​Wie messe ich gelösten Sauerstoff (DO)?

water splash isolated on white background

Es gibt verschiedene Methoden, mit denen gelöster Sauerstoff (DO) in Wasser gemessen werden kann. Erstens gibt es nasschemische Techniken, bei denen eine Wasserprobe gesammelt und dann einer chemischen Reaktion unterzogen wird, die zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts verwendet wird. Zweitens sind herkömmliche Membran-DO-Sensoren erhältlich, bei denen eine nach elektrochemischen Prinzipien arbeitende Sonde in das Wasser eingeführt wird, um den DO-Wert abzulesen. Schließlich sind neuere optische Sensoren erhältlich, die eine schnelle, kontinuierliche Messung ohne viele der Mängel herkömmlicher Membransensoren ermöglichen.

Nasschemische Techniken

Die gebräuchlichste nasschemische Technik zur DO-Messung ist die Titration nach der Winkler-Methode. Bei dieser Technik wird eine Probe in einer speziellen Flasche gesammelt, die es ermöglicht, das Wasser aufzunehmen, ohne mit Luft in Kontakt zu kommen. Dem Wasser werden dann chemische Reagenzien zugesetzt, einschließlich eines Titriermittels, das zugegeben wird, bis eine Reaktion mit Sauerstoff abgeschlossen ist (angezeigt durch eine Farbänderung). Die Konzentration von DO ist proportional zum Volumen des zugesetzten Titriermittels, was eine quantitative Bestimmung von DO ermöglicht. Diese Technik kann mit Kits mit geringer Präzision für den Feldeinsatz oder für hochpräzise Analysen mit Laborgeräten verwendet werden.

Diese Methode weist eine Reihe von Einschränkungen auf. Zunächst muss die Probenahme sehr sorgfältig durchgeführt werden. Es muss nicht nur darauf geachtet werden, die Probe nicht zu bewegen oder Gasen auszusetzen, sondern es können auch spezielle Techniken oder Geräte erforderlich sein, um Wasser in Tiefen zu entnehmen, in denen der Druck höher ist als an der Oberfläche, z. B. die Verwendung von Kemmerer-Wasserprobenehmern in größeren Tiefen als 2 m [1].

Zweitens, da die biologische Aktivität Sauerstoff verbraucht, steht zwischen der Probenahme und dem Abschluss der Analyse nur eine begrenzte Zeit zur Verfügung. Proben, die nennenswerte Mengen an biologisch abbaubarem Material enthalten, müssen sofort getestet werden, und andere Proben können nach Zugabe von Konservierungsmitteln einige Stunden gelagert werden, um die biologische Aktivität vorübergehend zu stoppen [1].

Membransensoren

Mit Sensortechniken kann eine Sonde direkt ins Wasser eingeführt werden, sodass nicht unbedingt eine Probe entnommen werden muss. Herkömmliche DO-Sensoren verwenden elektrochemische Zellen, die durch Membranen vom Wasser getrennt sind. Es gibt zwei verschiedene Arten dieser Sensoren: galvanisch und polarografisch. Der Unterschied besteht darin, dass für ein polarografisches System eine Spannung zum Polarisieren der Elektroden angelegt werden muss und für das galvanische System nicht. Bei beiden Typen enthält die elektrochemische Zelle zwei Elektroden und eine Fülllösung (die Kaliumchlorid oder Kaliumhydroxid enthält). Diese Zelle ist durch eine Membran vom Wasser getrennt, die für Sauerstoff hoch durchlässig ist, ansonsten aber das Wasser von der Fülllösung trennt. Wenn Sauerstoff durch die Membran fließt, interagiert er mit den Elektroden, wodurch ein Strom durch das Messgerät fließt, der zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration verwendet wird.

Polarographische Sensoren erfordern, dass die Elektroden polarisiert werden, bevor die Messung stattfinden kann. Diese Aufwärmphase kann einige Minuten dauern.

Die Reaktion im Sensor verbraucht Sauerstoff, sodass das vom Messgerät erfasste Signal von der Übertragung von Sauerstoff über die Membran abhängt. Aus diesem Grund erfordert das Verfahren, dass das Wasser entweder fließt oder gerührt wird. Eine Folge davon ist, dass die Messung durch die Durchflussrate des Wassers beeinflusst werden kann. Diese Arten von Sensoren erfordern auch gelegentliches Reinigen der Elektroden und Ersetzen der Membran und der Fülllösung. Die US-Umweltschutzbehörde empfiehlt, die Membran und die Fülllösung vor jeder Studie auszutauschen [2], was die Betriebskosten dieser Geräte erhöht.

Optische (fluoreszierende) Sensoren

Dieser neuere Sensortyp arbeitet nach ganz anderen Prinzipien als galvanische oder polarografische Sonden. Bei dieser Methode interagiert Sauerstoff im Wasser mit einem fluoreszierenden Material, was wiederum die Interaktion mit bestimmten Lichtwellenlängen beeinflusst. Blaues Licht aus der Sonde regt die Fluoreszenz des Materials an, aber dieser Effekt wird durch die Anwesenheit von Sauerstoff gelöscht. Je höher die Sauerstoffkonzentration ist, desto geringer ist die Fluoreszenzmenge, die vom Detektor gesehen wird.

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Dieser Sensortyp bietet einige wichtige Vorteile gegenüber herkömmlichen Membransensoren. Sie erfordern weniger Wartung, da keine Membran oder Fülllösung ersetzt werden muss. Da die Messung keinen Sauerstoff verbraucht, wird die Messung nicht durch den Wasserfluss beeinflusst, und es ist kein Rühren erforderlich. Im Gegensatz zu polarografischen Sensoren müssen optische Sensoren nicht polarisieren, sodass der Sensor sofort zur Messung bereit ist.

Kalibrierung von Sensoren

Sowohl herkömmliche Membransensoren als auch optische Sensoren können unter Verwendung von Luft als Sauerstoffquelle kalibriert werden. Dies kann erreicht werden, weil die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre ein konstanter, bekannter Wert ist (20,9%). Zur Kalibrierung wird häufig eine Kappe mit wassergesättigter Luft verwendet. Alternativ kann mit Luft gesättigtes Wasser oder Standards mit bekannten Sauerstoffkonzentrationen (bestimmt nach der Winkler-Methode) zur Kalibrierung verwendet werden [1,2].

Fazit

Die genauesten DO-Messungen sind Winkler-Titrationen, die mit Laborgeräten durchgeführt wurden. Dies erfordert jedoch eine sorgfältige Probenentnahme und -konservierung sowie den Transport zu einem Labor innerhalb kurzer Zeit. Feldtestkits mit nasschemischen Techniken bieten nicht die gleiche Präzision.

Sensoren, einschließlich herkömmlicher Membransensoren und neuerer optischer Sensoren, sind bequemer zu verwenden, da der Sauerstoffgehalt ohne Probenentnahme an Ort und Stelle gemessen werden kann und eine kontinuierliche und sogar Fernüberwachung ermöglicht. Herkömmliche Sensoren erfordern den Austausch von Membranen und Fülllösungen unter Rühren und erfordern möglicherweise eine Aufwärmphase vor der Verwendung (für polarografische Sensoren). Neuere optische Sensoren sind noch praktischer, da sie diese Einschränkungen nicht aufweisen.

Verweise

[1] American Public Health Association (APHA) (2005) Standard methods for examination of water and wastewater, 21st edn. APHA, AWWA, WPCF, Washington.

[2] U.S. Environmental Protection Agency (2017) Field Measurement of Dissolved Oxygen. SESD Operating Procedure SESDPROC-106-R4.