Smarte Fotometer arbeiten auch in niedrigen Messbereichen präzise

Online-Bestimmung von Schwermetallen in Wasser

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Die Komplexität speziell von industriellem Prozesswasser und die rasche Änderung der chemischen oder physikalischen Zusammensetzung erfordern praxistaugliche Messverfahren. Mit der Composer-Baureihe bietet Seibold Online-Analysatoren, die sich für die Prozesswasseranalyse ebenso wie für die Auslaufkontrolle von Abwasser oder die Qualitätskontrolle von Trinkwasser einsetzen lassen.

Die Verwendung von Metallen inklusive Schwermetallen in industriellen Produktionsprozessen ist vielfältig. Oft werden sie als Legierungen verarbeitet. Als wasserlösliche Ionen gelangen Sie in industrielles Prozesswasser, Abwasser und schließlich Trinkwasser. Einige Schwermetalle sind lebensnotwendig; zu ihnen zählen Kupfer, Zink, Eisen und Mangan, die der Organismus in Spuren benötigt. Andere Schwermetalle hingegen haben bei Stoffwechselprozessen keine erkennbare Funktion und sind bereits in geringen Mengen giftig.

Mangan und Eisen sind nicht toxisch, allerdings können Eisengehalte von über 0,3 mg/l unerwünschte Wirkungen haben. Für Mangan gilt Ähnliches, ab einem Gehalt von mehr als 0,1 mg/l wird auch der Geschmack des Wassers negativ beeinflusst. Kupfer hat erst in höheren Konzentrationen toxische Wirkung für den Menschen, ist aber hochtoxisch für viele Mikroorganismen und daher umweltgefährdend. Andere Metalle gelten als bedenklich (z. B. Aluminium) oder erwiesenermaßen gesundheitsgefährdend (z. B. Blei, Cadmium, Arsen, Chrom(VI)). Blei ist toxisch und reichert sich im Körper an, sodass chronische Vergiftungen drohen.
Die Metalle können sich auch an bestimmten Stellen in der Nahrungskette anreichern, beispielsweise Cadmium in Getreide oder Blei in Fisch, wodurch sich die von ihnen ausgehende Gefahr auch für den Menschen erhöht.
Nachweispflicht/Messverfahren
Angesichts dieser Wirkungen ist unverkennbar, warum eine Kontrolle des Metallgehaltes im Wasser angebracht ist. Dazu existiert eine Vielzahl von gesetzlichen Grundlagen und Richtlinien. Beispielsweise sind in der Trinkwasserverordnung Höchstwerte für Schwermetallkonzentrationen, u. a. für Arsen, Blei, Cadmium, angegeben. Für industrielles Abwasser sind die Indirekteinleiterverordnung bzw. die länderspezifischen Eigenüberwachungsverordnungen maßgeblich.
Im Labor stehen verschiedene spektrometrische Verfahren zum Nachweis von Metallen in wässrigen Proben zur Verfügung. Solche hochempfindlichen, apparativ aufwendigen Techniken werden aber beim dauerhaften Einsatz im Feld gar nicht benötigt. In der Regel besteht durch die lokalen Gegebenheiten ein Problem mit nur wenigen Metallen, beispielsweise Eisen aus den örtlichen geologischen Gegebenheiten oder Kupfer aus einem ansässigen Unternehmen der Halbleiterindustrie.
Die Komplexität speziell von industriellem Prozesswasser, das Störungen in seiner Matrix beinhaltet, sowie die rasche Änderung der chemischen oder physikalischen Zusammensetzung erfordern praxistaugliche Messverfahren. Mit einem tiefergehenden Verständnis der betrieblichen Prozesse gelingt mithilfe von online-Analytik deren Optimierung.
Praxisbeispiele
Die Nachfrage nach Online-Lösungen zur Prozesswasserüberwachung hat in den letzten Jahren dramatisch zugenommen. Im Zuge dieser Entwicklung nehmen die Analysatoren zuverlässig eine neue Rolle ein – sie übernehmen nicht mehr nur die Emissionskontrolle, sondern arbeiten auch kontinuierlich direkt im Prozess.
Mit der Composer-Serie bietet Seibold Online-Analysatoren für Schwermetalle, die weltweit bei der Auslaufkontrolle von Abwasser, der Prozesswasseranalyse oder der Qualitätskontrolle von Trinkwasser eingesetzt werden. Die Analysatoren können die kontinuierliche Analyse einzelner Metalle (zum Beispiel Kupfer, Chrom, Nickel, Zink, Eisen, Blei, Mangan, …) oder zweier Schwermetalle kombiniert (Kupfer/Nickel, Kupfer/Zink, Eisen/Aluminium, Eisen/Mangan, …) leisten.
Der größte Bedarf besteht an Analysatoren für Eisen/Mangan, Kupfer und Aluminium in Trinkwasser. Kupferanalysatoren werden schon seit Jahren von Samsung in Südkorea betrieben und ermöglichen die Einhaltung der sehr strengen Vorschriften in den dortigen Trinkwasserschutzgebieten. In Taiwan installierte Aluminium/Eisen-Analysatoren dienen ebenfalls der Trinkwasserüberwachung. Der Kombinationsanalysator Kupfer/Nickel wurde speziell für die deutsche Galvanikindustrie entwickelt. Analysatoren für Cadmium sind zusammen mit Blei, Chrom und Phosphat ein Thema für die kanadische Luftfahrtindustrie. Zinkanalysatoren werden verwendet, um die Zinkkonzentration in Pharmazieabwasser zu überwachen. Der kombinierte Eisen/Chlorid-Analysator fand Verwendung in der Ukraine bei Arcelormittal, einer führenden Stahl- und Minengesellschaft. Die Entwicklung von Arsenanalysatoren begann, um eine Trinkwasserstation in einer mit Arsen kontaminierten Gegend in Chile ausstatten zu können. Dieses Projekt ist aus zwei Gründen bedeutend. Einerseits bestand angesichts großer Mengen an Trink- und Betriebswasser und der wachsenden Zahl an Angestellten die Verpflichtung, das Arsen zu überwachen. Zum anderen sind die Composer-Analysatoren in den Wasserbehandlungsprozess eingebunden und ermöglichen die Kontrolle der Arsenfilter und deren Austausch zu kritischen Zeitpunkten.
Vorteile der Online-Messgeräte
Der Vorteil dieser Analysatoren liegt in der kontinuierlichen Überwachung in einem Gerät. Der Messbereich der Analysatoren wird in Abstimmung mit dem Anwender nach dessen Anforderungen angepasst. Möglich sind sowohl ein hoher Messbereich (0,1 bis 5 mg/l), ein niedriger Messbereich (50 µg/l bis 10 mg/l) als auch ein ultraniedriger Messbereich (1 bis 50 µg/l). Damit können messtechnisch sowohl stark verschmutzte Medien als auch Trinkwasser, für das zum Teil strenge Grenzwerte gelten, analysiert werden. Die Grenzwerte laut Trinkwasserverordnung liegen beispielsweise für Blei und Arsen bei 0,010 mg/l, für Nickel bei 0,02, für Chrom bei 0,05 und für Eisen und Aluminium bei 0,200 mg/l.
Alle zur Bestimmung notwendigen Schritte werden online durchgeführt, was die Komplexität verringert und die Reproduzierbarkeit erhöht. Das beginnt bei einer angepassten Vorbehandlung zur Homogenisierung der Probe. In weiteren Schritten binden Maskierungsreagenzien anwesende Störionen, sodass diese nicht die Messung beeinflussen können. Schließlich wird die Oxidationsstufe des nachzuweisenden Metalls passend eingestellt und nach Reaktion mit dem hochempfindlichen Farbreagenz erfolgt die kolorimetrische Messung.
Alle Composer-Prozessanalysatoren folgen strengen Designprinzipien: Eine komplexe Elektronik mit einfach zu verwendender Software und ein einfacher mechanischer Aufbau sorgen für geringen Wartungsaufwand und machen sie erschwinglich und sehr zuverlässig. Getreu dieser Maxime flossen folgende zahlreiche Verbesserungen in die Detektionsmethode ein, sodass die aktuelle Generation von Analysatoren technologische Maßstäbe setzt: Das Signal-Rausch-Verhältnis konnte durch Veränderungen an der Elektronik verbessert werden, ebenso wie die Auflösung. Dies führt zusammen mit einer Optimierung der Probenkammer hinsichtlich Größe und Form zu höherer Genauigkeit in niedrigsten Messbereichen. Das mikroprozessorgesteuerte Fotometer verwaltet mehrere Kalibrationen und korrigiert den Einfluss der Trübung und Färbung des Mediums sowie Luftblasen. Schließlich ermöglicht das zuletzt implementierte Messverfahren mit zwei Wellenlängen eine effektivere Hintergrundkompensation in Trinkwasser und ultrareinem Wasser. Dieses smarte Fotometer liefert damit höchste Präzision in niedrigsten Messbereichen bis hinunter zu 20 µg/l. Composer-Analysatoren sind damit geeignet für kritische Anwendungen.
Eine starke Verpflichtung sieht der Hersteller darin, das Risiko in Betrieb und Produktion mit nicht toxischen Reagenzien zu reduzieren. Das war der Antrieb für die eigenentwickelten Reagenziensets (Puffer und Farbreagenz).
www.prozesstechnik-online.de Suchwort: cav0517seibold

Rainer Bernert
Geschäftsführer, Seibold Wasser-Analysatorenfabrik

Dr. Jasmina Vukovic
Entwicklungsleiterin, Seibold Wasser-Analysatorenfabrik

Dr. rer. nat. Sebastian Barfüßer
Vertrieb Deutschland, Gimat Liquid Monitoring
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