door de hoeveelheid neutronen, protonen en elektronen te variëren, kun je ontzettend veel verschillende atoommodelletjes creëren. Zo heeft ieder element zijn eigen atoomsamenstelling. De samenstelling die afgebeeld is in afbeelding 6 behoort bijvoorbeeld bij het element helium. Een heliumatoom bestaat dus uit 2 neutronen, 2 protonen en 2 elektronen (afbeelding 7).

Afbeelding 6: Atoommodel met elektronen (geel), protonen 7 (rood) en neutronen (groen)

Afbeelding 7: Element Helium in het elementair systeem. 4,003 is de molaire massa. Het getal 2 5 geeft het aantal protonen weer

Bij een redoxreactie gaat het om de elektronen. Deze kunnen namelijk tussen atomen uitgewisseld worden. Dat is precies wat er bij een redoxreactie gebeurt. U kunt zich voorstellen dat als een atoom een elektron, met een 5. : BINAS, Noofdhoff Uitgevers, Door CEVO toegestaan hulpmiddel bij examens exacte vakken, 2012 6. : http://www.trueknowledge.com/ , 2012 7. : www.wetenschap.infonu.nl/ , 2011

9

negatieve lading, kwijtraakt, de lading van dit atoom verandert. Een atoom is neutraal geladen, dus er zijn even veel protonen als neutronen aanwezig. Als er een elektron weg gaat, mist dit atoom dus negatieve lading. De totale lading van dit atoom wordt dus positiever ten opzichte van de eerste situatie. We noemen het dan een ion (definitie van een ion: zie vak 4). We noteren de lading van het ion met een plusje of een minnetje: Cl –, Na +. Een ander voorbeeld is het element ijzer. Het ion ijzer kan twee verschillende ladingen aannemen: Fe2+ en Fe3+. Deze ionen zijn twee of drie ionen kwijtgeraakt.

Vak 4: Het ion Een ion is een atoom met een overschot of tekort aan elektronen. Het verliest hierdoor zijn neutrale lading. De lading van het ion noteren we met een plusje of een minnetje.

De belangrijkste ionen die zich in het zoute water bevinden zijn natrium en chloride ionen. Zoals op de vorige pagina’s al te lezen was heeft het chloride ion een lading van -1 en het natriumion een lading van +1. Doordat zeewater deze ionen met tegengestelde ladingen bevat en in overvloed beschikbaar is, is het geschikt voor ‘Blue Energy’. Doordat in een RED-cel verschillende membranen die of positief geladen of negatief geladen deeltjes doorlaten, kunnen we door middel van osmose deze deeltjes van elkaar scheiden. Hierdoor vinden er allerlei reacties plaats in de cel. Hoe deze reacties precies verlopen komt in een volgend hoofdstuk ter sprake.

10

4. De Opstelling Onze RED-Cel is opgebouwd uit een aantal onderdelen. We vertellen in een volgend hoofdstuk hoe we aan deze onderdelen komen. Voor de duidelijkheid zullen we eerst de hoofdonderdelen introduceren. De behuizing van onze opstelling bestaat uit twee dikke plexiglazen platen (afbeelding 1). Naast deze platen, die ongeveer 30 centimeter lang en breed zijn, hebben we 21 membranen (afbeelding 3), 20 spacers en 20 pakkingen. Een spacer is een soort sponsje waarin water kan worden opgeslagen en doorheen kan stromen. De spacers hebben een dusdanige vorm dat ze precies in de uitsparing van de pakkingen passen (afbeelding 6). Als laatste hebben we nog twee elektroden, gemaakt van Titanium (afbeelding 2). In de volgende alinea’s gaan we uitleggen hoe deze onderdelen in het pakket passen en waar ze voor dienen. In de plexiglazen platen, die ongeveer drie centimeter dik zijn, zijn verschillende gaten en leidingen gefreesd. Ten eerste zijn er leidingen doorheen geboord waardoor de elektrolytvloeistof kan stromen. Aan de onderzijde van de plaat, die in afbeelding 4 is genummerd met het cijfer 1, zijn vier gaten geboord waarin slangkoppelingen kunnen worden bevestigd. Aan de bovenzijde is een uitsparing van ongeveer 3 millimeter diep met in het midden een gat, waarin precies de elektroden passen (afbeelding 2) De staven van de elektroden worden door deze gaten gestoken en vormen een waterdichte afsluiting. De staven steken aan de andere kant van de plaat een stukje uit zodat hier een stroom geleidende draad op aangesloten kan worden.

Afbeelding 1: Kopplaat

Afbeelding 2: Elektroden

Afbeelding 3: Membranen

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

8

We maken gebruik van 2 verschillende soorten membranen. De ene soort laat alleen positief geladen ionen door (Anion Exchange Membrane, AEM) en de andere soort alleen negatief geladen ionen (Cathion Exchange Membrane, CEM). De CEM membranen zijn in afbeelding 4 genummerd met het cijfer 2. Het AEM membraan met een 4. Hoe en waarvoor de verschillende soorten gebruikt worden vertellen we later in dit hoofdstuk. De AEM- en CEM-membranen worden om en om gestapeld, met daartussen afwisselend ‘zoet-‘ en ‘zoutwater’ spacers. Zoals eerder gezegd, zijn spacers een soort sponsjes die zich kunnen vullen met water (vak 6). De spacers zijn in afbeelding 4 genummerd met het getal 3. Afhankelijk van hoe de pakking, die zich om de spacer heen bevindt, geplaatst is, stroomt er zoet of zout water door de spacer. Zo wordt in afbeelding 4 de linker spacer een zoetwater spacer, omdat deze in verbinding staat met de zoetwater stroom. De rechter spacer is een zoutwater spacer, omdat deze in verbinding staat met de zoutwater stroom. Het water wordt aan- en afgevoerd door de slangaansluitingen aan de beginplaat (afbeelding 5) en door de gaten in de spacers en membranen, die een kanaaltje vormen. Door de pakkingen op de juiste manier te plaatsen, stroomt er dus aan de ene kant van het membraan zoet water, en aan de andere kant zout water (afbeelding 4). Door de schuine vorm van de pakking (afbeelding 6) zijn er steeds twee kanaaltjes die niet verbonden zijn en twee kanaaltjes die wel met elkaar verbonden zijn. Als de kanaaltjes niet met elkaar verbonden zijn, stroomt het water gewoon via het kanaaltje door naar de volgende spacer. Zijn de kanaaltjes wel verbonden, gaat een deel van het water door de spacer naar de afvoer en een deel via het kanaaltje naar de volgende spacer.

Afbeelding 5: Beginplaat met slangkoppelingen

Afbeelding 6: Spacers en pakkingen

Vak 6: Spacers Spacers zijn geweven structuren gemaakt van kunststof. Ze reageren niet met het water en functioneren als wateropslag. Ze zorgen er ook voor dat er een kleine ruimte tussen de membranen blijft als de kopplaten op elkaar worden gedraaid zodat er water tussen de membranen door kan blijven lopen.

Zoals op afbeelding 5 goed te zien is, zijn er totaal 6 slangaansluitingen op de begin- en eindplaat aanwezig. De aansluitingen op het grote vierkante deel zorgen voor de in- en uitstroom van het zoete en zoute water, zoals eerder omschreven. Om het water onze opstelling in te pompen gebruiken we brandstofpompjes. We sluiten deze aan op een variabele spanningsbron zodat we onze metingen kunnen uitvoeren met de instroomsnelheden als variabelen. Twee slangen zorgen voor de instroom van het water, en twee slangen zorgen voor de uitstroom. Deze laatste twee kunnen later worden samengevoegd omdat het restproduct van beide processen brak water is.

8: Handleiding bouwpakket Blue Energy, Wageningen University, 2012

12

Het proces dat in onze opstelling plaatsvindt berust op redoxreacties. Bij redoxreacties heb je een vloeistof nodig waarin de ionen die gaan reageren opgelost worden. Dit is in dit geval de elektrolytoplossing. Voor de samenstelling: zie de voorkennis. Deze vloeistof circuleert door de plexiglazen platen en bevindt zich in de RED-cel tussen het rooster van de elektroden (nabij nummer 1 in afbeelding 4). De elektrolyt wordt af- en aangevoerd via twee slangaansluitingen die zich aan de zijkanten van de plexiglazen platen bevinden (afbeelding 4, nummer 5). Ook hier gebruiken we een brandstofpompje om de elektrolytvloeistof rond te pompen. Ook hier sluiten we het pompje aan op een variabele spanning zodat we de metingen uit kunnen voeren met een variabele stroomsnelheid van de elektrolytoplossing. De elektroden die we in onze opstelling gebruiken staan afgebeeld op afbeelding 2. Ze zijn gemaakt van titanium. Over dit metaal heen zit echter een laagje van een ander soort metaal. Dit laagje noemen we een coating. De coating is bij onze elektroden gemaakt van een verbinding tussen Iridium en Ruthenium. Dit extra laagje functioneert als een katalysator in het redox proces. Over de werking van deze katalysator is zeer weinig bekent. Hoe het proces precies in zijn werk gaat houdt de producent vaak geheim.

Afbeelding 7: Rood en geel bloedloogzout in vaste poedervorm Vak 7: Bloedloogzout Geel en rood bloedloogzout worden gezien als gevaarlijke poeders. Ieder contact moet worden vermeden, en ook inademing kan schadelijk zijn. Bij verwarming of bij het reageren met een zuur kan er zelfs een dodelijk gas vrijkomen. De gevaren van bloedloogzouten zijn verder uitgewerkt in de discussie: hoofdstuk 11 , bladzijde 26

Door de redoxreacties die plaatsvinden ontstaat er een potentiaalverschil over de twee elektrodes. Op de elektronenstroom die hiertussen loopt kun je een elektrisch apparaat laten werken: in ons geval een propeller.

Afbeelding 8: Elektrolytvloeistof voor en na de bereiding

13

5. Chemische reacties We zullen de chemische reacties die in de RED-cel plaats vinden stapje voor stapje uitleggen zodat u een beeld kunt krijgen van de werking van dit proces. * Stap 1 De reactie bij stap 1 verloopt door het verschil is osmotische waarden tussen het zoete en het zoute water. Omdat het AEM membraan alleen negatieve ionen door kan laten blijven de natriumionen (Na+) in het zoute water. Het zoute water wordt hierbij dus positiever omdat er negatieve lading weg is. Omdat er in het zoete water negatieve lading bij is gekomen wordt deze vloeistof negatiever geladen. Deze stap verloopt geheel passief: er is dus geen energie nodig.

Stap 2 Ook de tweede stap gebeurt passief. Het ijzerion dat in het ijzercyanide complex zit, zoals beschreven staat in de voorkennis (hoofdstuk 3, bladzijde 7 ), staat een elektron af en wordt positiever van lading. De reactievergelijking hierbij is [Fe(CN)64-  Fe(CN)6-3 + e- ]. Deze reactie vindt plaats in de ruimte tussen de kopplaat en het CEM membraan aan de kant van de zoetwater spacer. Het elektron dat vrijkomt wordt opgenomen door de elektrode. Deze elektrode is met een stroomgeleidende draad verbonden met de elektrode aan de andere kant van de opstelling. Tussen deze twee punten is een ampèremeter aangesloten. Stap 3 Door het afstaan van het elektron aan de elektrode is de elektrolytoplossing iets positiever geworden. Als de mogelijkheid hiertoe bestaat zal een samenstelling altijd ‘proberen’ een ongeladen status te verkrijgen. In de elektrolytoplossing zijn ook losse ionen opgelost: Na+ en Cl- ionen. Om de lading van de oplossing op dit punt weer neutraal te krijgen, wordt een natriumion (Na+) door het CEM membraan aan het zoete water afgegeven. Het zoete water, dat al iets negatiever geladen was door het aannemen van een Cl- ion uit het zoute water (zie stap 1) wordt nu weer neutraal, en wordt zout. Het doel van deze stap is dat de elektrolytoplossing weer neutraal van lading wordt. * De afbeeldingen zijn afkomstig uit een document, gemaakt door Jan. W. Post. Eigen bewerking

14

Stap 4 Stap 4 is een gevolg van stap 3. Het vrijgekomen elektron dat is opgenomen door de elektrode, kan nu weer afgegeven worden aan de andere kant van de opstelling. Daardoor kan de reactie uit stap 3 nu omgekeerd plaatsvinden, alleen dan aan de andere kant van de cel. Het ijzerion uit het ijzercyanide complex ontvangt het elektron van de elektrode en verandert van lading. Van Fe3+ naar Fe2+. Omdat de elektrolytvloeistof op dit punt een elektron heeft opgenomen, wordt de vloeistof iets negatiever.

Stap 5 Omdat de elektrolytvloeistof bij stap 4 iets negatiever is geworden, wordt er vanuit het zoute water een positief natriumion opgenomen: een Na+ ion. De lading van de elektrolytvloeistof wordt dan weer neutraal . Nadat het zoute water een chloride ion heeft afgestaan aan het zoete water (stap 1) wordt ook het zoute water weer neutraal van lading.

Stap 6 De reacties die een de ene kant van de cel optreden, worden aan de andere kant weer ongedaan gemaakt omdat de reactie daar omgekeerd verloopt. Om geen ‘vervuilde’ elektrolytoplossing te krijgen, is het belangrijk dat deze oplossing rondgepompt wordt. Anders zou er bijvoorbeeld op de plek waar natrium (Na+) uit de elektrolytoplossing aan het zoete water wordt afgegeven (stap 3) op den duur een tekort aan natriumionen ontstaan. Aan de andere kant van de cel worden juist natriumionen opgenomen door de elektrolytvloeistof. Door de elektrolytvloeistof rond te pompen kun je dus oneindig lang doorgaan met het herhalen van deze reacties. 15

6. Invloed van de zoutconcentratie Bij deze proef gaan we de invloed van de zoutconcentratie van het zoute water op de spanning en de stroomsterkte die de RED-cel levert, onderzoeken. Theorie en hypothese Als we bedenken dat er voor het proces dat plaatsvindt bij het vrijkomen van een elektron (zie hoofdstuk 5 , chemische reacties, bladzijde 14 ) begint met het transport van een chloorion (Cl-) vanuit het zoute naar het zoete water, kunnen we bedenken dat als er zich meer chloorionen in het zoute water in het water bevinden, er vaker een reactie op kan treden. Meer reacties per seconde betekent een hogere stroomsterkte (hoofdstuk 3, voorkennis, bladzijde 7). We kunnen dus beredeneren dat bij een hogere zoutconcentratie in het zoute water de stroomsterkte toeneemt. Werkwijze We voeren de proef 10 keer uit, en steeds met hoeveelheden zout water met verschillende zoutconcentraties. We nummeren in een tabel voor de concentratie, in gram per liter, van 0 tot 40 met stapjes van 5. Daarnaast doen we nog 1 proef met het zeewater dat we uit het haringvliet hebben gehaald en daarna hebben gefilterd. We nemen steeds ongeveer een halve liter zout water en lossen hierin de bijbehorende hoeveelheid zout (natriumchloride, NaCl) op. We hebben een overmaat aan zoet water zodat deze tijdens het proefje niet op gaat. We beginnen met meten als de opstelling klaar staat. De elektrolytvloeistof loopt, en we zetten de pompjes voor het zoete en het zoute water aan. We meten net zo lang tot het zoute water op is, en noteren dan de piek die we van de volt- en ampèremeters hebben afgelezen in de tabel. Resultaten De resultaten waren als volgt: U (V) 0,16 0,32 0,4 0,45 0,47 0,48 0,49 0,5 0,45

0,6 Spanning U in (V) en Stroomsterkte I in (A)

Concentratie zout I (A) in gram/liter 5 0,1 10 0,1 15 0,16 20 0,17 25 0,17 30 0,18 35 0,18 40 0,18 Zeewater 0,17

0,5 0,4 0,3

Stroomsterkte (A)

0,2

Spanning (V)

0,1 0 0

20

40

60

Zoutconcentratie in gram NaCl per liter

Conclusie De conclusie komt gedeeltelijk overeen met onze hypothese, maar er is een duidelijk verschil. We hadden verwacht dat de concentratie van de opgeloste zoutionen in het zoute water invloed zou hebben op de stroomsterkte, maar die blijft nagenoeg gelijk. De spanning is juist hetgeen dat invloed ondervindt van de verandering in zoutconcentratie. 16

7. Invloed van de stroomsnelheid van het water Onderzoeksvraag Is het vermogen dat onze opstelling levert, afhankelijk van de stroomsnelheid het zoete en zoute water? Hypothese Omdat de membranen maar een maximaal aantal negatieve en positieve deeltjes door kunnen laten zal het vermogen constant blijven omdat er niet meer redoxreacties plaats kunnen vinden. Benodigdheden - De RED-Opstelling - zoet en gefilterd zeewater - ± 1liter elektrolytvloeistof - 2 multimeters - Ventilatortje - 2 regelbare spanningsbronnen Werkwijze Stel de RED-opstelling op zoals we dit altijd doen. Sluit de plus- en de minpool van de cel aan op de ventilator, maar plaats tussen de ventilator en de pluspool een in serie geschakelde ampèremeter. Schakel daarnaast over het ventilatortje een parallel geschakelde voltmeter. Schakel de pompjes die het zoete en het zoute water rond pompen in en wacht tot er met constante snelheid water door de opstelling stroomt. Verricht de metingen bij 1 tot 12V dat door de pompjes van het zoete en het zoute water heen gaan. Zorg dat het pompje van de elektrolytvloeistof op constante snelheid de elektrolytvloeistof circuleert. Noteer de gegevens met betrekking tot de stroomsnelheid van het zoete en het zoute water bij verschillende waarden van het aantal volts dat de pompjes krijgen in een tabel U-pomp

Spanning U in (V) en stroomsterkte I in (A)

Resultaten 1 0,8 0,6

Geleverde spanning (V)

0,4

Geleverde stroomsterkte (A)

0,2 0 0

5

10

Spanning op de pompjes (V)

15

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

U (V) I (A) 0,25 0,8 0,25 0,8 0,25 0,8 0,24 0,8 0,25 0,8 0,25 0,8 0,26 0,8 0,26 0,8 0,26 0,8 0,25 0,8 0,25 0,8 0,26 0,8

Conclusie De conclusie komt overeen met onze hypothese. De stroomsnelheid van het zoete en/of het zoute water heeft geen invloed op het vermogen van onze RED-cel. Er is ook een rechte, constante lijn in de grafiek te zien. 17

8. Invloed van de temperatuur van de elektrolytvloeistof Theorie Een regel binnen de scheikunde is dat een reactie sneller zal verlopen naar mate de temperatuur van de reactieomgeving hoger is. We gaan onderzoeken of dat voor onze redoxreactie ook geldt. Als de redoxreacties sneller gaan verlopen, betekent dit dat er meer elektronen per seconden vrij komen wat tot een hogere stroomsterkte zal leiden. Onderzoeksvraag Is de reactiesnelheid, en dus de stroomsterkte die onze opstelling levert, afhankelijk van de temperatuur van de elektrolytvloeistof? Hypothese Omdat volgens scheikundige regels geldt dat een reactie sneller zal verlopen bij een hogere temperatuur denken we dat er bij een hogere temperatuur een grotere stroomsterkte hoort. Benodigdheden - Thermoplaat - Elektrolytvloeistof ( +/- 1 liter ) - De RED-Opstelling - Ampèremeter - Ventilatortje - Thermometer Werkwijze Stel de RED-opstelling op zoals we dit altijd doen. Zet het bekerglas dat als ‘elektrolytvloeistof reserve’ functioneert op de kookplaat. Sluit de plus- en de minpool van de cel aan op de ventilator, maar plaats tussen de ventilator en de pluspool een in serie geschakelde ampèremeter. Schakel het pompje dat de elektrolytvloeistof rond pompt in en wacht tot de vloeistof in de gehele opstelling op temperatuur gekomen is. Verricht de metingen bij temperaturen tussen kamertemperatuur - 2 Celsius ) met stapjes van 5 graden tot ongeveer 45 graden Celsius. Schakel de pompjes voor het zoete en zoute water pas in als de elektrolytvloeistof in de gehele opstelling op temperatuur is gekomen. Noteer de gegevens met betrekking tot de stroomsterkte bij verschillende waardes voor de temperatuur in een tabel.

18

Resultaten De resultaten van onze proef waren als volgt: Temperatuur (°C)

U(V)

I(A)

P (Watt)

22

0,27

0,8

0,22

25

0,26

1

0,26

30

0,26

1,2

0,31

1,5

35

0,25

1,5

0,38

1

40

0,24

1,8

0,43

45

0,23

2

0,46

50

0,23

2,1

0,48

2,5 2 U(V) I(A) P (Watt) 0,5 0 0

20

40

60

Conclusie De conclusie komt overeen met onze hypothese. Doordat de temperatuur van de elektrolytvloeistof toeneemt, gaat de reactiesnelheid omhoog. Dit zorgt voor meer reacties per seconde: een grotere stroomsterkte. Dit is in de grafiek (de rode stippen) heel goed te zien. We zien daarnaast dat de spanning ongeveer gelijk blijft. Het verschil dat we gemeten hebben is verwaarloosbaar klein. We kunnen dus concluderen dat als bij het verwarmen van de elektrolytvloeistof de spanning gelijk blijft en de stroomsterkte toeneemt, het vermogen van de RED-cel ook hoger wordt. Discussie We liepen bij het uitvoeren van deze proef wel tegen een groot probleem aan. Omdat er zich in de pompjes vaste ijzer atomen bevinden (Fe), treedt er een reactie op tussen deze atomen en de elektrolytvloeistof. Hierbij wordt de vaste stof Berlijns-, of Pruisisch blauw gevormd (Hoofdstuk 11, Discussie, bladzijde 26 ). Doordat de reactiesnelheid bij een hogere temperatuur sterkt toeneemt, waren onze membranen na deze proef vervuild door deze blauwe kleurstof en werd de doorlaatbaarheid van onze membranen veel kleiner waardoor de RED-cel niet meer werkte.

19

9. Invloed van de stroomsnelheid van de elektrolytvloeistof Onderzoeksvraag Is het vermogen dat onze opstelling levert afhankelijk van de stroomsnelheid van de elektrolytvloeistof? Hypothese Omdat de membranen maar een maximaal aantal negatieve en positieve deeltjes door kunnen laten zal het vermogen constant blijven omdat er niet meer redoxreacties plaats kunnen vinden. Benodigdheden - De RED-Opstelling - zoet en gefilterd zout water - ± 1liter elektrolytvloeistof - 2 multimeters - Ventilatortje - 2 regelbare spanningsbronnen Werkwijze Stel de RED-opstelling op zoals we dit altijd doen. Sluit de plus- en de minpool van de cel aan op de ventilator, maar plaats tussen de ventilator en de pluspool een in serie geschakelde ampèremeter. Schakel daarnaast over het ventilatortje een in parallel geschakelde voltmeter. Schakel het pompje dat de elektrolytvloeistof rond pompt in en wacht tot de vloeistof in de gehele opstelling op snelheid is gekomen. Verricht de metingen bij 1 tot 12V dat door het pompje van de elektrolyt heen gaat. Zorg dat de pompjes van het zoete en zoute water op constante snelheid zoet en zout water circuleren. Noteer de gegevens met betrekking tot de stroomsnelheid van de elektrolytvloeistof bij verschillende waarden van het aantal volts dat het pompje krijgt in een tabel. U-pomp

Spanning U in (V) en stroomsterkte I in (A)

Resultaten

1 0,8 0,6

Geleverde spanning (V)

0,4

Geleverde stroomsterkte (A)

0,2 0 0

5

10

Spanning op de pompjes (V)

15

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

U (V) I (A) 0,25 0,8 0,25 0,8 0,25 0,8 0,24 0,8 0,25 0,8 0,25 0,8 0,26 0,8 0,26 0,8 0,26 0,8 0,25 0,8 0,25 0,8 0,26 0,8

Conclusie De conclusie komt overeen met onze hypothese. De stroomsnelheid van de elektrolytvloeistof heeft geen invloed op het vermogen van onze RED-cel. Er is ook een constante lijn in de krommes van de geleverde stroomsterkte en spanning te zien. 20

10. Mogelijkheden met de reactiesnelheid Tijdens onze experimenten viel ons het een en ander aan de reacties op. We lieten de elektrolytvloeistof rondpompen en pompten zoet en zout water door de opstelling. Als het zoute water, waar we een beperkte hoeveelheid per proef voor beschikbaar gesteld hadden, op was, schakelde we de pompjes voor het zoete en het zoute water uit. Bij sommige proeven schakelden we het pompje dat de elektrolytvloeistof rondpompte uit, en bij sommige lieten we hem aan staan. Het viel ons op dat er geen directe afname van zowel de spanning als de stroomsterkte die de cel leverde waar te nemen viel. Dit verbaasde ons, met name omdat al het zoute water al door de opstelling gepompt was. We besloten een experiment uit te voeren waarbij we bekeken hoe lang de cel stroom kan blijven leveren nadat al het zoute water door de opstelling gepompt is. Ook bekijken we hierbij of het al dan niet stromen van de elektrolytvloeistof invloed op deze resultaten heeft. We kunnen met behulp van dit onderzoek bepalen of het mogelijk is energie te besparen door het elektrolytpompje af en toe uit te schakelen. Onderzoeksvraag Kunnen we de energie die we verbruiken reduceren door af en toe het pompje dat de elektrolytvloeistof rondpompt uit te schakelen? Hypothese Het lijkt ons waarschijnlijk dat, nadat al het zoute water door de opstelling gepompt is, er nog wat zout en zout water tussen de membranen achter blijft. Het is daarom nog steeds mogelijk dat er een reactie op treedt, ook als er geen water meer rondgepompt wordt. Het lijkt ons alleen wel logisch dat, omdat het om kleine hoeveelheden water gaat, deze reactie niet lang zal duren. We denken daarom dat de stroomsterkte en de spanning na eventjes stabiel te zijn snel af zullen nemen. Werkwijze Voor dit onderzoekje voerden we twee proefjes uit waarbij we bij elk proefje na vaste tijdstappen twee verschillende waarden uit de cel maten: De geleverde spanning en de stroomsterkte. We voerden twee maal een proef uit met een even grote hoeveelheid zout water, met dezelfde zoutconcentraties. Nadat al het zoute water, samen met zoet water, door de opstelling gepompt was, schakelden we de pompjes voor het zoete en het zoute water uit. Bij het ene proefje schakelden we het pompje dat de elektrolyt rondpompte ook uit. Bij de andere meting lieten we dit pompje aan staan. We controleerden na vaste tijdstappen de stroomsterkte en de spanning, geleverd door de RED-cel, en noteerde de waarden.

21

Resultaten We hebben de resultaten van onze proefjes in tabelletjes gezet en hier grafieken van gemaakt. Hieruit is goed een conclusie te trekken.

t (s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120 140 160 180 200 220 240 300 450

U (V) 0,4 0,38 0,38 0,39 0,4 0,4 0,4 0,39 0,38 0,37 0,36 0,35 0,33 0,32 0,31 0,29 0,28 0,26 0,22 0,1

I (A) 0,17 0,16 0,16 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,16 0,17 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16

Spanning U in (V) en Stroomsterkte I in (A)

Circulerende elektrolytvloeistof 0,45 0,4 0,35 0,3

Spanning (V)

0,25 0,2

Stroomsterkte (A)

0,15 0,1 0,05 0 0

100

200

300

400

500

Tijd (t) in seconden (s)

22

t (s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390

U (V) 0,4 0,36 0,36 0,36 0,36 0,36 0,36 0,36 0,35 0,35 0,34 0,33 0,32 0,31 0,3 0,29 0,29 0,28 0,27 0,26 0,25 0,24 0,24 0,23 0,22 0,22 0,21 0,2 0,19 0,19 0,18 0,18 0,17 0,16 0,15 0,14 0,13 0,12 0,1

I (A) 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,17

Spanning U in (V) en Stroomsterkte I in (A)

Stilstaande elektrolytvloeistof 0,45 0,4 0,35 Spanning (V)

0,3

Stroomsterkte (A)

0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0

100

200

300

400

500

Tijd in seconden

23

Conclusie We kunnen uit de grafiekjes concluderen dat de stroomsterkte in dit tijdsverloop niet afneemt. De spanning wel: behoorlijk zelfs. We kunnen de invloed van het al dan niet stromen van de elektrolytvloeistof onderzoeken door de twee krommes in één grafiek te zetten. We krijgen dan de volgende grafiek: 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 Spanning (V) bewegend 0,2

Spanning (V) stilstaand

0,15 0,1 0,05 0 0

100

200

300

400

500

Spanning U in V op de y-as uitgezet tegen de tijd (t) in seconden.

De rode punten vormen een kromme die staat voor de spanning, uitgezet tegen de tijd, wanneer we de pompjes voor de elektrolyt uitgeschakeld hebben. De blauwe punten staan voor de resultaten de horen bij de proef met de rondstromende elektrolytvloeistof. We kunnen uit deze grafiek concluderen dat er nauwelijks een verschil in spanning is op de korte termijn. We zien dat de spanning na ongeveer 300 seconden duidelijk een verschil begint te vertonen tussen de twee proeven. Zo zit er tussen het bereiken van de 0,22 volt ongeveer een verschil van 40 seconden. We zien ook dat er 140 seconden tussen het bereiken van de 0,1 volt zit. Op de lange(re) termijn heeft de invloed van het al dan niet stromen van de elektrolytvloeistof dus wel degelijk invloed op de spanning. Om een goede conclusie te kunnen trekken, moeten we 2 verschillende resultaten vergelijken: De invloed van het al dan niet stromen van de elektrolytvloeistof en de spanning die geleverd wordt, uitgezet tegen de tijd nadat er geen water meer door de opstelling stroomt. We willen de stroomsterkte en de spanning zo constant mogelijk houden. In onze grafieken zien we dat de spanning constant blijft tot na ongeveer 100 seconden. Daarna begint bij beide krommes de spanning flink af te nemen. De invloed van het al dan niet stromen van de elektrolytvloeistof is pas veel later zichtbaar. Tot na ongeveer 300 seconden lopen de lijnen die behoren tot de spanning parallel aan elkaar. Daarna neemt de spanning, behorend bij de proef met het bewegende elektrolyt, minder snel af als de 24

spanning bij de proef met de stilstaande elektrolytvloeistof. We kunnen hieruit concluderen dat we het pompje dat de elektrolytvloeistof rondpompt ongeveer 300 seconden uit laten staan voordat dit invloed begint te krijgen op de geleverde spanning. De pompjes die het stromen van het zoete en het zoute water voor hun rekening nemen kunnen we daarentegen minder lang uit laten staan. Na ongeveer 100 seconden begint het al dan niet stromen van het zoete en het zoute water invloed te hebben op de spanning. Het duurt ongeveer 30 seconden om de hoeveelheid zout water door de opstelling te pompen. Daarna kunnen we, zonder dat onze spanning verandert, de pompjes ongeveer 100 seconden uit laten. Bij de elektrolytvloeistof gaat het er om dat de vloeistof een klein stukje is ‘opgeschoven’ zodat de reactie kan blijven lopen. Nadat de vloeistof dus een paar seconden gelopen heeft, kan deze weer 300 seconden stil blijven staan.

25

11. Discussie Membraanvervuiling Bij het uitvoeren van het proefje met de temperatuur van de elektrolytvloeistof (Hoofdstuk 8, Temperatuur van de elektrolytvloeistof, bladzijde 18) zijn we tegen een probleem aan gelopen. Na het uitvoeren van het experiment was onze elektrolytvloeistof extreem groen geworden. Nadat we een week later opnieuw een meting wilde doen, werkte onze RED-cel niet meer. We hebben geprobeerd de membranen te spoelen met demiwater, warm en koud, maar dit hielp niet. We hebben toen een mailtje gestuurd naar Joost Veerman (Hoofdstuk 14, Bijlagen, bladzijde 38) met de vraag of hij ons kon helpen. Het bleek dat we een probleem hadden met het pompje dat de elektrolytvloeistof rond pompte. Joost Veerman vertelde ons dat de vaste ijzeratomen die zich in het pompje bevinden, reageren met de elektrolytvloeistof. Deze ijzeratomen worden dan ‘geoxideerd’ ze staan elektronen af) en er treedt een reactie met de elektrolytvloeistof op: Fe3+ + [Fe(CN)]4-  Fe3+4[Fe2+(CN-)6]3 : Berlijns- of Pruisisch blauw. Deze vaste stof, die blauw van kleur is, sloeg neer op onze membranen en vermengde zich in de elektrolytvloeistof. Dit is ook de rede waarom onze vloeistof grond werd. Als je namelijk geel, de oorspronkelijke kleur, mengt met blauw, krijg je groen. Doordat de kleurstof zich op onze membranen afzette, ging de doorlaatbaarheid van de membranen sterk achteruit. Hierdoor kon er uiteindelijk geen transport meer door de membranen plaatsvinden en moesten we deze uit de RED-cel verwijderen om hem weer werkend te krijgen. Blauwzuurgas De methode reverse elektrodialysis brengt een aantal gevaren met zich mee. Deze gevaren ontstaan voornamelijk door de aanwezigheid van de elektrolytvloeistof. Deze vloeistof is opgebouwd uit drie verschillende zouten: Natriumchloride, rood bloedloogzout en geel bloedloogzout. Deze laatste twee zouten zijn listige stoffen. Allereerst geel bloedloogzout. Deze stof wordt als niet-giftig beschouwd, maar is onder bepaalde omstandigheden wel schadelijk. Toch moet contact met en inademing van dit poeder worden vermeden. Geel bloedloogzout ontleed onder invloed van UV straling. Ook reageert het met een kokend, sterk zuur. In beide gevallen kan het zeer giftige gas blauwzuurgas, of waterstofcyanide vrijkomen (afbeelding 9). Blauwzuurgas verstoort de productie van ATP in de mitochondriën. ATP zorgt voor het energietransport binnen het menselijk lichaam en is van levensbelang.

Afbeelding 9: Moleculemodel 9 van waterstofcyanide

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

26

Ook rood bloedloogzout ontleed onder invloed van UV licht of in combinatie met een sterk zuur en komt er blauwzuurgas vrij. Daarnaast wordt rood bloedloogzout gezien als licht giftig. Elk contact met het poeder moet worden vermeden en het mag niet ingeademd worden. Het reageert explosief in combinatie met ammoniak. Een verschil met geel bloedloogzout is dat er ook bij rood bloedloogzout ook bij verhitting blauwzuurgas kan ontstaan. Al met al zijn het dus stoffen waar we echt voorzichtig mee moeten zijn.

27

12. Eindconclusie Stroomsterkte De stroomsterkte is afhankelijk van de hoeveelheid redoxreacties die er per seconde in de elektrolytvloeistof plaats vinden. We hebben dit onderzocht in de proef waarin we de warmte van de elektrolytvloeistof varieerden. (hoofdstuk 8, Invloed van de temperatuur van de elektrolytvloeistof, bladzijde 18 ). De stoomsterkte wordt uitgedrukt in de eenheid Ampère. Zoals we hierboven al hebben gezegd, is de grootte van de stroomsterkte afhankelijk van de hoeveelheid elektronen per seconde. Je zou ook kunnen zeggen dat de stroomsterkte afhankelijk is van de hoeveelheid lading die per seconde op een punt in een stroomkring langs komt. 1 Elektron heeft een lading van 1,6022×10-19 coulomb. We gebruiken hiervoor de afkorting C. Coulomb is een eenheid voor lading. 1 Coulomb lading is, als we naar de lading van een elektron kijken, gelijk aan 6.24x1018 elektronen. 10 = 6.24x1018 elektronen. Daarnaast is 1 ampère gelijk aan 1 coulomb lading die per seconde langs komt. Een stroom heeft dus een stroomsterkte van 1 ampère als er 6.24x1018 elektronen per seconde langs een punt in de stroomkring langs komen. Onze opstelling heeft een maximale stoomsterkte geleverd van 2,1 ampère (hoofdstuk 8, Invloed van de temperatuur van de elektrolytvloeistof, bladzijde 18) . Dit betekent dat er op dat moment 1.31x1019 elektronen per seconde langs komen. = 1.31x1019 elektronen. Ter indicatie: als er 1.31x1019 elektronen per seconden langs komen, betekent dat ook dat er in de elektrolytvloeistof 1.31x1019 redoxreacties per seconde plaatsvinden. Spanning De volt is weer een andere eenheid. Deze eenheid wordt gebruikt bij de grootheid spanning, ook wel potentiaalverschil genoemd. In een stroomkring is de spanning de hoeveelheid energie, in de eenheid joule, die er aan iedere coulomb lading, een hoeveelheid elektronen, wordt meegeven. Deze energie komt vrij bij de redoxreacties die plaats vinden in de elektrolytvloeistof. In onze opstelling komen twee redoxreacties voor. Bij de ene komt energie vrij, en bij de andere wordt energie opgenomen. -

Fe3+  Fe2+ + e- . Deze reactie levert 0.77 V Fe(CN)63- + e-  Fe(CN)64-. Deze reactie heeft 0.36 V nodig. 10

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

28

In totaal levert de cel dus een stroom met een spanning van 0.77 – 0.36 = 0.41 volt. Dit is meer dan de spanning die onze cel leverde. Dit is te verklaren door het feit dat onze reacties niet onder de ideale omstandigheden verlopen. Er is altijd sprake van energieverlies. Bovendien levert onze cel waarschijnlijk niet de 0.41 volt die theoretisch mogelijk is. Nadelen van een RED-cel - water filteren: Als een RED-cel in het groot wordt uitgevoerd en dus in directe verbinding staat met het zeewater en rivierwater zal het water gefilterd moeten worden, omdat de grove deeltjes de spacers verstopt kunnen laten raken. Het is echter een probleem dat rivier en zeewater flink veel grove deeltjes in zitten waardoor de filters snel verstopt zullen raken waardoor deze vaker zullen moeten gereinigd worden. - elektrolytvloeistof: Allereerst is de elektrolytvloeistof slecht voor het milieu, dus er moet zuinig mee worden omgesprongen, het mag niet aan hoge temperaturen worden blootgesteld. Als er zich ijzeren delen in de RED-cel bevinden zal de elektrolytvloeistof neerslaan en de permeabiliteit van de membranen verminderen of zelfs uitschakelen, dus de elektrolytpomp mag geen ijzeren delen bevatten. Ook mag de elektrolytvloeistof niet in aanraking komen met direct zonlicht, dus de elektrolytvloeistof moet op een andere manier opgewarmd worden dan direct aan het zonlicht bloot te stellen. Na enige tijd gaat de elektrolytvloeistof toch nog uit zichzelf neerslaan dus het zal na een bepaalde tijd vervangen moeten worden, of op een manier gefilterd moeten worden waar op het moment nog geen methodes voor zijn. - pompen: De pompen van de elektrolytvloeistof moeten een hoog rendement hebben en langzaam kunnen draaien, anders zou de opgewekte energie al verloren gaan doordat de pomp teveel energie verbruikt. - plaatsing: Het is belangrijk om een goede plek te vinden voor de plaatsing van een RED-stack, het beste is aan zee bij de monding van de rivier. Maar er is een probleem, er is vaak veel vaarverkeer aan de monding van de rivier dus er moet een rustige plek gekozen worden zodat de RED-stack in het groot uitgevoerd kan worden, anders wegen de kosten van de bouw niet op tegen de uitkomsten ervan.

29

Ook moet er rekening gehouden worden met de natuur, als een installatie in de rivier wordt geplaatst moet er nog wel doorgang zijn voor dieren zodat de natuur niet wordt aangetast.

Plaats van uitvoering De beste plaats lijkt ons de Amazone, deze rivier voert veel water af, volgens het WWF is gemiddelde jaarlijkse debiet 219.00m3/s. Het klimaat bij de amazone is erg gunstig: er zijn minimaal 4 en maximaal 7 zonuren 11 per dag waardoor de elektrolytvloeistof makkelijk opgewarmd kan worden. De temperatuur in dit gebied ligt ook hoog, minimaal 23°C en maximaal 33°C waardoor de watertemperatuur rond de 24°C ligt 12. De watertemperatuur komt dus het meest overeen met de watertemperatuur waarmee wij onze metingen hebben gedaan, dit is 22°C. 13 Omdat de amazone weinig grote havens heeft omdat de rivier ondiep is kan er zonder veel problemen een installatie worden gebouwd uitstrekkend over de rivier. Er moet natuurlijk ook rekening gehouden worden met de natuur, dus de installatie kan niet de hele riviermonding beslaan, wat ook niet mogelijk is omdat de maximale breedte van de monding 300km is. Er is dus water genoeg. Hoeveel Watt maximaal? Niet al het rivierwater kan gebruikt worden, dit is gewoon niet mogelijk. Laten we aannemen dat we 50% van het rivierwater kunnen gebruiken, en dus evenveel zeewater. Volgens het WWF is gemiddelde jaarlijkse debiet 219.00m3/s, de helft hiervan is dus 109.500m3/s. De stroomsnelheid in onze RED-cel was 1,3 x 10 -5 m3/s. De maximale opbrengst werd gegeven met een verwarmde elektrolytvloeistof dit was 0,48W. De maximale opbrengst van de rivier is dus 109.500/1,33 * 10-5 = 8,23 * 109 dit is het aantal RED-cellen die ervoor nodig zouden zijn. Dit aantal RED-cellen brengt: 0,48 x (8,23 * 10 9) = 3,95 gigaWatt = 3,95 * 106 kW 3,95 x 106 kW omrekenen naar kWh gaat als volgt: E=Pxt [kWh]= [kW] x [t] Dus het aantal kWh is : 3,95 * 106 x (365 x 24) = 3,46 * 1010 kWh Een gemiddeld huishouden gebruikt 3400kWh aan elektriciteit per jaar 14. Er kunnen dus: 3,46 * 1010/3400 = 10,2 * 106 huishoudens op draaien, dit zijn 10,2 miljoen huishoudens.

11: www.klimaatinfo.nl 12: www.amazonecichliden.nl 13: www.landenweb.net/brazilie 14: www.perfectlabel.nl

30

Eindconclusie hoofdvraag Onze hoofdvraag was: ‘Wat is het optimale vermogen van onze RED-cel’. We hebben van een aantal factoren bekeken of deze invloed hadden op het vermogen van onze RED-cel. Hieruit is gebleken dat alleen de zoutconcentratie van het zoute water, en de temperatuur van de elektrolytvloeistof invloed hebben op de het vermogen. Uit de proef waarin we de invloed van de zoutconcentratie bepaalden (hoofdstuk 6, De invloed van de zoutconcentratie, bladzijde 16) bleek dat de helling kromme behorende bij de spanning richting 0 neigde bij ongeveer 40 gram natriumchloride per liter water. Dat wil zeggen het na deze hoeveelheid zout niet meer uitmaakt of er meer natriumchloride wordt opgelost: de spanning, en dus het vermogen, blijft gelijk. De top van de spanning zat op ongeveer 0,5 volt. De stroomsterkte was afhankelijk van de temperatuur van de elektrolytvloeistof (hoofdstuk 8, De invloed van de temperatuur van de elektrolytvloeistof, bladzijde 18). Bij een temperatuur van ongeveer 50 graden Celsius bleek de stroomsterkte niet verder te stijgen. De stroomsterkte was hier 2,1 ampère. Een nadeel van het verhogen van de temperatuur van de elektrolytvloeistof is de mogelijkheid van het vrijkomen van blauwzuurgas. Lees hier meer over in de discussie, hoofdstuk 11, bladzijde 26. Als we de twee toppen met elkaar vermenigvuldigen, komen we uit op het maximale vermogen dat onze RED-cel kon leveren in de ‘ideale’ situaties die wij hebben onderzocht. De cel levert dan een vermogen van (2.1 x 0.5 = 1.05W) ongeveer 1.1 Watt. In de voorgaande berekening hebben we echter niet de top in de kromme van de spanning meegerekend, maar hebben we gerekend met de zoutconcentratie die zich in zout zeewater bevindt. Het is namelijk onmogelijk om al het zeewater dat je gaat laten reageren zouter te maken. Er zou namelijk 20 gram per liter bij moeten komen om aan de het maximaal haalbare voltage te komen. Dit is simpelweg niet haalbaar.

31

13. Tijdschema’s Logboek Datum 30/08

tijd 1uur pp

06/09

1uur pp

08/09

1uur pp

08/09

1uur pp

13/09

1uur voor martijn

14/09

1uur voor thijs

15/09

1uur pp

20/09

1 uur pp

22/09

2 uur pp

27/09

1 uur pp

Bezigheid Onderwerp verzinnen > H-cel H-cel gevaarlijk dus afgekeurd, nieuwe ideen zoals blue energy, vleugelprofielen, golfslag generator Artikelen over blue energy gevonden en mailtje gestuurd met vragen naar joost veerman Mailtje teruggestuurd met vragen over de RED en een tekening van een blue energy cel gemaakt Artikelen doorgelezen, belangrijke dingen gemarkeerd, mailtje gestuurd naar joost veerman of er membranen beschikbaar zijn Mailtje teruggehad en we moesten mailen naar een man van fujifilm, dit hebben we gedaan. Mailtje teruggehad dat wij ze niet konden krijgen ivm dat het in de ontwikkelingsfase zit. Nagedacht over de hoofd/en deelvragen Tekening van RED-cel geoptimaliseerd, hierbij zijn nog vragen naar voren gekomen, onderzoeksvragen bedacht Mail gestuurd aan joost veerman met vragen over reacties en de grootte van de opstelling Mail van Joost Veerman teruggekregen en de 32

29/09

2 uur pp

4/10

1 uur pp

6/10

2 uur pp

11/10

1 uur pp

13/10

1 uur pp

25/10

1 uur pp

27/10

1 uur pp

8/11

1 uur pp

antwoorden van hem besproken, begin gemaakt van nieuwe schets. Met scheikunde toa besproken hoe de spacerdikte maximaal 0,5mm kan zijn en hoe we dit met bepaalde materialen op kunnen lossen. Gewerkt aan fase 1 Op het internet informatie gezocht over de RED- cel en hoe we het best met deze spacerdikte om kunnen gaan. Mail gestuurd aan Joost Veerman over de spacerdikte en andere problemen. Een stukje plexiglas in bloedloogzoutoplossing gedaan om te kijken of het plexiglas erin oplost. Meneer van Nieuwaal kwam met het idee om een blue energy lespakket aan te schaffen voor NLT zodat wij dat dus ook konden gebruiken, we hebben het afgewogen of we het wel of niet gingen doen. We hebben gekozen om het pakket met RED-cel wel te laten aanschaffen Artikelen van Joost Veerman uitgeprint en gemarkeerd wat belangrijk zal zijn voor ons profielwerkstuk Extra theorie opzoeken over RED-cel Bij toa van Scheikunde gevraagd welke onderdelen hij had liggen voor de REDcel en gevraagd waar we de dingen die er nog niet waren konden kopen RED-cel lespakket binnengekregen, uitgepakt en de spullen geteld of alles 33

10/11

2 uur pp

15/11

1 uur pp

17/11

2 uur pp

22/11

1 uur pp

24/11

1 uur pp

29/11

1 uur pp

30/11 01/12

4uur pp 2 uur pp

06/12

1 uur pp

08/12

2uur pp

13/12

1uur pp

15/12

2uur pp

aanwezig was. Opgeschreven welke dingen nog aangeschaft moesten worden. Waterpompjes gezocht bij Graka en dierenspeciaalzaak, maar ze hadden geen pompjes die aan onze eisen voldeden. Pompjes bij de Conrad opgezocht en laten bestellen door Meneer van der Sluis, opgezocht van welke stof de elektroden gemaakt zijn. Slangaansluitingen met teflontape omtrokken en deze in de plexiglazen plaat bevestigd. Omdat de aansluiting van de pompjes kleiner is dan dat van de aansluiting op de RED- cel hebben we een overgang gemaakt van 2.5mm naar 10mm. 5 meter doorzichtige slang gekocht bij AGOautomaterialen en het geld laten verrekenen. Werken aan fase 2, pompjes van conrad binnengekregen en onze aansluitingen erop gepast Werken aan fase 2 Werken aan fase 2, sommige verkregen info van Meneer Veerman bleek niet te kloppen dus een heel groot deel van fase 2 moest herschreven worden, dezelfde dag nog ingeleverd Aansluitingen gemaakt voor pompjes. Aansluitingen op de RED-cel gemonteerd en de cel in elkaar gezet. Spanningsbronnen gehaald bij natuurkunde, deze aangesloten op de pompjes. De RED-cel door laten 34

20/12

1uur pp

22/12

4uur pp

12/01

3uur pp

19/01

3uur pp

02/02

4uur pp

07/02

1uur pp

09/02

4uur pp

14/02

1uur pp

16/02

3uur pp

22/02

2uur pp

23/02

6uur pp

24/02

4uur pp

spoelen met gewoon water, geen problemen met lekken e.d. Elektrolytvloeistof aangemaakt en in de REDcel gepompt Zout water aangemaakt en de RED-cel laten draaien, het is gelukt, we hebben spanning! Proeven met warmte van de elektrolytvloeistof gedaan, dit gaf goede resultaten. Omdat de elektrolytvloeistof neer was geslagen gaf de RED-cel geen spanning meer en moest er dus nieuwe elektrolytvloeistof worden aangemaakt. Proberen d.m.v. doorspoelen met demiwater om de membranen te “wassen” ook nog met warm water geprobeerd, heeft geen effect gehad. Opgezocht in BINAS wat het probleem kon zijn, ook besproken met de scheikunde toa wat het probleem was. E-mail Joost Veerman gestuurd vanwege problemen met de RED-cel Problemen met RED-cel opgelost en proeven gedaan Bepaalde specificaties van de RED-cel nagegaan zoals stroomsnelheid. Verwerken proefresultaten en onderzoeksrapporten schrijven Onderzoeksrapporten schrijven en hoofdstukken schrijven. Onderzoeksrapporten schrijven en hoofdstukken schrijven. Voorlopige 35

27/02

4uur pp

28/02

5uur pp

hoofdstukindeling gemaakt en hoofdstukken en onderzoeksrapporten geschreven Hoofdstukken doorlezen op fouten en veranderen, uitleg over de RED-cel schrijven Voorlopige versie uitgeprint doorgelezen en veranderingen in aangebracht zoals dingen toevoegen in hoofdstukken.

Totaal: 85 uur per persoon

36

14. Bronvermelding Digitale literatuur            

www.amazonecichliden.nl, Water in Zuid Amerika, 20-2-2012 www.bwea.com/edu, Windmolenontwikkeling, 10-10-2011 www.chemistry.about.com, Moleculemodel waterstofcyanide, 20-2-2012 www.clubgreen.nl, Citaat Joost Veerman, 27-2-2012 www.energy.eu , Energiegebruik in Europa, 10-12-2011 www.klimaatinfo.nl, Klimaat in Zuid Amerika, 20-2-2012 www.landenweb.net/brazilie, Klimaat in Brazilië, 20-2-2012 www.mediatheek.thinkquest.nl/~ll055/waternl/earth.htm, Water in Nederland, 10-102011 www.perfectlabel.nl, Energiegebruik in Nederland, 20-2-2012 www.trueknowledge.com, Afbeelding van ijzercyanidestructuur, 15-2-2012 http://www.waddenacademie.nl/fileadmin/inhoud/pdf/06wadweten/Proefschriften/thesis_jan_Post.pdf, Afbeelding werkende eenheid, 21-2-2012 www.wetenschap.infonu.nl, Afbeelding atoommodel, 15-2-2012

Literatuur   

BINAS, Noofdhoff Uitgevers, Door CEVO toegestaan hulpmiddel bij examens exacte vakken, vijfde druk, 2004 Handleiding bouwpakket Blue Energy, Wageningen University, 2011 LOI Cursus, Gewichtsconsulente, Afbeelding osmose & diffusie, http://www.loi.nl/cursussen/voeding_en_sport/gewichtsconsulent_begeleiding_van_ki nderen/index.htm, 2012

Personen      

W. van Baak. Specialist in membraantechnologie bij Fujifilm te Tilburg, 13-9-2011 M.A. van Dijke. Technisch onderwijs assistent scheikunde. CSG Prins Maurits te Middelharnis. P. Krijgsman. Docent scheikunde. CSG Prins Maurits te Middelharnis. J.J. van Nieuwaal. Docent natuurkunde. CSG Prins Maurits te Middelharnis. L.J. van der Sluis. Technisch onderwijs assistent natuurkunde. CSG Prins Maurits te Middelharnis. Drs. J. Veerman. Docent Life Science & Technology. NHL Hoge school te Leeuwarden. Specialist in Blue Energy bij Wetsus.

37

14. Bijlagen

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

38

De ontwikkeling van onze RED-cel Het was het plan om zelf een RED-cel te gaan maken, alleen er was niet veel informatie over dit onderwerp te vinden. Op wikipedia1 vonden wij een uitleg over de RED-cel hoe deze in elkaar zit, aan de hand van deze site hebben wij een schets van een RED-cel gemaakt:

We kwamen steeds een naam tegen van een Blue Energy specialist, Joost Veerman, hij heeft een artikel geschreven over Blue Energy, het leek ons goed om een aantal vragen aan hem te stellen over het artikel. Onze vragen staan in het zwart en de antwoorden van Joost Veerman in het rood.

14. http://nl.wikipedia.org/wiki/Omgekeerde_elektrodialyse, 28-11-11

39

Subject: RE: Profielwerkstuk Atheneum 6 Date: Thu, 8 Sep 2011 11:44:09 +0200 From: [email protected] To: [email protected] Beste Martijn en Thijs,

Leuk dat jullie zo geïnteresseerd zijn in Blue Energy. -

Waaruit bestaat de elektrolyt oplossing die zich in de eerste en laatste ruimte bevindt? In kleine proefopstellingen gebruik ik een mengsel van rood en geel bloedloogzout. Het voordeel is dat er dan netto geen enkele reactie optreed, tenminste als je die oplossing rondpompt. -

Is het nodig om de elektrolyt oplossing rond te pompen, en over welke stroomsnelheid spreken we dan? Dat rondpompen is dus nodig. Maar erg hard hoeft het niet te stromen hoor. -

In uw artikel spreekt u over een model van de RED-cel met een vermogen van 0,1 Watt. Als er voor het rondstromen van de elektrolyt oplossing een pomp is gebruikt, is het stroomverbruik van deze pomp dan in het vermogen van de REDcel verrekend? Het rondpompen van het elektrolyt kost maar weinig vermogen. Minder dan 1% van het opgewekte elektrische vermogen. Het doorpompen van zoet en zout water door het apparaat kost wel veel energie: ca 20% van het geleverde vermogen is hier voor nodig. -

Wij hebben zelf ook een tekening van de opbouw van de RED-cel gemaakt, naar de gegevens die we op internet vonden. We hebben verschillen ontdekt in dit model in vergelijking met de van u. In uw model gaat de CL vanuit het zoute + water door het AEM-membraan naar het zoete water en Na door het CEM+ membraan naar de electrolyt oplossing. Echter in ons model gaat Na van zout naar zoet water door het CEM-membraan en Cl van het zoute water door de AEM-membraan naar de electrolyt stroom. Heeft u hiervoor een uitleg? Ik ken jullie model niet helemaal en weet ook niet waar je het mee vergelijkt. Maar ik denk wel dat ik het antwoord weet: Een stack bestaat uit vele tientallen membranen,afwisselend CEM en AEM. Aan de buitenkanten neem je aan beide kanten een CEM als je een elektrolyt hebt waarvan de anionen in de elektrolytruimte moeten blijven zitten. Dit is bijvoorbeeld het geval met de negatieve ionen [Fe(CN)6]3- / [Fe(CN6]4-. Je kan ook vrije ijzerionen gebruiken: een mengsel van Fe2+/Fe3+. In dit geval zorg je dat er aan de buitenkant AEM's zitten.

Als jullie nog meer vragen hebben, mail me dan. En als je eens een kleine RED in werking wilt zien, meld me dat dan ook. Verder nog wat literatuur in de bijlage. Met vriendelijke groet, Joost Veerman

40

Na te hebben gekeken naar onze modelschets met de antwoorden op onze vragen van Joost Veerman erbij kwamen wij tot de conclusie dat onze schets niet klopte, de AEM membranen moeten juist aan de buitenkant zitten in plaats van de CEM membranen. Dit komt omdat alleen Na+ in de elektrolytoplossing van geel en rood bloedloogzout moet komen zoals Joost Veerman dit in zijn e-mail heeft vermeld. We hadden ook de vraag of de elektrolytoplossing moet worden rondgepompt, dit is wel het geval maar dit hoeft geen hoge snelheid te zijn. Ook heeft Joost Veerman ons een paar artikelen die relevant zijn aan ons onderwerp Blue Energy. We hebben aan de hand van de antwoorden van Joost Veerman een nieuwe schets gemaakt:

41

Nadat we deze schets hadden gemaakt kwamen we op een aantal vragen die we in de volgende mail hebben gesteld.

Van: Martijn Klein [mailto:[email protected]] Verzonden: do 22-9-2011 10:23 Aan: Veerman, Joost Onderwerp: Profielwerkstuk VWO-6 Beste meneer Veerman, Een aantal dingen met betrekking tot Blue Energy zijn ons nog niet helemaal duidelijk. We hopen dat u ons hiermee kunt helpen. -Hoe breed moeten de kamers waar het zoute en het zoete water doorstroomt ongeveer zijn? De afstand tussen de membranen bedoel je? Dat is 0,5 mm of liever nog dunner 0,2 mm) -Wat moet de minimale of juist de maximale concentratie van de bloedloogzoutoplossing zijn? Een oplossing van geel BLZ (0,05 ml/L) + rood BLZ (0,05 mol/L) + NaCl (0.1 mol/L) -Hoe breed moeten de kamers met de bloedloogzoutoplossing zijn? Die mogen veel breder zijn, bijv. 1 cm -Hoe sterk zijn de membranen ongeveer. Als de ene kamer leeg is en de kamer daarnaast gevuld wordt, breekt het membraan dan? Die zijn stevig genoeg. Zijn vergelijkbaar (wat sterkte betreft) met boterhamzakjes

-Als wij het goed begrijpen ontstaat de volgende situatie: [Fe3+ + e- --> Fe2+] doordat Na+ via de CEM in de elektrolytoplossing komt, als het geheel dan rondgepompt wordt tot aan de andere kant van de cel gaat Na+ weer door het CEM membraan en belandt het in het zoete water, dat hierdoor brak wordt. Hierdoor ontstaat een nieuwe situatie: [Fe2+ --> Fe3+ + e-]. De anode zal het elektron dus opnemen waardoor er een spanningsverschil ontstaat. Klopt dit? Ja Voordat we kunnen zeggen hoeveel cm2 membraan we nodig hebben, moeten we eigenlijk weten wat de prijs van een CEM/AEM membraan per cm2 zal zijn, aangezien de school een beperkt budget voor ons profielwerkstuk heeft. Ik heb nog wel iets liggen. Ik denk er aan jullie een aantal velletjes 16 x 16 cm te geven. Past dat bij jullie ontwerp? We hopen dat u ons kunt helpen! Mvg, Thijs & Martijn

42

Uit deze mail blijkt dat we in het scheikundekabinet genoeg bloedloogzout hebben liggen, echter de afstand tussen de membranen mag maximaal 0,5 mm zijn. Deze afstand is heel erg klein dus we hebben nog een schets gemaakt hoe onze RED- cel in elkaar zal zitten, onderwijl we de schets aan het maken waren kwamen we erachter dat de membraanafstand veel te klein is om het zoete en zoute water op deze manier toe te voeren. Vanwege dit probleem hebben we nog een mail aan Joost Veerman gestuurd.

43

Subject: RE: Profielwerkstuk VWO-6 Date: Fri, 7 Oct 2011 09:20:04 +0200 From: [email protected] To: [email protected] CC: [email protected] Hi Martijn en Thijs, enig commentaar in rood. J.V.

From: Martijn Klein [mailto:[email protected]] Sent: Thu 6-10-2011 20:57 To: Veerman, Joost Subject: Profielwerkstuk VWO-6 Beste meneer Veerman, We zijn de afgelopen dagen hard bezig geweest met het nadenken over ons model en we liepen alweer tegen een aantal vragen aan. Als eerste zien we ons nog niet voor ons hoe we een tussenruimte tussen de membranen van maximaal 0,5 mm kunnen gaan realiseren. Doe je door spacers tussen te voegen. dit zijn geweven open structuren, een soort vitrages. Zal je ook een stuk sturen. Daarnaast weten we ook niet hoe we het water in de ruimtes tussen de membranen kunnen pompen, omdat het zo dun is. We lopen dus eigenlijk vast op de breedte van deze ruimte. Toevoer staat in fig. 1 van de bijlage. In overleg met onze scheikunde leraar kwamen we tot de conclusie dat een anode en een kathode van platina het beste zou zijn. Deze zijn blijkbaar behoorlijk prijzig, maar de school heeft er een aantal ter beschikking. Is platina hier geschikt voor of moeten we een ander materiaal gebruiken? Ja, maar ze moeten wel redelijk groot zijn, eigenlijk net zo groot als de membranen. een alternatief zou zijn koolstof. En voor dekathode zou je misschen ook RVS kunnen gebruiken

We hopen dat u ons kunt helpen, Succes, Joost Veerman Met vriendelijke groet, Martijn & Thijs

44

Figuur uit bijlage van Jan W. Post

Na het krijgen van deze Informatie van Joost Veerman was het ons volkomen duidelijk dat onze schets van de RED-cel niet goed was met betrekking tot de toevoer van het water en de circulatie van de elektrolytoplossing. Nu werd het project toch wel heel lastig uit te voeren want dan zou er plexiglas gefreesd moeten worden en dat is heel erg bewerkelijk. Gelukkig net nadat we tot deze conclusie waren gekomen kwam onze PWS coördinator Meneer van Nieuwaal met het idee om een lespakket aan te schaffen van een RED-cel wat dan ook gebruikt kan worden voor de NLT lessen. Dit was voor ons een uitstekende kans want we weten dan gelijk dat de cel werkt en kunnen we onze proeven uit gaan voeren. Voor onze proeven hadden we wel nog een aantal dingen nodig: - 3 pompjes - teflon tape - goede slangaansluiting voor de pompjes - extra slang We hebben de pompjes via meneer van der Sluis bij de Conrad besteld, in het scheikundekabinet lag nog teflontape wat we mochten gebruiken. 45

De slang en slangklemmen hebben we bij de AGO-automaterialen gekocht. Nu we alle onderdelen binnen handbereik hadden konden we de RED-cel op gaan bouwen, dit moest in één keer gebeuren want anders zouden de membranen uitdrogen. We hebben dus in één keer de RED-cel in elkaar gezet, de pompjes aangesloten en gelijk gevuld met kraanwater, vervolgens hebben we de elektrolytvloeistof aangemaakt. Nadat de elektrolytvloeistof was aangemaakt hebben wij deze in de REDcel gebracht, vervolgens hebben we zout water aangemaakt van keukenzout zonder jodium en dit samen met zoet water rond laten pompen: het aangesloten molentje gaat draaien! Nu we onze proeven konden gaan doen, hebben we zeewater gehaald. De eerste keer was het water nauwelijks zout, dit kwam waarschijnlijk doordat de sluizen hebben opengestaan om het rivierwater te lozen. Het zeewater hebben we gefiltreerd met filtreerpapier, we hebben de proeven gedaan met de warmte van de elektrolytvloeistof te meten, we kregen goede resultaten maar de elektrolytvloeistof verkleurde van geel naar diepgroen. De week erna toen we weer verder gingen was er een groene neerslag gevormd, we hebben gewoon de pompjes weer aangezet maar na een korte tijd kregen was er geen spanning meer te meten. Vervolgens hebben we een nieuwe elektrolytvloeistof aangemaakt en hebben het weer geprobeerd, we kregen nog steeds geen constante spanning. We hebben in plaats van de elektrolytvloeistof warm water en ook nog demiwater gebruikt om te proberen de membranen schoon te spoelen, helaas zonder resultaat. (Hoofdstuk 11, Discussie, bladzijde 26) We hadden geen idee hoe het zou kunnen komen dat onze RED-cel het niet meer deed, ook de scheikunde TOA wist het niet. Wel hadden we bedacht dat het misschien een optie was om de buitenste twee membranen te verwijderen, na een mailtje van Joost Veerman werd ons vermoeden bevestigd.

46

Van: Martijn Klein [mailto:[email protected]] Verzonden: ma 6-2-2012 21:00 Aan: Veerman, Joost Onderwerp: Blue energy RED-cel Geachte heer Veerman, Een aantal weken terug hebben wij (Thijs en Martijn) contact met u gehad over blue energy en over het bouwen van een RED-cel. Wij hebben op uw advies samen met de school een pakket aangeschaft, dit werkte allemaal uitstekend. Maar nu na een aantal weken is de elektrolytvloeistof groen geworden, als het een langere tijd stil staat bezinkt het groene "spul". Helaas doet nu onze RED-cel het nu niet meer, misschien weet u de oorzaak hiervan? Is de permeabiliteit van de membranen misschien achteruit gegaan? Met vriendelijke Groeten, Thijs van der Zaan en Martijn Klein Subject: RE: Blue energy RED-cel Date: Tue, 7 Feb 2012 11:41:10 +0100 From: [email protected] To: [email protected] Beste Thijs en Martijn, Waarschijnlijk is het electrolyt in contact gekomen met ijzer. Dan wordt ijzer iets geoxideerd tot Fe2+ of zelfs Fe3+ De samenstelling van het electrolyt is: K4Fe(CN)6 0.05 mol/L K3Fe(CN)6 0.5 mol/L NaCl 0.1 mol/L Je krijgt dan reactie tussen Fe3+ + [Fe(CN)]4- ---> berlijns blauw ofwel Pruisisch Blauw (zie Wikipedia) en Fe2+ + [Fe(CN)]3- ---> ook een blauwe kleurstof Samen met het oranjegeel van de oorspronkelijke vloeistof geeft dat een groenige kleur. Het kan zijn dat dit pruisisch blauw ook je membranen vergiftigd heeft. NB. Het electroliet kan niet erg goed tegen direct zonlicht. Breekt daardoor af.

Remedie a) zorg voor nieuw electroliet b) zorg dat er geen ijzeren onderdewlen (kranen etc.) in het systeem zitten c) vervang eventueel de buitenste membranen (door nieuwe membranen van het type CEM)

47

Als je geen nieuwe membranen hebt, dan aan beide zijden buitenste CEM plus het volgende AEM verwijderen.

From: Martijn Klein [mailto:[email protected]] Sent: Tue 7-2-2012 13:12 To: Veerman, Joost Subject: RE: Blue energy RED-cel Hallo, Wij hebben net nog even gekeken of we misschien dit pruisisch blauw op kunnen lossen, als wij de membranen nu eens in oxaalzuur leggen, zou er inkt ontstaan misschoen is dit de mogelijkheid om het op te lossen. Mvg, Thijs en Martijn

Subject: RE: Blue energy RED-cel Date: Tue, 7 Feb 2012 20:39:58 +0100 From: [email protected] To: [email protected] Doe dat soort experimenten alsjeblieft in een zuurkast. J.V.

Dat lijkt ons dan toch niet zo'n goed plan als er blauwzuurgas vrij kan komen. Bedankt voor uw informatie hierover! Groeten, Thijs en Martijn

Na deze e-mails van Joost Veerman hebben wij geconcludeerd dat het nodig was om de buitenste twee membranen uit de RED-cel te halen. We hebben in één dag de membranen uit de RED-cel gehaald, weer in elkaar gezet en onze overige proeven gedaan. Het enige probleem is dat nu er in totaal 4 membranen uit zijn de resultaten niet zo hoog zijn als voorheen. Om te voorkomen dat de problemen niet meer voorkomen hebben we gelijk de elektrolytvloeistof uit de RED-cel gepompt en er water in gepompt. Ook maken we weer nieuwe elektrolytvloeistof aan als we bij de presentatie de opstelling laten zien.

48