Optische Sensoren für den Gewässerschutz

BMBF-Verbund „AquaPAK“ entwickelt neues Messprinzip zur Online-Detektion von umweltschädigenden Kohlenwasserstoffverbindungen in Öl-Wasser-Gemischen.

Bild 1: Steigende Verschmutzung der Meere durch Öl © Daniel Beltra

Bild 2: Verschiedene Fasersensoren mit Flansch zum Einbau in Rohrleitungssysteme © Hartmut Lehmann, IPHT Jena

09.10.12

BMBF-Verbundprojekt AquaPAK

Innerhalb technischer Prozesse gelangen viele ölhaltige Abwässer unfallbedingt oder durch fahrlässiges Verhalten in die Umwelt. Etwa 80 % der in natürlichen Gewässern vorkommenden Verschmutzung entsteht durch schleichende Einleitungen wie z.B. durch den Betrieb von Schiffen oder der weltweiten Ölförderung, sowie Einleitungen aus kommunalen und industriellen Abwässern. Sie tragen somit entscheidend zur Verschmutzung von Meeren und Fließgewässern bei.

Öle können gelöst oder emulgiert in Gewässern vorkommen und sind in der Regel Stoffgemische, die aus mehreren Tausend Substanzen zusammengesetzt sind und zu einem Großteil aus Kohlenwasserstoffen bestehen. Als besonders problematische und langzeittoxische Anteile gelten sogenannte „polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe“, kurz PAK, die aufgrund ihrer allgegenwärtigen Verbreitung und Giftigkeit einen möglichst zu vermeidenden Umweltschadstoff darstellen.

PAK sind Kohlenwasserstoffverbindungen, die aus mehreren kondensierten Benzolringen bestehen. Die Unterscheidung der PAK erfolgt anhand der Anzahl bzw. der Anordnung der Benzolringe. Mit steigender Ringzahl verringert sich dabei die Wasserlöslichkeit. In der Regel treten PAK als Gemisch auf. Deren Messung und Überwachung kommt einer besonderen Bedeutung zu. Auf Grund der chemischen Struktur dieser Stoffgruppe eignen sich zu ihrem Nachweis besonders gut optische Verfahren.

Vorort-Überwachung in trüben, verunreinigten Gewässern

Im März 2011 ist der über drei Jahre laufende und vom
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbund „AquaPAK“ gestartet, um ein innovatives optisches Messprinzip zur Online-Detektion von Ölverschmutzungen zu erforschen. Das System soll effektiv, schnell und zuverlässig sein und eine permanente Vorort-Überwachung von PAK in Natur- und Prozesswässern gewährleisten. Hierfür sind Sensoren erforderlich, die auch in trüben, verunreinigten und biologisch aktiven Wässern funktionieren und ohne den Einsatz zusätzlicher Chemikalien auskommen.

Durch die Entwicklung von Messprinzipien, die in messtechnisch schwierigen Umgebungen verwertbare und verlässliche Ergebnisse erzielen, können bereits existierende Ölüberwachungssysteme unterstützt werden. Fehlalarme, die aus im Wasser enthaltenden Streuteilchen resultieren, können dadurch ausgeschlossen werden. Der zu entwickelnde Sensor stellt ein verfeinertes Messverfahren dar und nimmt eine Vorreiterrolle im Meeresumweltschutz (Einsatz z.B. als Bilgenwassersensor auf Schiffen die in sensiblen Ökosystemen operieren oder im Rahmen des Green Shipping) ein. Weitere Anwendungsgebiete finden sich in industriellen Prozess- und Abwässern.

Die bisher erarbeiteten Ergebnisse der Verbundpartner
TriOS Mess- und Datentechnik GmbH (Rastede), Institut für Photonische Technologien (IPHT, Jena) und des Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) der Universität Oldenburg (Oldenburg) bilden eine gute Grundlage für die zweite Hälfte des Verbundprojekts. Derzeit befindet sich das Projekt im 18. Projektmonat, der Hälfte der beantragten Laufzeit. Das BMBF fördert den Verbund AquaPAK im Rahmen der Initiative „KMU-innovativ: Optische Technologien“ mit knapp einer Million Euro.

Erste Tests erfolgreich

Die Grundlage der zu entwickelnden faseroptischen Sonde sind lichtleitende Bauelemente mit speziellen Polymerüberzügen. Die optischen Eigenschaften dieser Fasern ändern sich reversibel bei Kontakt der nachzuweisenden Substanzen und können so optisch, durch Absorption oder Fluoreszenz, gemessen werden.

In der ersten Hälfte des Verbundprojekts konnten die Fasern für den optischen Sensor entwickelt und erfolgreich an verschiedenen PAK-Standards getestet werden. Anhand zwei verschiedener Bauansätze (Faser- und Planaransatz) konnten weitere Tests mit realen Bilgenproben und Betriebsstoffen durchgeführt werden. An beiden Bauformen konnten die Absorptions- und fluoreszenzspektroskopische PAK-Detektion erfolgreich demonstriert werden. Derzeit laufen diverse Langzeituntersuchungen um weitläufige Erfahrungen in realitätsnahen Messszenarien zu sammeln. Hierbei konnte eine ausreichende Sensitivität für leicht wasserlösliche PAK nachgewiesen werden. Konstruktive Maßnahmen und weitere Tests sollen Sensitivität und Sensorreaktionszeiten noch optimieren.

Die Entwicklung beider Bauansätze des Sensors (Faser- und Planarsensor) liegt im Zeitplan. Diese faseroptischen Sonden sollen nach den weiteren geplanten Labortests in vorhandene Schiffssysteme integriert und im realen Einsatz getestet werden. Über die assoziierten Verbundpartner
Briese Schiffahrt GmbH & Co. KG (Leer) und Germanischer Lloyd (Hamburg) soll eine Implementierung der neuen optischen Sensoren in Schiffen realisiert werden. Das Einbaukonzept und die Systemspezifikationen hierzu wurden bereits unter Zugrundlegung geltender Normen und Richtlinien abgestimmt.

Ansprechpartner

Dipl. Phys. Rüdiger Heuermann
TriOS Mess- und Datentechnik GmbH
Bürgermeister-Brötje-Str. 25
26180 Rastede

Pressematerial

- Steckbrief BMBF-Verbundprojekt AquaPAK (PDF)
- Download Bild 1 "Steigende Verschmutzung der Meere durch Öl" © Daniel Beltra (JPG, 72 PPI, 250 KB)
- Download Bild 2 "Fasersensoren" © Hartmut Lehmann, IPHT Jena (JPG, 72 PPI, 550 KB)

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