Leitfähigkeitssensoren: Überwachung der Wasserqualität

Was ist Leitfähigkeit?

Leitfähigkeit ist die Fähigkeit von Wasser, Elektrizität zu leiten. Diese Leitfähigkeit setzt voraus, dass die Ionen im Wasser Ladungsträger sind. Reines Wasser enthält keine Ionen (abgesehen von gelegentlichen Wassermolekülen) und ist daher ein sehr schlechter Leiter für Elektrizität. Da Wasser jedoch chemische Salze aufnimmt, fügen diese Salze dem Wasser Ionen hinzu, wenn sie sich auflösen. Je höher die Ionenstärke des Wassers ist, desto höher ist auch die Leitfähigkeit – je „salziger“ das Wasser, desto höher die Leitfähigkeit.

Beachten Sie, dass eine Leitfähigkeitsmessung nicht unbedingt etwas über die Konzentration der Ionen im Wasser aussagt, denn verschiedene Ionen tragen unterschiedlich zur Leitfähigkeit bei. Große, unhandliche Ionen wie Acetat tragen nicht dazu bei, Elektrizität gut zu leiten. Kleine, schnelle Ionen, wie z.B. H+, tragen pro Ion viel stärker zur Leitfähigkeit bei. Da es sich bei natürlichen Gewässern in der Regel um ständig wechselnde Ionenmischungen handelt, ist eine Leitfähigkeitsmessung nur eine relative Messung der Ionenkonzentration.

Der Salzgehalt wird häufig anhand der Leitfähigkeit berechnet, wobei davon ausgegangen wird, dass das Wasser in seiner chemischen Zusammensetzung dem Meerwasser sehr ähnlich ist. In Meerwasser ist eine Leitfähigkeit von 55.000 µS/cm ungefähr dasselbe wie ein Salzgehalt von 35 PSS (PSS ist die praktische Salzgehaltsskala, die die traditionellen ppt-Salzgehaltseinheiten ersetzt hat). Der Salzgehalt ist technisch nur für kleine Verdünnungen und Konzentrationen von Salzwasser definiert und wird daher nur selten im Süßwasserbereich verwendet.

Warum ist die Leitfähigkeit bei der Überwachung der Wasserqualität wichtig?

Aus chemischer Sicht können Leitfähigkeitsmessungen dazu verwendet werden, die Stabilität eines Gewässers zu überwachen. Eine gleichbleibende Leitfähigkeit bedeutet in der Regel, dass dem Wasser keine Chemikalien zu- oder abgeführt werden. Ein sprunghafter Anstieg der Leitfähigkeit kann auf einen Anstieg der Ionen aus einer Verschmutzungsquelle hinweisen, z.B. aus einem Abwasserauslass, aus landwirtschaftlichen Abflüssen oder aus dem Eindringen der Gezeiten. Ein Abfall der Leitfähigkeit kann auf eine Verringerung des Chemikalieneintrags und/oder einen Anstieg des Frischwassereintrags (z.B. durch Regenfälle) hinweisen.

Leitfähigkeitsmessungen können auch zur Beurteilung der biologischen Gesundheit herangezogen werden, da einige Pflanzen- und Tierarten empfindlich auf hohe oder niedrige Leitfähigkeiten reagieren. Austern zum Beispiel fühlen sich in stark verdünntem Meerwasser nicht wohl. Süßwasser-Wildfische fühlen sich in salzigem Wasser nicht wohl.

Leitfähigkeitsmesswerte können auch als Schlussfolgerung verwendet werden. So wird bei der Überwachung von Süßwasserstränden häufig davon ausgegangen, dass ein plötzlicher Anstieg der Leitfähigkeit auf eine Verunreinigung durch Abwässer oder Regenfälle zurückzuführen ist – beides ist in der Regel mit hohen Bakterienzahlen verbunden. Daher kann die Leitfähigkeitsspitze ein Grund sein, die Strände zu schließen.

Schließlich werden die Leitfähigkeitsmessungen zur Korrektur der Wasserstandsmessungen und der Messungen des gelösten Sauerstoffs verwendet. Eine Erhöhung der Leitfähigkeit bedeutet eine Erhöhung der Wasserdichte, so dass die Wasserstandsmessungen verringert werden müssen, um dies auszugleichen. Eine Erhöhung der Leitfähigkeit verringert auch die Löslichkeit von Sauerstoff im Wasser, so dass die Berechnungen der prozentualen Sättigung des Sauerstoffs zum Ausgleich erhöht werden müssen.

Wie wird die Leitfähigkeit gemessen?

Die Leitfähigkeit wird am häufigsten mit Ringkernsensoren oder Vier-Elektroden-Sensoren gemessen. Toroidal-Sensoren werden nur selten in Multisonden verwendet, da sie bei niedrigen Leitfähigkeiten eine geringe Empfindlichkeit aufweisen. Bei Vier-Elektroden-Sensoren wird der Strom gemessen, der erforderlich ist, um eine feste Spannung zwischen zwei Elektrodenpaaren aufrechtzuerhalten, die durch eine feste Geometrie von Wasser getrennt sind. Beide Methoden sind für die meisten Untersuchungen von natürlichen Gewässern mehr als ausreichend.

Wie kalibrieren Sie Leitfähigkeitssensoren?

Leitfähigkeitssensoren werden mit einem Standard kalibriert, und dieser Standard ist fast immer eine bekannte Konzentration von Kaliumchlorid (KCl). Der Wert, bei dem die Kalibrierung vorgenommen wird, hängt von der Anwendung ab – für sehr frische Gewässer ist ein niedriger Leitfähigkeitsstandard am besten geeignet und umgekehrt. Wählen Sie einen Kalibrierstandard, der etwas höher ist als der höchste Messwert, den Sie im Feld erwarten.

Welche anderen Parameter beeinflussen die Leitfähigkeitsmessung?

Die Leitfähigkeit ist eine direkte Messung der elektrischen Leitfähigkeit, und die elektrische Leitfähigkeit variiert mit der Wassertemperatur. Wasser bei 15 °C hat eine geringere Leitfähigkeit als das gleiche Wasser bei 30 °C. Um die Leitfähigkeitsmesswerte besser vergleichen zu können, ist es üblich, die Messwerte auf 25 °C zu „korrigieren“ – das heißt, die Leitfähigkeit so anzugeben, wie sie wäre, wenn die Wassertemperatur auf 25 °C geändert würde. Die auf 25 °C korrigierten Messwerte werden als „spezifischer Leitwert“ und nicht als Leitfähigkeit bezeichnet.