Projekt 12964/01

Messung der Grundwasserbelastung mit einem EWALD-Sensor

Projektdurchführung

Fraunhofer-Institut für Physikalische Meßtechnik (IPM)
Heidenhofstr. 8
79110 Freiburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Vorhaben soll erstmals die Feldtauglichkeit eines neuen Verfahrens (EWALD-Meßprinzip) zur Messung der Belastung von Grundwasser durch Kohlenwasserstoffe nachweisen. Das Messverfahren arbeitet spektroskopisch im mittleren Infrarot und ist hoch empfindlich und vor allem selektiv. Es handelt sich dabei um die Nutzung des Evaneszentfeldes einer geführten Lichtwelle im infraroten Wellenlängenbereich. Bei dieser Technik wird mit einer beschichteten Infrarotfaser in-situ das Grundwasser analysiert. Das Verfahren wurde bis zur Laborreife entwickelt und soll jetzt erstmals unter realen Bedingungen im Feld getestet werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Arbeiten sind für ein Jahr geplant. In der ersten Phase (Dauer fünf Monate) wird der Sensorkopf konzipiert und gebaut. Die Beschichtung der zugehörigen Sensorfaser wird verbessert und optimiert. Anschließend wird die Messapparatur im Labor getestet und ein Kalibrierverfahren erarbeitet. Proben aus dem Untersuchungsgebiet werden von dem tschechischen Partner zur Verfügung gestellt und im Labor vermessen. Zur Validierung des Verfahrens wird ein Mitarbeiter des tschechischen Partners im IPM vor Ort sein, um erste Erfahrungen mit der Messmethode zu gewinnen.
Die Feldmessungen sind in zwei Kampagnen aufgeteilt und werden gemeinsam mit dem tschechischen Partner durchgeführt. Die erste ist mit einem Monat Dauer veranschlagt. In dieser Zeit werden mehrere Messungen durchgeführt und parallel im Labor mit analytischen Methoden validiert. Ziel der ersten Messkampagne ist nicht der Erhalt von exakten Messdaten, sondern die Erprobung des Verfahrens.
In der dritten Phase werden die Ergebnisse der ersten Feldmessung analysiert. Daraus abgeleitet werden erwartungsgemäß kleinere Änderungen an der Messapparatur. Danach findet die zweite Messkampagne mit detaillierten Analysen statt.
In der anschließenden vierten Phase werden routineartige Feldmessungen durchgeführt. Für Vorbereitung und Durchführung werden zwei Wochen vorgesehen. Abschließend werden die Ergebnisse zusammengestellt, ausgewertet und bewertet.


Ergebnisse und Diskussion

Die Arbeiten und Untersuchungen im Rahmen dieses Projektes haben gezeigt, dass sich das Ewald-Messprinzip im Grundsatz für Feldmessungen einsetzen lässt. Es wird festgestellt, dass die Tatsache die Laserlichtquelle und evtl. den MCT-Detektor mit flüssig Stickstoff kühlen zu müssen, auch im Feld hand-habbar ist. Im Falle des Detektors kann man sich für einen Pyrodetektor entscheiden, der nicht gekühlt werden muss, zumal sich das Signal-Rausch-Verhältnis noch verbessern lässt. Weiterhin hat die Ent-wicklung des Sensorkopfes gezeigt, dass die Sensorfaser robust und sicher untergebracht werden kann und nicht als kritische Komponente gesehen werden muss. Die Verbindung der Sensorfaser mit den Zu- und Ableitungsfaserkabeln lässt sich sicher bewerkstelligen. Die verwendeten Multimodefaserkabel weisen Transmissionsverluste von 0.4 dB/m auf. Für Übertragungslängen von 10 bis 15 m, wie sie für Grundwassermessstellen üblich sind, ergeben sich somit Lichtdämpfungen allein auf der Strecke von 4 bis 6 dB. Bei der Verwendung von Bleisalzlasern als Lichtquelle ist dies noch kein k.o.-Kriterium, aller-dings ist auf der gesamten Messstrecke noch der Verlust an den Koppelstellen zu berücksichtigen, so dass man an die Grenze der benötigten Lichtintensität für den Nachweis gelangt.
Die Wasserdichtheit der Faserstecker und Kupplungen ist gut und stellen nicht das Problem dar. Der optische Aufbau ist stabil und robust. Das gesamte Meßsystem musste nach Transport und Messeinsatz nicht nachjustiert werden.
Der kritischste Punkt ist die nicht Verfügbarkeit monomodiger Zuleitungsfaserkabel die es erst ermöglichen würden, den notwendigen Empfindlichkeitsbereich zu erreichen der für Grundwasseruntersuchungen Voraussetzung ist und das vorhandene Potential ausschöpft. Verschiedene Forschergruppen arbeiten derzeit an diesem Problem, kurzfristig ist jedoch eine Lösung noch nicht in Sicht. Vielversprechender für die Nutzung der Evanezentfeldmethode ist die Kombination der Sensorfaser direkt mit einem Minia-turspektrometer. Ein solches Meßsystem wurde am IPM entwickelt und in Absprache mit der DBU auf einer Messkampagne getestet (siehe Kapitel Messkampagne). Dieses Meßsystem hat das Potential gelöste Stoffe im Wasser bis in den ppb-Bereich zu detektieren. Dies wurde in neueren Messungen an chlorierten Kohlenwasserstoffen bei IPM nachgewiesen. Ein weiterer, nicht gering einzuschätzender Vorteil ist der Erhalt eines Spektrums über einen größeren Wellenlängenbereich. Dies erlaubt den Nachweis mehrerer Stoffe gleichzeitig und eine Spektrenauswertung mittels multivariater Rechenmethoden. Ein solches Paket integriert ergibt ein Meßsystem, das bei der Sondierung kontaminierter Flächen einen wertvollen Beitrag liefern kann und die Messtechnik in diesem Bereich einen Schritt voranbringt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Zu dem Bereich Wasseranalytik hat IPM im Rahmen der Öffentlichkeitsarbeit vielfältige Maßnahmen durchgeführt, die auf den Arbeiten dieses Projektes beruhen, beeinflusst oder tangiert sind. So erschienen im Rahmen von Veröffentlichungen und Bekanntmachungen in Fachzeitschriften folgende Beiträge:
- GIT-Verlag 6/2002, Infrarot-Fasermesstechnik - Perspektiven für die Kohlenwasserstoffdetektion
- Europäischer Wirtschaftsdienst Wasser und Abwasser Nr. 12, S. 18 (11.06.02)
- Fraunhofer Mediendienst 6 - 2002, Onlineüberwachung von SickerwasserDas Meßsystem wurde außerdem auf den Messen INTERKAMA 2001 und IFAT 2002, München präsentiert.
Die Arbeiten zu diesem Projekt wurden als Posterbeitrag auf der Field Screening Europe 2001, Karlsruhe, Monitoring of Ground Water with an EWALD-Sensor vorgetragen und auf der Europtrode 2001, Mini Spectrometer with Silver Halide Sensor Fiber for In-Situ Detection of Chlorinated Hydrocarbons.