Umweltanalytik

Wasser ist nicht gleich Wasser - TOC in der Umweltanalytik

Wasser, Boden und Luft - mit der Beschaffenheit dieser Kompartimente befasst sich die Umweltanalytik. Wer nun annimmt, es handle sich somit um drei verschiedene Matrices, könnte falscher nicht liegen. Boden, Wasser und Luft stehen sinnbildlich für die Aggregatzustände der Kompartimente. Die Matrices sind mannigfaltig und in ihrer Zusammensetzung sehr unterschiedlich.

Damit die verschiedenen Probenarten immer auf dieselben Parameter untersucht werden, enthalten verschiedene behördliche Verordnungen ganze Parameterlisten, teilweise mit Grenzwerten oder Zuordnungswerten hinterlegt. Ein Parameter mit hohem Stellenwert in der Umweltanalytik ist der TOC (Total Organic Carbon). Als Summenparameter gilt er als Maß der Verunreinigung durch organische Substanzen. Man schätzt die Anzahl der bekannten verschiedenen organischen Verbindungen auf circa 40 Millionen (laut Wikipedia). Diese Anzahl deutet darauf hin, wie wichtig ein Parameter sein muss, der eine solch unglaubliche Anzahl an Substanzen in sich vereint.

Die NPOC-Methode
Zur Bestimmung des TOC gibt es verschiedene Methoden. Die am häufigsten genutzte ist die hier beschriebene NPOC-Methode (Non Purgeable Organic Carbon = nicht ausblasbarer organischer Kohlenstoff): Dabei wird eine Wasserprobe mit einer Mineralsäure versetzt, um den anorganischen Kohlenstoff (Carbonate und Hydrogencarbonate) zu zersetzen. Ein Trägergas treibt das entstandene CO2aus. Übrig bleiben die organischen Kohlenstoffverbindungen, die nicht ausgetrieben wurden. Ein Aliquot der vorbereiteten Probe wird auf einen heißen Katalysator injiziert. Hierbei werden die organischen Komponenten vollständig in CO2umgesetzt. Das entstehende Gas wird durch ein Trägergas zu einem CO2-selektiven NDIR-Detektor geleitet und gemessen.

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Die Systeme der TOC-L-Familie von Shimadzu arbeiten mit der katalytischen Verbrennungsoxidation bei 680 °C und liegen damit unterhalb der Schmelztemperatur der gängigen anorganischen Salze, wie beispielsweise Natriumchlorid. Die Temperatur dieses Verfahrens verhindert somit, dass die enthaltenen Salze schmelzen und die aktiven Zentren des Katalysators blockiert werden. Dadurch wird die Standzeit des Systems signifikant erhöht.

Auch der Summenparameter TOC ist in den unterschiedlichen Kompartimenten und den verschiedenen Matrices zu untersuchen. Die Bestimmung ist schnell und sicher durchführbar, vorausgesetzt, man beachtet bei der Analytik auf die Besonderheiten der verschiedenen Matrices. Dies lässt sich einfach an dem Umweltkompartiment Wasser verdeutlichen – denn Wasser ist nicht gleich Wasser.

Trinkwasser
Die Grundlage für ein gesundes Leben ist sauberes Trinkwasser. Seine Beschaffenheit ist in der Trinkwasserverordnung (TVO) und der DIN 2000 festgeschrieben. Trinkwasser weist regionale Unterschiede auf; so differieren die Mengen an gelösten Mineralien, wie Natrium, Magnesium, Chloride, usw. ebenso wie die Gehalte der Carbonate und Hydrogencarbonate und die Menge organischer Verbindungen.

Daher nennt die TVO auch keinen Grenzwert für den Parameter TOC. Er dient bei der Trinkwasserüberwachung als Indikator mit der Absicht, abnormale Veränderungen schnell zu erkennen. Trinkwasser soll für den menschlichen Gebrauch frei von gesundheitsschädlichen Substanzen und gesundheitsgefährdenden Keimen sein. Die Konzentration an organischen Bestandteilen liegt hier auch eher im niedrigen Bereich, wogegen der Gehalt an anorganischen Kohlenstoffverbindungen erheblich sein kann. Beim Austreiben der Carbonate und Hydrogencarbonate ist dies zu beachten. Die TOC-L-Systeme von Shimadzu erledigen die Probenvorbereitung (Ansäuern und Ausgasen) automatisch.

Oberflächenwässer
Oberflächenwässer mit viel Bewegungen und Verwirbelungen enthalten zum Teil erhebliche Partikelmengen. Gerade in Flüssen mit Schifffahrt finden sich vermehrt Schwebteilchen im Wasser. Auch diese müssen oftmals miterfasst werden, um die organische Belastung bewerten zu können.

Oberflächenwässer sind regional unterschiedlich in ihrem Gehalt an anorganischem Kohlenstoff und verschiedenen Salzen. Nicht nur geogene Bedingungen sind dafür verantwortlich, auch die jeweils siedelnden Industrien hinterlassen durch das Einleiten von Abwässern individuelle Spuren. Die zu erwartenden TOC-Konzentrationen sind demnach ebenso unterschiedlich. Fließgewässer mit großer Vermischung haben meist geringere Gehalte als stehende Gewässer mit geringem Austausch.

Abwässer
Auch Abwässer können hohe Salzgehalte transportieren. Bedingt durch Wassersparmaßnahmen gerade in wasserverbrauchenden Betrieben haben sich viele Abwässer im Laufe der Jahre verändert. Sie enthalten immer größere Mengen an Salzen und anderen Komponenten. Bei diesen Wasserproben bringt das Kit für salzhaltige Proben einen großen Nutzen für die Anwender.

Zudem enthalten die meisten Abwässer Schmutzpartikel, die mit analysiert werden müssen. Dafür ist es erforderlich, TOC-Analysatoren mit hoher Partikelgängigkeit einzusetzen, etwa die Systeme der TOC-L-Familie. So ist es auch möglich, selbst Bodensuspension problemlos zu messen.

Die TOC-Konzentrationen der Abwässer können sich erheblich voneinander unterscheiden. Denn auch Abwasser ist nicht gleich Abwasser. So reichen sie von wenigen mg/l bis hin zu zweistelligen %-Gehalten. Es kann daher notwendig werden, hochkonzentrierte Proben zu verdünnen, um sie in den Messbereich des Analysators oder der Kalibrierfunktion zu bringen. Die Analysatoren der TOC-L-Serie verfügen dafür über eine automatische Verdünnungsfunktion. Diese ermöglicht die Verdünnung von Proben wie auch von Standardlösungen. Damit lassen sich Mehrpunktkalibrationen aus einer Stammlösung herstellen. Die Verdünnung ermöglicht nicht nur die Verringerung der absoluten TOC-Menge, sondern auch die Verdünnung der jeweiligen Matrix.

Fazit
Man sieht, dass allein das Umweltkompartiment Wasser viele Arten von Wässern beinhaltet. Jedes ist unterschiedlich in seiner Art, seiner Zusammensetzung und seiner Herkunft. Alle diese Probenarten werden aber mit einem TOC-Analysator untersucht. Man benötigt daher flexible Systeme, die die Messung aller verschiedenen Probenarten ermöglichen. Die Systeme der TOC-L-Familie arbeiten dabei mit automatischer Probenvorbereitung, mit automatischer Verdünnung und verfügen über zahlreiche Kits, die das System für die unterschiedlichen Messaufgaben rüsten. Wasser ist eben nicht gleich Wasser.

Autor
Sascha Hupach
E-Mail: info@shimadzu.de

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