🔬 Kjeldahl-Stickstoff
Bestimmung des Kjeldahl-Stickstoffs (TKN) im Wasser durch Mineralisierung mit Selen, Ammoniak-Destillation und Titration. Summe aus organischem und Ammonium-Stickstoff.
Übersicht
Kjeldahl-Stickstoff (TKN – Total Kjeldahl Nitrogen) ist ein Summenparameter, der organischen Stickstoff (in Aminosäuren, Proteinen, Harnstoff, Nukleinsäuren) und Ammonium-Stickstoff (NH₄⁺/NH₃) umfasst. Er umfasst nicht Nitrat-Stickstoff (NO₃⁻) oder Nitrit-Stickstoff (NO₂⁻). Er ist einer der wichtigsten Indikatoren für organische Wasser- und Abwasserverschmutzung.
Die Norm PN-EN 25663 (= ISO 5663) beschreibt die Methode nach Mineralisierung mit Selen – bestimmt nur Stickstoff im dritten negativen Oxidationszustand. Die Methode besteht aus drei Stufen: Mineralisierung (Aufschluss in H₂SO₄ mit Selenkatalysator), Destillation (NH₃-Freisetzung nach Alkalisierung mit NaOH) und Titration (quantitative NH₃-Bestimmung mit Säure). Bereich: bis zu 10 mg N in analytischer Probe.
TKN ist ein obligatorischer Parameter im kommunalen und industriellen Abwassermonitoring (Wassererlaubnisse), zur Beurteilung der Effizienz von Kläranlagen (Stickstoffabbau) und bei der Oberflächenwasseruntersuchung (Eutrophierung).
Prinzip der Methode
(1) Mineralisierung: Probe wird mit konzentrierter Schwefelsäure (H₂SO₄) in Anwesenheit von Selenkatalysator und K₂SO₄/CuSO₄-Mischung bei 360–410°C erhitzt. H₂SO₄ zersetzt organische Substanz oxidativ, und organischer Stickstoff wird zu Ammoniumsulfat ((NH₄)₂SO₄) umgewandelt. (2) Destillation: Nach Abkühlung wird NaOH zugegeben, das H₂SO₄ neutralisiert und NH₄⁺ zu gasförmigem NH₃ umwandelt. Ammoniak destilliert mit Dampf und wird in Borsäure (H₃BO₃)-Lösung absorbiert. (3) Titration: Borsäurelösung mit absorbiertem NH₃ wird mit Salzsäure (HCl) gegen gemischten Indikator (z. B. Tashiro) titriert.
Anwendungen
- Kommunales und industrielles Abwassermonitoring (Wassererlaubnisse)
- Kontrolle der Effizienz der biologischen Stickstoffabbau in Kläranlagen
- Oberflächenwasseruntersuchung – Eutrophierung
- Grundwassermonitoring – landwirtschaftliche Verschmutzung
- Trinkwasseruntersuchung – Indikatorparameter
- Beurteilung der Stickstofffracht in Abwassereinleitungen in die Umwelt
Schlüsselparameter
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Messbereich | Bis zu 10 mg N in analytischer Probe |
| Nachweisgrenze | 0,5 mg/L N (für 50 mL Probe) |
| Genauigkeit | ±5–10% |
| Mineralisierungstemperatur | 360–410°C |
| Mineralisierungszeit | 1–3 Stunden |
| Katalysator | Selen + K₂SO₄ + CuSO₄ |
Norm
- Normnummer
- PN-EN 25663:2001
- Titel (PL)
- Jakość wody — Oznaczanie azotu Kjeldahla — Metoda po mineralizacji z selenem
- Title (EN)
- Water quality — Determination of Kjeldahl nitrogen — Method after mineralization with selenium
Schritt-für-Schritt-Verfahren
1. Probenabmessung
Geeignetes Probenvolumen (50–250 mL je nach erwartetem N-Gehalt) in Kjeldahl-Kolben übertragen.
2. Mineralisierung
1 Selenkatalysator-Tablette und 10–15 mL konzentrierte H₂SO₄ zugeben. Kolben in Heizblock stellen. Allmählich auf 360–410°C erhitzen. Bis zum Erhalt einer klaren, farblosen oder leicht grünlichen Lösung mineralisieren.
3. Abkühlung
Nach Mineralisierungsende Kolben auf Raumtemperatur abkühlen. Vorsichtig ca. 50 mL deionisiertes Wasser zum Auflösen des Niederschlags zugeben.
4. Destillation
Kolben in Destillationseinheit stellen. Automatischer Destillator fügt NaOH hinzu (Alkalisierung) und führt Dampfdestillation durch. NH₃ wird in Auffanggefäß mit 50 mL H₃BO₃ 4% mit Tashiro-Indikator absorbiert. Bis zum Sammeln von ca. 150–200 mL Destillat destillieren.
5. Titration
Destillat (grün – NH₃ vorhanden) mit HCl 0,01 oder 0,1 mol/L bis zum Farbumschlag nach violett/grau (Endpunkt) titrieren. HCl-Volumen notieren.
6. Berechnungen
N [mg/L] = (V_HCl × c_HCl × 14,007 × 1000) / V_Probe. Ergebnis in mg N/L. Blindwert abziehen.
7. Qualitätskontrolle
Blindwert (deionisiertes Wasser + Reagenzien), Kontrollprobe mit (NH₄)₂SO₄ (Wiederfindung 95–105%), Duplikate. Jede Serie Destillationseffizienz überprüfen.
Erforderliche Geräte und Apparatur
| Gerät | Beispiel | Richtpreis |
|---|---|---|
| Kjeldahl-Mineralisierungseinheit (Heizblock) | BUCHI KjelDigester K-449, Gerhardt Kjeldatherm, VELP DKL | 20.000–60.000 PLN |
| Kjeldahl-Destillationseinheit | BUCHI KjelMaster K-375, Gerhardt Vapodest, VELP UDK 159 | 25.000–80.000 PLN |
| Kjeldahl-Kolben (250–500 mL) | Glas-Rundkolben mit Schliff | 30–80 PLN/Stück |
| Bürette 25 mL (Klasse A) | Brand, mit PTFE-Hahn | 200–600 PLN |
| Analysenwaage (0,1 mg) | Mettler Toledo ME204, Radwag AS 220.R2 | 5.000–15.000 PLN |
| Scrubber (SO₃-Dampffang) | BUCHI Scrubber K-415 | 5.000–15.000 PLN |
Reagenzien, Nährmedien und Verbrauchsmaterialien
| Reagenz | CAS | Details |
|---|---|---|
| Konzentrierte Schwefelsäure (H₂SO₄) (96%) | 7664-93-9 | Zur Probenmineralisierung. p.a. Reinheit, stickstofffrei. 10–15 mL pro Probe zugeben. |
| Selenkatalysator (Kjeldahl-Tabletten) | — | Tabletten: K₂SO₄ (3,5 g) + CuSO₄ (0,4 g) + Se (10 mg). Fertige Tabletten (z. B. Merck, BUCHI). Eine Tablette pro Probe. |
| Natriumhydroxid (NaOH) 32–40% | 1310-73-2 | Zur Alkalisierung nach Mineralisierung – NH₃-Freisetzung. Im Überschuss zugeben (ca. 50 mL 32% pro Probe). |
| Borsäure (H₃BO₃) 4% | 10043-35-3 | NH₃-absorbierende Lösung bei Destillation. 40 g H₃BO₃ in 1 L Wasser. Gemischten Indikator zugeben. |
| Salzsäure (HCl) 0,01–0,1 mol/L (standardisiert) | 7647-01-0 | Zur Titration von absorbiertem NH₃. Konzentration entsprechend erwartetem Stickstoffgehalt gewählt. |
| Tashiro-Mischindikator | — | Lösung: 0,1 g Methylrot + 0,05 g Methylenblau in 100 mL Ethanol. Farbumschlag: grün (alkalisch) → grau → violett (sauer). |
| (NH₄)₂SO₄-Standardlösung | 7783-20-2 | Zur Wiederfindungskontrolle. 4,716 g (NH₄)₂SO₄ (getrocknet 105°C) in 1 L = 1000 mg N/L. |
Arbeitsschutz und Sicherheit
- Konzentrierte H₂SO₄ (96%) – stark ätzend (H314), exotherme Reaktion mit Wasser! Säure zu Wasser zugeben, nicht umgekehrt. Unter Abzug arbeiten.
- NaOH 32–40% – stark ätzend (H314). Schwere Haut- und Augenverätzungen. Gesichtsschutz verwenden.
- Selen – giftig (H301, H331, H373). Katalysator-Tabletten mit Handschuhen handhaben.
- SO₃- und NH₃-Dämpfe – giftig/reizend. Mineralisierung und Destillation NUR unter Abzug oder mit Scrubber.
- Heißes Mineralisat (>360°C) – Verbrennungsgefahr. Kolben nicht neigen.
- Schutzbrille, säurebeständige Handschuhe, Laborkittel und Gesichtsschutz erforderlich.