Viele Wasseraufbereitungsanlagen verwenden Online-Instrumente zur Messung von UV254 oder Farbe, um organische Stoffe im Rohwasser zum Zweck der Gerinnungskontrolle zu quantifizieren. Diese bieten eine Technik, mit deren Hilfe die Auswirkung der
Trübung auf die
UV254- oder
Farbmessung eliminiert wird. Ohne diese Funktion würden die UV254- und Farbmesswerte immer die Absorption der organischen Stoffe im Rohwasser und den Lichtverlust aufgrund der Brechung durch Partikel widerspiegeln, der als Trübung wahrgenommen würde. Diese beiden Effekte, Absorption und Brechung, können nicht durch die Messung einer einzigen Wellenlänge getrennt werden. Eine Kompensationsmessung der Trübung ist somit immer erforderlich.
Für eine genaue Messung von organischen Stoffen im Rohwasser muss ein robuster Mechanismus zur Trübungskompensation verwendet werden.
Herkömmliche Ansätze zur Trübungskompensation
Die meisten Online-Instrumente für die Gerinnungskontrolle in Rohwasser messen die Absorption des Wassers auf zwei Wellenlängen: der relevanten Wellenlänge (254 nm für UV254 und üblicherweise 400 nm für Farbe) und einer Referenzwellenlänge zur Bestimmung der Trübung. Häufig erfolgt diese Referenzmessung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums (z. B. bei 550 nm). Die Software im Messinstrument korrigiert dann die gemessene Absorption um die bei der Referenzwellenlänge gemessenen Trübung. Je stärker die Trübung im Wasser ist, desto größer fällt diese Korrektur aus.
Dieser Ansatz ist jedoch nicht perfekt, da die Trübung nicht alle Wellenlängen gleichermaßen beeinflusst. Es ist allgemein bekannt, dass die Wellenlänge für die Messung der Trübung wichtig ist und dass verschiedene Wellenlängen unterschiedliche Ergebnisse für die Trübung liefern. Wird beispielsweise eine höhere Wellenlänge verwendet (wie die bei der ISO7027-Standardmethode für die Trübung verwendete Wellenlänge kurz vor dem Infrarotbereich), besteht die Gefahr, dass kleinere Partikel übersehen werden.
Bei der Absorption gilt das gleiche Prinzip: Je kürzer die für die Messung verwendete Wellenlänge ist, desto stärker beeinflusst die Trübung die Absorption. Wenn es um die Online-Messung von UV254 und Farbe geht, muss der Gerätehersteller entscheiden, wie er seine Referenzmessung zur Trübungskompensation auf die Messwellenlänge selbst anwenden will.
Sollte er davon ausgehen, dass der bei der Referenzmessung erfasste Absorptionswert einfach von dem der ursprünglichen Messung abzuziehen ist? Oder sollte er einen Faktor anwenden, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass die Absorption bei einer geringeren Messwellenlänge aufgrund der Trübung anders ausfallen kann als bei der Referenzmessung?
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Die Auswirkung verschiedener Trübungsgrade auf verschiedene Wellenlängen. Oben sehen Sie das Absorptionsspektrum verschiedener Trübungsstandards. Es ist klar, dass die Trübung nicht alle Wellenlängen gleichermaßen beeinflusst. In der Probe sind keine anderen absorbierenden Spezies vorhanden..
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Diese Diagramme zeigen, dass ein einfacher Subtraktionsansatz zur Trübungskompensation, wie er in DIN 38404-32 empfohlen wird, nicht ausreicht. Bei 10 NTU zum Beispiel beträgt die Absorption bei 254 nm 18,4 Abs/m, bei 550 nm jedoch nur 1,29 Abs/m. Daher müssen die Hersteller bei der Bestimmung der Auswirkungen der Trübung bei der Messwellenlänge etwas komplexer vorgehen. Anhand der obigen Daten könnte man argumentieren, dass man den richtigen Faktor für die Messwellenlänge ermitteln kann, indem man die Referenzmessung einfach mit 15 multipliziert.
Bei höheren Trübungsgraden erweist sich dieser vermeintliche Zusammenhang jedoch als Schein-Korrelation.
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Bei 100 NTU liegt die Absorption bei der Messwellenlänge (254 nm) bei etwa 80 Abs/m, bei der Referenzmessung (550 nm) jedoch bei 7,3 Abs/m. Der Kompensationsfaktor ist zurückgegangen und die Verwendung unseres Korrekturfaktors x15 wäre jetzt nicht mehr genau, x10 wäre angebrachter.
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In echten Rohwasserproben wird die Beziehung durch die vielfältige Streuung von Partikeln unterschiedlicher Größe und Form noch komplizierter.
Alternativer Ansatz zur Trübungskompensation
Der alternative Ansatz zur Verwendung eines Mechanismus zur Trübungskompensation bei einer einzigen Wellenlänge besteht darin, die gesamte Absorption des UV-Vis-Spektrums zu verwenden und einen Algorithmus auf dieses Spektrum anzuwenden, um dessen Beitrag zur Trübung abzubilden. Das ermöglicht die Erzeugung eines trübungskompensierten Spektrums, aus dem mehrere trübungskompensierte Parameter gleichzeitig definiert werden können.
Bei dieser Methode wird eine mathematische Gleichung verwendet, die die Beziehung zwischen der durch die Trübung verursachten Streuung und der Wellenlänge als Funktion des Partikeldurchmessers beschreibt. Dieser erstmals 1908 von Gustav Mie beschriebene Effekt ist als Mie-Streuung bekannt. Praktische Auswirkungen dieses Effekts auf die Messung der Trübung wurden 1998 von Huber und Frost veröffentlicht. Dazu gehört auch die bekannte, durch Schwebstoffe verursachte Spektralform, die sowohl von der Wellenlänge als auch vom Partikeldurchmesser selbst abhängt.
Bei verschiedenen Anwendungen gibt es in der Regel unterschiedliche Partikeltypen und Größenverteilungen, sodass für verschiedene Anwendungen unterschiedliche Algorithmen erforderlich sind. Mit diesem Ansatz lassen sich genauere Messwerte für Parameter wie UV254 (Filtration nach der Probe) und Echtfarbe erzielen.
Die Spektrometersonde s::can spectro::lyser V3, die ursprünglich für die Fernüberwachung von Oberflächengewässern entwickelt wurde, war der weltweit erste vollständig tauchbare Zweistrahl-Online-UV-Vis-Spektrophotometer-Sensor. Der Sensor, der weltweit in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wird, kann alles im Wasser messen, was sich durch UV- oder sichtbare Spektroskopie bestimmen lässt, einschließlich Nitrat, organische Stoffe (gelöster organischer Kohlenstoff und gesamter organischer Kohlenstoff), Farbe und mehr. Die Sensorplattform verwendet zur Trübungskompensation einen Mechanismus mit mehreren Wellenlängen anstelle einer Kompensation mit nur einer Wellenlänge. Dieser Mechanismus gilt für alle s::can Sensoren, die die spectro::lyser Plattform nutzen, einschließlich nitro::lyser V3 (Nitratmessung), uv::lyser V3 (UV-Wellenlängenmessung) und carbo::lyser V3 (Messung organischer Stoffe).
Erfolgreiche UV254-Überwachung in der Praxis
In einer Wasseraufbereitungsanlage, in der ein spectro::lyser V3 das Rohwasser auf mehrere Parameter überwacht, wurde auch ein Online-UV254-Instrument eingesetzt, das die Trübungskompensation mit nur einer Wellenlänge berechnet.
Bei geringer Trübung (<10 NTU) korrelieren die beiden UV254-Messungen. Einzige Ausnahme ist, wenn das Instrument X scheinbar vom Messwert des spectro::lyser abweicht und erneut kalibriert werden muss. Dies zeigt sich an den sprunghaften Veränderungen im Trend des Instruments X.
Wenn die Trübung auf mehr als 10 NTU ansteigt, zeigt das Gerät X in der Regel höhere Werte an als der UV254-Wert des spectro::lyser. Das liegt an dem im Instrument X verwendeten Mechanismus zur Trübungskompensation. Bei jeder Trübungsspitze zeigt das Instrument X einen höheren UV254-Wert an als der spectro::lyser, und je höher die Trübungsspitze, desto größer ist auch der Unterschied zwischen beiden Messungen. Bei geringer Trübung stimmen die beiden Instrumente überein.
Die Genauigkeit des spectro::lyser und des Ansatzes zur Trübungskompensation bei der Messung von UV254 wurde durch den Vergleich der Ergebnisse mit der Labormethode überprüft. Die Laborprobe wurde durch einen 0,45-Mikron-Filter gefiltert, um Trübungen zu entfernen, bevor sie mit einem UV-Spektrophotometer bei 254 nm gemessen wurde. Der Korrelationswert R2 zwischen den beiden Methoden über mehrere Proben, die über einen bestimmten Zeitraum genommen wurden, betrug 0,9896.
Die oben beschriebene Technik zur Kompensation von Feststoffen hat sich auch bei der Überwachung von Rohwasser bewährt, um genaue Farbmesswerte zu erhalten, selbst bei Trübungswerten von über 100 NTU.
Abschließende Überlegungen
Wenn Sie sich für ein UV254- oder Farbmessgerät zur Gerinnungskontrolle entscheiden, ist es wichtig, die Genauigkeit der Messwerte während eines Trübungsereignisses zu berücksichtigen. Die Kalibrierung eines UV254-Sensors mit Standardlösungen wie Kaliumhydrogenphthalat liefert während eines Trübungsereignisses keine genauen Ergebnisse. Überschätzt man den UV254-Wert, kann das zu einer Überdosierung des Gerinnungsmittels führen. Unterschätzt man ihn, steigt das Risiko der Bildung von Desinfektionsnebenprodukten. Bei großen Trübungsereignissen wird sich das zwar kaum auf den durch die erhöhte Trübung bedingten verstärkten Gerinnungsmittelbedarf auswirken. Überschätzt man aber kontinuierlich den UV254-Wert, selbst bei relativ geringen Trübungsanstiegen, lässt das in jedem Fall die Kosten für Chemikalien steigen.
Bei der Auswahl eines UV254- oder Farbmonitors sollten Sie sich vorab über die vom Gerät verwendete Methode zur Trübungskompensation informieren und sicherstellen, dass diese präzise Ergebnisse liefert, wenn es darauf ankommt.
