Umwelt als analytisches Ziel

Transkript

1 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

2 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

3 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!

4 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 einschließlich der biologischen Verfügbarkeit

5 Gefahrenbeurteilung: - nach Giftigkeit: - akuter Wirkung (sofort bei einmaliger Verabreichung, LD 50 ) - 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)

6 Ökotoxikologische Tests Organismus Methode, Messgröße Zeit, Parameter Akute Toxizität Bakterien Leuchtbakterientest, Stoffwechselaktivität min, EC 1 50 Algen Wachstumshemmtest 72 h, EC 50 Daphnien Immobilisierung, Mortalität 24 h, LC 50 Fische akute Toxizität, Mortalität 96 h, LC 50 Chronische Toxizität Bakterien Wachstumshemmung Stunden, NOEC 2 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

7 Gefahrenbeurteilung: - Gefahren durch Stoff (Umwelttoxizität) selbst - chemischer Unfall - Technischer Unfall bei Produktion - Tankerunglück - Umweltterorrismus - Elektrische Felder - Lärmbelastung

8 Bleigehalt von arktischem Eis aus verschiedenen Tiefen (= unterschiedliches Alter)

9 Zeitliche Entwicklung des CO 2 -Gehaltes der Atmosphäre Quelle: Klimatologie, Schönwiese C-D, Ulmer, Stuttgart (1994)

10 Arbeitsschritte bei einer Umweltanalyse - Probennahme - Probenlagerung, Konservierung, Transport - Probenvorbereitung - Messung - Auswertung (Datenspeicherung, Kalkulation, Report) - Interpretation

11 - 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!

12 Hauptaufgaben (Vor-Ort-Analytik) - 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

13 - Methoden (Vor-Ort-Analytik) - Mobile (tragbare) Gerätesysteme - Geräte zur Bestimmung von ph, Eh, Sauerstoff, Leitfähigkeit - tragbarer Gaschromatograph (auch GC-MS-System) - tragbarer Flüssigkeits-Chromatograph - mobiles Massenspektrometer

14 - 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 Parameter Farbreaktionen auszulösen, nach visuellem Farbvergleich des Prüfgefäßes mit einer Standardfarbskala (Komperator) kann der Messwert abgelesen werden, bei Substanzen, die selbst nicht färben, werden oft Indikatoren zugegeben, die sich verfärben

15 - ca. 200 verschiedene Tests - Kurz- und Langzeittests Prüfröhrchen (Dräger-Röhrchen) - auf Querempfindlichkeit achten - Bestimmung von MAK-Werten (maximale Arbeitsplatzkonzentration) - Dräger-Gasspürpumpe + entsprechendes Dräger-Röhrchen Handbedienung, Hubzahl: 1-50 und höher, Hubvolumen 100 ml (±5%)

16 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

17 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)

18 Instrumentelle Analysenverfahren

19 Funktionsprinzip der Spektrometrie Fluoreszenzintensität / A.E. 1.0x x x x x Emissionswellenlänge / nm

20 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.)

21 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

22 Sequentielle Extraktion langfristig verfügbar mittelfristig verfügbar HCl Gesamtgehalte Totalaufschluss Königswasser kurzfristig verfügbar HNO 3 (hochmolar) EDTA NH 4 NO 3 MgCl 2 CaCl 2 Bodensättigungsextrakt DTPA NH 4 OAc Beispiel: Ra-Verteilung 1. 1M Ammoniumacetat 2. 1M Natriumacetat 3. 0,1M NH 4 ClO 4. H 2 O ,25M EDTA 6. HNO 3 Druckaufschluss (zur Bilanzierung)

23 Beispiel: Analyse von Dioxin Dioxine Polychlordibenzo-p-dioxine (PCDD) Polychlordibenzofurane (PCDF) Umweltanalytik: g/m 3 Luft in Reinluftgebieten, - in verkehrsreichen Ballungsräumen Faktor 100 und mehr höher

24 Nomenklatur Dioxine, Furane 2,3,7,8-Tetrachlordibenzodioxin - TCDD 2,3,7,8-Tetrachlordibenzofuran - TCDF

25 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 ca. 500 kg Dioxin (Agent Orange: Butylestermischungen von 2,4 Dichlorphenoxyessigsäure / 2,3,4-Trichlorphenoxyessigsäure, im Wasser vorwiegend kolloidaler Transport an Ton- und Eisenkolloiden)