FFundamental · deel F2 · Materie en materialen

Handboek · hoofdstuk 9Mengsels scheiden

Van modderwater naar drinkwater: elke scheidingstechniek steunt op één verschil tussen stoffen

Zout uit zeewater, alcohol uit wijn, zand uit water, ijzer uit afval, kleurstoffen uit inkt: telkens haal je een stof uit een mengsel. Elke scheidingstechniek maakt gebruik van één verschil in stofeigenschappen (hoofdstuk 8): grootte, dichtheid, kookpunt, oplosbaarheid, magnetisme. In dit hoofdstuk leer je de technieken en hun opstellingen kennen, lees en ontwerp je scheidingsschema's, volg je water van de rivier tot de kraan, en ontwerp je een regenwaterfilter voor de meetkas.

6× uitleg3× uitgewerkt voorbeeld1× proef3× ontleed1× naslag1× verhaal1× het geheel15 opdrachten in het werkboek± 6 lestijden

MMaterie en chemie DOntwerpen en maken

Een drinkwaterbedrijf is een reeks scheidingstechnieken na elkaar, in het groot.

Na dit hoofdstuk

Je kan voor elke scheidingstechniek zeggen op welk verschil in stofeigenschap ze steunt.
Je kan zeven, bezinken, decanteren, centrifugeren, filtreren, indampen, kristalliseren en destilleren beschrijven en de juiste kiezen voor een mengsel.
Je kan een filtreer- en een destillatieopstelling tekenen en de onderdelen benoemen, en de woorden residu, filtraat en destillaat correct gebruiken.
Je kan een papierchromatografie uitvoeren en een chromatogram lezen.
Je kan magnetisch scheiden, extraheren en adsorberen uitleggen met een voorbeeld.
Je kan een scheidingsschema lezen en zelf een scheidingsschema ontwerpen voor een mengsel van drie of vier stoffen.
Je kan de stappen van de drinkwaterzuivering in de juiste volgorde uitleggen, met het stofverschil bij elke stap.
Je kan een eenvoudige regenwaterfilter ontwerpen en uitleggen waarom gefilterd regenwater geen drinkwater is.

Verhaal · 9.1

De pomp in Broad Street

1/16

Eind augustus 1854 brak in Soho, een wijk in Londen, een zware uitbraak van cholera uit, een darmziekte die mensen in enkele dagen kan doden. In tien dagen stierven er meer dan vijfhonderd mensen. Veel artsen dachten toen dat cholera zich verspreidde via 'slechte lucht' uit rottend afval.

De arts John Snow geloofde dat niet. Hij ging langs bij de families van de slachtoffers en zette elk sterfgeval als een streepje op een kaart van de wijk. De streepjes lagen opvallend dicht rond één waterpomp, in Broad Street, waar de buurt haar drinkwater haalde. Hij vond ook uitzonderingen die zijn idee bevestigden: in de brouwerij vlak bij de pomp werd bijna niemand ziek (de arbeiders dronken bier), en in een armenhuis met een eigen waterput evenmin.

Op 8 september 1854 overtuigde Snow het bestuur van de parochie om de hendel van de pomp te verwijderen. De uitbraak was toen al over haar hoogtepunt heen, maar Snows kaart werd beroemd. Later bleek dat de put lekte naar een beerput vlak ernaast. Het water zag er helder uit en smaakte gewoon, maar het zat vol ziekteverwekkers, te klein om te zien. Welke bacterie cholera veroorzaakt, werd pas jaren later algemeen aanvaard.

Waarom dit verhaal ertoe doet

Helder water is niet hetzelfde als zuiver water. Wat je niet ziet, haal je er ook niet uit met een zeef of een doek. Vandaag zuiveren drinkwaterbedrijven water in een reeks stappen, elk met een eigen scheidingstechniek, en controleert een labo het elke dag. In dit hoofdstuk leer je die technieken, en waarom het regenwater voor de meetkas geen drinkwater is.

Een pomp zonder hendel: het symbool van het verhaal van John Snow.

Uitleg · 9.2

Scheiden steunt op een verschil

2/16

In een mengsel behoudt elke stof haar eigen eigenschappen (hoofdstuk 8). Daarom kan je stoffen weer uit elkaar halen: je zoekt een eigenschap waarin ze verschillen, en een techniek die van dat verschil gebruikmaakt. Grind en zand verschillen in korrelgrootte: een zeef houdt het grind tegen. IJzervijlsel en zand verschillen in magnetisme: een magneet haalt het ijzer eruit. Zout en water verschillen in kookpunt: verwarm je zout water, dan verdampt het water en blijft het zout achter.

techniek	stofverschil	wat scheid je?	voorbeeld
zeven	korrelgrootte	vaste stoffen van elkaar	grind en zand; bloem zeven
bezinken en decanteren	dichtheid	vaste stof uit een vloeistof; twee vloeistoffen	modder in water; olie op water
centrifugeren	dichtheid (versneld)	heel fijne deeltjes of druppels uit een vloeistof	room uit melk; bloedcellen uit bloed
filtreren	deeltjesgrootte (groter of kleiner dan de poriën)	vaste stof uit een vloeistof of gas	koffiefilter; stofzuigerzak; zandfilter
indampen	kookpunt (het oplosmiddel verdampt)	opgeloste vaste stof uit een oplossing	zout uit zeewater
kristalliseren	oplosbaarheid die met de temperatuur verandert	opgeloste stof uit een oplossing	kandijsuiker; zuiveren van meststoffen
destilleren	kookpunt	vloeistof uit een oplossing; vloeistoffen van elkaar	gedestilleerd water; alcohol uit wijn
chromatografie	hoe sterk een stof aan het papier hecht en in de loopvloeistof oplost	opgeloste stoffen van elkaar	kleurstoffen in inkt of in bladeren
magnetisch scheiden	magnetisme	ijzer, nikkel en kobalt uit een mengsel	blikjes uit afval
extraheren	oplosbaarheid in een oplosmiddel	een stof uit een vaste stof halen	thee, koffie
adsorberen	hoe sterk een stof aan een oppervlak kleeft	kleine hoeveelheden opgeloste stoffen of gassen	actieve kool in een waterfilter of afzuigkap

Na het scheiden heeft elk deel een naam. Wat op een filter blijft liggen, is het residu; wat erdoor loopt, het filtraat. Wat na bezinken op de bodem ligt, is het bezinksel. Wat bij het destilleren condenseert en opgevangen wordt, is het destillaat.

Filtreren haalt het zout uit zeewater

Een filter houdt alleen deeltjes tegen die groter zijn dan zijn poriën. Opgeloste stoffen zijn verspreid als afzonderlijke deeltjes (hoofdstuk 8) en lopen gewoon mee door het filter. Gefilterd zeewater is helder, maar nog even zout. Om opgeloste stoffen te scheiden, heb je indampen, destilleren, kristalliseren of chromatografie nodig.

Een zeef scheidt op grootte: wat groter is dan de gaatjes, blijft liggen.

Uitleg · 9.3

Bezinken, decanteren en centrifugeren

3/16

Laat je modderwater een tijd staan, dan zakken de zanddeeltjes naar de bodem: ze zijn dichter dan water (hoofdstuk 7). Dat is bezinken. Daarna giet je de heldere vloeistof er voorzichtig af, langs een roerstaaf zodat ze niet over de rand van het glas loopt: decanteren. Het bezinksel blijft achter.

Twee vloeistoffen die niet mengen, zoals olie en water, scheiden zich ook volgens hun dichtheid: de olie drijft. Met een scheitrechter laat je onderaan eerst het water weglopen en sluit je het kraantje net voor de olie komt.

Heel fijne deeltjes, zoals klei of vetdruppeltjes in melk, bezinken zo traag dat je er dagen op kan wachten. Dan centrifugeer je: het mengsel draait heel snel rond, en de dichtste deeltjes worden veel sterker naar buiten gedreven dan de zwaartekracht ze naar beneden trekt. Zo scheidt een zuivelfabriek room van melk (de room is minder dicht en blijft binnenin), en een ziekenhuislabo de bloedcellen van het bloedplasma. Een slacentrifuge en het centrifugeren van een wasmachine werken iets anders: het water vliegt naar buiten door de gaatjes van de trommel, terwijl de sla of de kleren achterblijven.

Bezinken is traag, maar gratis

Een regenton of een bezinkput werkt zonder energie: geef het vuil de tijd om te zakken, en neem het water bovenaan af. Dat principe gebruik je in de regenwaterfilter van de meetkas.

Bezinken en decanteren scheiden een vaste stof van een vloeistof; de scheitrechter twee vloeistoffen die niet mengen.

Ontleed · 9.4

Filtreren

4/16

Bij filtreren giet je een heterogeen mengsel door filtreerpapier. Het papier bestaat uit vezels met heel kleine openingen (poriën) van enkele duizendsten van een millimeter. Vaste deeltjes die groter zijn, blijven achter: het residu. Het water en alles wat erin opgelost is, lopen erdoor: het filtraat. Filters vind je overal: in een koffiezetapparaat, een stofzuiger, een mondmasker, het luchtfilter van een auto en het aanzuigfilter van een pomp.

Filtreeropstelling: het mengsel loopt langs een roerstaaf in de trechter met gevouwen filtreerpapier.

Wijs een nummer aan: de figuur zoomt in. Klik om vast te zetten.

1
Roerstaaf
Het mengsel loopt langs de staaf in de trechter, zonder te spatten of over de rand van het papier te lopen.
2
Trechter
Houdt het filtreerpapier. Het uiteinde raakt de wand van de erlenmeyer, zodat het filtraat rustig langs de wand loopt.
3
Filtreerpapier
Rond papier, twee keer gevouwen tot een kegel en licht bevochtigd zodat het tegen de trechter plakt. Vul het nooit tot de rand.
4
Residu
De vaste deeltjes die groter zijn dan de poriën: hier zand of modder.
5
Filtraat
Wat door het filter loopt: helder, maar met alle opgeloste stoffen er nog in.
6
Erlenmeyer
Vangt het filtraat op. De smalle hals houdt de trechter recht.
7
Statief met ring
Houdt de trechter stevig vast, zodat je je handen vrij hebt om te gieten.

Uitleg · 9.5

Indampen en kristalliseren

5/16

Een opgeloste vaste stof haal je terug door het oplosmiddel te laten verdampen. Bij indampen verwarm je de oplossing in een indampschaal tot al het water weg is; het zout blijft achter als een witte korst. Het water gaat als damp de lucht in: wil je het ook terug, dan moet je destilleren (volgend blad).

In zoutpannen aan de kust gebeurt dat zonder brander. Zeewater (± 35 g zout per liter, hoofdstuk 8) stroomt in ondiepe bekkens, zon en wind laten het water verdampen, en na enkele weken kristalliseert het zout. Omdat zeewater ook andere zouten bevat, is zeezout een mengsel.

Kristalliseren door afkoelen gebruikt de oplosbaarheidscurve: een warme, verzadigde oplossing die afkoelt, kan minder opgelost houden, en het teveel komt als kristallen terug. Omdat andere stoffen (in kleine hoeveelheden) opgelost blijven, zijn de kristallen zuiverder dan de stof waarmee je begon. Zo zuivert men meststoffen zoals kaliumnitraat. Bij keukenzout werkt het slecht, omdat de oplosbaarheid bijna niet verandert met de temperatuur.

Indampen met een brander

Draag een veiligheidsbril: op het einde springen er hete zoutkristallen uit de schaal. Zet de vlam kleiner als het meeste water weg is, en laat de schaal afkoelen op het gaasje; een hete schaal ziet er net zo uit als een koude (hoofdstuk 5).

Het water verdampt en verdwijnt in de lucht; aan de rand van de schaal groeien de eerste kristallen.

Zoutpannen: zon en wind dampen het zeewater in.

Uitleg · 9.6

Destilleren: scheiden op kookpunt

6/16

Bij destilleren gebruik je twee faseovergangen uit hoofdstuk 6 na elkaar: je laat een vloeistof verdampen en je laat de damp weer condenseren in een koeler. Het opgevangen condensaat is het destillaat. Wat niet verdampt, blijft achter in de kolf.

Destilleer je zout water, dan verdampt alleen het water: het destillaat is zuiver water, het zout blijft in de kolf. Zo maakten schepen vroeger drinkwater uit zeewater. Vandaag halen de meeste ontziltingsinstallaties het zout eruit met een heel fijn membraan onder hoge druk (omgekeerde osmose), omdat dat minder energie kost.

Twee vloeistoffen scheiden kan ook, als hun kookpunten verschillen. Ethanol kookt bij 78 °C, water bij 100 °C. Verwarm je wijn, dan bevat de damp verhoudingsgewijs veel meer ethanol dan de wijn zelf: het destillaat is veel sterker dan de wijn. Helemaal zuivere ethanol krijg je zo nooit: meer dan ongeveer 96 % haal je met gewoon destilleren niet. In een raffinaderij, zoals in de haven van Antwerpen, scheidt men aardolie op dezelfde manier in delen met een verschillend kookpunt: gas, benzine, kerosine, diesel en stookolie.

Destilleren is werk voor een labo

De opstelling mag nooit gesloten zijn: de damp moet ergens heen, anders bouwt de druk op tot het glas springt. Gebruik kookstenen, zodat de vloeistof niet plots opspat. Ethanoldamp is licht ontvlambaar (pictogram GHS02, hoofdstuk 5): verwarm met een elektrische verwarmingsplaat, nooit met een open vlam. Alcohol stoken buiten een schoollabo is bovendien wettelijk streng geregeld.

Een echte destillatieopstelling: de roze kleurstof blijft in de kolf, het destillaat is kleurloos.

Ontleed · 9.7

De destillatieopstelling met een Liebigkoeler

7/16

Zo ziet een destillatie in het labo eruit. De koeler is genoemd naar de Duitse scheikundige Justus von Liebig, die hem in de negentiende eeuw bekend maakte: een binnenbuis voor de damp, met daarrond een mantel waardoor koud water stroomt.

De damp gaat door de binnenbuis naar rechts beneden; het koelwater stroomt in de mantel in de omgekeerde richting.

Wijs een nummer aan: de figuur zoomt in. Klik om vast te zetten.

1
Verwarmingsplaat
Verwarmt de vloeistof zonder open vlam. Regel ze zo dat de vloeistof rustig kookt.
2
Destilleerkolf
Ronde kolf, hoogstens voor twee derde gevuld met het mengsel. Wat niet verdampt (het residu), blijft hier achter.
3
Kookstenen
Kleine poreuze steentjes waaraan zich dampbelletjes vormen, zodat de vloeistof rustig kookt en niet plots opspat.
4
Thermometer
Het reservoir zit ter hoogte van de zijbuis: je meet de temperatuur van de damp die naar de koeler gaat, niet die van de vloeistof. Zo zie je welke stof er op dat moment overkomt.
5
Liebigkoeler
De damp in de binnenbuis geeft warmte af aan het koelwater en condenseert tot druppels.
6
Koelwater in, onderaan
Koud water gaat onderaan in. Zo staat de mantel altijd helemaal vol, en ontmoet het koudste water de damp op het laatste stuk.
7
Koelwater uit, bovenaan
Het opgewarmde water verlaat de koeler aan de hoge kant (tegenstroom).
8
Destillaat
Het gecondenseerde, opgevangen deel. Bij zout water: zuiver water.

Proef · 9.8

Uit welke kleuren bestaat zwarte inkt?

8/16

Onderzoeksvraag

Is de inkt van een zwarte viltstift één stof, of een mengsel van kleurstoffen?

Materiaal

strook filtreerpapier (of koffiefilter) van 2 × 12 cm
zwarte viltstift op waterbasis (niet watervast)
potlood en lat
hoog glas met een bodempje water (1 cm)
wasknijper of plakband om de strook op te hangen

Links de opstelling, rechts de strook na afloop: de zwarte stip is uiteengevallen in drie kleurstoffen.

Werkwijze

1Trek met potlood een startlijn op 2 cm van de onderkant van de strook.
2Zet op het midden van de lijn een kleine, stevige stip met de viltstift. Laat drogen en zet er nog een stip op.
3Hang de strook in het glas: de onderkant in het water, maar de startlijn boven het water.
4Wacht tot het water bijna bovenaan is (10 à 20 minuten). Haal de strook eruit, markeer met potlood tot waar het water kwam (het loopfront) en laat drogen.

Waarneming

Het water kruipt omhoog in het papier. Als het de stip bereikt, neemt het de inkt mee en splitst die zich in gekleurde vlekken: onderaan blauw, in het midden rood tot roze, bovenaan geel. Voorbeeld van een meting: het loopfront ligt op 8,0 cm van de startlijn, de vlekken op 2,0 cm (blauw), 4,4 cm (rood) en 6,8 cm (geel).

Verklaring

Zwarte inkt is een mengsel van kleurstoffen. Het water (de loopvloeistof) lost ze op en neemt ze mee omhoog. Elke kleurstof kleeft anders aan de papiervezels en lost anders op in water: een stof die sterk aan het papier kleeft, blijft achter (blauw), een stof die goed oplost en zwak kleeft, gaat bijna mee tot het loopfront (geel). Zo scheiden de stoffen zich over het papier: dat is chromatografie, en de strook met vlekken is een chromatogram. De startlijn staat in potlood, omdat grafiet niet oplost; een balpenlijn zou zelf mee opschuiven.

Een getal voor elke vlek

Deel de afstand van de vlek door de afstand van het loopfront, allebei gemeten vanaf de startlijn: rood $4, 4/8, 0 = 0, 55$ . Die verhouding (de R_f-waarde) is voor een kleurstof altijd ongeveer gelijk, als je hetzelfde papier en dezelfde loopvloeistof gebruikt. Zo kan je inkten vergelijken, zoals in opdracht 9.5.

De naam komt van de Russische plantkundige Michail Tsvet, die rond 1900 zo de kleurstoffen uit bladeren scheidde: chroma betekent kleur, grafein schrijven.

Uitleg · 9.9

Magneet, oplosmiddel en actieve kool

9/16

Drie technieken die je elke dag tegenkomt:

Magnetisch scheiden. IJzer (en staal), nikkel en kobalt worden door een magneet aangetrokken, de meeste andere stoffen niet. In een afvalsorteercentrum haalt een grote magneet de stalen blikjes uit het PMD-afval. In het labo stop je de magneet in een plastic zakje, zodat je het ijzervijlsel er makkelijk weer af krijgt.
Extraheren. Je haalt een stof uit een vaste stof met een oplosmiddel waarin alleen die stof goed oplost. Thee zetten is extraheren: heet water haalt kleur-, smaak- en geurstoffen (en cafeïne) uit de blaadjes, de bladresten blijven over. Een koffiezetapparaat extraheert en filtreert in één keer.
Adsorberen. Sommige stoffen kleven aan het oppervlak van een vaste stof. Actieve kool is kool vol piepkleine gaatjes: één gram heeft een inwendig oppervlak van enkele honderden tot meer dan duizend vierkante meter, meer dan een basketbalveld. Geur-, smaak- en kleurstoffen blijven eraan kleven. Je vindt actieve kool in waterfilters, in de afzuigkap, in een aquariumfilter en in een gasmasker.

Soms combineer je technieken met een slimme truc. In de zink-drijfbak van een recyclagebedrijf drijven snippers polypropeen en polyetheen op water, terwijl PET zinkt (hoofdstuk 7): scheiden op dichtheid.

Een magneet trekt het ijzervijlsel aan; het zand blijft liggen.

Uitgewerkt voorbeeld · 9.10

Een scheidingsschema lezen

10/16

Een mengsel bevat zand, keukenzout en ijzervijlsel. Het scheidingsschema toont hoe je het in drie stoffen scheidt. (a) Op welk stofverschil steunt elke stap? (b) Waarom voeg je water toe? (c) Waarom filtreer je en dampt je daarna in, en niet omgekeerd? (d) Wat zou er misgaan als je de magneet pas op het einde gebruikt?

Lees van boven naar beneden: bij elke pijl een techniek, in elk kader wat er overblijft.

Gegeven

het scheidingsschema

Gevraagd

stofverschil per stap
de reden voor elke stap en voor de volgorde

Oplossing

1
(a) Magneet: magnetisme (alleen het ijzer wordt aangetrokken). Water toevoegen: oplosbaarheid (zout lost op, zand niet). Filtreren: deeltjesgrootte (zandkorrels blijven op het filter, het opgeloste zout gaat erdoor). Indampen: kookpunt (water verdampt, zout niet).
2
(b) Zand en zout zijn allebei witte korrels: je kan ze niet met een zeef of een magneet scheiden. In water lost het zout op en het zand niet. Zo maak je van het verschil in oplosbaarheid een verschil in grootte.
3
(c) Na het filtreren zit het zout opgelost in het filtraat; het zand ligt op het filter. Dampte je eerst in, dan kreeg je weer zand en zout door elkaar.
4
(d) Na het oplossen en filtreren zou het ijzer samen met het zand als residu op het filter liggen, nat. Je kan het er dan nog uit halen, maar het ijzer begint te roesten en het nat zand kleeft aan de magneet. Een droge magneetstap eerst is eenvoudiger en zuiverder.

Antwoord

Magnetisme, oplosbaarheid, deeltjesgrootte en kookpunt, in deze volgorde; elke stap maakt de volgende mogelijk.

Klopt dit? Een goed schema eindigt met elke stof apart, en je kan bij elke pijl het stofverschil noemen. Weeg je het mengsel vooraf en de drie stoffen achteraf, dan zie je hoe goed de scheiding lukte (opdracht 9.6).

Uitgewerkt voorbeeld · 9.11

Een scheidingsschema ontwerpen

11/16

Na een storm raap je op het strand een fles op met zeewater, zand en een laagje olie. Ontwerp een scheidingsschema waarmee je vier dingen apart krijgt: zand, olie, zuiver water en de zouten.

Eén mogelijk schema. Er bestaan andere goede volgordes.

Gegeven

mengsel: zeewater (water met opgeloste zouten), zand, olie

Gevraagd

een scheidingsschema met technieken en stofverschillen

Oplossing

1
Stap 1: bekijk de stoffen en hun verschillen. Zand: vast, niet oplosbaar, dichter dan water. Olie: vloeibaar, lost niet op in water, minder dicht dan water. Zouten: opgelost, hoog kookpunt. Water: kookt bij 100 °C.
2
Stap 2: begin met wat het makkelijkst te scheiden is. Laat de fles staan: het zand bezinkt. Decanteer de vloeistoffen voorzichtig in een scheitrechter (of filtreer, dan blijft het zand op het filter).
3
Stap 3: in de scheitrechter drijft de olie op het zeewater (dichtheid). Laat het zeewater onderaan weglopen en sluit het kraantje voor de olie komt.
4
Stap 4: het zeewater is een oplossing: filtreren helpt niet. Destilleer: het water verdampt en condenseert in de koeler (destillaat: zuiver water), de zouten blijven in de kolf (residu). Wil je alleen de zouten, dan volstaat indampen.

Antwoord

Bezinken en decanteren (zand), scheitrechter (olie), destilleren (zuiver water en zouten).

Klopt dit? Controleer bij elke pijl het stofverschil: dichtheid, dichtheid en niet-mengbaar, kookpunt. En denk aan de volgorde: zolang er zand in de vloeistof zit, verstopt het de scheitrechter; zolang er olie op het water drijft, zou ze mee in de destilleerkolf gaan.

Uitleg · 9.12

Van ruw water naar drinkwater

12/16

Drinkwater komt uit grondwater of uit oppervlaktewater (rivieren, kanalen, meren). Oppervlaktewater bevat zand, slib, bladeren, opgeloste stoffen en micro-organismen. Een drinkwaterbedrijf zuivert het in een reeks stappen, telkens met een andere scheidingstechniek:

Roosters en zeven houden takken, bladeren en vissen tegen (grootte).
Vlokken en bezinken. Een vlokmiddel laat heel fijne slibdeeltjes samenklonteren tot vlokken die groot en zwaar genoeg zijn om te bezinken (dichtheid).
Zandfilters houden de laatste zwevende deeltjes tegen (grootte). In een traag zandfilter leeft in de bovenste laag ook een laagje bacteriën dat stoffen afbreekt.
Actieve kool houdt geur-, smaak- en kleurstoffen en resten van bijvoorbeeld bestrijdingsmiddelen vast (adsorptie).
Ontsmetten met uv-licht of een klein beetje chloor doodt bacteriën en virussen die nog overblijven. Dat is geen scheiding, maar wel de stap die cholera tegenhoudt.
Controle. Een labo meet elke dag tientallen stoffen en bacteriën, en toetst ze aan wettelijke normen (bijvoorbeeld hoogstens 50 mg nitraat per liter).

De volgorde is belangrijk: eerst het grove, dan het fijne. Een zandfilter raakt verstopt als het grove vuil niet eerst weg is, en actieve kool raakt 'vol' als ze ook het slib moet tegenhouden. Ontsmetten werkt het best in helder water, dus komt het bijna aan het einde.

Eerst grof, dan fijn: elke stap haalt iets anders weg, en de ontsmetting komt pas als het water helder is.

Ontleed · 9.13

Habitat: de regenwaterfilter van de meetkas

13/16

Het dak van de meetkas (0,72 m²) vangt regen op. Met een goot en een eenvoudige filter vult dat water het reservoir onder de plantentafel aan. Het ontwerp gebruikt drie technieken uit dit hoofdstuk: zeven (bladvanger), bezinken en afscheiden (first flush) en filtreren (grind en zand of filterdoek).

Gefilterd regenwater is geen drinkwater

Regenwater dat van een dak loopt, bevat stof, vogelpoep met bacteriën, stuifmeel en soms metalen uit de goot. De filter maakt het helder genoeg voor de planten en de pomp, maar niet veilig om te drinken: er is geen ontsmetting en geen controle. Kleef een etiket 'geen drinkwater' op het reservoir, en was je handen na onderhoud.

Van dak tot druppelslang: zeven, afscheiden, filtreren, en een afgedekt reservoir met een overloop.

Wijs een nummer aan: de figuur zoomt in. Klik om vast te zetten.

1
Dak (0,72 m²)
Licht hellend naar de goot. Elke millimeter regen levert 0,72 L water op.
2
Goot met bladvanger
Een roostertje of zeef over de ingang van de regenpijp houdt bladeren, zaden en insecten tegen (zeven).
3
First flush
Doodlopende buis die de eerste, vuilste liter van elke bui opvangt (stof en poep van het dak). Is ze vol, dan sluit het drijvende balletje af en stroomt het water verder naar de filter. Na de bui laat je ze leeglopen.
4
Filter
Een laag grind en daaronder fijn zand of filterdoek houdt de deeltjes tegen die de pomp en de druppelslang zouden verstoppen (filtreren).
5
Inlaat
Het gefilterde water loopt onder de deksel het reservoir in.
6
Reservoir, afgedekt en donker
Een ondoorzichtige bak met deksel: zonder licht groeien er geen algen, en muggen kunnen er geen eitjes leggen. Wat nog bezinkt, blijft op de bodem.
7
Overloop
Is het reservoir vol, dan loopt het teveel via deze buis naar buiten, niet over de vloer van de kas.
8
Aanzuigfilter van de pomp
Een laatste zeefje voor de pomp. Het pompje zit iets boven de bodem, zodat het geen bezinksel aanzuigt.
9
Druppelslang
Geeft het water druppel per druppel aan de bakjes. De gaatjes zijn heel klein: daarom moet het water zo proper zijn.

Uitgewerkt voorbeeld · 9.14

Habitat: hoeveel regenwater vangt het dak op?

14/16

Het dak van de meetkas is 1,20 m × 0,60 m. In Ukkel valt gemiddeld 837 mm neerslag per jaar. De planten verbruiken 1,8 L water per dag. (a) Hoeveel liter water levert 1 mm regen op het dak? (b) Hoeveel liter per jaar? Is dat genoeg? (c) De first flush vangt per bui 1 L per m² dak op. Hoeveel water komt er in het reservoir na een bui van 12 mm?

Goot, bladvanger en first flush aan de meetkas: elke millimeter regen is 0,72 L.

Gegeven

dak $1, 20 m \times 0, 60 m$
$837 mm$ per jaar
verbruik $1, 8 L$ per dag
first flush: $1 L$ per m² per bui

Gevraagd

water per mm
water per jaar en vergelijking met het verbruik
water na één bui van 12 mm

Oplossing

1
(a) 1 mm regen is een laagje water van 1 mm hoog. Op 1 m² is dat $1 m^{2} \times 0, 001 m = 0, 001 m^{3} = 1 L$ . Dus 1 mm regen = 1 L per m². Het dak: $1, 20 \times 0, 60 = 0, 72 m^{2}$ , dus $0, 72 L$ per mm.
2
(b) $0, 72 L/mm \times 837 mm \approx 603 L$ per jaar. Verbruik: $1, 8 \times 365 = 657 L$ . Het dak levert ongeveer 92 % van wat de planten nodig hebben, en dan nog zonder de first flush en zonder het water dat verdampt of overloopt als het reservoir vol is.
3
(c) Regen: $0, 72 \times 12 \approx 8, 6 L$ . First flush: $1 L/ m^{2} \times 0, 72 m^{2} \approx 0, 7 L$ . In het reservoir: ongeveer $7, 9 L$ , genoeg voor vier dagen.

Antwoord

(a) 0,72 L per mm; (b) ongeveer 600 L per jaar, iets minder dan de 657 L die nodig is; (c) ongeveer 7,9 L.

Klopt dit? Het jaartotaal is niet het hele verhaal: regen valt niet gelijkmatig. In een droge zomermaand valt er soms maar 20 mm (14 L), terwijl de planten dan juist het meest drinken, en in een natte maand loopt het reservoir over. Daarom rekent opdracht 9.10 met maanden, en blijft kraanwater bijvullen een reserveplan. Een groter dak (van een tuinhuis) levert meer: 3 m² geeft ruim 2500 L per jaar.

Naslag · 9.15

Overzicht: scheidingstechnieken

15/16

Welke techniek, op welk verschil, en hoe heten de delen die je overhoudt?

techniek	stofverschil	wat scheid je?	voorbeeld
zeven	korrelgrootte	vaste stoffen van elkaar	grind en zand; bloem zeven
bezinken en decanteren	dichtheid	vaste stof uit een vloeistof; twee vloeistoffen	modder in water; olie op water
centrifugeren	dichtheid (versneld)	heel fijne deeltjes of druppels uit een vloeistof	room uit melk; bloedcellen uit bloed
filtreren	deeltjesgrootte (groter of kleiner dan de poriën)	vaste stof uit een vloeistof of gas	koffiefilter; stofzuigerzak; zandfilter
indampen	kookpunt (het oplosmiddel verdampt)	opgeloste vaste stof uit een oplossing	zout uit zeewater
kristalliseren	oplosbaarheid die met de temperatuur verandert	opgeloste stof uit een oplossing	kandijsuiker; zuiveren van meststoffen
destilleren	kookpunt	vloeistof uit een oplossing; vloeistoffen van elkaar	gedestilleerd water; alcohol uit wijn
chromatografie	hoe sterk een stof aan het papier hecht en in de loopvloeistof oplost	opgeloste stoffen van elkaar	kleurstoffen in inkt of in bladeren
magnetisch scheiden	magnetisme	ijzer, nikkel en kobalt uit een mengsel	blikjes uit afval
extraheren	oplosbaarheid in een oplosmiddel	een stof uit een vaste stof halen	thee, koffie
adsorberen	hoe sterk een stof aan een oppervlak kleeft	kleine hoeveelheden opgeloste stoffen of gassen	actieve kool in een waterfilter of afzuigkap

woord	betekenis
residu	wat achterblijft: op het filter, of in de kolf na destilleren
filtraat	wat door het filter loopt
bezinksel	wat na bezinken op de bodem ligt
destillaat	het gecondenseerde deel dat je bij destilleren opvangt
loopvloeistof en loopfront	bij chromatografie: de vloeistof die over het papier kruipt, en tot waar ze kwam

mengsel	eerste keuze
vaste stof + vaste stof	zeven, magneet, of oplossen en filtreren
vaste stof in een vloeistof (niet opgelost)	bezinken en decanteren, filtreren, centrifugeren
vaste stof opgelost in een vloeistof	indampen, kristalliseren, destilleren (om ook de vloeistof te houden)
twee vloeistoffen die niet mengen	scheitrechter
twee vloeistoffen die mengen	destilleren
kleurstoffen of andere opgeloste stoffen van elkaar	chromatografie

Een scheidingsschema: bij elke pijl een techniek, in elk kader wat overblijft.

Het geheel · 9.16

Waar scheiden naartoe leidt

16/16

Scheidingstechnieken brengen de leerlijn materie en chemie samen met ontwerpen en maken: een scheidingsschema is een ontwerp, met eisen, keuzes en een volgorde. Je gebruikt de stofeigenschappen uit hoofdstuk 8 en de dichtheid uit hoofdstuk 7, en de faseovergangen uit hoofdstuk 6 bij indampen en destilleren. Verder in de opleiding worden scheidingen kwantitatief en industrieel: recyclage van materialen, zuivering van water in een gesloten kringloop, en in Expert de bioreactor en de levenscyclus van producten.

F6 Het deeltjesmodel

Verdampen en condenseren: de basis van indampen en destilleren.

F7 Massa, volume en dichtheid

Bezinken, decanteren, centrifugeren en de zink-drijfbak steunen op dichtheid.

F8 Zuivere stoffen en mengsels

Stofeigenschappen, oplosbaarheid en kristalliseren: waarop elke scheiding steunt.

F10 Materialen en hun eigenschappen

Grondstoffen winnen en materialen recycleren: sorteren met magneet, luchtstroom en zink-drijfbak.

F28 Ecosystemen en kringlopen

De waterkringloop: de natuur destilleert zeewater tot regen.

F30 De ontwerpcyclus

Een programma van eisen voor de regenwaterfilter, en testen en verbeteren.

I15 Zuren, basen en pH

De pH van regenwater en van de voedingsoplossing meten en bijsturen.

I17 Polymeren en composieten

Kunststoffen sorteren en recycleren.

I36 Hydroponie en voedselproductie

Water in een gesloten kringloop filteren en hergebruiken.

E30 Biotechnologie en genetische technieken

Gelelektroforese: DNA-stukken scheiden op grootte, een verre verwant van chromatografie.

E31 Bioprocestechniek

Een bioreactor en het zuiveren van wat eruit komt, op industriële schaal.

HabitatDe meetkas krijgt een regenwaterfilter: bladvanger, first flush van 0,7 L, grind- en zandfilter, een afgedekt reservoir met overloop en een aanzuigfilter voor de pomp. Het dak levert ongeveer 600 L per jaar, ruim 90 % van wat de planten verbruiken. In opdracht 9.12 werk je het ontwerp uit voor je portfolio; in hoofdstuk 25 laat de microcontroller je weten wanneer het reservoir bijna leeg is.

Samenvatting

In het kort

Elke scheidingstechniek steunt op een verschil in stofeigenschap: grootte, dichtheid, kookpunt, oplosbaarheid, magnetisme, hechting.
Zeven en filtreren scheiden op grootte; opgeloste stoffen lopen door elk filter mee (filtraat), grotere deeltjes blijven achter (residu).
Bezinken, decanteren, de scheitrechter en centrifugeren scheiden op dichtheid.
Indampen haalt een opgeloste vaste stof uit een oplossing; kristalliseren gebruikt de oplosbaarheidscurve; destilleren (verdampen en condenseren) scheidt op kookpunt en levert een destillaat.
In een destillatieopstelling zit de thermometer ter hoogte van de zijbuis en gaat het koelwater onderaan in de Liebigkoeler.
Chromatografie scheidt opgeloste stoffen doordat een loopvloeistof ze verschillend ver meeneemt; de startlijn trek je in potlood.
Een scheidingsschema toont de volgorde van de technieken; begin met het eenvoudigste en grofste.
Drinkwater ontstaat in stappen: zeven, vlokken en bezinken, zandfilter, actieve kool, ontsmetten, controle. Gefilterd regenwater is geen drinkwater.

Begrippen

Wat je nu kent

scheidingstechniek: Methode om een mengsel te scheiden, die steunt op een verschil in stofeigenschap tussen de stoffen.
bezinken: Vaste deeltjes (of druppels) met een grotere dichtheid zakken naar de bodem van een vloeistof.
decanteren: Na het bezinken de heldere vloeistof voorzichtig afgieten, zodat het bezinksel achterblijft.
centrifugeren: Een mengsel heel snel laten ronddraaien, zodat de deeltjes met de grootste dichtheid veel sneller naar buiten gaan dan bij gewoon bezinken.
filtreren: Een mengsel door een filter met kleine poriën gieten: grote deeltjes blijven achter (residu), de vloeistof met alles wat opgelost is gaat erdoor (filtraat).
indampen: Een oplossing verwarmen tot het oplosmiddel verdampt is, zodat de opgeloste vaste stof achterblijft.
destilleren: Een vloeistof laten verdampen en de damp weer laten condenseren; stoffen met een verschillend kookpunt worden zo gescheiden. Het opgevangen condensaat heet het destillaat.
chromatografie: Scheiding van opgeloste stoffen doordat een loopvloeistof ze verschillend ver meeneemt over papier.
adsorberen: Stoffen laten vastkleven aan het oppervlak van een vaste stof, zoals actieve kool.
scheidingsschema: Stroomschema dat toont in welke volgorde je welke technieken gebruikt en wat er bij elke stap overblijft.

Aan de slag in het werkboek15 opdrachten, van oefenen tot uitdagen