Infrarotspektroskopie für die Flüssigkeitsanalytik erschließen

Deponien, auf denen schadstoffhaltiger Müll lagert, stellen eine ernstzunehmende Gefahr für das Trinkwasser dar. Aufgrund defekter Abdichtungen kann Sickerwasser mit teilweise schwer abbaubaren organischen Substanzen in das Grundwasser gelangen. Für eine kontinuierliche Überwachung des Schadstoffgehalts hat das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg ein Breitbandspektrometer entwickelt. Das Gerät erschließt die Vorteile der Infrarotspektroskopie für die Flüssigkeitsanalytik. Das Online-Messverfahren, mit dem chlorierte Kohlenwasserstoffe in Wasser detektiert werden können, bietet breite Anwendungsmöglichkeiten – sowohl im Bereich der Umwelttechnik als auch in der Prozesskontrolle.

Das Messprinzip des Breitbandspektrometers beruht auf der Faserevaneszenzfeldanalyse (FEFA): Zentrales Sensorelement stellt eine infrarottransparente, polymerbeschichtete Faser dar, die aus Silberhalogenid besteht. Diese ist zwischen Lichtquelle und Spektrometer gespannt und wird von einer Flüssigkeitsprobe umspült. Während die Schadstoffe aus der Flüssigkeit in den Polymermantel eindringen und bis zur Faser vordringen, werden die stark Infrarot absorbierenden Wassermoleküle daran gehindert. Auf diese Weise lässt sich das Signal allein auf die gesuchten organischen Verbindungen wie chlorierte Aromate und Aliphate zurückführen. Je nach Konzentration der Schadstoffe im Mantel ändert sich das elektromagnetische Feld an der Oberfläche der Faser. Das Infrarotstrahl reagiert auf diese Änderungen im sogenannten evaneszenten Feld.

Die Nachweisempfindlichkeit dieses robusten und portablen Online-Mess-Systems liegt im unteren ppm-Bereich. In der Umwelttechnik bietet sich das Faserspektrometer zum Beispiel an, um die Schadstoffkonzentration kontaminierter Böden festzustellen und zu überwachen. Die Errichtung eines Netzwerks von punktuell verteilten Sensoren wird durch geringe Anschaffungs- und Betriebskosten erschwinglich. Neben dem Abwassermonitoring stellt die Prozessanalytik ein weiteres Einsatzgebiet dar. Gerade im infraroten Bereich besitzen prozessrelevante Stoffkomponenten charakteristische Absorptionsverläufe, die online mit dem Breitbandspektrometer gemessen werden können.

Im Inneren des Messgeräts wird die Strahlung eines Glühstrahlers über einen Ellipsoidspiegel in die Faser eingekoppelt, auf der Spektrometerseite an einem Reflexionsgitter gebeugt, von einem Detektor erfasst und spektroskopisch ausgewertet. Bei der Bewegung des Gitters durch ein Exzenterrad wird ein Wellenlängenbereich von 8 bis 12 µm durchlaufen. Die einzelnen Komponenten sind kompakt in einem Gesamtsystem integriert, so dass das gesamte Spektrometer im Bohrloch versenkt werden kann.

Quelle: Fraunhofer Institut