Een rioolwaterzuiveringsinstallatie zuivert rioolwater voordat het in het oppervlaktewater wordt geloosd. Het rioolwater ondergaat daarbij een reinigingsstap om cellulosevezels te verwijderen die afkomstig zijn uit toiletpapier. Cellulosevezels lossen namelijk slecht op in water en zijn lastig afbreekbaar. Bovendien kunnen deze vezels nuttig worden gebruikt als grondstof voor de brandstof bio-ethanol.
De slechte oplosbaarheid van cellulosevezels in water wordt onder meer veroorzaakt doordat cellulosemoleculen onderling stevig zijn gebonden door middel van waterstofbruggen. Hieronder zijn fragmenten van twee
cellulosemoleculen in structuurformule weergegeven.
In deze opgave worden twee processen (A en B) vergeleken waarmee cellulose uit toiletpapier kan worden omgezet tot bio-ethanol.
In proces A wordt cellulose met stoom verhit bij een temperatuur van 700 °C.
Hierbij ontstaat een mengsel van gassen. Nadat verontreinigingen zijn verwijderd, blijft syngas over. Syngas is een mengsel van waterstof en koolstofmono-oxide.
Dit syngas wordt vervolgens door bacteriën in een waterige omgeving via reactie 1 en reactie 2 omgezet.
6 CO + 3 H2O → C2H6O + 4 CO2 (reactie 1)
2 CO2 + 6 H2 → C2H6O + 3 H2O (reactie 2)
Hierbij wordt alle CO2 die in reactie 1 ontstaat, bij reactie 2 gebruikt.
Daardoor komt de totale reactie neer op de omzetting van syngas tot uitsluitend ethanol (C2H6O) en water. De vergelijking van de totale reactie kun je opstellen door beide reacties in de juiste verhouding bij elkaar op te tellen.
Proces B maakt gebruik van een samenwerking tussen een bacterie en een gist. Bij een temperatuur van 30 °C zorgt de bacterie voor de omzetting van cellulose met water tot onder andere het sacharide cellotriose (C18H32O16).
De gist zet vervolgens cellotriose om tot ethanol en CO2 volgens reactie 3.
C18H32O16 + 2 H2O → 6 C2H6O + 6 CO2 (reactie 3)
De productie van ethanol volgens reactie 3 heeft een lage atoomeconomie.
Proces A en proces B kunnen met elkaar worden vergeleken volgens de uitgangspunten van de groene chemie. Een nadeel van proces B is de lage atoomeconomie van de productie van ethanol in reactie 3. Toch zijn er ook uitgangspunten die in het voordeel van proces B uitvallen.
uitleg
Koeien boeren methaan op
Koeien stoten gemiddeld 13 gram methaan per liter melk uit. Deze uitstoot heeft een even groot ongewenst effect op het klimaat als 1,24 kilogram koolstofdioxide.
Methaan ontstaat door reacties die plaatsvinden tijdens de spijsvertering bij de koe. Als een koe gras eet, komt dit gras terecht in de maag die de pens wordt genoemd. Gras bevat cellulose. In de pens van een koe leven verschillende soorten micro-organismen die cellulose door hydrolyse afbreken tot onder meer monosachariden en disachariden.
Hieronder is de vergelijking van de hydrolyse van het uiteinde van een cellulosemolecuul onvolledig weergegeven.
+ ........ -->
Een aantal soorten micro-organismen die in de pens leven, voorzien in hun energiebehoefte door de afbraak van de monosacharide glucose. Een voorbeeld hiervan is de reactie waarbij glucose en water worden omgezet tot azijnzuur, koolstofdioxide en waterstof.
De waterstof die in de pens ontstaat, wordt met behulp van het enzym MCR, dat in bepaalde micro-organismen voorkomt, vrijwel meteen omgezet tot methaan. Hierbij treedt reactie 1 op.
Methaan neemt in de pens van de koe een groot volume in.
Koeien boeren methaan op of laten scheten van methaan, waardoor methaan in de lucht terechtkomt.
Men kan de hoeveelheid methaan die een koe met boeren uitstoot, laten afnemen door aan het voer een kleine hoeveelheid van de stof 3-NOP toe te voegen.
Door de aanwezigheid van 3-NOP wordt het enzym MCR minder werkzaam.
In een onderzoek werd aangetoond dat 3-NOP in pensvloeistof (maagsap) langzaam maar volledig wordt omgezet tot het onschadelijke propaan-1,3-diol.
uitleg
Zuurstofvanger
Om voorverpakt voedsel lange tijd te kunnen bewaren, is het belangrijk dat er zo weinig mogelijk zuurstof in de verpakking aanwezig is. Daarom is OxyGuardTM ontwikkeld: een verpakkingsmateriaal dat in staat is om zuurstof in de verpakking ‘weg te vangen’ en zuurstof buiten de verpakking erbuiten te houden. OxyGuardTM is opgebouwd uit verschillende lagen poly-etheen (PE), een laag aluminium en een laag poly-ethyleentereftalaat (PET). In figuur 1 is deze opbouw vereenvoudigd weergegeven. figuur 1
Laag A, B en C (figuur 1) zijn gemaakt van PE. Deze lagen van PE worden gemaakt door extruderen met drie extruders. Hierna volgt een proces waarbij de gesmolten lagen door een verdeelstuk gaan en er een folie ontstaat die uit drie lagen bestaat. Figuur 2 toont deze processen en de structuurformule van PE. figuur 2
Laag B bevat behalve PE onder andere ijzerdeeltjes, waardoor deze laag de zuurstof die in de verpakking zit, kan ‘wegvangen’ volgens reactie 1.
3 O2 (g) + 4 Fe (s) → 2 Fe 2O3 (s) (reactie 1)
Deze reactie verloopt bij lage vochtigheid zeer langzaam. Daarom bevat laag A silica (SiO2). Silica is nodig om water aan laag A te laten binden om zo reactie 1 in laag B te versnellen. PE zelf kan namelijk geen water binden.
De hoeveelheid water die per m2 verpakkingsmateriaal gebonden is, heeft invloed op de hoeveelheid zuurstof die weggevangen kan worden. In figuur 3 staat dit verband in een diagram weergegeven.
Onderzoekers maakten een rechthoekig zakje uit 2 stukjes van 6,5 bij 7,75 cm van het verpakkingsmateriaal OxyguardTM. Nadat het zakje was gevuld met een droog voedingsmiddel en was afgesloten, bevond zich nog 13,4 cm3 lucht in het zakje. De lucht bevatte 20,9 volumeprocent zuurstof.
Laag D en E van OxyGuardTM dienen ter versteviging. Laag D, gemaakt van aluminium, laat geen zuurstof van buitenaf door. Laag E bestaat uit het ketenpolymeer PET. De ketens van PET zijn hydrofoob. PET en aluminium zijn beide niet poreus. Toch kan PET wel zuurstofmoleculen doorlaten en aluminium (Al) niet.
Verpakkingen van OxyGuardTM kunnen na gebruik niet worden verwerkt tot nieuwe verpakkingen van OxyGuardTM.
uitleg
Lithium-ion-accu’s recyclen
In steeds meer elektrische voertuigen zitten lithium-ion-accu’s (LIA’s). Daardoor neemt ook het afval van afgedankte LIA’s toe. Afgedankte LIA’s moeten apart ingezameld worden. De elektrolytvloeistof bevat namelijk de stof LiPF6, die gemakkelijk reageert met water. Bij deze reactie ontstaan lithiumfluoride en de giftige stoffen waterstoffluoride (HF) en fosforylfluoride (POF3).
De ingezamelde LIA’s kunnen worden gerecycled, om zo min mogelijk metalen verloren te laten gaan. Figuur 1 toont de samenstelling van een bepaald type LIA met aluminium behuizing.
De positieve elektrode van dit type LIA bevat een actieve stof met lithium-ionen, nikkel-ionen, mangaan-ionen en kobalt-ionen.
De verhoudingsformule kan als volgt worden genoteerd: LiNi0,80Mn0,10Co0,10O2.
Afgedankte LIA’s zijn vaak nog deels opgeladen. Voordat de LIA’s worden gerecycled, worden ze ontladen. Dit kan door ze in een oplossing van natriumchloride in water te leggen. Beide elektroden moeten contact maken met de oplossing.
Het Belgische bedrijf Umicore heeft een proces ontwikkeld om nikkel en kobalt terug te winnen uit LIA’s. Dit proces maakt gebruik van een oven met drie temperatuurzones (vereenvoudigd weergegeven in figuur 2).
De LIA’s worden samen met zand, aluminiumoxide en ongebluste kalk van bovenaf in de oven gebracht. In elke zone vindt een ander onderdeel van het recyclingproces plaats. De gassen die in zone 1, 2 en 3 ontstaan, stijgen op en worden verzameld voor verdere reiniging. Gedurende het verblijf in de oven zakken vaste stoffen en vloeistoffen naar beneden en komen ze in een steeds hetere omgeving.
Hieronder staat een tabel over aluminium.
De hoge temperatuur in zone 3 wordt bereikt door de exotherme reactie tussen aluminium en zuurstof (reactie 1).
4 Al + 3 O2 → 2 Al2O3 (reactie 1)
Hieronder is het energiediagram van reactie 1 onvolledig weergegeven. In dit energiediagram ontbreekt het niveau van het reactieproduct.
Aan de onderkant van de oven stroomt een mengsel van vaste stoffen (Li2CO3 en Al2O3) en een vloeibare legering van koper, kobalt en nikkel naar buiten. De vaste stoffen drijven op de vloeibare legering en kunnen gescheiden worden van de legering. Dit kan worden opgevat als bezinken.
De legering van koper, kobalt en nikkel wordt vervolgens na enkele extractie‑stappen gebruikt om nieuwe actieve stof voor de positieve elektrode te maken. Een voorbeeld van zo’n stap is een behandeling met zoutzuur.
Hierbij reageert zoutzuur met kobalt tot waterstofgas en een oplossing met Co2+-ionen en Cl–-ionen.
uitleg
Plastic wordt olie
Amerikaanse onderzoekers hebben een nieuwe methode bedacht om moeilijk recyclebaar plasticafval om te zetten tot olie. Voor het testen van hun methode gebruikten de onderzoekers polypropeen (PP, zie figuur 1).
De onderzoekers gebruikten een proces waarin bij hoge temperatuur (380 - 450 °C) en hoge druk steeds 1,0 g van de vaste stof PP in een reactor in contact wordt gebracht met water. Het water reageert hierbij niet. Onder de genoemde omstandigheden in de reactor ontleden PP-moleculen tot kleinere moleculen. Het gebruikte batchproces bestaat uit de volgende stappen:
stap 1: PP en water worden in een reactor gebracht. Door vervolgens de temperatuur en de druk te verhogen ondergaat
PP diverse reacties.
stap 2: De reactor wordt afgekoeld en de ontstane gassen worden afgevoerd. In de reactor ontstaat een mengsel van olie,
water en een vaste stof. Deze vaste stof bestaat ook uit PP. Maar de gemiddelde molecuulmassa is lager dan het
PP dat de reactor ingaat.
stap 3: Het reactormengsel wordt in scheidingsruimte S1 gefiltreerd, waardoor de vaste stof wordt afgescheiden.
stap 4: Het filtraat wordt in scheidingsruimte S2 verder gescheiden.
Hieronder is dit proces gedeeltelijk weergegeven.
De onderzoekers wilden weten of de vaste stof (PP) die S1 verlaat, kan worden gebruikt om de olie-opbrengst te vergroten.
Om de invloed te onderzoeken van reactietemperatuur en reactietijd op de opbrengst en samenstelling van de reactieproducten, werden verschillende experimenten uitgevoerd bij temperaturen tussen 380 °C en 450 °C en reactietijden tussen 0,5 en 4 uur. Na afloop van elk experiment werd de opbrengst aan vaste stof, olie en gassen bepaald. In figuur 2 zijn de resultaten in drie diagrammen weergegeven.
Uit de resultaten in diagram C leidden de onderzoekers af dat bij 450 °C en een langere reactietijd een deel van de gevormde olie ontleedt.
Een bestanddeel van de ontstane olie is hexaan. Hexaan kan ontleden tot etheen en ethaan.
uitleg
Ademende flowbatterij
Steeds meer elektrische energie wordt duurzaam opgewekt, bijvoorbeeld met behulp van zonnecellen. Hierdoor stijgt de vraag naar betaalbare opslag van energie. Een Amerikaans onderzoeksteam onder leiding van professor Chiang heeft daarom een ‘flowbatterij’ ontwikkeld op basis van goedkope stoffen zoals natriumpolysulfide (Na2S4).
De twee halfcellen A en B zijn ieder verbonden met een voorraadvat en zijn van elkaar gescheiden door een membraan dat Na+-ionen doorlaat. Tijdens het gebruik van de flowbatterij worden de oplossingen uit de voorraadvaten langs de elektroden gepompt (de ‘flow’). De elektroden reageren zelf niet mee.
Wanneer de batterij nog niet is opgeladen, bevatten halfcel A en het daarop aangesloten voorraadvat A een oplossing van natriumsulfaat en zwavelzuur.
Halfcel B en het daarop aangesloten voorraadvat B bevatten in niet opgeladen toestand een natriumpolysulfide-oplossing.
Om nevenreacties te voorkomen, wordt de pH in halfcel B verhoogd.
Hiervoor is 3,0 M natriumhydroxide-oplossing gebruikt.
Tijdens het opladen treden de volgende halfreacties op:
Chiang stelt dat deze batterij als het ware zuurstof in- en uitademt.
Een van de halfcellen van de flowbatterij bevat een membraan waardoor zuurstof kan passeren. Dit membraan bestaat onder andere uit een poreuze koolstoflaag die is gemaakt door het polymeer PAN te verkolen. In figuur 2 is de structuurformule van een gedeelte uit het midden van een PAN-molecuul weergegeven. De bindingsstreepjes tussen het C-atoom en het N-atoom zijn niet weergegeven.
uitleg
videosamenvatting alle leerstof havo eindexamen scheikunde
Het arrangement Scheikunde Havo 2024 1e tijdvak met video uitleg is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Auteur
Wouter Renkema
Je moet eerst inloggen om feedback aan de auteur te kunnen geven.
Laatst gewijzigd
2024-06-05 11:34:48
Licentie
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationale licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
Het arrangement met vragen en antwoorden is gemaakt door Dick Naafs. Wouter Renkema heeft allee de video's erbij gezet.
Aanvullende informatie over dit lesmateriaal
Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:
Toelichting
Het havo eindexamen scheikunde 1e tijdvak 2024 is verwerkt in een arrangement. Bij de beantwoording van de vragen is gebruik gemaakt van het correctievoorschrift van de CEVO.
Het havo eindexamen scheikunde 1e tijdvak 2024 is verwerkt in een arrangement. Bij de beantwoording van de vragen is gebruik gemaakt van het correctievoorschrift van de CEVO.
+ ........ -->
