Opdrachten Civieltechnische Milieukunde 2007

Opdrachten Civieltechnische Milieukunde 2007 Hoofdstuk 2 + 3 1. Het roesten van de wapening in vochtig beton kan het gevolg zijn van een hoge concentratie chloriden in het beton. Als het chloridegehalte hoger is dan 0.4 massaprocent, dan is de kans dat schade ontstaat groot. Wat is 0.4 massaprocent uitgedrukt in ppm? Ga na in welke concentratie-eenheden, zoals beschreven in paragraaf 3.3, je dit gehalte gemakkelijk kunt omrekenen en voer deze berekeningen uit? De dichtheid van beton bedraagt 2400 kg/m3. 2. De CO-concentratie in een parkeergarage mag niet hoger zijn dan 120 ppm1 (NEN2443), indien dat wel het geval is dient de parkeergarage ontruimd te worden. De werking van het ventilatiesysteem in parkeergarages kan hier op afgestemd worden. Druk deze concentratie uit in mg/m3 en als partiële druk als de totale druk gelijk is aan 1 atm en de temperatuur 15 °C bedraagt. 3. Een watermonster bevat 3 mg NO3-/l en 0.5 mg NH4+/l. De Nederlandse norm voor totaal stikstof in water is 2.2 mg N/l (zie bijlage 2). Voldoet dit watermonster aan deze norm? 4. Een hoeveelheid puur CO2 wordt door een fabriek op enige hoogte uitgestoten. Neem aan dat de CO2 dezelfde temperatuur (285 K) en druk (1 atm = 105 Pa) heeft als zijn omgeving. De dichtheid van de lucht in de omgeving bedraagt 1.2 g/l. Zal de CO2 zakken, stijgen of op ongeveer dezelfde hoogte blijven hangen? Bereken daartoe de dichtheid van CO2 onder de gegeven omstandigheden. 5. De belangrijkste ionen in zeewater zijn: [Na+] = 10.8 g/l [Mg2+] = 1.3 g/l

[Cl-] = 19.4 g/l [SO42-] = 2.7 g/l

Wanneer men zeewater in een glas doet en het zeewater laat verdampen zal de concentratie van de ionen toenemen en zullen mineralen neerslaan. a. Bereken het oplosbaarheidsproduct van de mineralen NaCl en Na2SO4 bij 25 °C. b. Welk van deze twee mineralen zal het eerste neerslaan tijdens het verdampingsproces? c. Welke moleculaire interactie is verantwoordelijk voor het neerslaan van deze mineralen? 6. Ammoniak (NH3) is een belangrijke veroorzaker van zure regen. Dierlijke mest bevat veel ammoniak dat in water kan overgaan in ammonium (NH4). Deze reactie kan als volgt worden weergegeven: NH3 + H+ 1.

→ ←

NH4+

K = 2×109 (25 °C)

Voor concentraties in lucht wordt ook vaak gebruik gemaakt van de aanduiding ppm en ppb, maar dan betekent het geen gewichtsfractie maar het aantal deeltjes (of mol) per 106 of 109 deeltjes (of mol) lucht. Omdat volgens de ideale gaswet het aantal mol rechtevenredig is met het volume (bij gegeven temperatuur en druk) zijn ppm en ppb ook een maat voor de volumefractie.

Teken in een figuur de relatieve concentratie van NH3 en NH4+ als functie van de pH zoals in figuur 3.2 is gedaan voor koolzuur. Hoe verandert deze figuur voor lagere temperaturen? 7. In voorbeeld 3.9 is de evenwichtsconcentratie van zuurstof in water berekend bij een temperatuur van 25 °C. Bereken de evenwichtsconcentratie bij 10°C. Let op, je kunt hiervoor niet de H uit tabel 3.2 gebruiken want deze geldt alleen voor 25°C, maar je moet gebruik maken van de wet van Van ’t Hoff (vgl. 3.11). Wat is de waarde voor de dimensieloze Henry-coëfficiënt H bij 10°C? Voor O2(aq) geldt: ΔHf0 = -11.7 kJ/mol. 8. Om de adsorptiecoëfficient van benzeen aan sediment te meten wordt 10 g sediment (drooggewicht) aan een bekerglas met 100 ml water toegevoegd. Tevens wordt 1 mg benzeen toegevoegd. Het bekerglas wordt afgesloten om te voorkomen dat er benzeen vervluchtigt en regelmatig geschud. Na 2 dagen wordt de benzeenconcentratie gemeten en blijkt deze 5.6 mg/l te bedragen. a. bereken de adsorptiecoëfficiënt K van benzeen voor deze grond op basis van bovenstaande gegevens. b. Schat de adsorptiecoëfficiënt ook op basis van de drie meest geschikte empirische relaties uit Tabel 3.4. De Kow van benzeen is te vinden in Tabel 3.3 en neem aan dat de organisch stoffractie van het sediment 10% bedraagt. 9. Bij de bepaling van de ouderdom van fossiel plantenmateriaal wordt vaak gebruik gemaakt van koolstofdatering. In de atmosfeer komt het isotoop 14C voor als gevolg van kosmische straling. Planten nemen deze 14C tijdens de fotosynthese op in de vorm van CO2 en leggen dit gedeeltelijk vast in het plantenmateriaal. 14C vervalt waarbij β-straling vrijkomt en heeft een halfwaardetijd van 5730 jaar. De concentratie van 14C in levende planten is ongeveer constant en levert een straling van 0.227 Bq per gram koolstof (Bq/g). Als planten afsterven wordt geen nieuwe 14C meer opgenomen en neemt de straling af volgens een eerste-orde reactievergelijking: N (t ) = N 0 e − kt

waarin N(t) de straling op tijdstip t (Bq/g), N0 de straling op t = 0 (het moment dat de plant sterft) en k de eerste-orde reactieconstante. a. Welk element ontstaat als 14C vervalt onder het vrijkomen van β-straling? b. In een diepe bodemlaag worden fossiele plantenresten gevonden die nog een straling hebben van 0.083 Bq/g. Wat is de ouderdom van dit plantenmateriaal? 10. PCB’s zijn zeer giftige stoffen die voor verschillende toepassingen gebruikt werden: als isolatievloeistof in transformatoren en condensatoren, als hydraulische vloeistof, koelvloeistof, smeermiddel en weekmaker in kunststoffen, en verder in verf, inkt, lak, kit en lijm. Sinds 1985 mogen er geen PCB’s meer op de Nederlandse markt gebracht worden. Toch worden nog steeds PCB’s in het milieu aangetroffen. Er zijn in totaal 209 soorten PCB’s die verschillen in het aantal en de plaats van de chlooratomen in de molecuulstructuur. Een voorbeeld is PCB-18 (2,2’,5-trichlorobiphenyl). Van PCB-18 zijn de volgende gegevens bekend: H = 0.02 Log Koc (ml/g) = 5.24 Ko = 6.9 ml/g

Om een inschatting te kunnen maken van de verdeling van PCB-18 over de verschillende milieucompartimenten lucht, water, bodem, sediment en organismen wordt de volgende modelwereld verondersteld: Compartiment lucht water bodem sediment organismen

volume, V (m3) 1010 7×106 9×103 2×104 5

dichtheid, ρ (kg/m3) 1.2 1000 1500 1500 1000

foc

0.02 0.04

a. Bereken de evenwichtsverdeling (concentratie en massa) voor 100 kg PCB-18. b. Wat kun je zeggen over verspreiding van deze stof in het milieu? Het is vrij eenvoudig om deze berekening uit te voeren in Excel. Als je dat gedaan hebt kun je gemakkelijk bekijken hoe de verdeling verandert als je de waarden voor H, Koc en Ko verandert. Op deze manier kun je snel inzicht krijgen in de invloed van verschillende parameters in het model.

Hoofdstuk 4 11. Op een bepaalde plaats in Nederland heeft de neerslag een gemiddelde concentratie NH4+ van 2 mg/l en NO van 1 mg/l. Per jaar valt in dit gebied ongeveer 800 mm neerslag. Hoeveel zuurequivalenten komen er hier gemiddeld per hectare met de neerslag naar beneden? 12. Een bergbeklimmer heeft een drukmeter op zijn horloge. Als hij begint te klimmen geeft de drukmeter 956 mbar aan. Na 1 uur klimmen geeft de drukmeter nog maar 910 mbar aan. Welk hoogteverschil heeft de bergbeklimmer afgelegd? De gemiddelde temperatuur is net iets boven 0°C (275 K). 13. Auto’s zijn een bron van fijn stof. Deeltjes groter dan 20 μm zullen door de zwaartekracht uit de atmosfeer zakken. Hoe ver van het uitstootpunt zullen deeltjes van 20 μm terecht komen volgens de wet van Stokes bij een windsnelheid van 2 m/s? Neem aan dat het uitstootpunt (uitlaat) zich 30 cm boven het oppervlak bevindt, de dynamische viscositeit η = 1.7·10-5 Ns/m2 en de dichtheid van het deeltje 800 kg/m3. Opwerveling als gevolg van turbulentie mag worden verwaarloosd. 14. Uit een schoorsteenpijp van 40 m hoogte blijkt op een bepaalde dag in de zomer een schadelijke stof vrij te komen met een uitstoot van 1 g/s. De wind waait uit het westen met een snelheid van 2 m/s. De lucht is onbewolkt. Neem aan dat er geen reflectie plaats vindt. a. Bereken aan de hand van het Gaussisch pluimmodel wat de concentratie is die een persoon van 1.80 inademt op 1000 m precies benedenwinds van de schoorsteen. Van deze stof is bekend dat een concentratie van meer dan 1 μg/m3 schadelijk kan zijn. Hieronder is de contour aangegeven op een hoogte van 1.80 m waarbinnen de concentratie meer dan 1 μg/m3 bedraagt.

250 200 150

y (m)

100 50 0 -50 0

200

400

600

800

1000

-100 -150 -200 -250 x (m)

Beredeneer (en verifieer door berekening) hoe deze contour verandert als: b. de windsnelheid niet 2 maar 3 m/s bedraagt; c. de lucht voor de helft bewolkt is; d. de verontreiniging volledig gereflecteerd wordt (α = 1).

Hoofdstuk 5 15. Van een watermonster wordt het CZV en BZV bepaald. Aan 100 ml van het watermonster wordt 20 mg kaliumdichromaat toegevoegd. Nadat het kaliumdichromaat is uitgereageerd is er nog 14.5 mg over. Daarnaast wordt 250 ml in een aparte fles gedaan en wordt de zuurstofconcentratie gemeten. Deze blijkt 8 mg/l te zijn. De fles wordt afgesloten en in het donker geplaats bij 20 °C. Na 5 dagen wordt de zuurstofconcentratie opnieuw gemeten en blijkt deze te zijn afgenomen naar 4 mg/l. Bereken de CZV en BZV van het watermonster. Waarom zijn CZV en BZV niet gelijk? 16. In een riviertje wordt water geloosd met een organische verontreiniging die voorgesteld kan worden door de molecuulformule C7H13O5N. De lozing van de verontreiniging bedraagt 0.9 kg/s. De organische stof is goed biologisch afbreekbaar. Aangenomen mag worden dat de verontreiniging volledig wordt afgebroken tot kooldioxide, water en ammoniak. De zuurstof die bij deze afbraakreactie wordt verbruikt komt overeen met het BZV. De halfwaardetijd volgens een eerste orde afbraak mechanisme van de verontreiniging in de rivier bedraagt 2 dagen. De snelheid waarmee zuurstof wordt aangevoerd in de rivier komt overeen met een reaeratieconstante k2 van 0.30 dag -1. De rivier is aanvankelijk schoon en heeft een zuurstofconcentratie van 8 mg/l. De rivier heeft een debiet van 120 m3/s en een snelheid van 0.5 m/s. De lozing heeft geen effect op het debiet van de rivier. Verder mag worden aangenomen dat de rivier goed gemengd is. a. Bereken het BZV van de verontreiniging in de rivier zodra het geloosde water zich volledig gemengd heeft. b. Bereken de zuurstofconcentratie stroomafwaarts in de rivier als functie van de afstand tot het lozingspunt tot het punt waar ongeveer de oorspronkelijke zuurstofconcentratie weer is bereikt. Zet het verloop uit in een grafiek. Dit kan eenvoudig in Excel. e. Over welke afstand is de zuurstofconcentratie beneden de minimum kwaliteitswaarde zoals die is vastgesteld in de Vierde Nota Waterhuishouding?

17. In een woonwijk bevindt zich een bergingsvijver waarin nauwelijks leven aanwezig is. Na onderzoek blijkt dat er in de vijver een organische verontreiniging zit die afkomstig is van een bedrijfje dat regelmatig een geringe hoeveelheid van deze verontreiniging op de vijver heeft geloosd. De verontreiniging heeft ook de waterbodem vervuild (adsorptie) en is afbreekbaar. De verontreiniging is niet vluchtig. Door de vijver stroomt een beekje met een vrij constant debiet. Het instromende water bevat niets van de verontreiniging. Nadat duidelijk werd waar de verontreiniging vandaan kwam werd de lozing op de vijver onmiddelijk gestopt. Daarnaast werd een ingenieursbureau ingeschakeld om een advies uit te brengen over de sanering van het meer. Om te bepalen hoe lang het duurt voor het meer zonder extra maatregelen weer schoon is stelde het ingenieursbureau een eenvoudig model op dat de vijver beschouwd als gemengde reactor. a. Stel de differentiaalvergelijking op voor dit model. De oplossing van de differentiaalvergelijking voor dit probleem is: t − t⎞ − QCin ⎛⎜ 1 − e V + mK ⎟ + C 0 e V + mK ⎟ Q + Vk ⎜⎝ ⎠ Q +V k

C=

Q +V k

Om de waarden van de parameters vast te stellen voerde het ingenieursbureau een aantal metingen uit met de volgende resultaten: Oppervlak vijver: 100 m2 Gemiddelde diepte: 1.5 m. Concentratie in de vijver: 2 μg/l De waterbodem was tot op een diepte van 10 cm verontreinigd met een gemiddelde concentratie van 1 mg/kg. Verondersteld wordt dat de concentratie in de vijver en aan de waterbodem in evenwicht zijn. De droge bulkdichtheid (zie hoofdstuk 6) van de waterbodem: 1200 kg/m3. Debiet door de bergingsvijver: 5 l/s. Afbraakcoëfficiënt: 0.1 d-1 (uit de literatuur) Het instromende water bevat niets van de verontreiniging. b. De streefwaarde voor de verontreiniging bedraagt 0.1 μg/l, dus als de concentratie in het meer onder deze waarde zakt mag het meer als schoon worden beschouwd. Bereken hoe lang het duurt voor deze concentratie wordt bereikt. Het ingenieursbureau stelt twee maatregelen voor om de saneringstijd voor het meer te verkorten: (1) beluchten zodat de afbraak twee keer zo snel verloopt, en (2) de verontreinigde laag van de waterbodem weghalen (milieubaggeren). c. Bereken voor deze twee maatregelen hoe de saneringstijd verandert. 18. In een rivier wordt gedurende een kortstondige lozing 100 kg van een verontreiniging geloosd. De dwarsdoorsnede van de rivier is 200 m2, de dispersiecoëfficiënt bedraagt 1 m2/s en de snelheid van de rivier is 1 m/s. a. Schets op basis van enkele berekende waarden de concentratie als functie van de afstand tot het lozingspunt voor t = 1 uur, 2 uur en 5 uur. b. Schets op basis van enkele berekende waarden de concentratie als functie van de tijd zoals gemeten op x = , t = 0 is het tijdstip van het lozingspunt. c. Herhaal a en b, maar nu vindt er tevens afbraak plaats. De afbraakcoëfficiënt bedraagt 3 d-1. Hoofdstuk 6

19. Er wordt een ongestoord grondmonster gestoken met een volume van 120 ml. Aan dit monster worden de volgende metingen verricht: Gewicht ringmonster, leeg: Gewicht ringmonster + grond: Gewicht ringmonster + grond na drogen (105 °C): Gewicht ringmonster + grond na gloeien (900 °C):

80 g 290 g 272 g 253 g

Verder is gegeven: dichtheid van water 1000 kg/m3 dichtheid van minerale fase 2650 kg/m3 dichtheid humus 1400 kg/m3 a. b. c. d.

Bereken de droge bulkdichtheid van deze bodem. Bereken de humusfractie van deze bodem. Bereken de dichtheid van de droge stof in deze bodem. Bereken de saturatie van water en lucht in deze bodem.

20. Stel, een met waterverzadigde bodem is verontreinigd met 10 liter van de NAPL (puur product) perchloorethyleen (per). Het volume van de bodem dat is verontreinigd is cilindrisch van vorm met een diepte (d) van 1 m en een straal (r) van 1 m. Neem aan dat de per homogeen (gelijkmatig) is verdeeld over dit volume. De per zal in dit volume oplossen in het grondwater. Veronderstel voor het gemak dat er geen adsorptie is. Transport van per met het grondwater buiten dit volume mag worden verwaarloosd. De porositeit van de bodem bedraagt 0.3. De dichtheid van per is 1600 kg/m3 en de oplosbaarheid is 160 mg/l. a. Bereken de massaverdeling van per over de waterfase en puur product in dit volume als beide fasen in evenwicht zijn. b. Bereken de residuaire saturatie (Vper/Vporiën) van per in procenten. Men wil de bodem in situ gaan saneren. Daarvoor wordt in het centrum van de verontreinigde zone een grondwateronttrekkingsbuis geplaatst (zie onderstaande figuur). Het volume van de buis mag worden verwaarloosd. Via deze buis wordt gelijkmatig over de gehele verontreinigde diepte grondwater, waarin de per is opgelost, onttrokken met een snelheid van 100 liter per uur. Het puur product wordt niet verplaatst (blijft immobiel) als gevolg van de grondwateronttrekking. Q r

d

c. Bereken de tijd die nodig is om het volume water dat in het verontreinigde volume bodem aanwezig is te onttrekken (het water in de verontreinigde zone is dan volledig vervangen door schoon water dat van buiten de cilinder is aangetrokken). Hoeveel per is dan met het water aan de bodem onttrokken? d. Bereken de tijd die nodig is om op deze manier het puur product uit de bodem te verwijderen. Neem aan dat er steeds evenwicht is tussen alle fasen. e. Schets het concentratieverloop in de tijd (C vs. t) in het water dat onttrokken wordt. Geef daarbij zoveel mogelijk kwantitatieve informatie (bijv. de tijdschaal waarop het probleem zich afspeelt en de concentratierange). Ga uit van propstroming. f. Schets hoe de grafiek onder d verandert als er afbraak van per in de waterfase plaatsvindt? g. Schets hoe de grafiek onder d verandert als er geen evenwicht is tussen puur product en de opgeloste fase?

Hoofdstuk 7

21. Een vliegtuig vliegt met een snelheid van ca. 1000 km/uur op zo’n 8 km hoogte en maakt een constant geluid (frequentie en intensiteit). Een persoon op de grond hoort het geluid van het vliegtuig precies vanaf het moment dat het vliegtuig zich recht boven hem bevindt. Neem als gemiddelde luchttemperatuur over deze hoogte 0 °C. a. Welke afstand heeft het geluid dat de persoon als eerste waarneemt afgelegd? b. Hoe verandert de toonhoogte van het waargenomen geluid? 22. Een groot rockconcertpodium in de open lucht (geen reflectie) is vol gebouwd met luidsprekers en kan voor het publiek op enige afstand van het podium beschouwd worden als een geluidsbron met een groot, zeg maar oneindig oppervlak. In het publiek staan twee studenten, student 1 bevindt zich op 10 m afstand van het podium en student 2 op 25 m afstand. Beide studenten bevinden zich in de zone waarin het podium als een geluidsbron met oneindig groot oppervlak mag worden beschouwd. Met hoeveel dB(A) is het geluidsniveau dat student 2 waarneemt afgenomen ten opzichte van dat wat student 1 waarneemt als gevolg van uitdemping door de afstand? 23. In een klas is gedurende een uur elke minuut een geluidsmeting gedaan. De meetgegevens zijn te vinden in de excelfile Opgave23.exl. Bepaal uit deze gegevens de Leq, L1, L10 en L90. 24. Langs een drukke stadsweg (maximum snelheid 50 km/uur) met een gemiddelde intensiteit van 1000 motorvoertuigen/uur hebben mensen last van geluidhinder veroorzaakt door het verkeer. Het verkeer bestaat voor 70% uit lichte voertuigen, 20% uit middelzware voertuigen en voor de overige 10% uit zware voertuigen. Aan één kant staan huizen op een afstand van 12 m van de weg. De overkant van de weg bestaat uit ongeveer 70% bebouwd oppervlak. De bodem tussen de weg en de huizen bestaat voor 40% uit verhard oppervlak. Er zijn geen kruisingen of verkeersobstructies in de buurt van de huizen. Het wegdek ligt ongeveer gelijk met zijn omgeving en bestaat uit asfalt waarvoor de wegdekcorrectie Cwegdek = 0. Bereken de geluidsbelasting op 1.5 m hoogte aan de gevel van de huizen langs deze weg. Bereken daarnaast wat de geluidsbelasting aan de gevels zal zijn bij de volgende maatregelen: - maximumsnelheid van 30 km/uur - reductie in de intensiteit van middelzware en zware voertuigen met 80% (alleen toelating van bestemmingsverkeer)

- reductie van de intensiteit met 50% (verkeerssamenstelling blijft gelijk) Welke maatregel heeft het meeste effect?