Lichtsonde sichert Wasserqualität

Von der Aquakultur bis zum Trinkwasser: BMBF-Verbundprojekt realisiert Hybridoptrode zur Bestimmung von pH-Wert und Ammoniak-/ Ammoniumgehalt in verschiedenen Gewässern.

Meldung vom 12. Januar 2011 aus dem Bereich Forschungsförderung. Kategorien sind Optische Technologien und Projektträgerschaft. Quelle: Verbundprojekt AQUAOPTRODE

Messeinsatz der Hybridoptroden an Bord der FS Heincke in der Deutschen Bucht (Bildquelle: Hochschule Bremerhaven)

Durch intensive Landwirtschaft und andere vom Menschen beeinflusste Faktoren werden Böden und Gewässer mit Nährstoffen überversorgt. Stickstoffverbindungen wie Nitrat, Nitrit, Ammonium und Ammoniak werden in vielen Ökosystemen durch diese Eingriffe aus dem Gleichgewicht gebracht. Neben der Überwachung von natürlichen Gewässern ist die Bestimmung dieser Parameter in industriellen Prozessen und für die Reinigung von Abwasser, als auch für die Herstellung von sauberem Trinkwasser notwendig.

Das Ende 2007 gestartete und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbundprojekt AQUAOPTRODE hat das Ziel, eine Hybridoptrode zur simultanen Bestimmung von pH-Wert und Ammoniak- bzw. Ammoniumgehalt in verschiedenen Gewässern zu entwickeln. Bis zum Projektstart existierten noch keine solcher Systeme, die es zu einer gewissen Reife geschafft hatten.

Der Grund für eine simultane Bestimmung von pH-Wert und Ammoniak- bzw. Ammoniumgehalt ist der, dass Ammonium und Ammoniak in einem Gleichgewicht stehen, das stark pH-Wert und leicht temperaturabhängig ist. Das bedeutet, dass durch Schwankungen des pH-Werts in Gewässern sich aus dem ungiftigen Ammonium giftiges Ammoniak bilden kann. Daher soll neben einer Ammonium-sensitiven Optrode ein zweiter pH-sensitiver Farbstoff eingesetzt werden, um aus der Kombination aus Ammoniumgehalt und pH-Wert die Ammoniakkonzentration zu berechnen.

Das Prinzip einer Optrode (ein optischer Sensor) basiert auf der Veränderung der optischen Eigenschaften spezieller Farbstoffe unter Chemikalieneinfluss. Dieses Messprinzip kann durchaus mit pH-Indikatorpapier, besser bekannt als Lackmuspapier, verglichen werden, jedoch ist der Effekt bei der Optrode auch wieder umkehrbar, so dass sie damit für erneute Messungen geeignet ist. Eine Sensormembran, die den Farbstoff enthält, wird von einem Lichtstrahl durchstrahlt, danach erfasst und spektral ausgewertet. Eine Hybridoptrode, wie sie in dem vom BMBF geförderten Projekt entwickelt wird, besteht aus mehreren Schichten dieser Farbstoffe. Durch Weiterentwicklung des Optrodenprinzips ist es auch möglich, neue Sensorschichten für weitere Parameter in das bereits bestehende System einzusetzen.

Energiesparende Komponenten, wie LED-Lichtquellen, geringer Wartungsaufwand und hohe Flexibilität durch die Möglichkeit der Einbringung verschiedenster Optroden, standen bei der Entwicklung im Vordergrund. Im Projektverlauf wurden geeignete Farbstoffe gesucht und entwickelt, indem verschiedene Kombinationen von Farbstoffen auf deren Empfindlichkeit, Langzeitstabilität, Reaktionsgeschwindigkeit sowie Reversibilität hin analysiert wurden.

Die geplanten Anwendungsgebiete für die Hybridoptrode des Forschungsprojekts sind vielseitig und finden sich in der Trink- und Abwasserüberwachung sowie im Bereich der Umweltüberwachung. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist der wachsende Markt der Aquakulturen und die Zucht von Edelfischen, die sehr empfindlich auf das toxische Ammoniak reagieren und bei denen die präzise Überwachung von Stickstoffverbindungen besonders wichtig ist, um den wertvollen Besatz der Zuchtbecken zu schützen. Deshalb sollen die Optroden zusätzlich zu den geplanten Testeinrichtungen sowohl in einem Wasserwerk, als auch in dem neu errichteten Zentrum für Aquakulturforschung (ZAF) in Bremerhaven zum Einsatz kommen. Hier können die Hybridoptroden unter einem Dach und in unmittelbarer Nähe zweier Projektpartner in Süßwasser, Salzwasser und brackischem Wasser unter kontrollierten, aber realistischen Bedingungen getestet werden.

Auf Grundlage von umfangreichen Testreihen im Labor, einer Dauermessstation an der Wesermündung zur Nordsee, sowie auf einer mehrtägigen Forschungsausfahrt in der Wesermündung und der Deutschen Bucht konnte das System optimiert werden. Die Projektpartner des BMBF-Verbundprojekts AQUAOPTRODE (die TriOS Mess- und Datentechnik GmbH in Oldenburg, das Institut für Photonische Technologien IPHT in Jena und die Hochschule Bremerhaven) haben sich zum Ziel gesetzt, bis zum Projektabschluss Mitte 2011 alle Langzeittests in den verschiedensten Gewässern abzuschließen, und den Sensor zur Serienreife zu bringen.

Tabellarische Kurzübersicht BMBF-Verbundprojekt AQUAOPTRODE

Tags: Leuchtdioden, Optische Sensoren, Umweltschutz, Gewässerschutz