Reagenzienfreie Messmethoden

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  • Kaliumdichromat © BXXXD at German Wikipedia
  • Strukturformel Kaliumdichromat

Die Spektralphotometrie nutzt die Absorption von elektromagnetischer Strahlung durch Substanzen. Neben den Methoden, die durch eine chemische Reaktion einen konzentrationsabhängigen Farbwechsel erzeugen, der dann gemessen werden kann, können viele Substanzen auch ohne Farbreaktion gemessen werden, wenn sie im durch das Photometer genutzten Wellenlängenbereich Licht absorbieren.

Die photometrische Messung von RNA, DNA- und Proteinkonzentrationen sind ein Beispiel für solche Messungen. In Kläranlagen werden schon seit rund zehn Jahren optische Sensoren eingesetzt, die durch direkte spektrale Messungen den Summenparameter „Chemischer Sauerstoffbedarf“ (CSB) ermitteln.
Diese Technologie ist nun auch für Laborphotometer erhältlich und ermöglicht unter bestimmten Voraussetzungen, die schnelle und direkte, reagenzienfreie und somit umwelfreundliche Messung von CSB, Nitrat und Nitritgehalt ohne Aufschlussverfahren.
Die Matrix, also das „Zusammensetzungsmuster“ der Probe muss allerdings für dieses Messverfahren geeignet sein. Die Methode kann wegen der Verschiedenartigkeit der verschiedenen Kläranlagen speziell an die Matrix einer bestimmten Anlage oder Probe angepasst werden. Das Gerät kann die Eignung der Probe für das Verfahren ermitteln, zu Falschmessungen oder Missinterpretationen kann es hier also nicht kommen. Im Gegensatz zur den Spektralsensoren für die Online-Messung steht das Laborverfahren zur Zeit nur für den Klärwerksauslauf zur Verfügung.

Methode
Bei den Online-Sonden für den Klärwerkseinsatz werden bei den am weitesten entwickelten Geräten die Parameter NO2, NO3, CSB, TOC, BSB, DOC, UVT und SAK bestimmt. Die Messung findet im Bereich zwischen 200 und 390 nm also im nahen UV-Bereich statt. In diesem Bereich absorbieren viele Kohlenstoffverbindungen. Nitrat absorbiert maximal bei 200 nm, Nitrit bei 354 nm. Die Summenparameter TOC (total organic carbon) und DOC (dissolved organic carbon) beschreiben die Belastung mit Kohlenstoffverbindungen, die den größten Teil zum Sauerstoffbedarf beitragen. Der Spektrale Absorptionskoeefizient (SAK) erfasst summarisch Carbonlygruppen, Aromaten, Heterozyklen und ungesättigte aliphatische Verbindungen im Bereich zwischen 230 und 280 nm, der UV-Transmissionswert (UVT) erfasst organische und anorganische Verbindungen bei 254 nm.
Allerdings absorbieren weitere Substanzen ebenfalls in diesem Spektralbereich. Eine aufwendige Verrechnung der Meßwerte bei verschiedenen Wellenlängen durch komplexe Algorythmen ermöglicht eine Bestimmung aller Werte mit einer Genauigkeit, die der klassischen photometrischen Methode in nichts nachstehen. Der zentrale Vorteil der Methode ist die kontinuierliche und schnelle Messung. Es entfallen die zeitaufwendigen Aufschlussverfahren ebenso wie die Verwendung giftiger Substanzen wie Kaliumdichromat.

Einschränkungen
Noch funktioniert die Methode nur dann zuverlässig, wenn Störeinflüsse durch die Probenmatrix und z.B. Trübung nicht zu groß werden. Diese Schwierigkeiten wurden allerdings auch bei den Online-Sensoren überwunden. Der ökonomische und ökologische Vorteil der reagenzienfreien Methoden ist so groß, dass die notwendigen Optimierungen des Verfahrens bis zum Routineeinsatz durch ungeschultes Personal voraussichtlich schnell vorankommen werden und dann eine Messmethode zur Verfügung stehen wird. Die die flächendeckende und regelmäßige oder sogar kontinuierliche Messung dieser wichtigen Parameter der Umwelt- und Wasserüberwachung erlaubt.

Ausblick
Mit einer solchen Methode ist es möglich organische Verunreinigungen und deren Ursachen schnell, preiswert und eindeutig ausfindig zu machen. So könnten Schadstoffe, die durch Schäden in Abwasserleitungen, durch Unfälle oder durch Überdüngung in der Landwirtschaft in Oberflächen-, Grund- und Trinkwasser gelangen, ausfindig gemacht werden.
Deutschland wird an der Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie in diesem Jahr scheitern. Zu viele verschiedene Quellen der Belastung unserer Gewässer sind vorhanden und können mit der bislang verfügbaren Technologie nicht flächendeckend und effektiv identifiziert werden.
Für das Erreichen der Ziele müssen alle Oberflächengewässer in einen guten oder sehr guten Gewässergütezustand gebracht werden. Im Moment erfüllen in Deutschland nicht einmal 10% der Gewässer dieses Kriterium, wie der Bericht 2015 der Europäischen Kommission zur Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie feststellt. Daher empfiehlt die Europäische Kommission Deutschland den bestehenden Nitrat-Aktionsplan und die Gesetzgebung in Bezug zum Pestizideinsatz zu verbessern, der Landwirtschaft klare Vorgaben zum Schutz der Gewässer zu geben und deren Umzusetzung genauer zu überwachen. Auch müssten die Nichteinhaltung der vereinbarten Umweltziele genauer begründet werden, insbesondere dann, wenn eine hohe finanzielle Belastung als Grund angeführt wird, obwohl Fördermittel der EU zur Verfügung stehen aber von Deutschland nicht abgerufen werden.

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