Hoe (goed) werkt een biologische brandstofcel?

Hoe (goed) werkt een biologische brandstofcel? Er is afval te over en er dreigt een energietekort. Zou je deze twee problemen tegelijkertijd kunnen aanpakken? Dat wordt al deels gedaan door woonwijken te verwarmen met de warmte die ontstaat bij de verbranding van afval. Ook wekt men elektrische stroom op met die warmte. Maar door de omweg via verbranding bij hoge temperatuur gaat veel energie verloren. Prof. Bruce Logan heeft een beter idee: rechtstreeks elektrische energie opwekken uit afval. Lees het artikel Stroom uit afvalwater in de bijlage van deze toets. De regels 9 tot en met 14 bevatten twee zinnen. Deze twee zinnen zeggen ongeveer hetzelfde. De schrijver heeft de laatste van deze twee zinnen er aan toegevoegd om iets duidelijk te maken; duidelijker dan uit de eerste van deze twee zinnen blijkt. 2p 1

Geef aan wat de schrijver duidelijk heeft willen maken. De schrijver heeft de laatste van deze twee zinnen verkregen door de zin ervoor óm te rekenen. Een gegeven uit die zin heeft een spreiding in het aantal milliwatt, namelijk “tien tot vijftig”. Die spreiding is bij de laatste van deze twee zinnen verdwenen.

2p 2

Laat door een berekening zien wat de schrijver van het gegeven aantal milliwatt heeft gebruikt voor zijn omrekening. Het organisch afval wordt in deze brandstofcel voor 78% omgezet. Bij deze omzetting speelt het afval de rol van brandstof, net als waterstof in een gewone brandstofcel. Het afval en de zuurstof werken samen om de cel stroom te laten leveren. Zo’n samenwerkingsverband tref je altijd aan bij elektrochemische cellen, ook bij andere cellen dan brandstofcellen. In het artikel staat een zin die wijst op de functie van het afval in dit samenwerkingsverband. Die functie stijgt uit boven de functie van brandstof alleen. In het artikel staat een zin die wijst op deze functie.

3p 3

Geef de naam van deze functie van het afval in de biologische brandstofcel. Leg uit. Citeer bij je uitleg het zinsdeel waaruit deze functie blijkt. Uit de laatste alinea van het artikel is de vergelijking van de halfreactie af te leiden die aan de kathode plaats vindt.

2p 4

Geef de vergelijking van deze halfreactie. De laatste zin van het artikel begint met: “Deze stroomkring…”. Om een stroomkring mogelijk te doen zijn, moet er in het afvalwater nog iets aanwezig zijn. Ook staat er in regel 48 en regel 49 dat er een waterstofdoorlatend membraan is. Maar of dat helemaal correct is…

4p 5

In de uitwerkbijlage is de biologische brandstofcel in een schematische tekening deels weergegeven. Vul deze tekening aan, zodat het duidelijk wordt hoe de cel functioneert, met · een deeltje van het afval (als een rondje met “afval”) en de bacteriën (als een rondje met “bacteriën”) · de elektronenoverdracht aan de elektroden · de elektronenstroom · een zuurstofmolecule met de bewegingsrichting ervan · de richting en de soort van deeltjes die in de oplossing de stroomkring sluitend maken · wat er door het membraan (de stippellijn) gaat en in welke richting.

Biologische brandstofcel def

1

Een student van prof. Bruce Logan twijfelt aan het nut van het membraan. Om de student te overtuigen trekt de professor het membraan eruit. Wat zullen ze waarnemen? Leg uit. 2p 6

Geef deze waarneming en leg uit waardoor dit gebeurt als je het membraan eruit trekt. De zin die boven de foto begint, luidt: “De hoeveelheid stroom lijkt beperkt, maar tijdens de productie daalde het gehalte aan organisch materiaal met wel 78%.” Je gaat in vraag 8 uitrekenen hoeveel afval omgezet zou moeten worden als er inderdaad een lampje van 60 W op de cel zou branden. Neem daarbij aan dat het afval uit glucose bestaat. Voor die berekening heb je de vergelijking van de halfreactie van glucose nodig. Neem aan dat een glucosemolecuul omgezet wordt in koolstofdioxidemoleculen en in een deeltjes die voor de reactie aan de kathode nodig zijn (zie vraag 4).

4p 7

Geef de vergelijking van de halfreactie van de omzetting in waterig milieu van glucose in onder andere koolstofdioxide. Voor de berekening heb je ook wat natuurkunde nodig. Hoeveel stroom er door een lamp van 60 W gaat, hangt af van het potentiaalverschil. Nemen we aan dat dat 24 V is, dan is de stroomsterkte 2,5 A. Een Ampère is per definitie een Coulomb per seconde. De lading van een elektron moet je weten of kun je vinden in BINAS. Je weet nu genoeg om de berekening uit te voeren.

5p 8

Bereken hoeveel gram glucose in de cel per minuut omgezet zou moeten worden om deze lamp bij deze omstandigheden te laten branden. In voorgaande vraag heb je eigenlijk niets anders uitgerekend dan hoeveel gram een goed draaiende glucosegestookte elektrische generator zou verbruiken per minuut. Bij de biologische brandstofcel is dit verbruik echter volstrekt onhaalbaar. Er zou immers een onbetaalbaar groot elektrodeoppervlak nodig zijn om de snelheid van de halfreactie(s) op het gewenste peil te brengen. Kennelijk is er een omstandigheid die de halfreactie(s) sterk vertraagt.

1p 9

Door welke reactieomstandigheid is de snelheid van de halfreactie van glucose zo laag? Je zou de reactiesnelheid kunnen proberen te verhogen door veel meer bacteriën toe te voegen. In regel 42 staat dat de bacteriën elektronen doorgeven van het afval naar een van de acht anoden. Dat doorgeven van elektronen kun je zo weergeven: Afval + Bact → Afval+ + BactBact- → Bact + e-(naar anode) Afval → Afval+ + e-(naar anode) Uit deze weergave kun je afleiden wat de functie is van de bacteriën waardoor zij de reactiesnelheid kunnen verhogen.

2p 10 Geef de naam van deze functie van de bacteriën waardoor zij de reactiesnelheid kunnen verhogen. Leg uit. Gebruik bij je uitleg een argument dat volgt uit de bovenstaande weergave van het doorgeven van elektronen door de bacteriën. Prof. Bruce Logan, de bedenker van de biologische brandstofcel, heeft het proces verbeterd door het in twee afzonderlijke stappen te laten verlopen. Hij zet eerst de glucose in het afvalwater in alle rust om in zoveel mogelijk waterstof. De verzamelde waterstof gebruikt hij vervolgens effectief in een normale brandstofcel.


2

Lees het artikel BACTERIËLE WATERSTOFFABRIEK in de bijlage van deze toets. De cel van het eerste artikel wordt in dit tweede artikel MFC genoemd. Je gaat nu achterhalen of de BEAMR van dit tweede artikel een vooruitgang is ten opzichte van de IMF van het eerste artikel. Ongetwijfeld zal de brandstofcel die werkt op de waterstof van de BEAMR een hoger vermogen kunnen leveren. Maar je kunt ook kijken naar het rendement van de ingezette glucose. Dus hoeveel mol elektronen er uiteindelijk in omloop gebracht wordt per mol ingezette glucose. Als je dat criterium toepast, is het niet zo zeker of combinatie van de BEAMR en de brandstofcel het zal winnen van de IMF. Om daar achter te komen, ga je de volgende aantallen mol elektronen met elkaar vergelijken: · het aantal mol elektronen dat volgens het tweede artikel uiteindelijk in omloop gebracht kan worden in de brandstofcel die op de waterstof van de BEAMR werkt. Houdt daarbij rekening met wat het “zetje in de rug” kost. · het aantal mol elektronen dat in de MFC in omloop gebracht wordt. Houd daarbij rekening met het omzettingspercentage van het organisch materiaal in de MFC. Ga in beide gevallen uit van één mol oorspronkelijk aanwezige glucose. 5p 11 Bereken deze aantallen mol elektronen. Geef daarna aan wat er uiteindelijk meer elektronen per ingezette mol glucose in omloop brengt: de MFC of de combinatie van de BEAMR met de waterstofbrandstofcel.


3

Hoe (goed) werkt een biologische brandstofcel?

Uitwerkbijlage opgave 5

Naam leerling _____________________ Klas __________ Docent ___________

m

A


4

Hoe (goed) werkt een biologische brandstofcel?

Bijlage

Stroom uit afvalwater 1

5

10

15

University Park, Pennsylvania (VS) – Een biologische brandstofcel produceert stroom uit spoelwater van het toilet. Een biologische brandstofcel van vijftien centimeter lang en een diameter van vijf centimeter produceert stroom uit spoelwater. Hij levert tien tot vijftig milliwatt vermogen per vierkante meter elektrodeoppervlak. Twaalfhonderd vierkante meter elektrode kan een 60Wlampje laten branden. Hoogleraar milieutechniek Bruce Logan en zijn collega's van Pennsylvania State University ontwierpen de cel. De hoeveelheid stroom lijkt beperkt, maar tijdens de productie daalde het gehalte aan

20

25

30

35

40

45

organisch materiaal in het gebruikte afvalwater met wel 78%. Deze combinatie van elektriciteitsproductie en afvalwaterzuivering biedt perspectieven. Alleen al in de VS kost de waterzuivering 25 miljard dollar per jaar. Eerdere biologische brandstofcellen gebruikten bacteriën die zich voeden met eenvoudige verbindingen zoals glucose, acetaat of melkzuur. De onderzoekers op University Park gebruikten geen speciale bacteriën, maar bacteriën die gewoon in het afvalwater voorkomen. In de biologische brandstofcel zetten zij organisch afval om, waarbij ze elektronen doorgeven aan een van de acht grafietanoden. Aan de kathode - vervaardigd uit koolstof en een platinakatalysator en omringd door een waterstofdoorlatend membraan - worden waterstofionen met zuurstof omgezet in water, een reactie waarbij elektronen worden opgenomen. Deze stroomkring levert de kleine elektromotorische kracht van de cel. Erick Vermeulen

Recycling Bruce Logan en Hong Lu laten een brandstofcel stroom opwekken uit spoelwater.

BACTERIËLE WATERSTOFFABRIEK 1

5

10

15

Met een beetje elektrochemische hulp maken bacteriën een recordhoeveelheid waterstof vrij uit afvalwater. Dat stelt prof. Bruce Logan (Penn. State University, VS) in Environmental Science and Technology. Logan borduurt voort op zijn microbiële brandstofcel (MFC), waarin micro-organismen elektriciteit opwekken uit water met organische verontreinigingen. Bij de BEAMR (BioElectrochemically Assisted Microbial Reactor ) tapt hij de stroom niet meer af, maar voegt hij aan het opgewekte potentiaalverschil nog 0,25 V uit een externe spanningsbron toe.


20

25

30

Chemisch2Weekblad 4 mei 2005

Dankzij dat zetje in de rug kan de bacteriepopulatie acetaat en butyraat, waar het fermentatieproces normaal gesproken op stukloopt, verder afbreken tot kooldioxide en waterstof. Dat laatste gas komt vrij bij de kathode en dient als brandstof voor “gewone” brandstofcellen. Volgens Logan halen bacteriën niet meer dan drie mol waterstof uit één mol glucose, plus twee mol acetaat. De BEAMR wint uit elke mol acetaat nog eens 2,9 mol H2 extra. De extra spanning kost slechts het equivalent van 1,2 mol waterstof per mol glucose.

5

Hoe (goed) werkt een biologische brandstofcel? beoordelingsmodel 1

2

maximumscore 2 • Om een normale opbrengst/ vermogen/ lampje te laten branden/ er iets aan te hebben • moet je een enorm groot elektrodeoppervlak hebben.

1 1

maximumscore 2 • Uit een door de leerling gegeven berekening (bijvoorbeeld een kruistabel) blijkt dat het uitgangsgegeven 50 mW is • met factor 1000 correct omgegaan

1 1

3

maximumscore 3 • het afval is reductor 1 • (moleculen van) het afval leveren elektronen (aan de bacteriën / via de bacteriën / aan de grafietanode) 1 • (…zetten zij organisch afval om, waarbij ze) elektronen doorgeven aan (een van de acht grafietanoden.) 1 Een antwoord als: “Het afval is de anode, dus het is een reductor” levert 2 p. Een antwoord als: “Het afval reageert met zuurstof, dus het is een reductor” levert 1p. Een antwoord als: “Het afval is de brandstof, dus het is een reductor” levert 1p. Een antwoord als: “Zuurstof is oxidator, want het neemt volgens regel 43/44 elektronen op, dus het afval is reductor” is volledig goed.

4

maximumscore 2 4H+ + O2 + 4e- → 2H2O waterstofionen, zuurstof en elektronen vóór de pijl en water achter de pijl juiste coëfficiënten

1 1

maximumscore 4 • afval geeft via bacteriën elektronen af aan de elektrode met het minteken • zuurstof, waterstofionen en elektronen gaan naar de elektrode met het plusteken • de waterstofionen gaan door het membraan • de elektronen gaan door de uitwendige kabel en NIET door de oplossing

1 1 1 1

5

6

7

8

maximumscore 2 • de stroomsterkte wordt nul • er vindt geen reactie op afstand meer plaats/ de elektronenoverdracht/ de reactie vindt direct plaats tussen het afval en de zuurstof Opmerking: “De stroomkring wordt verbroken” is een onjuist antwoord.

1 1

maximumscore 4 C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e• formule glucose vóór de pijl en formule kooldioxide achter de pijl • formule water vóór de pijl en formule waterstofion achter de pijl • elektronen achter de pijl • juiste coëfficiënten

1 1 1 1

maximumscore 5 uitkomst 1,17ּ10-2 • omzetting seconde in minuut (2,5 x 60 = 150) • omzetting aantal elektronen in Coulomb ( : 1,60ּ10-19) • omzetting aantal elektronen in mol elektronen( :6,02ּ1023)

1 1 1


6

• toepassing molverhouding tussen mol glucose en elektronen( :24) • omzetting aantal mol glucose naar aantal gram ( x 180,2) Opmerking: het tweede en derde bolletje kunnen gecombineerd worden middels de constante van Faraday. 9

maximumscore 1 de concentratie (van glucose in het afvalwater) is laag

10

maximumscore 2 • katalysator Opmerking : Het antwoord enzym goed rekenen • (Ze versnellen de reactie) zonder te worden verbruikt

11

maximumscore 5 De BEAMR (uitkomst: 15 of 15,2) • 3 plus 2 maal 2,9 • minus 1,2 • maal 2 vergeleken met de MFC( uitkomst: 19 of 18,7) • 24 • daarvan 78% en conclusie


1 1

1 1

1 1 1 1 1

7

Hoe (goed) werkt een biologische brandstofcel?

Recommend Documents