Experimente zum Thema Stoffkreisläufe: Brauchwasserkreislauf - Abwasserreinigung -

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1 Experimente zum Thema Stoffkreisläufe: Brauchwasserkreislauf - Abwasserreinigung - Projekttitel: Nachhaltige Chemie im Agnes-Pockels-SchülerInnen- Labor Neue pädagogische Angebote zu Stoffkreisläufen und Ressourcenschonung Aktenzeichen: Laufzeit: Projektleitung: Wiss. Mitarbeiterin: Prof. Dr. Petra Mischnick Dr. Beate Faustmann Institution: Technische Universität Braunschweig Institut für Lebensmittelchemie Partnerschule: Realschule Maschstraße, Braunschweig Erika Hirsch, Birgit Meinert, Petra Schille Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 1 von 19

2 Inhalt V1-V7 Mechanische und chemische Reinigung von Abwasser 3 Versuch 1 Der Rechen 3 Versuch 2 Das erste Absetzbecken (Sandfang) 4 Versuch 3 Abschöpfen von Fetten 4 Versuch 4 Das zweite Absetzbecken chemische Reinigung und 5 Filtration Versuch 5 Was passiert bei der chemischen Reinigung? 6 Versuch 6 Der Büroklammertest 7 Versuch 7 Stärkenachweis im Modellabwasser 9 V8-V9 Biologische Reinigung von Abwasser 11 Versuch 8 Biologische Reinigungsstufe Abbau des Zuckers 11 Versuch 9 War die biologische Reinigung erfolgreich? Nachweis von 13 Glucose (Fehling-Probe) Lösungen Lösungen zum Ansetzen 15 Materialliste Materialliste für 30 SchülerInnen bzw. 15 Zweiergruppen 16 Laborplan Laboreinteilung für die 19 Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 2 von 19

3 Name: Datum: 1. Mechanische und chemische Reinigung von Abwasser (V1-V7) Materialien: Bechergläser (600 ml für Modellabwasser I, 250 ml eng für Versuch 1 (enthält Boden, Öl, Schmierseife, Stärke), 250 ml weit für Versuch 2 und 3 (enthält Boden, Öl, Schmierseife, Stärke), 250 ml für Versuch 6 und 7 (enthält noch feine Bodenbestandteile, Schmierseife, Stärke), ml weit für Versuch 6) Reagenzgläser (2 Reagenzgläser für Versuch 5, 4 Reagenzgläser für Versuch 7) Erlenmeyerkolben (200 ml Weithals für Versuch 4 und 200 ml Enghals für Versuch 4 zum Abstellen des Trichters + Filter) Plastik-Pasteurpipetten 6 Pasteurpipetten in Becherglas (beschriftet mit sauber ), 1 Pasteurpipette beschriftet mit Eisen(III)-chlorid-Lösung Weitere Materialien Becherglas für schmutzige Pipetten (beschriftet mit schmutzig ), Reagenzglasständer, Löffel, Gaze, Glasstab, 1 Trichter (groß), 1 Faltenfilter (groß), 3-4 saugfähige Papiere, Pinzette, 3 Büroklammern (entfettet), wasserfester Stift Chemikalien: 200 ml Modellabwasser I (20 g Boden, 5 g Maisstärke, 2 ml Pflanzenöl, 4 ml Schmierseife), destilliertes Wasser, Eisen(III)chlorid- Lösung (50 g/l), Schmierseife Holstavon der Fa. Holste (Kaliumseife), Stärke, 3,33 %ige Iod-Kaliumiodid-Lösung (verdünnte LugoLsche Lösung) Für die folgenden Versuche verwenden wir ein Modellabwasser I, das ungelöste (Boden, Öl, Stärke) und gelöste (Schmierseife) Bestandteile enthält. Aufgrund der verschiedenen Eigenschaften der Stoffe müssen für die Reinigung unterschiedliche Methoden eingesetzt werden. Alle Reinigungsschritte, die in den Versuchen modellhaft durchgeführt werden, finden im großen Maßstab auch in einer Kläranlage statt. Für die biologische Reinigung (Versuch 8 und 9) wird ein zweites Modellabwasser II", das Glucose enthält, eingesetzt. Versuch 1: Der Rechen 1. Rühre das Abwasser mit dem Glasstab um. 2. Trenne die groben Bestandteile ab, indem du das Modellabwasser I langsam über ein Stück Gaze in ein zweites 250 ml Becherglas (weit - beschriftet mit Versuch 1) gießt. Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 3 von 19

4 In Kläranlagen trennen große Rechen grobe Bestandteile ab, die dann meistens in einer Müllverbrennungsanlage beseitigt werden. Dabei kann es sich um natürliche Einträge wie Zweige, aber auch um Verpackungsmaterialien wie Plastiktüten handeln. Versuch 2: Das erste Absetzbecken (Sandfang) 1. Versuch 2 schließt an Versuch 1 an. Verwende den Ansatz aus Versuch Warte nun etwa 3 Minuten und betrachte das Abwasser erneut. Was beobachtest du? 3. Gieße die Flüssigkeit vorsichtig in ein neues 250 ml Becherglas (weit - beschriftet mit Versuch 2 und 3), so dass der ungelöste Feststoff (Bodensatz) im vorherigen Becherglas zurückbleibt (Vorgang nennt man auch Dekantieren). Bei einer Kläranlage wird der zurückbleibende Feststoff abgetrennt, dann deponiert oder in einer Müllverbrennungsanlage verbrannt. Versuch 3: Abschöpfen von Fetten (Fettfang) Häufig schwimmen Fette auf der Oberfläche vom Abwasser, diese werden in der Kläranlage abgeschöpft. 1. Versuch 3 schließt an Versuch 2 an. Verwende den Ansatz aus Versuch Falte ein Stückchen weiches, saugfähiges Papier, so dass es möglichst die gesamte Oberfläche der Abwasserprobe umfasst. Ziehe es langsam an der Oberfläche entlang und am Rand des Becherglases (Versuch 2 und 3) nach oben. 3. Wiederhole diesen Vorgang ggf. 2 3 mal mit einem frischen Stück Papier. Was beobachtest du? Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 4 von 19

5 Name: Datum: Versuch 4: Das zweite Absetzbecken chemische Reinigung und Filtration 1. Versuch 4 schließt an Versuch 3 an. Verwende den Ansatz aus Versuch Gieße die Hälfte des Modellabwassers in ein weiteres 100 ml Becherglas (beschriftet mit Versuch 6 und 7) und stelle es für Zusatzversuche (Versuch 6 und 7) zur Seite. 3. Gib 2,5 ml einer Eisenchlorid-Lösung zum restlichen Abwasser (in 250 ml Becherglas beschriftet mit Versuch 2 und 3) und rühre mit dem Glasstab um, damit sie sich gut mit dem Abwasser vermischt. Was beobachtest du? 4. Filtriere das Abwassers durch einen Faltenfilter in einen 200 ml Erlenmeyerkolben (Weithals) (beschriftet mit Versuch 4). Was beobachtest du nach der Filtration? In einer Kläranlage setzt sich der Feststoff in einem weiteren großen Absetzbecken ab, was allerdings deutlich länger dauert als die Filtration. Nach der Abtrennung wird der Feststoff ebenfalls deponiert oder in einer Müllverbrennungsanlage verbrannt. Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 5 von 19

6 Name: Datum: Versuch 5: Was passiert bei der chemischen Reinigung? Zugabe einer Eisen(III)chlorid-Lösung Zur Erklärung der chemischen Reinigungsstufe in der Kläranlage lernst du kennen, wie Schmierseife aus einer Lösung entfernt werden kann. 1. Gib 10 Tropfen Schmierseife in ein Reagenzglas und füge etwa 2 Fingerbreit dest. Wasser dazu. 2. Gib dann 0,5 ml Eisen(III)chlorid-Lösung hinzu. Was beobachtest du? Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 6 von 19

7 Name: Datum: Versuch 6/7: War die chemische Reinigung erfolgreich? Vermutung: Ja Nein Zur Bestätigung deiner Vermutung lernst du verschiedene Nachweise kennen und führst einige Versuche mit dem Abwasser durch. Versuch 6: Der Büroklammer-Test Eine Büroklammer schwimmt aufgrund der Oberflächenspannung auf reinem Wasser. Kann sie auch auf unserem Modellabwasser schwimmen? a) Lege mit einer Pinzette vorsichtig eine Büroklammer auf destilliertes Wasser in einem 100 ml Becherglas (beschriftet mit Versuch 6), so dass sie auf der Wasseroberfläche schwimmt. b) Gib einen Tropfen Seifenlösung dazu. c) Versuche jetzt, die Büroklammer auf die Oberfläche der Modellabwasserprobe (in Becherglas, beschriftet mit Versuch 6 und 7) zu legen. d) Lege mit einer Pinzette vorsichtig eine Büroklammer auf die Oberfläche des Filtrats aus Versuch 4. Gieße dafür das Filtrat aus dem Erlenmeyerkolben (beschriftet mit Versuch 4) in ein 100 ml Becherglas (beschriftet mit Filtrat 4) um. Was beobachtest du? Probe Beobachtung a) dest. Wasser b) dest. Wasser + Schmierseife c) Abwasser vor der chemischen Reinigung (6 und 7) d) Abwasser nach der chemischen Reinigung/Filtration (Filtrat 4) Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 7 von 19

8 Ist im Modellwasser nach der chemischen Reinigung noch Schmierseife enthalten? Woran kannst du das erkennen? Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 8 von 19

9 Name: Datum: Versuch 7: Stärkenachweis im Modellabwasser Damit du den Erfolg der Reinigung nachweisen kannst, lernst du einen Nachweis für Stärke kennen. a) Gib eine Spatelspitze Stärke in ein Reagenzglas und füge etwa 3 fingerbreit dest. Wasser und 2 Tropfen Iodlösung dazu. b) Gib in ein weiteres Reagenzglas destilliertes Wasser und 2 Tropfen Iodlösung. c) Fülle nun in ein drittes Reagenzglas 2 ml Modellabwasser, welches du in Versuch 4 zurückgestellt hast (beschriftet mit Versuch 6 und 7) und gib ebenfalls 2 Tropfen Iodlösung hinzu. d) Gib 2 ml des Filtrats aus dem Versuch 4 in ein viertes Reagenzglas und gib 2 Tropfen Iodlösung hinzu. Was beobachtest du? Probe Beobachtung a) Stärke + dest. Wasser b) dest. Wasser c) Abwasser vor der chemischen Reinigung (6 und 7) d) Abwasser nach der chemischen Reinigung/Filtration (Filtrat 4) Ist im Modellwasser nach der chemischen Reinigung noch Stärke enthalten? Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 9 von 19

10 Woran kannst du das erkennen? Ist das Wasser jetzt sauber? Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 10 von 19

11 Name: Datum: 2. Biologische Reinigung von Abwasser (V8-V9) Materialien: Bechergläser (250 ml Becherglas eng für Modellwasser II, 100 ml Becherglas für die Frischhefe-Suspension, 250 ml eng für das heiße Wasserbad, 250 ml eng für das zentrale 37 o C-Wasserbad) Reagenzgläser (3 für Versuch 8 und 2 weitere für Versuch 9) Weitere Materialien (Heizplatte, weitere Heizplatte steht zentral bereit -, Thermometer, Kristallisierschale 500 ml steht zentral bereit -, 1 Zentrifugenglas, Reagenzglasständer, Löffel, Plastik-Pipetten, Zentrifuge) Chemikalien: 40 ml Modellabwasser II (2 g/l Glucoselösung), destilliertes Wasser, Frischhefe-Suspension (4 g/20 ml Wasser, mit 0,4 g Haushaltszucker 1 Stunde angezogen; steht zentral bereit), Glucose, Fehling A, Fehling B In einer Kläranlage findet zusätzlich noch ein weiterer Reinigungsschritt statt: die biologische Abwasserreinigung. Bakterien und andere Mikroorganismen zersetzen dabei noch nicht entfernte, gelöste Verunreinigungen. Dabei vermehren sich die Mikroorganismen und sinken schließlich als Biomasse zu Boden. Dieser Faulschlamm kann getrocknet und verbrannt werden oder auch in Faultürmen zu Biogas umgewandelt werden. Das Biogas dient dann zur Energiegewinnung. Versuch 8: Biologische Reinigungsstufe Abbau des Zuckers Im Abwasser können auch gelöste Verunreinigungen sein. Um diese zu entfernen, werden in einem Klärwerk Mikroorganismen wie z.b. Bakterien zur Reinigung eingesetzt. Wie das funktioniert, zeigt der nächste Versuch beispielhaft. 1. Dieser Arbeitsschritt ist bereits zentral vorbereitet: Stelle eine Kristallisierschale (500 ml) mit Wasser gefüllt auf eine Heizplatte. Es dient als Wasserbad. Stelle die Heizplatte auf 50 o C ein. Stelle ein Thermometer in das Wasser. Es soll ungefähr o C warm werden. 2. Gib 5 ml des Modellabwassers II und 1 ml der Frischhefe-Suspension in ein Reagenzglas und stelle es in das lauwarme Wasserbad (37 o C). 3. Warte 15 Minuten. 4. Stelle das Reagenzglas kurz zum Abkühlen in den Reagenzglasständer. Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 11 von 19

12 Um die Hefe zu entfernen, müsste das Abwasser jetzt noch lange stehen bleiben. In der Kläranlage dient dazu ein Absetzbecken, durch das das Wasser nur sehr langsam hindurch fließt, so dass sich die Mikroorganismen am Boden ansammeln. Um die Abtrennung der Hefe zu beschleunigen, zentrifugieren wir stattdessen eine Probe des Modellabwassers. 5. Nimm eine Probe von etwa 2 ml aus dem Reagenzglas mit Modelabwasser II und Hefe (Abwasser nach der biologischen Reinigung) und gib sie in ein Zentrifugenglas. Zentrifugiere die Probe bei 3000 U/min ca. 3 Minuten (Einstellung 50 %). 6. Dekantiere die Flüssigkeit (Abwasser nach der biologischen Reinigung) vorsichtig in ein weiteres Reagenzglas und beschrifte es mit 8-biol. R.. 7. Stelle das Reagenzglas für weitere Versuche beiseite. Was beobachtest du nach dem Zentrifugieren? Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 12 von 19

13 Name: Datum: Versuch 9: War die biologische Reinigung erfolgreich? Nachweis von Glucose (Fehling-Probe) 1. Dieser Arbeitsschritt ist bereits vorbereitet (2 Gruppen teilen sich ein heißes Wasserbad): Stelle ein Becherglas (250 ml eng) mit Wasser und Siedesteinchen auf eine Heizplatte und stelle diese auf 200 o C ein. Das Glas soll als Wasserbad dienen. a) Gib eine Spatelspitze Glucose in ein Reagenzglas und löse die Glucose, in dem du etwa 3 fingerbreit dest. Wasser in das Reagenzglas gibst. Tropfe nun aus der Tropfflasche jeweils 10 Tropfen Fehling A und Fehling B hinzu. b) Gib in ein weiteres Reagenzglas 3 fingerbreit destilliertes Wasser und jeweils 10 Tropfen Fehling A und Fehling B. c) Fülle in ein drittes Reagenzglas 2 fingerbreit Modellabwasser II (vor der biologischen Reinigung) und jeweils 10 Tropfen Fehling A und Fehling B. d) Gib in das Reagenzglas aus Versuch 8 beschriftet mit 8-biol.R. (Modellabwasser nach der biologischen Reinigung) jeweils 10 Tropfen Fehling A und Fehling B. 2. Stelle die vier Reagenzgläser in das Wasserbad mit heißem Wasser. 3. Warte ungefähr 3 Minuten. Was beobachtest du? Probe Beobachtung a) Glucose + dest. Wasser b) dest. Wasser c) Modellabwasser II ohne Hefe (vor der biologischen Reinigung) d) Modellabwasser II mit Hefe (nach der biologischen Reinigung) Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 13 von 19

14 Ist im Modellwasser II vor der biologischen Reinigung (-c-) noch Glucose enthalten? Ist im Modellwasser II nach der biologischen Reinigung (-d-) noch Glucose enthalten? Woran kannst du das erkennen? Ist das Wasser jetzt sauber? Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 14 von 19

15 Lösungen zum Ansetzen Modellabwasser I: 20 g Boden 5 g handelsübliche Maisstärke (z.b. von Mondamin) 2 ml handelsübliches Pflanzenöl (z.b. Sonnenblumenöl Pflanzenöle sind vorwiegend Ester des Glycerols mit Fettsäuren, sogenannte Triglyceride) 4 ml Schmierseife, Holstavon (z.b. von der Fa. Holste (Kaliumseife; durch Verseifung von Leinöl mit Kaliumhydroxid) Mit Wasser auf 200 ml Suspension auffüllen. Für jede Gruppe getrennt ansetzen, damit eine vergleichbare Zusammensetzung der Abwasserproben gewährleistet ist. Modellabwasser II: 0,2 g Glucose 100 ml Wasser Hefesuspension: 4 g Hefe/20 ml dest. Wasser mit 0,4 g Haushaltszucker (Saccharose) eine Stunde im Wasserbad (~37 o C) angezogen; Hefesuspension bis zum Gebrauch im Wasserbad stehen lassen Iod-Iodid-Lösung (LugoLsche Lösung) 1 g Iod und 2 g Kaliumiodid in 4 ml dest. Wasser lösen und auf 300 ml mit dest. Wasser auffüllen Fehling-Lösungen Fehling A: 7 g Kupfer(II)sulfat in 100 ml dest. Wasser Fehling B: 35 g Kaliumnatriumtartrat + 10 g Natriumhydroxid in 100 ml Wasser Eisen(III)chlorid-Lösung 50 g Eisen(III)chlorid auf 1 L mit dest. Wasser auffüllen Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 15 von 19

16 Materialliste für 30 SchülerInnen bzw. 15 Zweiergruppen Versuch 1: Versuch am Platz (2-er Gruppenversuch) 600 ml Becherglas für Modellabwasser I 250 ml Becherglas (eng - beschriftet mit Versuch 1) Glasstab Gaze Versuch 2: Versuch am Platz (2-er Gruppenversuch) 250 ml Becherglas (eng - beschriftet mit Versuch 1) aus Versuch ml Becherglas (weit - beschriftet mit Versuch 2 und 3) Versuch 3: Versuch am Platz (2-er Gruppenversuch) 250 ml Becherglas (weit - beschriftet mit Versuch 2 und 3) aus Versuch saugfähige Papiere Versuch 4: Versuch am Platz (2-er Gruppenversuch) 250 ml Becherglas (weit - beschriftet mit Versuch 2 und 3), fettfrei aus Versuch ml Becherglas (beschriftet mit Versuch 6 und 7) Glasstab 1 Faltenfilter 1 Trichter ml Erlenmeyerkolben Weithals (beschriftet mit Versuch/Filtrat 4) ml Erlenmeyerkolben Enghals Plastik-Pasteur-Pipette (beschriftet mit Eisen(III)chlorid) etwa 30 ml Eisen(III)chlorid-Lösung (50 g/l) in Kunststoffschraubflasche Versuch 5: Versuch am Platz (2-er Gruppenversuch) 250 ml Becherglas (weit - beschriftet mit Versuch 2 und 3), fettfrei Reagenzglas Plastik-Pasteur-Pipette (beschriftet mit Eisen(III)chlorid) etwa 30 ml Eisen(III)chlorid-Lösung (50 g/l) in Kunststoffschraubflasche Tropfflasche mit Schmierseife dest. Wasser Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 16 von 19

17 Versuch 6: Versuch am Platz (2-er Gruppenversuch) 100 ml Becherglas (beschriftet mit Versuch 6 und 7) aus Versuch ml Erlenmeyerkolben Weithals (beschriftet mit Versuch/Filtrat 4) aus Versuch 4 3 Büroklammern (entfettet) 100 ml Becherglas (beschriftet mit Versuch 6) 100 ml Becherglas (beschriftet mit Filtrat 4) Pinzette etwa 30 ml Eisen(III)chlorid-Lösung (50 g/l) in Kunststoffschraubflasche Tropfflasche mit Schmierseife dest. Wasser Versuch 7: Versuch am Platz (2-er Gruppenversuch) 100 ml Becherglas (beschriftet mit Versuch 6 und 7) aus Versuch ml Erlenmeyerkolben Weithals (beschriftet mit Versuch/Filtrat 4) aus Versuch 4 4 Reagenzgläser Reagenzglasständer Spatel Maisstärke im Schnappdeckelglas Tropfflasche mit Iod-Iodid-Lösung dest. Wasser Versuch 8: Versuch am Platz (2-er Gruppenversuch) 250 ml Becherglas (eng) für Modellabwasser II 2 Reagenzgläser Reagenzglasständer Zentrifugenglas Plastik-Pasteur-Pipetten Versuch 8: zentral aufgebauter Versuch (Zuckerabbau) 2 Heizplatten (35-37 o C) 250 ml Becherglas (schmal - dient als Wasserbad) 100 ml Becherglas für die Hefe-Suspension Glasstab Thermometer 500 ml Kristallisierschale Zentrifuge Frischhefe-Suspension (4 g/20 ml dest. Wasser mit 0,4 g Haushaltszucker 1 h angezogen) Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 17 von 19

18 Versuch 8: Versuch am Platz (2-er Gruppenversuch) 250 ml Becherglas (eng) für Modellabwasser II aus Versuch ml Becherglas (eng - dient als Wasserbad) 3 Reagenzgläser 1 Reagenzglas (beschriftet mit 8-biol.R. ) aus Versuch 8 Reagenzglasständer Heizplatte (100 o C) für 2*2er-Gruppen Siedesteinchen Spatel Glucose im Schnappdeckelglas Fehling A Fehling B Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 18 von 19

19 Laboreinteilung: Abwasserreinigungs-Versuche Abzug 20 kleines 17 Labor Abzug Zentrifuge + Abzug Wasserbad Zentrifuge + Wasserbad Tür großes Labor Waschbecken Reservematerial Tür Tür Trockenschrank 7 Reservematerial Waschbecken Abzug Abzug Abzug (Abfall) Waschbecken Spülmaschine Versuche: Alle Versuche werden am Platz durchgeführt; zwei zentrale Zentrifugenplätze und Wasserbäder (37 Grad) werden für den biol. Abbau eingerichtet; für den Zuckernachweis teilen sich immer 2 Gruppen das heiße Wasserbad. V1 Rechen V2 Sandfang V3 Fettfang V4 chem. Reinigung V5 Was passiert bei der chem. Reinigung? V6 Büroklammer-Test V7 Stärkenachweis V8 Biol. Reinigung: Abbau des Zuckers durch die Hefe V9 Zuckernachweis mit Fehling Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor, TU Braunschweig Seite 19 von 19