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?

Es gibt zwei Arten von Sensoren, die üblicherweise zur Messung des Sauerstoffgehalts verwendet werden. Die traditionelle Clark-Zelle besteht aus zwei Elektroden, die von einer Elektrolytlösung auf Wasserbasis umgeben und mit einer sauerstoffdurchlässigen Membran bedeckt sind. Wenn der Sauerstoff die Membran durchquert, um sich im Elektrolyten zu lösen, wird er in einer chemischen Reaktion verbraucht, die einen kleinen elektrischen Strom zwischen den beiden Elektroden erzeugt. Dieser Strom ist direkt proportional zur Menge des Sauerstoffs in der Wasserprobe. Diese Methode wird in den Standardmethoden 4500-O G näher beschrieben. Eureka bietet diesen Sensortyp nicht mehr an.

Die zweite Art von DO-Sensor ist der optische DO-Sensor, wie der HDO von Eureka, bei dem ein blaues Licht auf eine sauerstoffaktive Verbindung gerichtet wird, die in einem sauerstoffdurchlässigen Polymer stabilisiert wurde. Das blaue Licht bringt die sauerstoffaktive Verbindung zum Fluoreszieren – d.h. sie absorbiert Energie in Form von blauem Licht und emittiert dann Energie in Form von rotem Licht. Die Fluoreszenz wird durch Sauerstoff gelöscht, d.h. die Emission von rotem Licht wird reduziert, wenn Sauerstoffmoleküle vorhanden sind, die mit der sauerstoffaktiven Verbindung interferieren. Je mehr Sauerstoff vorhanden ist, desto geringer ist die Menge des erzeugten roten Lichts.

Wenn die polymere Sensoroberfläche mit Wasser in Berührung kommt, diffundiert Sauerstoff in die Sensoroberfläche, je nach der Menge („Partialdruck“) des Sauerstoffs im Wasser. Die Menge des roten Lichts, die der Sensor empfängt, steht also in direktem Zusammenhang mit der Menge des Sauerstoffs im Wasser. Das rote Lichtsignal wird auf die richtigen DO-Einheiten kalibriert.

Optische DO-Sensoren sind zum Standard geworden und werden gegenüber Clark-Zellen bevorzugt, da sie eine geringe Kalibrierungsdrift im Feld aufweisen, nicht strömungsempfindlich sind (kein Zirkulator erforderlich) und keinen schwierigen Membranwechsel erfordern, der die Benutzer von Clark-Sensoren stört. Am 1. Juli 2007 hat die EPA die ASTM International Method D888-05, Standard Test Methods for Dissolved Oxygen in Water (Standardtestmethoden für gelösten Sauerstoff in Wasser) für die Messung des Sauerstoffgehalts gemäß 40 CFR 136 genehmigt, wodurch die optischen Sauerstoffsensoren für die Verwendung durch Regierungsbehörden akzeptabel werden.

Die Menge des gelösten Sauerstoffs, zum Beispiel in einem See oder Fluss, hängt von mehreren Variablen ab. Je höher der Luftdruck ist, desto mehr Sauerstoff kann sich im Wasser lösen. Und je höher die Wassertemperatur ist, desto weniger Sauerstoff kann sich im Wasser lösen.

Wenn das Wasser so viel Sauerstoff aufgenommen hat, wie es bei einer bestimmten Kombination aus Temperatur und Luftdruck möglich ist, spricht man von einer Sättigung des Wassers mit Sauerstoff. Wenn im Durchschnitt kein Sauerstoff in das Wasser hinein oder aus dem Wasser heraus strömt, sagt man, dass der Sauerstoff im Wasser im Gleichgewicht mit dem Sauerstoff in der Atmosphäre ist.

Gelöster Sauerstoff (DO) wird in der Regel in zwei Einheiten angegeben. Die Sauerstoffkonzentration ist das Gewicht des im Wasser gelösten Sauerstoffs und wird in mg/l oder ppm angegeben. Die prozentuale Sättigung des Sauerstoffs ist das Verhältnis zwischen dem Sauerstoff im Wasser und der maximalen Sauerstoffmenge, die sich unter den gleichen Bedingungen in einer Wasserprobe lösen kann, und wird in % Sättigung angegeben.

Die älteren Clark Cell Sensoren wurden traditionell in wassergesättigter Luft kalibriert, aber die Kalibrierung in luftgesättigtem Wasser wird immer beliebter. Dazu wird ein halber Liter Wasser in einem Ein-Liter-Behälter eine Minute lang geschüttelt und dann eine Minute gewartet, bis die Blasen an die Oberfläche steigen und verschwinden. Der DO-Sensor wird in dieses Wasser getaucht und erhält Zeit, sich zu stabilisieren. Mit der Kenntnis der Wassertemperatur und des Luftdrucks kann das Gerät den DO-Gehalt im Wasser ermitteln, da es weiß, dass das Wasser mit Sauerstoff gesättigt ist. Das Gerät stellt die Anzeige des DO-Sensors entsprechend ein.