DE102009047858A1 - Induktive in-situ-Messtechnik für elementare Metalle bei der Sanierung von Grundwasserkontaminationen mit Metallkolloiden - Google Patents

Abstract

Technisches Problem Die Bestimmung des Ausbreitungsverhaltens und des Langzeitverhaltens von elementUntergrundkontaminationen ist bislang nicht direkt möglich. Es müssen hierzu indirekte Verfahren herangezogen werden, die mit erheblichen Unsicherheiten verbunden sind. Problemlösung Durch eine spezielle induktive Messtechnik, die durch eine besondere Anordnung von zwei Spulen (Erregerspule und Messspule) können elementare Metalle vor dem Hintergrund der geogenen (oxidierten) Metalle bestimmt werden. Die Anordnung erlaubt einen festen Einbau in den Untergrund und damit sowohl die Überwachung der Einbringung der Metalle als auch eine Langzeitüberwachung der Metallkonzentration. Anwendungsgebiet Bestimmung von elementaren Metallen im Untergrund bei Sanierungen.

Description

• Die Erfindung beschreibt ein Messverfahren, das es ermöglicht, elementare Metalle im Untergrund zu detektieren und ihre Konzentration zu messen, ohne durch geogene Metalle beeinflusst zu werden.
• Stand der Technik
• Die Anwendung von elementaren Metallen (z. B. Eisen) in Form von Suspensionen zur Sanierung von Grundwasserkontaminationen ist eine relativ neue Technik, die deutliche Vorteile gegenüber dem Einsatz von Metallen in Form von reaktiven Wänden hat. Die Metalle werden dabei als Suspension von Feinstteilchen (Nanopartikel) in den Untergrund gepumpt, was prinzipiell in beliebigen Tiefen und ohne aufwändige Bauwerke möglich ist. Es können hierfür z. B. herkömmliche Grundwassermessstellen verwendet werden. Ein Problem bei dieser Technik ist die Messung der Metalle als Beleg für die Ausbreitungsdistanz und als Indikator für die Wirksamkeit, was bisher nicht direkt im Untergrund möglich war. Die Ausbreitungsdistanz ist ein wichtiger Parameter für die Planung von Sanierungsbrunnen (Festlegung von Abstand und Anzahl der erforderlichen Brunnen). Der Restgehalt an aktivem Metall bestimmt den Zeitpunkt der Wiederholung der Injektion. Bisher ist wenig über die genaue Transportfähigkeit von Nanometallen in porösen Medien bekannt. Insbesondere beim Injizieren der Nanometallsuspension gibt es unterschiedliche Angaben zur Ausbreitung. Einige Autoren berichten, dass Nanoeisen mehrere Meter transportiert werden kann [Gavaskar A., L. Tatar, W. Condit, 2005: "Cost And Performance Report, Nanoscale Zero-Valent Iron Technologies For Source Remediation", Naval Facilities Engineering Service Center] oder sogar mit der Grundwasserströmung mitströmt [Elliott, D. W., W-X. Zhang, 2001: "Field Assessment of Nanoscale Bimetallic Particles for Groundwater Treatment", Environ. Sci. Technol. 2001, 35, 4922–4926], während in anderen Literaturstellen die Reichweite mit nur einem halben Meter angegeben wird [Müller, C., P. Rissing, F. Widmayer, M. Wischott, 2006: "Nano-Eisen Feldversuch: Strategie, Durchführung, Ergebnisse und Auswertung", Altlasten Spektrum 3/2006].
• Aufgabenstellung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Detektion und Messung der Konzentration von elementaren Metallen in Untergrund zu finden, das nicht durch geogene Metalle beeinflusst wird, kostengünstig und langzeitstabil ist. Zudem ist davon auszugehen, dass die Materialverteilung um die Messstelle herum relativ homogen ist, weshalb die bekannten Differenzmessverfahren hier nicht angewendet werden können.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung in der Weise erfüllt, dass ein System, das aus zwei Spulen, einer Messelektronik sowie einer rechnergestützten Auswertung besteht, verwendet wird. Beide Spulen befinden sich im Boden, sodass bei Verwendung mehrerer Messstellen eine dreidimensionale Ortsauflösung erreicht werden kann. Die erste Spule erzeugt ein zeitharmonisches Magnetfeld im Boden und mit der zweiten Spule wird eine induzierte Spannung gemessen. Diese hängt sowohl von den elektrischen wie auch den magnetischen Eigenschaften der Probe ab. Die Messelektronik erlaubt eine automatisierte Langzeitmessung. Die rechnergestützte Auswertung ist notwendig, um Ungenauigkeiten in der Messung und der Fertigung der Messanordnung zu kompensieren. Insbesondere kann so eine Langzeitstabilität gewährleistet werden. Durch eine rechnerische Kalibration des Systems im Feldversuch kann eine sehr hohe Genauigkeit in der Konzentrationsmessung erreicht werden.
• Insgesamt ist es mit diesem Verfahren möglich, mit relativ kostengünstigen Komponenten sowohl eine räumliche wie zeitliche Messung der Konzentration von Nano und Mikrometallen im Boden mit hoher Genauigkeit durchzuführen. Damit kann sowohl die Ausbreitung der Partikel während der Injektionsphase als auch der Abbau der Konzentration während des Prozesses beobachtet werden.
• Ausführungsbeispiel
• Die Erfindung wird durch ein Ausführungsbeispiel und den nachstehenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt 1 die Primärspule, mit der das zeitharmonische Magnetfeld im Boden erzeugt wird, und die Sekundärspule, die über die gemessene induzierte Spannung Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften im Boden erlaubt. Dazu gehören insbesondere die elektrische Leitfähigkeit und die Suszeptibilität.
• Mithilfe einer Primärspule wird im Boden ein zeitharmonisches Magnetfeld erzeugt. Da es technisch im Prinzip nicht möglich ist, eine praktikable Spulenanordnung zu entwickeln, bei der die magnetische Energie ausschließlich in der Umgebung der Spule liegt, ist das Optimierungsziel, möglichst die gesamte magnetische Energie auf das Innere der Spule zu konzentrieren. Damit wird auch eine Kopplung mit weiteren Spulen, die für die Messung der räumlichen Verteilung der Metallkonzentration verwendet werden, minimiert. Allerdings ist es dann notwendig, dass die Suspension mit den Nanometallen durch die Spule fließt. Der Vorteil der in 1 gezeigten langen Spule ist, dass die Anforderungen an die Konzentration des Magnetfeldes auf einen kleinen Bereich sehr gut erfüllt werden. Zudem kann die Spule ohne Trägermaterial im Boden vergraben werden. Dadurch kann der Spulenquerschnitt maximal für die Messung ausgenutzt werden. Alternativ kann auch eine Anordnung ähnlich der bekannten Helmholtz-Spule verwendet werden. Dann müssen die Wicklungen jedoch auf einem unmagnetischen und elektrisch isolierenden Material befestigt werden. Der nutzbare Spulenquerschnitt sinkt damit, wodurch die Empfindlichkeit der Anordnung reduziert wird. Zudem besitzt diese Anordnung ein größeres Streufeld. Positiv wirkt sich dann aber aus, dass sowohl die Induktivität als auch die Kapazität der Spule geringer werden, was die Auswertung der Messsignale vereinfacht.
• Da davon ausgegangen werden kann, dass innerhalb der Spule und in der Umgebung der Spule die gleichen Materialverhältnisse vorherrschen, ist die magnetische Feldstärke direkt proportional zum Strom, mit dem die Spule gespeist wird. Dieser Strom wird möglichst exakt gemessen. Je nach Ausführung der Spule und der verwendeten Frequenz, wird die Kapazität der Spule bei der Messung des Stroms ebenfalls berücksichtigt. Dabei ist zu beachten, dass die Kapazität auch von der Fließgeschwindigkeit der Suspension abhängt. Gemessen wird der Strom in der Zuleitung der Spule. Mithilfe geeigneter Referenzmessungen wird aus diesem gemessenen Strom der tatsächliche Strom in der Spule und damit der Strom, der letztendlich das Magnetfeld erzeugt, berechnet.
• Über die Sekundärspule wird eine induzierte Spannung gemessen. Diese hängt vom magnetischen Fluss, der die Sekundärspule durchdringt, ab. Der magnetische Fluss hängt von der Suszeptibilität und der elektrischen Leitfähigkeit ab. Bei relativ niedrigen Frequenzen dominiert der Einfluss der Suszeptibilität, weshalb das Verfahren dann besonders zur Messung von magnetischen Metallen wie Eisen geeignet ist. Bei höheren Frequenzen sind die Wirbelströme in der Suspension zu berücksichtigen. Diese hängen von der elektrischen Leitfähigkeit der Suspension und damit indirekt von der Konzentration an Nanometallen ab. In beiden Fällen wird die Sekundärspule so angebracht, dass der Materialeinfluss möglichst vollständig erfasst wird. In 1 befindet sich die Sekundärspule außerhalb der Primärspule. So ist ein mechanisch einfacher Aufbau möglich und der Spulenquerschnitt der Primärspule bleibt vollständig erhalten. Alternativ kann die Sekundärspule auch innerhalb der Primärspule liegen. Dadurch wird der Einfluss des Streufeldes der Primärspule reduziert aber auch der effektive Spulenquerschnitt verringert. Bei einer Helmholtzanordnung wird ein Träger benötigt und die Sekundärspule wird zwischen den Primärspulen angebracht. Durch einen Träger und ein absolut wasserdichtes Vergießen der Spulen kann die Kapazität der Spule konstant gehalten werden, was die Auswertung vereinfacht. Durch eine Referenzmessung werden alle Toleranzen im Messaufbau erfasst und die Messung der induzierten Spannung erfolgt mit hoher Genauigkeit. Eine Differenzmessung, wie sie in der Literatur häufig zu finden ist (z. B. DE 3920081 A1 ), kann nicht angewendet werden, da mit der notwendigen Genauigkeit kein Referenzgebiet ohne Suspension im Boden verwendet werden kann.
• Ein wesentlicher Bestandteil der beschriebenen Messanordnung ist die rechnergestützte Auswertung der Signale. So können zum einen die benötigten Systemkonstanten mit sehr hoher Genauigkeit und unter Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen bestimmt werden. Zudem ist es unmöglich, die Frequenz und den Strom über einen langen Zeitraum mit der geforderten Genauigkeit konstant zu halten. Zudem wird die Messung auch durch äußere Einflüsse, wie beispielsweise die Temperatur, beeinflusst. Damit die Messergebnisse auch erfasst werden können, wird für jedes Spulenpaar eine Messplatine (2) verwendet. Diese misst sowohl den Eingangsstrom zur Primärspule als auch die induzierte Spannung in der Sekundärspule. Zudem wird die Frequenz protokolliert. Alle Messergebnisse werden digitalisiert und anschließend nach den oben beschriebenen Verfahren korrigiert und ausgewertet.
• Das beschriebene Verfahren liefert Messsignale mit einem beliebig einstellbaren Zeitfenster. Die Messung der räumlichen Verteilung der Metallkonzentration wird durch die Verwendung vieler Spulenpaare erreicht. Da die Spulen nur ein sehr geringes Streufeld haben, kann eine hohe räumliche Auflösung erreicht werden.
• Alle Leitungen zwischen den Spulen und der Messelektronik müssen geschirmt ausgeführt werden. Nur so ist eine gegenseitige Beeinflussung der Spulenpaare und der Primärspule mit der Sekundärspule zu vermeiden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• - DE 3920081 A1 [0009]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• - Gavaskar A., L. Tatar, W. Condit, 2005: ”Cost And Performance Report, Nanoscale Zero-Valent Iron Technologies For Source Remediation”, Naval Facilities Engineering Service Center [0002]
• - Elliott, D. W., W-X. Zhang, 2001: ”Field Assessment of Nanoscale Bimetallic Particles for Groundwater Treatment”, Environ. Sci. Technol. 2001, 35, 4922–4926 [0002]
• - Müller, C., P. Rissing, F. Widmayer, M. Wischott, 2006: ”Nano-Eisen Feldversuch: Strategie, Durchführung, Ergebnisse und Auswertung”, Altlasten Spektrum 3/2006 [0002]

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung von Metallpartikeln im Untergrund, dadurch gekennzeichnet, dass eine Primärspule, durch die ein zeitharmonischer Wechselstrom fließt, der ein Magnetfeld im Boden erzeugt, und eine Sekundärspule, mit deren Hilfe eine induzierte Spannung gemessen wird, die von der Suszeptibilät, der elektrischen Leitfähigkeit und der verwendeten Frequenz abhängt, verwendet werden, wobei sich das Spulenpaar vollständig im Untergrund befindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Größen ein Maß für die Konzentration von elementaren Metallen am Ort der Spule darstellen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch Kalibrierung mit bekannten Konzentrationen den Signalen eine Metallkonzentration zuordnen lässt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Einbau der Spulenanordnung im Untergrund eine Langzeitbeobachtung der Metallkonzentration erlaubt, wodurch die Wirksamkeit der Metallinjektion überprüft werden kann.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle gemessenen Größen rechnergestützt ausgewertet werden, um sowohl Mess- als auch Fertigungstoleranzen zu eliminieren, aber auch um auf eine Differenzmessung zu verzichten, da die benötigten Referenzwerte und Systemkonstanten während der Messung ermittelt werden und zur Kalibrierung des Systems verwendet werden, wobei auch alle sogenannten parasitären Effekte im System berücksichtigt werden.
6. Vorrichtung zum Durchführen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung durch Kabel mit einer Elektronik verbunden ist, die den Wechselstrom für die Erregerspule erzeugt und den Strom in dieser misst sowie die Messung der induzierten Spannung in der Empfängerspule übernimmt.