Verunreinigungen im Wasser

Verunreinigungen im Eingangswasser

Die einzigartige Fähigkeit von Wasser, nahezu jede chemische Verbindung zu einem gewissen Grad aufzulösen und fast jede Form von Leben zu unterstützen, bedeutet gleichzeitig, dass das Eingangswasser viele Verunreinigungen enthält. Zu den bedeutendsten Verunreinigungen im Eingangswasser zählen:

• Suspendierte Partikel, einschließlich Kolloide
• Gelöste anorganische Salze
• Gelöste organische Verbindungen
• Mikroorganismen
• Pyrogene
• Gelöste Gase

Suspendierte Partikel

Suspendierte Materie im Wasser umfasst Schlamm/Sedimente, Ablagerungen von Rohrleitungen und Kolloide. Kolloidteilchen, die organischer oder anorganischer Art sein können, sind nicht wirklich gelöst oder suspendiert und führen daher zu einer Trübung im Wasser. Der Grad der kolloidalen Verunreinigung kann mit Hilfe des Fouling Index (Kolloid-Index) oder einer Trübungsmessung bestimmt werden.

Beim Fouling Index wird Eingangswasser durch einen Standardfilter gegeben und die Verblockung des Filters in einem bestimmten Zeitraum gemessen. Je größer die Verblockung ist, desto größer ist die kolloidale Verunreinigung.

Die Trübungsmessmethode hingegen bestimmt den Gesamtgehalt der suspendierten Teilchen im Eingangswasser. Hierzu wird ein Lichtstrahl durch das Wasser gesendet, während der Anteil der Lichtstreuung von den suspendierten Teilchen gemessen wird.

Die suspendierten Teilchen können die Umkehrosmosemembran verblocken. Ferner können Sie die Säulen die in der Analytik Anwendung finden, Ventile und Messinstrumente beeinträchtigen. Aus diesem Grund wird häufig ein 10- bis 20 µm Vorfilter als erste Komponente in einem Wasseraufbereitungssystem verwendet. Große Partikel werden dadurch aus dem Wasser gefiltert. Kleinere Partikel können hingegen durch Umkehrosmose, Ultra-Mikro-Filtration oder Ultrafiltration entfernt werden.

Gelöste anorganische Salze

Anorganische Substanzen umfassen Härtebildner, die aus Gesteinsschichten stammen. Die Bikarbonate von Kalzium und Magnesium führen zu einer „vorübergehenden Härte", während die Sulfate und Chloride eine „bleibende Härte" verursachen.

Weitere anorganische Verunreinigungen im Wasser sind:

Kohlendioxid, das im Wasser gelöst wird und eine schwach saure Kohlensäure ergibt

• Natriumsalze
• Silikate, die aus sandigen Flussbetten stammen
• Eisen(II)- und Eisen(III)-Verbindungen aus Mineralien und rostigen Leitungen
  
• Chloride aus salzhaltigen Zusätzen
• Aluminium aus Dosierchemikalien und -mineralien
• Phosphate aus Detergenzien
• Nitrate aus Düngemitteln

Wie wird die Menge der gelösten anorganischen Verbindungen bestimmt?

Total Dissolved Solids (TDS, Gesamtsalzgehalt) ist der verbleibende Anteil in ppm, der mit Hilfe der herkömmlichen Methode des Verdampfens einer Wasserprobe bei 180 ºC bestimmt wird. Der verbleibende Anteil enthält Kolloide, nicht flüchtige organische Verbindungen und Salze, die bei dieser Temperatur stabil sind. Anorganische Salze stellen den bei weitem größten Anteil dar, und TDS wird als Indikator des Gesamtgrads anorganischer Verbindungen im Speisewasser betrachtet. Dieser kann direkt gemessen oder geschätzt werden, indem die spezifische Leitfähigkeit des Wassers in µS/cm bei 25 ºC mit 0,7 multipliziert wird.

Spezifische Leitfähigkeit/spezifischer Widerstand

Die elektrische Leitfähigkeit und der elektrische Widerstand werden gewöhnlich als Parameter für die relative Reinheit von Wasser verwendet.

Die spez. Leitfähigkeit wird in Mikrosiemens pro Zentimeter (µS/cm) ausgedrückt und als Maßstab der Eingangswasserqualität oder als Wasser vom Primärgrad angesehen. Der spez. Widerstand ist der spez. Leitfähigkeit reziprok und wird in Megaohm-Zentimeter (MWcm) ausgedrückt.

Wie werden Leitfähigkeit und Widerstand gemessen?

Die im Wasser vorhandenen anorganischen Salze bestehen aus positiv geladenen Kationen und negativ geladenen Anionen. Diese leiten elektrischen Strom, wenn Spannung zwischen den beiden Elektroden im Wasser angelegt wird. Je mehr Ionen im Wasser vorhanden sind, desto höher ist der Strom, desto höher die Leitfähigkeit und geringer der Widerstand.

Leitfähigkeitswerte von weniger als 2 µS/cm werden online gemessen, da hoch reines Wasser Verunreinigungen aus der Umgebung, insbesondere Kohlendioxid, schnell absorbiert und zu einem Anstieg der Leitfähigkeit führt.

Die Bedeutung der Temperatur

Leitfähigkeit und Widerstand sind temperaturabhängig. Bei 25 ºC hat absolut reines Wasser durch die Präsenz von Wasserstoff- und Hydroxylionen einen Widerstand von 18,2 MΩ-cm (und eine Leitfähigkeit von 0,055 µS/cm).

Eine Erhöhung der Wassertemperatur führt zu einer erhöhten Leitfähigkeit und einem geringeren Widerstand. Dies ist jedoch nicht als Verschlechterung der Wasserqualität zu interpretieren. Steigt die Temperatur um 1 ºC an, steigt die Leitfähigkeit des Leitungswassers um ca. 2 %, während Reinstwassers sogar um 6 % ansteigt. Normalerweise werden alle Leitfähigkeits- und Widerstandswerte auf 25 ºC korrigiert. Bei hoch entwickelten Geräten zur Leitfähigkeitsmessung erfolgt diese Korrektur, die für eine exakte Arbeitsweise äußerst wichtig ist, automatisch.

Ultraspurenanalyse

Obwohl der spez. Widerstand ein wesentlicher Indikator für die Ionenqualität von Wasser mit hohem Reinheitsgrad darstellt, sind diese Informationen für bestimmte sensible Anwendungen nicht ausreichend. In Fällen, in denen die Kontaminaten in ppb bzw. ppt gemessen werden, finden die Analysetechniken wie Ionenchromatographie, Graphitofen-Atomabsorptions-Spektrophotometrie und induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie ihren Einsatz.

pH

Die Messung des pH von Reinstwasser ist schwierig. Reinstwasser absorbiert nicht nur schnell Verunreinigungen, die den pH-Wert beeinflussen, sondern auch eine niedrige Konduktanz. Diese führt bei den meisten pH-Messgeräten zu Schwankungen, sofern sie nicht speziell für die Arbeit im Reinstwasserbereich ausgelegt sind. Da die Ionen-Konzentration im Wasser den pH-Wert als auch den Widerstand beeinflußt, liegt der pH-Wert bei einer gegebenen Widerstandsanzeige innerhalb bestimmter Grenzen liegen. Falls der spez. Widerstand beispielsweise 10 MΩ-cm beträgt, muss der pH-Wert zwischen 6,6 und 7,6 liegen. Der pH-Wert von Reinstwasser kann auf 4,5 abfallen, wenn Kohlendioxid aus der Atmosphäre absorbiert wird. Jedoch bedeutet dies nicht, daß das Wasser damit stark verunreinigt ist. Ein Bruchteil eines ppm CO₂ führt bereits zum Abfall des pH.

Gelöste organische Verbindungen

Organische Verunreinigungen im Wasser entstehen aus der Zersetzung pflanzlicher Materie. Hierbei handelt es sich um Humin- und Fulvinsäuren, Abfallstoffen von Landwirtschaft und Papierindustrie sowie Haushalts- und Industrieabfällen. Diese umfassen Detergenzien, Fette, Öle, Lösungsmittel und Reste von Pestiziden und Herbiziden. Zusätzlich können im Wasser vorkommende organische Verbindungen aus Rohrleitungen, Tanks und Aufbereitungsmedien stammen.

Ein Wasseraufbereitungssystem kann ebenfalls eine Verunreinigungsquelle darstellen, wenn die Materialien nicht rein- oder reinstwassertauglich sind.

Wie kann die Menge der gelösten organischen Verbindungen gemessen werden?

Organische Verunreinigungen im Rohwasser führen oft zu einer gelblich-braunen Färbung und können Ionenaustauschharze sowie das Produktwasser verunreinigen. Der Grad der organischen Verunreinigung kann mit Hilfe des Sauerstoffabsorptions-Tests (Oxygen Absorbing, OA-) der eine Kaliumpermanganatlösung beinhalted, oder des chemischen Sauerstoffbedarfs-Tests (Chemical Oxygen Demand, COD-) gemessen werden. Analysegeräte für TOC werden aufgrund der einfachen Interpretation ihrer Ergebnisse und Empfindlichkeit beim Nachweis geringer Konzentration organischer Verbindungen in Wasserproben zunehmend verwendet. Wasser mit einem sehr niedrigen TOC-Gehalt (< 10 ppb) ist für Anwender von HPLC, Fluoreszenzanalyse und Gewebekultur von besonderer Bedeutung.

Mikroorganismen

Oberflächenwasser enthält eine große Bandbreite von Mikroorganismen, wie Amöben, Bakterien, Pantoffeltierchen, Kieselalgen und Algen. Da der größte Teil des Laborwassers jedoch aus städtischen Wasserwerken stammt und in Bezug auf Mikroorganismen weitgehend behandelt wird, spielen vor allem Bakterien eine wichtige Rolle. Diese sind in Wasseraufbereitungssystemen zu berücksichtigen.

Ein typischer Bakteriengehalt für eine Trinkwasserversorgung eines Labors beträgt 10 KBE/ml, (Kolonie bildende Einheiten/pro Milliliter).

Bakterien werden durch einen sehr geringen Gehalt an Chlor und anderen Desinfektionsmitteln auf diesem Niveau gehalten. Nach dem Desinfektionsprozess haben Bakterien jedoch wieder eine Chance, sich entsprechend zu vermehren.

Ein Aufbereitungssystem für Reinstwasser hat folgende Aufgaben:

• Entfernung der vorhandenen Bakterien aus dem Eingangswasser
• Verhinderung des Eindringens von Bakterien in das System, was zu einer erneuten Verunreinigung führen würde
• Verhinderung des Bakterienwachstums im System
• Sicherstellung, daß nur ein minimaler Anteil von Bakterien im Produktwasser vorhanden ist.

Was sind Bakterien?

Bakterien sind einzellige Organismen, deren Zahl mit einer exponentiellen Rate steigt. Sie kommen in stehendem Wasser, auf vielen Oberflächen und in der Luft vor. Sie überleben auf einer Reihe von Substraten einschließlich gelöster organischer und anorganischer Verbindungen, von denen sie sich ernähren. Bakterien, deren Stoffwechsel Eisen, Schwefel und Stickstoff verwenden, stellen gute Beispiele für Organismen dar, die sich das jeweils verfügbare Wachstumsmedium zu Nutze machen. Bakterien vermehren sich in Reinstwassersystemen, ohne entsprechende Sicherheitsvorkehrungen, mit erstaunlicher Schnelligkeit.

Wie sind Wasseraufbereitungssysteme konzipiert, um Bakterienwachstum entgegen zu wirken?

Bakterien gelangen aus dem Eingangswasser, in offene Systeme oder über die Entnahmestelle leicht in ein ungeschütztes Wasseraufbereitungssystem. Sind die Bakterien erst einmal im System angelangt sind, können einige eine schleimig polymere Substanz absondern, mit deren Hilfe sie sich an Oberflächen von Speichertanks, Ionenaustauscherpatronen , Rohrleitungen und versteckten Bereichen wie den Innenseiten von Ventilen „festkleben".

Bakterien werden gewöhnlich bestimmt, indem das Probenwasser mit einem 0,45-Mikrometer-Filter filtriert und eine Bakterienkultur auf einem geeigneten Medium über einen Zeitraum von mehreren Tagen erzeugt wird.

Die Bestimmung von Bakterien wird in koloniebildenden Einheiten pro Milliliter (KBE/ml) angegeben. Bakterien können mit Desinfektionsmitteln wie Wasserstoffperoxid, Hypochlorit und Bisulfit abgetötet werden. Nach ihrer Abtötung können ihre polymeren Absonderungen und Lipopolysaccharid-Zellfragmente jedoch zurückbleiben und ebenso, falls diese nicht entfernt werden, Probleme verursachen.

Die Bezeichnung Pyrogen, der Name für die zellulären Fragmente von Bakterienzellwänden, bedeutet „Fieber verursachend". Wenn Wasser, das Pyrogene enthält, in ein Säugetier injiziert wird, kommt es zu einer Temperaturerhöhung des Säugetiers. Aus diesem Grund muss Wasser für pharmazeutische Zwecke pyrogenfrei sein. Außerdem haben Pyrogene unerwünschte Auswirkungen auf Experimente mit Gewebekulturen.

Pyrogene wurden in der Vergangenheit nachgewiesen, indem das Probenwasser in speziell präparierte Kaninchen injiziert wurde und diese im Hinblick auf eine Temperaturerhöhung überwacht wurden. Diese Methode wurde jetzt durch den LAL (Limulus-Amöbozyten-Lysat-) Test ersetzt - ein sensibler Test zum Nachweis sehr geringer Konzentration von Endotoxinen.

Gelöste Gase

Sauerstoff und Kohlendioxid sind die zwei Gase, die am häufigsten in natürlichem Wasser vorkommen. Kohlendioxid verhält sich wie ein schwaches Anion und wird mit Hilfe stark basischer Anionenaustauscherharze entfernt. Gelöster Sauerstoff kann ebenfalls durch Gase oder Anionenaustauscherharze in Sulfitform entfernt werden. Die Konzentration des gelösten Sauerstoffs im Eingangswasser kann mit sauerstoffspezifischen Elektroden überwacht werden.