Sensoren für gelösten Sauerstoff: Überwachung der Wasserqualität

Was ist gelöster Sauerstoff?

Flüssiges Wasser ist eine lose Matrix aus Wassermolekülen. Wenn Wasser ohne Sauerstoff mit einer Sauerstoffquelle wie der Atmosphäre in Berührung kommt, dringt der Sauerstoff langsam in die Lücken der Wassermolekülmatrix ein. Dieser Sauerstoff wird als gelöster Sauerstoff (DO) bezeichnet; es ist dasselbe wie das Auflösen von Kochsalz in Wasser. Der im Wasser gelöste Sauerstoff stammt aus der Atmosphäre und/oder von photosynthetischen Organismen (Algen) im Wasser.

Warum sollte ich gelösten Sauerstoff messen wollen?

Wie der Mensch müssen auch Fische und andere Wassertiere Sauerstoff atmen, um zu leben. Sie sind daran angepasst, im Wasser gelösten Sauerstoff zu atmen und nicht den Sauerstoff aus der Atmosphäre. Wildfische wie Forellen benötigen einen hohen Sauerstoffgehalt, während Raubfische wie Karpfen auch bei einem niedrigeren Sauerstoffgehalt leben können. Fischsterben wird oft durch einen niedrigen Sauerstoffgehalt verursacht, der ironischerweise durch die Zersetzung der Algen ausgelöst wird, die dem Wasser vor dem Tod Sauerstoff zugeführt haben.

Der Sauerstoffgehalt beeinflusst auch die grundlegende Wasserchemie. Stark mit Sauerstoff angereicherte Gewässer bevorzugen die oxidierte Form von Chemikalien, während schlecht mit Sauerstoff angereicherte Gewässer die reduzierte Form von Chemikalien bevorzugen. So begünstigen sauerstoffreiche Gewässer beispielsweise Schwefel in Form von Sulfat (SO4), während sauerstoffarme Gewässer Schwefel in Form von Schwefelwasserstoff (H2S) bevorzugen. Sulfat ist eine harmlose Substanz, aber Schwefelwasserstoff ist ein Gift.

Sedimente, die sich am Grund eines Gewässers ansammeln, weisen oft einen Sauerstoffgehalt von nahezu Null auf. Dieser chemisch reduzierende Bereich trägt dazu bei, Nährstoffe und Metalle im Sediment zu binden.

Veränderungen in den langfristigen DO-Trends können auf die Notwendigkeit einer detaillierteren chemischen Untersuchung des Wassers und seiner Kontaminationsquellen hinweisen.

Wie wird DO (gelöster Sauerstoff) 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.