Optische Sensoren für den Gewässerschutz

Innerhalb technischer Prozesse gelangen viele ölhaltige Abwässer unfallbedingt oder durch fahrlässiges Verhalten in die Umwelt. Rund achtzig Prozent der in natürlichen Gewässern vorkommenden Verschmutzung entsteht durch schleichende Einleitungen wie etwa durch den Betrieb von Schiffen oder der weltweiten Ölförderung, sowie Einleitungen aus kommunalen und industriellen Abwässern. Sie tragen somit entscheidend zur Verschmutzung von Meeren und Fließgewässern bei. Öle können gelöst oder emulgiert in Gewässern vorkommen und sind in der Regel Stoffgemische, die aus mehreren Tausend Substanzen zusammengesetzt sind und zu einem Großteil aus Kohlenwasserstoffen bestehen. Als besonders problematische und langzeittoxische Anteile gelten sogenannte „polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe“, kurz PAKs, die aufgrund ihrer allgegenwärtigen Verbreitung und Giftigkeit einen möglichst zu vermeidenden Umweltschadstoff darstellen.

PAKs sind Kohlenwasserstoffverbindungen, die aus mehreren kondensierten Benzolringen bestehen. Ihre Unterscheidung erfolgt anhand der Anzahl bzw. der Anordnung der Benzolringe. Mit steigender Ringzahl verringert sich dabei die Wasserlöslichkeit. In der Regel treten PAKs als Gemisch auf. Deren Messung und Überwachung kommt einer besonderen Bedeutung zu. Auf Grund der chemischen Struktur dieser Stoffgruppe eignen sich zu ihrem Nachweis besonders gut optische Verfahren.

Im März 2011 ist der über drei Jahre laufende und vom BMBF geförderte Verbund „AquaPAK“ gestartet, um ein innovatives optisches Messprinzip zur Online-Detektion von Ölverschmutzungen zu erforschen. Das System soll effektiv, schnell und zuverlässig sein und eine permanente Vorort-Überwachung von PAKs in Natur- und Prozesswässern gewährleisten. Hierfür sind Sensoren erforderlich, die auch in trüben, verunreinigten und biologisch aktiven Wässern funktionieren und ohne den Einsatz zusätzlicher Chemikalien auskommen.

Durch die Entwicklung von Messprinzipien, die in messtechnisch schwierigen Umgebungen verwertbare und verlässliche Ergebnisse erzielen, können bereits existierende Ölüberwachungssysteme unterstützt werden. Fehlalarme, die aus im Wasser enthaltenden Streuteilchen resultieren, können dadurch ausgeschlossen werden. Der zu entwickelnde Sensor stellt ein verfeinertes Messverfahren dar und nimmt eine Vorreiterrolle im Meeresumweltschutz ein.

Die bisher erarbeiteten Ergebnisse der Verbundpartner TriOS Mess- und Datentechnik GmbH (Rastede), Institut für Photonische Technologien (IPHT, Jena) und des Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) der Universität Oldenburg (Oldenburg) bilden eine gute Grundlage für die zweite Hälfte des Verbundprojekts. Derzeit befindet sich das Projekt im 18. Projektmonat, der Hälfte der beantragten Laufzeit. Das BMBF fördert den Verbund AquaPAK im Rahmen der Initiative „KMU-innovativ: Optische Technologien“ mit knapp einer Million Euro.

Die Grundlage der zu entwickelnden faseroptischen Sonde sind lichtleitende Bauelemente mit speziellen Polymerüberzügen. Die optischen Eigenschaften dieser Fasern ändern sich reversibel bei Kontakt der nachzuweisenden Substanzen und können so optisch, durch Absorption oder Fluoreszenz, gemessen werden.

In der ersten Hälfte des Verbundprojekts konnten die Fasern für den optischen Sensor entwickelt und erfolgreich an verschiedenen PAK-Standards getestet werden. Anhand zwei verschiedener Bauansätze (Faser- und Planaransatz) konnten weitere Tests mit realen Bilgenproben und Betriebsstoffen durchgeführt werden. Beide Bauformen konnten die Absorptions- und fluoreszenzspektroskopische PAK-Detektion erfolgreich demonstrieren. Derzeit laufen diverse Langzeituntersuchungen, um weitläufige Erfahrungen in realitätsnahen Messszenarien zu sammeln, konstruktive Maßnahmen und weitere Tests sollen Sensitivität und Sensorreaktionszeiten noch optimieren.

Ph.-Forsch. / OD