sciencetalk

Hallo,
 
voor mijn werk ben ik bezig met een vraagstuk over CO2. Boeren telen aardappels en slaan die op in hun schuren. Terwijl aardappels in de bewaring liggen respireren ze en produceren ze CO2. Hierdoor loopt de CO2 concentratie in de lucht op. Te hoge CO2 concentraties zijn negatief voor de bakkwaliteit van de aardappels. Wanneer ze zijn bloot gesteld aan te hoge CO2 concentraties krijg je donkerbruine friet i.p.v. mooi goud geel.
Het moet dus voorkomen worden dat de CO2 concentratie te hoog oploopt. Dit kan door regelmatig te ventileren. Wanneer je dit echter te veel doet dan kost dat onnodig electriciteit en dan drogen de aardappels onnodig veel uit. Er moet dus gezocht worden naar een optimum tussen de voordelen (lage CO2 concentratie) en nadelen (hoge electriciteit rekening) van het ventileren.
 
Om dit optimum te vinden hebben we CO2 metingen uitgevoerd. Bij deze meting heeft de CO2 meter op de grond gestaan, terwijl de aardappels in een grote opslag van zo'n 6 meter hoog lagen. Tijdens deze meting hebben we waarden gemeten van boven de 7000 ppm (buitenlucht heeft een CO2 concentratie van circa 370 ppm). De toename van CO2 was ongeveer 1100 ppm per uur. Dit leek ons een onwaarschijnlijk snelle stijging. Dit brengt mij bij mijn vraag: daalt CO2 in stilstaande lucht?
 
Wanneer CO2 zou zakken dan is de toename in CO2 die wij gemeten hebben niet representatief voor de complete bewaring. Het is dan een gevolg van het dalen van CO2, en van de CO2 die geproduceerd wordt.
 
Ik heb al veel over dit onderwerp gelezen. Zelf kan ik geen bewijs vinden dan CO2 zou dalen in stilstaande lucht. Het heeft weliswaar een hoger gewicht per molecuul dan O2 of N2, maar door diffusie zou het (volgens mij) gemengd moeten blijven.
 
Weet iemand of het theoretisch mogelijk is dat CO2 daalt in volledig stilstaande lucht?
Zo ja, hoe snel daalt de CO2? Hoe groot zou het concentratie gradient worden? Zijn hier algemene formules voor?
 
Alvast bedankt voor jullie reactie!
 
Groeten,
Dommel
 
 
 

Ik heb er mn vraagtekens bij. Op zich zakt CO2 wel in lucht, of liever gezegd, mengt het niet zo heel snel. Als je bijvoorbeeld een open aquarium vult met CO2 gas blijft dat er wel een tijdje in staan. Uiteindelijk mengt het wel met de buitenlucht, maar als er helemaal geen luchtstroming is kan het lang duren.

Bij die aardappels zou ik eens proberen te meten op verschillende hoogtes in de opslag. Als het idee van dalende CO2 klopt zou je onderin veel hogere concentraties moeten vinden dan bijv op 3 meter hoogte.

Over een afstand van een paar meter speelt het verschil in gewicht van de moleculen geen rol. En of de lucht stilstaat of in beweging is zal in zo'n ruimte en bij een tijdsbestek van uren ook geen verschil maken.
 
Of wat je gemeten hebt veel is, valt zo niet te zeggen. Je zou het eigenlijk moeten controleren met een berekening. Een voorzet:
 
Dit vond ik na snel zoeken terug over de CO2-productie van aardappelen:
 
Respiration rate of potatoes (Solanum tuberosum L.) measured in a two-bin research scale storage facility, using heat and moisture balance and gas analysis techniques, M.A. Fennir, J.A. Landry and G.S.V. Raghavan, Canadian Biosystems Engineering 2003 45, 4.1; http://www.engr.usask.ca/societies/csae/protectedpapers/c0224.pdf
 
Daar wordt een getal in genoemd van 4 mL/kg/h, ik neem aan 4 mL CO₂ per kg aardappel, per uur.
 
1100 ppm is 1100 mL per m³, dus dat komt overeen met 275 kg aardappels voor iedere m³ opslag.
 
Ervan uitgaande dat de aardappels een dichtheid van ongeveer 1 kg/L hebben, en in een stapeling liggen met een efficiëntie van ongeveer 50% (ligt in werkelijkheid vermoedelijk nog wat hoger), dan kun je 500 kg aardappels kwijt in iedere m³, dus als de ruimte ongeveer halfvol zit, dan kloppen die waardes in ieder geval ongeveer.
 
Voor de rest geldt: meten is weten. Zoals Ben aangeeft, meten op verschillende hoogtes. Als je op 3 verschillende hoogtes de ontwikkeling van de concentratie in de tijd volgt, krijg je een goed idee van wat er aan de hand is.
 
Edit: nog even een toevoeging. Ik stelde dat stilstaan van de lucht geen verschil zou maken in deze omstandigheden. Dat is niet waar. Nog even opgezocht, de diffusiecoëfficiënt van CO₂ in lucht is 0.16 cm²/s. Dat betekent dat over een tijdsbestek van 3 uur (zeg, ca 10⁴ s) de gemiddelde afgelegde afstand(0.16*10⁴)^1/2 = 40 cm is.
 
Als er alleen diffusie optreedt, zal de CO2-concentratie dus aanmerkelijk hoger zijn rond de aardappelen.
 
Hierbij moet wel worden opgemerkt, dat de lucht rond de aardappels ook zal opwarmen, wat voor convectie zal zorgen. Een situatie met alleen diffusie zal dus niet optreden.

Bedankt voor jullie reacties! Hier kom ik weer verder mee!
 
Ik heb nog een vraag. Is diffusie ook gelinkt aan de relatieve luchtvochtigheid?
 
En kan ik ergens formules vinden over diffusie van gassen en convectie van gassen? Dan kan ik een modelletje maken en simuleren wat de CO2 concentratie op basis van theorie zou zijn geweest. Dit kan ik dan naast de gemeten waarden leggen.
 
Praktisch punt met de metingen is dat we over slechts 1 meter beschikken en dus niet op hetzelfde moment op verschillende hoogten kunnen meten.
 
Verder nog een klein puntje. Op de Engelstalige Wikipedia vind ik een diffusie coefficient voor CO2 van 16 mm²/s, dus van 1.6 cm²/c. Dan zou CO2 in 3 uur een afstand van ongeveer 1.3 meter afleggen (ipv 40 cm).
 
 
Heel erg bedankt voor jullie reacties!

16 mm²/s...
en om van mm² naar cm² te gaan, moet je delen door 100.
 
Formules voor diffusie en convectie vind je in hand- en tekstboeken over stofoverdracht, of over fysische transportverschijnselen in zijn algemeenheid. Hier ben je natuurlijk niet veel verder mee, maar dat is ook een beetje het hele punt. Het is taaie kost, en studenten chemische technologie bijvoorbeeld besteden een groot deel van hun opleiding aan het in de vingers krijgen van deze materie.
 
De basis is simpel want voor diffusie gelden de wetten van Fick, en die zijn niet zo heel erg ingewikkeld. Maar ze goed toepassen op de situatie die je hebt wordt al wat lastiger. Dit geldt helemaal voor het correct toepassen van convectie. Maar goed, diffusie en convectie tesamen worden beknopt beschreven met de convectie-diffusievergelijking:
 
http://en.wikipedia.org/wiki/Convection%E2%80%93diffusion_equation
 
Als je in staat bent om partiële differentiaalvergelijkingen te modelleren en door te rekenen kom je vast wel een eind. Je moet dan echter niet vergeten om de warmte-productie door de aardappelen en de warmte-overdracht daarvan mee te nemen. En je moet de stapeling van de aardappels en de geometrie van de ruimte op een goede manier meenemen. Op voorhand niet zo'n makkelijk gebeuren.
 
Ik zou je daarom aanraden om, in plaats van zelf het wiel uit te gaan vinden, contact op te nemen met bijvoorbeeld een HBO in de buurt. Grote kans dat die het probleem waar je mee worstelt in de vorm van een project(je) kunnen aanpakken. Dit klinkt namelijk precies als het soort praktijkgericht onderzoek waar het HBO zich mee wil profileren!

Bedankt voor de uitleg! We gaan kijken of we er studenten mee aan het werk zetten!

Je moet dan echter niet vergeten om de warmte-productie door de aardappelen en de warmte-overdracht daarvan mee te nemen. En je moet de stapeling van de aardappels en de geometrie van de ruimte op een goede manier meenemen. Op voorhand niet zo'n makkelijk gebeuren.

Ik vrees inderdaad dat hem daar de kneep zit. Een klein verschilletje in beginwaarden kan hier een enorm verschil maken in de uitkomst.

Je zit feitelijk met de balans tussen afgifte van CO2 dat zwaarder dan lucht is en mogelijk op zn plaats blijft of zelfs naar beneden zakt. Anderzijds heb je afgifte van warmte wat een schoorsteeneffect kan geven (als bijv de zijkanten niet hermetisch zijn afgesloten) dat precies het omgekeerde doet.

Uiteraard alsnog een leuk project voor studenten, maar met alleen rekenen denk ik niet dat je hier tot een valide oplossing kunt komen.