C02 Kohlendioxidsensoren: Überwachung der Wasserqualität

Warum sollte ich CO₂ messen wollen?

Kohlendioxid kann über verschiedene Wege ins Wasser gelangen. Zu den primären Quellen an Land gehören der Zerfall organischer Stoffe, die Auflösung von Karbonatgestein, Abwassereinleitungen und die Entwässerung von Wassereinzugsgebieten. Andere natürliche Quellen sind die biologische Atmung, die Diagenese von Sedimenten oder vulkanische Aktivitäten. Eine wichtige Quelle/Senke von CO₂ ist der atmosphärische Austausch an der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser. Einfach ausgedrückt: Kohlendioxid löst sich in Wasser auf.

Ein Anstieg der CO₂-Konzentration im Wasser verursacht einen Abfall des pH-Werts. Da viele biologische, chemische und physikalische Prozesse vom pH-Wert abhängig sind, können plötzliche oder schnelle Änderungen des pH-Werts negative Auswirkungen auf die Regulierung dieser Prozesse haben. Neben den Auswirkungen auf den pH-Wert haben sich hohe CO₂-Konzentrationen auch als schädlich für die Entwicklung bestimmter Organismen wie Fische, Muscheln und andere kalkbildende Organismen, einschließlich Phytoplankton, erwiesen.

Wie wird CO₂ gemessen?

Der Solinst Eureka C02-Sensor kombiniert ein robustes Design, Benutzerfreundlichkeit und Vielseitigkeit in einem einzigen Sensorpaket. Die Messung eines in einer Flüssigkeit gelösten Gases wird durch eine halbdurchlässige Membran erleichtert, die es Gasen ermöglicht, aus dem Wasser in einen Gaskopfraum zu gelangen, in dem die Messung vorgenommen wird. Der resultierende Wert wird als Spannung von 0 – 5 Volt ausgegeben, die proportional zur Menge des CO₂-Gases in der analysierten Wasserprobe ist und eine Schätzung darstellt. Das MantaPlus konvertiert die Ausgabe in %Sat oder ppm.

Der Bereich des Sensors kann individuell eingestellt werden, um die Genauigkeit zu maximieren. Der C02-Sensor wird mit einer Werkskalibrierung geliefert.

Das Gas Kohlendioxid löst sich in Wasser: CO₂ (g) ↔ CO₂ (aq). Gemäß dem Henry’schen Löslichkeitsgesetz, das besagt, dass die Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit direkt proportional zum Partialdruck des Gases über der Flüssigkeit ist, können wir die CO₂-Konzentration in Wasser durch Messung des Partialdrucks von Kohlendioxid (pCO₂) schätzen: pCO₂ = [CO₂] aq/Löslichkeit. Da die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre derzeit 400 ppm übersteigt, verglichen mit den um 1960 gemessenen Werten von ~300 ppm (ein Anstieg von mehr als 30%), erwarten wir höhere Konzentrationen im Meerwasser, da der Kohlenstoff in Wasserschichten eingeschlossen werden kann. Diese isolierten Schichten sind vom atmosphärischen Ausgleich/Austausch ausgeschlossen, was zu einer Anhäufung von CO₂ führt, das langsam über Gradienten diffundieren oder sich schnell durch die Wassersäule mischen kann.

Was sollte ich über die CO₂-Messung im Feld wissen?

MantaPlus-Multisonden, die mit CO₂-Sensoren ausgestattet sind, werden für die Forschung in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt – Aquakultur, Abwasserüberwachung, Riffüberwachung, Kohlenstoffspeicherung und Biokraftstoffe, um nur einige zu nennen.

In Aquakulturbetrieben kann das MantaPlus mit der C-sense-Sonde sowohl im offenen Wasser als auch in Becken verwendet werden, um sicherzustellen, dass die CO₂-Werte und andere Wasserqualitätsparameter innerhalb der gewünschten Werte liegen. Systeme, die Daten vom MantaPlus empfangen, können Aquakulturwissenschaftler vor veränderten CO₂-Werten in einer Farm warnen.

Abwässer haben oft eine hohe organische Belastung, die zu einem schnellen Zerfall und einer CO₂-Produktion von bis zu 10.000 ppm bei bestimmten Teichen führen kann. Diese CO₂-Werte sind 20 Mal höher als die typischen CO₂-Werte in natürlichem Wasser. Wenn es in natürliche Gewässer wie Flussmündungen, Flüsse oder Seen gelangt, können diese Systeme und die darin lebenden Organismen stark beeinträchtigt werden und die Dynamik oder Produktivität des aquatischen Lebensraums verändern.

Die Versauerung der Ozeane, die auf den steigenden CO₂-Gehalt in der Atmosphäre zurückzuführen ist, kann Organismen wie Korallen, die für den Aufbau von Riffen in hohem Maße auf Kalkbildung angewiesen sind, stark beeinträchtigen. Außerdem kann die anthropogene Eutrophierung, die zu einer hohen CO₂-Belastung führt, aufgrund ihrer Nähe zum Land den Versauerungsprozess in einem Gewässer erheblich beschleunigen und die Korallenriffe beeinträchtigen oder sogar zerstören. Die Überwachung von Riffen oder Flüssen und anderen Wasserströmen, die in küstennahe Gebiete fließen, mit einem MantaPlus-Multisondengerät mit CO₂-Sensor kann einen guten Hinweis auf die zu erwartenden Veränderungen in einem Riffsystem geben. Dies kann die Regulierungsbehörden informieren, um den anthropogenen Eintrag umzuleiten, zu verlangsamen oder besser zu kontrollieren, um die Integrität dieser Lebensräume zu erhalten.

Bei der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (Carbon Capture Storage, CCS) wird Kohlendioxid in tiefe saline Aquifere gepumpt, um Kohlenstoff aus Oberflächengewässern oder der Atmosphäre zu entfernen. Diese tiefen Gewässer sind vom Kohlenstoffaustausch isoliert, was sie zu einer der wichtigsten Senken für CO₂ macht. Die Aquifere können bis zu 10% CO₂ (100.000 ppm) enthalten, mehr als das 200-fache des atmosphärischen Wertes. Um sicherzustellen, dass das CO₂ in der Tiefe verbleibt, ist die Überwachung von Grundwasserleitern, Grund- und Oberflächengewässern von entscheidender Bedeutung. Das MantaPlus mit CO₂-Sensor ist ein kostengünstiges und robustes Detektionsinstrument, das sicherstellt, dass das CO₂ gebunden bleibt.

Die Biokraftstoffindustrie nutzt atmosphärisches CO₂, um Algen in großem Maßstab zur Herstellung von Kraftstoffen zu züchten. Um eine Algenfarm angemessen einzurichten, müssen während der Pilotversuche in situ p CO₂-Messungen durchgeführt werden, um die optimalen Werte für das Algenwachstum zu bestimmen und die Effizienz der Farm oder die Produktivität der Algen zu maximieren. Sobald eine Farm in Betrieb ist, muss auch der CO₂-Verlust reguliert werden, um die für diese Art von Industrie geltenden Kohlenstoffemissionsgesetze einzuhalten. Der groß angelegte Charakter dieser Farmen führt zu weitreichenden Veränderungen des pCO₂-Gehalts in situ, die mit der MantaPlus Multiparametersonde mit CO₂-Sensor einfach und genau erfasst werden können.