CaFroPeSens

Der zunehmende Eintrag von Phosphat in Form von Düngern oder über Produkte der Reinigungsindustrie führt zu einer übermäßigen Nährstoffanreicherung der Gewässer und zu einer Verschlechterung der Wasserqualität. Bisherige Nachweisverfahren nutzen eine standardisierte nasschemische Methode. Der Nachteil: Die Nachweissubstanzen müssen mitgeführt und zum richtigen Zeitpunkt in der richtigen Konzentration zugegeben werden, um überhaupt eine korrekte Bestimmung zu ermöglichen. Zudem ist die Wartung nasschemischer Systeme aufwändig.
 
Hier setzt das Verbundprojekt „CaFroPeSens“ an:

Ziel des Verbundprojektes CaFroPeSens ist die Entwicklung eines elektrochemisch wirkenden Sensors, welcher in eine Multiparametersonde eingebunden werden kann. Hierbei wird das „Smart-Sensor“-Konzept verfolgt: Dabei wird die autark arbeitende Sonde zusätzlich mit weiteren Sensoren wie zum Beispiel Temperaturfühler, pH-Meter oder auch Leitfähigkeitssensor kombiniert und kann alle Messwerte automatisch erfassen und übermitteln.

Das seit Ende 2019 laufende Projekt stellt die hohen Anforderungen einer Sensorentwicklung dar. Damit die Funktionalität eines Sensorsystems gewährleisten werden kann, müssen alle Einzelmodule perfekt ineinander greifen.

Am Beginn der Messkette steht stets das eigentliche Messverfahren. Das eingesetzte, rein elektrochemische Prinzip arbeitet analog zu ISO 6878:2004, substituiert jedoch einzelne Schritte. Die Komplexreaktion von Phosphat und Molybdat zu einem Phosphomolybdatkomplex (PMK) bleibt dabei erhalten. Statt Zudosierung wird das Molybdat über Oxidation einer Molybdänelektrode in-situ generiert.

Im Rahmen der Projektförderung wurde der Oxidationsmechanismus genau beleuchtet. Mittels komplexer elektrochemischer Methoden wie linearer Sweep-Voltammetrie (LSV) wurden grundlegende Mechanismen der Molybdänoxidation in wässriger Matrix dargestellt. Durch parallelen Einsatz wechselstrombasierter (AC) Analysenverfahren – sogenannte Elektro-Impedanzspektroskopie (EIS) – wurde die Schichtentwicklung bei Oxidation untersucht. Gleichzeitig wurden auch Veränderungen des Analyten selbst durch die Forschungspartner HKA / Fraunhofer ICT methodisch aufgeklärt. Die ablaufende Komplexreaktion wurde mittels in-situ Raman-Spektroskopie unter verschiedensten Elektrolytbedingungen ( z. B. variierendem pH-Wert) evaluiert und ein optimaler Arbeitspunkt für das Oxidationsverfahren gefunden. Die räumliche und zeitliche Verteilung der Molybdatreagenz konnte mittels elektrochemischer Rastermikroskopie (SECM) durch Komplexierung zu Ferromolybdat dargestellt werden. Die generierte Molybdatmenge wurde wiederum durch quantitative Verfahren wie optische Emmisionsspektroskopie (ICP-OES) und UV-VIS-Spektroskopie ermittelt.

Die zweite Differenz stellt der Detektionsmechanismus dar. Statt Ermittlung der Phosphatlast über optische Verfahren nach nasschemischer Reduktion gemäß Lambert-Beer‘schem Gesetz nutzt der Sensor ein voltammetrisches Analysenverfahren. Der Komplex wird elektrochemisch quantitativ reduziert – dessen Zudosierung entfällt somit. Dank Förderung durch das BMBF wurde dieses neuartige Verfahren untersucht und implementiert. Das auf einem klassischen Drei-Elektroden-Aufbau basierende Messprinzip wurde im Projektverlauf extrem miniaturisiert.

Neben materialtechnischen Fragestellungen wurden in Kooperation konstruktive Lösungen für die Integration der notwendigen Komponenten in eine knapp 3 cm durchmessende Einstabmesssonde gefunden. Das angewandte Sensorsystem wurde im Gegensatz zu bisherigen Forschungsansätzen direkt für den Einsatz in gewässertechnischen und industriellen Umgebungen konzipiert. Gesichtspunkte wie Robustheit, geringer Wartungsaufwand und einfache Bedienbarkeit waren treibende Faktoren der Entwicklung.

Jedes Messverfahren ist von einer geeigneten Steuer- und Messelektronik abhängig. In Zusammenarbeit der Forschungspartner Gebrüder Heyl sowie SEBA Hydrometrie wurde eine miniaturisierte und intelligente Elektroniklösung realisiert. Dank umfangreicher Fördermittel wurde eine ebenso komplexe wie vollintegrierte Platine entwickelt. Das Highlight stellt die vollumfänglich funktionsfähige Integration eines Mehrkanalpotentiostaten dar.

Die Messwerte werden in einem gemeinsamen Protokoll an eine zentrale und intelligente Elektronik kommuniziert. Die Multiparameter-Einheit (SEBA Hydrometrie) koordiniert den Messeinsatz mit anderen Messgrößen in der Multiparametersonde und kombiniert alle relevanten Daten für den Nutzer. Die software- sowie hardwaretechnische Adaption wurde im Projekt komplett realisiert.

Laufendes Projekt 01/2019 — 12/2022