Projekt 01130/01

Erfassung organischer Wasserinhaltsstoffe durch elektrochemische Oxidation an Metalloxidelektroden (elektrochemische CSB-Bestimmung)

Projektdurchführung

LAR Laser and Analytik & Umwelt Messtechnik GmbH
Tempelhofer Ufer 23 - 24
10963 Berlin

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der Chemische Sauerstoffbedarf (CSB) ist einer der wichtigsten Parameter der Abwassertechnik, da er erlaubt, die Belastung eines Wassers mit organischen Stoffen summarisch zu beschreiben. Der CSB kennzeichnet dabei weniger die einzelnen Inhaltsstoffe des Wassers; vielmehr beschreibt er den Aufwand - eben den Sauerstoffbedarf - der zum Abbau der Stoffe erforderlich ist. Aufgrund dieses universellen Ansatzes hat sich der CSB als ein Leitparameter zur Wasseranalytik in der Umwelttechnik und Abwassertechnik ganz allgemein durchgesetzt.

Das durchgeführten F+E- Vorhaben befaßt sich damit, eine neuartige, elektrochemische Methode der CSB- Messung zur Anwendungsreife zu bringen. Die Reaktion wird über an einer Anode elektrochemisch zu entwickelnde Oxidantien vermittelt, deren Bildung über den Anodenstrom kontrolliert werden kann.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Projekt waren die folgenden Arbeitspakete zu bearbeiten:

* Beschreibung der anzuwendenden Meßmethode und Festlegung der meßtechnischen und chemischen Randbedingungen (z.B. Art und Konzentration des Elektrolyten, Temperatur).

* Festlegung einer geeigneten Metalloxidanode und Definition sowie Optimierung der Herstellungsvorschrift für diese Elektroden.

* Durchführung von Stofftests und Untersuchung industrieller Abwässer.

* Erweiterung der Applikationsbandbreite durch Variation des Elektrodenpotentials und cyclovoltammetrische Messung.


Ergebnisse und Diskussion

Ein wesentliches Ziel des Projekts war es, zuverlässige Elektroden mit stabilen Eigenschaften herzustellen. Hier wurde im Rahmen eines externen Auftrags mit der DW Chem-Tech, Herrn Prof. D. Wabner in Garching eng kooperiert. Herr Prof. Wabner ist ein anerkannter Experte für das Fachgebiet der Hydro-xyl-Radikal-Chemie und die Zusammenarbeit mit ihm war für das Vorhaben von allergrößtem Wert.

Basierend auf den Ergebnissen der DW Chem-Tech wurde in umfangreichen Versuchsreihen ein Herstellungsprozeß entwickelt, mit dem Bleidioxidanoden erhalten werden, die eine Lebensdauer von 10 - 20 Monaten haben, mechanisch sehr stabil sind, eine sehr hohe Sauerstoffüberspannung aufweisen (also bis zu hohen Potentialen kein Sauerstoffgas entwickeln) und auch in ihren sonstigen Eigenschaften sehr gleichartig sind. Der im Arbeitspaket Elektrodenherstellung entwickelte Prozeß führt zu Bleidioxidelektroden, die langfristig stabile Eigenschaften haben und praxistauglich sind. Damit ist die entscheidende Grundlage für die weiteren Arbeitsschritte des Projekts gelegt

Parallel zur Auswahl bzw. Entwicklung von Metalloxidelektroden mit besonders hohem OH- Radikalbildungsvermögen wurden die chemischen Parameter, mit denen der Meßprozeß abläuft, untersucht und optimiert. Dabei wurde sowohl mit Einzelsubstanzen als auch mit tatsächliche Abwässern verschiedenster Herkunft gearbeitet.

Die Ausrichtung des Entwicklungsprojekts elektrochemische CSB- Messung erfolgte von vornherein anwendungsbezogen. Aus diesem Gesichtspunkt heraus resultierten enge Kontakte mit verschiedenen Kläranlagen kommunaler und industrieller Art. Insgesamt wurden im Rahmen des Projekts über 50 verschiedene Abwässer untersucht, die aus so unterschiedlichen Bereichen wie Petrochemie, Papierindustrie, Lebensmittelindustrie und anorganischer Farbstoffproduktion für Betondachsteine stammten. Neben diesen industriellen Abwässern wurden auch die unterschiedlichsten Proben aus kommunalen Klärwerken untersucht. Neben dem Rohabwasser liegen Meßergebnisse vor zu Abwasser aus der Schlammentwässereung, der Vorklärung sowie dem Kläranlagenablauf, wo die elektrochemische Messung aufgrund ihrer hohen Meßempfindlichkeit sich als sehr gut geeignet erwies.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Meßmethode findet wegen ihrer vielen Vorzüge auf den internationalen Fachmessen (vorgestellt 1995 auf der ENVITEC in Düsseldorf und 1996 auf der IFAT in München) großes Interesse. Bei diesen Gelegenheiten wurde und wird auf die finanzielle Förderung der DBU zur anwendungsreifen Entwicklung des Meßverfahrens hingewiesen.


Fazit

Betrachtet man die anfänglichen Zielsetzungen, so ist klar erkennbar, daß die Entwicklung einer anwendungsreifen Methode zur elektrochemischen Messung des gelungen ist:

* Das Verfahren bzw. das mit ihm arbeitende Meßgerät ist ein umwelt- und gesundheitsfreundliches Produkt, da es ganz erheblich zum Arbeitsschutz beiträgt und die Umwelt von Sondermüll entlastet, der bei der bislang üblichen CSB-Analytik in großen Mengen anfällt.

* In der Anwendung ist die Methode völlig ungefährlich, denn als einziges Reagens wird ein Meßelektrolyt verwendet, der 1,4 g/l Natriumsulfat enthält.

* Das Verfahren genügt auch den Anforderungen nach einem umweltschonenden Rohstoff- und Energieeinsatz. Die maximale Leistungsaufnahme eines elektrochemischen CSB-Meßgeräts liegt bei 40 Watt, die durchschnittliche Leistungsaufnahme bei nur 10 Watt. Bedenkt man, daß bei der herkömmlichen Analytik ein Kochen des Meßansatzes über 2 Stunden erforderlich ist, so kann man leicht berechnen, daß der Energieaufwand pro Analyse bei dem elektrochemischen Meßverfahren unter einem Tausendstel des bislang Üblichen liegt.

* Ein weiteres Ziel findet darin Berücksichtigung, daß das elektrochemische Meßverfahren zur Schnellanalytik im Umweltschutz geeignet ist. Eine Messung dauert eine Minute; rechnet man die Meßvorbereitungen mit ein, liegt der Zeitaufwand bei unter 10 Minuten. Auch unter dem Aspekt des geringen Energiebedarfs ist die Methode daher zur kontinuierlichen Messung auf Kläranalgen oder anderen Bereichen der Umweltmeßtechnik in hohem Maße geeignet.

Die elektrochemische CSB- Messung hat sich mittlerweile in vielen Bereichen der Abwassermeßtechnik und industriellen Prozeßsteuerung als gut geeignet erwiesen.