Multitalent: Lichtsonde überprüft Wasserqualität
Aquaoptrode misst pH-Wert sowie Ammoniak- und Ammoniumgehalt von natürlichen Gewässern über Aquakulturen bis hin zum Trinkwasser.
Durch menschliche Einflüsse wie Industrie und intensive Agrarwirtschaft kann das natürliche Stickstoffgleichgewicht in Ökosystemen aus dem Ruder laufen und zu einer Nährstoffüberversorgung führen. Die regelmäßige Überwachung von natürlichen Gewässern, Trink- oder Abwasser auf Nitrat, Nitrit, Ammonium und Ammoniak gewinnt daher zunehmend an Bedeutung. In natürlichen Gewässern, aber auch in geschlossenen Kreislaufsystemen der Fischzucht können zu hohe Stickstoffkonzentrationen insbesondere zu hohe Konzentrationen des giftigen Ammoniaks zu Fischsterben und empfindlichen Schäden im Ökosystem führen.
Abb.: Sensor über Bord – Messeinsatz der Hybridoptroden in der Deutschen Bucht. (Bild: HS Bremerhaven)
Eine einsatzbereite Onlinemessung, mit der man den Anteil von Ammoniak schnell und einfach in Gewässern messen kann, existierte bislang nicht auf dem Markt. Ende 2007 ist das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbundprojekt Aquaoptrode angetreten, um dies zu ändern. Ziel ist die Entwicklung einer Hybridoptrode zur simultanen Onlinemessung von pH-Wert und Ammoniak- bzw. Ammoniumgehalt in verschiedensten Gewässern.
Nun wurde das erfolgreiche vom BMBF geförderte Verbundprojekt Aquaoptrode um ein halbes Jahr auf insgesamt 3,5 Jahre Laufzeit verlängert. In dieser Zeit wurde die Sensorplattform intensiv in unterschiedlichsten Einsatzbereichen getestet: Neben Dauermessungen in den Zielgebieten Trink- und Abwasserwirtschaft wurden ebenfalls Tests im Feld der Umweltüberwachung und in der Aquakultur durchgeführt. So zeigte das Messsystem auch im Dauereinsatz im Geestevorhafen und auf einer Forschungsfahrt durch die Deutsche Bucht bis zu den Färöer Inseln Leistungsfähigkeit und Stabilität. Als Basis für die Aquaoptrode steht ein spezielles, hoch auflösendes Messsystem innerhalb der Sonde für ein breites Anwendungsspektrum zur Verfügung. Dies bestätigt die intensive Arbeit der Projektpartner, ein möglichst universal einsetzbares Online-Messgerät zur Bestimmung von Ammoniak- und Ammoniumgehalt in verschiedensten Medien zu entwickeln.
Eine Optrode ist eine Farbstoffschicht, deren optische Eigenschaften sich unter Einfluss bestimmter Chemikalien verändert. Diese Veränderung muss für eine dauerhafte Messung auch wieder umkehrbar sein. Die Sensormembran wird von einem Lichtstrahl durchstrahlt und nach der Erfassung spektral ausgewertet. Eine Hybridoptrode besteht aus mehreren Schichten, bzw. aus einer Kombination verschiedenster Farbstoffe. Die simultane Bestimmung von pH-Wert ist nötig, da der Ammoniak- und Ammoniumgehalt stark pH-Wert und leicht temperaturabhängig ist. Diese neue Technologie kann durch neue Entwicklungen im Bereich der Farbstoffsynthese durch weitere Parameter ergänzt werden. Als Hauptaufgabe wurden in diesem Projekt neue Farbstoffe entwickelt und ihre Eigenschaften unter verschiedenen Bedingungen auf Empfindlichkeit, Reversibilität und Stabilität untersucht.
Als Plattform für die Aufnahme von Optroden wurde ein spektralauflösendes, tauchfähiges Photometer entwickelt. Der Wellenlängenbereich zwischen 360 und 750 Nanometer mit einer spektralen Auflösung von 1,7 Nanometer ist ideal für die Messung von Farbe. Während des Projektverlaufs wurde der Sensor intensiv getestet und von Wissenschaftlern und in der Industrie durchweg positiv aufgenommen. Die modulare Bauweise erlaubt den Einsatz von mehreren Farbschichten, aber auch den zukünftigen Einsatz mit neuen Farbstoffen. LEDs als Lichtquelle und niedriger Stromverbrauch senken die Produktions- und die laufenden Kosten. In der Projektabschlußphase wurde der Sensor in verschiedenen Punkten optimiert. Im Vordergrund stand dabei die Korrektur von Temperatureinflüssen und die dadurch resultierenden Messungenauigkeiten. Die Temperaturkorrektur kann nun vollständig durch Software erreicht werden.
Da die Technologie viele Anwendungsbereiche und durchaus neue Möglichkeiten im Bereich der Onlinemessung eröffnet, wird die Entwicklung auch nach dem offiziellen Ende des Projektes fortgesetzt. Die erarbeiteten Ergebnisse der Verbundpartner TriOS Mess- und Datentechnik GmbH Oldenburg, Institut für Photonische Technologien IPHT Jena und der Hochschule Bremerhaven bilden eine ideale Grundlage für weitere Projekte. So könnte die Messung durch einige Veränderungen von äußeren Einflüssen wie Fouling / Bewuchs und starken Stoffkonzentrationen anderer Chemikalien unabhängig gestaltet werden. Dies soll die Lebensdauer, sowie die Empfindlichkeit der Optroden auch unter schwierigsten Bedingungen erhöhen.
BMBF / OD
