DE3613275A1 - Verfahren und messapparatur zur bestimmung der konzentration von in grund- und oberflaechenwaessern geloesten gasen, insbesondere derjenigen von molekularem stickstoff - Google Patents
Verfahren und messapparatur zur bestimmung der konzentration von in grund- und oberflaechenwaessern geloesten gasen, insbesondere derjenigen von molekularem stickstoffInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein für Routineuntersuchungen geeignetes
Verfahren und eine Meßapparatur zur Bestimmung der Konzentration
von in Flüssigkeiten gelösten Gasen. Das Verfahren eignet
sich insbesondere zur Bestimmung der Stickstoffkonzentration in
molekularen Stickstoff und ggfs. andere Gase enthaltenden
wässrigen Lösungen, z. B. Grundwässern.
In den letzten Jahren war in vielen Grundwässern ein starker
Anstieg der Nitratkonzentration zu verzeichnen. Verbunden mit
der Herabsetzung des zulässigen Grenzwertes auf 50 mg/l
entstanden daraus für eine große Anzahl von Wasserwerken
erhebliche Probleme, dem Verbraucher ein Trinkwasser, das den
neuen Anforderungen genügt, bereitzustellen. Die Aufbereitung
nitratbelasteter Wässer ist zwar, wie derzeit laufende
Forschungsprogramme zeigen, prinzipiell möglich, jedoch mit
ganz erheblichen Kosten verbunden.
Verschiedene Untersuchungen zeigen, daß dem biologischen
Nitratabbau durch Denitrifikation im Aquifer eine große
Bedeutung zukommt (Rohmann, U., Sontheimer, H.: Nitrat im
Grundwasser, Ursachen - Bedeutung - Lösungswege,
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut der Universität
Karlsruhe, 1985). Dessen Ausmaß ist jedoch besonders aufgrund
der Schwierigkeit, verläßliche Angaben zum Nitrateintrag ins
Grundwasser zu machen, nur schwer zu beurteilen.
Das Problem gewinnt auch dadurch an Dringlichkeit, daß ein
Anstieg der Nitratkonzentration auch bei solchen Wässern weiter
zu befürchten ist, die derzeit noch keine Nitratprobleme haben.
Eine Abschätzung der langfristigen Entwicklung des Nitratgehalts
in Grundwässern ist derzeit nicht möglich, da für den
Ablauf einer heterotrophen Denitrifikation außer dem Nitrateintrag
das Vorhandensein eines ausreichenden organischen
Substratreservoirs von großer Bedeutung ist und ferner auch
günstige pH-Bedingungen, die Anwesenheit der falkultativ
anaeroben Denitrifikanten und von notwendigen Spurenelementen
eine Rolle spielen.
Bei der Denitrifikation wird molekularer Stickstoff gebildet.
Die quantitative Bestimmung der Stickstoffkonzentration in
Grundwasserproben ist daher eine seit 1953 bekannte, wichtige
Voraussetzung, um die Denitrifikationsleistung eines Grundwasserleiters
nachzuweisen und Aussagen über das Ausmaß der Abbauvorgänge
in verschiedenen Tiefen eines Aquifers zu erhalten
(Gerb, L.: gwf-Wasser/Abwasser 94(1953), Seiten 87-92 und
157-161).
Bisher war jedoch kein einfach durchzuführendes Meßverfahren
bekannt, das sich für Routinebestimmungen des N2-Gehalts von
Grundwässern geeignet hätte, weshalb keine Daten über die
zeitliche Entwicklung des N2-Gehaltes in Grundwässern vorliegen.
In einer jüngeren Untersuchung wurde festgestellt, daß die
Stickstoffübersättigung in dem untersuchten Grundwasser über 30%
gegenüber dem mit einem N2-Partialdruck von 1 bar gebildeten
Sättigungswert betrug (Böckle, R., Rohmann, U., Sontheimer,H. in ′Vom Wasser′ 62(1984), Seiten 25-37). Das hierbei angewandte
Verfahren zur Bestimmung der N2-Konzentration beruht
auf der Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit der Gaslöslichkeit.
Bei dieser Methode wird das zu untersuchende Wasser unter
Vermeidung eines vorzeitigen Ausgasens in eine spezielle Glasflasche
gefüllt, diese nach Zugabe von festem NaOH gasdicht
verschlossen und anschließend auf eine konstante Temperatur bis
zur Einstellung des Ausgasungsgleichgewichts erwärmt, wobei die
über ein Steigrohr verdrängte Wassermenge gemessen wird. Unter
Berücksichtigung des Henry-Dalton′schen Gesetzes kann man aus
diesem Meßwert, den Apparategrößen und aus Tabellen zu entnehmenden
Stoffdaten die Stickstoffkonzentration ermitteln, wenn
die Konzentration für Sauerstoff bekannt ist. Dieses Verfahren
ist recht zeitaufwendig, denn die zur Gleichgewichtseinstellung
erforderliche Zeit liegt bei Grundwasser bei etwa drei Stunden.
Das Verfahren eignet sich daher nicht für Routinemessungen und
ist nicht für Feldmessungen einsetzbar.
Auch im chemisch-technischen Bereich besteht oft das Bedürfnis,
die Konzentration von in Flüssigkeiten gelösten Gasen in einfacher
Weise zu bestimmen. Dies kann z. B. bei der Konzentrationsbestimmung
von chemisch inerten oder anderweitig schwierig zu
bestimmenden in Flüssigkeiten gelösten Gasen der Fall sein.
Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, ein einfaches Verfahren
aufzuzeigen, das es gestattet, die Konzentration von in
Flüssigkeiten gelösten Gasen zu bestimmen. Das Meßprinzip soll
auf der Änderung einer thermodynamischen Zustandsgröße beruhen.
Das Verfahren selbst soll rasch und zuverlässig arbeiten,
einfach handhabbar sein, sich für Routinemessungen eignen und
auch für Feldmessungen einsetzbar sein. Eine weitere Aufgabe
ist es, eine für Routinemessungen geeignete Meßapparatur für
eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zu schaffen, mit
welcher es möglich ist, auch die Konzentration von mehr als
einem in einer Flüssigkeit gelösten Gas zu bestimmen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, das die in Anspruch 1
aufgeführten Merkmale aufweist, sowie eine Meßapparatur
gemäß Anspruch 10. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte
Ausführungsformen des Verfahrens.
Es wurde überraschenderweise gefunden, daß man durch Messung
des sich nach einer gewissen Zeit einstellenden thermodynamischen
Gleichgewichtsdrucks von in Kontakt mit einer Gasphase
stehenden gelöste Gase enthaltenden Flüssigkeiten die Konzentration
eines Gases in einfacher Weise bestimmen kann. Mit
diesem Verfahren ist es nun möglich, beispielsweise die Stickstoffkonzentration
von an Stickstoff übersättigten Grundwässern
vor Ort routinemäßig zu bestimmen, wobei die Meßdauer in diesem
Fall nur wenige Minuten beträgt.
Das Verfahren beruht auf der Messung des Gleichgewichtdrucks
eines Gas-Flüssigkeits-Zweiphasensystems in einer verschließbaren,
mit einer bevorzugt praktisch wegfrei arbeitenden Druckmeßsonde
ausgestatteten, bevorzugt thermostatisierbaren Meßzelle.
Weiterhin ist kennzeichnend, daß man die Meßzelle weitgehend
blasenfrei und vollständig mit der gelöste Gase enthaltenden
Flüssigkeit befüllt, sie danach gas- und flüssigkeitsdicht
verschließt und die Anfangstemperatur ermittelt, sodann
die Gleichgewichtseinstellung zwischen der Flüssigkeits- und
der Gasphase herbeiführt und dabei den sich aufbauenden Druck,
das ist der im Gleichgewicht herrschende Gesamtdruck, bis zu
seiner Konstanz mißt sowie die Temperatur bei Erreichen des
Gleichgewichts ermittelt. Aus dem gemessenen Gesamtdruck in der
Meßzelle ermittelt man dann unter Anwendung des Henry-
Dalton′schen Gesetzes die Konzentration der gelösten Gase. Die
für die Auswertung erforderlichen temperaturabhängigen Henry-
Konstanten lassen sich für viele Gase und Flüssigkeiten gängigen
Tabellenwerken entnehmen. Bei mehr als ein gelöstes Gas
enthaltenden Flüssigkeiten ermittelt man die Konzentration
anderer als des durch die Druckmessung zu bestimmenden Gases
durch bekannte chemische oder physikalische Meßverfahren.
In dem zu untersuchenden System existieren nebeneinander eine
flüssige Phase, welche ein oder mehrere Gase, deren Konzentration
zu bestimmen ist, enthält, und eine Gasphase, welche
zunächst nicht die Gase enthalten muß, deren Konzentration
bestimmt wird. Durch die Gleichgewichtseinstellung verteilen
sich alle im System befindlichen Gase gemäß dem Henry
Dalton′schen Gesetz in der flüssigen und der gasförmigen Phase.
Das Verhältnis des Volumens der gasförmigen Phase zu demjenigen
der flüssigen Phase ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
sehr klein zu halten. Die Konzentration der in der Flüssigkeit
gelösten Gase soll sich nämlich während der Gleichgewichtseinstellung
praktisch nicht verändern. Sind in der Gasphase zunächst
andere als die in der Flüssigkeit gelösten Gase und/oder
auch diese selbst enthalten, so kann die Menge derselben vernachlässigt
werden, wenn die Gasphase sehr klein ist im Vergleich
zur Flüssigkeitsphase, welche gelöste Gase, deren
Konzentration bestimmt werden soll, enthält.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine
im Vergleich zur Flüssigkeit sehr kleine Gasphase dadurch
erreicht, daß man die Meßzelle weitgehend blasenfrei befüllt.
Die in der Flüssigkeit verbleibenden und zum Teil an der Wandung
der Meßzelle hängenden kleinen Gasbläschen werden während
der Gleichgewichtseinstellung durch zum Beispiel kräftiges
Rühren in feinste Bläschen zerkleinert und sorgen damit für
einen intensiven Stoffaustausch und damit auch für eine rasche
Gleichgewichtseinstellung zwischen der gelöste Gase enthaltenden
flüssigen und der gasförmigen Phase.
Das zu untersuchende System befindet sich zunächst, das heißt
direkt nach dem weitgehend blasenfreien Befüllen der Meßzelle
und flüssigkeits- und gasdichten Verschließen derselben, im
thermodynamischen Ungleichgewicht, wenn die Summe aus dem
Partialdruck jedes einzelnen Gases in der Gasphase, welcher
nach dem Henry Dalton′schen Gesetz direkt proportional der
Konzentration des einzelnen Gases in der Flüssigkeit ist, und
dem Dampfdruck der Flüssigkeit bei der infrage stehenden Temperatur
größer oder kleiner als der Umgebungsdruck ist. Der
Gleichgewichtszustand stellt sich in der verschlossenen Meßzelle
nach einer bestimmten Zeit unter Druckerhöhung oder
Druckerniedrigung ein. Die in der Flüssigkeit gelösten Gase
können in dieser sowohl in übersättigtem oder untersättigtem
Zustand vorliegen.
Für die Ermittlung der Konzentration eines Gases aus dem gemessenen
Gesamtdruck ist die Kenntnis der Anfangs- und Endtemperatur
erforderlich, weshalb man diese Temperaturen mißt, bevorzugt
jedoch die Temperatur während der gesamten Gleichgewichtseinstellung
aufzeichnet. Es ist vorteilhaft, wenn die Anfangstemperatur
auch der Endtemperatur entspricht, wodurch apparatebedingte
Auswertungsschwierigkeiten vermieden werden. Besonders
vorteilhaft ist es, die Temperatur von Anfang bis Ende des
Versuchs konstant zu halten, z. B. indem man die Meßzelle selbst
gut isoliert oder die Meßzelle in einem diese umgebenden
Thermostatisiermantel anordnet und dort die Temperatur mittels
eines Thermostaten oder Durchströmen der zu untersuchenden,
gelöste Gase enthaltenden Flüssigkeit konstant hält.
Die ggfs. gehemmte Gleichgewichtseinstellung hängt von der Art
der Flüssigkeit, welche ein reines anorganisches oder organisches
Lösungsmittel oder eine Mischung mehrer Lösungsmittel
oder auch eine gelöste feste Stoffe enthaltende Flüssigkeit
sein kann, wobei wässrige Lösungen bevorzugt sind, und der Art
und Konzentration der in ihr gelösten Gase sowie den Druck- und
Temperaturbedingungen ab. Es ist möglich, durch einfaches
Stehenlassen die Gleichgewichtseinstellung abzuwarten oder aber
diese Einstellung zu beschleunigen. Dies kann dadurch erfolgen,
daß man den Inhalt der Meßzelle einer inneren Bewegung unterwirft,
z. B. durch Rühren, Schütteln in Gegenwart von inerten,
unlöslichen Mischkörpern oder durch Ultraschall. Je intensiver
die innere Bewegung und damit Durchmischung der beiden Phasen,
desto rascher ist im allgemeinen die Gleichgewichtseinstellung.
Es kann auch, beispielsweise bei an Gasen übersättigten
Flüssigkeiten, vorteilhaft sein, die Gleichgewichtseinstellung
durch Zugabe von die Hemmung aufhebenden Stoffen zu induzieren
oder zu beschleunigen.
In der gelöste Gase enthaltenden Flüssigkeit können ein oder
mehrere Gase gelöst sein, wobei diese annähernd dem idealen
Gasgesetz gehorchen sollen. Unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens sollen die Gase nicht miteinander und
auch nicht mit der Flüssigkeit reagieren, es sei denn, die
Gesetzmäßigkeit hierzu ist genau bekannt und kann bei der
Ermittlung der Konzentration der gelösten Gase berücksichtigt
werden. Bei den der Bestimmung mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren zugänglichen Gasen handelt es sich beispielsweise um
Stickstoff, Sauerstoff, Edelgase, Ammoniak, Schwefeldioxid,
Schwefelwasserstoff, Fluor und Chlor, Zyanwasserstoff,
Chlordioxid, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid sowie andere
anorganische und organische Gase. Besonders vorteilhaft ist das
Verfahren zur Konzentrationsbestimmung solcher Gase, welche
sich chemisch oder physikalisch nicht befriedigend oder nur
aufwendig bestimmen lassen. Ganz besonders bevorzugt eignet
sich das Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von
Stickstoff in wässrigen Lösungen. In einer bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt man
gleichzeitig die Konzentration von Stickstoff und Sauerstoff in
wässrigen Lösungen.
Der sich während der Gleichgewichtseinstellung aufbauende
Gleichgewichtsdruck, auch Gesamtdruck P (ges) genannt, setzt
sich aus der Summe aller Partialdrucke p (i) im System, d. h.
aus den Partialdrucken der gelösten Gase sowie dem Dampfdruck
der Flüssigkeit, zusammen:
Nach dem Henry-Dalton′schen Gesetz gilt, daß die Konzentration
c (i) eines in einer Flüssigkeit gelösten Gases i direkt
proportional dem Partialdruck p (i) der Komponente i in der
Gasphase ist:
c (i) = K H(i) · p (i)
Die Proportionalitätskonstanze K H(i) bedeutet die Henry-Konstante,
welche insbesondere vom Gas, der Flüssigkeit und der
Temperatur abhängt. Die Henry-Konstanten vieler Gase in Wasser
und in z. T. andern Flüssigkeiten sowie deren Dampfdrucke
können Tabellenwerken entnommen werden. Meßwerte für den
Gesamtdruck und Tabellenwerte müssen sich auf die gleiche
Temperatur beziehen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, wonach
die Konzentration von in Grundwasser enthaltenem molekularen
Stickstoff bestimmt wird, setzt sich P (ges) zusammen aus:
P (ges) = p (N ) + p (O ) + p (CO ) -+ p (H O)
Diese Gleichung gilt, sofern im Grundwasser, wie meist üblich,
keine anderen Gase vorhanden sind. Die Partialdrucke des Sauerstoffs
und des Kohlendioxids lassen sich aus der jeweiligen
Konzentration und Henry-Konstanten berechnen. Der Partialdruck
des Wassers kann Tabellen entnommen werden. Damit ergibt sich
aus dem gemessenen Gesamtdruck P (ges) direkt der Partialdruck
des Stickstoffs, woraus dessen Konzentration berechnet werden
kann:
Berücksichtigt man ferner, daß die Kohlendioxidkonzentration in
Grundwässern nur in verhältnismäßig engen Grenzen schwankt und
deren Partialdruck aufgrund der großen Henry-Konstante klein
ist, kann hierfür zur Vereinfachung ein konstanter Wert
angenommen werden. Die Konzentration des gelösten Sauerstoffs
kann chemisch, z. B. nach der Methode von Winkler, oder, wie
dies aus einer weiteren bevorzugten Ausführungsform folgt,
mittels einer sauerstoffsensitiven Elektrode während der
Gleichgewichtseinstellung im Thermostatisierbehälter bestimmt
werden.
Versuche zur Genauigkeit und Reproduzierbarkeit des erfindungsgemäßen
Meßverfahrens bei Wässern, deren Stickstoffkonzentration
gleichzeitig mit Hilfe der von Böckle et al 1984
entwickelten und eingangs beschriebenen Methode bestimmt wurde,
ergaben eine Übereinstimmung und Reproduzierbarkeit von
99,5%.
Die Druckmessung in der Meßzelle erfolgt mittels eines dem
Fachmann bekannten Druckmeßprinzips, z. B. mittels einer Druckmeßsonde
und einem darauf abgestimmten Meß- und Anzeigegerät
(Kirk-Othmer, Encyclopaedia of Technology (1982), Vol. 19,
Seiten 95-108, Verlag John Wiley & Sons). Bevorzugt sind möglichst
wegfrei arbeitende elektrische Druckmeßgeräte.
Beispielsweise eignen sich zur Druckmessung Sensoren und
Geräte, welche auf der Änderung der elektrischen Leitfähigkeit
von Leitern oder der Ladung von piezoelektrischen Kristallen
unter hydrostatischem Druck beruhen, aber auch solche Geräte,
welche auf einer Messung des Weges oder der Dehnung beruhen,
den ein elastisches Meßglied, beispielsweise eine Membran,
unter Druck erfährt. Besonders geeignet sind beispielsweise
Widerstandsmanometer, piezoelektrische Manometer, kapazitive
Manometer und Freidrahtmanometer. Ganz besonders bevorzugt sind
kapazitive Drucksensoren.
Die Druckmeßsonde ist innerhalb des die Meßzelle bildenden
Raums angeordnet, die Ableitung der Meßsonde führt in geeigneter
Weise durch die Meßzelle zum Druckmeß- und Anzeigegerät.
Sofern die Druckmeßsonde so in der Meßzelle eingebaut ist, daß
auf sie ein hydrostatischer Druck wirkt, ist dieser zu berücksichtigen.
Der zeitliche Verlauf der Gleichgewichtseinstellung eines
Stickstoff enthaltenden Grundwassers ist beispielhaft in Abb. 1
dargestellt. Die Abszisse zeigt die Zeitachse in Minuten
aufgeteilt, die Ordinate den Gesamtdruck in mbar. Bei einer
Temperatur von 10°C und einer Rührerdrehzahl von 600
Umdrehungen/Min. ist der Gleichgewichtszustand nach etwa 2
Minuten erreicht. Hiermit ist das Verfahren besonders für
Routineuntersuchungen vor Ort geeignet.
Sind in der Flüssigkeit mehrere Gase gelöst, kann man die
Konzentration eines Gases nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
bestimmen, sofern man die Konzentration der anderen Gase nach
einem anderen physikalischen oder chemischen Verfahren ermittelt
wobei dies vor, während oder nach der Gleichgewichtseinstellung
gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer völlig
separaten Probe erfolgen kann.
Für die Durchführung des Verfahrens ist wichtig, daß man die
Meßzelle weitgehend blasenfrei befüllen kann. Dies erreicht man
beispielsweise durch eine spezielle Ausgestaltung der Meßzelle,
indem diese aus einem entweder kegelförmigen oder im wesentlichen
zylinderförmigen Behälter besteht, dessen oberer Teil nach
oben gewölbt oder kegelförmig ausgebildet ist und an seinem
höchsten Punkt mit einer Ablaufvorrichtung mit Verschluß, z. B.
einem Hahn versehen ist, und wobei im unteren Teil des
zylinderförmigen Behälters eine tangential angebrachte
Zulaufvorrichtung mit einem Verschluß, beispielsweise einem
Hahn, angeordnet ist. Die kegelförmige Ausgestaltung der
Meßzelle ist bevorzugt, da die Strömungsgeschwindigkeit vom
unten angebrachten Zulauf zum oberen angebrachten Ablauf zunimmt
und Gasblasen beim Befüllen weitgehend ausgetragen werden. Beim
Befüllen der Meßzelle durch die Zulaufvorrichtung, welche
bevorzugt als Rohr ausgebildet ist, wird eine tangentiale
Strömung in der Meßzelle erzeugt, welche an der Wand haftende
Bläschen mitreißt und diese durch die Ablaufvorrichtung
austrägt. Das die Gleichgewichtseinstellung beschleunigende
Rühren bewerkstelligt man vorteilhafterweise mit einem
Magnetrührer und einem in der Meßzelle befindlichen
Rührstäbchen.
Wie bereits erwähnt, ist es vorteilhaft, die Temperatur in der
Meßzelle dadurch zu regeln bzw. konstant zu halten, daß man die
Meßzelle in einem sie vollständig umgebenden
Thermostatisiermantel, welcher mit einer Temperierflüssigkeit
gefüllt oder von einer solchen durchströmt wird, anordnet und,
soweit erforderlich, die Temperatur der Temperierflüssigkeit
mit einem Thermostaten regelt.
Bei in ausreichender Menge vorhandener zu untersuchender Flüssigkeit,
wie dies beispielsweise bei der Konzentrationsbestimmung
von in Wasser gelösten Gasen oft der Fall ist, ist es
besonders vorteilhaft, diese Flüssigkeit als Temperierflüssigkeit
zu verwenden, indem man sie durch den mit Zu- und Ablauf
sowie einem Thermometer ausgestatteten Thermostatisiermantel
leitet und dort auch die Temperatur mißt. Diese Verfahrensweise
ist bei der Untersuchung von Grundwasser vor Ort besonders
geeignet.
Bei der zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ist es
möglich, in der durch den Thermostatisiermantel geleisteten,
gelöste Gase enthaltenden Flüssigkeit der gleichen Zusammensetzung
wie in der Meßzelle während der Gleichgewichtseinstellung
innerhalb des Thermostatisiermantels die Konzentration weiterer
in der Flüssigkeit gelöster Bestandteile, insbesondere gelöster
Gase, durch andere bekannte Verfahren zu bestimmen. Hierzu
eignen sich beispielsweise elektrochemische Verfahren unter
Verwendung von Elektroden. Innerhalb des Thermostatisiermantels
läßt sich bevorzugt die Konzentration solcher Gase bestimmen,
welche mittels gassensitiver Elektroden erfaßbar sind. Anwendbar
sind beispielsweise die polarographische O2-Elektrode und
die potentiometrischen Elektroden zur Bestimmung von z. B.
Kohlendioxid, Ammoniak, Schwefeldioxid, Chlor, Schwefelwasserstoff,
Zyanwasserstoff und Fluorwasserstoff. Einzelheiten
zum Aufbau gassensitiver Elektroden und ihre Anwendung
sind dem Buch J. G. Schindler & M. M. Schindler, Bioelektrochemische
Membranelektroden, 1983, Walter de Gruyter-Verlag, Seiten
169-206 zu entnehmen. Innerhalb des Thermostatisiermantels
können ein oder mehrere Elektroden angeordnet sein. Die
Elektrodenableitungen führen zu den entsprechenden Meß- und
Anzeigegeräten.
Für die Konzentrationsbestimmung von Stickstoff in Grundwasser
oder anderen wässrigen Lösungen, welche gleichzeitig auch
Sauerstoff enthalten, hat sich zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts
die O2-Elektrode Triox EO 200 der Wissenschaftlich-
Technischen Werkstätten bewährt, welche integriert in der
Elektrode auch eine Temperaturmeßeinrichtung enthält.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens
füllt man eine Stickstoff und Sauerstoff enthaltende wässrige
Lösung blasenfrei in die bereits beschriebene Meßzelle, verschließt
diese und verfolgt unter intensivem Rühren und Konstanthalten
der Temperatur den sich aufbauenden Gesamtdruck
mittels eines praktisch wegfrei arbeitenden Drucksensors, wobei
man zur Konstanthaltung der Temperatur die Stickstoff und
Sauerstoff enthaltende Lösung durch einen Thermostatisiermantel
leitet, in welchem die Meßzelle sowie eine Sauerstoffelektrode
und eine Temperaturmeßeinrichtung angeordnet sind, und wobei
man innerhalb des Thermostatisiermantels die Sauerstoffkonzentration
und die Temperatur mißt und aus diesen Werten sowie dem
Gesamtdruck die Konzentration an gelöstem Stickstoff ermittelt.
Eine Meßapparatur zur Bestimmung der Konzentration von in
Flüssigkeiten gelösten Gasen, welche es auch ermöglicht, die
Konzentration von zwei oder mehr gelöste Gase enthaltenden
Flüssigkeiten durch Messung des sich durch Gleichgewichtseinstellung
aufbauenden Gesamtdrucks sowie der Konzentration des
zweiten und ggfs. weiteren Gase mittels gassensitiver Elektroden
zu bestimmen, ist in Abb. 2 dargestellt. Diese bevorzugte
Apparatur umfaßt eine weitgehend blasenfrei befüllbare,
kegelförmige oder im wesentlichen zylinderförmige Meßzelle (1)
mit einem im unteren Teil derselben tangential angeordneten
Zulaufrohr (2) sowie einem am höchsten Punkt der im oberen Teil
kegelig ausgebildeten Meßzelle angeordneten Ablaufrohr (3), die
den Zu- und Ablauf verschließenden Hähne (4) und (5), einen
sich innerhalb des die Meßzelle bildenden Raums befindlichen,
praktisch wegfrei arbeitenden Drucksensors (6) mit Ableitung
zum Druckmeßgerät (7), einem Magnetrührstäbchen (8) und einem
dazu passenden Magnetrührgerät (9), wobei die Meßzelle in einem
sie vollständig umgebenden Thermostatisiermantel (10) mit
Zulauf (14) und Ablauf (15) sowie einer gassensitiven Elektrode
(11) mit ihrer Ableitung zum Meßgerät (12) und einer
Temperaturmeßeinrichtung (13). Die Form der Meßzelle (1) sowie
die Anordnung des Zulaufs (2) und Ablaufs (3) wurde bereits
beschrieben. Die Meßzelle hat im allgemeinen ein Volumen im
Bereich von 10 bis 1000 ml, kann jedoch auch größer oder
kleiner ausgebildet sein. Bevorzugt ist die Meßzelle aus einem
korrosions- und druckfesten Material, beispielsweise Glas oder
Edelstahl hergestellt. Zwischen der Meßzelle (1) und dem
Thermostatisiermantel (10) ist ein ausreichend breiter Spalt,
durch welchen die Temperierflüssigkeit strömt. Die Meßzelle
taucht vollständig in den Thermostatisiermantel ein. Die
gassensitive Elektrode (11), es können auch mehr als eine
Elektrode anwesend sein, kann in beliebiger Weise innerhalb des
Thermostatisiermantels angeordnet sein, sofern ein Konzentrationsgefälle
des innerhalb des Thermostatisiermantels zu
bestimmenden Gases durch z. B. eine ausreichend hohe
Strömungsgeschwindigkeit vermieden wird. Die Elektrode bzw. die
Elektroden sind mit ihrer Ableitung mit dem entsprechend
angepassten Meßgerät verbunden. Unter dem die Meßzelle
bildenden Raum wird nicht nur das Volumen der Meßzelle selbst,
sondern auch das mit ihr direkt verbundene Volumen des Zulaufs
(2) und Ablaufs (3) bis zu den Hähnen (4) bzw. (5) sowie eines
ggfs. vorhandenen Ansatzrohrs für die Druckmeßsonde (6)
verstanden. Der Drucksensor kann, wie in Abb. 2 dargestellt,
im Ablauf, d. h. zwischen dem höchsten Punkt der Meßzelle
und dem Hahn (5) angeordnet sein. Die Form des Thermostatisiermantels
(10) ist an die Meßzelle und die Elektroden
anzupassen, eine zylinderförmige Bauart mit einem Zulauf im
unteren Teil des Behälters und einem Ablauf (15) im oberen Teil
des Behälters ist jedoch bevorzugt. Der Thermostatisiermantel
(10) kann oben offen sein oder eine Abdeckung mit
entsprechenden Öffnungen für die Meßzelle sowie die Ableitungen
des Drucksensors, der Elektroden und Temperaturmeßeinrichtung
aufweisen.
In der in Abb. 2 dargestellten Meßapparatur, ausgestattet mit
einer mit verschließbarem Zu- und Ablauf versehenen Meßzelle,
deren Volumen 100 ml betrug, einem sie umgebenden Thermostatisiermantel
mit Thermometer, einem Magnetrührgerät sowie in der
Meßzelle einem Drucksensor mit der Typenbezeichnung PAA-15/00-2
der Firma Keller AG Druckmeßtechnik und innerhalb des
Thermostatisiermantels einer Sauerstoffelektrode mit der
Bezeichnung Triox EO 200 der Wissenschaftlich-Technischen
Werkstätten wurde die Konzentration von Stickstoff und
Sauerstoff eines Grundwassers bestimmt. Als Druckmeßgerät kam
zum Einsatz: DPM-80 der Firma Keller AG Druckmeßtechnik.
Als Meßgerät für den Sauerstoff und die Temperatur kam zum
Einsatz: Oximeter Oxi 191 der Wissenschaftlich Technischen
Werkstätten.
Das zu untersuchende Grundwasser, das einem Förderbrunnen aus
etwa 20 m Tiefe entstammte, wurde unter Vermeidung von Ausgasungsverlusten
mit einer Unterwasserpumpe gefördert und sofort
weitgehend blasenfrei in die Meßzelle gefüllt. Die Meßzelle
wurde sofort verschlossen. Bereits vor der Befüllung der
Meßzelle ließ man das Grundwasser durch den
Thermostatisiermantel strömen, und auch während der Messung
strömte dieses durch den Thermostatisiermantel. Die Temperatur
betrug 10,8°C. Unter Rühren bei 600 Umdrehungen/Min. mit
einem 2 cm langen Rührstäbchen stieg der Druck rasch an und
erreichte nach 2 Min. einen Gesamtdruck von 1298 mbar, der sich
nicht mehr weiter veränderte. Die mit der Sauerstoffelektrode
gemessene Sauerstoffkonzentration betrug 0,5 mg/l. Die
Konzentration an Kohlendioxid wurde aus dem pH-Wert und dem
m-Wert für Hydrogencarbonat zu 0,5 mmol/l berechnet, woraus
sich ein CO2-Partialdruck von 10 mbar ergibt. Aus dem
Gesamtdruck, der Sauerstoff- und CO2-Konzentration wurde die
Konzentration an Stickstoff im Grundwasser ermittelt, nämlich
C (N) = 1,03 mmol/l.
Grundwasser wurde aus einem Brunnen aus etwa 30 m Tiefe entnommen
und gemäß Beispiel 1 in die Meßzelle gefüllt und durch den
Thermostatisiermantel geleitet. Die Temperatur betrug 10,9°C
und es ergab sich in der Meßzelle ein Gesamtdruck von
1550 mbar. Sauerstoff war in diesem Wasser nicht enthalten und
die CO2-Konzentration betrug 0,5 mmol/l. Aus diesen Werten
errechnet sich die Stickstoffkonzentration zu c (N) = 1,25
mmol/l.
Claims (10)
1. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von in
Flüssigkeiten gelösten Gasen, basierend auf einer
Gleichgewichtseinstellung zwischen der Flüssigkeits- und einer
Gasphase und der Anwendung des Henry Dalton′schen Gesetzes,
gekennzeichnet durch
Messung des Gleichgewichtsdrucks in einer verschließbaren, mit
einer Druckmeßsonde ausgestatteten Meßzelle, wobei man die
Meßzelle weitgehend blasenfrei und vollständig mit der gelöste
Gase enthaltenden Flüssigkeit befüllt, die Meßzelle gas- und
flüssigkeitsdicht verschließt, die Temperatur vor und nach
Gleichgewichtseinstellung ermittelt, die Gleichgewichtseinstellung
herbeiführt und dabei den sich aufbauenden Druck bis zu
seiner Konstanz mißt und aus dem gemessenen Gesamtdruck die
Konzentration der gelösten Gase ermittelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die Konzentration in der Flüssigkeit gelöster anderer
als des durch Messung des Gleichgewichtsdrucks zu bestimmenden
Gases durch andere chemische oder physikalische Meßverfahren
ermittelt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß man zur Beschleunigung der Gleichgewichtseinstellung den
Inhalt der Meßzelle während der Messung einer inneren Bewegung
unterwirft.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß man während der Gleichgewichtseinstellung rührt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß man beim Befüllen der Meßzelle eine Rotationsströmung durch
einen tangentialen Zulauf erzeugt, die ein weitgehendes Ablösen
von an der Gefäßwand haftenden Gasblasen bewirkt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die Temperatur in der Meßzelle durch eine geeignete
Isolation des Behälters oder durch Thermostatisieren konstant
hält.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß man zur Konstanthaltung der Temperatur die zu untersuchende,
gelöste Gase enthaltende Flüssigkeit durch einen die Meßzelle
umgebenden Thermostatisiermantel leitet.
8. Verfahren nach Anspruch 2 und Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die Konzentration anderer als des zu bestimmenden Gases
in der zu untersuchenden, den Thermostatisiermantel durchströmenden
Flüssigkeit innerhalb des Thermostatisiermantels nach
bekannten Verfahren ermittelt.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß man in der Meßzelle den Gesamtdruck einer Stickstoff und
Sauerstoff enthaltenden wässrigen Lösung und innerhalb des
Thermostatisiermantels die Temperatur sowie mittels einer dort
angeordneten Sauerstoffelektrode die Sauerstoffkonzentration
mißt und aus diesen Meßwerten die Stickstoffkonzentration
ermittelt.
10. Meßapparatur zur Bestimmung der Konzentration von in Flüssigkeiten
gelösten Gasen,
gekennzeichnet durch
eine verschließbare, eine Mischeinrichtung sowie Zu- und
Ablaufvorrichtung aufweisende, im wesentlichen zylinder- oder
kegelförmige Meßzelle, wobei diese zum weitgehend blasenfreien
Befüllen eine tangential angebrachte Zulaufvorrichtung aufweist,
die Meßzelle sich im oberen Teil verjüngt und am höchsten
Punkt mit einer Ablaufvorrichtung versehen ist, innerhalb
des die Meßzelle bildenden Raums ein praktisch wegfrei
arbeitender Drucksensor angeordnet ist, die Meßzelle in einem
mit Zu- und Ablauf versehenen, die Meßzelle umgebenden
Thermostatisiermantel angeordnet ist und innerhalb dieses
Thermostatisiermantels eine Temperaturmeßeinrichtung und ein
oder mehrere gassensitive Elektroden sowie gegebenenfalls
weitere Elektroden angeordnet sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863613275 DE3613275A1 (de) | 1986-04-19 | 1986-04-19 | Verfahren und messapparatur zur bestimmung der konzentration von in grund- und oberflaechenwaessern geloesten gasen, insbesondere derjenigen von molekularem stickstoff |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19863613275 DE3613275A1 (de) | 1986-04-19 | 1986-04-19 | Verfahren und messapparatur zur bestimmung der konzentration von in grund- und oberflaechenwaessern geloesten gasen, insbesondere derjenigen von molekularem stickstoff |
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Family
ID=6299070
Family Applications (1)
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Country | Link |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3908930A1 (de) * | 1989-03-18 | 1990-10-04 | Strahlen Umweltforsch Gmbh | Verfahren zur entnahme von fluessigen und gasfoermigen proben und zur messung deren charakteristischer parameter |
CN102667130B (zh) * | 2009-11-30 | 2014-08-20 | 丰田自动车株式会社 | 燃料罐系统及燃料供给系统 |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3842068A1 (de) * | 1988-12-14 | 1990-06-21 | Buehler Edmund Gmbh & Co | Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des ammonium-stickstoff-gehaltes in waessrigen systemen |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1278762B (de) * | 1963-02-09 | 1968-09-26 | Enzinger Union Werke Ag | Vorrichtung zum Ermitteln des Kohlendioxydgehaltes kohlensaeurehaltiger Fluessigkeiten |
-
1986
- 1986-04-19 DE DE19863613275 patent/DE3613275A1/de active Granted
Patent Citations (1)
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Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Die Brauwelt, H. 27, 6. Juli 1950, S. 569 u. 570 * |
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CN102667130B (zh) * | 2009-11-30 | 2014-08-20 | 丰田自动车株式会社 | 燃料罐系统及燃料供给系统 |
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Publication number | Publication date |
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DE3613275C2 (de) | 1988-01-21 |
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