⚗️ Calcium und Magnesium im Wasser
Bestimmung von Calcium und Magnesium im Wasser durch Flammen-Atomabsorptionsspektrometrie (FAAS) bei Wellenlängen 422,7 nm (Ca) und 285,2 nm (Mg).
Übersicht
Calcium und Magnesium sind die Hauptkationen, die für die Wasserhärte verantwortlich sind. Ihre Bestimmung ist entscheidend für die Beurteilung der Trinkwasserqualität, die Mineralisierung von Grund- und Oberflächenwasser und die Kontrolle von Aufbereitungsprozessen. Calcium ist wichtig für die Knochen- und Zahngesundheit, und Magnesium ist an über 300 enzymatischen Prozessen im Körper beteiligt.
Die Norm PN-EN ISO 7980 beschreibt eine Flammen-Atomabsorptionsspektrometrie (FAAS)-Methode zur Bestimmung von Calcium (bis zu 50 mg/L) und Magnesium (bis zu 5 mg/L) in Roh- und Trinkwasser. Die Methode ist selektiv, genau und schnell – sie ermöglicht die getrennte Bestimmung jedes Elements, was ein Vorteil gegenüber der komplexometrischen Methode (EDTA) ist.
Calcium und Magnesium sind fakultative Parameter im Trinkwassermonitoring. Empfohlene Konzentrationen im Trinkwasser: Ca 30–80 mg/L, Mg 10–30 mg/L. Sie sind entscheidend für die Berechnung des Langelier-Index (Wasserstabilität) und des Calcium-Carbonat-Gleichgewichts.
Prinzip der Methode
Bei der FAAS-Methode wird die Wasserprobe durch einen Zerstäuber (Nebulizer) angesaugt, der ein Aerosol erzeugt. Das Aerosol wird in eine Acetylen-Luft-Flamme (~2300°C) eingeführt, wo Atomisierung stattfindet – chemische Verbindungen zerfallen in freie Elementatome. Ein Lichtstrahl aus einer Hohlkathodenlampe (HCL) mit entsprechender Wellenlänge passiert die Flamme. Freie Ca- oder Mg-Atome absorbieren Strahlung bei 422,7 nm (Ca) bzw. 285,2 nm (Mg). Die Absorption ist proportional zur Elementkonzentration in der Probe (Lambert-Beer-Gesetz). Zur Eliminierung von Phosphat-Interferenzen wird Lanthanchlorid (LaCl₃) zugegeben.
Anwendungen
- Trinkwasserqualitätskontrolle (Ca, Mg – fakultative Parameter)
- Berechnung der Wasserhärte (Ca²⁺ + Mg²⁺) und des Langelier-Index
- Mineral- und Heilwassermonitoring
- Wasserkontrolle in Industrieanlagen und Kesseln
- Grundwasseruntersuchung – Mineralisierung
- Oberflächen- und Abwassermonitoring
Schlüsselparameter
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Bereich – Calcium | 0,1–50 mg/L Ca (ohne Verdünnung) |
| Bereich – Magnesium | 0,01–5 mg/L Mg (ohne Verdünnung) |
| Wellenlänge – Ca | 422,7 nm |
| Wellenlänge – Mg | 285,2 nm |
| Flamme | Acetylen–Luft (oxidierend) |
| Analysezeit | 10–15 Sekunden pro Ablesung |
Norm
- Normnummer
- PN-EN ISO 7980:2002
- Titel (PL)
- Jakość wody — Oznaczanie wapnia i magnezu — Metoda atomowej spektrometrii absorpcyjnej
- Title (EN)
- Water quality — Determination of calcium and magnesium — Atomic absorption spectrometric method
Schritt-für-Schritt-Verfahren
1. AAS-Start
Spektrometer, Luftkompressor einschalten, Acetylen öffnen. HCL-Lampe installieren (Ca 422,7 nm). Flamme zünden und Parameter einstellen (Kraftstoff/Oxidator-Verhältnis, Brennerhöhe).
2. Standardvorbereitung – Calcium
Aus 1000 mg/L Ca-Standardlösung Serie vorbereiten: 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 50 mg/L in HNO₃ 1%. Zu jedem Kolben LaCl₃ zugeben (Endkonzentration 0,5% La).
3. Probenvorbereitung
Proben mit HNO₃ auf pH <2 ansäuern. LaCl₃ zugeben (0,5% La). Verdünnen, wenn Konzentration linearen Bereich überschreitet.
4. Kalibrierung und Ca-Messung
Aufeinanderfolgende Standards ansaugen – Absorption aufzeichnen. Kalibrierkurve erstellen. Dann Proben messen. Jede Ablesung 3× wiederholen, Mittelwert angeben.
5. Lampenwechsel auf Mg
Flamme ausschalten. HCL-Lampe auf Magnesium (285,2 nm) wechseln. Flamme erneut zünden und optimieren.
6. Kalibrierung und Mg-Messung
Mg-Standards (0,02–5 mg/L) mit LaCl₃ vorbereiten. Kalibrierung und Messung analog zu Ca. Hinweis: Linearer Mg-Bereich ist schmaler.
7. Qualitätskontrolle
Blindwert (HNO₃ 1% + LaCl₃), CRM alle 10 Proben, Duplikate, gespickte Probe. Wiederfindung 90–110%. Korrelationskoeffizient r² > 0,999.
8. Geräteabschaltung
Deionisiertes Wasser ansaugen (Zerstäuberspülung). Flamme löschen (Acetylen schließen, dann Luft). AAS ausschalten.
Erforderliche Geräte und Apparatur
| Gerät | Beispiel | Richtpreis |
|---|---|---|
| Atomabsorptionsspektrometer (AAS) mit Flammenatomisierung | Shimadzu AA-7800, Agilent 240FS AA, Thermo iCE 3500, Analytik Jena novAA 800 | 100.000–300.000 PLN |
| Hohlkathodenlampen (HCL) – Ca und Mg | Agilent, Photron, S&J Juniper (eine Lampe pro Element) | 500–2.000 PLN/Stück |
| Ölfreier Luftkompressor | Jun-Air, Werther, 6–8 bar, Trockner | 5.000–15.000 PLN |
| Acetylen-Zylinder (gelöst) | 40-L-Zylinder, Betriebsdruck 0,6–1,0 bar | 200–500 PLN (Austausch) |
| Automatische Pipetten (100 µL – 10 mL) | Eppendorf Research Plus, Brand Transferpette S | 800–2.500 PLN |
| Messkolben (50, 100, 250 mL) | Klasse A, Borosilikat | 30–100 PLN/Stück |
Reagenzien, Nährmedien und Verbrauchsmaterialien
| Reagenz | CAS | Details |
|---|---|---|
| Lanthanchlorid-Lösung (LaCl₃) 10% (w/v) | 10099-58-8 | Phosphat-Interferenz-Suppressor. 58,6 g La₂O₃ in 250 mL konz. HCl auflösen (vorsichtig!), auf 500 mL verdünnen. Zu Proben und Standards zugeben (Endkonzentration 0,5–1% La). |
| Calcium-Standardlösung 1000 mg/L Ca | 10043-52-4 | Zertifiziertes CRM (z. B. Merck Certipur, Fluka TraceCERT). Kalibrierserie: 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 50 mg/L Ca. |
| Magnesium-Standardlösung 1000 mg/L Mg | 7791-18-6 | Zertifiziertes CRM. Kalibrierserie: 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1; 2; 5 mg/L Mg. |
| Salpetersäure (HNO₃) 1% (v/v) | 7697-37-2 | Zum Ansäuern von Proben und zur Herstellung von Standards. Suprapur / TraceSelect-Reinheit. |
| Acetylen (C₂H₂) – Brenngas | 74-86-2 | In Aceton gelöst, Druckflasche. Zur AAS-Brennerversorgung. |
| Deionisiertes Wasser | — | Reinstwasser, frei von Ca und Mg. Leitfähigkeit <0,1 mS/m. |
Arbeitsschutz und Sicherheit
- Acetylen – hochentzündliches und explosives Gas (H220). Dichtheit der Verbindungen prüfen. Nicht dem Feuer nähern.
- Konzentrierte HNO₃ – stark ätzend und oxidierend (H272, H314). Unter Abzug arbeiten.
- Konzentrierte HCl (zur LaCl₃-Herstellung) – ätzend, reizende Dämpfe (H314, H335). Abzug.
- La₂O₃ – reizend (H315, H319). Handschuhe verwenden.
- AAS-Flamme (~2300°C) – Verbrennungsgefahr. Nicht über Brenner beugen.
- Acetylen-Zylinder – gegen Umkippen sichern. Nicht erhitzen. Vertikal lagern.
- Schutzbrille, Handschuhe und Laborkittel erforderlich.