Verfahren zur Bestimmung von Nitrat in natürlichen Gewässern sind bereits in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben worden. Der überwiegende Teil dieser Verfahren basiert auf colorimetrischen Methoden, deren relativ aufwendige Probenvorbereitung für eine Automatisierung allgemein von Nachteil sind. Nitrat wird dabei zu Nitrit reduziert, das nach Reaktion mit a-Naphtylamin und Sulfanilsäure einen roten Farbstoff bildet, der photometrisch bestimmt wird [GRASSHOFF 1983].
Einen anderen Weg geht eine von GALLOT et al. 1990 vorgestellte Methode der direkten Nitratbestimmung: Sie bedient sich des Prinzips der spektralen Multikomponentenanalyse, mit der sich die Konzentrationen einzelner Komponenten in einem Stoffgemisch simultan bestimmen lassen. Nach dieser Methode wird das UV-Absorptionsspektrum einer Probe im Wellenlängenbereich zwischen 205 und 250 nm gemessen. Anschließend wird über ein multiples Regressionsverfahren versucht, die Nitratkonzentration durch Vergleich mit vorab gemessenen Standardspektren zu bestimmen.
Dabei können jedoch Interferenzen mit anderen Substanzen auftreten, wenn diese im UVBereich eine ähnlich hohe Absorption wie Nitrat aufweisen oder wenn deren Absorptionsverhalten von exogenen Faktoren beeinflußt wird.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung und Problemstellung
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Bougert-Lambert-Beer-Gesetz
2.2 Prinzip der multiplen Regression (Multikomponentenanalyse)
2.3 Faktorenanalyse
3 Experimenteller Teil
3.1 Apparativer Aufbau
3.1.1 Laborversuche
3.1.2 Feldversuche
3.1.3 Küvetten
3.2 Experimentelle Durchführung
3.2.1 Allgemeine Vorgehensweise der direkten Nitratbestimmung
3.2.2 Standardlösungen
3.2.3 Carbonatlösungen für die Faktoren- und Regressionsanalyse
3.2.4 Reduktion von Nitrat zu Ammoniak mittels Raney-Nickel
3.2.5 Methode der Leitfähigkeitskompensation
3.2.6 Darstellung der AgCl-Säule
3.2.7 Meßkampagnen
4 Ergebnisse
4.1 Kompensation der Störbeiträge von Huminsäuren, Carbonat und Bromid
4.1.1 Aldrich-Huminstoff als Referenzsubstanz für Huminstoffe in natürlichen Gewässern
4.1.2 Raney-Nickel-Verfahren zur Darstellung einer natürlichen Gewässermatrix
4.1.3 Berechnung von Carbonat-Absorptionsspektren
4.1.3.1 Multiple Regressionsrechnung
4.1.3.2 Faktorenanalyse
4.1.4 Kompensation des Bromidbeitrags durch Leitfähigkeitsmessungen
4.1.5 Kompensation durch Austausch von Bromid gegen Chlorid
4.2 Bestimmung von Nitrat und Nitrit in künstlich aufgestocktem Elbwasser
4.2.1 Polynomverfahren
4.2.2 Raney-Nickel-Verfahren
4.3 Anwendung der Kompensationsmethoden in natürlichen Gewässern
4.3.1 Nitratbestimmung in Elbwasser
4.3.2 Nitratbestimmung in Brackwasser
4.3.3 Nitratbestimmung in Nordseewasser
4.3.3.1 Raney-Nickel-Verfahren
4.3.3.2 Polynomverfahren
5 Diskussion
5.1 Kompensationsmethoden
5.1.1 Kompensation der Huminstoffe
5.1.2 Kompensation des im Meerwasser enthaltenen Bromids
5.1.2.1 Kompensation durch Leitfähigkeitsmessungen
5.1.2.2 Verkürzung des Spektralbereichs bei gleichzeitiger Erhöhung der Schichtdicke
5.1.2.3 Kompensation durch Austauschreaktionen
5.1.3 Carbonat
5.1.3.1 Multiple Regression
5.1.3.2 Faktorenanalyse
5.2 Nitrat in natürlichen Gewässern
6 Zusammenfassung
8 Überblick der entwickelten Verfahren
Zielsetzung und Themen der Arbeit
Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, die Methode der direkten spektralphotometrischen Nitratbestimmung in natürlichen Gewässern zu verfeinern, um eine Grundlage für die Entwicklung eines Nitratsensors zu schaffen. Der Fokus liegt dabei auf der Kompensation von Störfaktoren wie Huminstoffen, Carbonaten und Halogeniden, welche die optische Messung in komplexen Matrizes wie Meer- oder Elbwasser signifikant beeinflussen können.
- Optimierung der Multikomponentenanalyse zur Nitratbestimmung.
- Entwicklung von Kompensationsstrategien für Huminstoffe, Bromid und Carbonat.
- Vergleich statistischer Verfahren wie Faktorenanalyse und multipler Regression.
- Validierung der Methoden in Feldstudien (Elbe, Nordsee).
- Einsatz von chemischer Vorbehandlung (Raney-Nickel) und physikalischer Korrektur.
Auszug aus dem Buch
4.1.2 Raney-Nickel-Verfahren zur Darstellung einer natürlichen Gewässermatrix
Eine weitere Methode zur Bestimmung des Hintergrundsignals in natürlichen Gewässern ergab sich aus der selektiven Reduktion von Nitrat in natürlichen Gewässern [MERTENS 1971].
Dazu wurde das Nitrat der Probe mit Raney-Nickel zu Ammonium reduziert, das keinerlei Absorption im Bereich oberhalb 200 nm aufweist, und deshalb die Nitratbestimmung nicht beeinträchtigt. Die nach der Reduktion verbleibende Absorption der filtrierten Lösung stellt das reine Hintergrundsignal dar. Nach Subtraktion des Hintergrundes entspricht das Restsignal im Idealfall (bei Abwesenheit von Nitrit) dem des Nitrats.
Um dieses Verfahren im Rahmen einer Multikomponentenanalyse für in-situ-Messungen einsetzen zu können, wurden die Extinktionen des Filtrats als Hintergrundspektrum, wie im Fall der kommerziellen Huminsäuren, für das Regressionsverfahren verwendet.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung und Problemstellung: Motivation und Notwendigkeit der Nitratüberwachung in Gewässern sowie Vorstellung des methodischen Ansatzes der spektralen Multikomponentenanalyse.
2 Theoretische Grundlagen: Erläuterung der physikalisch-chemischen Basis (Lambert-Beer-Gesetz) und der mathematisch-statistischen Verfahren (multiple Regression, Faktorenanalyse) zur Komponententrennung.
3 Experimenteller Teil: Beschreibung der Versuchsaufbauten, der verwendeten Apparaturen und der methodischen Vorgehensweise bei Labor- und Feldmessungen.
4 Ergebnisse: Präsentation der entwickelten Kompensationsmethoden für Störgrößen und deren Anwendung auf reale Wasserproben aus verschiedenen Gewässertypen.
5 Diskussion: Kritische Auseinandersetzung mit der Leistungsfähigkeit der verschiedenen Kompensationsansätze für unterschiedliche ökologische Matrizes.
6 Zusammenfassung: Abschließende Synthese der Ergebnisse zur Eignung der untersuchten Methoden für die Praxis der Nitratbestimmung.
8 Überblick der entwickelten Verfahren: Zusammenstellung der optimalen Modellparameter für die Nitratbestimmung in Salz-, Brack- und Süßwasser.
Schlüsselwörter
Nitratbestimmung, Spektralphotometrie, Multikomponentenanalyse, UV-Spektroskopie, Huminstoffe, Raney-Nickel, multiple Regression, Faktorenanalyse, Carbonatgleichgewicht, Gewässerüberwachung, Leitfähigkeitskompensation, Salzwasseranalyse, Brackwasser, Nordsee, Elbe.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Optimierung der direkten spektralphotometrischen Nitratbestimmung in natürlichen Gewässern unter Berücksichtigung verschiedener störender Hintergrundsignale.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Zentrale Themen sind die spektrale Multikomponentenanalyse, die Kompensation von Huminstoffen, Carbonaten und Bromid sowie die Anwendung dieser Verfahren auf Wasserproben mit variierenden Salzgehalten.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das primäre Ziel ist die Entwicklung und Verfeinerung mathematischer und chemischer Kompensationsmethoden, um eine präzise Nitratbestimmung in-situ zu ermöglichen und eine Basis für einen zukünftigen Nitratsensor zu schaffen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden primär verwendet?
Es werden UV-Absorptionsmessungen in Kombination mit statistischen Auswerteverfahren wie der multiplen linearen Regression und der Faktorenanalyse eingesetzt, ergänzt durch chemische Reduktionsverfahren (Raney-Nickel).
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil konzentriert sich auf die experimentelle Entwicklung der Kompensationsstrategien, die Durchführung von Labor- und Feldkampagnen sowie die Validierung der Ergebnisse gegenüber Standardmethoden.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit am besten?
Die wichtigsten Begriffe sind Nitratbestimmung, UV-Spektroskopie, Multikomponentenanalyse, Hintergrundkompensation und Gewässermatrix.
Warum ist die Kompensation des Carbonatgehalts so komplex?
Die Kompensation ist komplex, da sich das Carbonatgleichgewicht und damit das Absorptionsverhalten der verschiedenen Carbonatspezies abhängig vom pH-Wert der Probe ständig ändern.
Warum ist das Raney-Nickel-Verfahren für saline Gewässer ungeeignet?
In salinen Gewässern schwankt die Salzkonzentration gezeitenbedingt; das Verfahren kann hierbei nicht zwischen den störenden Einflüssen von Huminstoffen und dem Bromidanteil differenzieren, was die Messung verfälscht.
- Quote paper
- Guido Juilfs (Author), 1997, Spektralphotometrische Nitratbestimmung in natürlichen Gewässern, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/5080
