H7 7.1 t/m 7.3 samenvatting duurzaamheid

• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 4

H7 

Duurzaamheid

Samenvatting 7.1 t/m 7.3

7.1 Fossiele brandstoffen

Waarom zijn fossiele brandstoffen zo belangrijk?

Hoe je uit aardolie producten maakt

Welke milieuproblemen veroorzaken fossiele brandstoffen?

Fossiele brandstoffen

steenkool

aardgas

aardolie

verbrandingswarmte

hoeveelheid warmte die vrijkomt bij verbranding van een brandstof

(kilo)joule (binas 28B)

Aardolie

• Belangrijke bron van grondstoffen voor de industrie
• Ontstaat uit plantenresten die miljoenen jaren diep in de aarde onder hoge druk hebben gestaan
• Mengsel van verschillende stoffen: worden gescheiden door gefractioneerde destillatie

Aardolie

• Vooral gebruikt voor warmteproductie en opwekken van elektriciteit
• De verbrandingswarmte geeft aan hoeveel warmte er vrijkomt bij de verbranding van een brandstof

Gefractioneerde destillatie

• Hiermee wordt het mengsel gescheiden in verschillende fracties
• Olie wordt verwarmd en condenseert op verschillende hoogte
• Grote moleculen fracties condenseren lager in de kolom

Kraken

• Nafta bestaat nog uit grote moleculen
• Kraken is het maken van kleinere moleculen uit grote moleculen
• Verhitten tot 850 °C en er treedt thermolyse op
• Er ontstaat etheen (C₂H₄) en mengsel van andere stoffen (propeen, butaan, pent-1-een bijv.)

Reformeren

onvertakte alkanen en cycloalkanen worden omgezet in onder andere vertakte alkanen en aromaten

Milieuproblemen

• Fossiele brandstoffen zijn veel C- en H-atomen, maar ook vaak S-atomen. Dit leidt tot CO₂, H₂O en SO₂.
• Daarnaast is de temperatuur zo hoog dat N₂ uit de lucht reageert tot stikstofoxiden (NO_x)

Zwaveldioxide

• SO₂ wordt in de atmosfeer omgezet tot zwavelzuur, H₂SO₄
• Leidt tot zure regen
• Oplossing: Gebruik van ontzwavelde brandstoffen of door zuiveren van verbrandingsgassen in rookgasontzwavelingsinstallaties

Stikstofoxiden (NOx)

• Stikstofoxiden zijn giftig voor de mens en tasten de ozonlaag aan.
• Sterk broeikasgas: 265 x zo sterk als CO₂
• Oplossing: in auto's zit een driewegkatalysator die NOx omzet naar N₂, CO₂ en H₂O

7.2 Biobrandstoffen

Waarom alternatieve brandstof?

•  De hoeveelheid beschikbare fossiele brandstoffen neemt af en zal afnemen door toenemende wereldbevolking
• Versterkte broeikaseffect
• Alternatieven?
• Biobrandstof: brandstof gemaakt uit biomassa

Waarom alternatieve brandstof?

• Biobrandstoffen zorgen niet voor een netto toename van CO₂ 
• biomassa is eenvoudig te produceren
• Via fotosynthese maakt de plant glucose:
  6 CO₂ + 6 H₂O -> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
• CO₂ wordt gebruikt

Waarom alternatieve brandstof?

• Bij verbranding van biomassa komt de CO₂ en energie weer vrij:
  
• C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ -> 6 CO₂ + 6 H₂O 
• CO₂ komt nu vrij
• De koolstofkringloop is gesloten
• Biomassa is CO₂-neutraal en fossiele brandstoffen niet: dat duurt miljoenen jaren

Eerste generatie biobrandstof

• Wordt weergegeven in een blokschema
  
  
• Pijlen zijn stofstromen en blokken zijn reactoren

Eerste generatie biobrandstof

• 1G: voor de productie van bio-ethanol worden voedselgewassen gebruikt: mais, tarwe, suikerbiet enz.
• Wordt gemengd met benzine om milieuvriendelijker te maken
• Vanuit koolzaad: de koolzaadolie reageert met methanol tot biodiesel: omestering

Tweede generatie biobrandstof

• Gebruik van voedselgewassen leidde tot prijsstijgingen en veel protesten over voedseltekort in andere landen.
• Tweede generatie wordt het bio-afval gebruikt dat ontstaat bij het winnen van voedselgewassen
• Houtsnippers, stro, gebruikt frituurvet, enz.

Derde generatie biobrandstof

• Organisch materiaal dat geen (landbouw)afval is: algen en zeewier
  
  
• Algen worden geoogst en gedroogd tot dikke pasta. Olie daaruit levert de biobrandstof
  
  
• Een genetisch gemanipuleerde E. coli bacterie kan zeewiersuikers afbreken en direct bio-ethanol van maken 

7.3 Duurzame ontwikkelingen

Wat is duurzaamheid en hoe houd je daar rekening mee?

Hoe bereken je de efficiëntie van een chemisch proces?

houd je Binas paraat!

Duurzame grondstoffen

• Duurzaamheid: rekening houden met de behoeften in het heden, zonder de behoeften van toekomstige generaties in gevaar te brengen. 
• Duurzame grondstof: je kan hem op korte termijn steeds opnieuw produceren

Recycling

• Recyclen: afval op een nuttige manier te gebruiken in een product of productieproces.
• Cradle-to-cradle: elke grondstof moet na gebruik in het ene product weer nuttig gebruikt kunnen worden in een ander product, zonder verlies van kwaliteit. 
• Bijvoorbeeld: puin uit de bouw gebruiken om wegen op te hogen

Recycling

• Downcyclen: Als de kwaliteit achteruit gaat omdat het te duur is of technisch niet mogelijk om weer de oorspronkelijke grondstof van te maken
• Upcyclen: Als de gerecyclede grondstof van gelijke kwaliteit is, of zelfs beter dan de oorspronkelijke grondstof

Downcycling

Upcycling

Groene chemie

• De chemische industrie doet ook aan duurzaamheid in hun productieprocessen.
• Binas Tabel 97F: twaalf uitgangspunten voor groene chemie:
• Samengevat is dat processen:

1. Veiliger zijn
2. Minder grondstoffen en energie gebruiken
3. Zoveel mogelijk gebruik maken van duurzame grondstoffen
4. Minder vervuiling geven

Atoomeconomie

• Het beperken van de hoeveelheid afval
• Atoomeconomie geeft aan welk percentage van de atomen uit de beginstoffen terugkomen in het gewenste eindproduct
• m is de molecuulmassa

Vb atoomeconomie

• Reactievergelijking: C₃H₆ + Br₂ -> C₃H₆Br₂
• m_{gewenst product}: C3H6Br2: 201,89 g/mol
• m_beginstoffen: 42,08 g/mol + 159,81 g/mol = 201,89 g/mol
• Atoomeconomie = 201,89/201,89 * 100 = 100%
• Alle atomen komen terug in het eindproduct

Rendement

• Een reactie verloopt bijna nooit voor 100%
• Theoretische opbrengst is te berekenen met molrekenen: hoeveel zou er in theorie kunnen ontstaan?
• Praktische opbrengst is hoeveel er bij het proces daadwerkelijk ontstaat

Rendement

• Als er meerdere stappen zijn in een proces, moet je de rendementen vermenigvuldigen: Stap 1 65%, stap 2 75% en stap 3 55%: 0,65 x 0,75 x 0,55 = 0,27
• Je kijkt bij elke stap in een productieproces om het te verbeteren
• Formules staan in Binas 37H