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Messparameter

Gelöste Sauerstoffmessung – Worin liegen die Vorteile eines optischen Systems gegenüber einem galvanischen System?

Veröffentlicht von Dr. Katharina Fejfar am 15.05.2019 12:00:00

 Einleitung

Wie in allen Bereichen in unserer Zeit erwarten wir auch von neuen Messgeräten/‑verfahren, dass diese robuster und leistungsstärker sind als die Geräte/Verfahren, die sie ablösen sollen.[1] Zusätzlich sollten sie auch einfach in der Handhabung sein und möglichst wenig Kalibrierungs-/Wartungsaufwand mit sich bringen. Gerade der letzte Punkt wird zunehmend wichtiger, da der Kostendruck und somit der Zeitdruck für den einzelnen Mitarbeiter ansteigt.[1] Aus diesem Grund haben wir uns zwei Systeme zur Ermittlung des gelösten Sauerstoffes in Wasser genauer angeschaut und hinsichtlich Handhabung, Kalibrierung, Wartung, Messung und unerwünschter Beeinflussung des Messergebnisses durch Verunreinigungen verglichen. Hierfür wurde ein gut etabliertes System mit einem galvanischen Clark-Sensor, das HI98194 von Hanna Instruments, und ein neues System mit optischer Sonde, das HI98198, ebenfalls von Hanna Instruments, verglichen. Durch die unterschiedlichen Sensoren liegen den beiden Geräten auch unterschiedliche Messprinzipien zu Grunde. Während das HI98194 den Sauerstoffgehalt über eine Redoxreaktion ermittelt, erfolgt die Messung beim HI98198 über das Prinzip des Fluoreszenz-Quenchings.[2,3]

Ergebnisse

Messung
Um zu überprüfen, wie sich die beiden Elektroden unter verschiedenen Bedingungen verhalten, wurden Messungen in unterschiedlichen Gewässern durchgeführt. Hierfür wurden in drei Gewässern (Rhein, Neckar und einem See) jeweils drei Messungen nacheinander durchgeführt. Die Sonde wurde dabei in das Wasser gehalten und leicht bewegt, um eine Anströmung sicher zu stellen. Es wurde solange gewartet, bis der Wert stabil war. Die jeweiligen Mittelwerte für das Gerät mit der optischen Sonde HI98198 (Tabelle 1) und für das Gerät mit der galvanischen Sonde HI98194 (Tabelle 2) sind nachfolgend angegeben.

Tabelle 1: Messergebnisse für das HI98198

Messstelle

DO [% Sättigung]

DO [mg/L]

Anglersee

99,7

10,68

Rhein

95,0

9,91

Neckar

94,6

10,49

 

Tabelle 2: Messergebnisse für das HI98194

Messstelle

DO [% Sättigung]

DO [mg/L]

Anglersee

101,7

10,83

Rhein

96,6

10,02

Neckar

97,7

10,86


Einfluss durch Verunreinigungen

Viele natürliche Gewässer weisen Verschmutzungen auf, die entweder natürlichen Ursprungs (z. B. aufgewirbelter Sand) oder nicht natürlichen Ursprungs (z. B. ausgelaufenes Benzin / Öl) sein können. Um herauszufinden, wie empfindlich die beiden Sonden gegenüber Verunreinigungen im Wasser sind, wurde ein Versuch mit ölhaltigem Wasser durchgeführt. Um realistische Bedingungen nachzustellen wurden 350 mL Wasser mit 1 mL Öl versetzt und die Werte über einen Zeitraum von 75 min aufgezeichnet. Anschließend wurde die Ölbelastung noch einmal durch die Zugabe von weiteren 9 mL Öl erhöht und die Werte weitere 50 min aufgezeichnet. Der zeitliche Verlauf der Sauerstoffkonzentration wurde anschließend für das System HI98198 (Abbildung 1) und HI98194 (Abbildung 2) aufgetragen. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Zugabe von Öl zu einer Absenkung der Sauerstoffkonzentration im Wasser führt. Je mehr Öl zugegeben wird, desto geringer wird der Sauerstoffgehalt.
Abbildung1

Abbildung2

Um zu überprüfen ob beide Systeme nach diesem Test noch funktionieren, wurden die Sonden mit destilliertem Wasser abgespült und mit einem Tuch grob von den Ölrückständen befreit. Anschließend wurden beide Systeme noch einmal in einen Becher mit Wasser gehalten und die Lösung für 40 min gerührt. Sowohl das galvanische System, HI98194 (Abbildung 2), als auch das optische System, HI98198 (Abbildung 1), kehrten problemlos wieder auf die Ausgangswerte des Wassers zurück. Somit zeigt sich, dass bei Messung in ölbelasteter Flüssigkeit weder die Membran bei dem HI98194 noch das Smart Cap bei dem HI98198 einen irreversiblen Schaden nehmen.

Als weiteres wurde ein Versuch mit einer noch höheren Ölkonzentration durchgeführt, um die Membran unter sehr harschen Bedingungen zu testen. Beide Sonden wurden in ein Gemisch von 500 mL Wasser mit 50 mL Öl eingetaucht und das Gemisch für 85 min gerührt. Wie auch bei den vorherigen Versuchen wurde alle 5 min ein Messpunkt aufgezeichnet und der zeitliche Verlauf der Sauerstoffkonzentration für das System HI98198 (Abbildung 3) und HI98194 (Abbildung 4) aufgetragen.

Abbildung3

Abbildung4

Durch Zugabe des Öls wird die Sauerstoffkonzentration kurzfristig erhöht. Anschließend fällt diese in beiden Fällen wieder ab, bis sich nach ca. 30 min ein relativ stabiles System bildet. Es ist deutlich zu erkennen, dass beide Systeme recht gut mit diesen harschen Bedingungen zurechtkommen. Allerdings sind bei dem galvanischen System zwei Ausreißer zu beobachten. Vermutlich wurde dies durch Ölblasen direkt an der Membran verursacht, wodurch die Anströmung für kurze Zeit vermindert wurde. Durch das permanente Rühren lösten sich die Ölblasen wieder und der Wert normalisierte sich anschließend.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass beide Systeme unter realen Bedingungen und mit leichten Verschmutzungen gut funktionieren. Erst bei einer höheren Belastung zeigt das galvanische System eine Schwäche. Hinsichtlich Handhabung, Kalibrierung und Wartung hat das optische System jedoch Vorteile gegenüber dem galvanischen System.

Literatur
[1] S. Bell,F.Dunand, M.Schubert und R.König, VGB Powertech 2012, 9, 1-6.
[2] Leland C. Clark, Richard Wolf, Donald Granger, Zena Taylor, J. Appl Phiosol.1953, 6 (3), 189-193.
[3] I.Klimant, M.Kuhl, R.N.Glud, G.Holst, Sensors and Actuators B: Chemicals 1997, 38-39, 29-37.

Autorin: Dr. Katharina Fejfar, Hanna Instruments Deutschland, Vöhringen

Themen: Umweltanalytik, Gelöster Sauerstoff

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