Projekt 19225/01

High-Tech Methoden zur Untergrundsondierung: LIF-Rammsondiersystem zur PAK/MKW in situ-Bodenanalytik

ProjekttrÀger

Optimare GmbH
Emsstr. 20
26382 Wilhelmshaven
Telefon: 04421/7559021

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Projekt ist Teil des Verbundvorhabens High-Tech Methoden zur Untergrundsondierung.
In der Bundesrepublik Deutschland werden jĂ€hrlich ca. 100 ha Land fĂŒr Siedlung und Verkehr verbraucht, die HĂ€lfte dieser FlĂ€che wird dabei versiegelt. In den letzten 50 Jahren hat sich die Siedlungs- und VerkehrsflĂ€che in den alten BundeslĂ€ndern nahezu verdoppelt. WĂ€hrend einerseits neue Gewerbe- und Wohngebiete auf der grĂŒnen Wiese entstehen, wĂ€chst der Anteil an BrachflĂ€chen. Ein Lösungskonzept zur Verminderung des FlĂ€chenverbrauchs ist die konsequente Umsetzung eines FlĂ€chenrecyclings, also der Wiedernutzung von industriellen, gewerblichen oder militĂ€rischen BrachflĂ€chen, vor allem im urbanen Bereich. Dies sind in aller Regel altlastverdĂ€chtige FlĂ€chen. Um eine zĂŒgige und belastbare Erkundung dieser FlĂ€chen zu gewĂ€hrleisten, können Analyseverfahren, die vor Ort eingesetzt werden, wichtige Vorteile bringen. Aus diesem Grund hat die DBU das Verbundvorhaben High-Tech Methoden zur Unter-grundsondierung gefördert. Ziel des Verbundes war es, konventionelle, handgehaltene bis mittelschwere Sondiersysteme mit kostengĂŒnstigen und modernen Sensoren auszurĂŒsten. Damit sollen bereits bei den Erkundungsarbeiten analytische Signale erzeugt und ausgewertet werden können. Das Verbundvorha-ben wurde in 14 eigenstĂ€ndige Vorhaben untergliedert, die organisatorisch klar voneinander abgegrenzt waren und eigene Vorhabensziele beinhalten: AZ 19219, 19220, 19221, 19225, 19229, 19230, 19232, 19233, 19234, 19235, 19281, 21918.
Gegenstand des Einzelvorhabens war die Optimierung und Anpassung der laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie (LIF) an die Rammsonde. Aufgrund ihrer hohen SensitivitĂ€t, SelektivitĂ€t und Messgeschwindigkeit ist die laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie (LIF) in hohem Maße zur vor-Ort- und in-situ-Analytik von Mineralölkohlenwasserstoffen (MKW) und Polyzyklischen Aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) in Böden geeignet. Aktuell verfĂŒgbare LIF-Systeme können nur an der OberflĂ€che messen oder in Kombination mit der extrem kostenintensiven Drucksondiertechnik. Ziel dieses Projektes ist daher die Kopplung von LIF mit preiswerter Rammsondiertechnik zu einem preisgĂŒnstigen Untergrundanalysesystem.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn diesem Zusammenhang waren im Wesentlichen folgende Aspekte zu bearbeiten:
1. Aufgrund der Verteilung der Arbeiten auf mehrere Kooperationspartner mussten Verfahren entwickelt werden die es erlauben, auf einem Messsystem erhaltenen Kalibrationen auf ein anderes zu ĂŒbertragen. HierfĂŒr mussten Standardisierungsproben- und Prozeduren entwickelt werden.
2. Es musste ein Sensorkopf entwickelt und realisiert werden, der den mechanischen Belastungen bei der Sondierung standhÀlt und auch im Feld gut handhabbar ist. Dieses, sowie die GesamtfunktionalitÀt, musste in mehreren Feldtests demonstriert werden.
Es mussten geeignete Auswerteverfahren zur Charakterisierung und Quantifizierung entwickelt werden. Hierzu wurde eine Vielzahl von Schadstoffen mit verschiedenen Bodenarten vermischt und somit Kalibrierkurven erstellt. FĂŒr die Anwendung der Auswerteverfahren musste einfach zu bedienende Software entwickelt werden. Zum Testen wurde zunĂ€chst eine separate Auswertesoftware (unter MATLAB) entwickelt, die auf gespeicherte Messdaten zugreift. Aufbauend auf den hier gemachten Erfahrungen wurde zum Projektende hin eine integrierte Mess- und Auswertesoftware erstellt (in JAVA).


Ergebnisse und Diskussion

1: Alle drei Partner besitzen LIF-Spektrometer, wobei das der UNI Potsdam und das von Optimare fast baugleich sind. Die GerĂ€te unterscheiden sich hinsichtlich der spektralen Auflösung, der Empfindlichkeit im betrachteten WellenlĂ€ngenbereich, der Gesamtempfindlichkeit und des Hintergrundsignals. Die unterschiedliche Gesamtempfindlichkeit wird mit Hilfe von IntensitĂ€tsstandards registriert und korrigiert. Diese Prozedur wird regelmĂ€ĂŸig vor und nach einer Messreihe durchgefĂŒhrt. Zur Korrektur der unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten war zunĂ€chst geplant, nach Aufnahme von Spektren von spektral geeichten Lampen eine sog. Quantenkorrektur durchzufĂŒhren. Das geht sehr gut mit Halogenlampen, diese haben jedoch in dem wichtigen WellenlĂ€ngenbereich unter 400 nm keine ausreichende IntensitĂ€t. Daher wurden auch hier Fluoreszenzstandards verwendet, um die spektralen Empfindlichkeitsunterschiede messen und (zwischen den Meßsystemen) korrigieren zu können. Zur Erfassung des Hintergrundsignals wird eine Leermessung durchgefĂŒhrt und deren Daten von den Fluoreszenzdaten subtrahiert. Mit diesen Methoden ist es möglich, die auf einem GerĂ€t gemessen Spektren auf ein anderes GerĂ€t zu ĂŒbertragen und auszuwerten.
2: In der ersten Version des Sondenkopfes war das LichtleiterbĂŒndel im 45° Winkel zur GestĂ€ngeachse angeordnet. Das Faserende war durch einen Standard-SMA-Stecker gefasst. Dieser ist insgesamt recht lang, so dass das FaserbĂŒndel in einer sehr engen Biegung weiter nach oben gefĂŒhrt werden musste. Weiterhin war das Frontfenster gegenĂŒber der Außenwand des Sondenkopfes etwas zurĂŒckversetzt, was leicht zu einem Verschmutzen des Fensters fĂŒhrte. Diese Erfahrungen fĂŒhrten zu einer Neukonstruktion: Das LichtleiterbĂŒndel endet in einer kurzen Metall-hĂŒlse, so dass nun genĂŒgend Platz zum HerausfĂŒhren des Faserkabels besteht. Das Sichtfenster wurde nun ebenfalls mit einer zylindrischen AußenflĂ€che gefertigt, so dass es bĂŒndig mit dem Sondenrohr abschließt. Die Fixierung der ursprĂŒnglichen Fensterhalterung erwies sich als mechanisch anfĂ€llig. In der finalen Version besteht die Fensterhalterung aus einem großen Metallring, der in dem Sondenkopf ge-klemmt wird
3: Zur Kalibrierung des Messsystems auf PAK und MKW wurden zertifizierte Labor-Referenz-Materialien (LRM) verwendet sowie Proben von realen SchadensfĂ€llen, die von Verbundpartnern zur VerfĂŒgung gestellt wurden. FĂŒr die Kalibrierung wurde jeweils ein kontaminierter Boden mit einem unkontaminierten Bodenmaterial gemischt. Mit derartigen Proben wurden hĂ€ufig glockenförmige Kalibrierkurven erhalten, auf die - wenn ĂŒberhaupt - nur im unteren Konzentrationsbereich zu kalibrieren war. Zum Vergleich wur-den die Schadstoffe mit Lösungsmittel extrahiert und auf einen unbelasteten Boden gegeben. Die derart hergestellten Proben zeigten dagegen ein einfaches lineares Verhalten. Die Ursache fĂŒr dieses Verhalten konnte nicht geklĂ€rt werden.
Es wurde eine bedienerfreundliche Auswertesoftware basierend auf den Ergebnissen unter 1 entwickelt. Die Software mit dem Arbeitstitel EasyLIF automatisiert die VorgĂ€nge der Auswertung soweit, dass nur noch die entsprechenden Daten geladen werden mĂŒssen. Ferner stellt sie auch ein Kalibrationstool zur VerfĂŒgung, mit dem interaktiv Kalibrationen fĂŒr die verschiedenen Proben erstellt werden können. Die Auswertesoftware EasyLIF stellt somit nicht nur eine entscheidende Vereinfachung fĂŒr den Anwender dar, sondern erlaubt es erstmals, eine Kalibration eines GerĂ€tes A auf die Daten eines zweiten LIF-Systems B erfolgreich anzuwenden.
Zum Projektende war auch eine integrierte Mess- und Auswertesoftware fertig entwickelt. Diese steht in Verbindung zu einer Datenbank, die durch Ihre Struktur eine stringente Umsetzung des Auswertekonzepts erlaubt, ohne dass bestimmte Konventionen bei der Vergabe von Dateinahmen erforderlich sind.


Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation

Teile der Arbeiten wurden durch den Verbundkoordinator auf der ConSoil 2003 (19. - 24.5 in Gent) vor-gestellt. Alle Verbundpartner stellten ihr Projekt im Rahmen einer Abschlussveranstaltung am 26./27.4 2005 bei der DBU in OsnabrĂŒck vor.


Fazit

Die Projektziele konnten weitestgehend erreicht werden, das heißt, es steht nun ein Untergrundanalysesystem fĂŒr die in-situ PAK- und MKW-Detektion zur VerfĂŒgung. FĂŒr eine kommerzielle Nutzung wĂ€re allerdings eine behördliche Akzeptanz der Messergebnisse unabdingbar.
Die Projektausgaben hielten sich ebenfalls an den durch das Projekt vorgegebenen Rahmen.

Übersicht

Fördersumme

240.593,51 €

Förderzeitraum

01.01.2002 - 31.12.2004

Internet

www.optimare.de

Bundesland

Niedersachsen

Schlagwörter

Klimaschutz
Landnutzung
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik