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Nitrat, pH und mehr Die Wasserqualität anforderungsgerecht mittels Photometrie prüfen

Autor / Redakteur: Volker Berndt* / Dr. Ilka Ottleben

Wasser ist unser höchstes Gut, hierzulande eines der am besten kontrollierten Lebensmittel und dennoch häufig in Gefahr: Bedingt durch intensive Landwirtschaft bedrohen z.B. eine zu hohe Nitratbelastung derzeit unser Grundwasser. Photometrische Konzentrationsmessungen schaffen Fakten.

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Abb. 1: Wasser gehört zu den am strengsten kontrollierten Ressourcen überhaupt.
Abb. 1: Wasser gehört zu den am strengsten kontrollierten Ressourcen überhaupt.
(Bild: © michaelheim/Fotolia.com)

Wasser ist die wertvollste Ressource unseres Planeten. Es ist lebensnotwendig für Mensch, Tier und Natur. Eine gute Grundwasserqualität ist entscheidend, um auch weiterhin die Versorgung mit gesundheitlich unbedenklichem Wasser zu gewährleisten und das Gleichgewicht unseres Ökosystems nachhaltig sicherzustellen. Wasser gehört daher zu den am strengsten kontrollierten Ressourcen überhaupt – und das aus gutem Grund. In der Vergangenheit wurde die Grundwasserqualität in Deutschland als sehr hoch und gut geschützt angesehen, jedoch ändert sich dieses Bild heute zunehmend. Als höchster Risikofaktor gilt die steigende Nitratbelastung, die aktuell wieder für zahlreiche Schlagzeilen sorgt. Gemäß aktuellem Nitratbericht des Bundesumweltamts weisen 28 Prozent der Messstellen des EU-Nitratmessnetzes in Deutschland Konzentrationen oberhalb des Grenzwertes von 50 Milligramm pro Liter auf.

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Für die Bestimmung des Nitratgehalts im Grundwasser, wie auch für zahlreiche weitere Inhaltsstoffe, kommt der Photometrie in der Wasser- und Abwasseranalytik eine besondere Bedeutung zu. Sie ist sehr exakt und zuverlässig, sowie aufgrund zahlreicher standardisierter Verfahrensweisen einfach zu handhaben. Neueste Generationen von Multiparameter-Photometern bieten eine große Auswahl unterschiedlicher, standardisierter Analyseanwendungen für die Messung aller wichtigen Wasserqualitätsparameter. Die Geräte sind zudem kompakt, vielseitig und können sowohl auf dem Labortisch als auch tragbar eingesetzt werden.

Wie Wasser selbst, so ist auch die Wasseranalytik für alle Lebensbereiche relevant – von Natur und Umwelt über Industrie und Landwirtschaft bis hin zur kommunalen Wasserversorgung oder Fischzucht. Um eine hohe Trinkwasserqualität zu gewährleisten, ist eine gute Qualität des Ausgangsproduktes, des Grundwassers, besonders wichtig. Als Indikatoren zur Bewertung der Qualität werden Bestandteile des Wassers, wie der Nitratgehalt, analysiert. Die ständige Überwachung des Grundwassers erfolgt in Deutschland durch Wasserwirtschaftsämter, Wasserversorger und private Sachverständige. Deren routinemäßige Kontrollen werden – neben anderen elektrochemischen und nasschemischen Verfahren – mittels Photometrie durchgeführt.

Photometrie – Wasserqualität einfach und präzise gemessen

In der Photometrie kommen meist kolorimetrische Verfahren zum Einsatz. Dazu werden Bestandteile des Wassers mittels spezieller Chemikalien eingefärbt. Hierbei gehen jeweils die zu messenden Ionen eine chemische Verbindung mit der Chemikalie ein und erzeugen so eine spezielle Färbung. Die Intensität der Färbung ist abhängig von der Konzentration der Ionen und macht diese messbar (s. LP-Tipp-Kasten).

Besonders benutzerfreundlich werden photometrische Anwendungen dadurch, dass die benötigten Chemikalien je nach zu messender Substanz vorgemischt und portioniert erhältlich sind. Für einzelne Ionen gibt es mehrere verschiedene Verfahren. Sie richten sich unter anderem nach der Konzentration der Ionen. Beispielsweise kann Nitrat mittels der Chromotropsäuremethode bei einer Wellenlänge von 420 nm gemessen werden oder mit der Cadmium-Reduktions-Methode bei 520 nm.

Etabliertes Verfahren bedarfsgerecht gestaltet

Während die Photometrie als vergleichsweise unkompliziertes und sehr exaktes Analyseverfahren gilt, steht eine sehr anspruchsvolle Messtechnologie hinter den vermeintlich einfachen Geräten. Von Alkalinität und Phosphatgehalt bis zu Sauerstofffängern und Ozon, vom Alleskönner bis hin zu applikationsspezifischen Varianten speziell für Umweltanalytik oder Aquakulturen, es gibt ein breites Spektrum an Anforderungen, denen Photometer gewachsen sein müssen. Entsprechend vielfältig sind die Herausforderungen an die Hersteller, Messgeräte und Verfahren für jeden Parameter und Bedarf maßgeschneidert, aber dennoch einfach bedienbar anzubieten. Um den Ansprüchen nach Wirtschaftlichkeit, zuverlässigen Messergebnissen und größtmöglicher Flexibilität gerecht zu werden, verfolgt Hanna Instruments mit seiner neuesten Generation von Photometern den Ansatz einer feingliedrigen Kundenorientierung. Die neun Geräte der neuen HI833xx-Photometerserie erlauben die Analyse von allen wichtigen Parametern und Messmethoden für die Qualität von Süßwasser oder Meerwasser und sie bringen einen zusätzlichen Mehrwert, der in der Wasseranalytik von Vorteil ist: Mobilität. Dank neuester Lichttechnologien und moderner Stromversorgung sind sie flexibel und mobil einsetzbar. Sie arbeiten draußen bei Feldmessungen ebenso exakt wie im Labor.

Damit Multiparameter-Photometer im Feld zuverlässige Messungen, an wechselnden Standorten, gewährleisten können, braucht es eine leistungsstarke Stromversorgung. Es empfehlen sich Geräte mit modernen Akkus auf Lithium-Basis, da diese in der Regel für bis zu mehrere Hundert Photometermessungen Energie liefern.

Eine spezielle Optik, die mit einer Kombination aus LED und Filtern arbeitet, ist ausschlaggebend, um den Anforderungen mobiler Photometrie gerecht zu werden. Anders als Wolframlampen verfügen LEDs über eine erheblich höhere Effizienz und produzieren mehr Licht bei einem gleichzeitig geringeren Stromverbrauch. Ein weiterer Vorteil dieser Lichtquellen besteht darin, dass LEDs kaum Abwärme erzeugen, die ansonsten die thermische Stabilität der Messungen beeinträchtigen könnte. Somit minimieren LED-Lichtquellen Fehleinflüsse auf photometrische Messungen und erlauben eine höhere Messstabilität.

Bei Hanna Instruments sorgt zudem ein zusätzlicher Referenzdetektor innerhalb des optischen Systems für eine selbstständige Leistungskontrolle: Er kompensiert mögliche Drift durch Spannungsschwankungen oder auftretende Änderungen der Umgebungstemperatur. Gleichzeitig verfügt die Optik der HI833xx-Serie über eine Sammellinse, die alles Licht einfängt, das eine Küvette bei der Messung verlässt. Abweichungen durch mögliche Küvettenfehler oder Kratzer, die außerhalb einer sicheren Laborumgebung leicht auftreten können, werden somit zusätzlich minimiert. Während bei älteren Geräten darauf geachtet werden musste, Küvetten immer in der exakt selben Ausrichtung in den Messschacht zu setzen, kann dank Sammellinse auf eine solche Indizierung verzichtet werden.

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Je nach Verwendungszweck gibt es die Multi-Photometer von Hanna Instruments auch in applikationsspezifischen Varianten. Maximal an den Anforderungen ihrer Anwender orientiert, sind diese bereits ab Werk für ihre Nutzung in der Umweltanalytik, der Analyse von Nährstoffen, der Abwasserbehandlung oder Trinkwasseraufbereitung, der Überwachung von Aquakulturen, den Einsatz im Bäderbereich oder für Boiler und Kühltürme spezialisiert. Zudem lassen sich die Gerätefunktionen der HI833xx-Serie mittels anschließbarer pH-Elektrode um ein weiteres nützliches Messverfahren erweitern. Damit kann der pH-Wert im Wasser nicht nur kolorimetrisch, sondern auch direkt gemessen werden, was entsprechende Testreihen in verschiedenen spezifischen Anwendungsfeldern noch weiter vereinfacht. Zudem gibt es photometrische Parameter die pH-abhängig sind, sodass eine genaue Kenntnis des pH-Werts sehr hilfreich ist, wie das nachfolgende Beispiel ausführt.

pH-Wert – essenzieller Parameter für Aquakulturen

Gerade in der Fischzucht ist die Überwachung des pH-Werts ein elementarer Bestandteil der Wasseranalytik, der in Ergänzung zur Photometrie eingesetzt werden kann. Für die gesunde Aufzucht von Fischen sind vor allem die Ammoniak- und Ammonium-Werte innerhalb der Zuchtbecken essenziell: Ammoniak (NH3) gelangt in erster Linie durch die Ausscheidungen der Fische ins Wasser, ist für sie jedoch hoch giftig. Bereits 0,02 mg/L können je nach Spezies toxisch wirken. Gelangt Ammoniak ins Wasser, ionisiert er teilweise und wird zu dem weitaus weniger giftigen Ammonium (NH4+). Wie viel Ammoniak in einem Gewässer ionisiert, hängt vom pH-Wert ab. Je geringer der pH-Wert, desto mehr Ammonium wird gebildet. Daher ist es in der Fischzucht besonders wichtig, neben dem tatsächlichen Ammoniak-Gehalt im Wasser auch den pH-Wert zu messen. Aus diesen Größen lässt sich ableiten, wie viel giftiges Ammoniak weiterhin in das unbedenklichere Ammonium umgewandelt werden wird. Während sich sowohl die Ammoniak- als auch die Ammoniumkonzentration in Zuchtteichen mittels der so genannten Nessler-Methode photometrisch messen lässt – beispielsweise mit einem HI83303-Aquakultur-Photometer – bietet die Erweiterung durch eine pH-Elektrode dennoch zusätzliche Vorteile. Denn die Doppelnutzung des Photometers als pH-Meter ermöglicht ein zusätzliches, direktes Monitoring von pH-Wert und Wassertemperatur, das es Züchtern vereinfacht, die Anteile von NH3 und NH4+ in ihren Anlagen exakt zu bestimmen.

Ob am Fischteich, auf dem Feld oder zurück im Labor: Die Vielseitigkeit der Wasseranalytik macht deutlich, dass die Individualisierung auch in der Messtechnik zu den neuen Leitmotiven zählt. Die Photometrie stellt hier keine Ausnahme dar. Hersteller wie Hanna Instruments haben diesen Trend erkannt und bieten neueste Produktgenerationen, die für jeden Bedarf und jede Anwendung eine maßgeschneiderte Lösung bieten: vom multifunktionalen Photometer bis hin zur anwendungsspezifischen Ausführung.

* V. Berndt: HANNA Instruments Deutschland GmbH, 89269 Vöhringen

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