⚗️ Gelöster Sauerstoff im Wasser — optischer Sensor (lumineszent, Fluoreszenzlöschung)

Physikochemie ISO 17289

Übersicht

ISO 17289:2014 legt das optische Verfahren zur Bestimmung des gelösten Sauerstoffs im Wasser mit einem Sensor fest, der nach dem Prinzip der Fluoreszenzlöschung arbeitet. Die Messung wird als Sauerstoffkonzentration in mg/l, als Sättigung in Prozent oder als beides ausgedrückt; je nach Gerät werden nach der Anleitung des Herstellers Nachweisgrenzen von 0,1 oder 0,2 mg/l erreicht, und die meisten Geräte messen auch Werte über 100 % (Übersättigung — bei starker Algenblüte sogar bis 200 % und mehr möglich). Oberhalb einer Sättigung von 100 % ist eine Entgasung zu verhindern, unterhalb von 100 % das Eindringen von Sauerstoff in die Probe während der Probenahme und der Messung. Das Verfahren eignet sich für Feldmessungen, für die kontinuierliche Überwachung und für Labormessungen; es ist eines der bevorzugten Verfahren für stark gefärbte und trübe Wässer sowie für Wässer, die wegen Stoffen, die Eisen und Iod binden, für die Winkler-Titration ungeeignet sind (diese Stoffe stören das iodometrische Verfahren ISO 5813). Es gilt für Trinkwasser, natürliche Wässer, Abwasser und salzhaltige Wässer; für Meerwasser und Ästuarwasser ist bei der Messung der Konzentration eine Korrektur für den Salzgehalt unerlässlich. In den Wässern des Anwendungsbereichs werden keine Störungen festgestellt.

Die Hersteller beschreiben optische Sensoren (z. B. lumineszente LDO-Sonden) als Sensoren, die Licht und ein lumineszentes Material nutzen; sie erfordern weniger Wartung, halten die Kalibrierung besser, und Schwefelwasserstoff und andere gelöste Gase beeinflussen ihre Funktion nicht; sie bieten Richtigkeit, Stabilität und Wiederholpräzision bei kurzer Ansprechzeit — anders als galvanische Elektroden und Clark-Elektroden, die häufige Kalibrierung und ein Rühren der Probe erfordern. Das PKN-Verzeichnis führt keine polnische Ausgabe dieser Norm (der polnische Titel im Eintrag ist eine Arbeitsübersetzung).

Prinzip der Methode

Optische Sensoren, die die Lebensdauer oder die Phasenverschiebung der Lumineszenz/Fluoreszenz messen, bestehen aus einem Luminophor oder einem Fluoreszenzfarbstoff in der Sensorkappe, einer Lichtquelle (z. B. einer LED) und einem Fotodetektor. Gepulstes oder moduliertes Licht regt den Luminophor an, dessen Lumineszenz in Gegenwart von Sauerstoff gelöscht wird; der Fotodetektor wandelt die Emission in ein elektrisches Signal um, aus dem die Phasenverschiebung oder die Lebensdauer berechnet wird — und auf dieser Grundlage die Konzentration des gelösten Sauerstoffs. Die Temperatur wirkt zweifach: auf den Löschvorgang in der Membran (das Primärsignal kompensiert ein eingebauter Temperaturfühler — moderne Messgeräte tun dies automatisch) und auf die Löslichkeit des Sauerstoffs in der Probe; einen wesentlichen Einfluss hat auch der Salzgehalt. Zur Berechnung der prozentualen Sättigung von Proben, die mit der Atmosphäre in Kontakt stehen, wird der Luftdruck benötigt (von Hand eingegeben oder aus einem eingebauten Drucksensor). Die meisten Sensoren haben eine zweite LED als internen Bezug für die Kompensation. Reagenzien (nur zur Kalibrierung): Wasser der Klasse 2 (ISO 3696), wasserfreies Natriumsulfit oder dessen Heptahydrat, ein Cobalt(II)-Salz (z. B. CoCl₂·6H₂O), Ascorbinsäure, NaOH 1 mol/l, Stickstoff 99,995 %. Apparatur: ein Messsystem aus einer Sonde (die Bauarten unterscheiden sich in der Anregungswellenlänge und im Luminophor) und einem Anzeigegerät, das mg/l und/oder % Sättigung anzeigt, ein Thermometer mit einer Skalenteilung von 0,5 °C oder feiner (meist eingebaut), ein Barometer mit einer Skalenteilung von 1 hPa (meist eingebaut). Die Messung erfolgt gewöhnlich unmittelbar im Wasser vor Ort; ist das nicht möglich — in einem gasdichten Durchflussgefäß oder unmittelbar nach der Probenahme in einer Einzelprobe (mit größerer Unsicherheit); beim Füllen des Gefäßes werden die Aufnahme oder die Entgasung von Sauerstoff möglichst gering gehalten, indem die Probe ohne Turbulenzen (laminare Strömung) überführt wird: das Gefäß wird langsam eingetaucht, aus dem Hahn führt ein Schlauch aus inertem Material bis zum Boden des Gefäßes und es werden mindestens 3 Volumina übergelaufen gelassen; es werden nur Pumpen verwendet, die das Wasser verdrängen (keine Luftpumpen). Während der Messung muss die Probe die Kappe mit ausreichender Geschwindigkeit umströmen (natürliche Strömung, Bewegung der Sonde oder ein Magnetrührer), ohne Luftblasen. Das Ergebnis in mg/l wird mit einer Dezimalstelle angegeben; die Sättigung w(O₂) = ρ(O₂)/ρ(O₂)_th × 100 wird auf eine ganze Zahl gerundet, wobei die Temperatur, der Druck und gegebenenfalls der Salzgehalt anzugeben sind (Anhang A: Tabelle Leitfähigkeit–Salzgehalt, Druck–Höhe).

Anwendungen

• Feldmessungen und kontinuierliche Überwachung des Sauerstoffs in Flüssen, Seen und Talsperren (auch Übersättigung bei Algenblüten)
• Kläranlagen — Steuerung der Belüftung von Belebungsbecken mit LDO-Sensoren
• Stark gefärbte und trübe Wässer sowie Wässer mit Stoffen, die Eisen oder Iod binden und bei denen das Winkler-Verfahren versagt
• Meerwasser und Ästuarwasser (mit Korrektur für den Salzgehalt), Trinkwasser, Prozesswässer
• Labormessungen (z. B. Sauerstoff vor und nach der BSB-Inkubation) — der Sensor verbraucht keinen Sauerstoff und ein Rühren ist nicht erforderlich

Schlüsselparameter

Norm

Normnummer

ISO 17289:2014 (EN ISO 17289:2014)

Titel (PL)

Jakość wody — Oznaczanie tlenu rozpuszczonego — Metoda z czujnikiem optycznym (tłumaczenie robocze)

Title (EN)

Water quality — Determination of dissolved oxygen — Optical sensor method

Schritt-für-Schritt-Verfahren

1. Zustand des Geräts

   Prüfe die Sensorkappe (unbeschädigt; kleine Kratzer sind gewöhnlich unschädlich) und kalibriere sie erforderlichenfalls nach der Anleitung des Herstellers; prüfe die Kalibrierung täglich und nach einer Änderung von Temperatur oder Druck bei Luftsättigung.

2. Nullpunktprüfung

   Tauche die Sonde bei Bedarf in 1 l Wasser mit mindestens 1 g Natriumsulfit (etwa 1 mg eines Co(II)-Salzes verkürzt die Zeit von etwa 20 auf 5 min) oder in etwa 110 ml alkalische Ascorbinsäurelösung (2 g der Säure + 25 ml NaOH 1 mol/l + 85 ml Wasser, langsam gerührt, 3 min vor der Verwendung; Ansprechen nach etwa 30 min) oder in reinen Stickstoff; korrigiere den Nullpunkt, wenn das Gerät es zulässt. Cobalt(II)-Salze sind giftig.

3. Kalibrierung bei Sättigung

   Kalibriere in einem geeigneten Behälter nach Herstellerangabe — einfach und wirksam in wasserdampfgesättigter Luft. Tausche die Kappe aus, wenn eine Kalibrierung unmöglich ist, die Software das Ansprechverhalten der Kappe nicht annimmt oder die Anzeige instabil oder langsam ist; die Werte lassen sich durch Winkler-Titration prüfen (ISO 5813).

4. Probenahme / Messung vor Ort

   Miss unmittelbar im Wasser. Ist das nicht möglich — in einem gasdichten Durchflussgefäß oder unmittelbar nach der Probenahme: tauche das Gefäß langsam ein; aus dem Hahn schließe einen inerten Schlauch bis zum Boden des Gefäßes an und lass mindestens 3 Volumina überlaufen; verwende nur Pumpen, die das Wasser verdrängen, fülle von unten mit Überlauf und halte die Strömung laminar.

5. Messung

   Tauche die Sonde so ein, dass die Kappe und der Temperaturfühler intensiven Kontakt mit dem Wasser haben; sorge für die Umströmung der Kappe (natürliche Strömung, Bewegung der Sonde, Rührer) ohne Blasen; prüfe die Temperatur, den Luftdruck und den Salzgehalt der Probe (bei Geräten ohne automatische Kompensation — Korrekturen nach Anhang A).

6. Ergebnis und Prüfbericht

   Gib die Konzentration in mg/l mit einer Dezimalstelle und/oder die Sättigung in % an (w(O₂) = ρ(O₂)/ρ(O₂)_th × 100, ganze Zahl), zusammen mit der Wassertemperatur, dem Luftdruck und dem Salzgehalt; vermerke den Bezug auf ISO 17289:2014, die Kennzeichnung der Probe und die Umstände, die das Ergebnis beeinflussen.

Erforderliche Geräte und Apparatur

Reagenzien, Nährmedien und Verbrauchsmaterialien

Arbeitsschutz und Sicherheit

• Lösliche Cobalt(II)-Salze sind für Menschen und Wasserorganismen giftig — vorsichtig dosieren, nicht in die Umwelt gelangen lassen
• Natriumhydroxid 1 mol/l — Schutzbrille und Handschuhe
• Stickstoff aus der Flasche — Raum lüften, Flasche sichern
• Feldmessungen über dem Wasser — Sicherung gegen Sturz und Ertrinken

Häufige Fragen