Frage 5

Frage der Woche

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Mehr (Trink-)Wasser aus dem Meer
Die Oberfläche der Erde besteht zu 70% aus Wasser und nur zu 30% aus Land. Da könnte man meinen, dass Trinkwasser eine schier unerschöpfliche Quelle darstellt. Das ist aber keinesfalls so. Trinkwasser ist ein kostbares Gut und in vielen Ländern "Mangelware", denn nur knapp 3% der Wasservorkommen der Erde sind Süßwasser. Neben den Bächen, Flüssen und Seen befinden sich die größten Süßwasservorkommen der Erde zu Eis gefroren in den Gletschern der beiden Polarregionen. Da auch die Wasserqualität vieler Flüsse nicht unbedingt der Trinkwassernorm entspricht, kann man sich vorstellen, dass wir ohne entsprechende Reinigungsverfahren ganz schön "auf dem Trockenen" sitzen würden. Eine Methode zur Reinigung von Wasser stellt die Filtration dar. Als Filter dienen poröse Materialien, sogenannte Membranen, die je nach Porengröße unterschiedliche Stoffe zurückhalten können, während das gereinigte Wasser ungehindert durch die Membran hindurch gelangt. Filtrationsmembranen können aus ganz unterschiedlichen Materialien sein, z. B. Keramik, Metall, Glas, Polymere. Sie alle haben ihre Vor- und Nachteile. Deshalb wählt man das Material immer nach dem jeweiligen Anwendungsfall (Temperaturbereich, pH-Bereich, Größe der abzutrennenden Stoffe) aus.
Frage 1 (Klassenstufe 7-11)
	Da neben dem geringen Vorkommen von Süßwasser eine erheblich größere Menge an Salzwasser (in den verschiedenen Meeren) zur Verfügung steht, wird versucht, aus dem Salzwasser Trinkwasser zu gewinnen. Dazu muss das Meerwasser entsalzt werden. Von den verschiedenen Verfahren, die hierbei eingesetzt werden können, interessiert uns nur ein Verfahren.   Wie nennt man das Verfahren, bei dem durch Anwendung geeigneter Membranen und entsprechend hoher Drücke dem Meerwasser die Ionen (und damit Salz) entzogen werden können?       Lösung: Umkehrosmose
Frage 2 (Klassenstufe 9-11)
	Von den folgenden Aussagen sind 4 richtig. Wählt mindestens 3 richtige und keine falsche Antwort aus.   Polymermembranen eignen sich besonders gut für den Einsatz bei hohen Temperaturen. Material- und Energiebedarf sind bei der Herstellung keramischer Membranen höher als bei der Herstellung von Polymermembranen. Deshalb sind keramische Membranen deutlich teurer als Polymermembranen. Filtrationsmembranen funktionieren wie ein Sieb - nur mit viel feineren "Löchern". Mit Metallmembranen können besonders gut Ionen abgetrennt werden. Für Nachtfiltrationen werden leuchtende Membranen eingesetzt. Mit zunehmender Filtrationsdauer können die Poren der Membranen verstopfen, wodurch der Durchfluss geringer wird. Je kleiner die Poren (Löcher) der Membranen sind, desto mehr Druck muss man bei der Filtration aufwenden.   Lösung: Richtig sind die folgenden Aussagen: - Material- und Energiebedarf sind bei der Herstellung keramischer Membranen höher als bei der Herstellung von Polymermembranen. Deshalb sind keramische Membranen deutlich teurer als Polymermembranen. - Filtrationsmembranen funktionieren wie ein Sieb - nur mit viel feineren "Löchern". - Mit zunehmender Filtrationsdauer können die Poren der Membranen verstopfen, wodurch der Durchfluss geringer wird. - Je kleiner die Poren (Löcher) der Membranen sind, desto mehr Druck muss man bei der Filtration aufwenden.
Frage 3 (Klassenstufe 10-11)
	Trinkwasser kommt (zumindest bei uns in Deutschland) aus dem Wasserhahn. Und wenn wir es "gebraucht" haben, dann fließt es als Abwasser durch den Kanal (und ist weg, oder doch nicht?). Was passiert eigentlich mit unserem Abwasser, wenn es im Kanal verschwunden ist? Damit das kostbare Süßwasser in unseren Flüssen nicht zu stark verunreinigt wird, fließen die Abwässer in der Regel durch eine sog. Kläranlage. In der Kläranlage erfolgt nach einer mechanischen Vorreinigung die Reinigung des verunreinigten Wassers durch Mikroorganismen, z. B. Bakterien, die als kleine chemische Fabriken wirken. In der Kläranlage können die stickstoffhaltigen Ionen durch geeignete Bakterien in zwei Stufen unschädlich gemacht werden: In der ersten Stufe, die mit dem Sammelbegriff der Nitrifikation bezeichnet wird, werden Ammonium (NH4 + ) und Nitrit (NO2 - ) durch sog. Nitrifikanten zunächst zu Nitrat (NO3 - ) aufoxidiert. Für diesen Prozess werden vorwiegend Nitrobacter und Nitrosomonas als Bakterien eingesetzt. Anschließend wird in der zweiten Stufe das Nitrat im Prozess der Denitrifikation wieder reduziert. Kläranlage Hanau-Kesselstadt am Main, Bildquelle: www.wikipedia.de   Von den unten abgebildeten Reaktionsgleichungen zur Nitrifikation sind nur zwei richtig. Welche?   C6 H12 O6 + 3 O2 => 6 H2 O + 6 CO2 2 NH4 + + 3 O2 => 2 NO2 - + 4 H+ + 2 H2 O 2 NO3 - + H2 O => N2 + 2,5 O2 + 2 OH- NH4 + + 5 O2 => NO3 - + 2 H+ + CO2 2 NO2 - + O2 => 2 NO3 - CH3 OH + 6 NO3 - => 3 N2 + 5 CO2 + 7 H2 O + 6 OH-   Lösung: Die zur Nitrifikation richtigen Gleichungen sind: 2 NH4 + + 3 O2 => 2 NO2 - + 4 H+ + 2 H2 O 2 NO2 - + O2 => 2 NO3 -
	Was kann über den pH-Wert bei der Nitrifikation ausgesagt werden? Steigt oder sinkt er?   pH-Wert sinkt pH-Wert steigt   Lösung: Der pH-Wert sinkt. Der Clou daran ist, dass die Reduktion bei molekularem Stickstoff (N2) stehen bleibt und dieser als unschädliches Gas in die Atmosphäre entweicht. Die beiden Prozesse unterscheiden sich grundlegend dadurch, dass man für die Nitrifikation viel Sauerstoff benötigt, während für die Denitrifikation nur ganz geringe Mengen Sauerstoff vorhanden sein dürfen. Ihr seht schon, dass die Abwasserreinigung eine ganz schön komplizierte Sache ist.