Wasseranalyse

Wasseranalysen dienen der Bestimmung chemischer, physikalischer und mikrobiologischer Parameter, die die Beschaffenheit der jeweiligen Probe beschreiben. Solche Analysen erfolgen beispielsweise bei der Bewertung von Grundwasser, Heilwasser, Quellwasser und ähnlichem. Von besonderer Bedeutung sind Wasseranalysen beim Trink- bzw. Rohwasser. Hier sind Anzahl und Umfang der Analysen in vielen Ländern gesetzlich vorgeschrieben, in Deutschland durch die Trinkwasserverordnung.

Am häufigsten wird Wasser nach Nitrat, Nitrit, Ammonium, dem pH-Wert und dem Phosphatgehalt untersucht.

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Probenahme

Die Art der Probenahme von Wasser richtet sich in der Regel nach den Anforderungen an die Probe, das heißt, dass sie von den zu bestimmenden Parametern abhängig ist. Einige von ihnen müssen noch während oder zumindest unmittelbar nach der Probenahme ermittelt werden, da die Ergebnisse im Lauf der Zeit verfälscht würden. Dazu zählen unter anderem Temperatur und pH-Wert, aber auch Geruch, Trübung und ähnliches. Bei Quellwässern dürfen aufgewühltes Sediment, aber auch an der Oberfläche schwimmende Partikel nicht in das Probengefäß gelangen. Gleichzeitig sollte es vermieden werden, den Quellwasserspiegel anzustauen oder abzusenken.

Als Gefäße dienen saubere farblose Glas- oder Polyethylenflaschen, die vor der Analyse mehrmals mit dem zu untersuchenden Wasser durchgespült werden sollen. Für den Transport werden die Flaschen mit Stopfen oder Schraubverschlüssen des gleichen Materials verschlossen. Sollen auch organische Belastungen wie beispielsweise PAKs (polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe) untersucht werden, eignen sich auch Metallgefäße, wobei chemische Reaktionen zwischen Flasche und Wasserprobe auszuschließen sind.

Die Analyse der Probe beginnt erst, wenn das Wasser nicht mehr von äußeren Einflüssen beeinträchtigt wird, also als repräsentativ für den zu untersuchenden Wasserkörper angesehen werden kann. Im Allgemeinen ist dieser Zustand erreicht, wenn die elektrische Leitfähigkeit konstant ist.

Feldanalyse

Vor Ort werden organoleptische sowie physikochemische Parameter bestimmt. Zur Organoleptik zählen Geruch, Färbung, Trübung, Bodensatz und bei Proben mit Trinkwasserqualität der Geschmack. Die physikochemischen Parameter Wassertemperatur, elektrische Leitfähigkeit, pH-Wert, Sauerstoffgehalt und Redoxpotential können nur insitu korrekt gemessen werden, da sie nicht nur von den Inhaltsstoffen der Probe, sondern auch von der Umgebung abhängen. Wenn es also irgend möglich ist, sollten diese Werte im Durchfluss ermittelt werden. Neben diesen Parametern muss auch die Bestimmung von Hydrogenkarbonat und Kohlensäuregehalt sofort nach der Probenahme erfolgen.

Wassertemperatur, elektrische Leitfähigkeit und pH-Wert

Diese drei Parameter werden beispielsweise mit Hilfe eines Multiliners ermittelt. Dazu werden an dem Gerät die entsprechenden Messfühler angebracht und vor der Messung gegebenenfalls kalibriert.

Die elektrische oder spezifische Leitfähigkeit gibt an, wieviel Strom in einer Lösung durch Anionen und Kationen transportiert wird, ist also ein Maß für die im Wasser gelösten Ionen. Die Messung erfolgt mittels einer Leitfähigkeitsmesszelle. Als Faustformel kann man sagen, dass 1mS/cm in etwa 1g/l Lösungsinhaltsstoffen entspricht. Sind allerdings hauptsächlich zweiwertige und mehrwertige Ionen gelöst, steigt die Leitfähigkeit bei gleicher Masse an Lösungsinhaltsstoffen.

Der pH-Wert ist definiert als der negative dekadische Logarithmus der Konzentration von H⁺-Ionen und ist ein Maß für den sauren oder alkalischen Charakter von Lösungen. Wird der pH-Wert elektrometrisch bestimmt, heißt das, dass mittels einer Einstabmesskette eines Digital-pH-Meters eine Potentialdifferenz gemessen und daraus automatisch der pH-Wert berechnet wird. Vor der Messung muss das Gerät mittels Pufferlösungen definierter pH-Werte (4, 7 und 9) kalibriert werden.

Analytik von HCO₃⁻

Zur Bestimmung des Hydrogencarbonats muss zunächst die Säurekapazität ermittelt werden. Die Säurekapazität wird als Verhältnis der Stoffmenge an Hydroniumionen n (H₃O⁺), die eine entsprechende Menge Wasser bis zum Erreichen eines bestimmten pH-Werts aufnehmen kann, zu deren Volumen V (H₂O) definiert. Als Einheit wird abweichend von der SI-Einheit [mol/m³] üblicherweise [mmol/l] gewählt.

Zur Bestimmung des KS_4,3 wird Salzsäure der Konzentration 0,1 mol/l in ein bestimmtes Probenvolumen titriert, nachdem dieses mit wenigen Tropfen Cooper-Indikator versetzt wurde. Der Farbumschlag von stahlblau nach zwiebelschalenfarbig tritt beim Erreichen des geforderten pH-Werts von 4,3 ein.

Die Berechnung der Säurekapazität erfolgt nach der Formel

KS_4,3 [mmol/l] = V · c · 1000/ml Probenvolumen.

Aus der Menge der titrierten Salzsäure wird im Anschluss die Konzentration von Hydrogencarbonat nach der Formel

HCO₃⁻ [mg/l] = V · c · 61,017 · 1000 / ml Probenvolumen

berechnet. Wobei 61,017 die Molare Masse von Hydrogencarbonat (HCO₃⁻) ist.

Bei beiden Formeln gibt V · c das Produkt aus dem Volumen der titrierten Salzsäure und deren Konzentration an.

Analytik von CO₂

Die Bestimmung der gesamten freien Kohlensäure einer Wasserprobe erfolgt durch Titration bis zu einem pH-Wert von 8,2[K_B8.2], der durch einen Farbumschlag von rosa nach farblos sichtbar wird. An diesem Punkt ist die Kohlensäure entsprechend dem Kalk-Kohlesäure-Gleichgewicht völlig in Hydrogenkarbonat (HCO₃⁻) übergeführt.

Bei der Durchführung der Analyse ist es sinnvoll, Natronlauge (NaOH, 0,1 N) in der mit Phenolphthalein versetzten Probe vorzulegen und anschließend eine Rücktitration mit Salzsäure (HCl, 0,1 N) vorzunehmen. Anderenfalls entgast die Kohlensäure beim Schütteln während der Titration und damit ist das Ergebnis verfälscht.

Aus der Differenz der vorgelegten Natronlauge und der titrierten Salzsäure ergibt sich der tatsächliche Verbrauch an Lauge. Aus diesem Wert kann anschließend der Gehalt an CO₂ berechnet werden.