Umwelt als analytisches Ziel

Umwelt als analytisches Ziel

Umwelt bezieht alle Gebiete ein, die das Wohlbefinden der lebenden Organismen beeinflussen; (Atmosphäre, Hydrosphäre, Geosphäre) - Platz wo wir leben und arbeiten

- Luft, die wir atmen, Wasser das wir trinken, Nahrung die wir essen - unberührte Natur

- Teile der Atmosphäre, die uns vor gefährlicher Strahlung schützen Die Auswirkung von Umweltverschmutzungen können sich in

Prozessen ausdrücken, die Einfluss auf das Wohlbefinden haben:

∗ physikalischer Effekt ⇒ globale Erwärmung

∗ chemischer Effekt ⇒ Ozonabreicherung

∗ biologischer Effekt ⇒ Zerstörung des Regenwaldes

Umweltanalytische Schwerpunkte

- einen Beitrag zur Schadstofferkennung zu leisten

- Wirkung, Verteilung und den Kreislauf von Schadstoffen zu erkennen - Ursache-Wirkungs-Beziehungen aufzuklären

- Umweltmonitoring zu befördern

- Grenzwerte von Schadstoffbelastungen zu definieren und dem Gesetzgeber vorzuschlagen

- Einhaltung von durch Gesetze und Verordnungen vorgegebene Grenzwerte zu kontrollieren

Moderne Umweltanalytik

- Chemischen Zustand und Verhalten des Spezies (Schadstoffes) im Umweltkompartiment selbst zu analysieren

damit:

- Wirkungsursachen und Ausbreitungsmechanismen der Schadstoffe besser erkennen

- Interdisziplinäre Forschung,

Zusammenwirken von Umweltanalytik

mit z.B. Umweltchemie, Technologie, Hydrologie, Geologie, Biologie, Mathematik

Umweltchemie/Umweltanalytik:

Relevante Prozesse auf molekularer Ebene erkennen und verstehen und auf das geochemische und biologische Umfeld - die Umwelt - übertragen !

Gefahrenbeurteilung:

- nach Exposition und Bioverfügbarkeit

Exposition:

Konzentration einer Umweltchemikalie und die Zeitspanne, in der der Organismus ausgesetzt wurde

Bioverfügbarkeit:

Verteilung und Umwandlung von Chemikalien in der Umwelt ein- schließlich der biologischen Verfügbarkeit

Gefahrenbeurteilung:

- nach Giftigkeit:

- akuter Wirkung (sofort bei einmaliger Verabreichung, LD₅₀) - subakuter Wirkung (nach 1 bis 3 Monaten)

- chronischer Toxizität (Giftwirkung tritt auf nach einer Verabreichungsdauer von über 6 Monaten

entsprechende toxikologischen Tests von Umweltchemikalien - Kurzzeit, hohe Konzentration (akute Wirkung)

- Langzeit, kleine Konzentration (chronische Wirkung)

Ökotoxikologische Tests

Organismus Methode, Messgröße Zeit, Parameter Akute Toxizität

Bakterien Leuchtbakterientest, Stoffwechselaktivität 15-60 min, EC₅₀¹

Algen Wachstumshemmtest 72 h, EC₅₀

Daphnien Immobilisierung, Mortalität 24 h, LC₅₀ Fische akute Toxizität, Mortalität 96 h, LC₅₀ Chronische Toxizität

Bakterien Wachstumshemmung Stunden, NOEC²

Algen Wachstumshemmung, Chlorophyllfluoreszenz 72 h, NOEC

Daphnien Reproduktion 21 d, NOEC

Fische verlängerter Fischtest, Mortalität, 14 d, 21 d, NOEC

1 Effect Concentration, bei der 50% der maximalen Wirkung auftritt

2 No Observed Effect Concentration

Gefahrenbeurteilung:

- Gefahren durch Stoff (Umwelttoxizität) selbst

- chemischer Unfall

- Technischer Unfall bei Produktion - Tankerunglück

- Umweltterorrismus

- Elektrische Felder

- Lärmbelastung

Bleigehalt von arktischem Eis aus verschiedenen

Tiefen (= unterschiedliches Alter)

Zeitliche Entwicklung des CO

-Gehaltes der Atmosphäre

Quelle: „Klimatologie“, Schönwiese C-D, Ulmer, Stuttgart (1994)

Arbeitsschritte bei einer Umweltanalyse

- Probennahme

- Probenlagerung, Konservierung, Transport - Probenvorbereitung

- Messung

- Auswertung (Datenspeicherung, Kalkulation, Report)

- Interpretation

- Interne und externe Qualitätssicherung

intern:

- Standardlösungen, feste Standards - Blindproben

- reale Proben

- synthetische Proben

- zertifizierte Referenzmaterialien

(Kontrollproben laufen bei jeder Analysenserie mit !)

extern:

- Ringversuche (Standardisierung von Verfahren, Überwachung, Erstellung von zertifiziertem Referenzmaterial)

- Rückführbarkeit (Grundlage der Vergleichbarkeit ist der Bezug auf Standards)

Alles was nicht dokumentiert ist, ist nicht durchgeführt worden !

Hauptaufgaben

- schnelle und einfache Tests am Ort

(dadurch sofortige Einleitung von Schutzmaßnahmen möglich) - leichte Handhabung, Tragbarkeit der Geräte, kurze Zeitdauer,

kostengünstig

- Prinzip „so genau wie nötig“

- Aussage „kritisch oder nicht kritisch“

- Laborprobenverringerung, Optimierung der Analysenbedingungen im Labor

- Mobile (tragbare) Gerätesysteme

- Geräte zur Bestimmung von pH, Eh, Sauerstoff, Leitfähigkeit - tragbarer Gaschromatograph (auch GC-MS-System)

- tragbarer Flüssigkeits-Chromatograph - mobiles Massenspektrometer

- Methoden

- Testpapiere, Teststäbchen, Testbestecke

Testpapiere:

Charakter von Orientierungstests, ob Verbindung ab einer bestimmten Konzentration anwesend ist

Teststäbchen:

- halbquantitative Bestimmung von Ionen und Verbindungen - Prinzip „Eintauchen - kurz Abwarten - Ablesen“

- konzentrationsabhängige Färbung mit messbereichsabgestufter Farbskala vergleichen

Testbestecke:

Eigenschaft bestimmter Reagenzien genutzt mit dem gesuchten Para- meter Farbreaktionen auszulösen,

nach visuellem Farbvergleich des Prüfgefäßes mit einer Standardfarb- skala (Komperator) kann der Messwert abgelesen werden,

bei Substanzen, die selbst nicht färben, werden oft Indikatoren zugegeben, die sich verfärben

Prüfröhrchen (Dräger-Röhrchen)

- ca. 200 verschiedene Tests - Kurz- und Langzeittests

- auf Querempfindlichkeit achten

- Bestimmung von MAK-Werten (maximale Arbeitsplatzkonzentration) - Dräger-Gasspürpumpe + entsprechendes Dräger-Röhrchen

Handbedienung, Hubzahl: 1 - 50 und höher, Hubvolumen 100 ml (±5%)

Anforderungen an die Probennahme

- Repräsentanz

(Stichprobe bis 5 Einzelproben) - Homogenität

(Roh-, Misch-, Sammelprobe) - Materialfluss

(zeitproportional, volumenproportional) - Zeitabhängigkeit

(Jahreszeit, Tageszeit) - Ortsraster

- Teilraster

(z.B. Pflanze, Blüte, Stengel, Blatt, Gesamtpflanze) - Verhinderung von Kontaminationen

Probennahmeprotokoll

- Probenkennzeichnung

- Probenart (z.B. Einzelprobe aus ...) - Anlass der Probennahme

- Entnahmeort (genaue Lagebezeichnung) - Datum, Uhrzeit, Name des Probennehmers - Art der Probennahme (Gerät)

- örtliche Beobachtungen (Wetterverhältnisse)

- Beobachtungen an der Probe (Farbe, Gasentwicklung, Geruch, Vor-Ort-Messergebnisse)

Instrumentelle Analysenverfahren

Funktionsprinzip der Spektrometrie

450 500 550 600

0.0 2.0x10⁴ 4.0x10⁴ 6.0x10⁴ 8.0x10⁴ 1.0x10⁵

Emissionswellenlänge / nm

Fluoreszenzintensität / A.E.

Beispiel:

Trinkwasseranalytik

- Qualität bei Abgabe ab Wasserwerk - Qualität bei Verbraucher

empfohlene Analysenverfahren

in:

„Deutsche Einheitsverfahren zur

Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung“

(Wasserchemische Gesellschaft- Fachgruppe in der GDCh

Normenausschuß Wasserwesen im DIN Deutsches Institut für Normung e.V.)

Organoleptische und sensorische Summenparameter

Geruch:

Geruchssinn 10mal empfindlicher als Geschmackssinn, - Wasser in Flasche umschütteln, dann Geruchsprüfung

- Differenzierung: metallisch, erdig, fischig, aromatisch, grasartig, modrig, faulig, widerlich, stinkend;

auch nach Stoffen differenzierbar: Chlor, Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Teer, Stärke Trinkwasser muß geruchlos sein !

Geschmack:

(Wenn Infektions- oder Vergiftungsgefahr besteht hat diese Prüfung zu unterbleiben !) Prüfung insbesondere von Trink- und Mineralwässern,

- kleine Menge des Wassers wird im Mund bewegt und dann geschluckt,

Differenzierung: säuerlich, salzig, süßlich, bitter, metallisch, laugig, fade, moorig, chlorig, seifig, widerlich

Färbung:

es interessiert vor allem die Färbung der dispergierten Teilchen, z.B. durch Huminstoffe gelb, braune Färbung (Fulvinsäuren),

- Sinkstoffe absetzen lassen, auch kolorimetrische Prüfung möglich, Trinkwasser muß farblos sein !

Trübung:

- Betrachtung der Flüssigkeit vor weißem, dann schwarzem Hintergrund, besser Sichtprüfung mit eingetauchter weißer Porzellanscheibe - sichtbare Eintauchtiefe ist das Maß -

- es ist auch photometrische Bestimmung möglich, kontinuierliche Trübungsmessung mittels Sonde

Sequentielle Extraktion

Gesamtgehalte langfristig verfügbar

Totalaufschluss mittelfristig verfügbar Königswasser

HCl kurzfristig verfügbar HNO₃

(hochmolar) EDTA

DTPA NH₄ OAc

NH₄ NO₃ MgCl₂ CaCl₂ Bodensättigungsextrakt

Beispiel:Ra-Verteilung

1. 1M Ammoniumacetat 2. 1M Natriumacetat 3. 0,1M NH₄ClO 4. H₂O₂

5. 0,25M EDTA

6. HNO₃Druckaufschluss (zur Bilanzierung)

Dioxine

• Umweltanalytik: - 10^-15 g/m³ Luft in Reinluftgebieten,

- in verkehrsreichen Ballungsräumen Faktor 100 und mehr höher

Polychlordibenzo-p-dioxine (PCDD) Polychlordibenzofurane (PCDF)

Beispiel:

Analyse von Dioxin

Nomenklatur Dioxine, Furane

2,3,7,8-Tetrachlordibenzodioxin - TCDD

2,3,7,8-Tetrachlordibenzofuran - TCDF

DIOXIN

- Herausforderung für die Umwelttechnik und Umweltanalytik – Quellen:

- Abfallverbrennung

Metallurgische Verfahren

Verunreinigung in Herbiziden (Chloraomatenchemie) - Eigenschaften:

Kristalline Festkörper, Löslichkeit: Wasser μg/l…ng/l; org.

Lösungsmittel g/l;

LD50 (Meerschwein) 0,6…2 μg/kg; Halbwertszeit 1 – 23 Tage bei Lichteinfluss

- Abfallverbrennung als Dioxinsenke katalytisch, adsorptiv

- Vietnamkrieg

Versprühen von 72 Mio. Liter Herbiziden Æ ca. 500 kg Dioxin

(Agent Orange: Butylestermischungen von 2,4 – Dichlorphenoxyessigsäure / 2,3,4-Trichlorphenoxyessigsäure, im Wasser vorwiegend kolloidaler Transport an Ton- und Eisenkolloiden)