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Thermo Orion

Messgeräte für pH, COND, DO, ISE


Sauerstoffmessung

 

Einführung
Es wird davon ausgegangen, daß die Luft einen konstanten Prozentanteil (ca. 20,9%) Sauerstoff enthält. Wo Luft mit Wasser in Kontakt kommt, löst sich der Sauerstoff in der Luft im Wasser auf. Die Menge des Sauerstoffs, der sich im Wasser auflöst, hängt von zahlreichen Faktoren ab: davon, ob genügend Zeit vorhanden ist und eine ausreichende Mischung stattfindet, um das Wasser vollständig zu sättigen, von der Wassertemperatur, dem Luftdruck, dem Salzgehalt des Wassers, und davon, ob sich sauerstoffverbrauchende Substanzen im Wasser befinden.
Da der Sauerstoffgehalt für viele biologische und chemische Prozesse wichtig ist, ist auch die Messung der in einer Wasserprobe tatsächlich gelösten Sauerstoffmenge von großer Bedeutung. Für die Echtzeitmessungen von Sauerstoff in Wasser sind Membran-Sauerstoffelektroden die am häufigsten verwendete und am meisten akzeptierte Methode.

Grundlegende Definitionen
Die Konzentration von Sauerstoff wird normalerweise in Milligramm Sauerstoff pro Liter (mg/L) Wasser oder in Parts per million (ppm) ausgedrückt. Elektroden messen den Teildruck des Sauerstoffs. Dabei handelt es sich um den Wert, der sich aus der Multiplikation des Sauerstoffs mit dem Gesamtdruck (als Folge des Sauerstoffs und aller anderen Bestandteile der Luft, z.B. Stickstoff oder Wasserdampf) ergibt. Für einen vorgegebenen Teildruck des Sauerstoffs in der Luft ist die in gesättigtem, reinem Wasser vorhandene Konzentration bei jeder Temperatur festgelegt und wird seit Jahren von zahlreichen Wissenschaftlern gemessen. Diese Meßtabellen sind in modernen Sauerstoffmeßgeräten integriert, die die Temperatur automatisch kompensieren. Diese Meßgeräte vergleichen die berechnete mit der beobachteten Konzentration und zeigen eine prozentuale Sättigung an. Bei dieser Berechnung besteht das Problem, daß die Anwesenheit gelöster Salze im Wasser die Menge des lösbaren Sauerstoffs reduziert und das Verhältnis zwischen Teildruck und Konzentration ein anderes ist. Diese Verhältnisse wurden für natürliches Wasser mit unterschiedlichem Salzgehalt bereits festgestellt, und in manchen Meßgeräten sind diese Informationen auch berücksichtigt. Diese Korrektur wird gewöhnlich als Salzgehalt-Korrektur bezeichnet.

Sauerstoffelektroden
Diese nach ihrem Erfinder Dr. Leland Clark als vom Typ "Clark" bezeichnete Elektroden verfügen über eine dünne, organische Membran, mit der eine Elektrolytschicht und zwei metallische Elektroden abgedeckt werden. Der Sauerstoff wandert durch die Membran hindurch und wird an der Kathode auf elektrochemischem Weg reduziert. Zwischen der Kathode und einer Anode liegt eine sorgfältig ausgewählte, feste Spannung an, damit nur der Sauerstoff reduziert wird. Je größer der Sauerstoffteildruck, desto mehr Sauerstoff wandert in einem vorgegebenen Zeitraum durch die Membran hindurch. Dieser gibt einen Strom, der in einem proportionalen Verhältnis zum Sauerstoff in der Probe steht. Temperatursensoren, die bei einigen hochentwickelten Meßsystemen in die Sonde eingebaut sind, ermöglichen eine Kompensierung der Membran- und Probentemperatur, wodurch Diffusionsgeschwindigkeit und Löslichkeit beeinflußt werden. Das Meßgerät verwendet die Daten zu Kathodenstrom, Probentemperatur, Membrantemperatur, Luftdruckund Salzgehalt zur Berechnung des Gehaltsan gelöstem Sauerstoffin der Probe, und zwar als Konzentration (ppm) oder prozentuale Sättigung (% Sätt). Die für die Reduzierung benötigte Spannung kann elektronisch vom Meßgerät (potentiometrische Sauerstoffelektrode) geliefert oder es können ungleiche Metalle für die zwei Elektroden verwendetwerden, die so auszuwählen sind, daß zwischen ihnen die richtige Spannung erzeugt wird (galvanische Elektrode).

Praktische Erwägungen
Rühren - Der Sauerstoffverbrauch durch die Sonde kann eine Reduzierung der Sauerstoffkonzentration an der Grenzschicht zwischen der Probe und der Sondenmembran verursachen. Aus diesem Grund wird ein Umrühren der Probe empfohlen.
Membranen - Normalerweise finden zwei Arten Verwendung: lose Membranen und Membrankopfeinheiten. Zwar sind lose Membranen billiger, doch sind sie auch schwerer zu installieren und bieten eine geringere Ergebnisgenauigkeit. Die Dehnung der Membran bestimmt die Dicke der Elektrolytschicht neben der Kathode, was sich auf die Zeitreaktion der Sonde auswirkt. Präzisionsgefertigte Membrankopfeinheiten bieten eine reproduzierbare Stärke der Elektrolytschicht, erlauben eine schnellere Sondenwartung und verhindern Montageprobleme.
Elektrolyt— Der Elektrolyt in allen Sauerstoffelektroden vom Typ Clark muß in regelmäßigen Abständen ausgewechselt werden, wenn seine Fähigkeit, Sauerstoff zu reduzieren, erschöpftist. Die Haltbarkeit des Elektrolyts hängt von der Geschwindigkeit der Sauerstoffreduzierung ab. Sonden mit einer Kathode von sehr kleinem Durchmesser weisen normalerweise einen sehr schwachen Strom auf, was zu einem niedrigen Sauerstoffverbrauch durch die Sonde führt. Dies wiederum hat eine niedrige Rührempfindlichkeit sowie eine sehr lange Lebensdauer des Elektrolyts zur Folge. Bei im Handel erhältlichen Sonden muß der Elektrolyt, je nach Ausführung und Verwendung, nach zwei Wochen bis sechs Monaten ausgewechselt werden.

Kalibrierung — Sonden dieser Art können schnell und aufpraktische Weise kalibriert werden. Die erste Kalibrierung kann in wassergesättigter Luft vorgenommen werden; sie wird häufig in einer speziellen Kalibrierkammer mit einem Wasserbecken durchgeführt. Unter Gleichgewichtsbedingungen entspricht der Teildruckvon Sauerstoff in luftgesättigtem Wasser dem Teildruck von Sauerstoff in wassergesättigter Luft, d.h. in Luft mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100%. Das bedeutet, daß die in wassergesättigter Luft kalibrierte Sonde den Sauerstoff-Teildruck in einer Wasserprobe richtig anzeigt. Da die Diffusionsgeschwindigkeiten von Sauerstoff in Wasser und in Luft geringfügig von einander abweichen, wenden hochentwickelte Meßgeräte einen Korrekturfaktor auf den Kalibrierwert in wassergesättigter Luft an, um den korrekten Wert für luftgesättigtes Wasser zu erhalten. Bei den meisten Orion-Sonden beträgt dieser Korrekturfaktor 101,7%. Beim Messen einer Probe mit einer geringen Konzentration (unter 2 ppm) ist häufig eine zweite Kalibrierung für einen Null-Sauerstoff-Standard erforderlich. Bei einer Sauerstoffkonzentration von Null erzeugen einige höherentwickelte Sonden keinen Strom, wodurch sie den Nullpunkt definieren und einen zweiten Kalibrierschritt überflüssig machen.

Applikationen
Zu den Applikationen für die Messung von gelöstem Sauerstoff gehören Prozesse, bei denen sich die Sauerstoffmenge auf die Reaktionsgeschwindigkeit oder die Prozeßeffizienz auswirkt oder eine bestimmte Umweltbedingung anzeigt. Wichtige Applikationsbereiche sind z.B. Wasseraufbereitung, Weinproduktion, Bioreaktionen und die Überwachung von Umweltgewässern.

Das Henrysche Gesetzund gelöster Sauerstoff in Wasser
Das Henrysche Gesetz besagt, daß der Teildruck eines Gases in einer Flüssigkeit dem Teildruck des Gases im Dampf über der Flüssigkeit entspricht." Sauerstoff löst sich in Wasser so, daß der Gehalt des gelösten Sauerstoffs im Wasser mit der Atmosphäre im Gleichgewicht ist, was ca. 20,9 % beträgt. Der Gehalt an gelöstem Sauerstoff im Wasser variiert entsprechend der Temperaturfluktuationen, Änderungen des Barometerdrucks und des Salzgehalts.

Was ist BSB?
BSB (Biochemischer Sauerstoffbedarf) ist eine empirische Analyse, die normalerweise in städtischen oder industriellen Klärwerken verwendet wird. Diese Analyse bestimmt die Sauerstoffmenge (in mg/Loder ppm ausgedrückt), die Mikroorganismen im Wasser verbrauchen, wenn sie organische Materie abbauen. Die Ergebnisse dieser Analyse werden zur Berechnung des Wasserverschmutzungsgrades und zur Bestimmung der Effektivität der Wasserbehandlung durch Klär- oder Abwasseranlagen verwendet. Unbehandeltes Abwasser, das in eine Kläranlage fließt (Zufluß) hat einen hohen BSB, behandeltes Wasser, das aus der Kläranlage fließt (Abfluß) sollte einen stark reduzierten BSB-Werthaben, wenn es richtig geklärt wurde.

Warum ist die BSB-Messung so wichtig?

Die BSB-Messung ist wichtig, weil sie die grundlegendste Art zur Bestimmung der Wasserverschmutzung und zur Prognose der möglicherweise schädlichen Auswirkungen von Abwasserfreisetzungen darstellt. Organische Materie im Wasser kann aus Pflanzen, Zuckern, Proteinen oder anderen Substanzen stammen, die aus natürlichen Quellen oder durch Verschmutzung ins Wasser gelangen. Diese Materie wird biochemisch von Organismen wie z. B. Bakterien zersetzt, die sich so lange vermehren können, solange organische Stoffe als Nahrung sowie Sauerstoff zum Atmen vorhanden sind. Wenn hohe Populationen an Mikroorganismen oder Bakterien kontinuierlich und beschleunigt gelösten Sauerstoff in Wasser konsumieren, kann der verbrauchte Sauerstoff nicht durch Luft aus der Atmosphäre ersetzt werden. Diese Situation könnte einen Mangel an gelöstem Sauerstoff im Wasser verursachen, wodurch viele Lebensformen im Wasser bedroht oder zerstört werden.

Wie wird der BSB-Wertbestimmt?
Die empirische Methode, die allgemein im Labor zur Bestimmung des BSB verwendet wird, heißt 5-tägiger BSB - oder "Verdünnungs" - Test. Dieses Verfahren wird durch Füllen mehrerer Flaschen mit bestimmten Volumina mit entweder Leitungswasser oder destilliertem Wasser, das einen pH-Puffer und anorganische Nährstoffe enthält, durchgeführt. Das Verdünnungswasser, das mit gelöstem Sauerstoff gesättigt wird, wird dann mit einem bekannten Volumen einer Probe vermischt, und der Anfangsgehalt an gelöstem Sauerstoff wird gemessen*. Die Flaschen werden dann bei konstanter Temperatur von 20°C und bei dunklen Lichtverhältnissen fünf Tage lang inkubiert. Während dieser Zeit oxidieren die Bakterien die organische Materie in der Probe und verbrauchen den gelösten Sauerstoffim Wasser. Bei Abschluß des Tests wird der gelöste Sauerstoff dann nochmals gemessen*, und der BSB kann durch die Berechnung der Differenz zwischen den gelösten Sauerstoffwerten am ersten und fünften Tag bestimmt werden.

BSB (mg/L) = (GSTag 1 - GSTag 5) xGesamtvolumen in Flasche
Anfangsprobenvolumen

* Messung des gelösten Sauerstoffs kann entweder elektrochemisch z. B. mit einer Clark-Elektrode oder durch Winkler-Titration bestimmt werden. Messungen mit Clark-Elektroden sind besser reproduzierbar und führen zu weniger Fehlern ein als die Winkler-Titration.

 

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