Projekt 19234/01

High-Tech Methoden zur Untergrundsondierung: Adaptierung des EFAS-Systems an Sondiertechnik zur VOC Vor-Ort-Analytik

Projektträger

Forschungszentrum Karlsruhe (FKZ) GmbH Institut für Instrumentelle Analytik
76021 Karlsruhe
Telefon: 07247/82-2690

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Projekt ist Teil des Verbundvorhabens High-Tech Methoden zur Untergrundsondierung.In der Bundesrepublik Deutschland werden jährlich ca. 100 ha Land für Siedlung und Verkehr verbraucht, die Hälfte dieser Fläche wird dabei versiegelt. In den letzten 50 Jahren hat sich die Siedlungs- und Ver-kehrsfläche in den alten Bundesländern nahezu verdoppelt. Während einerseits neue Gewerbe- und Wohngebiete auf der grünen Wiese entstehen, wächst der Anteil an Brachflächen. Ein Lösungskonzept zur Verminderung des Flächenverbrauchs ist die konsequente Umsetzung eines Flächenrecyclings, also der Wiedernutzung von industriellen, gewerblichen oder militärischen Brachflächen, vor allem im urbanen Bereich. Dies sind in aller Regel altlastverdächtige Flächen. Um eine zügige und belastbare Erkundung dieser Flächen zu gewährleisten, 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 kostengünstigen und modernen Sensoren auszurüsten. Damit sollen bereits bei den Erkundungsarbeiten analytische Signale erzeugt und ausgewertet werden können. Das Verbundvorha-ben wurde in 14 eigenständige 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.
Das Einzelvorhaben High-Tech Methoden zur Untergrundsondierung: Adaptierung des EFAS-Systems an Sondiertechnik zur VOC Vor-Ort-Analytik
Der bereits früher entwickelte Evaneszent-Feld-Absorptions-Sensor ist ein tragbares faseroptisches Sensorsystem, welches sich für quantitative und kontinuierliche Direktmessungen z. B. von apolaren VOCs in wässrigen Medien eignet (summarische Konzentrationsbestimmung). Die Zielsetzung der Arbeiten in die-sem Teilprojekt lag in einer umfassenden Modifikation und Miniaturisierung des Faseroptik-Sensors sowie in der Integration von geeigneten Mikro-Fluidikkomponenten. Dieses Modul sollte dann in leichte Rammkern-Sondiertechnik eingebaut werden, um das Sensorsystem für schnelle in-situ-Messungen bei Rammkernsondierungen im Altlastenbereich einsetzen zu können. Mit der kombinierten Sensor-/Rammkerntechnik sollte die Möglichkeit eröffnet werden, z. B. eine Tiefenverteilung von VOC-Schadstofffronten und Phasenübergängen im Kompartiment Wasser schnell vor Ort zu ermitteln.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZunächst wurde ein gegenüber dem früheren EFAS-Sensor völlig veränderter, miniaturisierter Messkopf entwickelt, bei dem die Sensorfaser in einem dünnen, eng aufgespulten 30m-Teflonschlauch (Messraum) eingezogen und mit einer leistungsstarken Mikropumpe kombiniert wurde, welche das Grundwasser ansaugt und mit hoher Geschwindigkeit (~1m/s) entlang der Faser pumpt. Weiterhin wurden verschiedene miniaturisierte Peripheriekomponenten (Wassersensor, Temperatursensoren, Mikroventil) etc.) sowie ein gesamtes Wassereinlass-System mit geeigneter Filtriertechnik aufgebaut. Die optimierten Komponenten wurden dann eingebaut in ein Sensorhüllrohr, in ein vom Verbundprojektpartner Fa. Neumann zur Verfügung gestelltes, konventionelles Rammkernsondierrohr integriert, wobei das Hüllrohr Feder-gedämpft aufgehängt wurde, um mechanische Belastungen weitestgehend zu minimieren. Der Erfolg entscheidender Arbeitsschritte (Meilensteine) innerhalb der 3 Projektphasen wurde durch in-situ-Tests am Referenzstandort VEGAS der Uni Stuttgart und bei verschiedenen Feldtests überprüft und aufgezeigt.


Ergebnisse und Diskussion

Generell konnten die im Rahmen des Verbundprojektes High-Tech Methoden zur Untergrundsondie-rung gestellten Aufgaben und Anforderungen bezüglich Miniaturisierung, messtechnischer Funktionalität und Rammfestigkeit des EFAS-Sensormoduls im Teilprojekt Az 19234 gelöst werden. So wurden einerseits durch Aufbau eines miniaturisierten, gegenüber der alten EFAS-Version völlig veränderten Messraumes (Sensorfaser integriert in dünnen Teflonschlauch) und der damit verbundenen günstigen hydro-dynamischen Bedingungen deutlich schnellere Messzeiten von 3-10 min. erreicht. Hierdurch erst wurde das Sensormodul prinzipiell für schnelle VOC-Vor-Ort-Messungen einsetzbar, wie sich dann auch z. B. bei Ramm- und Funktionalitätstests zeigte. Durch die im Verbundprojekt entwickelte, gefederte Aufhängung im Sondierrohr traten bei den Rammtests beim EFAS-Sensormodul und den Peripheriekomponenten mehrfach auch unter härtesten Feldbedingungen keine mechanisch bedingten Schäden auf. Das Messverfahren ist in Bezug auf die überprüften Matrixeffekte als zufriedenstellend einzustufen, gleichwohl ist eine sichere Nachweisbarkeit nur bei Konzentrationen ab 30 mg/l gegeben, der Sensor eignet sich also nur für die VOC-Konzentrationserfassung in der Schadstofffahne. Als problematisch hat sich beim Feldversuch die deutliche Querempfindlichkeit gegenüber anderen apolaren Kohlenwasserstoffen (z. B. mehrkernige Aromaten, PAKs) erwiesen. Hier wäre noch umfangreicher Entwicklungsaufwand notwendig, um das Sensorsignal z. B. durch eine veränderte sensitive Polymerschicht auf der Glasfaser VOC-spezifischer zu machen.
Trotz aller Mühen gelang es nicht, eine befriedigende Kombination von Wassereinlass-System und eine unter Feldbedingungen miniaturisierte Wasserpumpe zu finden. Alleine eine Hochleistungsmikropumpe der Fa. HNP-Mikrosysteme ist momentan für das EFAS-Sensormodul einsetzbar, da nur diese Pumpe die notwendigen geringen Abmessungen bei gleichzeitig guten Leistungsdaten in sich vereint. Alle anderen kommerziell verfügbaren Flüssigkeits-Mikropumpen förderten nur deutlich geringere Wassermengen und ließen somit keine schnelle Sensor-Ansprechkinetik zu. Als großer Nachteil der HNP-Pumpe erwies sich jedoch bei den Feldtests die Inkompatibilität mit hohen Mengen an Feinsediment im Grundwasser. Eine noch feinere Vorfiltrierung des Grundwassers mit Porengrößen < 10 mm ist aufgrund hoher Druck-verluste nicht praktikabel.
Weiterhin ist das entwickelte EFAS-Sensormodul noch nicht in einer industriegerechten Konfiguration, wodurch die Montage des Systems zur Zeit noch zu zeitaufwendig ist. Auch gelang es nicht, bei den Feldeinsätzen entsprechend den Vorgaben der Vor-Ort-Messtechnik Sondierungen in größerer Zahl pro Einsatztag niederzubringen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse der im Rahmen des Verbundprojektes durchgeführten Entwicklungsarbeiten und Feldtests wurden auf folgenden Konferenzen und Tagungen präsentiert:
Bürck, J., Roth, S., Ebarhimi, S., Krämer, K., Mathieu, H. Fiber-optical sensor systems for HC and pH monitoring in the environment and production technologies. Achema 2003: 27. Internat.Kongress für Chemische Technik, Umweltschutz und Biotechnologie, Frankfurt, 19.-24.Mai 2003, Abstracts, S.7.
Müller, M., Klaas, N., Barczewski, B., Bürck, J., In-situ measurement of dissolved contaminants in groundwater. ConSoil 2003: 8th Internat.FZK/TNO Conf. on Contaminated Soil, Gent, B, May 12- 16, 2003 Conf.Proc. S. 3872-75, Leipzig : F&U confirm.
Bürck, J., Roth, S., Krämer, K., Neuentwicklungen von sensorischen Messsystemen im Rahmen des DBU-Projektverbundes: Adaption des EFAS-Systems an Sondiertechnik zur VOC Vor-Ort- Analytik, Symp. Vor-Ort-Analytik, Stuttgart, 30.-31.März 2004.


Fazit

Die Miniaturisierung und Integration des EFAS-Messkopfes in leichte Rammkernsondiertechnik ist im Rahmen des Verbundprojekts erfolgreich durchgeführt worden. Auch ließen sich durch einen völlig neuen Sondenaufbau die prinzipielle Eignung des Systems für eine Rammkernsondenbasierte schnelle VOC-Vor-Ort-Analytik im Grundwasser aufzeigen. Allerdings sind vor allen Dingen im Bereich der Fluidik und der Sensorselektivität für VOCs noch entscheidende Verbesserungen erforderlich, um das System für den Praxiseinsatz tauglich zu machen.