Projekt 09935/01

Oil Pollution Transportable Independent Monitoring System – Entwicklung eines Meßsystems zur schnellen Detektion von Mineralölkontaminationen in Böden und Gewässern

Projektträger

Optimare GmbH
Emsstr. 20
26382 Wilhelmshaven
Telefon: 04421/75590-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die hohe Anzahl an Altlasten und Altlastenverdachtsflächen läßt eine Erkundung und Bewertung mit herkömmlichen Methoden aufgrund der damit verbundenen hohen Kosten kaum noch zu. Neuartige Methoden zur vor-Ort und in-situ Analytik können hier einen Fortschritt bringen. Zielsetzung des Projektes ist die Entwicklung eines Meßsystems zur in-situ Bestimmung von Mineralölkohlenwasserstoffen (MKW) und polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) mit Hilfe der laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie (LIF-Spektroskopie).


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenWesentliche Schritte der technischen Entwicklung bestanden in der Definition und Auswahl der benötigten Komponenten. Es wurden die Anregungslichtquelle, der Detektor, das Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem definiert und gefertigt oder modifiziert. Die Definition der Anregungslichtquelle und des Detektors beinhaltet die vorherige Charakterisierung relevanter Analyten hinsichtlich der optimalen Anregungswellenlängen und der Fluoreszenzabklingeigenschaften. Für bestimmte Komponenten des Meßsystems mußte eine geeignete Steuerelektronik entwickelt werden, ebenfalls mußte eine Steuer- und Auswertesoftware entwickelt und getestet werden.
Ein wichtiges Arbeitspaket stellte die Entwicklung geeigneter Auswertealgorithmen dar. Es wurden die photophysikalischen Eigenschaften verschiedener Analyten ermittelt und Untersuchungen zu Analyt / Matrixeigenschaften durchgeführt. Algortihmen zur Systemkalibrierung wurden getestet und die Leistungsfähigkeit des Systems durch Messungen realkontaminierter Bodenproben ermittelt Für das Meßsystem wurden verschiedene Sensorköpfe mit unterschiedlichen Geometrien aufgebaut und charakteri-siert. Diese wurden im Rahmen einiger Feldmeßkampagnen getestet.


Ergebnisse und Diskussion

Beim Design des Meßsystems wurde als Anregungslichtquelle ein frequenzverdreifachter diodengepumpter Festköperlaser eingesetzt (Epuls 2 mJ @ 355 nm, tFWHM < 5 ns) . Für eine optimale Anregung unterschiedlicher Analyten wurde dieser um einen selbst entwickelten Farbstofflaser / Frequenzvervierfacher ergänzt. Mit Hilfe dieses Moduls stehen, elektronisch ansteuerbar, sechs unterschiedliche Anregungswellen zur Verfügung. Die Anregungswellenlängen können, je nach Farbstoff zwischen 266 nm und 600 nm variieren, so daß sowohl Aromaten, Farbstoffe oder biologische Chromophore detektiert werden können.
Als Detektor wurde eine intensivierte CCD-Kamera verwendet. Das Modell weist eine kleinste Gateweite von 1,8 ns auf, die kleinste Verschiebung liegt unter einer Nanosekunde. Die Kamera wurde mit einem Spektrograph kombiniert. Der Detektor erlaubt so eine schnelle Erfassung eines gesamten Emissionsspektrums und auch aufgrund des guten Zeitverhaltens eine Diskriminierung unterschiedlicher Analyten oder von Fluoreszenz- und Hintergrundsignalen.
Zur Steuerung der Anregung und der Detektion wurden verschiedene I/O-Karten entwickelt, als zentraler Auswerterechner kam zunächst ein Notebook mit Docking-Station, später ein Industrie-PC zum Einsatz. Bei der entwickelten Software wurde die Module zur Steuerung der Komponenten mit Algorithmen zur Signalauswertung verknüpft und in ein Datenbanksystem integriert. Dadurch lassen sich Meßergebnisse in Beziehung zu Kalibrationsroutinen setzen und für quantitative Auswertungen nutzen. Die Entwicklung des Meßsystems wird abgeschlossen durch die Integration flexibler Netzteile (12 VDC,230 VAC), geeigneter Anschlußfelder (Strom, Daten, Sensorköpfe)
Das Meßsystem wurde zunächst in ein rollbares Gehäuse mit Bedienkonsole und später, zum Einsatz in schwerem Gelände, auch in eine Zarges-Kiste integriert. Für das OPTIMOS wurden unterschiedliche Sensorköpfe entwickelt die wegen ihres optischen Aufbaus für Messungen in flüssigen Medien, zur Mes-sung auf Bodenoberflächen oder für in-situ Messungen direkt im Boden geeignet sind.Es wurden unterschiedliche PAK und MKW photophysikalisch untersucht und die analytischen Parameter der LIF-spektroskopischen Bestimmung ermittelt. In Abhängigkeit von den experimentellen Bedingungen (Anregungswellenlänge, Sensorkopf, zugrundeliegender Analyt und Matrix) wurden bei der MKW-Bestimmung in Böden Nachweisgrenzen von etwa 100 ppm erreicht. Allerdings werden die Meßergebnisse stark von der jeweiligen Matrix und unterschiedlichen Analyten beeinflußt. Es wurden erfolgversprechende Ansätze entwickelt, um verschiedene Analyten anhand ihrer spektralen Signatur und verschiedene Matrizes anhand ihrer unterschiedlichen Streueigenschaften zu charakterisieren.
Die Leistungsfähigkeit des Meßsystems wurde durch Messungen verschiedener realkontaminierter Bodenproben, die von unterschiedlichen Umweltlaboratorien bereitgestellt wurde, überprüft. Es wurden z.T. sehr gute Übereinstimmungen der mit LIF erhaltenen Meßergebnisse mit den Ergebnissen der konventionellen Laboranalyse erhalten. Bei dieser Vorgehensweise wurde die Empfindlichkeit der LIF-spektroskopischen Anaylse von MKW in Böden mit Proben mit unbekanntem Analyten und unbekannter Matrix als kleiner 1000 ppm abbgeschätzt.
Das Meßsystem wurde bei einigen Feldmeßkampagnen zur Untersuchung von Bodenmieten, gezogenen Bodenprofilen und bei in-situ Messungen eingesetzt. Das Meßsystem hat sich als robust erwiesen, es konnten vor-Ort Aussagen über das räumliche und quantitative Ausmaß einer MKW-Kontamination getroffen sowie kontinuierliche Tiefenprofile der Kontamination bestimmt werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Ergebnisse dieses Projektes wurden in mehreren Publikationen veröffentlicht so in Löhmannsröben, H.-G., Roch , Th. (2000): In situ laser induced fluorescence (LIF) analysis of petroleum product-contaminated soil samples. J. Environ. Monit. 2,17-22.
Löhmannsröben, H.-G., Schober, L.: Combination of laser-induced fluorescence spectroscopy and diffuse reflectance spectroscopy for the in-situ analysis of diesel contaminated soils, Applied Optics, 38 (9) 1404-1410
Weiterhin wurde das Projekt bei mehreren Messen und Kongressen (Pollutec 1999, Pittcon 2000, FieldScreening Europe 2001 etc) präsentiert.


Fazit

Im Rahmen des Projektes konnte ein Meßsystem entwickelt werden, welches für eine schnelle vor-Ort und in-situ Analytik von MKW- und PAK in Böden geeignet ist. Das Meßsystem liefert semi-quantitative Analyseergebnisse, die Empfindlichkeit liegt unterhalb 1000 ppm MKW. Bei bekanntem Analyten /Matrix, etwa durch Abgleich mit konventioneller Laboranalytik, können deutlich bessere Empfindlichkeiten erreicht werden. Das System ist somit ideal zum Rastern größerer Areale (Mapping) oder zur kontinuierlichen Überwachung kontaminierter Böden (Monitoring) geeignet.

Übersicht

Fördersumme

191.462,45 €

Förderzeitraum

01.05.1997 - 30.09.1999

Bundesland

Niedersachsen

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik