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Technologie

2.5.06 Überwachung der Wasserqualität – Neue Messverfahren entwickelt

Trinkwasserquellen sind kontinuierlich auf ihren Schadstoffgehalt zu prüfen, das ist zeit- und kostenaufwendig. Ein Monitoring ist besonders in Krisenregionen wichtig, in denen die Gefahr terroristischer Anschläge besteht – etwa die Vergiftung von Wasserquellen. Wissenschaftler aus Deutschland und Israel haben gemeinsam neue Messverfahren entwickelt, die als Grundlage eines Frühwarnsystems dienen können. Sie nutzen dazu das Infrarot-Absorptionsspektrum von Stoffen.

Um Verunreinigungen und Schadstoffe in Trinkwasserquellen rechtzeitig entdecken zu können, ist eine ständige Überwachung erforderlich. In politisch sensiblen Regionen wie Israel besteht zudem die Gefahr gezielter Vergiftungen von Wasserquellen (Chemo-Terrorismus). Mithin besteht ein großer Bedarf an Messungen, die kontinuierlich verlässliche Daten zur Qualität des Wassers liefern.

Deutsch-israelische Zusammenarbeit

Bisher erfolgten in Israel Grundwasseruntersuchungen vorwiegend durch Laboranalysen. Dazu mussten Proben an den Messstellen entnommen, ins Labor transportiert und dort aufbereitet werden – ein zeitaufwendiges, kostspieliges und zudem fehleranfälliges Verfahren. Das vom BMBF innerhalb der deutsch-israelischen Wissenschaftskooperation geförderte Projekt „A Compact Fiber-Optic Infrared System for Online Monitoring of Pesticides and other Pollutants in Water“ (Kompaktes Infrarot-Messsystem zur Online-Detektion von Pestiziden und Verunreinigungen im Wasser) sollte daher ein Messsystem entwickeln, mit dem sich die Wasserqualität in Echtzeit und über große Entfernungen zuverlässig und dauerhaft überwachen lässt. Die Forschungsarbeiten führten die School of Physics and Astronomy der Tel Aviv University und das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) durch.

Analyse des Strahlungsspektrums

Die technischen Grundlagen hatte das IPM bereits im Vorfeld mit einem Breitbandspektrometer gelegt, das ursprünglich entwickelt wurde, um Deponie- und Sickerwasser online überwachen und industrielle Prozesse kontrollieren zu können. Das Analysegerät ist darauf ausgelegt, verschiedene organische Moleküle (z. B. Pestizide) nachzuweisen. Die Messmethode nutzt die Eigenschaft aller Stoffe, Infrarotstrahlen in einem spezifischen Spektrum zu absorbieren.

Schema der ATR-Technik

Schema der ATR-Technik
Schema der ATR-Technik
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Ein ATR-Messmodul zur Aufnahme der Infrarot-Absorptionsspektren (Die Sensorfaser befindet sich in der zylindrischen Messzelle, die von der Wasserprobe, zugeführt über die beiden Wasseranschlüsse, durchströmt wird.)

Ein ATR-Messmodul zur Aufnahme der Infrarot-Absorptionsspektren (Die Sensorfaser befindet sich in der zylindrischen Messzelle, die von der Wasserprobe, zugeführt über die beiden Wasseranschlüsse, durchströmt
wird.)
Ein ATR-Messmodul zur Aufnahme der Infrarot-Absorptionsspektren (Die Sensorfaser befindet sich in der zylindrischen Messzelle, die von der Wasserprobe, zugeführt über die beiden Wasseranschlüsse, durchströmt wird.)
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Mit der Infrarot-Spektroskopie, einer technischen Analysemethode, lassen sich Stoffe über deren Infrarot-Absorptionsspektrum bestimmen. Die von den Forschern verwendete Attenuated Total Reflection (ATR)-Spektroskopie baut auf einem optischen System auf. Das analysierte Strahlungsspektrum ermöglicht Aussagen über das Vorkommen und die Konzentration von Schadstoffen. So lassen sich Wasserverschmutzungen durch die meisten schädlichen Chemikalien aufdecken und die Daten ohne Zeitverzögerung über Funk an eine zentrale Überwachungsstelle leiten.

Das Messsystem des eingesetzten Breitbandspektrometers besteht aus drei Modulen: einer Lichtquelle, einem Sensorelement und einem Infrarot-Spektrometer. Das abgestrahlte Licht eines miniaturisierten Glühstrahlers wird in das ATR-Sensorelement geleitet, durchläuft die Messstrecke und wird vom Spektrometer aufgenommen. Die anschließende Spektrenanalyse ermittelt die einzelnen im Wasser gelösten Stoffe und deren Konzentration.

Nachweis auch geringster Schadstoffkonzentrationen

Die ATR-Technik nutzt den Umstand, dass das Feld einer in einem transparenten Material geführten Lichtwelle zum Teil in das sie umgebende Medium hineinragt. Dieses sogenannte evaneszente Feld eignet sich für Absorptionsmessungen. Als Sensor dient eine sensitive Faser: Wird diese mit einem geeigneten Polymer beschichtet, reichert sich darin das gesuchte Molekül an und verstärkt das Messsignal bis zum Tausendfachen. Zusätzlich schirmt das wasserabweisende Polymermaterial Wasser ab, das die Messung stark stören würde. Ein bewegliches Gitter bewirkt, dass das Spektrometer Wellenlängen zwischen 8 und 12,5 Mikrometern messen kann. Andere Wellenlängenbereiche lassen sich durch einen Austausch des Gitters einstellen. Absorptionsmessungen im mittleren Infrarotbereich ermöglichen es, organische Moleküle bis zu Konzentrationen unter 1 ppm aufzuspüren.

Zwei Messsysteme entwickelt

Im Verlauf des 2003 gestarteten, im Juni 2006 abgeschlossenen Vorhabens entwickelte das deutsch-israelische Projektteam zwei verschiedene Messsysteme auf Basis der ATR-Technologie: ein größeres und empfindlicheres Gerät – welches allerdings teurer und nicht für den Feldeinsatz geeignet ist, sowie ein handliches und preiswertes, das eine geringere Nachweisempfindlichkeit hat. In einem Anschlussprojekt wurde der Fortschritt der Miniaturisierung kommerzieller Fourier-Transform-Infrarot (FTIR)-Spektrometer genutzt, um ein Messsystem mit nahezu gleicher Nachweisempfindlichkeit wie die des teuren Pendants zu schaffen (siehe Foto). Die Projekte haben die Grundlage für die Entwicklung von kompakten, verlässlichen und leicht bedienbaren Messsystemen geschaffen. Die Systeme wurden in ersten Feldversuchen geprüft und haben einen hohen Entwicklungsgrad. Weitere Feldeinsätze in der Bundesrepublik als auch in Israel sind geplant.

Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM)
Dr. Werner Konz
Heidenhofstraße 8
79110 Freiburg
Tel.: 07 61/88 57-2 89
Fax: 07 61/88 57-2 24
E-Mail: werner.konz@ipm.fraunhofer.de
Internet: www.ipm.fraunhofer.de
Förderkennzeichen: 02WU0268

Tel Aviv University
School of Physics and Astronomy

Prof. Abraham Katzir
Ramat Aviv
PO Box 39040
69978 Tel Aviv, Israel
Tel.: 00 97 23/6 40 83 01
Fax: 00 97 23/6 41 58 50
E-Mail: katzir@post.tau.ac.il
Internet: www.tau.ac.il
Förderkennzeichen: FZK0201
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