Projekt 38375/01

Entwicklung einer strömungsunabhängigen elektrochemischen Handmessung für die Desinfektionsmittelanalyse

Projektdurchführung

Zielsetzung

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Handmessgeräts auf Mikroelektrodenarray-Basis zur strömungsunabhängigen Bestimmung des Desinfektionsmittelgehalts in Wasser.
Um der biologischen Kontamination von Nutzwasser (z. B. in Schwimmbädern und Kühlkreisläufen) entgegenzuwirken, werden Desinfektionsmittel auf Chlorbasis verwendet. Zur Gewährleistung der Desinfektionswirkung, wird der Gehalt an Desinfektionsmitteln gemessen. Zur flächendeckenden Überwachung des aquatischen Systems kommen neben festinstallierten online-Messungen vielfach ortsungebundene Handmessungen zum Einsatz. Diese sind derzeit kosten- und zeitaufwändig und produzieren unverhältnismäßig große Mengen an Abfall.

Arbeitsschritte

AP 1: Versuche zur spannungsgeführte Potenzialumkehr
Im Rahmen dieses Arbeitspakets wird die optimale Spannungsführung bei praktisch darstellbarem Energieverbrauch ermittelt. Ausgehend von der optimalen Spannungsführung werden die Reinigungseigenschaften des Elektrodenaufbaus maximiert und anschließend die Kinetik der Sondenreinigung charakterisiert.
AP 2: Entwicklung einer nanoampere-sensitiven Elektronik
Zur Detektion der besonders geringen Ströme, die aufgrund des MEA-Aufbaus in den einzelnen Elektroden generiert werden, wird eine Abschirmung des Detektors entwickelt, die das Hintergrundrauschen minimiert.
AP 3: Entwicklung der Federkontakte
Zur Sicherstellung der Kontaktierung und der Erleichterung des Chipwechsels werden leistungsfähige Federkontakte entwickelt. Hierfür werden zunächst verschiedene Materialien erprobt.
AP 4: Konstruktion der Gussabdeckung
Durch die Erprobung verschiedener Gussverfahren wird ein Vorgehen identifiziert, mit dem die benötigte Präzision beim Guss hergestellt werden kann. Durch anschließende Leitfähigkeits- und Korrosionsversuche wird das Vorgehen validiert.
AP 5: Entwurf des Gehäuses
Für die Entwicklung eines langlebigen und funktionalen Gehäuses werden Untersuchungen zum Handling und zur Dichtigkeit durchgeführt.
AP 6 Aufbau eines Probegeräts
Die einzelnen Entwicklungsansätze werden in einem Messgerät zusammengeführt. Dieses wird gebaut und kompaktiert.
AP 7: Integration der pH-Sonde
Zunächst wird ermittelt, welche pH-Messtechnologie am besten in das Handmessgerät integriert werden kann. Anschließend wird der Konzentrationsabhängigkeitsfaktor bestimmt und die Sonde in den Aufbau des Handmessgeräts integriert.
AP 8: Versuche zur Konzentrationsmessung
Das konstruierte und gebaute Handmessgerät wird zunächst im Labor an verschiedenen Flüssigkeiten getestet.
AP 9 Optimierung der Konstruktion
Die in den Praxisversuchen aufgetretenen Probleme werden analysiert und Lösungen entwickelt. Diese Lösungen werden in die Konstruktion des Messgeräts eingebaut.
AP 10: Programmierung der Cloud-Software
Verknüpfung des Handmessgeräts mit einer Cloud-Architektur, in der gemessene Werte gespeichert, abgerufen und analysiert werden können.
AP 11: Fertigung eines Demonstrators
Zum Projektabschluss wird ein Demonstrator gefertigt. Hierbei wird der industrielle Fertigungsprozess entwickelt. Die notwendige Werkzeuganpassungen werden vorgenommen sowie Lieferanten für die einzelnen Komponenten ausgewählt.

Ergebnisse

Bislang konnte im Projekt eine nanoampere-sensitive Elektronik entwickelt werden. Für die Kontaktierung des Chips wurde eine zweistufige Federkontaktierung entwickelt, die alle technischen Anforderungen vollständig erfüllt. In mehrstufigen Iterationsprozessen wurden das Gehäuse und die Glaselektrode minimiert, sodass eine komfortable Handmessung ermöglicht wird. In umfangreichen Messversuchen wurde die Tauglichkeit des derzeitigen Entwicklungsstadiums validiert.

Öffentlichkeitsarbeit

Es gab noch keine Veröffentlichungen oder andere Maßnahmen der Öffentlichkeitsarbeit. Das Projekt dauert noch an.

Fazit

Die Aussichten auf den Projekterfolg haben sich seit Projektstart erheblich verbessert, da einige der im Antrag genannten technischen Risiken bereits gelöst werden konnten.
Die verbleibenden Entwicklungsarbeiten werden sich zum einen auf die Reinigung und zum anderen auf die weitere Miniaturisierung fokussieren.
Die Reinigung wurde zurückgestellt, nachdem zunächst viele Ansätze für einen stabilen Sensoraufbau nicht erfolgreich waren. Klares Ziel war es, einen stabilen Aufbau und eine reproduzierbare Produktion zu erreichen. Im Zuge der Messungen hat sich Bedarf für eine Sensoraufnahme gezeigt. Dafür wurde eine einfache aber ausgesprochen praktische Lösung gefunden, die aus einem Handsensor eine quasi-stationäre Messung macht, was im Markt einzigartig ist und ausgesprochen hilfreich.
Aktuell wird daran gearbeitet, das Design von austauschbaren stand-alone-Komponenten auf ein kompaktes Gesamtdesign umzustellen, das dann noch einmal deutlich kleiner wird und nur noch in der Produktionsstätte aufgebaut werden kann. Der Vorteil eines kleineren Designs ist, dass auch eine kleinere Sensoraufnahme verwendet werden kann, die schneller mit Wasser gefüllt ist bzw. generell auch mit weniger Wasser verwendet werden kann.