Tracerhydrologische Versuche

Institut für Geoökologie Abt. für Hydrologie Skript Tracerhydrologische Versuche Im Rahmen der Veranstaltung Labormethoden für Studierende der Geoökologie S. Schumann und T. Hohenbrink 2009

Mitzubringen: Laborkittel, Laborbuch, Taschenrechner, Millimeterpapier, Lineal, Bleistift, wenn vorhanden Notebook Gebräuchliche Einheiten: 1 g/m 3 = 1 mg/l = 1000 µg/l Beachten Sie: Bei der Handhabung von fluoreszierenden Farbtracersubstanzen in hohen Konzentrationen (> 0.1 mg/l) unbedingt Handschuhe tragen, um das Kontaminationsrisiko im Labor zu minimieren! Am 10.12.2009 findet von 8.00 bis 9.30 Uhr für alle PraktikumsteilnehmerInnen eine theoretische Einführung zu tracerhydrologischen Methoden statt. Der Vorlesungsraum wird noch bekannt gegeben. Bitte beachten Sie außerdem, dass Sie gruppenweise jeweils nur mit einer der beiden Tracersubstanzen arbeiten werden. Entweder Eosin oder Uranin. Im Protokoll müssen Sie aber jeweils die Ergebnisse der Partnergruppen (in Ergänzung jeweils Eosin zu Uranin und Uranin zu Eosin) mit verwenden! Uranin: Gruppen: 1, 3, 5, 7 Eosin: Gruppen: 2, 4, 6, 8 Partnergruppen: 1 + 2; 3 + 4; 5 + 6; 7 + 8 Bei Fragen: Tobias Hohenbrink Raum 419 (4. Stock) t.hohenbrink@tu-bs.de Zu zitieren als: Schumann, S. und T. Hohenbrink (2009): Skript Tracerhydrologische Versuche. Institut für Geoökologie, Abteilung für Hydrologie, TU Braunschweig, 7 Seiten.

Künstliche Tracer Künstliche Tracer sind Stoffe, welche dem Wasser zwecks Untersuchung seines Fliessverhaltens (Fliessrichtung, Fliessgeschwindigkeit, hydrodynamische Dispersion und Diffusion) beigegeben werden. Der ideale Tracer repräsentiert somit zu 100% die Wasserbewegung und sollte daher ein mit Wasser identisches Fliessverhalten aufweisen. Die Eigenschaften eines Tracers müssen deshalb sein: Gute Wasserlöslichkeit Chemische Stabilität Keine Sorptionseigenschaften an der Matrix Des Weiteren sollte folgendes erfüllt sein: keine (geringe) Toxizität, leichte Analytik, geringe Nachweisgrenzen, möglichst geringe Kosten. Es werden Umwelttracer von künstlichen Tracern unterschieden. Unter Umwelttracern werden solche Stoffe subsummiert, die in der Umwelt, als Isotope (z.b. Deuterium), zivilisatorische Stoffe (z.b. Tritium) oder chemische Verbindungen (z.b. Silikate) bereits existent sind. Künstliche Tracer werden zu Untersuchungen des Fliessverhaltens antropogen und kontrolliert in das hydrologische System eingebracht. Das Laborpraktikum begrenzt sich auf die Analytik von künstlichen Tracern, beispielhaft mit einem nicht fluoreszierendem Salz, dem Natriumchlorid (gemeines Kochsalz). TH 1: Leitfähigkeit verdünnter Lösungen: NaCl NaCl wird in tracerhydrologischen Untersuchungen oft als preiswerter Tracer eingesetzt. Die Na + oder Cl - Konzentrationsmessung wird dann häufig durch eine Messung der elektrischen Leitfähigkeit im Wasser ersetzt. Dabei wird davon ausgegangen, dass NaCl Konzentrationen sich in verdünnten Lösungen linear zur elektrischen Leitfähigkeit verhalten (Abb. TH-1.1). Häufig wird die Faustformel verwendet, dass jedes g NaCl in einem Liter Wasser zu einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit um 1 ms führt (1g NaCl/l 1 ms). Abb. TH-1.1: Elektrische Leitfähigkeit x in Abhängigkeit der Salzkonzentration β einer wässrigen Lösung (aus: WTW Leitfähigkeitsfibel, 1993). 2

Aufgaben: Überprüfen Sie die Linearität der Abhängigkeit von der Salzkonzentration zur elektrischen Leitfähigkeit anhand folgender Versuchsschritte: 1. Erstellen Sie NaCl Lösungen mit den Konzentrationen 0, 20, 50, 100, 200, 1000 mg/l. Verwenden Sie einmal destilliertes Wasser, und ein zweites Mal Leitungswasser (insgesamt 12 Lösungen). Wiegen Sie die zuvor berechnete Salzmasse mit der Präzisionswaage ein und erstellen Sie anschließend die Lösungen in 100 ml Messkolben. 2. Messen Sie die elektrische Leitfähigkeit der Lösungen (Messungen immer im ms Bereich beginnen!). 3. Tragen Sie die gemessenen elektrischen Leitfähigkeiten graphisch gegen die NaCl Konzentrationen auf und berechnen Sie die Regressionsgerade mit der Software MS Excel. Bewerten Sie den Fehler mittels Standardabweichung. Beantworten Sie folgende Fragen: 1. Warum haben Sie destilliertes Wasser verwendet? Wie wirkt sich die Verwendung von Leitungswasser aus? 2. Gilt die Faustformel 1g NaCl 1 ms? 3

Im Laborpraktikum werden außerdem beispielhaft zwei Fluoreszenztracer (Eosin und Uranin) eingesetzt. Dies sind organische Farbstoffe, welche nachdem sie durch Licht einer spezifischen Wellenlänge angeregt wurden, Licht mit einer höheren spezifischen Wellenlänge ausstrahlen. Das Wellenlängenspektrum reicht in etwa von 300 bis 650 nm. Uranin (aus Käss, W., 2004): Eosin (aus Käss, W., 2004): 4

TH 2: Umgang mit dem Fluoreszenzspektrometer Fluoreszenztracerkonzentrationen in Wasser werden mittels Fluoreszenzmessungen bestimmt. Dies ist eine optische Analyse welche den sichtbaren und nahen UV Bereich umfasst. Eine theoretische Einführung erfolgt im Hörsaal. Eine praktische Demonstration der Methode erfolgt im Labor. In Folge können die Proben der Versuche TH 3 bis TH 5 dann selbständig gemessen werden. Auswerten von Spektralkurven (aus: Wernli, H.R., 2003): 5

TH 3: Herstellung einer Verdünnungsreihe für Eichkurven, Überprüfung der Eichkurve: Eine Stammlösung mit der Konzentration 0.1 g/l (Fluoreszenztracer) ist bereits existent. Zu erstellen ist eine Zwischenlösung mit geeigneter Konzentration, aus der Sie anschließend die Eichlösungen mit folgenden Konzentrationen ansetzten können: (a) 0.5, 0.1, 0.05, 0.01, 0.005, 0.001, 0.0005 mg/l (Uranin) (b) 0.5, 0.1, 0.05, 0.01, 0.005, 0.001 mg/l (Eosin) Aufgaben: 1. Erstellen Sie ein Flussdiagramm über die Verdünnungsschritte 2. Führen Sie die Verdünnung durch (Verwendung von Rohwasser; hier gleich Leitungswasser) 3. Messung der Eichlösungen: Beginnen Sie jeweils mit der tiefsten Konzentration! 4. Darstellung der Eichkurve: Messparameter vs. Konzentration (mg/l) Beantworten Sie folgende Fragen: 1. Welche Form hat die Eichkurve. Haben Sie dies erwartet und warum? 2. Wie groß ist der Fehler? 3. Wo liegen die Fehlerquellen? 4. Wozu wird die Eichkurve benötigt? TH 4: Kontaminationsrisiken und Nachweisgrenzen Kontaminierte Probenflaschen können Versuchsergebnisse stark verfälschen, da sie eine erhöhte Tracerkonzentration in der Probe bewirken können. Die Kontaminationsrisiken sind Tracersubstanz- und Probenflaschenmaterialspezifisch da die Tracer und Flaschenmaterialien unterschiedlich sorptiv agieren. Des Weiteren hängt die noch messbare Konzentration von der Nachweisgrenze der Tracersubstanz ab. Sie haben Lösung von 0.1g/l Eosin und 0.1g/l Uranin zur Verfügung. Aufgaben: 1. Füllen Sie diese in einer Konzentration von jeweils 0.1 g/l in 2 unterschiedliche Flaschentypen ab: Glas und PE. Lassen Sie dann die Flaschen bis zum nächsten Praktikumstermin ruhen. 2. Führen Sie einen Versuch durch um aufzuzeigen, wie oft Sie die Flaschen spülen müssen, um eine Restkonzentration unter der Nachweisgrenze zu erreichen. Erstellen Sie zu diesem Zweck ein Flussdiagramm! 3. Wie stark wird die Lösung bei jedem Spülen ungefähr verdünnt? 4. Stellen Sie die Ergebnisse Stoff- und Flaschenspezifisch dar. 5. Beurteilen Sie die Ergebnisse bezüglich einer Wahl von Probeflaschen für einen Tracerversuch und die Spülgenauigkeit bei einer Flaschenwiederverwendung. 6

TH 5: ph-abhängigkeit der Fluoreszenzintensität Die Fluoreszenzintensität von Fluoreszenzfarbstoffen ist z.t. abhängig vom ph-wert der Lösung (Abb. TH-5.1). Es stehen für jede Gruppe 5 Proben mit verschiedenen Fluoreszenztracerkonzentrationen für den Versuch zur Verfügung. Aufgaben: 1. Messen Sie von den stehenden Proben den ph-wert. 2. Messen Sie dann die Fluoreszenzintensität der Proben 3. Verringern Sie den ph-wert der Proben auf einen ph zwischen 4 und 5 indem Sie 1 Tropfen 50%-ige Essigsäure auf ca. 50ml Probe aufgeben. 4. Messen Sie dann von den Proben den ph-wert erneut 5. Messen Sie dann von den ph-reduzierten Proben die Fluoreszenzintensität 6. Wie hat sich die Intensität verändert; was bedeutet dies für die Konzentrationsbestimmung der Tracersubstanz in den Proben, und wie groß ist jeweils der Fehler? Abb. TH-5.1: ph-abhängigkeit der Fluoreszenz einiger Fluoreszensfarbstoffe (aus: Käss, W., 2004) Literatur: Käss, W. (2004): Geohydrologische Markierungstechniken., 2. überarbeitete Auflage. Gebrüder Bornträger Verlagsbuchhandlung, Science Publishers, Stuttgart. Wernli, H.R. (2003): Einführung in die Tracerhydrologie. Geographisches Institut der Universität Bern, Labor. URL www.giub.unibe.ch/boden/skript_tracerhydrologie.pdf, verif. 25.11.2009. WTW-Leitfähigkeitsfibel (1993): WTW Wissenschaftlich-Technische Werkstätten GmbH (Selbstverlag), Weilheim i. OB. 7