Vraag 28Ammoniak en energie uit afvalwater

Wereldwijd wordt jaarlijks ongeveer 1,0·10 8 ton ammoniak ( NH ) 3 geproduceerd om stikstofrijke verbindingen te maken voor kunstmest. In fabrieken wordt hiervoor aardgas gebruikt als energiebron en als bron van waterstofatomen. Het totaalproces kan worden gezien als een reactie van methaan met zuurstof, water en stikstof. Als reactieproducten ontstaan koolstofdioxide en ammoniak. In het proces wordt gemiddeld een mol methaan ingevoerd per mol N . Het water wordt als vloeistof in het proces ingevoerd. 2

De kunstmest levert de stikstofverbindingen die noodzakelijk zijn voor een goede groei van gewassen.

In een Nederlandse onderzoeksgroep is onderzocht of het mogelijk is om ammoniak uit urine te winnen met een brandstofcel. In verse urine is de meeste stikstof gebonden als ureum. Wanneer urine in afvalwater terechtkomt, wordt het ureum door micro-organismen gehydrolyseerd tot ammoniak en koolzuur ( H CO ). In het onderzoek is urine gemengd met 2 3 afvalwater. Bij de gebruikte pH van het mengsel is het uit ureum + gevormde ammoniak volledig omgezet tot NH . 4 In figuur 1 is de gebruikte brandstofcel schematisch weergegeven. figuur 1 NH 3 (g) lucht O 2 lucht en NH 3 _ dun laagje water OH op de elektrode positieve membraan elektrode (poreus) NH + positieve 4 ionen urine afvalwater uitstroom lamp _ _ biofilm CH 3 COO HCO 3 negatieve elektrode De negatieve elektrode is bedekt met een dunne laag micro-organismen (biofilm) die organische verbindingen afbreken. De elektronen die hierbij vrijkomen gaan via een externe stroomkring naar de positieve elektrode. Aan de positieve elektrode verloopt de onderstaande halfreactie: O + 2 H O + 4 e – → 4 OH – 2 2 In afvalwater zijn onder andere ethanoaat-ionen aanwezig.

De positieve elektrode is poreus, zodat de in het afvalwater en de urine aanwezige positieve ionen erdoorheen kunnen bewegen. + + Wanneer tijdens stroomlevering uitsluitend ionen zoals Na en K het membraan en de poreuze elektrode passeren, stijgt de pH in het waterlaagje op de positieve elektrode. + + Wanneer tijdens stroomlevering uitsluitend NH en H door het 4 membraan gaan, blijft de pH in het waterlaagje op de positieve elektrode gelijk.

De onderzoekers wilden bepalen welk deel van het ladingstransport door + het membraan van de brandstofcel plaatsvond via NH . 4 Hiertoe hebben de onderzoekers op regelmatige tijdstippen de hoeveelheid ammoniak bepaald die zich in de luchtstroom bevond.

Let op: de laatste vraag van dit examen staat op de volgende pagina. In figuur 2 is het resultaat van de metingen aan het ladingstransport door + NH weergegeven. 4 figuur 2 2,0 ladings-transport 1,5 NH + 4 (10 3 C) 1,0 0,5 0 0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 totaal ladingstransport (10 3 C)

Bereken met behulp van figuur 2 de massa in g ammoniak die door het membraan is gepasseerd, wanneer het totale ladingstransport 3 + 4 3,0·10 C is. Een mol NH heeft een lading van 9,65·10 C. 4