Samenvatting Inleiding milieutechnologie
Examen
• Het examen is schriftelijk en zal bestaan uit de 4 besproken delen (water, bodem, lucht en afval) elk voor een even
groot deel v/d punten. Het zal een lang examen zijn met 1 uur per deel. Om te slagen is een 8/20 op elk afzonderlijk
deel vereist.
o Vragen zullen bestaan uit definities, uitleggen van concepten, kruiswoordraadsels, etc. Begrijpen van formules
is belangrijkste, minder het toepassen ervan (rekenmachine is ook niet nodig).
o In de lessen zal dubbel zo veel tijd aan partim water gehecht worden (4 x 3u i.p.v. de normale 2 x 3u) ondanks
een gelijke puntenverdeling voor de delen op het examen.
o Milieutechnologie zal relevant zijn voor de 2de semestervakken ‘water treatment technology’ en ‘cleantech for
food, water and energy’.
• Deze samenvatting is gemaakt voor studenten met een alfa wetenschappelijke achtergrond (i.e. niet-STEM).
1
,Partim. water
• Enkel voor het deeltje water hoort een formularium.
1.1 Introductie
• In 1987, een jaar voor de oprichting v/d IPCC1, werd een eerste officiële definitie van duurzaamheid opgesteld door de
driejarige Brundtlandcommissie die als opdracht hadden een eerste milieurapport aan de algemene vergadering van
de VN te leveren.
o Duurzaamheid of duurzame ontwikkeling is ontwikkeling – veranderingen met nadruk op verbeteringen in de
samenleving (bv mensenrechten), op vlak van economie (bv BBP) en op vlak van milieu (bv ecologische voetafdruk) – die
tegemoetkomt aan de noden van het heden zonder af te doen aan de capaciteit van toekomstige generaties
om te voorzien in hun noden.
o Deze ontwikkeling zoals reeds aangehaald moeten gebeuren in parallel met verbeteringen in de samenleving
(people), in milieu (planet) en in economie (profit), de 3 P’s.
• Technologie is de toepassing van kennis voor (vnl. industriële) praktische doelen. Technologie is dus anders dan
techniek (gereedschap of machines)2.
• Men maakt een onderscheid tussen cleantech (schone energie) en milieutechnologie (environment technology):
o Cleantech of schone energie is de toepassing van kennis voor praktische doeleinden van preventieve aard.
Hier staat grondstofefficiëntie centraal.
o Milieutechnologie is de toepassing van kennis voor praktische doeleinden die remediërend (‘end of pipe’) van
aard zijn i.e. voor het reduceren van milieuschade van bestaande technologieën. Milieutechnologie werd
historisch en soms nog gekenmerkt door lineair denken, het probleem doorschuiven. Vandaag de dag is er
gelukkig meer aandacht voor een interdisciplinair karakter in het remediëren van problemen.
• In cleantech en milieutechnologie staat de 3R strategie dus centraal:
o Reduce. Reduce kan men simpelweg interpreteren reduceren nefaste afvalstromen. Reduce neemt de
hoogste prioriteit.
o Recycle. Het terugwinnen van wat men kan reduceren is mooi maar geen prioriteit.
o Remove. Remove verwijst naar het verwijderen van afval voordat het in de natuur terechtkomt.
• Kort stukje over de SDGs. De 6e SDG gaat over water. Een subdoel bestaat erin om water te reinigen voordat het in
het milieu terechtkomt. Een aangehaald feit hier is dat wereldwijd meer dan 80% van het afvalwater (van
huishoudens of de industrie) niet behandeld wordt voordat het in het milieu terecht komt. Dit vooral door de lage
behandelingsgraad in Afrika en Zuid-Azië. In Noord-Amerika en Europa is veel hoger. In België zitten we bv aan 85%.
1.2 Water parameters
• Molaire massa (M) is de massa of gewicht in gram van één mol (6.022 x 10^23 partikels / moleculen) van een
substantie34 en wordt uitgedrukt in g/mol5. Om de molaire massa van een substantie te berekenen heb je de
chemische formule nodig en de atomische massa6 van elk van de elementen. De molaire massa van CO2 is bv gelijk
aan 1 ∗ 12.01 + 2 ∗ 16.00 dus 𝑀(𝐶𝑂2) = 44.01 𝑔/𝑚𝑜𝑙.
• pH is een maat voor hoe zuur of basisch een oplossing (vloeibaar mengsel) is. Ze is gebaseerd op de hoeveelheid
waterstofionen (H+) in een mengsel. De schaal gaat van 0 tot 14 met 0 zeer zuur, 7 neutraal7 en 14 zeer base of
alkaline. Een pH van 6 is 10 keer zo zuur als 7 en 1000 keer zo zuur als 9.
o De pH van een mengsel kan berekend worden door het negatieve logaritme van de H+ concentratie in de
vloeistof te nemen. Indien er nog maar 0.0001 mol (of 6 sextiljoen waterstofionen) in een liter (1 liter = 55
1
IPCC: Orgaan dat instaat voor het uitbrengen van verslagen of rapporten die als wetenschappelijke basis dienen voor de latere (vanaf
1995) milieutoppen.
2
Zo veel maakt het verschil echter niet uit. In het Engels maken ze zelfs geen onderscheid. Alles heet ‘technology’.
3
Daarom is het gebruik van mol, de hoeveelheid van 6.022 x 10^23 partikels, handig. Omdat molaire massa iets uitdrukt in gram, iets
tastbaar.
4
Avogadro’s nummer werd gelanceerd in 1909 en is gebaseerd op het feit dat zuurstof exact 16g weegt (ondertussen weten we dat
dit 15.999 is) en waterstof 1g.
5
Bv de atomische massa van zuurstof is 16 g/mol d.w.z. dat 1 mol zuurstof (of 0.6 septiljoen atomen zuurstof) 16g weegt.
6
Atomische massa is ook uitgedrukt in g/mol en kan men terugvinden in de periodieke tabel.
7
Water bij een temperatuur van 25°C heeft een pH van 7. Temperatuur is van belang want hoe hoger de temperatuur, hoe harder
watermoleculen bewegen en dus hoe rapper dat ze splitsen in H+ en OH-. Indien OH- door een substantie wordt opgenomen neemt
de zuurtegraad toe.
2
, molen water) water zit heeft men al een vrij zuur mengsel, want: H+ concentratie is 0.0001 mol/L, dus pH = -
log(0.0001) = 4.
o Om gereinigd afvalwater te mogen lozen heeft men een pH van tussen de 6.5 en 9 nodig (want de gem. pH
van rivieren is 6.5 en oceanen 8.1). Onbehandeld afvalwater (ENG: raw wastewater) van gezinnen heeft
meestal een neutrale pH, het is vnl. van de industrie waar dit anders is (bv metallurgie heeft meestal zuurder
afvalwater en andere industrieën zoals voedselverwerking heeft meestal alkalisch afvalwater8)
▪ Stel afvalwater heeft een hoge pH van 11 (heel alkaan) dan moet men een zuur9 toevoegen om het
water te mogen lozen. Zo bv de anorganische / minerale zuren10 waterstofchloride HCl (Arrhenius
zuur), dat ‘dissocieert’ in H+ + Cl− (chloride-ionen zijn niet schadelijk11), en duurdere fosforzuur
H3 𝑃𝑂4 . . Indien men een organisch zuur wil toevoegen wordt vaak azijnzuur CH3 COOH12 (Brønsted-
Lowry zuur, zie vb.) gekozen. Enige organische zuur.
Arrhenius zuur
▪ Stel afvalwater heeft een lage pH, dan moet men een base toevoegen13. De meest gebruikte base in
afvalwaterzuivering is natriumhydroxide 𝑁𝑎𝑂𝐻 (ook wel ‘natronloog’) en kalkmelk Ca(OH)2. Ook
ammoniak NH3 is een base (pH van 11.6 bij 0.1M ammoniak / L water, belangrijk: niet ammonium)1415
en fosfaat 𝑃𝑂4 3− en carbonaat 𝐶𝑂3 2− . Omdat de laatste 2 anionen zijn kunnen ze waterstofkationen
(H+) opnemen. Geen organische basen weergegeven.
8
Om voedsel een langere houdbaarheid te geven worden basische substanties zoals natrium hydroxide toegevoegd.
9
Een zuur kan op verschillende manieren gedefinieerd worden. De eerste en meest gebruikte is de Arrhenius definitie. Volgens
Arrhenius is een zuur een substantie dat oplost in water en afzonderlijke waterstofionen produceert bv HCl → H+ (𝑎𝑓𝑧𝑜𝑛𝑑𝑒𝑟𝑙𝑖𝑗𝑘) +
Cl− i.e. niet aan een andere substantie (zelfde met Arrhenius base maar dan met OH). Volgens Arrhenius moet elk zuur dus tenminste
waterstof in haar chemische formule hebben.
De tweede definitie is de Brønsted-Lowry definitie die stelt dat een zuur een chemische substantie is die een andere substantie een
proton / waterstofion kan geven bv CH3 COOH + H2 O ⇌ CH3 COO− + H3 O+ (𝑘𝑟𝑖𝑗𝑔𝑡 𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟𝑠𝑡𝑜𝑓𝑖𝑜𝑛). Alle Arrhenius zuren zijn ook
Bronsted-Lowry zuren.
De derde en laatste definitie, de Lewis definitie, stelt dat een zuur een substantie is die een elektronenpaar kan ontvangen van een
andere substantie. BF3 is een ‘Lewis zuur’. De Arrhenius definitie zullen we vnl. gebruiken.
10
Anorganisch of mineraal wil zeggen dat ze geen koolstof-waterstof verbinding in de chemische formule heeft.
11
Chloride zit in tafelzout NaCl en ons lichaam heeft een gezonde hoeveelheid chloride nodig. Een zout in de chemie is overigens een
substantie met ionische verbinding i.e. een chemische samenstelling bestaande uit kation(s) en anion(s) die samengetrokken zijn door
een door de elektrostatische attractie tussen twee tegengesteld geladen ionen. Doordat beide atomen een elektron transfereren
kunnen ze beiden genieten van een gevulde buitenste schil van elektronen. Geheugensteuntje: Zouten Ionisch Zijn Is Zeker (ZIZI).
12
Het zuur in azijnzuur komt van de carboxylgroep (-COOH) die een proton vrijlaat in een mengsel die het mengsel zuurder maakt. De
carboxylgroep vindt je terug bij de meeste organische zuren.
13
Men kan een base een beetje zien als het tegengestelde van een zuur. Een base geeft ofwel hydroxide-ionen af of kan protonen
opnemen. Zwak betekent in dit geval dat slechts een kleine fractie van de substantie, in dit geval ammonia, geconverteerd zal worden,
hier in ammonium en hydroxide ionen. Het zal niet compleet dissociëren in water.
14
Basische producten worden vaak gebruikt in de schoonmaak voor het verwijderen van vlekken en viezigheid (=organisch materiaal).
Dit omdat organisch materiaal (denk diermest waar ammoniak in zit) meestal lichtjes zurig is. Zure schoonmaakproducten (bv
schoonmaakazijn) is vooral handig voor minerale afzetting (bestaat nl. voornamelijk uit calciumcarbonaat bv in kraantjeswater) en
roest.
15
De reden waarom NH3 een base is (terwijl het waterstof bevat) en HCl een zuur is heeft te maken met de rangschikking in de
chemische formule. De conventie is om het meest elektronegatieve element in een verbinding laatst te schrijven bv H2O, CO2. Stikstof
kan dus nog een H+ ion opvangen en converteren in NH4+ .
3
,• Anorganische koolstofsoorten zijn koolstofverbindingen (‘species’) die geen koolwaterstof verbindingen hebben en
dus niet komen van levende dieren. Ze spelen een belangrijke rol in de oceanische koolstofcyclus16. De AC soorten zijn
CO2, carbonzuur17, bicarbonaat, carbonaat en calcium carbonaat.
o In waterlichamen zijn er steeds de volgende equilibria: CO2 + H2 O ⇌ H2 CO3 + H3 O+ ⇌ H+ + HCO− 3 ⇌
+ 2−
2H + CO3 . Afhankelijk van de pH-waarde bevindt zich meer van de ene IC soort dan de andere. Wanneer
het water zuurder wordt zal het evenwicht naar rechts verschuiven en zal meer CO2 en carbonzuur gecreëerd
worden en bicarbonaat en carbonaat (=base) afgebroken worden. Dit is slecht voor oceanische organismen
(schelpdieren, plankton, koralen) die een base omgeving gewoon zijn. Deze oceanische organismen spelen
een essentiële rol in de koolstofcyclus (en in geval fytoplankton, zuurstofproductie). Ze gebruiken namelijk
carbonaat ionen om hun calciumcarbonaat skelet of schelpjes te bouwen.
▪ Een te hoge pH waarde is ook weer slecht (in meren en rivieren vnl.)want dan lost er minder koolstof
in de vorm van CO2 in het water, dat waterplanten en fytoplankton gebruiken om biomassa te
produceren door fotosynthese. Dit is vooral van belang in meren die een lagere pH (gem. pH 6,5)
hebben dan oceanen (gem. pH 8,1).
▪ Bij evenwichten gebruikt men een dubbele pijl. Bij een enkele pijl converteren de reactanten in
producten op onomkeerbare wijze.
▪ Om het zout calciumcarbonaat te vormen moet er calcium kationen aanwezig zijn. Calciumcarbonaat
vormt als ‘neerslag’ (precipitatie) d.w.z. er ontstaat een vaste stof die naar de bodem valt of
‘neerslaat’. Verder in de cursus zullen we zien dat dit ook het geval is voor fosfaat.
o In oceanen is de pH gemiddeld 8,1 waardoor de anorganische koolstof in het water voor 90% bestaat uit
bicarbonaat en voor 9% uit carbonaat (wat af te lezen valt op de figuur rechts). Bij meren is de gemiddelde pH
6.5 (ruwe schatting) waardoor de anorganische koolstof slechts voor 62% bestaat uit bicarbonaat en 37%
bestaat uit CO2.
Arrhenius base
• Een buffercapaciteit is het vermogen van een ‘oplossing’ om veranderingen in pH te kunnen weerstaan (wanneer
zuren of basen worden toegevoegd). Deze wordt gemeten door de hoeveelheid zuur of base dat toegevoegd kan
worden tot de pH sterk verandert (een inflectiepunt bereikt wordt, zie later).
o Alkaliniteit is het vermogen van een subtantie om zuren te neutraliseren en een stabiel pH zone te behouden.
Alkaliniteit hangt af van de hoeveelheid of niveau van alkali substanties (OH- ionen, bicarbonaat en carbonaat
per liter) in de oplossing. Alkaliniteit kan uitgedrukt worden in 3 units; mg bicarbonaat, mg calciumcarbonaat
of milliequivalenten OH-/L. Dit is de hoeveelheid om 1/1000e v/e mol waterstofionen te neutraliseren. Men
gebruikt hiervoor een conversietabel. Bv een oplossing met 61mg bicarbonaat en 50mg carbonaat kan 2
molen waterstof neutraliseren. 1 meq OH-/L betekent dat het 1 meq H+/L ionen per liter kan neutraliseren.
o Op onderstaande grafiek kan men een titratiecurve zien. Een titratiecurve toont hoe de pH van een oplossing
verandert wanneer men een titrant (een base of zuur) toevoegt. Hier ziet men dat bicarbonaat een
bufferzone heeft en plots sterk daalt bij een pH van 5,5. Dit is een inflectiepunt en markeert het einde van de
buffer regio. De pH waarde zal plots met 2 grootheden dalen terwijl bv slechts enkele milliliters meer zuur
werd toegevoegd. Hydroxide-ionen bufferen de regio vóór pH van 10 terwijl bicarbonaat de regio buffert vóór
het inflectiepunt bij ∼5,5.
16
Maar liefst 95% van de koolstof op de aarde (landbodems, atmosfeer, oceanen) zitten in oceanen (!), m.n. in de diepe delen van de
oceanen. Hoeveelheid koolstof in de atmosfeer (∼780Gt C) en bodems (∼ 2700 𝐺𝑡 𝐶) stellen weinig voor t.o.v. koolstof in de
oceanen (38,000 𝐺𝑡 𝐶). 90% van de koolstof in de oceanen is in de vorm van bicarbonaat.
17
Gevormd in de reactie base carbonaat in water.
4
,• Opgeloste zuurstof (dissolved oxygen DO) is zuurstof (als losse O2 moleculen) opgelost in water. Dit komt van de
atmosfeer of van waterplanten en fotosynthetiserende algen. Opgelost zuurstof is zeer belangrijk voor vissen die het
zuurstof opnemen via hun kieuwen18. Ook voor waterzuivering is zuurstof nodig aangezien er soms gebruik gemaakt
wordt van aerobe bacteriën die moeten kunnen respireren om substanties af te breken.
o Er zit slechts zeer weinig opgelost zuurstof in water, m.n. 10mg /L of 0.01g/1000g = 0.001%19. Vissen gedijen
dan ook in water met tussen de 5-10ppm zuurstof (=10mg), afhankelijk van de soort. Het vraagt ook veel
energie om zuurstof in het afvalwater te krijgen. Het gesatureerde /maximum niveau (=𝑪𝒔) van opgelost
zuurstof in water is ook 10mg/L, meer krijgt men er gewoon niet in. 𝐶𝑠 staat voor saturatie concentratie van
DO (opgelost zuurstof).
▪ Tenslotte is de saturatieconcentratie ook afhankelijk van temperatuur. Dit maximumniveau geldt bij
15°C. In de winter kunnen rivieren dicht bij 0°C aanleunen terwijl dit in de zomer tot 20°C kan gaan.
Dit vertaalt zich in een DO concentratie fluctuatie van 4ppm, heel veel dus, aangezien tussen de 5 en
8 prefereren. Massale vissterfte vindt dus vnl. in de zomer plaats.
18
Vissen zwemmen door het water met hun mond open zodat het water met opgelost zuurstof door de mond door de kieuwen of
‘filters’ bestaande uit bloedvaten vloeien. Vissen zijn dus niet in staat om zoals bacteriën het zuurstof uit de watermolecule te halen
en moeten dit dus halen van opgelost zuurstof. Doordat het zuurstofniveau in het bloed van vissen nog steeds lager is dan het zeer
kleine zuurstofgehalte in water kunnen ze toch zuurstof opnemen.
19
Een concentratie kan worden uitgedrukt op m/m-basis: het aantal gram opgeloste stof per gram oplossing, of op m/v-basis, gram
opgeloste stof per milliliter oplossing. m/v concentraties worden vaak gebruikt bij de oplossing van een solide in een vloeistof, omdat
dit makkelijker te berekenen is. m/m concentratie wordt vooral gebruikt bij de oplossing van twee vloeistoffen bv ethanol en water.
Dit omdat temperatuur en druk het volume van de vloeistoffen kan beïnvloeden en niet hun massa. Beiden zijn converteerbaar naar
elkaar. Parts per million (ppm) kan zowel gebaseerd zijn op m/m of m/v type. In dit geval is de 10ppm in mg/L.
5
,• Oxidatie is een chemisch proces waarbij een element in een reactant bij het maken van een nieuwe verbinding
(=product)elektronen verliest en daarmee diens ‘oxidatiestaat- of toestand (OS)’ verhoogt. Oxidatie gaat steeds
gepaard met reductie, of het proces waarbij een element elektronen opneemt (vaak zuurstof).
o De oxidatietoestand (OS) is dus de hoeveelheid elektronen dat een element in een verbinding verloren heeft.
▪ Bv. in de verbinding NaCl (tafelzout) is Natrium een positief geladen ion i.e. oxidatietoestand van +1.
Na+ als reactant is dus geoxideerd tot NaCl.
▪ Het chlooranion reduceert want het verliest een elektron bij het vormen van NaCl.
▪ Een goede manier om te onthouden wanneer iets oxideert is door de link met zuurstof te leggen.
Wanneer een element (bv C) bindt met zuurstof bv CO2 wordt ze geoxideerd want zuurstof steelt
elektronen (wegens dat het zeer elektronegatief is i.e. wil elektronen stelen). De oxidatietoestand van
zuurstof is bijna altijd -2 in de meeste verbindingen, dat is iets dat men gewoon moet onthouden.
o Samen vormen ze redoxreacties. Het proces van roesten is bv ook een redoxreactie, want zuurstof wordt
gebonden aan ijzer. Ijzer oxideert, zuurstof reduceert20.
o Men spreekt ook over oxidant en reductant. Zuurstof is een oxidant of oxidatiemiddel omdat het een
substantie is die oxidatie veroorzaakt in een substantie (niet per sé één element). Het substantie van belang
zal elektronen verliezen. Aan de andere kant heeft men een reductant, een middel dat reductie in een
substantie van belang veroorzaakt.
▪ Een oxidant (zuurstof) wordt steeds gereduceerd, een reductant (bv koolstof in CO2) wordt steeds
geoxideerd. Belangrijk!
o Redoxreacties zijn belangrijk voor afvalwaterbehandeling omdat organische verbindingen (bv
glucose 𝐶6 𝐻12 𝑂6) vaak geoxideerd worden naar CO2 (op chemische wijze of biologische wijze door bacteriën).
• Herhaling: Ionische en covalente verbindingen
o Oxidatie heeft o.m. betrekking op ionische bindingen waarbij het ene neutrale atoom21 een elektron
transfereert aan het andere. Ionische verbindingen gebeuren meestal tussen een metaal solide (bv Na) en een
niet-metaal gas (bv Cl). Samen vormen ze kristallen zoals tafelzout.
o Oxidatie heeft ook betrekking op covalente bindingen, verbindingen tussen twee niet-metalen bv H20, de
meest voorkomende chemische binding.
▪ Bij covalente verbindingen delen de atomen de elektronen onderling (dus niet transfereren zoals bij
een ionbinding). Dit zorgt ervoor dat beide atomen in H20 niet de exact tegengestelde lading hebben
zoals bij ionische bindingen.
▪ De oxidatiestaat van atomen in covalente bindingen is dan ook een “hypothetische lading” dat de
atomen zouden hebben indien de chemische verbinding ionisch van aard zou zijn. Het waterstof in
H20 behoudt door het delen v/d elektronen dus haar elektronen en heeft dus 1 elektron en 1 proton
per atoom (neutrale lading). Echter is zuurstof meer elektronegatief dan waterstof (bevindt zich
rechtser in periodieke tabel) waardoor ze de gedeelde elektronen iets meer aantrekt. In een ionische
binding zou zuurstof een negatieve lading of oxidatiestaat van -2 krijgen. In de realiteit ligt de echte
lading van zuurstof tussen 0 en -2 omdat ze de elektronen deelt.
▪ De elementen in covalente bindingen benoemt men als ‘atomen die covalent gebonden zijn met
elkaar’. Het zijn geen ionen en die terminologie mag je ook niet gebruiken om elementen aan te
duiden in een dergelijke compound.
▪ Iets dat voortvloeit uit de covalente aard is de polaire eigenschap van water (!): ondanks dat de
hypothetische ionische OS van zuurstof -2 is en waterstof +1 *2 is, is zuurstof elektronegatiever dan
waterstof waardoor de elektronen iets dichter bij het zuurstofatoom aanleunen. Dit zorgt voor een
lichte negatieve lading aan de kant van het zuurstof in de molecule en een licht positieve lading aan
de kant van de waterstof in de molecule.
▪ De polaire eigenschap van water zorgt ervoor dat water geladen moleculen kan aantrekken, omringen
(nemen de vorm aan van boemerangs), kapottrekken (nv NaCl tot Na+ en Cl-22) en de producten (bv
Na+ en Cl-) vasthouden in een mantel van hydratatie. Deze polaire eigenschap is waarom water de
20
Chemische vergelijking van de vorming van roest: 2𝐹𝑒 + 3𝑂2 → 2𝐹𝑒2 𝑂3 . Ijzer oxideert want bindt zich met zuurstof. Elk ijzeratoom
verliest 3 elektronen (oxidatietoestand is +3) want zuurstof heeft oxidatiestaat van -6 (3x -2)
21
Een ionbinding komt tot stand door twee neutrale elementen zoals Na en Cl die geen lading hebben!
22
Onze smaakpapillen maken overigens geen verschil tussen afzonderlijke opgeloste ionen Na+ en Cl- of gebonden ionen NaCl. In
beide gevallen zullen ze ionen proeven en ons de sensatie van een zoutsmaak geven.
6
, ‘universele solvent’ genoemd wordt, door haar bipolariteit kan ze veel substanties zoals tafelzout
NaCl, suiker, azijnzuur etc. oplossen. Voorwaarde is wel dat het polaire substanties moeten zijn.
Koolwaterstoffen (bv olie) zijn nonpolair.
• Een redoxreactie is dus een chemische reactie waarbij sommige atomen elektronen verliezen (oxidatie) en sommige
atomen elektronen winnen (reductie). Een halfreactie illustreert het oxidatie of reductie gedeelte in de redox reactie
apart.
o Een fictieve illustratie: 𝑍𝑛 + 𝐶𝑢2+ −> 𝑍𝑛2+ + 𝐶𝑢.
▪ De halfreactie die de oxidatie illustreert: 𝑍𝑛−> 𝑍𝑛2+ + 2𝑒 − . Zink verliest 2 atomen
(oxidatietoestand verhoogt met +2). Men schrijft de verloren elektronen er achter in halfreacties.
▪ De halfreactie die de reductie illustreert: 𝐶𝑢2+ + 2𝑒 − −> 𝐶𝑢 . Men schrijft de elektronen nu aan de
rechterkant (een reactant). Echter wil dit niet zeggen dat oxidatie vóór reductie plaatsvindt. Ze vinden
simultaan plaats.
o Een realistische illustratie, de verbranding (combustion) van glucose: 𝐶6 𝐻12 𝑂6 + 6𝑂2 → 6𝐶𝑂2 + 6𝐻2 𝑂.
▪ De koolstof in het suiker oxideert naar CO2. Men kan de halfreactie schrijven als 𝑪𝟔 𝐻12 𝑂6 → 𝟔𝑪𝑂2 +
24𝑒 −.
• Oxidanten bv zuurstof reduceren (bijna altijd23) in een chemische reactie.
23
Bv zuurstof dat bindt met fluor, een nog elektronegatiever element, niet te kennen.
7
,1.3 TS, VS,FS, TSS, TDS als waterparameters
• Verschillende fracties in een waterstaal:
o Droog gewicht of totale soliden (TS), ook wel het ‘afval’ is het geheel van vaste stof dat overblijft van het
waterstaal of nat gewicht na het drogen bij een temperatuur van 105°C. Dit droog gewicht bestaat vnl. uit
organisch materiaal en mineralen zoals 𝑁𝑎+, 𝐶𝑎2 + 𝑒𝑛 𝑆𝑂42− .
▪ TS of ‘afval’ maakt op m/m basis 0.71g/1000g = ∼𝟎. 𝟏% van het water uit. Afvalwater bestaat dus
slechts voor 0.1% uit afval, zeer zeer weinig. Daarom dat de Franse term ‘eau usée’ (gebruikt water)
een betere benaming is.
o Men kan het TS ook verbranden bij een temperatuur van 550°C, dit heet ‘verassen’. Het organisch materiaal
zal vervluchtigen (‘volatise’) tot een gas en dan vnl. CO2. Dit is waarom het organisch materiaal ook wel
vluchtige soliden (VS) geheten worden(90% vervluchtigt). Mineralen worden de vaste soliden (FS) geheten
(TS bij verbranding 550°C). Assen in bosbranden bestaan ook vnl. uit mineralen (indien het vuur warmer was
dan 450°C, anders spreekt men van organisch-rijk as).
o Vóór het drogen en verassen kan men het waterstaal ook eerst filteren. De grote delen die achterblijven op de
filter heet de filterkoek (filter cake). De filterkoek bestaat uit vluchtige (organisch materiaal) en vaste
(mineralen) zwevende soliden (TSS = VSS + FSS)2425 Wat wel door de filter geraakt is het filtraat. Het filtraat
bestaat uit vluchtige (organisch materiaal) en vaste (mineralen) opgeloste soliden (TDS = VDS + FDS)26.
1.4 Organische componenten
• Organisch materiaal zijn compounds die waterstof en koolstof bevatten en van organismen komen.
o Er zijn vaak voorkomende specifieke moleculen zoals: de alcoholen glycerol, ethanol en methanol
(functionele groep: -OH) en het alcoholachtige azijnzuur (functionele groep: -COOH)2728.
▪ Glycerol (C3H8O3) is een onderdeel van elke vorm van vet of plantaardige olie die bestaan uit
triglyceriden. Triglyceriden bestaan uit 3 vetzuren vastgemaakt aan een glycerol kop. Wanneer
organismen vet gebruiken voor energie wordt de triglyceride gebroken zodat de glycerol omgezet kan
worden in suiker voor energie.
▪ De alcoholen ethanol en methanol.
• Ethanol (𝐶2 𝐻5 𝑂𝐻 of C2H6O of 𝐸𝑡𝑂𝐻), o.m. gebruikt als alcohol in drank komt van
fermentatie (=transformatie door bacteriën of schimmels) van suiker.
• Methanol (𝐶𝐻3 𝑂𝐻 of 𝑀𝑒𝑂𝐻) komt van de fermentatie van o.m. hout en organisch afval
(methanol wordt ook wel ‘houtalcohol’ geheten) en wordt vnl. gebruikt als solvent om
oplossingen mee te maken in de industrie.
▪ Azijnzuur (CH3COOH of C2H4O2) is een organisch zuur dat men terug kan vinden in planten. Azijnzuur
is ook een vluchtig vetzuur (VFA) d.w.z. dat het makkelijk naar de gasfase gaat. Indien men een fles
azijn open doet ruikt men dit. Azijnzuur maar ook bv boterzuur (butyric acid) zijn VFA omdat ze korte-
keten vetzuren (= weinig C-H moleculen) hebben. Ze hebben een lager moleculair gewicht waardoor
ze makkelijker vervluchtigen.
o Groepen organische moleculen zoals proteïnen, koolhydraten, vetten, volatile fatty acids (VFAs), etc.
o Rioolwater / sludge is vaak te complex om het onder te verdelen, daarom gebruiken we bulkformules.
▪ Organische stoffen in rioolwater hebben meestal de relatieve elementverhouding C5H9ON. Dubbel
zoveel waterstof als koolstof dus met één stikstofatoom.
▪ Bacteriële biomassa heeft de volgende relatieve elementverhouding: C5H7O2N.
24
Zwevend in het Engels is suspended. De organische filterkoek is dus VSS en de minerale filterkoek FSS. Een ‘suspension’ in de
chemie is ook een mengsel van een vloeistof met zeer kleine vaste stoffen waarbij de vaste stoffen heel blijven en niet oplossen.
Zwevend wil dus NIET zeggen dat het drijft op water, maar dat het vaste stoffen zijn die gefiltert kunnen worden met een 1.5µm filter.
25
Zwevend i.e. vaste deeltjes in een oplossing wordt soms ook als ‘particulair’ aangeduid (denk PM2.5, particulate matter 2.5).
26
Opgelost is ‘dissolved’ in het Engels.
27
Een functionele groep verwijst naar een onderdeel van een molecule, een vaste elementensamenstelling. Alcoholen hebben zo
steeds één of meer hydroxylgroepen (-OH) aan een koolstofatoom vastzitten.
28
Men kan ze makkelijk onderscheiden als volgt: Ethanol en ethanoic acid (azijnzuur) hebben twee koolstofatomen met ethanol de
alcoholgroep en azijnzuur de carboxylgroep, methanol heeft slechts één koolstofatoom (denk aan methaan CH4 die ook slechts één
koolstofatoom heeft) en glycerol 3 (denk triglyceriden).
8
,• De zuurstofvraag is de hoeveelheid zuurstof nodig voor het oxideren van organische stoffen naar CO2. Deze valt te
onderscheiden in biologische zuurstofvraag (BOD) en chemische zuurstofvraag (COD)29.
o De chemische zuurstofvraag (COD) is de zuurstofvraag voor het chemisch oxideren van organisch materiaal
gebruikmakend van een sterke oxidant zoals kaliumdichromaat (bevat maar liefst 7 zuurstofatomen) en wordt
vaak gebruikt als indicator voor waterkwaliteit. Dit is meestal een korte test, geen gebruikte methode
(genereert ook toxische chroomafval).
▪ In deze COD heeft men bCOD of biologisch afbreekbaar deel van COD door aerobe heterotrofe
bacteriën (of eerder de opgeloste zuurstofvraag van de heterotrofe bacteriën) en nbCOD, het verschil
tussen COD en bCOD i.e. het organisch materiaal dat niet afgebroken kan worden door aerobe
bacteriën (wegens resistentie tegen microbiologische afbraak bv humus en lignine). Het is dan ook
vaak deze opgeloste lignine die in het effluent blijft. bCOD Stelt ongeveer 85% van het COD voor
waardoor onze verwijderingsefficiëntie ook rond dat percentage ligt.
o De biologische zuurstofvraag BOD is eigenlijk gelijk aan de bCOD (hoeveelheid opgeloste zuurstof nodig voor
aerobe bacteriën om het afbreekbaar organisch materiaal af te breken) buiten dat de eigen bacteriële
biomassa ervan afgetrokken wordt (want geen zuurstofvraag hiervoor). (1/3e van de energie gebruiken
bacteriën om te groeien i.p.v. puur hun ecologische functie te vervullen). De BOD is dus kleiner dan de bCOD.
o De theoretische zuurstofvraag (thOD) is de chemische zuurstofvraag die men met een waterstaal gaat meten
en in een chemische formule gieten. Ze is gelijk aan de COD.
• Net zoals men soliden kan indelen als oplosbaar (soluble of dissolved) en zwevend of particulair kan men dit ook met
COD. 𝑪𝑶𝑫𝒕 = 𝑪𝑶𝑫𝒔 + 𝑪𝑶𝑫𝒑.
• Voor zuurstofeters maakt men een onderscheid tussen aerobe heterotrofe bacteriën (heterotroof = organische
koolstof als dieet30) en aerobe ammonificerende / nitrificerende bacteriën die ammonium (NH4+) naar nitriet (NO2-)
naar nitraat (NO3-) omzetten. Ze gebruiken hier steeds zuurstof van de omgeving voor (ze plakken zuurstof aan NH4+
om tot NO3 te komen). De elektronen acceptor / reducerend element is steeds zuurstof (steelt elektronen).
o Omdat we bij COD en BOD enkel geïnteresseerd zijn in de zuurstofvraag voor de afbraak van organisch
materiaal en niet de zuurstofvraag van ammonificerende en nitrificerende bacteriën moet men een
nitrificatieremmer (nitrification inhibitor) toevoegen. Dit stopt temporeel het gebruik van zuurstof voor de
ammonificerende en nitrificerende bacteriën zodat men een test kan afnemen (ze sterven dus niet, anders
wordt BOD kleiner).
• Organische koolstof dat in de cellen van de heterotrofe bacteriën zitten benoemt men als endogene organische
koolstof, organische koolstof dat buiten de cellen zit bestempeld men als exogene organische koolstof. Dit exogene
organische koolstof kan verwerkt worden door bacteriën op 2 wijzen: oxidatie naar CO2 of synthese tot endogene
koolstof. Jonge cellen maken meteen veel biomassa i.e. slib31 aan. Oude cellen breken dit een beetje af (zie onder).
o Men kan ook de bacteriën door ze uit te hongeren endogeen laten respireren d.w.z. hun eigen cellen
omzetten in energie en CO2 om voort te bestaan. Ze maken zich in essentie kleiner om voort te bestaan.
Natuurlijk kunnen ze niet voor altijd verkleinen. Het deel van hun reserves dat ze niet kunnen gebruiken
worden inerte soliden geheten.
29
COD en BOD worden informeel ook gebruikt om de hoeveelheid organisch materiaal aan te duiden. Zo is er bv 1.07 g zuurstof nodig
om 1g glucose te oxideren tot CO2.
30
T.o.v. autotroof die anorganische koolstof kan eten zoals planten.
31
In de context van waterbehandeling verwijst slib naar de biomassa van bacteriën.
9
, o Er is vaak een afweging tussen verhongeren (weinig afval voeden maar ∼ 50% meer zuurstof in het water
pompen) en niet verhongeren van de aerobe heterotrofe bacteriën. Dit hangt af van de energieprijs van
elektriciteit (elektriciteit voor opgeloste zuurstof in het water te brengen) en de kost om van slib af te raken32.
• Wegens deze endogene respiratie maakt men ook een onderscheid tussen BOD5 en BODu (BOD ultimate, geen
tijdslimitering). Bij BODu worden de bacteriën voor onbeperkte tijd geïncubeerd en uitgehongerd tot ze afgestorven
zijn. De zuurstofvraag is 50% meer.
o BODu is nu de vorige BOD i.e. inclusief biomassa. Laat je niet vergissen. BODu is groter vanwege een grotere
zuurstofvraag, niet vanwege meer organisch materiaal (integendeel, er is minder organisch materiaal door
endogene respiratie). BOD5 is dus kleiner dan BODu.
o Belangrijk: wat voordien 35% slib was dat overblijft kan gereduceerd worden tot 3-5% bij BODu.
• Korte samenvatting: van al het afval (TS) is ongeveer 75-85% biologisch afbreekbaar (=bCOD). Van het bCOD kan
ongeveer 90% afgebroken worden gebruikmakende van BODu (enkele weken tot maanden incubatietijd waarbij de
bacteriën gevoed worden met weinig organisch materiaal). Bij BOD5 is dit slechts 65% van het biologisch afbreekbaar
organisch materiaal (aangezien een derde van de zuurstofenergie wordt gebruikt voor het produceren van biomassa).
• Tabel die van meest geoxideerde naar meest gereduceerde koolstofcomponenten gaat (zowel organisch als
anorganisch). Gereduceerd koolstof kan men op eenvoudige wijze zien als koolstof dat verbonden is met waterstof en
geoxideerd koolstof is koolstof verbonden met zuurstof.
o De koolstof in CO2 is meest geoxideerd wegens dat het in het vormingsproces het grootste verlies aan
elektronen heeft per koolstofatoom (!). OS van zuurstof is steeds -2 dus koolstof verliest 4 elektronen.
o De meest gereduceerde koolstof bevindt zich in methaan. Deze is in het vormingsproces het meest
gereduceerd (waterstof is elektropositief33 dus geeft elektronen af aan koolstof in het vormingsproces). OS C
is +4, het tegenstelde van zuurstof. Waterstof heeft oxidatiestaat +1 per atoom.
▪ Hoe gereduceerder de koolstof hoe meer energie vrijkomt bij de binding met zuurstof. Dit komt
omdat de bond met zuurstof sterker en stabieler wordt (door een hoger verschil in elektronegativiteit,
hoe groter het verschil hoe stabieler) en dus minder energie nodig heeft om het systeem te laten
runnen (=potentiële energie). De overtollige energie komt dan vrij.
▪ Hoe meer overtollige energie vrijkomt bij oxidatie, hoe brandbaarder. Daarom dat sterk gereduceerde
substanties zoals methaan (de hoofdcomponent in aardgas) en andere koolwaterzuren zo extreem
brandbaar zijn en gebruikt worden als brandstof.
32
Enkel niet toxische onschadelijke slib mag verkocht worden bv aan de landbouw in de vorm van meststof of aan de industrie bv
biogasproductie. Slib wordt echter ook vaak verbrandt om dan gebruikt te worden in de wegenbouw (geen afvalbergen meer).
33
Want bevindt zich uiterst rechts in de periodieke tabel
10
