Wasseranalyse
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Wasseranalysen dienen der Bestimmung chemischer, physikalischer und mikrobiologischer Parameter, die die Beschaffenheit der jeweiligen Probe beschreiben. Solche Analysen erfolgen beispielsweise bei der Bewertung von Grundwasser, Heilwasser, Quellwasser und ähnlichem. Von besonderer Bedeutung sind Wasseranalysen beim Trink- bzw. Rohwasser. Hier sind Anzahl und Umfang der Analysen in vielen Ländern gesetzlich vorgeschrieben, in Deutschland durch die Trinkwasserverordnung. Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich ist die Fischerei.
Am häufigsten wird Wasser nach Nitrat, Nitrit, Ammonium, dem pH-Wert, den Sauerstoffgehalt, der elektrischen Leitfähigkeit und dem Phosphatgehalt untersucht. Häufig untersuchte Parameter sind auch die der organischen Belastung, also der TOC, der CSB oder die Oxidierbarkeit durch Kaliumpermanganat sowie der Biologische Sauerstoffbedarf
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[Bearbeiten] Probenahme
Die Art der Probenahme von Wasser richtet sich in der Regel nach den Anforderungen an die Probe, ist also von den zu bestimmenden Parametern abhängig. Einige von ihnen müssen noch während oder zumindest unmittelbar nach der Probenahme ermittelt werden, da sich die Werte im Lauf der Aufbewahrung ändern würden. Dazu zählen unter anderem Temperatur und pH-Wert, der Sauerstoffgehalt, aber auch Geruch, Trübung und ähnliches. Bei Quellwässern dürfen aufgewühltes Sediment, aber auch an der Oberfläche schwimmende Partikel nicht in das Probengefäß gelangen. Gleichzeitig sollte es vermieden werden, den Quellwasserspiegel anzustauen oder abzusenken.
Als Gefäße dienen saubere farblose Glas- oder Polyethylenflaschen, die vor der Analyse mehrmals mit dem zu untersuchenden Wasser durchgespült werden sollen. Für den Transport werden die Flaschen mit Stopfen oder Schraubverschlüssen des gleichen Materials verschlossen. Sollen auch organische Belastungen wie beispielsweise PAKs (polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe) untersucht werden, eignen sich auch Metallgefäße, wobei chemische Reaktionen zwischen Flasche und Wasserprobe auszuschließen sind.
Die Entnahme der Probe beginnt erst, wenn das Wasser nicht mehr von äußeren Einflüssen beeinträchtigt wird, also als repräsentativ für den zu untersuchenden Wasserkörper angesehen werden kann. Im Allgemeinen ist dieser Zustand erreicht, wenn die elektrische Leitfähigkeit konstant ist.
[Bearbeiten] Feldanalyse
Vor Ort werden organoleptische sowie physikochemische Parameter bestimmt. Zur Organoleptik zählen Geruch, Färbung, Trübung, Bodensatz und bei Proben mit Trinkwasserqualität der Geschmack. Die physikochemischen Parameter Wassertemperatur, pH-Wert, Sauerstoffgehalt und Redoxpotential sowie die Gesamtgassättigung können nur insitu korrekt gemessen werden, da sie nicht nur von den Inhaltsstoffen der Probe, sondern auch von der Umgebung abhängen. Wenn es also irgend möglich ist, sollten diese Werte am Ort zur Zeit der Probenahme ermittelt werden. Neben diesen Parametern muss auch die Bestimmung der Kohlensäure möglichst bald nach der Probenahme erfolgen (vor allen die dazu nötige pH-Messung).
[Bearbeiten] Wassertemperatur, elektrische Leitfähigkeit und pH-Wert
Diese drei Parameter werden beispielsweise mit Hilfe eines Multimeters ermittelt. Dazu werden an dem Gerät die entsprechenden Messfühler angebracht und vor der Messung gegebenenfalls kalibriert.
Die elektrische oder spezifische Leitfähigkeit gibt an, wieviel Strom in einer Lösung durch Anionen und Kationen transportiert wird, ist also ein Maß für die im Wasser gelösten Ionen. Die Messung erfolgt mittels einer Leitfähigkeitsmesszelle. Als Faustformel kann man sagen, dass 90 µS/cm (bei 25°C) einer Carbonathärte von 1 mval/l (2,8°dH) entspricht, wobei in der Regel ca. 80+-60 µS/cm auf andere Ionen zurückgehen.
Der pH-Wert ist definiert als der negative dekadische Logarithmus des Betrags der Konzentration (in Mol/l) von H+-Ionen und ist ein Maß für den sauren oder alkalischen Charakter von Lösungen. Wird der pH-Wert elektrometrisch bestimmt, heißt das, dass mittels einer Einstabmesskette eines Digital-pH-Meters eine Potentialdifferenz gemessen und daraus automatisch der pH-Wert berechnet wird. Vor der Messung muss das Gerät mittels Pufferlösungen definierter pH-Werte (4, 7, ev. 9) kalibriert werden.
[Bearbeiten] Analytik von HCO3−
Zur Bestimmung des Hydrogencarbonats muss in der Regel zunächst die Säurekapazität ermittelt werden. Die Säurekapazität (KS4,3 oder Säurebindungsvermögen "SBV") wird als Verhältnis der Stoffmenge an Hydroniumionen n (H3O+), die eine entsprechende Menge Wasser bis zum Erreichen des pH-Werts aufnehmen kann, zu deren Volumen V (H2O) definiert. Als Einheit wird abweichend von der SI-Einheit [mol/m³] üblicherweise [mmol/l] oder auch als Äquivalentmenge [mval/l] gewählt.
Zur Bestimmung der Säurekapazität wird Salzsäure der Konzentration 0,1 mol/l in ein bestimmtes Probenvolumen meist 100 ml, titriert, nachdem dieses mit wenigen Tropfen Cooper-Indikator versetzt wurde. Der Farbumschlag von stahlblau nach sonnengelb tritt beim Erreichen des geforderten pH-Werts von 4,3 ein. Herkömmlich wird als Indikator Methylorange verwendet, das ebenfalls bei pH 4,3 umschlägt. Deshalb wurde diese Säurekapazität auch als "m-Wert" bezeichnet. Die so ermittelte Säurekapazität wird auch als Karbonathärte bezeichnet und mit dem Faktor 2,8 von mval/l in "deutsche Härtegrade" (°dH) umgerechnet.
Die Berechnung der Säurekapazität erfolgt nach der Formel
KS4,3 [mmol/l] = V[ml] · c(Salzsäure)[Mol/l] / Probenvolumen[l]
Aus der Menge der verbrauchten Menge Salzsäure wird im Anschluss die Konzentration von Hydrogencarbonat berechnet. Hierzu muss erst derjenige Salzaürebetrag abgezogen werden, der für den pH-Wert 4,3 verantwortlich ist, nämlich 0,05 mmol/l. Zur Berechnung dient die Formel
HCO3− [mg/l] = KS4,3· 61,017 · 1000 / ml Probenvolumen
berechnet, wobei 61,017 die Molare Masse von Hydrogencarbonat (HCO3−) ist.
Alternativ kann die Konzentration des Hydrogencarbonats aber auch durch Ionen-HPLC oder durch Kapillarelektrophorese ermittelt werden.
[Bearbeiten] Analytik von CO2
Die Bestimmung der gesamten freien Kohlensäure einer Wasserprobe erfolgt durch Titration bis zu einem pH-Wert von 8,2[KB8.2], der beispielsweise durch einen Farbumschlag von Phenolphthalein von farblos nach rosa sichtbar wird (Diese Indikatormethode ist sehr ungenau; besser: pH-Meter!). An diesem Punkt ist die vorher freie Kohlensäure entsprechend dem Dissoziationsgleichgewicht der Kohlensäure völlig in Hydrogenkarbonat (HCO3−) übergeführt.
In der Wassertechnik wird ein positiver bzw. ein negativer p-Wert in mval/l bzw. mmol/l für die Gehalte an Kohlensäure bzw. Carbonat (oder Laugen) angegeben, je nachdem, ob man sich an den pH 8,2 von niedrigeren oder von höheren anfänglichen pH-Werten her (und dem entsprechend mit Lauge oder Säure als Titrand) annähern muss. (Das "p" leitet sich vom Indikator Phenolphthalein her.) Ein negativer p-Wert gibt den Gehalt eines Wassers an freiem CO2 an, während ein positiver p-Wert den Gehalt an Karbonat (oder OH−-Ionen ggf. aus anderen freien Laugen) anzeigt.
Genauer ist die Analyse der meist geringen CO2-Konzentrationen allerdings in der Regel durch eine genaue Bestimmung der Säurekapazität und des pH-Wertes der Wasserprobe, mit anschließender Berechnung des CO2 nach dem Disssoziationsgleichgewicht der Kohlensäure. Dabei sind die Temperatur sowie die elektrische Leitfähikeit als Repräsentant der Ionenstärke zu berücksichtigen.
[Bearbeiten] Analytik in der Technik der Wasseraufbereitung
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Im Gegensatz zur Analytik für Trinkwasser sind in der Technik für Wasseraufbereitungsanlagen nur wenige Parameter für die Beurteilung eines Wassers von Bedeutung. Die Kenntnis von den Gehalten an Spurenelementen im Rohwasser ist normalerweise unwichtig.
Für die Auslegung, Kontrolle und Überwachung technischer Anlagen zur Entkarbonisierung und Teil- und Vollentsalzung von Wässern ist die Kenntnis folgender Parameter ausreichend:
- + m-Wert
- - m-Wert (oder Summe der Gehalte an Cl-, SO4-- und NO3-)
- Gesamthärte
- KMnO4-Verbrauch
- - p-Wert
- + p-Wert
- SiO2-Gehalt
Hinweis: In der Technik wird überwiegend noch die Einheit mval/l statt mmol/l verwendet, da hierdurch auf die genaue Kenntnis der Wertigkeit der Ionen verzichtet werden kann. Die m - und p - Werte werden deshalb häufig in mval/l angegeben. Bei der Summenbildung von Ionen muss dann aber entweder nur mit mval/l oder mit mmol/l gerechnet werden.
Nachfolgend nähere Angaben zu diesen einzelnen Werten und deren jeweiliger Bedeutung:
+ m-Wert
Der + m-Wert entspricht dem Gehalt an Karbonathärte im Wasser.
- p-Wert
Dieser Wert entspricht dem Gehalt an freiem Kohlendioxid im Rohwasser (siehe den Punkt 2.3 dieses Artikels).
Nichtkarbonathärte
Wird von der Gesamthärte eines Wassers der (+ m-Wert) subtrahiert, so erhält man die Nichtkarbonathärte.
- m-Wert
Der - m-Wert entspricht dem Gehalt an starken Anionen (Chlorid, Sulfat und Nitrat) im Wasser. Man berechnet diesen Wert entweder durch Addition der einzelnen Gehalte dieser starken Anionen oder erhält in analytisch, wenn man das Rohwasser über einen stark sauren Kationenaustauscher fliessen lässt und anschliessend das so behandelte Wasser mit Natriumhydroxid und Methylorange titriert.
Natrium + Kalium
Der Gehalt der Summe dieser Alkalien kann aus Gesamthärte und - m-Wert eines Wassers ermittelt werden. Die Berechnung ist wie folgt: (- m-Wert plus Karbonathärte) minus Gesamthärte = Gehalt an Alkalien im Wasser
+ p-Wert
zeigt den Gehalt an freien Laugen an (z.B. den Gehalt an Calciumhydroxid im entkarbonisiertem Wasser nach einer Kalk-Entkarbonisierung-Anlage);
KMnO4-Gehalt
Mit der Analyse dieses Wertes wird der Gehalt an oxidierbaren organischen Verbindungen im Wasser ermittelt. Er erfasst insbesonders Huminsäuren und vergleichbarer Stoffe. Die Angabe erfolgt üblicherweise in mg/l. Die Kenntnis dieses Wertes ist für Auswahl und Schaltung der Anionenstufe einer Ionenaustauscher-Anlage wichtig.
Die Summe an Kationen und Anionen im jeweiligen Wasser ergibt sich wie folgt:
- Summe der Kationen = Gesamthärte plus − m–Wert
- Summe der Anionen = + m–Wert plus − p–Wert plus − m–Wert plus SiO2–Gehalt
Für die Auslegung und Betriebsüberwachung von Teil– und Vollentsalzungsanlagen werden häufig noch die Gehalte an Karbonaten und schwach sauren Anionen getrennt erfasst. Diese können mit den vorstehend Werten ebenfalls ermittelt werden.
