Praktikum Messtechnik

1

VL Messtechnik, TU Berlin, Institut für Technischen Umweltschutz, FG Wasserreinhaltung

Praktikum MesstechnikDas Praktikum Messtechnik besteht aus 4 Terminen und findet an folgenden Wochentagen statt:

Dienstag: Nachmittag (13:30-17:00 Uhr)Mittwoch: Vormittag (8:30-13:00 Uhr)

1. Termin: 23. KW (02.06. + 03.06.) Physikalische Parameter2. Termin: 24. KW (09.06. + 10.06.) Organische Parameter

3. Termin: 26. KW (23.06. + 24.06.) AOX, differenzierter AOX4. Termin: 27. KW (30.06. + 01.07.) Pufferkapazität von Wasser, Titrimetrie

Je nach Teilnehmerzahl wird das PR auch Freitags (8:30-13:00 Uhr) angeboten.

Anmeldung bis zum 15.05.2015! Aushang: KF, 2. EtageDas Praktikum findet im Gebäude KF, EG Raum 010 statt

SKRIP: http://www.wrh.tu-berlin.de/menue/studium_und_lehre/skripte/Benutzername: studentPasswort: messtechnik

2


VL MesstechnikLiteratur:

Analytische Chemie, Grundlagen, Methoden und PraxisGeorg SchwedtGeorg Thieme Verlag, Stuttgart

Umweltanalytik mit Spektrometire und ChromatographieH. Hein, W. KunzWiley-VCH

Wasser, Chemie, Mikrobiologie und Nachhaltige Nutzung, A. Grohmann, M. Jekel, A. Grohmann, R. Szewzyk, U. Szewzykde Gruyter Verlag

Folien zur Vorlesung:Homepage Wasserreinhaltung, Lehre, Login student/messtechnik

3


VL Messtechnik Inhalt1. Einführung (Aufgaben, Ziele, Anwendungen)

2. Messprogramme, Probenahme, Probenkonservierung, Probenaufbereitung

3. Analytik anorganischer Stoffe- Ungelöste Stoffe

- Einfache Verfahren für gelöste Stoffe

- Elektrometrische Verfahren

- Photometrie und Varianten

- Ionenchromatographie

4. Analytik organischer Stoffe- Summarische Parameter

- Gruppenparameter

- Charakterisierungsgrößen

- Chromatographie und Detektion (inkl. Massenspektrometrie)

4


EinführungMesstechnik: a) Bestimmung von Wassermengen

b) Bestimmung der Wasserqualität

- Bei der Mengenmessung werden Durch- und Abflüsse erfasst (z.B. m3/sec). Die Mengenbestimmung wird in der Regel von Bauingenieuren durchgeführt.

- Bei der Wasserqualität werden Stoffmengen oder Stoffmassen je Volumeneinheit bestimmt (mol/L, mg/L). Die Wasserqualität wird in der Regel von Chemikern, Biologen und nun auch vermehrt von Umwelttechnikern durchgeführt.

Die Ermittlung von Stofffrachten, eine wichtige Aufgabe im Gewässerschutz, erfordert die Erhebung der Daten aus beiden Teilbereichen:

F (mg/sec) = c (mg/L) Q (L/sec)

F = Fracht, c = Konzentration, Q = Wassermenge / Zeit (Durchsatz)Die Fracht hat Einheiten wie z.B. mol/sec; mg/sec oder mg/h, mg/d

5


EinführungFrachtberechnung:Eine präzise Berechnung der Fracht ist nur möglich, wenn die Parameter c und Q repräsentativ und zuverlässig ermittelt wurden sind.

Problematik bei der Bestimmung:- Konzentrations- und Abflussschwankungen bei Fliessgewässern, - saisonale Änderung bei Seen

In der Regel sind umfangreiche Messprogramme notwendig, verbunden mit einer Datenauswertung unter Einsatz statistischer Verfahren.

6


Einführunga) Wassermengenmessung- Mengen im Wasserkreislauf (Hydrologie, z.B. Niederschlag, Versickerung,

Abfluss)- Nutzung des Wassers, Wasserwirtschaft (z.B. Grundwasser für Trinkwasser,

Landwirtschaft, Industriewasser)- Wasserbau (z.B. Kanalisation, Hochwasserschutz, Wasserversorgung)- Hydrodynamik (z.B. Strömungslehre, Pumpen, Rohrleitungen, Gerinne)- Wasserreinigung (z.B. Kühlwasser, Abwasser, Trinkwasseraufbereitung)

7


Einführungb) Bestimmung der Wasserqualität- Beschreibung der Wasserqualität (Parameterliste)- Bewertung anhand von vorgegebenen Kriterien, Richt- und Grenzwerte- Untersuchung naturwissenschaftlicher Vorgänge (z.B. Stoffverbleib)- Kontrolle des Gewässerschutzes (z.B. Einleiterkontrolle, Frachtbilanz,

Prioritätssetzung)- Kontrolle des Gewässerzustandes (Überwachung)- Wasseraufbereitung (Kontrolle der Reinigung, Verfahrensentwicklung)- Entwicklung von Analysen- und Testverfahren (insbesondere organische Stoffe)

Die Betonung der Vorlesung Messtechnik liegt auf der Wasserqualitätsanalytik mit physikalischen, chemischen und biologischen Messverfahren.

8


EinführungKonzentrationen / Frachten

Die Substanz stammt aus der natürlichen Verwitterung.

Die Konzentration nimmt mit zunehmender Wasserführung ab.

Die Gesamtfracht nimmt zu, da mehr Wasser auch mehr lösen kann.

Die Substanz stammt aus zivilisatorischer Quelle.

Die Konzentration nimmt mit zunehmender Wasserführung ab,

aber die Fracht bleibt konstant.

9



Berücksichtigung der Jahreszeit

Chloridkonzentration als Funktion der Wassermenge im Rhein

Eintrag = anthropogen

mit konstanter Fracht ?.....

…..trägt man die Mittelwerte von 4 Wochen gegen die Wassermenge auf, so erkennt man eine jahreszeitliche Abhängigkeit.

Chloridquelle = Streusalz im Winter

10


EinführungFrachtbilanzen

Phosphatbelastung des Tegeler Sees

11



15,917,1570.20027,830Mo

1543,81084,6Summe

5,96,9137.50042,950So

853,6507,0446.3001912,61136Sa

340,6229,8348.700976,7659Fr

38,4143,9425.70090,3338Do

n.b.30,91.143.500n.b.27Mi

289,5149,1428.400675,7348Di

Iopromid[g/d]

AOI [g/d]

Durchfluss[L/d]

Iopromid [µg/L]in 24 h

Mischprobe

AOI [µg/L]in 24 h

Mischprobe

ca. 70 % des AOI wird von Iopromid verursachtn.b. nicht bestimmt

AOI (adsorbierbare organische Iodverbindungen) und Iopromid(iodierte Verbindung) bestimmt in einem Krankenhausabwasser, sowie der Durchfluss und die berechneten Frachten

12


EinführungAnmerkung zur Analytik:

Die Bestimmung des exakten, wirklichen Wertes ist nicht möglich. Man erhält nur einen Näherungswert, der bei Ausschluss systematischer Fehler und häufiger Wiederholung der Analyse als wahrer Wert angesehen wird. Die Zahl der Fehlermöglichkeiten bei Probenahme, Probenbehandlung und der eigentlichen Analyse ist enorm.

13


EinführungQualitätssicherungValidierung von Analysenverfahren: unter Validierung versteht man die Gesamtheit aller sich über Planung, Ausführung und Dokumentation erstreckenden Maßnah-men, die die Gültigkeit einer analytischen Methode beweisen.Wichtige Begriffe bzw. Teilschritte im Rahmen einer Validierung sind:

- Mittelwertbildung- Normalverteilung- Ausreißertests- Richtigkeit und Genauigkeit: statistische und systematische Fehler- Blindwerte- Nachweis- und Bestimmungsgrenzen- Empfindlichkeit und Kalibrierverfahren- Richtigkeit- Präzision: Wiederholbarkeit und Vergleichbarkeit- Selektivität, Spezifität sowie - Robustheit

14


EinführungSelektivität: beschreibt die Leistungsfähigkeit, einen Analyten neben anderen in

komplexen Mischungen bzw. Matrices störungsfrei bestimmen zu können.

Spezifität: wird dann erreicht, wenn keine Störungen durch die Matrix für einen speziellen Analyten feststellbar ist.

Robustheit: ein Analysenverfahren bezeichnet man als robust, wenn durch kleine unvermeidliche Änderungen im Ablauf das Ergebnis nicht signifikant beeinflusst wird.

Mittelwert: der Mittelwert einer Stichprobe vom Umfang n ist definiert als der das arithmetische Mittel aus einer begrenzten Anzahl von Messungen:

= Mittelwert; xi = Einzelmesswerte; n = Zahl der MesswerteX

15


EinführungNormalverteilung: ist in der Fehlerrechnung eine Funktion zur Charakterisierung der

zufälligen Fehler. Häufig gilt für die Verteilung der zufälligen Fehler x die Gaußsche Normalverteilung / Fehlerverteilung, wobei der zufällige Fehler x aus der Abweichung zum Erwartungswert (in dem Fall Mittelwert) gebildet wird.

Die Standardabweichung σ wird als Streuung bezeichnet. Je kleiner σ ist, um so enger gruppieren sich die Messdaten um den Mittelwert.

Gaußsche Fehlerverteilung:

16


EinführungGaußsche Fehlerverteilung:

Aus der Verteilungsfunktion wird deutlich, dass im Bereich der Mittelwerte und der einfachen, zweifachen bzw. dreifachen Standardabweichung 68,3; 95,5 bzw. 99,7 % aller mit einem Zufallsfehler behafteten Messwerte liegen. Das jeweilige Intervall wird als Vertrauensbereich bezeichnet.

17


EinführungAus der Gaußschen Verteilungskurve ergeben sich folgende statistische Angaben:

Standardabweichung:

die Varianz einer Stichprobe:

rel. Standardabweichung:

(Variationskoeffizient in Prozent)

18


EinführungRichtigkeit

Die Richtigkeit eines Analysenverfahrens wird aus dem Vergleich von statistischen (zufälligen) Fehlern und systematischen Fehlern deutlich.

Zufallsfehler führen zu positiven und negativen Abweichungen vom wahren Wert (entsprechend der Normalverteilung).

Systematische Fehler ergeben Verschiebungen in eine Richtung.

Der systematische Fehler dient als Maß für die Richtigkeit eines Ergebnisses.

19


EinführungPräzision: Wiederholbarkeit und Vergleichbarkeit

Unter Präzision versteht man die Übereinstimmung von Ergebnissen bei wiederholter Durchführung einer Analysenmethode oder eines Analysen-verfahrens.

Die Wiederholbarkeit beschreibt die Präzision einer Methode bzw. eines Verfahrens durch einen Mitarbeiter.

Die Vergleichbarkeit beschreibt die Präzision einer Methode bzw. eines Verfahrens durch verschiedenen Mitarbeiter.

20


EinführungKalibrierung und Empfindlichkeit

Aus Messsignalen werden analytische Informationen, in der Regel Konzentrationen erhalten. Die Abhängigkeit des Signals von der Konzentration eines Analyten nennt man Analysenfunktion.

Steigung = Empfindlichkeit

- a, b, c unterschiedliche Methoden für einen Stoff

- a, b, c verschieden Stoffe: einzelne Empfindlichkeiten

Messgröße wird beeinflusst:

- additive Fehler (Blindwert) parallel Verschiebung der Geraden (2)

- multiplikative Fehler (Matrixeffekte) verändern die Steigung (3)

- nichtlineare messwertabhängige Fehler: Form der Kalibrierkurve wird verändert (4)

21


EinführungKalibrierung und Empfindlichkeit

Um Matrixeffekte berücksichtigen zu können, werden Kalibrierungen durch Zugabe bekannter Mengen des Analyten erstellt.

- auf der Abszisse wird die zugegebene Konzentration aufgetragen.

- Nullwert entspricht dem Messwert der nicht dotierten Probe

- Schnittpunkt der gestrichelten Linie mit der Abszisse ergibt die Konzentration in der Probe (Vorzeichen wird umgekehrt)

22


EinführungFehlerquellen in der Analytik

23


EinführungBestimmung von Atrazin, Auswertung eines Ringversuches

richtig : Vertrauensbereich einfache Standardabweichung

zu wenig, zu viel: außerhalb der Ausschlussgrenze, nicht akzeptiert

Teilnehmer: 133 Laboratorien

117 Laboratorien haben Werte geliefert = 2554 Einzelwerte

davon waren 1945 Werte akzeptabel

(www. Iswa.uni-stuttgart.de/ch/aqs/pdf/ausw199.pdf)

24


EinführungAnmerkung zur Analytik:

Die Zahl der bestimmbaren Wasserinhaltsstoffe ist abhängig von der Nachweisgrenze und nimmt stark zu, wenn die Messempfindlichkeit steigt.

Prinzipiell können in belasteten Wässern Tausende von Stoffen auftreten, die nicht alle analysierbar sind oder aus Kosten- und Kapazitätsgründen nicht in allen Proben bestimmt werden können.

Quelle: nach OECD-Report

Einzelstoffe quantifiziert durch Gaschromatographie

Nicht identifizierte Verbindungen: vermutlich polare, evtl. höher molekulare Verbindungen

25


EinführungInformationen zur Wasserqualität - wie?

Chemische SauerstoffbedarfCSB

Biochemische Sauerstoffbedarf

BSB

Adsorbierbare organische Halogenverbindungen

AOX

Probenanreicherung, Chromatographie, Detektion

Org. Verbindungen (Pestizide, Pharmaka, Trihalomethane)

Dissolved organic carbonDOC

PhotometrieNährstoffeTotal inorganic carbonTIC

AAS, ICP-MSMetalleTotal CarbonTC

EinzelstoffeSummen-parameter

Problem Einzelstoffe: Anorganische Stoffe: quantitativ messbar, aber Spezifikation problematisch (z.B. AsO3

3-/AsO43-)

Organische Verbindungen: sehr aufwendig, sehr teure Ausrüstung

26


EinführungInformationen zur Wasserqualität – wie genau?In welcher Konzentration liegt der Analyt vor? g/L, mg/L, µg/L, ng/L, pg/L?Davon hängt ab, welche Analysenmethode gewählt wird

In heutiger Zeit wird die Analytik der organischen Spurenstoffe immer bedeutender (Konzentrationsbereich µg/L – ng/L)

27


EinführungWas bedeuten Konzentrationen im Spurenbereich?

Zur Vorstellung die Annahme 10 g Haushaltszucker werden im Tegeler See gelöst. Welche Konzentration liegt vor?

Tegeler See: Fläche 4,1 km2, durchschnittliche Tiefe 8 m, ergibt ein Volumen von 32.800.000 L

10 g Zucker im Tegeler See = 0,0000003 g/L = 0,0003 mg/L = 0,3 µg/L

Sehr geringe Konzentration, hohe Anforderung an die Analytik!

Sind solch niedrige Konzentrationen von Bedeutung?

Zur Vorstellung die Frage wie viele Zuckermoleküle befinden sich in 1 L Tegeler See Wasser? (6,023 1023 Teilchen = 1 mol)

Haushaltszucker: C12H22O11 → 324 g = 1 mol

10 g = 0,031 mol

→ 9,45 x 10-10 mol/L → 5,7 x 1014 Teilchen/L

1










- Gruppenparameter



2


MessprogrammeMesstechnik für, z.B. die Bestimmung der Wasserqualität und zur Kontrolle des Gewässerschutzes

Welche Stoffe müssen untersucht / analysiert werden?

In welcher Konzentration liegen die Analyten vor bzw. wie empfindlich muss ich messen?

Wo und wie häufig müssen diese Stoffe bestimmt werden?

Mit welcher Selektivität und Präzision muss ich messen?

Es gibt zahlreiche Gesetzte und Verordnungen in denen Richt- und Grenzwerte vorgeschrieben werden. Für den Bereich Wasser gibt es Gesetzte für die Bereiche:

Trink- und Brauchwasser

Mineral- und Tafelwasser

Badewasser

Abwasser

Sickerwasser- und Grundwasser

3


MessprogrammeVerordnung zur Novellierung der Trinkwasserverordnung vom 21. Mai 2001. Bundesgesetzblatt, Jahrgang 2001, Teil 1 Nr. 24, S. 959-980, Ausgabe 28. Mai 2001. In den Anlagen 1-6 sind folgende Vorgaben aufgeführt:

Anlage 1: Mikrobiologische Parameter

Teil I: Allgemeine Anforderungen an Wasser für den menschlichen Gebrauch

Teil II: Anforderungen an Wasser für den menschlichen Gebrauch, das zur Abfüllung in Flaschen oder sonstigen Behältnissen zum Zweck der Abgabe bestimmt ist

Anlage 2: Chemische Parameter

Teil I: Chemische Parameter, deren Konzentration sich im Verteilungsnetz einschließlich der Hausinstallation in der Regel nicht mehr erhöht

Teil II: Chemische Parameter, deren Konzentration im Verteilungsnetz einschließlich der Hausinstallation ansteigen kann

4


MessprogrammeAnlage 3: Indikatorparameter

Anlage 4: Umfang und Häufigkeit von Untersuchungen

Anlage 5: Spezifikation für die Analyse der Parameter (Richtigkeit, Präzision und Nachweisgrenzen

Anlage 6: Mittel für die Aufbereitung in besonderen Fällen

0Coliforme Bakterien3

0Enterokokken2

0Escherichia Coli (E. coli.)1

Grenzwert (Anzahl / 100 ml)

ParameterLfd. Nr.

Anlage 1

Teil I: Allgemeine Anforderungen für den menschlichen Gebrauch

5


MessprogrammeTeil II: Allgemeine Anforderungen für den menschlichen Gebrauch, dass zur Abfüllung in Flaschen oder sonstigen Behältnissen zum Zweck der Abgabe bestimmt ist.

0 / 250 mlColiforme Bakterien6

20 / mlKoloniezahl bei 36 °C5

100 / mlKoloniezahl bei 22 °C4

0 / 250mlPseudomonas aeruginosa3

0 / 250mlEnterokokken2

0 / 250mlEscherichia coli (E. coli.)1

GrenzwertParameterLfd. Nr.

6


MessprogrammeAnlage 3 Indikatorparameter

Braucht nur bestimmt zu werden, wenn das Wasser von Oberflächenwasser stammt oder von Oberflächenwasser beeinflusst ist..........

0 / 100 mlClostridium perfringens(einschließlich Sporen)

4

Bestimmung des spektralen Absorptionskoeffizienten mit Spektralphotometer oder Filterphotometer

0,5 / mFärbung (436 nm)6

Geogen bedingte Überschreitungen bleiben bei Anlagen mit einer Abgabe von bis 1000 m3 im Jahr bis zu 0,5 mg/L außer Betracht..........

0,2 mg/LEisen5

Das Wasser sollte nicht korrosiv wirken.250 mg/LChlorid3

Geogen bedingte Überschreitungen bleiben bis zu einem Grenzwert von 30 mg/L außer Betracht. Die Ursache einer plötzlichen Erhöhung der üblicher weise gemessenen Konzentration ist zu untersuchen.

0,5 mg/LAmmonium2

0, 2mg/LAluminium1

BemerkungGrenzwert / AnforderungParameterLfd. Nr.

7




Dieser Parameter braucht nicht bestimmt zu werden, wenn der Parameter TOC analysiert wird.

4 mg/L O2Oxidierbarkeit15

Ohne abnormale VeränderungOrganisch gebundener Kohlenstoff (TOC)

14

200 mg/LNatrium13

Geogen bedingte Überschreitungen bleiben bei Anlagen mit einer Abgabe von bis zu 1000 m3 im Jahr bis zu einem Grenzwert von 0,2 mg/L außer Betracht.

0,05 mg/LMangan12

Das Wasser soll nicht korrosiv wirken Anmerkung 1

2500 mS/ cm bei 20 °CElektrische Leitfähigkeit11

.........ohne anormale VeränderungKoloniezahl bei 36 °C10

Das Wasser sollte nicht korrosiv wirken. Geogen bedingte Überschreitungen bleiben bis zu einem Grenzwert von 500 mg/L außer Betracht.

240 mg/LSulfat16

........ohne anormale VeränderungKoloniezahl bei 22 °C9

für den Verbraucher annehmbar und ohne anormale Veränderung

Geschmack8

.........2 bei 12 °C3 bei 25 °C

Geruchsschwellenwert7

8




Anmerkung 2 bis 40,1 mSv/JahrGesamtrichtdosis20

Anmerkung 2 und 3100 Bq/ LTritium19

.......6,5 – 9,5Wasserstoffionen-konzentration (pH Wert)

18

Der Grenzwert gilt am Ausgang des Wasserwerks. .....ein plötzlicher Anstieg ist sofort der zuständigen Behörde zu melden.

1 NTUTrübung17

9


MessprogrammeAnlage 4: Umfang und Häufigkeit von Untersuchungen

I Umfang der Untersuchungen1. Routinemäßige Untersuchungen

Aluminium (Anmerkung 1) Ammonium Clostridium perfringens (einschließlich Sporen) Coliforme Keime Eisen (Anmerkung 1) Elektrische Leitfähigkeit Eschericha coli (E. coli) Färbung Geruch Geschmack Koloniezahl bei 22 und 36 Nitrit (Anmerkung 3) Pseudomonas aeruginosa (Anmerkung 4) Trübung Wasserstoffionen-Konzentration

2. Periodische Untersuchungen

...alle Parameter der Anlage 1 - 3 die nicht routinemäßig untersucht werden, sind periodisch zu untersuchen.....

10


Messprogramme

10 zuzüglich jeweils 1 pro 25.000 m3/Tag36jeweils 3 weitere pro 1.000 m3/Tag

> 100.000

3 zuzüglich jeweils 1 pro 10.000 m3/Tag36jeweils 3 weitere pro 1.000 m3/Tag

>10.000 – 100.000

136>6.667 - 10.000

124> 4.000 – 6.667

116> 2.667 - 4.000

112> 1.333 – 2.667

1 zuzüglich jeweils 1 pro 3.300 m3/Tag8> 1.000 – 1.333

14>3 – 1.000

11bis 3

Periodische UntersuchungAnzahl der Proben / Jahr

Routinemäßige UntersuchungAnzahl der Proben / Jahr

Menge des in einem Versorgungsgebiet abgegebenen oder produzierten Wassers m3/Tag

II Häufigkeit der Untersuchungen

11


MessprogrammeAndere Wassertypen

Grundwasser aus Lockergestein 1* jährlich / alle 3 Jahre umfangreiches Programm

Gewässer: werden häufiger Untersucht (z.B. wöchentlich, 14-tägig, monatlich)

Abwassereinleitungen: kontinuierlich, Eigen- und Fremdüberwachung

12


MessprogrammeRohwasseruntersuchungen bei Trinkwassernutzung:

Stufe 1: 1 mal/Jahr

Stufe 2: alle 3 Jahre, sowie bei Verdachtsfällen

Stufe 3: bei besonderem Verdacht

13


MessprogrammeIn den Gesetzen und Verordnungen werden nicht nur Richt- und Grenzwerte vorgeschrieben, sondern auch Analysenverfahren bzw. –methoden:

14


MessprogrammeAnalysenverfahren, Analysenmethoden und Analysenprinzip

15


ProbenahmeGrundsatz: „Die Analyse ist so gut wie die Probenahme“

Vor der Probenahme muss die analytische Aufgabenstellung definiert sein und damit die Probenahmestrategie festgelegt werden.

Strategie: Festlegung von Ort und Zeitpunkt, Dauer und Art (Technik, Geräte) der Probenahme

Weitere Einzelschritte: Probenaufteilung am Ortevtl. Probenvorbehandlung (Filtration)ProbenkonservierungTransport und Lagerung

Ziel einer Probenahme: Proben sollen repräsentativ sein, damit nach Durchführung des Analysenverfahrens eine problemorientierte Aussage möglich ist

Der Fehleranteil der Probenahme eines Analysenverfahrens ist in der Regel wesentlich höher als der Fehler der Messtechnik.

16


ProbenahmeStichproben: manuell oder auch automatisch aus Leitungen, Gewässern,

Abwässern geben Information über die Wasserqualität zum Zeitpunkt der Entnahme

Mischproben:zeitproportional: in gleichen Zeitabständen werden gleiche

Volumina entnommenmengenproportional: in gleichen Zeitabständen werden

unterschiedliche Volumina entnommenvolumenproportional: in unterschiedlichen Zeitabständen gleiche

Volumina

17


ProbenahmeOrt der Probenahme:

Flüsse haben in der Regel ein geringes Vertikalprofil, bei Einleitungen oft ein ausgeprägtes Querprofil, Probenahme: flussabwärts bei völliger Durchmischung.

Stehende Gewässer haben häufig ein ausgeprägtes Vertikalprofil bei Stagnation und Eutrophierungsprozessen. Das Vertikalprofil ist typisch für die Seen-beurteilung (bei durchflossenen Seen sind Störungen der Schichtung möglich).

Im Fall von Grundwässern sind keine generellen Aussagen möglich. Grundwasser kann in unterschiedlichen Stockwerken (Horizonten) in unterschiedlicher Qualität vorliegen. Bei lokalen Emissionen ins Grundwasser sind ausgeprägte dreidimensionale Fahnen von Schadstoffen möglich. Die Beprobung umfasst daher viele Probenahmen an unterschiedlichen Orten (Fläche und Tiefe).

18


ProbenahmeProbenahme Geräte: Rüttner-Probennehmer für Tiefenprofile in Gewässern

19


ProbenahmeProbenahme Geräte: Varianten der Grundwasserprobenahme

20


ProbenahmeProbenahme Geräte:

Einloch-Mehrfachmessstelle und Einzelmessstelle

Die Messstellen sind mit flexiblen stationären Packereinbauten zur Grundwasserprobenahme aus verschiedenen Aquiferbereichenausgestattet.

21


ProbenkonservierungProbenstabilisierung:

In Abhängigkeit von den zu bestimmenden Parametern ist je nach Probeart eine Konservierung nötig. Dies gilt für Stoffe, die sich schon nach kurzer Lagerung bei Raumtemperatur oder im Kühlschrank verändern.

Inhaltsstoffe von Wasserproben können sich insbesondere durch die Einwirkung von Mikroorganismen verändern (Nitrat, Nitrit, Ammonium).

Aktivität der Mikroorganismen kann vermindert / vermieden werden durch:

Kühlen

Membranfiltration (0,45 bzw. 0,2 µm)

chemische Konservierung (Ansäuern,Hg2Cl2)

Schwermetallanalysen:

Ansäuerung auf pH < 1 (um Adsorptionseffekte und spätere Fällungen zu vermeiden)

22


ProbenkonservierungKonservierung von Ammonium in Gewässerproben

23


Probenkonservierung

Größenverhältnisse von Wasserinhaltsstoffen

1 nm 1 µm 1 mm

Kolloid Suspension

Minerale (z.B. Tone)

Ionen, Moleküle

Viren Bakterien

Huminstoffe AlgenWas

serin

halts

stof

fe

24


Probenkonservierung„Anleitung zur Konservierung und Handhabung von Proben“:

DIN EN ISO 5667-3

Probenkonservierung

- Füllen der Probengefäße

- Wahl geeigneter Probenbehälter

- Vorbereitung der Probenbehälter

- Filtrieren und zentrifugieren von Proben

- Zusatz von Konservierungsmittel

Kennzeichnung der Proben

Probentransport

25


Probenaufbereitung

Trennung gelöster und ungelöster Stoffe durch Filtration mit Membranfiltern der Porengröße 0,45 µm.

1 nm 1 µm 1 mm

Kolloid Suspension


Ionen, Moleküle

Viren Bakterien


serin

halts

stof

fe

Kolloidale Stoffe werden u. U. nicht abfiltriert. Dadurch sind bei bestimmten Stoffe grobe Fehler möglich.

Eine Trennung gelöst / kolloidal ist über Dialyse oder Diafiltration mit Membranen feinster Poren möglich. Die Verfahren sind aber aufwendig und teuer.

26


Probenaufbereitung

Aufschlussverfahren:

Unter Aufschluss versteht man das Überführen schwerlöslicher Substanzen in säure- oder wasserlösliche (ionogene) Verbindungen (chemisches Lösen). Aufschlüsse können nötig sein um bestimmte Stoffe überhaupt messen zu können.

Nassaufschlüsse organischer oder anorganischer Probenmatrices mit Säuren oder Laugen ist für die Element Bestimmung (z.B. Metalle) in wässriger Matrix die am häufigsten eingesetzte Aufschlussvariante.

Ein Aufschluss erfolgt durch thermische Anregung und kann drucklos oder unter Druck erfolgen.

Es gibt Schmelz- und Nassaufschlüsse und Aufschlüsse durch Verbrennung.

27


Probenaufbereitung

Die am häufigsten verwendeten flüssigen Aufschlussmittel

Anorganische, organische und biologische Matrizes

Nasse Veraschung mit H2SO4, HNO3, HClO4 sowie Gemische

Sauer, oxidierend

Silikate, Carbonate, Oxide, Hydroxide

HF, HCl, HBrSauer, nicht oxidierend

Korund (Quarz)NaOH

Nachweis von Anionen (qualitativ)

Na2CO3-Lösung (Soda-Auszug)

Alkalisch

Flüssiges Aufschlussmittel

28


ProbenaufbereitungNassaufschluss:- Kaliumpermanganat-Kaliumperoxidisulfat-Aufschluss für Quecksilber in Wässern- Kaliumperoxidisulfat-Aufschluss für Gesamtphosphat Bestimmung in Wässern (DIN EN 1189)- Salpetersäure-Schwefelsäure-Aufschluss für Gesamtphosphat Bestimmung in Wässern (DIN EN 1189)

- Königswasseraufschluss für die Bestimmung von Spurenelementen (DIN EN ISO 15587-1)

Druckaufschluss-gefäß:

Es können noch organische Reststoffe vorhanden sein, die die Analytik mittels Graphitrohr-AAS stören (hohes Untergrundrauschen)

T = 300 °C, Zeit: Stunden, Druck bis 100 bar

29


ProbenaufbereitungMikrowellen-Aufschluss:

Der Aufschluss erfolgt hier nicht mit einer konventionelle Heizung sondern durch Mikrowellen.

Mikrowellen: Wellenlänge: 5 х 10-2 und 1m Frequenz: 2,45 GHz

Mikrowellenaufschlussgerät:

Der Aufschluss erfolgt in Minuten, und ist geeignet für feste Matrices wie pflanzliches Material oder geologische Proben und für flüssige Proben.

30


ProbenaufbereitungUV-Aufschluss:

Ein UV-Aufschluss ist nur geeignet für gering belastete Wässer.

Der Aufschluss der Probe erfolgt durch die Behandlung mit Wasserstoffperoxid, Säure und UV-Licht.

UV-Aufschlussgerät:

Der UV-Strahlung erzeugt sehr reaktive Radikale und Ozon. Diese reaktiven Spezies zersetzen organische Verbindungen welche z.B. Schwermetalle binden.

31


SpurenanreicherungUnter Spurenanreicherung versteht man die Anreicherung / Vorkonzentrierung anorganischer oder organischer Stoffe in einer wässrigen Phase.

Eine Anreicherung ist sehr oft nötig,

um die Nachweisgrenze der Stoffe zu erhöhen und

um Störstoffe zu beseitigen.

32


SpurenanreicherungAnreicherung organischer Spurenstoffe:

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe,Phthalsäureester, Insektizide, polychlorierte Biphenyle (PCB)Phenole, organische SäurenFulvinsäuren, Pestizide, PCB, halogenierte org. Verbindungen, organische Säuren, Ester, Ether, AlkoholeSehr breit einsetzbar, hoher Stellenwert in der Praxis

flüssig-fest- Sorption an Polyurethanschaum

- Adsorption an Aktivkohle- Adsorption an Amberlite, XAD-Polymere

- Adsorption an chemisch modifizierten Kieselgelen(Festphasen-Extraktion; SPE

Öle, Fette – breit anwendbarPhenole, Detergentien, chlorierte organische Verbindungennoch in der Entwicklung

flüssig-flüssig- Druckextraktion- flüssig-flüssig Extraktion

-Extraktion mit überkritischen Phasen

Kohlenwasserstoffe, Trihalomethane (allge. leichtflüchtige Verbindungen)

flüssig-gasförmig- Head-space- Verflüchtigung

SubstanzgruppePhasenübergang der Spurenstoffe

Anreicherung anorganischer Stoffe - später bei AAS, oft chemische UmsetzungenAnreicherung leichtflüchtiger Verbindungen- später bei GC Analytik

33


Spurenanreicherung

Flüssig-fest Extraktion: Festphasen Extraktion (SPE: Soild Phase Extraktion)

Adsorption an Festen Phasen

SPE Kartusche: eine Polypropylen oder Glassäule ist mit einem bestimmten Adsorbens gepackt (unpolar/polar)

34


Spurenanreicherung

1. SPE Kartusche wird mit dem Lösungsmittel gereinigt, das später für die Elution der Stoffe verwendet wird und anschließend konditioniert.

2. Die wässrige Probe wird über das SPE Material gegeben (Anreicherung)

1. Konditionieren(org. Lösungsmittel)

2. Equilibrieren(Wasser mit pHder Probe)

SPE Material

Absperrhahn

Wasserstrahl-pumpe

35


Spurenanreicherung

3. Trocknung der Festphase 4. Elution der adsorbierten Verbindungen

z.B. 1 Liter Probe - Elutionsvolumen 5 ml = Anreicherungsfaktor 200i.d.R. wird das Eluat weiter Aufkonzentriert (verdampfen des Lösungsmittel)Endvolumen 1 ml = Anreicherung von 1000Endvolumen 0,5 ml = Anreicherung von 2000

Stickstoff-versorgung

Teflonschlauch

Stickstoffstrom

Wasserstrahl-pumpe

Elution mitorg. Lösungs-mittel

Eluat

Pipette

36


SpurenanreicherungAutomatisierte SPE - AutoTrace

37


Spurenanreicherung

Heute auch: online Anreicherung direkt vor der Chromatographie

1










- Gruppenparameter



2


VL MesstechnikMesstechnik: Bestimmung vom Wassermengen und Bestimmung der Wasserqualität

Wasserqualität: Quantifizierung von Wasserinhaltsstoffen, welche Stoffe sind in Verordnungen und Gesetzten geregelt.

Fehler können enorm sein und hängen vom Analysenverfahren ab, wobei die größten Fehler bei der Probennahme und –vorbereitung auftreten.

Proben müssen ggf. konserviert werden.

Probenahme: Stichproben, Mischproben (zeit-, durchfluss-, volumenproportional).

Wasserinhaltstoffe liegen in gelöster und nicht gelöster Form vor. Nicht gelöste Bestandteile werden als Partikel bezeichnet und sind definitionsgemäßgrößer als 0,45 µm.

1 nm 1 µm 1 mm

Kolloid Suspension


Ionen, Moleküle

Viren Bakterien


serin

halts

stof

fe

3


Analytik ungelöster StoffeEin wichtiger Wasserqualitätsparameter ist das Vorhandensein von dispergierten, suspendierten Feststoffen: Partikel

1 nm 1 µm 1 mm

Kolloid Suspension


Ionen, Moleküle

Viren Bakterien


serin

halts

stof

fe

Gelöste und ungelöste Partikel:

< 0,45 µm gelöst

> 0,45 µm nicht gelöst

Partikel können sein: Feinsand, Ton, Algen, Mikroorganismen, organische Materie

4


Analytik ungelöster StoffeBedeutung von ungelösten Stoffen (Partikeln):

verursachen Trübung des Wassers

bilden Sedimente

transportieren Schadstoffe (z.B. PAK, AOX)

können das Wachstum schädlicher Mikroorganismen unterstützen

können die Effektivität der Desinfizierung (Chlorung) reduzieren

können bei chemischen und biologischen Bestimmungen Interferenzen verursachen

Quelle von ungelösten Stoffen (Partikeln):

natürlich

Produktion in der Wasseraufbereitung

5


Analytik ungelöster Stoffe

250Trinkwassergrenzwert (µg/m3)

125 (68 %)59 (32 %)

an Feststoffen (µg/m3)gelöst (µg/m3)

184 (91-262)Konzentration (µg/m3)

Polyaromatische Kohlenwasserstoffe in Flüssen in Deutschland(Mittelwerte 1977 – 1979)

Organisch gebundenes Chlor an Feststoffen und in Lösung im Rhein

6


Analytik ungelöster StoffeTrennmethoden:

Sedimentation

Filtration

ZentrifugationMessmethoden1. Abfiltrierbare Feststoffe:

Filtration über Membranen mit definierter PorenweiteTrocknung und Wägung (Nachweisgrenze 0,2 - 1 mg/L)Weitere Aufteilung in Glührückstand (anorg. Anteile)und Glühverlust (org. Anteile) durch Verbrennen bei 550°C (nicht eindeutig: Nebenreaktionen)

2. Absetzbare StoffeImhofftrichter, Schlammvolumen (ml/L), Abwasser-behandlung

7


Analytik ungelöster StoffeTrübungsmessung:

ungelöste bzw. kolloidale und suspendierte Teilchen können durch die Trübungs-messung bestimmt werden.

Durchlicht der Intensität

Streulicht der Intensität

Lichtquelle

Partikel in einer wässrigen Probe streuen den einfallenden Lichtstrahl, es wird also Streulicht erzeugt. Die Streuung des Lichtes führt dazu, dass die Lichtintensität des durchfallenden Lichtstrahls vermindert wird.

Streulichtmessung: für trübstoffarme Wässer

Durchlichtmessung: für trübstoffreiche Wässer

8


Analytik ungelöster StoffePartikel im Wasser gehen mit einem einfallenden Licht eine Wechselwirkung ein, indem die Lichtenergie absorbiert wird und dann, als ob er selbst eine punktuelle Lichtquelle wäre, die Lichtenergie in alle Richtungen zurückwirft. Diese Wiederausstrahlung in alle Richtungen macht die Streuung des einfallenden Lichtes aus. Die räumliche Verteilung des Streulichtes ist abhängig vom Verhältnis der Partikelgröße zur Wellenlänge des einfallenden Lichtes.

kleine Partikel Große Partikel

Partikel ca. ¼ von Partikel < 1/10 von

Symmetrische Streuung Konzentrierte Vorwärtsstreuung

Größere Partikel

Partikel >

Extreme Konzentration von VorwärtsstreuungEntwicklung maximaler und minimaler Streuintensität bei größeren Winkeln

kleine Partikel

Partikel ca. ¼ von Partikel < 1/10 von

Symmetrische Streuung Konzentrierte Vorwärtsstreuung

Größere Partikel

Partikel >

Extreme Konzentration von VorwärtsstreuungEntwicklung maximaler und minimaler Streuintensität bei größeren Winkeln

Rayleigh-StreuungMie-Streuung

9


Analytik ungelöster StoffeZusätzlich:

Kleine Partikel streuen kürzere Wellenlängen intensiver,auf längere Wellenlängen wirken sie kaum.

Größere Partikel haben keine so große Streuwirkung auf kurze Wellenlängen wie auf lange Wellenlängen.

Auch Partikelform und Brechungsindex beeinflussen die Streuungsverteilung.

Die Farbe der Partikel und der Probenflüssigkeit ist auch von Bedeutung: farbige Substanzen absorbieren Lichtenergie in bestimmten Bereichen des Lichtspektrums und verändern das Durchlicht wie auch das Streulicht.

Da verschiedene Faktoren die Intensität der Lichtstreuung beeinflussen, ist eine Quantifizierung von Partikeln nicht möglich! Es können aber Konzentrationsunterschiede in Proben, die dieselbe Partikelzusammensetzung haben bestimmt werden!

10


Analytik ungelöster StoffeKalibrierung:

Die Kalibrierung der Trübungsmessgeräte erfolgt durch Formazin.Formazin bildet in Wasser eine Suspension und wird hergestellt durch dasLösen von 5 g Hydrazinsulfate und 50 g Hexamethylentetramin in 1 Liter destillierten Wasser.Nach einer Standzeit von 48 Stunden entwickelt die Lösung eine weiße Trübung, die mit einer Genauigkeit von 1% wiederholt hergestellt werden kann.

7500 NTU 4000 NTU 1000 NTU 200 NTU

11


Analytik ungelöster StoffeEinheit:

Streulichtmessung: FTU = formazin turbidity units

FNU = formazin normal units

NTU = nephelometric turbidity units

TE/F = Trübungseinheiten / Formazin (alt)

Durchlichtmessung: FAU = formazin attenuation units

Trübungsmessgerät/ Nephelometer:

12


Analytik ungelöster StoffeWichtige Konstruktionskomponenten:

1. Lichtquelle:

Wolframfadenlampe: weite Spektralleistung, widerstandsfähig, preiswert und zuverlässig

lichtaussendende Diode (LED): nur für spezielle Partikeltypen

Wolframlampe: Lampenleistung wird als „Farbtemperatur“ bezeichnet und ist eine Funktion der Betriebsspannung.

13



2. Detektor: Fotozelle (elektromagnetische Strahlung (Licht) → Elektronen):Fotovervielfachungsröhre Vakuumfotodiode SiliziumfotodiodeCadmiumsulfid Lichtleiter

Die Fotozellen haben unterschiedliche spektrale Reaktionseigenschaften auf eine bestimmte Wellenlänge:

Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichtes:

14


Analytik ungelöster StoffeFotovervielfachungsröhre, Photomultiplier

Photokathode: Halbleiter oder Metallschicht, Dicke 10 nm

15



Effektive Spektralstreuung für ein Wolfram / CdS System

Effektive Spektralstreuung für ein Wolfram / Si System

Spektrale Spitzenempfindlichkeit bei 575 nm Spektrale Spitzenempfindlichkeit bei 875 nm

Wolfram / CdS System für kleine Partikel empfindlicher als Wolfram /Si System

16



3. Optische Geometrie:

Winkel der Streulichterfassung: i.d.R. 90 ° Erfassungswinkel (geringste Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen der Partikelgröße).Die Weglänge, die das Streulicht zurücklegen muss hat sowohl Einfluss auf die Empfindlichkeit wie auch auf die Linearität.Ein langer Lichtweg steigert die Empfindlichkeit, führt aber zu einer abnehmenden Linearität bei hohen Partikelkonzentrationen.

Eine Verkürzung des Lichtweges führt zu einer Erhöhung der Linearität, aber die Empfindlichkeit bei niedrigen Konzentrationen geht verloren. Dieser Effekt kann durch eine einstellbare Wellenlänge ausgeglichen werden. Eine kürzere Wellenlänge kann die Wirkung der Streuung erhöhen.

17


Analytik ungelöster StoffeSpezifizierung der wichtigsten Gerätekomponenten:

1. Lichtquelle: Wolframlampe, bei einer Farbtemperatur zwischen 2.200 und 3.000 K, bzw. Infrarotlampe bei 875 nm, da geringe Farbabsorption im IR.

2. Lichtweg: der vom einfallenden Strahl zurückgelegte Weg und des gestreuten Lichtes innerhalb des Probenröhrchens darf insgesamt nicht mehr als 10 cm betragen

3. Winkel: 90 ° zum einfallenden zentrierten Lichtweg. Der Detektor und die Filtersysteme, falls vorhanden, sollten eine spektrale Spitzenreaktion zwischen 400 und 600 nm haben.

18


Analytik ungelöster StoffeNeuere Geräte Technik: Ratio Methode

Signalausgabe besteht aus dem Verhältnis des 90° Streulichtes zu einer bestimmten Menge des Vorwärtsstreulichts und des Durchlichts, die jeweils mit einem getrennten Siliziumfotodiodendetektor erfasst werden.

Die Berücksichtigung der Gehalte an Durchlicht und Vorwärtsstreuung kompensiert: die Absorption von gefärbten Proben veränderte Lampenleistungen und Filmbildung auf den Küvetten

Langfristige Stabilität, häufiges Kalibrieren ist nicht nötig

19


Analytik ungelöster StoffePraktische Aspekte der Trübungsmessung

Fehler können auftreten, wenn eine zusätzliche Streuung von Licht, das nicht aufgrund der Probenstreuung entsteht, detektiert wird. DasStreulicht kann entstehen durch:

Staub, Kratzer, Flecken, Kondensation oder Filmbildung auf der Küvette

Luft, Gasblasen (Luftblasen streuen Licht viel stärker als die Partikel)

Typische Trübungswerte:

100-2000 NTUAbwasser

5-20 NTUOberflächenwasser

0,05-0,5 NTUTrinkwasser

0,02 NTUReines Wasser

20


Analytik ungelöster StoffeGeschichte:

Erste Versuche zur Quantifizierung der Trübung gab es im Jahr 1900.

Als Standard wurde Diatomeenerde(Kieselsäure, ppm Bereich) verwendet und eine Verdünnungsreihe hergestellt.

Die Trübung wurde angegeben basierend auf der der Kieselsäureskala.

Die Trübungsmessung erfolgte mit dem Jackson-Kerzen-Trübungsmesser (Diaphanometer).

21



Sehr aufwendige Messtechnik, die für Teilchen ab 1 µm kommerziell angeboten werden. Die Messprinzipien sind verschieden, wobei Signale, ausgelöst von einzelnen Teilchen, aufgenommen und ausgewertet werden.

Teilchengrößenanalyse:

Messprinzipien:

Elektrische Leitfähigkeit in einer Kapillare „Coulter counter“

Extinktionsmessung in Kapillarküvetten

Streulichtmessung in Kapillarküvetten

Bildanalyse

Messgrößen:

Teilchendurchmesser

Partikelanzahl, Anzahlverteilung

Partikelvolumen, Volumenverteilung

22


Analytik ungelöster StoffeTeilchengrößenanalyse:

„Coulter counter“:

Elektrode

Elektrode

Kapillare: 20-400µm Durchmesser

Teilchen in einem elektrisch leitenden Dispersionsmedium passieren eine Kapillare. An zwei gegenüber liegenden Seiten der Kapillare sind Elektroden angebracht. Gemessen wird der durch die Widerstandsänderung hervorgerufene Spannungs- oder Stromimpuls.

Bestimmt werden können: Teilchenanzahl und Teilchengröße

Aufnahmespektrum: 0,2 < Teilchen < 100 µm

23


Analytik ungelöster StoffeTeilchengrößenanalyse:

Extinktions-, Streulichtmessung:X

Detektor

Signal bei Abschattung

dp > 1 µm

24



Sondertechniken:

Mikroskopische Analyse für Planktonuntersuchungen

Chemische Analyse der Feststoffe

Ladung der Teilchen über die elektrophoretische Beweglichkeit (EB), Wanderungsgeschwindigkeit im elektrischen Feld

Teilchengrößenanalyse:

25



26



27


Einfache Verfahren für gelöste StoffeTitrimetrie/Maßanalyse:Die Quantifizierung von gelösten Stoffen oder Stoffgruppen erfolgt bei der Titrimetrie durch Volumenmessung einer Reagenzlösung mit definierter Konzentration (Maßlösung), die mit dem zu bestimmenden Stoff spezifisch reagiert.

Einfaches Beispiel:

Bestimmung der Protonenkonzentration in Wasser H3O+

H+ + OH- H2O

Probevolumen = 1L

NaOH Lösung 1 mmol /L und 100 ml werden verbraucht:

H+ Konz. der Probelösung = 0,1 mmol/L

Wie kann erkannt werden, dass alle H+ Ionen verbraucht sind? pH Wert oder durch Indikator

28


Einfache Verfahren für gelöste StoffeTitrimetrie/Maßanalyse:Die Quantifizierung von gelösten Stoffen oder Stoffgruppen erfolgt bei der Titrimetrie durch Volumenmessung einer Reagenzlösung mit definierter Konzentration (Maßlösung), die mit dem zu bestimmenden Stoff spezifisch reagiert.Voraussetzung: die chemische Reaktion läuft schnell, vollständig und ohne

Nebenreaktion ab.Der Endpunkt der Titration (Äquivalenzpunkt) kann an unterschiedlichen Parametern erkannt werden:

Potentiometrie (Spannung aufzeichnen) Coulometrie/Amperometrie (Stromfluss aufzeichnen) Konduktometrie (Leitfähigkeit aufzeichnen) pH Titration (pH Wert aufzeichnen; Säure-Base-Titration)

Andere Verfahren verwenden Indikatoren, die selbst nicht an der Umsetzung teilnehmen, deren Eigenschaften sich aber am Endpunkt der Titration ändern (z.B. Färbung).

29


Einfache Verfahren für gelöste Stoffe

Systematik der Maßanalyse erfolgt hinsichtlich der Art der Umsetzung:

Acidimetrie (Titration mit Säure)

Alkalimetire (Titration mit einer Base)

Redox-Titration (Übertragung von Elektronen)

Komplexometrische Titration (Komplexbildung zwischen Probe und Titrant)

Coulometrische Titration (Titrant wird elektrochemisch in der Lösung erzeugt; anstelle der Volumenmessung erfolgt die Messung der Stromstärke und Zeit)

30


Einfache Verfahren für gelöste StoffeRedox-Titration z.B. Iodometrie:

Iod-Lösungen werden direkt als Messlösung zur Bestimmung von reduzierenden Stoffen verwendet:

I + e- I- (Iod wird reduziert)

oder zu Bestimmung von Stoffen die Iodid-Ionen zu Iod oxidieren:

2I- I2 + 2e-

das nach der Reaktion zurückbleibende Iod, oder das gebildete Iod wird mit Natriumthiosulfat-Maßlösung titiriert:

2S2O32- + I2 S4O6

2- + 2I-

Als Indikator dient Stärke Lösung, Farbumschlag Blau / Farblos.

Iodometrie Anwendung: Bestimmung von freiem Chlor und Brom, Wasserstoff-peroxid, Sauerstoffbestimmung nach Winkler

31



Sauerstoffbestimmung nach Winkler:unter alkalischen Bedingungen werden Mangan(II)-Ionen durch Sauerstoff zu Mangan(IV)-Ionen oxidiert:

2 Mn2+ + 4 OH- + O2 2 MnO(OH)2

der Niederschlag wird im stark sauren Medium aufgelöst und es bildet sich eine der anfänglichen Sauerstoffkonzentration proportionale Menge an Mangan(III)-Ionen:

2 MnO(OH)2 + 2e- + 8 H+ 2 Mn3+ + 6 H2O

die Mn(III)-Ionen oxidieren nun einer der anfänglichen Sauerstoffkonzentration proportionale Menge an Iodid zu Iod:

2 Mn3+ + 2 I- 2 Mn2+ + I2

das durch die Reaktion gebildete Iod wird durch Titration mit Natriumthiosulfat quantifiziert und basierend auf dieser Konzentration der Sauerstoffgehalt berechnet.

32



2 S2O32- + I2 S4O6

2- + 2 I-

2 Mn2+ + 4 OH- + O2 2 MnO(OH)2

2 MnO(OH)2 + 2e- + 8 H+ 2 Mn3+ + 6 H2O

2 Mn 3+ + 2 I- 2 Mn2+ + I2

aus 1 mol O2 wird 1 mol I2,

Für die Oxidation von 1 mol I2 werden 2 mol Thiosulfat benötigt

Also entsprechen 2 mol Thiosulfat 1 mol O2

33


Einfache Verfahren für gelöste StoffeKomplexometrie:

Zur Bestimmung der Wasserhärte: Wasserhärte wird von den Calcium(II)- und Magnesium(II)-Ionen verursacht.Für die Bestimmung wird zu der Wasserprobe ein Indikator gegeben und zwar „Tritriplex III“.

„Tritriplex III“ ist das Dinatriumsalz von Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA).

HOOC CH2 N CH2 CH2CH2HOOCN

CH2

CH2

COOH

COOHEDTA:

Das Dinatriumsalz von EDTA ist gelblich gefärbt. Bei Anwesenheit von Calcium- und Magnesium-Ionen wird das Natrium durch diese zweiwertigen Ionen ausgetauscht. Wenn alle zweiwertigen Ionen komplexiert sind, wechselt die Farbe von Gelb nach farblos (=Endpunkt).

Bei Zugabe von Indikatoren von Rosa nach Blau.

34



35


Einfache Verfahren für gelöste StoffeGrundgeräte zur Volumenmessung:

Messkolben (zur Herstellung der Maßlösung), Büretten (Durchführung der Titration) Pipetten (zum Abmessen definierter Volumen)

Klassifizierung Büretten und Pipetten:Klasse A: geeichtKlasse AS: kalibrierfähig, Kalibrierung

durch Wägung, Ablaufzeit 15 s mit Berührung an Glaswand.

Klasse B: für Routine

36


Einfache Verfahren für gelöste StoffeTitrationsautomat:

37


Einfache Verfahren für gelöste StoffeTitrimetrie/Maßanalyse:Die Quantifizierung von gelösten Stoffen oder Stoffgruppen erfolgt bei der Titrimetrie durch Volumenmessung einer Reagenzlösung mit definierter Konzentration (Maßlösung), die mit dem zu bestimmenden Stoff spezifisch reagiert.

Einfaches Beispiel:

Bestimmung der Protonenkonzentration (H3O+) in Wasser

H+ + OH- H2O

Probevolumen = 1L

NaOH Lösung 1 mmol /L und 100 ml werden verbraucht = 0,1 mmol NaOH:

H+ Konz. der Probelösung = 0,1 mmol/L

38


Einfache Verfahren für gelöste StoffeAcidimetrie und Alkalimetrie:

zur Bestimmung der Säuren- und Basenkapazität von Wässern bzw. der Pufferkapazität von Wässern.

Im Bereich Trinkwasser stellt gelöstes Kohlendioxid und seine Folgeprodukte das wichtigste Puffersystem dar, was bedeutet, dass der pH-Wert eines Wassers vor allem durch den Gehalt an freier Kohlensäure (CO2) bestimmt wird.

Gibt man zu reinem Wasser eine Säure oder Lauge, so verändert sich der pH-Wert stark. Dieser Effekt ist bei natürlichen Wässern wesentlich schwächer, da das Wasser gepuffert ist.

Warum ist die Kenntnis über der Pufferkapazität von Wässern von Bedeutung?

39


Einfache Verfahren für gelöste StoffeGelöstes Kohlendioxid steht in wässrigen Lösungen im Gleichgewicht mit Kohlensäure:

Das Gleichgewicht liegt links, der Anteil an Kohlensäure beträgt 0,2 %

Die Kohlensäure ist eine zweiprotonige Säure, die ihre Protonen in zwei Dissoziationsstufen abgeben kann:

Da der Anteil der Kohlensäure gemäß Gleichung 1 schlecht bestimmt werden kann, wird die Reaktion (1) und (2) zusammengefasst:

K´ = c (H CO )2 3

c (CO )2

= konstantH CO2 3(1) CO + H O 2 2

K = 2 c (HCO )3-(3)

K´ = 1 c (H CO )2 3H CO + H O2 3 2(2)

CO + 2H O 2 2(4) K = 1 c (CO )2

40



pK1 = 6,37; bei 25°C pK2 = 10,33; bei 25 °C

Zusätzlich gilt für die Summe der Kohlensäurespezies(Kohlensäuresumme in mmol/L):

bzw. wenn Anteile betrachtet werden:

K = 1 c (CO )2

K = 2 c (HCO )3-

c (CO )32-c (C ) = T c (CO ) 2 c (HCO )3

- ++

c (CO )2 c (HCO )3-

c (C )T c (C )T c (C )T1 = + + c (CO )3

2-

41


Einfache Verfahren für gelöste StoffeMit dem Massenwirkungsgesetz (Gleichung 1-3) ergibt sich:

= 1 + K1

c (H O )3+

C (CO )2

C (C )T

+ K 1 K2

c (H O )3+ 2

-1

C (HCO )3-

C (C )T1 + K1

c (H O )3+

+ K2

c (H O )3+=

-1

C (CO )32-

C (C )T1 +

c (H O )3+ 2

+K2

c (H O )3+

= K 1 K2

-1

Anteile der Kohlensäureformen an der Gesamtkohlensäure in Abhängigkeit vom pH-Wert.

1,0

0,5

0,2

0,1

0,05

0,02

0,01

0,005

0,002

0,0014 5 6 7 8 9 10 11 12

CO2 HCO3- CO3

2-

pH = pK1 pH = pK2

pH = (pK + pK )/21 2

Ante

ile d

er K

ohle

nsäu

refo

rmen

pH-Wert

42



1,0

0,5

0,2

0,1

0,05

0,02

0,01

0,005

0,002

0,0014 5 6 7 8 9 10 11 12

CO2 HCO3- CO3

2-

pH = pK1 pH = pK2

pH = (pK + pK )/21 2

Ante

ile d

er K

ohle

nsäu

refo

rmen

pH-Wert

pH > 8,2

HCO3- und CO3

2- dominieren und puffern nach:

pH = pK2 + log c(CO3 2-) / c(HCO3

-)

bei pH = pK2: c(CO3 2-) = c(HCO3

-)

pH = 8,2

HCO3- dominiert (andere jeweils nur 1

% von CT)

43



1,0

0,5

0,2

0,1

0,05

0,02

0,01

0,005

0,002

0,0014 5 6 7 8 9 10 11 12

CO2 HCO3- CO3

2-

pH = pK1 pH = pK2

pH = (pK + pK )/21 2

Ante

ile d

er K

ohle

nsäu

refo

rmen

pH-Wert

4,3 < pH < 8,2

CO2 und HCO3- dominieren und

puffern nach:

pH = pK1 + log c(HCO3 -) / c(CO2)

Bei pH = pK1: c(HCO3 -) = c(CO2)

pH < 4,3

CO2 liegt weitgehend alleine vor (mit H3O+)

44



Aus der Verteilung der Kohlensäureformen in Abhängigkeit vom pH-Wert ergeben sich die Titrierverfahren für die Bestimmung der Pufferkapazität bzw. für die Säurekapazität und die Basekapazität bis zu einem bestimmten pH-Wert:

Säurekapazität bis pH 4,3: KS 4,3 Säureverbrauch bis pH 4,3 erreicht ist


Basekapazität bis pH 4,3: KB 4,3 Baseverbrauch bis pH 4,3 erreicht ist


Berechnung der Säure- bzw. Basekapazität am Beispiel KS 4,3 :

KS 4,3 (mmol/L) = V c f

V = verbrauchte Salzsäure (ml)c = Konzentration der Salzsäure (100 mmol/L oder 20 mmol/L)f = Umrechnungsfaktor (bei 100 ml Probe f = 10 in 1/ml)

45



Bestimmungsmethoden DIN38409-7

4,0

6,0

8,0

10,0

Wasserprobe pH 8,8

SäurekapazitätHCl Verbrauch

pH = 4,3

pH =

8,2

+p

+m

4,0

6,0

8,0

10,0

Wasserprobe pH 7,6


pH = 4,3

pH = 8,2

+m

-p

BasekapazitätNaOH Verbrauch

Schematische Darstellung der Bedeutung der p- und m- Werte auf der pH-Skala:

Die Titration erfolgt mit Salzsäure bzw. Natronlauge.

Eingesetzte Indikatoren: pH 8,2: Phenolphthalein (p-Wert)

pH 4,3: Methylorange (m-Wert)

46


Einfache Verfahren für gelöste StoffeMethylorange (Natriumsalz der 4-Dimethylamino-azobenzol-4-Sulfonsäure)

Eine wässrige Lösung von Methylorange schlägt bei einem pH-Wert von 3,1 – 4,3 von rot nach gelborange.

47


Einfache Verfahren für gelöste StoffeBerechnung der Konzentrationen, Fallunterscheidungen:

9,5 > pH > 8,2: CO32- und HCO3

2- sind wichtig:

c(CO32-) = KS 8,2

c(HCO32-) = K S 4,3 – 2 KS 8,2

pH > 9,5: CO32-, HCO3

2- und OH- sind wichtig:

c(OH-) = KW / 10-pH

c(CO32-) = KS 8,2 - c(OH-)

c(HCO32-) = KS 4,3 – 2 KS 8,2 + c(OH-)

4,3 < pH < 8,2: HCO32- und CO2 sind wichtig:

c(CO2) = KB 8,2

c(HCO32-) = KS 4,3 – 0,05 mmol/L

0,05 mmol/L als Korrektur für H+ bei pH 4,3 weil H+ nicht aus Kohlensäure stammt

48



pH < 4,3: CO2 und H+ sind wichtig:

c(H+) = 10-pH

c(CO2) = KB 8,2 – c(H+)

Die angegebenen Bestimmungsgleichungen sind nur näherungsweise gültig. Für exakte Lösungen sind weitergehende Gleichgewichtsberechnungen notwendig, mit Beachtung von zusätzlichen Faktoren. In Gegenwart anderer schwacher Säuren (organ. Säuren) in merklichen Gehalten treffen die oben genannten Verfahren nicht mehr zu.

1










- Gruppenparameter



5. Biologische Messtechniken (Dr. Gunkel)

2


Einfache Verfahren für gelöste StoffeTitrimetrie/Maßanalyse:Die Quantifizierung von gelösten Stoffen oder Stoffgruppen erfolgt bei der Titrimetrie durch Volumenmessung einer Reagenzlösung mit definierter Konzentration (Maßlösung), die mit dem zu bestimmenden Stoff spezifisch reagiert.Voraussetzung: die chemische Reaktion läuft schnell, vollständig und ohne

Nebenreaktion ab.Der Endpunkt der Titration (Äquivalenzpunkt) kann an unterschiedlichen Parametern erkannt werden:

Potentiometrie (Spannung aufzeichnen) Coulometrie/Amperometrie (Stromfluss aufzeichnen) Konduktometrie (Leitfähigkeit aufzeichnen) pH Titration (pH Wert aufzeichnen; Säure-Base-Titration)

Andere Verfahren verwenden Indikatoren, die selbst nicht an der Umsetzung teilnehmen, deren Eigenschaften sich aber am Endpunkt der Titration ändern (z.B. Färbung).

3



Systematik der Maßanalyse erfolgt hinsichtlich der Art der Umsetzung:

Acidimetrie (Titration mit Säure)

Alkalimetire (Titration mit einer Base)

Redox-Titration (Übertragung von Elektronen)

Komplexometrische Titration (Komplexbildung zwischen Probe und Titrant)

Coulometrische Titration (Titrant wird elektrochemisch in der Lösung erzeugt; anstelle der Volumenmessung erfolgt die Messung der Stromstärke und Zeit)

4


Einfache Verfahren für gelöste StoffeRedox-Titration z.B. Iodometrie:

Iod-Lösungen werden direkt als Messlösung zur Bestimmung von reduzierenden Stoffen verwendet:

I + e- I- (Iod wird reduziert)

oder zu Bestimmung von Stoffen die Iodid-Ionen zu Iod oxidieren:

2I- I2 + 2e-

das nach der Reaktion zurückbleibende Iod, oder das gebildete Iod wird mit Natriumthiosulfat-Maßlösung titiriert:

2S2O32- + I2 S4O6

2- + 2I-

Als Indikator dient Stärke Lösung, Farbumschlag Blau / Farblos.

Iodometrie Anwendung: Bestimmung von freiem Chlor und Brom, Wasserstoff-peroxid, Sauerstoffbestimmung nach Winkler

5



Sauerstoffbestimmung nach Winkler:unter alkalischen Bedingungen werden Mangan(II)-Ionen durch Sauerstoff zu Mangan(IV)-Ionen oxidiert:

2 Mn2+ + 4 OH- + O2 2 MnO(OH)2

der Niederschlag wird im stark sauren Medium aufgelöst und es bildet sich eine der anfänglichen Sauerstoffkonzentration proportionale Menge an Mangan(III)-Ionen:

2 MnO(OH)2 + 2e- + 8 H+ 2 Mn3+ + 6 H2O

die Mn(III)-Ionen oxidieren nun einer der anfänglichen Sauerstoffkonzentration proportionale Menge an Iodid zu Iod:

2 Mn3+ 2 I- 2 Mn2+ + I2

das durch die Reaktion gebildete Iod wird durch Titration mit Natriumthiosulfat quantifiziert und basierend auf dieser Konzentration der Sauerstoffgehalt berechnet.

6



Zur Bestimmung der Wasserhärte: Wasserhärte wird von den Calcium(II)- und Magnesium(II)-Ionen verursacht.Für die Bestimmung wird zu der Wasserprobe ein Indikator gegeben, der mit Calcium/Magnesium eine farbige Substanz bildet.

Dann erfolgt die Titration mit dem Dinatriumsalz von Ethylendiamintetraessig-säure (EDTA).

HOOC CH2 N CH2 CH2CH2HOOCN

CH2

CH2

COOH

COOHEDTA:

Durch Zugabe von EDTA bilden sich EDTA Calcium- und Magnesium-Komplexe und die Farbigkeit ändert sich nach farblos.

7



8


Einfache Verfahren für gelöste StoffeGrundgeräte zur Volumenmessung:

Messkolben (zur Herstellung der Maßlösung), Büretten (Durchführung der Titration) Pipetten (zum Abmessen definierter Volumen)

Klassifizierung Büretten und Pipetten:Klasse A: geeichtKlasse AS: kalibrierfähig, Kalibrierung

durch Wägung, Ablaufzeit 15 s mit Berührung an Glaswand.

Klasse B: für Routine

9



Titrationsautomat:

10


Einfache Verfahren für gelöste StoffeAcidimetrie und Alkalimetrie:

zur Bestimmung der Säure- und Basekapazität von Wässern bzw. der Pufferkapazität von Wässern.

Im Bereich Trinkwasser stellt gelöstes Kohlendioxid und seine Folgeprodukte das wichtigste Puffersystem dar, was bedeutet, dass der pH-Wert eines Wassers vor allem durch den Gehalt an freier Kohlensäure (CO2) bestimmt wird.

Gibt man zu reinem Wasser eine Säure oder Lauge, so verändert sich der pH-Wert stark. Dieser Effekt ist bei natürlichen Wässern wesentlich schwächer, da das Wasser gepuffert ist.

Warum ist die Kenntnis über der Pufferkapazität von Wässern von Bedeutung?

11


Einfache Verfahren für gelöste StoffeGelöstes Kohlendioxid steht in wässrigen Lösungen im Gleichgewicht mit Kohlensäure:

Das Gleichgewicht liegt links, der Anteil an Kohlensäure beträgt 0,2 %

Die Kohlensäure ist eine zweiprotonige Säure, die ihre Protonen in zwei Dissoziationsstufen abgeben kann:

Da der Anteil der Kohlensäure gemäß Gleichung 1 schlecht bestimmt werden kann, wird die Reaktion (1) und (2) zusammengefasst:

K´ = c (H CO )2 3

c (CO )2

= konstantH CO2 3(1) CO + H O 2 2

K = 2 c (HCO )3-(3)

K´ = 1 c (H CO )2 3H CO + H O2 3 2(2)

CO + 2H O 2 2(4) K = 1 c (CO )2

12



pK1 = 6,37; bei 25°C pK2 = 10,33; bei 25 °C

Zusätzlich gilt für die Summe der Kohlensäurespezies(Kohlensäuresumme in mmol/L):

bzw. wenn Anteile betrachtet werden:

K = 1 c (CO )2

K = 2 c (HCO )3-

c (CO )32-c (C ) = T c (CO ) 2 c (HCO )3

- ++

c (CO )2 c (HCO )3-

c (C )T c (C )T c (C )T1 = + + c (CO )3

2-

13


Einfache Verfahren für gelöste StoffeMit dem Massenwirkungsgesetz (Gleichung 1-3) ergibt sich:

= 1 + K1

c (H O )3+

C (CO )2

C (C )T

+ K 1 K2

c (H O )3+ 2

-1

C (HCO )3-

C (C )T1 + K1

c (H O )3+

+ K2

c (H O )3+=

-1

C (CO )32-

C (C )T1 +

c (H O )3+ 2

+K2

c (H O )3+

= K 1 K2

-1

Anteile der Kohlensäureformen an der Gesamtkohlensäure in Abhängigkeit vom pH-Wert.

1,0

0,5

0,2

0,1

0,05

0,02

0,01

0,005

0,002

0,0014 5 6 7 8 9 10 11 12

CO2 HCO3- CO3

2-

pH = pK1 pH = pK2

pH = (pK + pK )/21 2

Ante

ile d

er K

ohle

nsäu

refo

rmen

pH-Wert

14



1,0

0,5

0,2

0,1

0,05

0,02

0,01

0,005

0,002

0,0014 5 6 7 8 9 10 11 12

CO2 HCO3- CO3

2-

pH = pK1 pH = pK2

pH = (pK + pK )/21 2

Ante

ile d

er K

ohle

nsäu

refo

rmen

pH-Wert

pH > 8,2

HCO3- und CO3

2- dominieren und puffern nach:

pH = pK2 + log c(CO3 2-) / c(HCO3

-)

bei pH = pK2: c(CO3 2-) = c(HCO3

-)

pH = 8,2

HCO3- dominiert (andere jeweils nur 1

% von CT)

15



1,0

0,5

0,2

0,1

0,05

0,02

0,01

0,005

0,002

0,0014 5 6 7 8 9 10 11 12

CO2 HCO3- CO3

2-

pH = pK1 pH = pK2

pH = (pK + pK )/21 2

Ante

ile d

er K

ohle

nsäu

refo

rmen

pH-Wert

4,3 < pH < 8,2

CO2 und HCO3- dominieren und

puffern nach:

pH = pK1 + log c(HCO3 -) / c(CO2)

Bei pH = pK1: c(HCO3 -) = c(CO2)

pH < 4,3

CO2 liegt weitgehend alleine vor (mit H3O+)

16



Aus der Verteilung der Kohlensäureformen in Abhängigkeit vom pH-Wert ergeben sich die Titrierverfahren für die Bestimmung der Pufferkapazität bzw. für die Säurekapazität und die Basekapazität bis zu einem bestimmten pH-Wert:





Berechnung der Säure- bzw. Basekapazität am Beispiel KS 4,3 :

KS 4,3 (mmol/L) = V c f

V = verbrauchte Salzsäure (ml)c = Konzentration der Salzsäure (100 mmol/L oder 20 mmol/L)f = Umrechnungsfaktor (bei 100 ml Probe f = 10 in 1/ml)

17



Bestimmungsmethoden DIN38409-7

4,0

6,0

8,0

10,0

Wasserprobe pH 8,8


pH = 4,3

pH =

8,2

+p

+m

4,0

6,0

8,0

10,0

Wasserprobe pH 7,6


pH = 4,3

pH = 8,2

+m

-p

BasekapazitätNaOH Verbrauch

Schematische Darstellung der Bedeutung der p- und m- Werte auf der pH-Skala:

Die Titration erfolgt mit Salzsäure bzw. Natronlauge.

Eingesetzte Indikatoren: pH 8,2: Phenolphthalein (p-Wert)

pH 4,3: Methylorange (m-Wert)

18


Einfache Verfahren für gelöste StoffeMethylorange (Natriumsalz der 4-Dimethylamino-azobenzol-4-Sulfonsäure)

Eine wässrige Lösung von Methylorange schlägt bei einem pH-Wert von 3,1 – 4,3 von rot nach gelborange.

19



9,5 > pH > 8,2: CO32- und HCO3

2- sind wichtig:

c(CO32-) = KS 8,2

c(HCO32-) = K S 4,3 – 2 KS 8,2

pH > 9,5: CO32-, HCO3

2- und OH- sind wichtig:

c(OH-) = KW / 10-pH

c(CO32-) = KS 8,2 - c(OH-)

c(HCO32-) = KS 4,3 – 2 KS 8,2 + c(OH-)

4,3 < pH < 8,2: HCO32- und CO2 sind wichtig:

c(CO2) = KB 8,2

c(HCO32-) = KS 4,3 – 0,05 mmol/L

0,05 mmol/L als Korrektur für H+ bei pH 4,3 weil H+ nicht aus Kohlensäure stammt

20



pH < 4,3: CO2 und H+ sind wichtig:

c(H+) = 10-pH

c(CO2) = KB 8,2 – c(H+)

Die angegebenen Bestimmungsgleichungen sind nur näherungsweise gültig. Für exakte Lösungen sind weitergehende Gleichgewichtsberechnungen notwendig, mit Beachtung von zusätzlichen Faktoren. In Gegenwart anderer schwacher Säuren (organ. Säuren) in merklichen Gehalten treffen die oben genannten Verfahren nicht mehr zu.

1






- Elektrochemische Analysenverfahren




- Gruppenparameter



2


Elektrochemische AnalysenverfahrenElektrochemische Analysenverfahren nutzen Reaktionen, an denen Ionen, Elektronen und die Phasengrenzen Elektronen-/Ionenleiter beteiligt sind, um Informationen über Art und Menge anorganischer oder organischer Stoffe zu er-halten.Eine elektrochemische Messzelle besteht immer aus mindestens zwei Elektro-den, die in eine Lösung tauchen.Klassifizierung elektrochemischer Methoden

Stromstärke IMasse m in (g, mg)

Amperometrie, Elektrogravimetrie,

Coulometrie

konstantes Potential

Stromstärke als Funktion der Spannung (A, mA, µA)

Voltammetrie/Polarographieangelegter Strom ungleich Null

aber variables Potential

Potentialdifferenz (Urspannung, Quellenspannung: Elektromotorische Kraft) (V; mV)

Potentiometrieangelegter Strom gleich Null

mit Elektrodenreaktion

Elektrische Leitfähigkeit (S/cm2)Konduktometrie(Leitfähigkeit)

ohne Elektrodenreaktion

Messgröße (Einheit)MethodeElektrodenreaktion

3


Leitfähigkeit:

Die Leitfähigkeit ist ein Maß für die Fähigkeit eines Wassers, Strom zu leiten.

Die Leitfähigkeit resultiert aus dem Ladungstransport von Ionen, die im Wasser gelöst sind.

Durch die Bestimmung der Leitfähigkeit erhält man Informationen über den Gesamtgehalt an Salzen (Salze dissoziieren in Anionen und Kationen).

Die Leitfähigkeit wird angegeben in mS/cm oder µS/cm; S = Siemens.


4


Leitfähigkeit unterschiedlicher Wässer:


5


Messprinzip:

Zwischen zwei Metallplatten/Elektroden wird eine Wechselspannung angelegt.

Dadurch wird in der wässrigen Lösung zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld, wechselnder Polarität aufgebaut.

In diesem elektrischen Feld wandern die Ionen (Leitfähigkeit).


6


Wie bei elektrischen Leitern gilt folgender Zusammenhang:U = R I bzw. I = U / R

Bei elektrolytischen Leitern gilt:LF 1/R = GLF = Leitfähigkeit, G = Leitwert (S)

Das sich ausbildende elektrische Feld, das die Ionenwanderung beeinflusst, ist abhängig vom Ab-stand und Fläche der Elektroden.

Werden diese Parameter berück-sichtigt erhält man die spezifische Leitfähigkeit :

= G l/A = G k

l = Abstand der Elektroden (cm)

A = Fläche der Elektroden (cm2)

k = Zellkonstante (1/cm)


7


Die Bestimmung der Leitfähigkeit erfolgt also durch eine Widerstandsmessung(G = 1/R) und wird von der Zellkonstante k beeinflusst. Die Zellkonstante verändert sich durch Alterungsprozesse und muss regelmäßig kontrolliert werden.

Vergleichsmessung: mit der zu kontrollierenden Messzelle (2) sowie mit einer Messzelle bekannter Zellkonstante (1) wird die selbe Lösung, mit dem selben Gerät gemessen.

1 = G k1 ; 2 = G k2 k2 = 1 / k1 2

Bestimmung mittels Kalibrierlösungen mit bekannter spezifischer Leitfähigkeit: Zellkonstante berechnen oder aber durch einstellen der spezifischen Leitfähigkeit, wenn die Zellkonstante am Gerät eingestellt werden kann.

Typische Kalibrierlösungen sind Konzentrationsabgestufte KCl-Lösungen.

Spezifische Leitfähigkeit: = G k


8


Kalibrierlösung KCl: Spezifische Leitfähigkeit in Abhängigkeit von Konzentration und Temperatur

111,812,881,41325

109,8412,641,38624

107,8912,391,35923

105,9412,151,33222

104,0211,911,30521

102,0911,671,27820

100,1611,431,25119

1 mol/LmS/cm

0,1 mol/LmS/cm

0,01 mol/LmS/cm

Konzentration Temperatur °C


9


Abhängigkeit der spezifischen Leitfähigkeit vom Salzgehalt:

Mit steigender Konzentration sinkt der Dissoziationsgrad der Salze, insbesondere bei schwachen Elektrolyten.

Zusätzlich beeinflussen sich die Ionen untereinander (interionische Wechselwir-kungen) in ihrer Beweglichkeit.


10


Abhängigkeit der spezifischen Leitfähigkeit vom Salzgehalt:

Nur in verdünnten Lösungen gibt es einen linearen Zusammenhang.


11


Wird die spezifische Leitfähigkeit eines Elektrolyten durch die jeweilige Konzentration in mol/L geteilt erhält man die molare Leitfähigkeit bzw. die Äquivalentleitfähigkeit ():

= / c (S/cm x cm3/mol) (S x cm2 /mol)

Die molare Leitfähigkeit eines Elektrolyten setzt sich additiv aus den jeweiligen Beiträgen von Anionen und Kationen zusammen:

= Anion + Kation (S cm2/mol)

Anion = Anion F x z-

Kation = Kation F x z+

= Beweglichkeit; F = Faraday-Konstante, z = Ladungszahl

bzw. Anion und Kation kann berechnet werden mit aus Tabellen

sollte eine Konstante sein und von der Konzentration unabhängig sein !


12


Selbst bei niedrigen Konzentrationen ist die molareLeitfähigkeit nicht unabhängig von der Konzentration.

Die geringste Konzentrationsabhängigkeit ist bei ein-einwertigen Elektrolyten festzustellen.


13


Trägt man aber die molare Leitfähigkeit starker Elektrolyte gegen die Wurzel der Konzentration auf erhält man annähern Konstante Werte:

Diesen, auf empirischen Weg gefundenen Zusammenhang nennt man das Quadratwurzel- oder Kohlrausch-Gesetz:

c = 0 – A c-1/2

A = Konstante

0 = Leitfähigkeit bei unendlicher Verdünnung

c = Leitfähigkeit bei der Konzentration c


Für die Konzentrationsabhängigkeit der molaren Leitfähigkeit sind interionische Wechselwirkungen verantwortlich (Abweichung vom idealen Verhalten).Essigsäure schwacher Elektrolyt , Extrapolation gemessener Werte auf unendliche Verdünnung nicht möglich

14


Die Leitfähigkeit von verdünnten Elektrolytlösungen hängt ab:

von der Zahl der Ionen (Konzentration)

von den Ladungen pro Ion (Äquivalentzahl)

und von der Wanderungsgeschwindigkeit bzw. der Beweglichkeit

Die Ionenbeweglichkeit ist abhängig:

von der Ladung

vom Ionenradius (bzw. vom Verhältnis Ladung zu Ionenradius)

von der Größe der Solvathülle

vom Lösungsmittel (Viskosität)

und der Temperatur (Viskosität)


15


Ionenbeweglichkeit () bei 18°C in cm2/s

(cm2/s)Ion

0,72 10-3½ SO42-

0,68 10-3Cl-0,65 10-3NO3

-

0,46 10-3Na+

0,35 10-3Li+1,8 10-3OH-

3,3 10-3H3O+

80,0SO42-

69,3CO32-

44,5HCO3-

71,5NO3-

76,3Cl-198,6OH-

59,5Ca2+

63,6Ba2+

73,5K+

50,1Na+

349,8H3O+

104 0 (S m2/mol)Ion

Äquivalentleitfähigkeit (0)* bei 25 °C


* bei unendlicher Verdünnung

16


Extraleitfähigkeit des Wassers:

Die hohe Leitfähigkeit der Ionen des Wassers kommt durch einen anderen Transportmechanismus zustande: Tunneleffekt (quantenmechanisch erklärbar).

Bildlich gesprochen: keine Wanderung von H3O+ und OH-, sondern Ladungs-verschiebung (schneller Ladungstransport, keine Trägheit):


17





Coulometrie











18


Elektrochemische Analysenverfahren

Lösungsmittelgrenzschicht = positivElektrode = negativ

Me

Mez+

-----

+++++

----+++++-

Wird ein Metall in eine Elektrolytlösung getaucht, so stellt sich ein Gleichgewicht zwischen dem Metall und dem Metallkationen in Lösung ein.

Lage des Gleichgewichtes abhängig von:

Ionisierungsenergie des Metalls

Aktivität des Kations und

Solvatationsenergie des Kations.

Es bildet sich eine elektrochemische Doppelschicht aus bzw. ein Grenzflächenpotential

19


Elektrochemische AnalysenverfahrenWerden zwei unterschiedliche Metallplatten/Elektroden durch einen

elektrischen Leiter miteinander verbunden, so kann die Reaktion weiter laufen.

Me

Mez+

-----

+++++

----+++++-

Me

Mez+

---

+++

--

+++-

e-

20



Zn → Zn2+ + 2e- Cu2+ + 2e- → Cu

Zn

Zn2+

-----

+++++

----+++++-

Cu

Cu2+

---

+++

--

+++-

e-

SO42- SO4

2-

Daniel-Element: Zink wird oxidiert, Kupfer wird reduziert

21



Zn → Zn2+ + 2e- Cu2+ + 2e- → Cu

Zn

Zn2+

-----

+++++

----+++++-

Cu

Cu2+

---

+++

--

+++-

e-

SO42- SO4

2-

Salzbrücke

Daniel-Element: Zink wird oxidiert, Kupfer wird reduziert

22



Zn → Zn2+ + 2e- Cu2+ + 2e- → Cu

Zn

Zn2+

-----

+++++

----+++++-

Cu

Cu2+

---

+++

--

+++-

e-

SO42- SO4

2-

Salzbrücke

Daniel-Element: Kupfer wird reduziert; Zink wird oxidiert

Die sich ausbildende Spannung/Potential nennt man Galvanispannung, die auf einer Redoxreaktion basiert.

Das Potential wird durch die Nernst-Gleichung beschrieben:

∆E = EKathode - EAnode

EKathode = E0 + RT/zF x ln(Cu 2+/Cu)

EAnode = E0 + RT/zF x ln(Zn2+/Zn)

EKathode = 0,3402 VEAnode = -0,7628 V

∆E = 1,103 V

23


Elektrochemische AnalysenverfahrenDie direkte Messung der Galvanispannung (Potential-differenz zwischen Elektrode und Lösung) ist nicht möglich!

Elektrodenpotentiale werden ermittelt, indem die Potentialdifferenz zwischen zwei Elektroden gemessen wird, wobei eine Elektrode eine Bezugselektrode ist, deren Galvanipotentialgleich Null gesetzt wird.

Bezugselektrode:Normal-Wasserstoffelektrode (NHE):

Ein platiniertes Platinblech in saurer Lösung mit einer Protonenaktivität von 1 wird mit Wasserstoff umspült.

2H3O+ + 2e- H2 + 2H2O

24


Elektrochemische AnalysenverfahrenMessanordnung für die Bestimmung von Standardpotentialen:

Zn/ZnSO4/H+/H2/Pt: -0,763 V

Zn Zn 2+ + 2e-

2H3O+ + 2e- 2H2O + H2

Cu/CuSO4/H+/H2/Pt: +0,3402 V

Cu2+ + 2e- Cu

2H2O + H2 2H3O+ + 2e-

25


Elektrochemische AnalysenverfahrenStandardbezugspotentiale, gemessen gegen NHE

Die Addition zweier Zahlenwerte führt auf EMK und Polarität des von den entsprechenden Elektroden gebildeten galvanischen Elementes bzw. auf die Zersetzungsspannung der entsprechenden Elektrolysezelle.

Je negativer das Potential, desto leichter können Elektronen abgegeben werden.

26


pH-Wert BestimmungpH-Messung mit der Glaselektrode

Ist die H3O+-Aktivität an der Einstellung eines Elektrodengleichgewichtes beteiligt, so kann das Gleichgewichtspotential der betreffenden Elektrode als Maß für den pH-Wert einer Lösung dienen.

Wird die Oberfläche eines Glases von Wasser benetzt, werden innerhalb einer dünnen Oberflächenschicht die im SiO2-Netzwerk gebundenen Kationen gegen Wasserstoffionen ausgetauscht.

Dieser sogenannte „Quellvorgang“ ist nach 24-48 Stunden abgeschlossen (Elektroden dürfen nicht eintrocknen), die entstandene Quellschicht wird als Haber-Haugaard-Schicht (HHS) bezeichnet.

Me

Mez+

-----

+++++

----+++++-

27


pH-Wert Bestimmung

GlasnetzwerkWasser

(protonenhaltig)HHSH+

H+

H+

H+

H+

H+

GlasnetzwerkWasser

(protonenhaltig)HHSH+

H+

H+

H+

H+

H+

Wird eine pH Elektrode in eine protonenhaltigen Lösung getaucht, so ist die Konzentration der Protonen in beiden Phasen unterschiedlich:

[H+]HHS [H+]Lösung [H+]HHS = [H+]Lösung

EH+,HHS = EH+,Lösung

Zwischen Quellschicht und Lösung werden solange Protonen ausgetauscht, bis das Gleichgewicht eingestellt ist:

Nernstsche Gleichung: E = E + 0 RTzF x ln [H HHS

+] [H Lösung

+]

28


pH-Wert BestimmungDer beschriebene Effekt, kann zur Bestimmung unbekannter pH-Werte benutzt werden, wenn eine dünne Glasmembran, die auf beiden Seiten einem Quellvorgang unterliegt, als Trennwand zwischen einer Lösung I mit bekanntem und einer Lösung II mit unbekanntem pH-Wert, benutzt wird:

Glasnetzwerk HHSH+

H+

H+

H+

HHS

H+

H+

H+

H+

H+

H+

Lösung mit

pH Wertbekanntem

Lösung mit

pH-Wertunbekanntem

E(I)

E(II)

EHHS,I EHHS,II

E(I-II)

E(I) = E (I) + 0 RTzF

x ln c(H ,HHS I)+

c(H I)+ LösungRTzF

x ln c(H I)+ LösungE(II) = E (II) + 0 RT

zF x ln c(H ,HHS II)+

c(H II)+ Lösung

29


pH-Wert Bestimmung

E(I) - E(II) = RTzF

x ln c(H ,HHS I)+RTzF

x ln c(H ,HHS I)+ c(H I)+ Lösung- RTzF x ln

c(H ,HHS II)+ c(H II)+ Lösung

RTzF

x ln c(H ,HHS I)+

c(H I)+ LösungE(I) - E(II) = RTzF

x ln c(H ,HHS I)+

c(H I)+ Lösung- RT

zF x ln c(H ,HHS II)+

c(H II)+ Lösung

E(I) = E (I) + 0 RTzF

x ln c(H ,HHS I)+

c(H I)+ LösungRTzF

x ln c(H ,HHS I)+

c(H I)+ Lösung E(II) = E (II) + 0 RTzF x ln c(H ,HHS II)+

c(H II)+ Lösung

Glasnetzwerk HHSH+

H+

H+

H+

HHS

H+

H+

H+

H+

H+

H+

Lösung mit

pH Wertbekanntem

Lösung mit

pH-Wertunbekanntem

E(I)

E(II)

EHHS,I EHHS,II

E(I-II)

E(I) - E(II) = c(H I)+ LösungRTzF x lnc(H II)+ LösungEasy -

30


pH-Wert Bestimmung

Lösung I = bekannter pH-Wert = log c(H+Lösung I)

Lösung II = unbekannter pH-Wert x = log c(H+Lösung II)

E(I) - E(II) = c(H I)+ LösungRTzF x lnc(H II)+ LösungEasy -

E(I) - E(II) = RTzF x (pH - pH )x

Easy = Asymmetriepotential: wird verursacht durch unterschiedliche Protonen-aktivitäten in den beiden Haber-Haugaard-Schichten.

Der Grund für das Auftreten des Asymmetriepotentials beruht auf, von Seite zu Seite verschiedene mechanische Spannungen des SiO2-Gerüstes bzw. der Membran, bedingt durch die Herstellung. Je nach Glasart, Membranform und Vorgeschichte (Herstellungsverfahren, Temperaturbehandlung usw.) beträgt das Asymmetriepotential zwischen 0 und 50 mV.

31


pH-Wert BestimmungGlasnetzwerk HHS

H+

H+

H+

H+

HHS

H+

H+

H+

H+

H+

H+

Lösung mit

pH Wertbekanntem

Lösung mit

pH-Wertunbekanntem

E(I) E(II)

Wie wird nun die PotentialdifferenzE(I)-E(II) gemessen?

Mit 2 Elektroden, die in die Probelösung tauchen.

Zur Vermeidung weiterer Effekte und Potentiale an Phasengrenzflächen sind die beiden Elektroden gleicher Bauart.

Messelektrode: Ag/AgClElektrode mit Glasmembran

Bezugselektrode: Ag/AgCl/Cl-Elektrode 2. Art Potential bleibt konstant.

32


pH-Wert Bestimmung

Aufbau der Messelektrode:

Kugelmembran, welche am unteren Ende eines Glasrohres angesetzt ist .

KCl-haltiger Innenpuffer pH 7

Innenableitung Ag/AgCl-

Eintauchen der Glaselektrode in die Messlösung und Anschluss eines Messinstrumentes zwischen der Innableitung und der Außenableitung (Bezugselektrode)

33


pH-Wert Bestimmung

pH-Einstabmesskette:

34


pH-Wert BestimmungKalibrierung: Die Gleichung, die das Potential an einer Glaselektrode beschreibt, ist eine Geraden-Gleichung:

E(I) - E(II) = RTzF x (pH - pH )x

Steigung AchsenabschnittE(V)

0

pH7

Easy

S

RT/zF = S

Unter Standardbedingungen (T = 25°C) beträgt S = 59,2 mV

35


pH-Wert BestimmungDa sich mit zunehmenden Alter sowohl das Asymetriepotential wie auch die Steigung ändern müssen pH Elektroden regelmäßig kalibriert werden.

Für die Kalibrierung benutzt man sogenannte technische Pufferlösungen.

Da das Potential bzw. der pH-Wert temperaturabhängig ist muss die Temperatur bei der Kalibrierung berücksichtigt werden.

9,616,974,0340

9,746,984,0235

9,876,994,0130

10,007,004,0125

10,137,024,0020

10,267,044,0015

10,397,064,0010

Puffer pH 10

Puffer pH 7

Puffer pH 4

Temperatur (°C)

Pufferlösungen-Abhängigkeit der pH-Werte von der Temperatur

36


Elektroden 2. ArtElektroden 2. Art: Metallionenelektroden, bei denen die potentialbestimmende Metallionenaktivität der Lösungsphase im Gleichgewicht mit einer zweiten festen Phase steht, in der Regel mit dem schwerlöslichen Salz des Elektrodenmetalls als Bodenkörper. Potential der Elektrode ist konstant!

z.B. Silberionenelektrode: Ag/AgCl/Cl-

Ag Ag+ + e-

EAg/Ag+ = E0 Ag/Ag+ + RT / zF ln c(Ag+)

Die Konzentration von Ag+ kann durch das Löslichkeitsgleichgewicht ausge-drückt werden, da ein AgCl Bodenkörper vorhanden ist:

KL = c(Ag+) c(Cl-)KL = Löslichkeitsprodukt

EAg/Ag+ = EAg/Ag0 + RT/zF ln KL/c(Cl-)

Konzentration von Cl- = konstant

Silberdraht

Glasrohr

wässrige KCl-Lösung

poröser AgCl-Überzug

GlasfritteAgCl Bodenkörper

37





Coulometrie











38


Sauerstoff-Elektrode

Sauerstoff-Elektroden arbeiten nach dem Prinzip der Amperometrie:

Elektrodenreaktion, angelegter Strom ungleich Null, konstantes Potential

Bei der Amperometrie werden Substanzen an der Oberfläche einer Edelmetallelektrode chemisch oxidiert oder reduziert. Elektronen werden entweder abgegeben oder verbraucht, es entsteht ein elektrischer Strom, der über ein Kabel zur Elektrode hin- oder von ihr wegfließt. Dieser Strom ist das Messsignal. Basierend auf dem Stromfluss kann die Konzentration des Analyten berechnet werden.

39


Sauerstoff-ElektrodeSchematischer Aufbau einer Sauerstoff-Elektrode

Potentiostat

Gold-Kathode Silber-Anode

e- e-

Kathode:

2H2O + O2 + 4e- 4OH-

Anode:

4Ag 4Ag+ + 4e-

Sauerstoff wird reduziert, pro Mol O2 werden 4 Elektronen verbraucht.

Silber wird oxidiert.

Die chemische Reaktion läuft nicht von selbst ab, sondern muss durch eine äußere Spannung erzwungen werden.

Die Spannung muss hoch genug sein, um die Sauerstoffreduktion auszulösen und muss konstant sein.

Der Potentiostat ist für die konstante Spannungsversorgung zuständig.

Der Potentiostat hält die Spannung der Arbeitselektrode (hier Kathode) auf einem Wert UPOL (Polarisationsspan-nung) gegenüber der potentialstabilen Bezugselektrode konstant.

40


Sauerstoff-ElektrodeWie groß muss die Polarisationsspannung sein, um die Sauerstoffreduktionauszulösen?

Rechnerisch ergibt sich eine Spannung von 611 mV, als Orientierungswert, man arbeitet aber mit Spannungen, die stets um einige 100 mV höher liegen.

41


Sauerstoff-ElektrodeDie Polarisationsspannung kann auch experimentell bestimmt werden, durch Aufnahme von Strom/Spannungskurven:

Die Polarisationsspannung (UPOL) wird langsam erhöht.

Zu Beginn fließt kein Strom, weil die Spannung zu klein ist um O2 zu reduzieren.

Spannung (mV)

Strom (mA)

Arbeitsspannung gegen die Normal-Wasserstoffelektrode

Je weiter die Spannung erhöht wird, umso besser wird diese Durchtrittsmöglichkeit. Dann folgt der Plateaubereich. Hier ist der Strom von der Spannung unabhängig. Die Reaktion ist hier sehr schnell.

Mit zunehmender Spannung steigt der Strom sehr schnell an. Die Reaktion beginnt, aber nicht aller Sauerstoff, der in der Lösung vorhanden ist, kann an die Arbeitselektrode gelangen, d.h. zu ihr durchtreten. Man spricht vom durchtrittsbestimmten Teil der Kurve.

42



Spannung (mV)

Strom (mA)


Im Plateaubereich hängt der Stromfluss nur noch von der Nachlieferung von Sauerstoff ab.

Probelösung muss gerührt werden!

Trotz des Rührens bleibt eine ungerührte Grenzschicht zwischen Messgut und Elektrode erhalten. Diese Grenzschicht kann der Sauerstoff nur durch Diffusion überwinden, womit der Stromfluss des Plateaubereiches diffusionskontrolliert ist = Diffusionsgrenzstrom ID.

43



Spannung (mV)

Strom (mA)


Die Arbeitsspannung richtet sich nach dem Standardpotential der auszulösenden Reaktion. Theoretisch erhält man bei diesem Potential genau die Hälfte des maximal möglichen Diffusionsgrenzstromes (ID1/2 = Halbstufenpotential). Um den vollen Grenzstrom zu erreichen wählt man als Arbeitspunkt die Spannung die etwa in der Mitte des Plateaus liegt.

Wie groß muss die Polarisationsspannung sein, um die Sauerstoffreduktionauszulösen?

ID = n F D c/dN A

n = Anzahl der umgesetzten ElektronenF = Faraday´sche Konstante

(9,649 104 A s mol-1)D = Diffusionskoeffizient für O2 in Wasser

(D = 10-5 cm2 s-1)c = O2-Konzentration im gerührten MessgutdN = Dicke der ungerührten GrenzschichtA = Oberfläche der Arbeitselektrode

44


Sauerstoff-ElektrodeMembranbedeckte Sonde nach Clark:

Die Elektroden sind mit einer sauerstoffdurchlässigen Membran (Dicke 10 – 50 µm) vom Messgut getrennt. Damit werden Ablagerungen aus dem Messgut auf den Elektroden vermieden.

Welche Konsequenz ergibt sich für das Messsignal, d.h. den Diffusionsgrenzstrom durch die membranbedeckte Sonde?

ID = n F PM pO2/b A

PM = Permeabilität der Membran für O2

pO2 = Sauerstoffpartialdruckb = Dicke der Membran

45


Sauerstoff-ElektrodeMembranbedeckte Sonde nach Clark: ID = n F PM pO2/b A

Die Sauerstoffelektrode nach Clark bestimmt demnach nicht die Sauerstoffkonzentration in Wasser, sondern den Partialdruck von Sauerstoff in Wasser.

Im Messgerät wird dann der Partialdruck in die entsprechende Konzentration umgerechnet. Dafür muss die Temperatur bekannt sein, die von einem Sensor mit gemessen wird (sowohl der Sauerstoffpartialdruck wie auch die Sauerstoffpermeabilität der Membran ist Temperaturabhängig).

46


Sauerstoff-ElektrodeKalibrierung von Sauerstoff-Elektroden:

Kalibrierung erfolgt in wasserdampfgesättigter Luft

(Partialdruck von Sauerstoff in luftgesättigtem Wasser = Partialdruck von wasserdampfgesättigter Luft)

47


Sauerstoff-ElektrodeLöslichkeit von Sauerstoff in Wasser / was ist bei der Kalibrierung zu beachten

O2

O2

Wenn sauerstofffreies Wasser mit der Atmosphäre in Berührung kommt, wird solange Sauerstoff gelöst bis der Gleichgewichtszustand erreicht ist. Der Gleichgewichtszustand bzw. die Sättigung ist erreicht, wenn der Partialdruck in Wasser gleich dem der überstehenden Luft ist: pO2 (Wasser) = pO2(Luft)

Die Bedeutet, dass der O2-Partialdruck der Luft alleine über den maximal im Wasser erreichbaren O2-Gehalt entscheidet.

pO2 = xO2 pL

pO2 = Partialdruck

xO2 = Anteil von O2 der Luft ( 21 %)

pL = Luftdruck (mbar)

z.B. Luftdruck = 1013 mbar, Temperatur = 20°C pO2 = 212 mbarz.B. Luftdruck = 894 mbar, Temperatur = 20°C pO2 = 187 mbarDer Luftdruck und so auch der Sauerstoffpartialdruck nimmt mit der Höhe ab und so auch die Sauerstoffsättigung!

48


Sauerstoff-ElektrodeFeuchte Luft: Luftdruck setzt sich aus den Gasbestandteilen der Luft

zusammen und dem Wasserdampf

pO2 = xO2 (pL – pW)Feuchte Luft: pW = Wasserdampfdruck (mbar)

z.B. Luftdruck = 1013 mbar, Temperatur = 20°C, pW = 23,3 mbar

pO2 = 207 mbar

pW steigt mit der Temperatur, der Sauerstoffpartialdruck wasserdampf-gesättigter Luft wird kleiner

49


Sauerstoff-ElektrodeDie Sauerstoffsättigungskonzentration ist wichtig für die Kalibrierung der Sauerstoffelektroden und sind in Form von Tabellen zusammengefasst.

Die Werte lassen sich nicht berechnen aufgrund der Abhängigkeit von Luftdruck und Temperatur und müssen bestimmt werden – mit anderen Methoden (iodometrische Titration nach Winkler)

50


Sauerstoff-ElektrodeSalzeffekt:

Die Sauerstoffbestimmung im Meerwasser nach Winkler und mit der Sauerstoffsonde liefern unterschiedliche Werte:

Mit der Sonde würde man nur 80 % der des Sauerstoffsgehaltes feststellen.

Grund:

das im Wasser gelöste Salz bewirkt, dass weniger gelöster Sauerstoff benötigt wird, um den erforderlichen Gleichgewichts O2 Partialdruck zu erzeugen.

In Salzwasser nimmt die Sauerstoffsättigung andere Werte an als in ionenarmenWässern.

Salzkorrektur: am Gerät durch einstellen der Salinität, die durch die Leitfähigkeit bestimmt werden kann.

Einfluss der Wassertiefe:

Fehler ist vernachlässigbar klein, bei 100 m Wassertiefe beträgt der Fehler +1,25 %.

51


Sauerstoff-ElektrodeDer Partialdruck kann durch das Henry Gesetz in die Sauerstoffmassen-konzentration (mg/L) umgerechnet werden:

Das Henry Gesetzt gibt an, wie viel Liter eines Gases sich in einem Liter Wasser bei einer bestimmten Temperatur lösen können:

L = ppN

L = Volumenlöslichkeit des Gases

p = Partialdruck

pN = Normaldruck (1013 mbar)

Bunsen Koeffizient

c =O2

x O2 (p - p )L W

pN

MO2

VM

MO2 = Molmasse von O2 (mg/mmol)

VM = Molvolumen (22,414 L/mol)

1










- Gruppenparameter




2





Coulometrie



Voltammetrie / Polarographie

angelegter Strom ungleich Null








3


Coulometrie:

Coulometrie

mit Elektrodenreaktion, angelegter Strom ungleich Null, konstantes Potential

dient zu qualitativen und quantitativen Analytik von z.B. Halogeniden

In der Coulometrie wird die Menge an Elektronen, die für eine spezielle Reaktion verbraucht werden, gemessen.

Faradaysches Gesetz: m = M Q / z F

m = Menge des umgesetzten StoffesM = Molare Menge der SubstanzQ = verbrauchte Ladungsmenge in CoulombF = Faraday Konstante (96487 Coulomb/mol)z = Anzahl der elektrochemischen Beteiligten

Elektronen

4


Coulometrie

Coulometrische Fällungstitration: Titrant wird elektrochemisch erzeugt und reagiert dann im zweiten Schritt mit dem Analyten.

Praktische Anwendung bei der AOX-Bestimmung:

Reagenzerzeugung, anodisch: Ag Ag+ + e-

Fällungstitration (chemisch): Ag+ + Cl- AgCl

5


CoulometrieCoulometrische Titration:

Zwischen Arbeits- und Gegenelektrode (Messkette) wird eine geringe Spannung angelegt, und es wird eine geringe Konzentration an Titrierionen (hier Ag+) erzeugt.

Eine entsprechende Gegenspannung wird an der Referenzelektrode (Indikatorelektrode, End-punktindizierung) angelegt.

Die Referenzspannung bleibt konstant = Arbeitspunkt.

Tritt die zu messende Substanz in die Titrierzelleein, reagiert sie mit dem Ag+. Dadurch ändert sich die Ag+ Konzentration und damit das Potential der Referenzelektrode und es fließt ein Strom zwischen der Arbeits- und der Gegenelektrode, bis das anfängliche Potential wieder erreicht ist. Der Endpunkt wird durch die Referenzelektrode kontrolliert.

6


Coulometrie

Faradaysches Gesetz: m = M Q / z F

Q = I(t) dt

Das Zeitintegral des Titrierstroms ist ein Maß für die Stoffmenge Q in Coulomb und kann zur Bestimmung der gemessenen Stoffmengen herangezogen werden:

m = Menge des umgesetzten StoffesM = Molare Menge der SubstanzQ = verbrauchte Ladungsmenge in CoulombF = Faraday Konstante (96487 Coulomb/mol)z = Anzahl der elektrochemischen Beteiligten

Elektronen

Coulometrie ist sehr empfindlich und selektiv.

Es ist keine Kalibrierung nötig = Absolutmethode.

7





Coulometrie



Voltammetrie / Polarographie

angelegter Strom ungleich Null








8


Polarographie/Voltammetrie:

mit Elektrodenreaktion, angelegter Strom ungleich Null, variables Potential

Polarographie/Voltammetrie

dient zu qualitativen und quantitativen Analytik von z.B. Schwermetallen

Gemessen wird die Stromstärke, die in einer elektrolytischen Messzelle zwischen zwei Elektroden, bei zeitlich variierenden Spannungen auftritt: Strom / Spannungskurven

Polarographie:

9



Polarographie: Quecksilbertropfelektrode: Elektrodenoberfläche wird ständig erneuert und bleibt so von störenden Substanzen frei.

Voltammetrie: stationäre Elektrode: Elektrodenoberfläche verändert sich mit der Zeit (Absorption und Vergiftung der Elektroden-oberfläche).

10


Polarographie:


Halbstufenpotential ist Substanz spezifisch

Diffusionsgrenzstrom ist proportional zur Konzentration

Der Kurvenverlauf ist auf den speziellen Vorgängen von Oberflächen-wachstum und Wanderung der Teilchen zu der Oberfläche zurückzuführen.

11


Voltammetrie:


Die Voltammetrie an stationären Elektroden führt zu Strom-Spannungskurven mit einem Spitzenstrom und Spitzenpotential.

12


Polarographie: Quecksilbertropfelektrode


Quecksilbertropfelektrode = Arbeitselektrode

Elektrode: ist eine Glaskapillare (12 – 15 cm), die über einen PVC Schlauch mit dem Quecksilbervorratsgefäßverbunden ist.

Anforderung an die Elektrode: hohe Reinheit des Quecksilbers und ein konstanter Innendurchmesser (0,03 – 0,1 mm)

13




Wichtig:

vor Durchführung einer polarographischen oder voltammetrischenAnalyse ist der störende Sauerstoff zu beseitigen (Halbstufenpotetial: 0 bis –1 V).

14




Illkovic-Gleichung: iD = 607 z D1/2 m2/3 t1/6 c

iD = Diffusionsgrenzstrom (µA)z = ElektronenzahlD = Diffusionskoeffizient (cm2 s-1)m = Strömungsgeschwindigkeit des Hg (mg s-1)t = Lebensdauer eines Tropfens (s)c = Konzentration des Analyten (mmol/L)

15


Systematik polarographischer Techniken:


I.Gleichstrom-Methoden („direct-current“ DC)

Normale-, rapid-, tast-, pulse-, differentielle Pulse-, Differenz-, Square-Wave- und zyklische Polarographie bzw. Voltammetrie

II. Wechselstrommethoden („alterinating-current“ AC)

Varianten wie unter I.

III. Inverse Techniken („stripping“ Verfahren)

Anreicherung des Analyten auf der Elektrode, mit anschließender Bestimmung der elektrochemischen Auflösung.

16


Spektrometrische Methoden:

beruhen auf der Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit Atomen oder Molekülen.

Spektrometrische Methoden

Elektromagnetische Strahlung = Licht

Energie des Lichtes wird beschrieben durch das Gesetz von Planck/Einstein:

E = h

= c / E = Energieh = Plancksches Wirkungsquantum (6,625 10-34Js)c = Lichtgeschwindigkeit (3 108 m/s)= Frequenz = Wellenlänge

17


Elektromagnetische Spektrum:


Kleine Wellenlängen: energiereiche Strahlung

<10 nm Röntgenstrahlen200 – 400 nm Ultraviolett400 – 700 nm Sichtbares Licht (Vis)> 700 nm Infrarot

18



Aufbau der Atome

Atomkern: Protonen (positive Ladung) und Neutronen

Atomhülle: Elektronen (negative Ladung)

Der „Aufenthaltsort“ der Elektronen ist nicht wahllos, sondern die Elektronen bewegen sich auf definierten „Energieniveaus“ (Orbitalen).

Atommodelle:

Rutherfordsche Atommodell

Bohrsche Atommodell und

quantenmechanische Atommodell

Moleküle: sind aus Atomen zusammengesetzte chemische Verbindungen. Auch hier befinden sich die Elektronen auf definierten „Energieniveaus“.

19



E0

E1

E2

E3

h x 1

h x 2

h x 3

Absorption: Schwächung der Lichtstrahlung durch Analyten

Werden Atome oder Moleküle mit Licht einer Wellenlänge von 200 – 700nm bestrahlt, dann kommt es zu einer Elektronenanregung, d.h. die Elektronen der Atomhülle springen in andere Energieniveaus:

20



E0

E1

E2

E3

h x 1

h x 2

h x ´3

h x ´´3

h x ´2

h x 3

Emission

Beim Übergang vom angeregten Zustand in den Grundzustand wird die aufgenommene Energie wieder frei und in Form von elektromagnetischer Strahlung abgegeben:

21


Atomspektrometrische MethodenAtomabsorptionsspektrometrie (AAS) ist wohl die wichtigste Methode für die Bestimmung der anorganischen

Elemente wie z.B. K, Si, Fe, Se, As usw.

Die Atomabsorptionsspektrometrie nutzt das Absorptionsvermögen freier Atome. Die freien Atome werden meist aus Lösungen auf thermischem Wege im Absorptionsraum erzeugt (Resonanzabsorption in Gasen).

Strahlungs-quelle Atomisator Monochro-

mator Empfänger Verstärker Aufzeich-nung

Probe

Der Absorptionsraum wird von Licht einer speziellen Lichtquelle durchstrahlt. Die Änderung der Lichtintensität einer ausgewählten Linie (Wellenlänge) wird detektiert. Diese ausgewählten Linien werden Resonanzlinien genannt. Resonanzlinien sind für die unterschiedlichen Elemente charakteristisch.

22


Atomspektrometrische Methoden

Eine spezielle Lichtquelle strahlt Licht in den Atomisator, in dem die zu analysierenden Verbindungen im atomaren Zustand vorliegen.

Messprinzip:

Die unterschiedlichen Atome absorbieren Licht einer bestimmten Wellenlänge. Das Lichtspektrum des eingestrahlten Lichtes wird verändert und die Veränderung registriert

23



Strahlungsquellen:

Die hohe Selektivität der AAS ist darauf zurückzuführen, dass für jedes Element eine spezielle Hohlkathodenlampe verwendet wird.

Glaszylinder unter Vakuum gefüllt mit Neon oder Argon

Kathode: besteht aus dem jeweiligen Element, das bestimmt werden soll

Anode: Wolfram oder Nickel

Spannung: > 100 V Glimmentladung die zur Entstehung des Emissionsspektrums des betreffenden Elementes führt

Metallatome werden aus der Kathode frei und zur Strahlung angeregt

Emissionsspektrum einer Si-Hohlkathodenlampe

24



Erzeugung freier Atome im Atomisator durch:

chemische Prozesse (Flammen, Flammen-AAS)

elektrische Widerstandserhitzung (Graphitrohr-AAS)

Bildung von gasförmigen Hydriden (Hydridtechnik) und Zersetzung der Hydride

Die Atomisierung hat die Aufgabe einen möglichst hohen Anteil des zu bestimmenden Elementes in den atomaren Zustand zu bringen- falls erforderlich auch unter reduzierenden Bedingungen.

25


Atomspektrometrische MethodenFlammen-AAS:

Proben werden verdampft und thermisch durch eine Flamme zersetzt

die Flamme besteht aus Brenngas und oxidierenden Gasen, z.B. Acetylen/Luft (2200 ºC), Acetylen/Distickstoffoxid (3200 ºC)

Die Probelösung wird in einem speziellen Zerstäuber mit Mischkammer versprüht.

Die entstandenen Nebeltröpfchen werden mit dem Gasstrom in die Brennkammer geführt.

26



In der Flamme erfolgt die Verdampfung des Wassers und es bilden sich ein Aerosol sowie Atome bzw. angeregte Atome.

Nebenreaktion:

Bildung von Oxiden

Verringerung der Empfindlichkeit sowie spektrale Störungen durch: Bildung von Molekülen und angeregten

Molekülen

27



Graphitrohr-AAS: Analyten werden elektrothermisch atomisiert

Graphitrohr: Länge 28 mm, Durchmesser 6 mm)

Graphitrohr wird von 2 Graphitkontakten gehalten, durch welche eine Stromzufuhr erfolgt. Spannung 8 V, Stromstärke 400 A: Temperatur 3000 K (über Widerstandsheizung).

Eine Argon-Schutzgasatmosphäre verhindert ein Verbrennen des Graphitrohres.

Die Probelösung wird durch einen Autosampler in das Graphitrohr dosiert.

Über ein Temperaturprogramm wird die Probe getrocknet, veraschtund dann erst elektrothermisch atomisiert.

28



Graphitrohr-AAS:

29



Hydrid-Technik:

Anwendung für die Elemente Arsen, Antimon, Bismut, Selen, Tellur und Zinn (Elemente die flüchtige Hydride bilden können).

Durch die Umsetzung mit Natriumborhydrid (NaBH4) entstehen die flüchtigen Hydride der jeweiligen Elemente, die mit einem Gasstrom in die Atomisierungseinheit überführt werden.

30



Resonanzlinien einiger Atome

31



Nachweisgrenzen der AAS in µg/L:

0,0011Zn

0,5100Se

0,0510Pb

0,24Ni

2200Hg

0,021Cu

0,012Cr

0,026Co

0,0030,5Cd

0,220As

0,0130Al

0,0051Ag

GraphitrohrFlammeElement

32



Atomemissionsspektrometrie (AES):Die von angeregten Atomen emittierte charakteristische Strahlungs-energie wir zum Nachweis von Elementen verwendet.

es gibt die Flammen-AES und die

ICP-AES (ICP = inductively coupled plasma, induktiv gekoppelte Hochfrequenzplasmen)

Man findet auch oft die Abkürzung ICP-OES,

OES = Optische Emissionsspektrometrie, ist eigentlich die korrektere Bezeichnung, da bei der ICP Ionenlinien mehr Bedeutung haben als die Atomlinien

33



Flammen-AES:

Besteht aus: Zerstäubereinheit (Flamme) optisches Bauteil

saugt die flüssige Probe an und sprüht die Probe in Form feinster Tropfen in die Flamme

Flammen-Emissions-Spektrum

34



Eigenschaften der Verbrennungsflammen

35



ICP-AES/OES:

Besteht aus einem Hochfrequnez-Generator, einer Plasma-Fackel, einem Zerstäuber und einer optischen Einheit.

Plasma: ist ein elektrisch leitendes gasförmiges System, bestehend aus Atomen, Molekülen, negativ und positiv geladenen Ionen sowie Elektronen (nach außen ist das Plasma neutral).

Eine hohe Anzahl von Elektronen überträgt bei Zusammenstößen ihre Bewegungsenergie auf Atome und Moleküle. Dadurch werden die erforderlichen hohen Temperaturen für die Atomisierung erreicht.

36



Plasmabrenner: ICP induktiv gekoppelte Hochfrequenzplasmen

Induktionsspule, Hochfrequenz-Generator

6000-8000 K im Zentrum des Plasmas

Nachteil: hoher Argon Verbrauch (10-20 L/min!!)

37



Aufbau einer ICP-AES/OES:

1 = HF-Generator

2 = Plasma

3 + 9 = Blenden

4 = Prisma

5 = Gitter

6 = Zerstäuber

7 = Probe

8 = Verstärker

10 = Photomultiplier

11 = Argon

12 – 14 = Datenaufnahme

1










- Gruppenparameter




2



E0

E1

E2

E3

h x 1

h x 2

h x 3

E0

E1

E2

E3

h x 1

h x 2

h x ´3

h x ´´3

h x ´2

h x 3

Treten Atome mit elektromagnetischer Strahlung einer Wellenlänge von 200 -700 nm in Wechselwirkung, so kommt es zu einer stoffspezifischenSchwächung (Absorption) einer elektromagnetischen Strahlung bzw. zu einer stoffspezifischen Emission einer elektromagnetischen Strahlung (E = h c/)

Absorption (Aufnahme der Energie)

Emission(Abgabe der aufgenommenen Energie)

Schematische Darstellung der Energiezustände in einem Atom bei Absorption bzw. Emission von Strahlung.

3


Atomspektrometrische MethodenAAS:

Es werden Atome erzeugt, die durch das Emissionsspektrum einer elementspezifischen Lampe angeregt werden. Gemessen wird die Absorption.

4



5


Atomspektrometrische MethodenAES/OES:

Es werden angeregte Atome erzeugt und das Emissionsspektrum aufgezeichnet. Multi-Element-Bestimmungen sind möglich.

6


Atomspektrometrische MethodenEmissions-Spektrum

7


Molekülspektrometrische MethodenOrganische, wie auch anorganische Verbindungen können Licht definierter Wellenlängen, durch Anregung der Elektronen, absorbieren.

Die Absorption von UV oder sichtbarem Licht führt zur Anregung der -Elektronen (der Doppel- und Dreifachbindungen) oder n-Elektronen (nichtbindende Elektronenpaare von Sauerstoff-, Schwefel- und Stickstoffatomen).

Die Energie reicht zur Anregung der -Elektronen (des Molekülgerüstes) nicht aus.

Die aufgenommene Energie wird bei Übergang der Elektronen in den Grundzustand in Form von Wärme wieder frei.

Wird dagegen die Energie in Form von Licht frei gesetzt, dann spricht man von Emission bzw. Fluoreszenz.

8


Molekülspektrometrische MethodenWir eine Probelösung von UV-Licht definierter Wellenlänge durchstrahlt, so erhält man ein Extinktions- bzw. ein Absorptionsspektrum, in Abhängigkeit von der Wellenlänge.

Teile eines Moleküls, die Licht im UV/Vis-Bereich absorbieren, werden chromophore-Gruppen genannt.

9


Molekülspektrometrische Methoden

Prinzipieller Aufbau eines Photometers:

Strahlungs-quellekontinuierliches oderdiskontinuierlichesLicht

Optik undBlendepunktförmigeLichtquelle,Parallel-strahlung

Licht-zerlegungFilter oder Monochromator

Blende

KüvetteAnalysenlösung

StrahlungsempfängerUmwandlung von Licht-energie in elektrischeEnergie

GalvanometerMesswert-anzeige

10


Molekülspektrometrische MethodenBeschreibung der Absorption:

Beim Durchgang durch die Küvette wird das Licht mit zunehmender Schichttiefe in Form einer Exponentialfunktion geschwächt:

I = I0 e-kd

k = Extinktionskonstante; f(Analyten, Wellenlänge)

d = Schichtdicke der Küvette

Schwächung / Extinktion / Absorption ergibt sich durch das Verhältnis I/I0 bzw. I0/I:

I/I0 = e-kd bzw. I0/I = ekd

Die Extinktion (E) / Absorption (A) wird meist als natürlicher oder dekadischer Logarithmus angegeben:

ln(I0/I) = kd bzw.

lg(I0/I) = 0,43kd = ε c d (Lambert-Beersches-Gesetzt)

ε = molare dekadische Extionktionskoeffizient

d

auffallenderStrahlenfluß

durchgelassenerStrahlenfluß

eingedrungenerStrahlenfluß

austretenderStrahlenfluß

Refelxionsverluste

I I I I

11


Molekülspektrometrische MethodenAufbau eines Zweistrahl-Spektralphotometers:

Drehspiegel

Lampenraum Monochromator

Lampe Deuteriumlampe Gitter Austrittsspalt

Eintrittsspalt

Spiegel-rad

Spiegel

Probe

Blindwert

ProbenraumVergleichsküvette

MessküvetteSekundärelektronen-vervielfacher(Multiplier)

Messwerterfassung

Lampenraum: Lichtstrahl wird in zwei kohärente Strahlen aufgespalten

Monochromator: zur Selektion der Wellenlänge

Zweistrahlgeräte eignen sich besonders zur Auf-nahme von Spek-tren, weil die Wellenlänge stufenlos ver-stellbar ist und ein simultaner Nullabgleich stattfindet.

12



Die Qualität der Photometer hängt insbesondere von den optischen Bauteilen ab. Folgende Varianten gibt es:

monochromatisches Licht (bei ausreichend kleiner Spaltbreite)

Prisma oder Gitter

Quarzprisma (oder Gitter)

Wolframlampe (UV/Vis)H2 oder D2 Lampe (UV)

Spektral-photometer

monochromatisches Licht

Glas- oder Interferenzfilter

Hg-Dampflampe(Emissionsmaxima bei 254, 366, 560nm)Cd-Dampflampe

Spektrallienen-photometer

nicht monochromatisches Licht

Glas- oder Interferenzfilter

Wolframlampe(kontinuierliche Strahlung ab 300 nm)

Filterphotometer

MesslichtLichtzerlegungStrahlungsquellenPhotometer

13



Glasfilter: z.B. farbige Gläser, bestimmte Frequenzanteile werden verstärkt absorbiert. Die Farbe des Lichtes ergibt sich als Mischfarbe der nicht absorbierten Spektralanteile.

Interferenzfilter: bestehen aus mehreren hintereinander liegenden Glasschichten. Das durchfallende Licht wird an den vorderen und hinteren Begrenzungsflächen der Glasschichten teilweise reflektiert. Diese reflektierten Lichtanteile interferieren mit dem hindurch tretenden Licht und löschen dieses bis auf bestimmte Spektrallinien aus.

14



Durchlässigkeit verschiedener Filter:

15



Prisma: bildet das „Herzstück“ eines Spektralphotometers

16


Molekülspektrometrische MethodenAnforderung an die Küvetten:

hohe optische Qualität

exakte Abmessungen

1

0,5

200 300 400 5000

Dur

chlä

ssig

keit

/ Tra

nsm

issi

on

Wellenlänge (nm)

Transmissionsgrad für verschiedene Küvettenmaterialien

17



Anwendung der Photometrie:

Färbung des Wassers: Absorbiert Wasser Licht im Bereich der UV/Vis-Strahlung (400-700

nm), dann ist es gefärbt. Die Färbung des Wassers bzw. die Erfassung der Färbung bezieht

sich auf bestimmte Stoffe, die echt gelöst vorliegen (z.B. Huminstoffe) oder durch Verunreinigungen in das Wasser gelangt sind.

Die Intensität der Färbung einer Wasserprobe wird photometrisch durch die Absorption/ Extinktion bei einer Wellenlänge von 436 nm bestimmt, nach Filtration über 0,45 µm Membranfilter.

436 nm: natürliche Gewässer sind gelbbraun gefärbt. Die gemessene Absorption wird auf eine Schichtdicke von 1 m

bezogen und als spektraler Absorptionskoeffizient (SAK) in 1/m mit Angabe der Wellenlänge angegeben SAK (436 nm).

18



Anwendung der Photometrie:

Absorption von UV-Strahlen

Wasser absorbiert in Abhängigkeit von der Art und Konzentration der Inhaltsstoffe Licht im UV Bereich (200-380 nm).

Im UV-Bereich absorbieren insbesondere Moleküle mit Doppel- und Dreifachbindungen:

Die UV absorbierenden gelösten organischen Stoffe im Wasser werden über die Absorption der Wellenlänge von 254 nm erfasst.

Das Ergebnis wird als spektraler Absorptionskoeffizient SAK(254nm) in 1/m angegeben.

19


Molekülspektrometrische MethodenPhotometrische Bestimmung von nur schwach bzw. nicht absorbierenden Stoffen:

Schwach bzw. nicht absorbierende Stoffe wie z.B. Metallkationen lassen sich, nach Umsetzung mit einem Reagenz zu einem farbigen

Komplex, photometrisch bestimmen.

Voraussetzung: - selektive Komplexbildung (Reaktion) und

- ein ausreichender Unterschied in den Absorptions-spektren von Reagenz und Metalll-Komplex

20



UV/Vis-Spektrometrische Methoden für die Bestimmung von Kationenin Trink-, Brauch- und Abwasser:

21



UV/Vis-Spektrometrische Methoden für die Bestimmung von Anionen in Trink-, Brauch- und Abwasser:

22


Molekülspektrometrische MethodenPhosphatbestimmung:

Phosphat-Ionen reagieren in saurer Lösung mit Molybdat-Ionen unter Bildung von Molybdophosphorsäure, die in einem zweiten Schritt mit Zinn(II)chlorid zu einem stark gefärbten Molbdänblaukomplexreduziert.

Für die Quantifizierung wird ortho-Phosphat in unterschiedlichen Konzentrationen angesetzt und entsprechend der Derivatisierungsreaktion umgesetzt.

23



Fliess-Injektions-Analyse (FIA): Automatisierung der Derivatisierung mit online Detektion:

C = Trägerstrom, Probelösung● = Reagenzlösung 1● ● = Reagenzlösung 2MC 1 und 2 = MischschlaufenD = DetektorW = Ablauf

24



Fliess-Injektions-Analyse (FIA):

25



Fliess-Injektions-Analyse (FIA):

26



Fluoreszenz:

Innerhalb von 0,1-100 Nanosekunden wird nach dem Beginn der Anregung die aufgenommene Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung wieder abgegeben.

Die Anregung der Elektronenübergänge erfordert eine höhere Energie als in Form der Strahlung wieder frei wird. Das Fluoreszenzspektrum ist daher im Vergleich zum Absorptionsspektrum zu längeren Wellenlängen verschoben.

27



Aufbau eines Fluorimeters:

Die Strahlungsintensität wird senkrecht zur Richtung der Anregungsstrahlung gemessen.

Der Emissionsmonochromator entfernt Reste des Anregungslichtes vor der Detektion.

28


Molekülspektrometrische MethodenWelche Stoffe fluoreszieren? insbesondere aromatische

Verbindungen, sowie polycyclische Verbindungen.

Metallionen nach Derivatisierung durch eine Fluoreszenzmarkierung.

Nichtfluoreszierende Verbindungen mit funk-tionellen Gruppen wie Amino-, Thiol-, Carbonyl-und Carboxylgruppenkönnen nach einfügen (Derivatisierung) eines Fluorophores auch durch die Fluoreszenzmessung erfasst werden.

29


Molekülspektrometrische MethodenDerivatisierungsreagenzien für die fluorimetrische Analyse:

30


Molekülspektrometrische MethodenDerivatisierungsreagenzien für die fluorimetrische Analyse:

2BisbenzothiazoylmethanZn

73,4,7-TrihydroxyflavonSn

52,3-DiaminonaphthalinSe

28-HydroxychinolinMn

0,01N,N,-BissalicylidenethylendiaminMg

0,1QuercetinB

0,2MorinAl

Nachweisgrenze (µg/L)ReagenzElement

31


Molekülspektrometrische MethodenDreidimensionale Darstellung eines Fluoreszenzspektrums in Abhängig-keit von der Anregungswellenlänge:

32



Die Fluoreszenz unterliegt zahlreichen Störungen (Matrixeffekte), und wird daher nicht so oft angewendet.

Stellenwert der Fluoreszenz:

Wird aber als Detektor bei der Flüssigkeitschromatographie (LC) eingesetzt.

Wichtiges Verfahren für die Bestimmung von Sauerstoff:

Optische Sauerstoffsensoren!

33


Molekülspektrometrische MethodenOptische Sauerstoffsensoren:

die Messgröße wird nicht durch eine elektrische Größe repräsentiert bzw. übertragen, sondern durch eine optische.

PhotodiodeReferenz-

LED

Mess/Anregungs-LED

LuminophorAnregungs-LED sendet blaues Licht aus (gepulst) und

überträgt die Strahlungsenergie auf den Luminophor

Elektronen des Luminophoreswerden angeregt (höheres Energieniveau)

beim „runterfallen“ der Elektronen in niedrigere Energieniveaus wird rotes Licht emittiert (Fluoreszenz)

Luminophor: ein Stoff der nach Anregung Licht emittiert (hier Fluoreszenz)

34



0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Zeit (ms)

Inte

nsitä

t

eingestrahlter Lichtimpuls abgestahltes Licht ohne O2

Intensität von anregender und emittierter Strahlung

35



0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Zeit (ms)

Inte

nsitä

t

eingestrahlter Lichtimpuls abgestahltes Licht ohne O2 abgestrahltes Licht mit O2

O2O2O2

O2

O2

O2O2

Ist Sauerstoff zugegen werden die Elektronen der O2 Moleküle angeregt, beim Übergang in den Grundzustand wir wärme frei, kein Licht! Die Intensität der roten Strahlung wird verringert.

Durch Stöße der O2 Moleküle auf den Luminophor, fallen die Elektronen schneller auf geringere Energieniveaus zurück. Die Lebensdauer der roten emittierten Strahlung wird verringert.

Quenching:

Maximale Intensität und Abklingzeit der roten Strahlung sind abhängig von der O2 Konzentration!

36



Infrarot-Spektometrie (IR):

Wechselwirkung von IR Strahlung ( = 0,8-500µm) mit organischen Molekülen

der Energieeintrag führt in einem Molekül zu mechanischen Schwingungen von Atomen und funktionellen Gruppen

IR-Spektrometrie arbeitet in der Regel mit Wellenlängen von 2,5 –25 µm bzw. Wellenzahlen ( von 4000 – 400 cm-1, = 1/ )

37


Molekülspektrometrische MethodenCharakteristische IR-Absorptionsbanden:

38



IR-Spektrum:

IR-Spektrometrie wird überwiegend für Identitätsprüfungen und Reinheitsprüfungen (z.B. Pharmazeutische Industrie) eingesetzt. Im Bereich Umwelt für die Gasanalytik und Messungen atmosphärischer Spurengase.

1








- Ionenchromatographie (bei Chromatographie)


- Gruppenparameter




2


Analytik organischer WasserinhaltsstoffeSummenparameter

Summenparameter dienen dazu organische Wasserinhaltsstoffe zu charakterisieren (Vergleiche SAK 436 und 254 nm).

Im Vergleich zur Einzelstoffanalytik, ist die Bestimmung der Summen-parameter viel robuster und kostengünstiger.

Die Kombination unterschiedlicher Summenparameter kann wichtige Informationen zur Charakterisierung/Qualität eines Wassers liefern.

Die wichtigsten Summenparameter sind:

der organische Kohlenstoffgehalt

der chemische Sauerstoffbedarf

der biochemische Sauerstoffbedarf

der AOX, der die organischen Halogenverbindungen erfasst

3


Organischer Kohlenstoff Der Gehalt an Kohlenstoff einer wässrigen Probe setzt sich zusammen

aus:

TOC = gelöster org. C (DOC) + nicht gelöster org. C (NDOC)

Gesamter C (TC) = gesamter org. C (TOC) + gesamter anorg. C (TIC)

Der TOC wird weiter differenziert in:

Der TIC kann analog weiter differenziert werden in:

TIC = gelöster anorg. C (DIC) + nicht gelöster org. C (NDIC)

Des Weiteren kann der TOC differenziert werden in:

TOC = flüchtiger org. C (VOC) + nicht flüchtigen org. C (NVOC)

Laut Definition ist alles gelöst, was kleiner als 0,45 µm ist!

4


Organischer KohlenstoffPrinzip der TOC Bestimmung:

Alle Bestimmungsverfahren basieren auf der Tatsache, dass organische Verbindungen prinzipiell einer vollständigen Oxidation unterliegen.

Als Oxidationsprodukt entsteht Kohlenstoffdioxid (CO2), das mit einem Trägergasstrom in einen Detektor transportiert wird(CxHyOz + n O2 x CO2 + y/2 H2O).

Es gibt zwei Verfahren für die Oxidation: Die katalytische Verbrennung im Sauerstoffstrom (Hochtemperatur-

verbrennung) und die nasschemische Oxidation durch Natriumperoxidisulfat und UV-

Bestrahlung.Des Weiteren unterscheidet man zwischen der Direktbestimmung des TOC/DOC und der Differenzmethode für die TOC/DOC Bestimmung.Die beiden Verfahren unterscheiden sich in der Abtrennung des anorganischen Kohlenstoffs (TIC/DIC).

5


Organischer KohlenstoffDirektbestimmung des TOC /DOC:

Vor der Oxidation des organischen Kohlenstoffs wird der anorganische Kohlenstoff (TIC) aus der Probe mit einer Säure (Phosphorsäure) entfernt:

CO32- + 2H+ CO2 + H2O

HCO3- + H+ CO2 + H2O

Das gebildete CO2 wird nach einer definierten Reaktionszeit mit Sauerstoff aus der Probenlösung ausgeblasen.

Leichtflüchtige organische Verbindungen (VOC) werden mit entfernt!

Bei Proben mit VOC wird die Differenzmethode angewendet.

6


Organischer KohlenstoffDifferenzverfahren zur Bestimmung des TOC /DOC:

Zuerst wird der TC/DC bestimmt. In einem weiteren Analysengang wird dann unter Umgehung der Oxidation der anorganische Kohlenstoff entfernt (Ansäuern und Ausgasen) und als CO2 bestimmt (TIC/DIC).

TC – TIC = TOC

DC – DIC = DOC

7


Organischer KohlenstoffKatalytische Verbrennung:Die Verbrennung erfolgt im Sauerstoffstrom an einem Katalysator bei einer Temperatur von 700-900°C.

8


Organischer KohlenstoffKatalytische Verbrennung:

9


Organischer KohlenstoffNasschemische Oxidation:

UV-Licht: 185 und 254 nm

Die Wellenlänge von 185 nm erzeugt aus vorhandenem Sauerstoff und Wasser Hydroxylradikale, die sehr reaktiv sind

Die Sauerstoffbindung des Persulfates wird unter Einwirkung von Licht gespalten, es entstehen wiederum hoch reaktive Radikale (S2O8

2- 2SO4-.), die zur

Oxidation der organischen Verbindungen führen

10


Organischer KohlenstoffKalibrierung:

für die TOC/DOC Kalibrierung: Kaliumhydrogenphthalat (C8H5O4K; KHP)

KHP ist sehr gut wasserlöslich, in hoher Reinheit erhältlich, licht- und temperaturstabil sowie gegenüber einem mikrobiologischen Abbau persistent.

für die TIC/DIC Kalibrierung: Natriumcarbonat und Natriumhydrogen-carbonat

11


Adsorbierbare organisch gebundene Halogene AOX

In der Wasser- und Abwasser-Analytik wird unter AOX die Summe der organisch gebundenen Halogene verstanden.

Der Summenparameter adsorbierbare organisch gebundene Halogene (AOX ) ist ein Maß für den Gesamtgehalt an organisch gebundenem Chlor, Brom und Iod in Wasser, die an Aktivkohle unter definierten Bedingungen adsorbieren können.

AOX im Wasser ist zumeist anthropogenen Ursprungs. Hinter dem AOX verbergen sich eine Vielzahl von Verbindungen: Trihalomethane, organische Lösungsmittel wie Tri- und Tetrachlorethen, chlorierte und bromierte Pestizide und Herbizide, chlorierte Aromaten wie Hexachlorbenzol und 2,4-Dichlorphenol und hochmolekulare Chlorlignine.

Nachweisgrenze: ca. 0,5 µg/L AOX

12


AOXWeiter Begriffe und Abkürzungen im Zusammenhang mit dem AOX sind:

TOX: Total organic halogens = AOX wenn Verbindungen gelöst und an Aktivkohle adsorbierbar sind

POX: Purgeable organic halogens

NPOX: Nonpurgeable organic halogens

EOX: extractable organic halogens

Welche Werte bestimmt werden, hängt von der gewählten Verfahrens-variante ab.

13


AOXDie AOX Bestimmung ist genormt und erfolgt nach DIN EN 1485:1996

Verfahrensschritte:

1. Anreicherung der Verbindungen an Aktivkohle.

Bedingungen: Probe wird filtriert (0,45 µm) und auf pH 2 eingestellt mit konz. HNO3.

Ist der DOC < 10 mg/L, dann werden 100 ml Probe an 80 mg Aktivkohle angereichert (die Aktivkohle hat nur eine begrenzte Kapazität).

Um zu verhindern, dass anorganische Halogenide an der Aktivkohle adsorbieren, wird eine Nitratlösung in höher Konzentration zu der Probe gegeben (Nitrat hat eine höhere Affinität zu Aktivkohle als Halogenide).

Nach erfolgter Adsorption wird die Aktivkohle nochmals mit einerNitratlösung gewaschen.

14


AOXAnreicherung (Säulenmethode):

Aktivkohle

Probe plus Nitratlösung

geringer Stickstoff-druck

15


AOX2. Verbrennung der beladenen Aktivkohle im Sauerstoffstrom

bei 900-950 °C:

16


AOX3. Detektion der Halogenide (coulometrische Titration):

Elektrochemische erzeugte Silberionen reagieren mit den Halogeniden:

Ag+ + X- AgX

Die verbrauchten Silberionen werden nach Ablauf der Analyse neu erzeugt. Die hierbei umgesetzten Elektronen werden quantifiziert.

17


AOX3. Detektion der Halogenide (coulometrische Titration):

Bedingt durch die Art der Detektion kann nicht unterschieden werden, ob es sich um Chlor-, Brom- oder Iodorganische Verbindungen handelt.

Die Konzentrationsangabe bezieht sich immer auf das Molgewicht vom Chlor.

18


Differenzierter AOXDer Differenzierte AOX ermöglicht die organisch gebundenen Halogene zu spezifizieren.Vorgehensweise wie beim AOX, aber die Verbrennungsgase werden nicht in die coulometrische Zelle geleitet, sondern in hochreinem Wasser aufgefangen und anschließend durch die Ionenchromatographie (IC) analysiert.Als Ergebnis werden Chromatogramme erhalten. Über die Fläche der detektierten Halogenide kann die Konzentration berechnet werden.

NO3-

-

Retentionszeit (min)0 10

210nm226 nm

UV

Abso

rptio

n (2

10nm

/226

nm)

Iodid

Bromid

Retentionszeit (min)

Chlorid-

NO3-

Leitf

ähig

keit

0 10

19


AOX

Kläranlagenzulauf

Kläranlagenablauf

AO

X (µ

g/L)

AO

X (µ

g/L)

Mittelwert:59 µg/L

Mittelwert:50 µg/L

AOX Werte eines Kläranlagenzu- und ablaufs

20


AOX / AOI

0

40

80

120

160

200

Di Mi Do Fr Sa So M

AO

I (µg

/L)

Kläranlagen Zulauf Kläranlagen Ablauf

0

10

20

30

40

50

Di Mi Do Fr Sa So M

AO

X/A

OC

l (µg

/L)

Kläranlagen Zulauf Kläranlagen Ablauf

Im Vergleich zu den zuvor gezeigten Ergebnisse stellt man fest, dass der AOX zu über 90% aus organisch gebundenen Iodbesteht!

AOI bestimmt in 24 h Mischproben, des Zu- und Ablaufes einer Kläranlage in Berlin.

21


AOX / AOIGrund für die hohen AOX bzw. AOI Wert sind iodierte Röntgenkontrast-mittel:

CO

I

CO

I

NH

I

COCH2

O

CH3

NH CH2

CH

OH

CH2 OH

N CH2

CH3

CH

OH

CH2 OH

Iopromide

CO

I

CO

I

NH

I

COCH2

O

CH3

NH CH2

CH

OH

CH2 OH

N CH2

CH3

CH

OH

CH2 OH

Diatrizoate

CO CH3

COOHI

NHI

NH

I

COCH3

Diatrizoate

CO CH3

COOHI

NHI

NH

I

COCH3

NH CH2

CH

OH

NH CH2

CHOH

CH2 OH

CH2 OH

COI

COI

N

I

CH2

COCH3

CHOH

CH2

OH

IohexolNH CH2

CH

OH

NH CH2

CHOH

CH2 OH

CH2 OH

COI

COI

N

I

CH2

COCH3

CHOH

CH2

OH

Iohexol

NH CH CH2 OHCH2 OH

CH2

OHCH2CHNH

OH

CH CO

I

NHI

CO

ICO

H3COH

IopamidolNH CH CH2 OH

CH2 OH

CH2

OHCH2CHNH

OH

CH CO

I

NHI

CO

ICO

H3COH

Iopamidol

22


AOSAOS: adsorbierbare organische Schwefelverbindungen

Methode bzw. Bestimmung wird nicht routinemäßig angewendet.

Durchführung: ähnlich wie beim differenzierten AOX

Adsorption an spezieller S-freier Aktivkohle mit Verdrängung des Sulfates

Verbrennung und Auffangen der Verbrennungsgase

Detektion des Sulfats durch Ionenchromatographie

Da es natürliche organische S-Verbindungen gibt, ist eine Interpretation schwierig. Es wurden aber deutlich erhöhte Werte in Flüssen gefunden, die auf persistente S-Verbindungen (z.B. Sulfonsäuren:Tenside) zurückzuführen sind.

Nachweisgrenze: ca. 20 µg/L S

23


AOX / AOIVorkommen iodierter Röntgenkontrastmittel im Raum Berlin und Vergleich mit dem Summenparameter AOI:

Kläranlage (KA)

Ablauf O

WA

Iopromid Diatrizoat Iohexol

3

µg/L

2,51,9

0,5

0,15


µg/L

0,03

0,1


µg/L

8,5 7,2 1,5

Tegeler See

Nordgraben

Tegeler

Fließ

Obe

rhav

el

Hohenzollern-kanal

TWW Tegel

TW-Brunnen

24 h Mischprobe, Ablauf


µg/L

22,1

13,57,4

57,4

39,132,9

28,3

56,9

26,8

12,919,6

Ablauf K

A

Nordgraben

Tege

ler See

und identifizierter AOI-AnteilGesamt-AOI-Gehalt (µg/L Iod)

(%)

24 h Mischprobe, Ablauf

24


AOF

• Fluorierte organische Verbindungen• Hohe Bedeutung von PFT: Polyfluorierte Tenside, eine

komplexe Stoffklasse• Einzelstoffanalytik ist schwierig, da sehr polare Stoffe dabei sind

und es eine Vielzahl dieser Stoffe gibt• Humantoxikologische Bedeutung der PFT ist bekannt:

Trinkwassergrenzwerte.• Messung wie differenzierter AOX, jedoch ohne Quarz- und

Glasoberflächen, spezifische Aktivkohle.

25


Organische Stickstoffverbindungen

Gesamt Stickstoff (TN):

Ammonium, Nitrat, Nitrit und organisch gebundenen Stickstoff (ON)

anorg. N-Spezies durch Ionenchromatographie oder FIA (photometrisch)

ON Bestimmung nach DIN 38409. Probe wird bei 700°C unter reduzierenden oder oxidierenden Bedingungen zersetzt. Der gebundene Stickstoff wird durch Reduktion in NH3 bzw. durch Oxidation in NOx überführt .

Bestimmung von Stickstoffverbindungen ist im Abwasserbereich vonBedeutung, insbesondere die Bestimmung der organischen Stickstoffverbindungen.

26


Stickstoffverbindungen

Kjeldahl-Stickstoff (TKN; DIN EN 25663):

Kombinierte Aufschluss-Destillationsapparaturen

abdestillieren des Ammoniums als Ammoniak bei pH 7,5

Kjeldahlaufschluss (T = 130°C + Reagenzien u.a. Säure): Bildung von Ammonium aus org. N-Verbindungen

abdestillieren des Ammoniums und photometrische Bestimmung

27


Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)

Die Bestimmung des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) ist eine der wichtigsten Methoden der Abwasseranalytik.

Der CSB charakterisiert die Gesamtbelastung eines Wassers/Abwassers mit organischer Substanz.

Er ist ein Bewertungsparameter, um Schadeinheiten bei Einleitungen im Rahmen des Abwasserabgabengesetzes zu ermitteln.

Mit dem CSB-Wert werden, im Gegensatz zum BSB-Wert, auch biologisch schwer oder nicht abbaubare Verbindungen erfasst.

Abwasserabgabengesetzt: Parameter / Konzentrationen die als Grundlage dienen: CSB, AOX, Phosphor, Stickstoff (Ammonium, Nitrat, Nitrit), Schwermetalle: Hg, Cd, Cr, Ni, Pb, Cu

28



Definition CSB: Menge an Sauerstoff, die dem Verbrauch an Kaliumdichromat (K2Cr2O7) bei der Oxidation org. Wasserinhaltsstoffe äquivalent ist.

D.h. wässrige Probe werden mit einem Überschuss an K2Cr2O7 behandelt. Die verbrauchte K2Cr2O7 Menge wird ermittelt und als Parameter der Oxidierbarkeit in mg/L O2 umgerechnet.

Die CSB Bestimmung erfolgt unter genau definierten Bedingungen (nach DIN 38409).

29


Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)Prinzip der CSB Bestimmung:

Organische Wasserinhaltsstoffe werden mit einer definierten Menge an Kaliumdichromat in schwefelsaurer Lösung umgesetzt:

Reaktionszeit: 2 h

Temperatur 150-160°C

Die organischen Wasserinhaltsstoffe werden oxidiert und das Kalium-dichromat reduziert:

Cr2O7 2- + 6e- + 14 H+ 2Cr3+ + 7H2O

Der Verbrauch von 1 Mol Dichromat entspricht einem Sauerstoffbedarf von 1,5 Mol O2 (O2 2O2- + 4e-).

org. Substanz + Cr2O7 2- CO2 + H2O+ Cr3+ (Ausbeute > 95 %)

30


Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)Die nicht verbrauchte Menge an Kaliumdichromat wird nach Ablauf der Reaktionszeit durch Titration mit Ammoniumeisen(II)-sulfat bestimmt:

Cr2O7 2- + 6 Fe2+ 2Cr3+ + 6 Fe 3+ +7 H2O

Wenn alle Dichromationen durch Fe(II) umgesetzt sind, bleibt Fe(III) in Lösung, was durch den Farbumschlag des Indikators Ferroin (blaugrün nach rotbraun) erkannt wird.

Zusatz: Quecksilbersalze um Chlorid zu fällen, das bei der Umsetzung zu Chlor oxidiert wird.

31


Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)CSB Schnelltest :

Einige Hersteller haben sogenannte CSB Küvetten-Tests auf den Mark gebracht.

Die Oxidation basiert hier auf der Oxidation der organischen Wasserinhaltsstoffe durch Chromschwefelsäure unter Zusatz von Silbersulfat als Katalysator und Quecksilbersalzen zur Chlormaskierung.

Die Reaktion erfolgt in vorgefertigten Küvetten, die nur zur Probenzugabe geöffnet werden müssen.

Die Auswertung erfolgt photometrisch. Genutzt wird hier der Farbumschlag des orange-gelben Dichromat (Cr2O7

2+) zum grünen Chromat (Cr 3+).

Gebrauchte Küvetten werden vom Hersteller i.d.R. zurück genommen!

32



Typische CSB-Werte:

Deponiesickerwasser22.000 mg/L

Ungereinigtes kommunales Abwasser

300 – 1000 mg/L

Kommunales Abwasser nach biologischer Reinigung

20 – 100 mg/L

Fließendes Gewässer5 – 20 mg/L

WassertypCSB

33


Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)Cr2O7

2- → Cr3++6 -2

Cr2O72- → 2Cr3+

Cr2O72- → 2Cr3+ + 7H2O

Cr2O72- + 14H+ → 2Cr3+ + 7H2O

Cr2O72- + 14H+ + 6e- → 2Cr3+ + 7H2O

CH3CH2OH → CO2

CH3CH2OH → 2CO2

CH3CH2OH + 3H2O → 2CO2

CH3CH2OH + 3H2O → 2CO2 + 12H+

CH3CH2OH + 3H2O → 2CO2 + 12H+ +12e-

-3 -1 +4

CSB Bestimmung von Ethanol:Dichromat wird reduziert zu Chromat

Ethanol wird zu Wasser und CO2 oxidert

34



Cr2O72- + 14H+ + 6e- → 2Cr3+ + 7H2O

CH3CH2OH + 3H2O → 2CO2 + 12H+ +12e-

x 2

2Cr2O72- + 28H+ + 12e- → 4Cr3+ + 14H2O

CH3CH2OH + 3H2O → 2CO2 + 12H+ +12e-

CH3CH2OH + 2Cr2O72- + 16H+ → 2CO2 + 4Cr3+ + 11H2O

CH3CH2OH + 3O2 → 6CO2 + 6H20

Oxidation von Ethanol mit Sauerstoff

35


Permanganat-Index (PV)

Ein weiterer Parameter der den chemischen Sauerstoffverbrauch für die Oxidation von organischen Stoffen beschreibt ist der:

Permanganat-Index (DIN 38 409):

MnO4+ + 8 H+ + 5e- Mn2+ + 4 H2O

Permanganat erfasst die organischen Substanzen jedoch nur teilweise (Umsatz beträgt nur 30 - 40%).

Die Oxidationskraft des Permanganat´s ist etwas geringer als die des Dichromat´s.

Umrechnung: 4 mg/L KMnO4 = 1 mg/L O2

36


Biologischer Sauerstoffbedarf (BSB)

BSB: Verbrauch an Sauerstoff durch den oxidativen Abbau von Wasserinhaltsstoffen durch Mikroorganismen über eine bestimmte Zeit bei 20ºC.

rel. Kenngröße für organische Stoffe die biologische Abbaubar sind

Bei der Bestimmung des BSB werden die natürlichen Reinigungsvorgänge der Kläranlagen und der Oberflächengewässer, in die das gereinigte Abwasser fließt, simuliert.

Der BSB liefert so einen wichtigen Parameter für die Berechnung des Sauerstoffbedarfs und der Belastungsverhältnisse sowie der Bemessung von Abwasserbehandlungsanlagen.

37



Bestimmungsmethoden:

Verdünnungs-BSB (Sauerstoff wird am Anfang und am Ende bestimmt)

Manometrische-Bestimmung (das gebildete Kohlendioxid wird gemessen)

Sapromatmethode (der verbrauchte Sauerstoffe wird elektrolytisch nach produziert)

Vorgehensweise Verdünnungs-BSB:

Die Probe wird mit dem so genannten Verdünnungswasser versetzt und der Sauerstoffgehalt bestimmt.

Verdünnungswasser: mit Sauerstoff angereichertes Wasser das mit Bakterien angeimpft ist.

Proben werden dann luftdicht verschlossen und für 5 Tage bei 20ºC im Brutschrank stehen gelassen (BSB5).

Nach 5 Tagen wird dann wieder der Sauerstoffgehalt bestimmt.

38



Entwicklung der Biomasse:

39


Biologischer Sauerstoffbedarf (BSB)Zeitraum der BSB Bestimmung:

Der BSB wird üblicherweise über einen Zeitraum von 5 Tagen bestimmt, da in dieser Zeit bereits ein großer Anteil der abbaubaren Verbindungen umgesetzt wird,

und die Nitrifikation nach 5 Tagen einsetzt:

NH4+ + 2O2 NO3

- + H2O + 2H+ (4,57 mg O2 für 1 mg NH4+)

40


Biologischer Sauerstoffbedarf (BSB)Voraussetzungen für eine ungestörte Bestimmung:

Ausreichende Versorgung mit Sauerstoff, Nährsalzen und Spurenelementen.

Der pH-Wert muss in einem für Bakterien günstigen Bereich liegen.

Die Inkubation erfolgt im Dunkeln, um eine evtl. Algentätigkeit zu verhindern.

Die Wasserprobe darf keine für Bakterien toxisch wirkenden Inhaltsstoffe haben.Die Anwesenheit von toxischen Stoffen erkennt man bei Verdünnungsreihen: Der BSB in verdünnten Proben ist dann höher als in nicht verdünnten Proben!

41

TU Berlin, Institut für Technischen Umweltschutz, FG Wasserreinhaltung

Biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB)

Manometrische-Bestimmung:

Probenvorbereitung wie bei der Verdünnungsmethode. Das zu untersuchende Wasser wird in eine Flasche gefüllt, wobei ein

Großteil der Flasche mit Luft gefüllt bleibt. Die Flasche wird luftdicht verschlossen, bei konstanter Temperatur

gehalten und der Druck in dem Gefäß mit einem Manometer bestimmt. Der Sauerstoffverbrauch bewirkt eine Druckabnahme, woraus der

biologische Sauerstoffbedarf errechnet werden kann. Das gebildete CO2 wird chemisch an Natronkalk oder Kaliumhydroxid

gebunden.

Vorteil der Methode:

kontinuierliche Aufzeichnung des Sauerstoffbedarfs

Nachteil der Methode:

erheblicher apparativer Aufwand!

42

TU Berlin, Institut für Technischen Umweltschutz, FG Wasserreinhaltung

Biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB)

Sapromatmethode:

Probenvorbereitung wie bei der Verdünnungsmethode. Das zu untersuchende Wasser wird in eine Flasche gefüllt und bei

konstanter Temperatur gehalten. Das freigesetzte CO2 wird chemisch an Natronkalk oder Kaliumhydroxid

gebunden. Durch die Sauerstoffzehrung entsteht ein Unterdruck, der einen Kontakt

im Manometer zur elektrolytischen Sauerstofferzeugung schließt, bis ein Druckausgleich erfolgt ist.

Der Stromverbrauch für die elektrolytische Sauerstofferzeugung ist ein Maß für den BSB.

Vorteil der Methode:

kontinuierliche Aufzeichnung des Sauerstoffbedarfs

Nachteil der Methode:

erheblicher apparativer Aufwand!

43



Typische BSB5-Werte:

Deponiesickerwasser13000 mg/L

Abwasser der Nahrungs-und Genussmittelindustrie

> 5000 mg/L

Ungereinigtes kommunales Abwasser

250 mg/L

Kommunales Abwasser nach biologischer Reinigung

20 mg/L

Mäßig belastetes fließendes Gewässer

6 mg/L

Abwassertyp/SubstartBSB5

44


Interpretation der Summen- und Gruppenparameter

CSB/DOC: gibt Information über den Oxidationsgrad des org. Materials mg O2

Lmg C

L

CSBDOC

= =mg O2

mg C

Ist das Verhältnis:

hoch: wenig oxidierte Wasserinhaltsstoffe (viel H, wenig O)

klein: stark oxidierte Wasserinhaltsstoffe (wenig H, viel O)

45



Das Verhältnis CSB/DOC = Q ; Q = „spezifischer Sauerstoffbedarf“

Benzol

Essigsäure

Methan

Q = 5

Bodensee

Q = 2AmeisensäureQ = 1Oxalsäure

Q = 3

Weser

Donau Rhein (Köln)

Q = 4

Rhein (Karlsruhe) Rhein (Wesel)

DOC in mg C l-1

CSB in mg O2/L 5 10 15

20

2

4

6

8

10

Q ermöglicht eine weitere Charakterisierung des unbekannten organischen Materials.

Oxalsäure: C2H2O4

Ameisensäure: CH2O2

Essigsäure: C2H4O2

Benzol: C6H6

Methan: CH4

46



CSB/BSB5: gibt Auskunft über die Abbaubarkeit der organischen Wasserinhaltsstoffe

kein Abbau möglich; mögliche Ursachen- persistente Verbindungen- vollständige Hemmung durch toxische Stoffe

> 10

unvollständiger Abbau; mögliche Ursachen:- verzögerter Abbau durch langsame Adaption der

Mikroorganismen- Stoffgemische mit nicht abbaubaren Substanzen- Hemmung durch toxische Stoffe

1,7 - 10

leichter und nahezu vollständiger Abbau möglich< 1,7

CSB/BSB5

47



DOC/SAK: gibt Auskunft über die Qualität der organischen Wasserinhaltsstoffe.

DOC/SAK(254nm):

Kleine Werte: viele aromatische Verbindungen, das organische Material ist mikrobiologisch überarbeitet.

Hohe Werte: viele nicht UV-aktive Verbindungen (aliphatischeVerbindungen; das organische Material ist „frisch“d.h. nicht biologisch überarbeitet).

Aliphatische Verbindungen können besser biologisch abgebaut werden als aromatische Verbindungen.

48



DOC/SAK(254nm) nimmt im Zuge der biologischen Abwasserreinigung ab:

V orklärung Nachklärung

DO

C [m

g/L

]

DOC SAK (254 nm)

SA

K254 [m

-1 ]

1










- Gruppenparameter




2


Charakterisierung der organischen Wasserinhaltsstoffe anhand der MolekülgrößeOrganische Wasserinhaltsstoffe können basierend auf ihrer Größe klassifiziert werden und mit entsprechenden Methoden „abfiltriert“ bzw. getrennt werden:

3


Charakterisierung der organischen Wasserinhaltsstoffe anhand der Molekülgröße

Es gibt relativ gut definierte Filtrationsmembranen für die Abtrennung bestimmter Molmassen bzw. mit einem bestimmten „cut-off“, angegeben in Molmasse.

Es gibt z.B. Membranen mit einem cut-off von 500, 1000 oder 10.000 Da.

Für die Auftrennung von organischen Wasserinhaltsstoffen wird die Ultrafiltration eingesetzt: Abtrennung der Makromoleküle und größerer Moleküle.

4



Ultrafiltration:

5



Ultrafiltration:

6



Beispiel: AOI Verteilung auf die Molekülgröße

0

20

40

60

AO

I (%

)

<1 kDa 1-10 kDa >10 kDa

AOI - Kläranlagenablauf

original pH 3

7



Hochmolekulare organische Verbindungen, meist dunkle Farbe, Teilchengröße < 2 μm

Große spezifische Oberfläche: können Wasser und andere Moleküle reversibel anlagern, Schwermetalle z.T. auch irreversibel als Komplexe

Bildung von Huminstoffen:Ausgangstoff ist abgestorbenes organisches Material (Pflanzenrückstände: Cellulose, Lignin) das zunächst mit Hilfe von Enzymen in einfachere, reaktionsfähige Verbindungen zerlegt wird, aus denen unter Mitwirkung der Mikroorganismen Huminstoffe synthetisiert werden.

Huminstoffe

8



Abtrennen der Humin- und Fulvinsäuren durch Membranfiltration und Adsorption an synthetischen XAD Harzen - kein technischer Prozess sondern für wissenschaftliche Fragestellungen.

abnehmend (unlöslich in Lauge) Löslichkeit

mehr Polysaccharide mehr AromatenBausteine

unterschiedlichBis 300.000800-9.000Molekulargewicht

5-84-50,5-2N-Gehalt

>6050-6043-52C-Gehalt

schwarztiefbraungelb-gelbbraunFarbe

HumineHuminsäureFulvinsäureMerkmal

9



Huminstoffe

Humin- und Fulvinsäuren sind natürliche Produkte, gebildet aus natürlichem organischem Material durch biologische Überarbeitung.

Struktureinheitenvon Fulvinsäuren:

10


Charakterisierung der organischen Wasserinhaltsstoffe anhand der MolekülgrößeIsolierung von aquatischen Huminsäuren:

Wasserprobe(z.B. 20 L)

Filtration (0,45 µm)

Ansäuern auf pH 2 mit HCl

Sorption an XAD Harz

Waschen des Harzesmit HCl (4 BV)

mit reinem Wasser(2BV)

Elution mitNaOH

KationaustauschH+-Form

Gefriertrocknung CharakterisierungStruktureinheiten

Bestimmung vonDOC, UV-Vis usw.

Durchlauf, Bestimmung vonDOC, UV-Vis usw.

11


Charakterisierung der organischen Wasserinhaltsstoffe anhand der MolekülgrößeLC-OCD: Flüssigkeitschromatographie gekoppelt mit einer on-line DOC Bestimmung.

Die organischen Wasserinhaltsstoffe werden nach Molekülgröße durch eine Gelpermeationssäule getrennt.

Gelpermeationssäulen bestehen aus porösen Gelen. Kleine Moleküle wandern in die Poren und brauchen lange um die Säule wieder zu verlassen, große Moleküle passieren die Säule schneller.

12


Charakterisierung der organischen Wasserinhaltsstoffe anhand der MolekülgrößeLC-OCD:

13


Charakterisierung der organischen Wasserinhaltsstoffe anhand der MolekülgrößeLC-OCD:

14


Charakterisierung der organischen Wasserinhaltsstoffe anhand der MolekülgrößeTypisches LC-OCD Chromatogramm einer Oberflächenwasserprobe:

15


Charakterisierung der organischen Wasserinhaltsstoffe anhand der MolekülgrößeLC-OCD Chromatogramm liefert z.B. „Fingerprints“ von Abwässern unbekannter Zusammensetzung. Der Vorteil ist, dass alle Stoffe erfasst werden und eine Bilanzierung möglich ist.

Zulauf einer industriellen Kläranlage. Überwiegend niedermolekulare Komponenten und Säuren, die wahrscheinlich gut abbaubar sind.

16



Flockung: der Anteil der besonders problematischen Polysaccharide geht um ca. 80 % zurück.

17


Adsorbierbarkeit organischer Wasserinhaltsstoffe

Adsortionsanalysen:

Die Aktivkohlefiltration ist die wichtigste Reinigungsmethode für belastete Rohwässer der Trinkwasserversorgung.

Es ist interessant zu wissen welche persistenten organischen Stoffe, sich an Aktivkohle anlagern können.

Verschiedene Anteile des DOC werden schlecht, mittel oder gut adsorbiert.

Es gibt eine Methode, die eine Klassifizierung des DOC erlaubt.

Die Methode basiert auf der Freundlich-Isothermen für Einzelstoffe.

18


Adsorbierbarkeit organischer Wasserinhaltsstoffe

Freundlich-Isothermen:

19


Adsorbierbarkeit organischer Wasserinhaltsstoffe Im Gemisch von verschieden gut adsorbierenden Stoffen tritt eine

Konkurrenz um die Adsorptionsplätze ein.

Diese konkurrierende Adsorption ist mit geeigneten Modellen beschreib- und vorhersagbar.

Vorgehensweise: zuerst wird die Adsorbierbarkeit des DOC mit variabler Aktivkohledosierung ermittelt.

Die Messpunkte werden dann mit dem Rechenmodell ausgewertet, wodurch die DOC-Anteile mit unterschiedlichen K-Werten erhalten werden.

So kann die Entfernbarkeit eines Stoffgemisches vorhergesagt werden. Hohe K-Werte: gute Adsorbierbarkeit

20


Abbaubarkeit organischer Wasserinhaltsstoffe

Abbaubare und persistente Stoffe:

Die BSB-Bestimmung gibt nur eine halbquantitative Information zur Konzentration abbaubarer Stoffe. Es ist nicht bekannt, wie viel des DOC abbaubar ist und wie hoch der persistente DOC Anteil ist.

Es gibt Methoden die eine Klassifizierung in abbaubare und persistenteAnteile erlauben.

21



Versuchsanlagen zum weitergehenden Abbau:

Der Abbau erfolgt aerob mit adaptierter Biomasse über lange Zeiträume(bis zu 30 Tagen).

offene Filteranlagen Rührkessel Kreislauffilteranlage

22



Kreislauffilteranlage ist die am häufigsten eingesetzte Variante.

Kreislauffilteranlage

Das zu untersuchende Wasser wird diskontinuierlich eingefüllt und ca. 7 bis 14 Tage über den biologisch aktiven Filter geleitet, bis konstante Restgehalte erreicht sind.

Restgehalt an DOC wird als persistentinterpretiert.

Der Testfilter benötigt eine Einarbeitungszeit von ca. 6 – 10 Wochen (Adaption der Mikroorganismen und Sättigung des adsorbierenden Filtermaterials).

Der persistente DOC Anteil ist als besonders kritisch zu bewerten, weil er z.B. in der Uferfiltration „übrig bleibt“ und damit „Trinkwasserrelevant“ ist.

1










- Gruppenparameter



2


EinführungWas bedeuten Konzentrationen im Spurenbereich?

Zur Vorstellung die Annahme 10 g Haushaltszucker werden im Tegeler See gelöst. Welche Konzentration liegt vor?

Tegeler See: Fläche 4,1 km2, durchschnittliche Tiefe 8 m, ergibt ein Volumen von 32.800.000 L

10 g Zucker im Tegeler See = 0,0000003 g/L = 0,0003 mg/L = 0,3 µg/L

Sehr geringe Konzentration, hohe Anforderung an die Analytik!

Sind solch niedrige Konzentrationen von Bedeutung?

Zur Vorstellung die Frage wie viele Zuckermoleküle befinden sich in 1 L Tegeler See Wasser? (6,023 1023 Teilchen = 1 mol)

Haushaltszucker: C12H22O11 → 324 g = 1 mol

10 g = 0,031 mol

→ 9,45 x 10-10 mol/L → 5,7 x 1014 Teilchen/L

3


SpurenanreicherungAnreicherung organischer Spurenstoffe:

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe,Phthalsäureester, Insektizide, polychlorierte Biphenyle (PCB)Phenole, organische SäurenFulvinsäuren, Pestizide, PCB, halogenierte org. Verbindungen, organische Säuren, Ester, Ether, AlkoholeSehr breit einsetzbar, hoher Stellenwert in der Praxis

flüssig-fest- Sorption an Polyurethanschaum

- Adsorption an Aktivkohle- Adsorption an Amberlite, XAD-Polymere

- Adsorption an chemisch modifizierten Kieselgelen(Festphasen-Extraktion; SPE

Öle, Fette – breit anwendbarPhenole, Detergentien, chlorierte organische Verbindungennoch in der Entwicklung

flüssig-flüssig- Druckextraktion- flüssig-flüssig Extraktion

-Extraktion mit überkritischen Phasen

Kohlenwasserstoffe, Trihalomethane (allge. leichtflüchtige Verbindungen)

flüssig-gasförmig- Head-space- Verflüchtigung

SubstanzgruppePhasenübergang der Spurenstoffe

Anreicherung leichtflüchtiger Verbindungen- später bei GC Analytik

4


Spurenanreicherung

Flüssig-fest Extraktion: Festphasen Extraktion (SPE: Soild Phase Extraktion)

Adsorption an Festen Phasen

SPE Kartusche: eine Polypropylen oder Glassäule ist mit einem bestimmten Adsorbensgepackt (unpolar/polar)

5


Spurenanreicherung

1. SPE Kartusche wird mit dem Lösungsmittel gereinigt, das später für die Elution der Stoffe verwendet wird und anschließend konditioniert.

2. Die wässrige Probe wird über das SPE Material gegeben (Anreicherung)

1. Konditionieren(org. Lösungsmittel)

2. Equilibrieren(Wasser mit pHder Probe)

SPE Material

Absperrhahn

Wasserstrahl-pumpe

6


Spurenanreicherung

3. Trocknung der Festphase

4. Elution der adsorbierten Verbindungen

z.B. 1 Liter Probe - Elutionsvolumen 5 ml = Anreicherungsfaktor 200i.d.R. wird das Eluat weiter Aufkonzentriert (verdampfen des Lösungsmittel)Endvolumen 1 ml = Anreicherung von 1000Endvolumen 0,5 ml = Anreicherung von 2000

Stickstoff-versorgung

Teflonschlauch

Stickstoffstrom

Wasserstrahl-pumpe

Elution mitorg. Lösungs-mittel

Eluat

Pipette

7


SpurenanreicherungAutomatisierte SPE - AutoTrace

8


SpurenanreicherungHeute: online-Anreicherung

9


Chromatographie Das Endprodukt einer Extraktion einer wässrigen Probe ist ein komplexer

Extrakt, der eine hohe Anzahl von organischen Verbindungen enthält.

Um nun bestimmte Verbindungen in diesem Extrakt bestimmen zu können, muss der Extrakt weiter aufgetrennt werden, damit die Substanzennachgewiesen und quantifiziert werden können.

Die Auftrennung eines solchen Extrakteserreicht man durch die Chromatographie.

10


ChromatographieChromatographie: physikalisch-chemisches Verfahren zur Trennung eines Stoffgemisches zwischen zwei miteinander nicht mischbaren Phasen.

Die Trennung beruht auf der unterschiedlichen Wanderungsgeschwindigkeit verschiedener Stoffe in einer mobilen Phase entlang einer Trennstrecke auf Grund unterschiedlicher Verweilzeiten an einer stationären Phase.

Die unterschiedlichen Verweilzeiten und die Auftrennung basieren auf einer vielfachen Wiederholung der Gleichgewichtseinstellung zwischen mobiler und stationärer Phase.

Gleichgewichte: Verteilungsgleichgewichte

Adsorption/Desorption

Austauschgleichgewichte

11


ChromatographieModell der chromatographischen Trennung (Trennstufenmodell):

Tren

nsäu

le /

stat

ionä

re P

hase

mob

ile P

hase

1 A1 B

0,5 A0,25 B

0,5 A0,75 B

0,25 A0,06 B

0,25 A0,19 B

0,25 A0,19 B

0,25 A0,56 B

0,125 A0,016 B0,25 A0,094 B0,125 A0,141 B

0,125 A0,147 B0,25 A0,281 B0,125 A0,422 B

0,06 A0,005 B0,18 A0,04 B0,18 A0,11 B0,06 A0,11 B

0,06 A0,015 B0,18 A0,10 B0,18 A0,31 B0,06 A0,31 B

0,03 A0,001 B0,12 A0,02 B0,18 A0,05 B0,12 A0,11 B0,03 A0,08 B

0,03 A0,004 B0,12 A0,04 B0,18 A0,16 B0,12 A0,31 B0,03 A0,23 B

12


ChromatographieVerteilung von Stoff A und B entlang der Trennsäule:

0,03 A0,001 B0,12 A0,02 B0,18 A0,05 B0,12 A0,11 B0,03 A0,08 B

0,03 A0,004 B0,12 A0,04 B0,18 A0,16 B0,12 A0,31 B0,03 A0,23 B

0

0,1

0,2

0,3

0,4

1 2 3 4 5 6Trennstufe

Ant

eil i

n de

r mob

ilen

Pha

se

A B

13


ChromatographieVerteilung von Stoff A und B in Abhängigkeit von der Trennstreckenlänge:

14


ChromatographieKenngrößen eines Chromatogrammes:

15


ChromatographieBezeichnungen im Chromatogramm:

WB = Peakbreite auf Basislinie

W(0,5) = Peakbreite auf halber Peakhöhe

16


Chromatographie

Die Trennleistung einer Chromatographiesäule ist bei gegebener Länge der Trennsäule abhängig von der Höhe der theoretischen Böden oder Trennstufen.

Je geringer die Bodenhöhe, desto öfter kommt es zu einer Gleich-gewichtseinstellung zwischen mobiler und stationärer Phase.

N = Trennstufenzahl

L = Länge der Säule

H = Höhe der Trennstufen

tR = Retentionszeit (min)

WB = Peakbreite/Basislinie


N = = 8 x ln2 LH

tR

WB

tR

W(0,5)

2 2

= 16 x

Kinetische Theorie und Kenngrößen:

17


Chromatographie Umstellen der Gleichung liefert die „HETP-Gleichung“

HETP = high equivalent to a theoretical plate

N = Trennstufenzahl

L = Länge der Säule

H = Höhe der Trennstufen

tR = Retentionszeit (min)

WB = Peakbreite/Basislinie


H = LN = 1000 x L

8 x ln2 W(0,5)

tR

2

18


ChromatographieDynamische Theorie und Kenngrößen:

Der Transport einer Substanz in einer mobilen Phase durch eine stationäre Phase wird durch folgende Faktoren beeinflusst:

A = Dispersion (Packungsterm)

B = Longitudinal-Diffusion

C = Massenübergangstherm (stationäre/mobile Phase)

19


ChromatographieA = Dispersion (Packungsterm)

Eddy-Diffusion: Die einzelnen Analyten legen unterschiedlich lange Wege zurück, Peakverbreiterung


Strömungsverteilung

C = Massenübergangsterm

20


Chromatographie

Die Effekte, die den Transport beeinflussen führen im wesentlichen zu einer Peakverbreiterung.

HETP = f (Strömungsgeschwindigkeit der mobilen Phase, physikalischen Parametern)

van-Deemter-Gleichung:

H = A + Bu + C x u

H = Trennstufenhöhe

u = Strömungsgeschwindigkeit

A = Dispersion (Packungsterm)


C = Massenübergangstherm (stationäre/mobile Phase)

21


Chromatographie

van-Deemter-Gleichung: H = A + Bu + C x u

HE

TP

Strömungsgeschwindigkeit (u)

H

AB

C

u = optimal

1










- Gruppenparameter




2


ChromatographieChromatographie: physikalisch-chemisches Verfahren zur Trennung eines Stoffgemisches zwischen zwei miteinander nicht mischbaren Phasen.

Die Trennung beruht auf der unterschiedlichen Wanderungsgeschwindigkeit verschiedener Stoffe in einer mobilen Phase entlang einer Trennstrecke auf Grund unterschiedlicher Verweilzeiten an einer stationären Phase.

Die unterschiedlichen Verweilzeiten und die Auftrennung basieren auf einer vielfachen Wiederholung der Gleichgewichtseinstellung zwischen mobiler und stationärer Phase.

0,03 A0,001 B0,12 A0,02 B0,18 A0,05 B0,12 A0,11 B0,03 A0,08 B

0,03 A0,004 B0,12 A0,04 B0,18 A0,16 B0,12 A0,31 B0,03 A0,23 B

0

0,1

0,2

0,3

0,4

1 2 3 4 5 6Trennstufe

Ant

eil i

n de

r mob

ilen

Pha

se

A B

3


Dünnschicht-ChromatographieDC: Älteste Methode der Chromatographie

Trennbett: Glasplatte, die mit dem Trennmaterial belegt ist. Die Dicke der Trennschicht liegt zwischen 0,1 – 0,25 mm.

Die zu trennende Probe wird auf die Platte aufgetragen und in eine DC-Kammer gestellt, in der sich das Lösungsmittel / Elutionsmittelbefindet.

Aufgrund von Kapillarkräften wandert das Lösungsmittel „nach oben“. Die Analyten „wandern“ in Abhängigkeit von der Wechselwirkung Trennmaterial / Lösungsmittel eine bestimmte Strecke mit.

4


Dünnschicht-ChromatographieAuswertung:Densitometer: das, durch die DC-Schicht hindurchfallende Licht bzw. die Intensität des Lichtes wird mit der, des einfallenden Lichtes verglichen (halbquantitative Aussagen).

Photometrie: UV aktive Verbindungen können durch die Bestimmung der Absorption einer definierten Wellenlänge quantifiziert werden.

5


Dünnschicht-ChromatographieModerne DC Technik:

HPTLC: High performance thin layer chromatograpy

Sehr feines Trennmaterial, erniedrigt die Trennstufenhöhe und steigert so die Trennleistung.

AMD: automated multiple development

Trennung erfolgt nicht isokratisch (nur durch ein Lösungsmittel) sondern durch Gradientenelution (mehrer Lösungsmittel oder Gemische).

Einsatz der AMD: Qualitätskontrolle (Pharmazie, Lebensmittel)

0,1 – 1,5 mm3 – 6 mmFleckendurchmesser (beim Auftragen)0,1 µl1 – 5 µlAuftragevolumen

12 µm30 µmTheoretische Trennstufenhöhe H

HPTLCDCParameter

6


Dünnschicht-Chromatographie

Trennmaterial: Kieselgel / Silikagel

7


Flüssigkeits-Chromatographie

Hochleistungs-(Hochdruck)-Flüssigkeits-Chromatographie (HPLC):

Trennstufen 5000 - 6000

8



Stationäre Phase / Trennmaterial:

Edelstahlsäulen mit einem Innendurchmesser von 2 – 4 mmund einer Länge: 5 – 30 cm

Teilchendurchmesser der Packung 3 – 10 µm

Partikel erzeugen einen hohen Gegendruck bei der Förderung des Laufmittels / Eluenten (bis zu 300 bar!).

Hohe Ansprüche an die Pumpe

und an die Kapillarverbindungen

alle Komponenten müssen druckstabil sein

HPLC: mobile Phase ist flüssig (Wasser, organische Lösungsmittel

(Methanol, Acetonitril)

stationäre Phase ist fest

9



Normal-Phasen:

Trennmaterial: Silikagel / Kieselgel sowie modifiziertes Silikagel:

stationäre Phase ist polarer als die mobile Phase.

Silikagel:

Umkehr-Phasen (RP): mobile Phase ist polarer als die stationäre Phase.

10


Flüssigkeits-ChromatographieÜbersicht über modifiziertes Silikagel:

Modifiziertes Silikagel:

Silikagel trägt oberflächlich OH-Gruppen. An diesen Stellen kann Silikagelchemisch verändert werden.

11



Kügelförmiges chemisch modifiziertes Silikagel, mittlere Korngrösse 5 µm

(Sperisorb ODS)

12


Flüssigkeits-ChromatographieNormal-Phasen-HPLC:

Trennung von Uracil, Phenol, Acetophenon, Nitrobenzol, MethylbenzoatToluol (Auflistung entspricht der Elutionsreihenfolge)

Elutionsmittel: Tetrahydrofuran/n-Heptan

13


Flüssigkeits-ChromatographieUmkehr-Phasen-HPLC:

Trennung von Uracil (1), Phenol (2), Acetophenon (3), Nitrobenzol (4), Methylbenzoat (5), Toluol (6)

14


Flüssigkeits-ChromatographieDetektion:

Refraktionsindex (RI) –Detektor: universeller Detektor

registriert wird die Änderung der Lichtbrechung

befindet sich eine Substanz im Eluenten, so ändert sich die Lichtbrechung

RI-Detektion ist unempfindlich

15



UV-Detektor: für UV aktive Verbindungen

registriert wird die Absorption einer definierten Wellenlänge

empfindliche Detektion

16



UV-Photodiodenarray-Detektor: für UV aktive Verbindungen

registriert wird die Absorption verschiedener Wellenlänge in sehr kurzen Zeitintervallen

empfindliche Detektion

17


Flüssigkeits-ChromatographieAllgemeine Anforderungen an die Detektoren:

hohe Empfindlichkeit

geringe Veränderung der Basislinie (Drift) und geringes Rauschen

Ursachen für Drift und Rauschen: Elektronik des Detektors, Schwankungen der Umgebungstemperatur, Gasblasen, Änderungen des Durchflusses

18



19


Gaschromatographie

GC:

mobile Phase ist gasförmig (He, N2, H2)

stationäre Phase ist Fest oder Flüssig

Feste Phasen: Silikagel, Aluminumoxid, Molekularsiebe für die Gasanalytik

Flüssige Phasen: Polysiloxane

H C3 Si O Si SiO

CH3

R

R

CH3

CH3

CH3

CH3 n

R = n-C6H5 unpolare Stoffe

n-CnH2nCN polarere Stoffe

C6H5 mittelpolare Stoffe

Trennung von:

20


Gaschromatographie

Aufbau eines Gaschromatographen:

Es sind nur Verbindungen analysierbar, die unzersetzt verdampfbarsind, also weniger polare Verbindungen.

21


Gaschromatographie

GC-Säulen:

1 –6 m5 – 100 mLänge

bis 3.000bis 100.000N (Trennstufen)

bis 10 µl0,1 – 2 µgInjektionsvolumen

30 – 40 ml/min0,2 – 2 ml /minmobile Phase

µg – mgpg - µgAnalytmenge

2- 4 mm0,1 –0,5 mmInnendurchmesser

gepackte Säule (Gasanalytik)

Kapillarsäule

22


Gaschromatographie

Chromatogramm einer Probe gemessen mit einer gepackten- und einer Kapillarsäule:

23


Gaschromatographie

Neben der Säule und dem Säulenmaterial wird die Trennung durch das gewählte Temperaturprogramm beeinflusst:

24


GaschromatographieProbenaufgabe:

Splitlose Injektion: für Substanzen in niedriger Konzentration, Trennsäule muss größere Probenmenge aufnehmen können

25



Headspace: für die Analytik von leichtflüchtigen Stoffen

Die Probe wird nicht direkt analysiert, sondern der Dampfraum, der sich über einer flüssigen oder festen Probe in einem geschlossenen Gefäßausbildet.

Es bildet sich ein temperaturabhängiges Gleichgewicht zwischen flüssiger/fester und Gasphase aus.

26



Headspace:

Normalstellung während der Thermostatisierung

Druckaufbau Probenaufgabe

27



Purge- and Trapverfahren: für leichtflüchtige/mittelpolare Verbindungen (mit Anreicherung), dynamische Headspace Technik

Trap: Tenax, Aktivkohle

28


Gaschromatographie

Nach dem purge Vorgang wird die Trap (Falle, Adsorber) aufgeheizt und die Analyten gelangen fokussiert auf die GC Säule

Die Purge-Trap-Technik ist durch den Anreicherungseffekt auch besonders für Spurenanalytik geeignet

Der Trap-Schritt wird auch genutzt, um adsorbierte Bestandteile von Adsorberröhrchen zu analysieren (Einhaltung von MAK Werten am Arbeitsplatz)

29


GaschromatographieDetektion:

Wärmeleitfähigkeitdetektor (WLD)

Wärmeleitfähigkeit des Trägergases ist sehr hoch.

Organische Substanzen erniedrigen die Wärmeleitfähigkeit.

Die Temperatur des Drahtes nimmt dadurch zu und so auch der Widerstand des elektrischen Leiters.

30



Flammenionisationsdetektor (FID)

Gemessen wird die Leitfähigkeit des Gases.

Organische Substanzen mit CH-Gruppen bilden in der Luft/H2-Flamme Ionen und Elektronen.

Die Elektronen erhöhen die Leitfähigkeit des Gases.

Nachweisgrenze: 1 ppm

31



Elektroneneinfangdetektor (ECD)

Selektiv für Halogen-, Schwefel-und Stickstoffverbindungen!

β-Strahler (63Ni):

ionisiert das Trägergas (N2) und Elektronen werden frei:

N2 N2+ + e-

es fließt ein Grundstrom

organische Verbindungen verringern den Grundstrom

A + e- A-

A- + N2+ A + N2

32


GaschromatographieVergleich der Detektoren WLD und FID:

FID

33


GaschromatographieVergleich der Detektoren FID und ECD:

34


Gaschromatographie

35


Ionenchromatographie

Autosampler Säule, Suppressor,Detektor

Pumpensteuerung

36



Suppressor

Trennsäule

Leitfähigkeitsdetekor

37



38



39



40



41



42


Massenspektrometrie

Massenspektrometrie ist ein Verfahren zum Messen von Massen chemischer Elemente oder Verbindungen.

Die zu bestimmenden Analyten müssen ionisiert werden! Die geladenen Analyten sind in der Regel sehr instabil!

Der Massenanalysator steht unter Hochvakuum!!

Die ionisierten, instabilen Analyten werden so nicht durch den Zusammen-stoß mit anderen Molekülen (Sauerstoff, Kohlendioxid…) zerstört!

Detektiert wird immer das Verhältnis von Masse zu Ladung (m/z)!

43


Massenspektrometrie

Aufbau eines Massenspektrometers:

Ionenquelle Analysator Detektor

EI: Elektronenstoßionisierung (GC)

ESI: Elektrosprayionisierung (HPLC)

CI: Chemischeionisierung (GC)

APCI: Atmospheric Pressure Chemical Ionization (HPLC)

weiter Techniken: Felddesorption (FD)Fast Atom Bombradment (FAB), Matrixunterstütze Laserdesorption (MALDI)

ICP: Inductively Coupled Plasma (HPLC)

Sektorfeld

Quadrupol

Flugzeit

Photomultiplier

Sekundärelektronen-verfielfacher

44


Ion evaporation mechanism

Erzeugung von : [M+H]+ oder [M-H]-, positiv-Ion ESI oder negativ-Ion ESI

Elektrosprayionisierung

Nachteil, der beim Quantifizieren zu Problemen führen kann: Bildung von Addukten [M+Na]+, [M+NH4]+, [M+MeOH+H]+ oder [M+CH3COOH-H]-.

45


GC-MS

Elektronenstoßionisierung:

Die sich in der Gasphase befindlichen Verbindungen gelangen in die Quelle, die bereits unter Hochvakuum steht! (im Unterschied zu LC-MS).

In der Quelle werden die Verbindungen mit Elektronen beschossen:

Molekül e Molekül+

Es werden sehr reaktive und kurzlebige Radikal-Kationen erzeugt.

46


MassenspektrometrieQuadrupol-Massenspektrometer:

Besteht aus vier parallel angeordneten Metallstäben. An den jeweils gegenüber liegenden Metallstäben wird eine

Gleichspannung angelegt, deren Phase um 180° verschoben ist und von einer Wechselspannung überlagert ist (RF, 1MHz).

Bei einer vorgegebenen Spannung, die verändert werden kann, gelangen nur Teilchen einer bestimmten Masse (m/z) auf die Bahn in Längsrichtung zwischen den Stäben in den Austrittspalt.

x

y

47


DetektorFotovervielfachungsröhre, Photomultiplier

Photokathode: Halbleiter oder Metallschicht, Dicke 10 nm, Elektronen werden aus der Fotokathode heraus beschleunigt, treffen auf die Anode (Dynode) und werden als Fotostrom messbar.

1










- Gruppenparameter




2


Massenspektrometrie

Massenspektrometrie ist ein Verfahren zum Messen von Massen chemischer Elemente oder Verbindungen.

Die zu bestimmenden Analyten müssen ionisiert werden! Die geladenen Analyten sind in der Regel sehr instabil!

Der Massenanalysator steht unter Hochvakuum!!

Die ionisierten, instabilen Analyten werden so nicht durch den Zusammen-stoß mit anderen Molekülen (Sauerstoff, Kohlendioxid…) zerstört!

Detektiert wird immer das Verhältnis von Masse zu Ladung (m/z)!

3


Massenspektrometrie

Aufbau eines Massenspektrometers:

Ionenquelle Analysator Detektor

EI: Elektronenstoßionisierung (GC)

ESI: Elektrosprayionisierung (HPLC)

CI: Chemischeionisierung (GC)

APCI: Atmospheric Pressure Chemical Ionization (HPLC)

weiter Techniken: Felddesorption (FD)Fast Atom Bombradment (FAB), Matrixunterstütze Laserdesorption (MALDI)

ICP: Inductively Coupled Plasma (HPLC)

Sektorfeld

Quadrupol

Flugzeit

Photomultiplier

Sekundärelektronen-verfielfacher

4


MassenspektrometrieTriple-Quadrupol-Massenspektrometer:

Der hier gezeigte Aufbau ist für den Eintrag von Flüssigkeiten, insbesondere die Ionenquelle.

5


Ionenquelle

Elektrosprayionisierung:

Ionenquelle für den Eintrag von Flüssigkeiten.

6


Ion evaporation mechanism

Erzeugung von : [M+H]+ oder [M-H]-, positiv-Ion ESI oder negativ-Ion ESI

Elektrosprayionisierung

Nachteil, der beim Quantifizieren zu Problemen führen kann: Bildung von Addukten [M+Na]+, [M+NH4]+, [M+MeOH+H]+ oder [M+CH3COOH-H]-.

7


MassenspektrometrieQuadrupol-Massenspektrometer:

Besteht aus vier parallel angeordneten Metallstäben. An den jeweils gegenüber liegenden Metallstäben wird eine

Gleichspannung angelegt, deren Phase um 180° verschoben ist und von einer Wechselspannung überlagert ist (RF, 1MHz).

Bei einer vorgegebenen Spannung, die verändert werden kann, gelangen nur Teilchen einer bestimmten Masse (m/z) auf die Bahn in Längsrichtung zwischen den Stäben in den Austrittspalt.

x

y

8


Massenspektrometrie

Massenspektrometer müssen kalibriert werden!

Kalibriert werden hier die Spannungen, die angelegt werden müssen, damit bestimmte Massen (m/z) das elektrische Feld passieren können!

Der Abhängigkeit der Durchlässigkeit bestimmter m/z Verhältnisse von der Spannung wird durch die Mathieu Gleichung beschrieben.

9


Massenspektrometrie

Quadrupol-Massenspektrometer:

scan

selected ionmonitoring(SIM)

Ionenquelle Detektor

10


MassenspektrometrieTandem-Quadrupol-Massenspektrometer:

Ionenquelle Kollisionszelle Detektor

(Hexapol)

scan

daughterion scan

multi reactionmonitoring (MRM)

selected ionmonitoring(SIM)

11


DetektorFotovervielfachungsröhre, Photomultiplier

Photokathode: Halbleiter oder Metallschicht, Dicke 10 nm, Elektronen werden aus der Fotokathode heraus beschleunigt, treffen auf die Anode (Dynode) und werden als Fotostrom messbar.

12


HPLC-MS

Detektor: Massenspektrometer

Massenspektrometrie:

Analyseverfahren zur Bestimmung von chemischen Elementen oder Verbindungen durch Aufnahme der Masse/Molekülmasse

13


HPLC-MS

Voraussetzung für die Massenspektrometrische Detektion:

geladene Teilchen (aufgenommen wird m/z)

HPLC Ionenquelle (Interface) Analysator/Detektor

Atmosperic Pressure Ionisation:

Electrospray ionisation (ESI)

Chemical ionisation (APCI)

Massenspektrometer:

Quadrupolgeräte (Massenfilfter)

Flugzeit

14


HPLC-MSQuadrupol tandem MS:

15


HPLC-MSHPLC-ESI-MS, scan Mode

Standard 100 mg/L je Verbindung, scan m/z 220-900

Retentionszeit (min) Retentionszeit (min)

Standard 100 µg/L je Verbindung, scan m/z 220-900

Massenchromato-gramm: m/z 792

220 300 400 500 600 700 800 900

%

774351

220224

237241 288263 265 289 342322299 341 719415407352360 406

391666573560416 540478434 454446

459538479 511496 559 574 664592 593 615

648640687667 701

703719 760

756733775

793

824814

794

810819825

851830 892890852865

894

792

m/z220 300 400 500 600 700 800 900

m/z

%

2 2 3

2 2 4

2 2 5

2 2 9

2 6 3

2 3 7

2 5 1

2 4 1

2 5 3

2 7 9

2 7 8

2 6 7

3 0 9

2 9 5

2 8 1

2 9 3 2 9 9

3 1 0

3 1 1

3 2 3

3 1 3

3 1 7

7924 0 7

3 2 5

3 5 4

3 2 6

3 4 1

3 3 7

3 7 5

3 6 7 3 7 8

3 9 5

4 0 9

5 1 84 2 3

4 1 34 7 64 6 4

4 9 4

5 6 5

5 2 0

5 5 0 5 7 15 7 4

8 2 17 9 3

7 9 58 1 6

8 1 5

8 2 6

8 3 6 8 4 48 4 8

8 6 3

16


HPLC-MSSIR Modus:

10 20 300

Retentionszeit (min)

Standard je 100 µg/L je Verbindung, SIR

m/z 778m/z 675

m/z 822

m/z 633

m/z 615

m/z 560

m/z 792

MS 1 statisch, zeitabhängig werden nur bestimmte m/z Werte durchgelassen

17


HPLC-MSHPLC-ESI-MS, Daughter ion scan:

MS 1 statisch

Daughter ionSpektrum von m/z 675

150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

m/z

429

428

302302

302

274

158

202191

249 257

301

300

298

302

428

428

303424

303

385303

342332 347

355361 412

410

429

429

456456

430

455

430

454

454

438

584

457

528457

457

458511485

484

467

486486

509

527

529584

583

529 582

547

547572

566

584

675

585 673

585673

657585

628586

653

675

676

676

676

MS 2 scan

18


HPLC-MSHPLC-ESI-MS, MRM Modus (Multi Reaction Monitoring):

MS 1 statisch MS 2 statisch

10 20 30

778>559

675>584

822>804

633>542

615>361

590>433

792>573

645>583

19


GC-MS

Voraussetzung für die Massenspektrometrische Detektion:

geladene Teilchen (aufgenommen wird m/z)

GC Ionenquelle (Interface) Analysator/Detektor

Ionisierung:

Elektronenstoß (EI)

Chemische Ionisierung

Massenspektrometer:

Quadrupolgeräte (Massenfilfter)

Sektorfeldgeräte

20


GC-MS

Detektor: Massenspektrometer

21


GC-MS


Die sich in der Gasphase befindlichen Verbindungen gelangen in die Quelle, die bereits unter Hochvakuum steht! (im Unterschied zu LC-MS).

In der Quelle werden die Verbindungen mit Elektronen beschossen:

Molekül e Molekül+

Es werden sehr reaktive und kurzlebige Radikal-Kationen erzeugt.

22


GC-MS


23


GC-MS


24


GC-MS

Mit der Kopplung GC-MS ist eine sehr spezifische Stoffidentifikation möglich, denn die Massenspektren erlauben bei Einzelsubstanzen Rückschlüsse auf die Struktur, Elementzusammensetzung und Isotopenhäufigkeiten.

Da jede Stoffgruppe, Substanz ein typisches MS-Muster erzeugt, ist über Bibliotheken mit bis zu 50.000 Spektren und moderner Datenverarbeitung eine vereinfachte Auswertung möglich.

25


GC-MS

Documents

Praktikum Messtechnik