DE19705195C2 - Meßanordnung zur Bestimmung der Konzentration von in einem flüssigen Medium gelösten Gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Bestimmung der Konzentration von in einem flüssigen Medium gelösten Gasen gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, wie in US 4 041 932 bei der Abhandlung des dort genannten Standes der Technik beschrieben.

Derartige Messungen, beispielsweise das "Dräger DLE-Verfahren", werden bisher durchgeführt, indem man ein Trägergas, beispielsweise Luft, durch eine das zu messende Gas enthaltende Probe der Flüssigkeit in einer Waschflasche strömen läßt, so daß das Trägergas den zu messenden gasförmigen Stoff, insbesondere einen flüchtigen Schadstoff, aufnimmt. Das Trägergas kann dabei zunächst durch einen Vorfilter, insbesondere ein Aktivkohleröhrchen, zur Vorreinigung geleitet werden und wird dann mit einer Pumpe zum Meßgerät zur Bestimmung der Konzentration des Gases gefördert, wobei zwischen Vorfilter und Meßgerät die Waschflasche mit der vom sauberen Trägergas durchströmten Probe der Flüssigkeit angeordnet ist. Das Tauchrohr der Waschflasche ist dabei mit einer Fritte versehen, um eine feine Verteilung des Gases in der Flüssigkeit und damit einen möglichst hohen Sättigungsgrad des Trägergases zu erreichen. Die Sättigung des Trägergases mit zu bestimmendem Gas ist hierbei von verschiedenen Parametern, wie insbesondere Größe der Gasblasen, Temperatur, Verweilzeit in der Flüssigkeit abhängig. Dadurch werden spezielle Geräte, individuelle Kalibrierung und Korrektur bei der Auswertung der Meßergebnisse erforderlich. Eine genauere Beschreibung hierzu findet sich in der Dräger-Firmenschrift "Analytik von Schadstoffen in flüssigen Proben", Seiten 1 bis 8, vom Juni 1995. Die eigentliche Bestimmung der Konzentration des Gases erfolgt in einem üblichen Meßgerät, beispielsweise bestehend aus einem visuell oder optoelektronisch abgetasteten Prüfröhrchen mit einer stoffspezifisch und konzentrationsabhängig anzeigenden Farbreaktionszone, wobei die Länge des angezeigten Farbumschlags in der Regel ein Maß für die Konzentration des nachzuweisenden Gases ist.

Aus der eingangs genannten US 4,041,932 ist eine Meßanordnung zur Bestimmung der Konzentration von in einem flüssigen Medium (Blut) gelösten Gasen bekannt geworden mit einem Meßgerät zur Bestimmung der Konzentration der Gase, einer zugeordneten Fördereinheit für die Gas und einem dem Meßgerät in Gasströmungsrichtung vorgeschalteten und an den Gaseinlaß des Meßgerätes über einen gasdichten Schlauchabschnitt angeschlossenen Körper, der aus einem für die zu messenden Gase durchlässigen, jedoch für die Flüssigkeit undurchlässigen Material besteht, und der für die Messung in die Flüssigkeit einbringbar ist.

Aus der US 4,960,711 und der DE 40 11 297 A1 gehen verschiedene Anwendungsfälle hervor, um mittels eines Trägermediums Gase, die durch eine semipermeable Membran abgetrennt wurden, in ein Meßgerät zu transportieren.

Die Verwendung von gaspermeablen Membranen wie PTFE (Polytetrafluorethylen) in Vorrichtungen zur Messung des Partialdruckes von in Flüssigkeiten gelösten Gasen mittels optischer Methoden geht aus der DE 44 45 668 A1 hervor.

Aus der Zeitschrift für Meteorologie, 27, 1977, Seiten 341 bis 350 sind verschiedene Meßmethoden zur Bestimmung gasförmiger Luftverunreinigungen bekannt geworden, wobei auch die Verwendung von durchlässigen Silikonschläuchen für Diffusionsmessungen von Spurenkomponenten offenbart ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einfach aufgebaute Meßanordnung ohne Waschflasche zur Bestimmung der Konzentration von in einem flüssigen Medium gelösten Gasen bereitzustellen.

Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes nach Anspruch 1 an.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die für die Bestimmung der Konzentration von Gasen bekannten Meßgeräte mit einer einfachen, vorgeschalteten Anordnung eines Körpers aus einem halbdurchlässigen Material auch für die Konzentrationsbestimmung von in einem flüssigen Medium gelösten Gasen verwendet werden können. Das halbdurchlässige Material läßt die flüssige Phase nicht durchdringen, wohl aber das zu messende Gas. Die erfindungsgemäße Meßanordnung weist ein durchströmbares Volumen aus halbdurchlässigem Material auf, insbesondere einen mikroporösen, aus PTFE (Polytetrafluorethylen) bestehenden Schlauch oder schlauchförmigen Körper, der in der zu untersuchenden Flüssigkeit so angeordnet ist, daß die Außenfläche von der Flüssigkeit benetzt und die Innenseite von einem Trägergas, insbesondere Luft oder Stickstoff oder auch einem Edelgas, durchströmt wird. Somit bildet die Schlauchwand die Phasengrenze. Aufgrund des Partialdruckgefälles wird das Trägergas im schlauchförmigen Körper mit dem in der Flüssigkeit gelösten, zu bestimmenden Gas beladen. Der Sättigungsgrad ist dabei im wesentlichen nur noch von leicht einstellbaren Parametern abhängig, nämlich von der Größe der mit der Flüssigkeit in Kontakt stehenden Schlauchwandaußenfläche, dem geförderten Gasvolumenstrom sowie der Temperatur. Die nach dem bekannten Verfahren mit Waschflasche nicht oder nur schwer beeinflußbaren Parameter, wie Größe der Luftblasen, Eintauchtiefe der Fritte in die Flüssigkeit sowie die Fritte selbst, entfallen. Auf ein individuelles Kalibrieren der Waschflasche kann somit verzichtet werden. Das Trägergas wird also im wesentlichen abhängig von der in der Flüssigkeit herrschenden Konzentration des nachzuweisenden Gases mehr oder weniger stark beladen. Ein weiterer positiver Effekt ergibt sich durch die Länge des durchströmten Körpers: Je länger dieser ist, um so eher ergibt sich im Inneren in Strömungsrichtung des Trägergases eine Anreicherung mit dem zu bestimmenden Gas, bis schließlich eine Sättigung erreicht ist. Insbesondere die Bestimmung der Konzentration des nachzuweisenden Gases mit Hilfe eines nachgeschalteten Meßgerätes auf der Basis von optoelektronisch abgetasteten Farbreaktionsröhrchen oder Farbreaktionskapillaren bietet eine sehr einfache und genaue Meßmethode, weil das zur Messung notwendige Volumen extrem klein ist und somit das Verhältnis von zu förderndem Gasvolumen zur Oberfläche des halbdurchlässigen Körpers sehr klein ist. Als geeignete halbdurchlässige Materialien sind insbesondere mikroporöse Materialien auf PTFE (Polytetrafluorethylen)-Basis zu nennen, die undurchlässig für das flüssige Medium, nämlich im allgemeinen Wasser, sind, jedoch die zu messenden Gase oder Dämpfe durchlassen. Die gegenständliche Ausführung des halbdurchlässigen Materials erfolgt als schlauchförmiger Körper, wobei dieses ein Rohr, ein Schlauch oder auch ein paralleles Hohlfaserbündel sein kann. Ebenso könnte der schlauchförmige Körper in Form eines im wesentlichen zweidimensionalen, plattenförmigen Moduls ausgebildet sein oder in Form eines mäandrierenden oder labyrinthförmig ausgebildeten, unterteilten Schlauchabschnittes. Gegebenenfalls können auch mehrere Schlauchabschnitte parallel verwendet werden. Wesentlich ist, daß eine möglichst große Außenwandfläche des schlauchförmigen Körpers oder des Moduls mit dem das nachzuweisende Gas enthaltenden flüssigen Medium in Kontakt steht bzw. in diesem Medium eingetaucht ist. Die erfindungsgemäße Anordnung ist auch zur Konzentrationsbestimmung von entsprechend belasteten Böden geeignet, beispielsweise zur Gasextraktion aus Deponien oder schlammhaltigen Arealen.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßanordnung in einer schematischen Darstellung anhand der Zeichnung erläutert.

Es wird eine Meßanordnung für die Direktmessung eines in einem flüssigen Medium, insbesondere Wasser, gelösten Gases, beispielsweise H₂S, gezeigt. Das Meßgerät 1 zur Bestimmung der Konzentration des Gases befindet sich in unmittelbarer Nähe des eigentlichen Meßaufnehmers, beispielsweise am Rand einer zu untersuchenden Flüssigkeit 2. Ein schlauchförmiger Körper 3 aus mikroporösem, halbdurchlässigen PTFE befindet sich in der Flüssigkeit 2, im allgemeinen ist dies Wasser. Je ein gasdichter Schlauchabschnitt 4 verbindet den schlauchförmigen Körper 3 mit dem Meßgerät 1 über den Gaseinlaß 5 einerseits sowie über einen Schwimmkörper 6 andererseits mit der Umgebungsluft. Die Außenfläche des schlauchförmigen Körpers 3 ist vollkommen mit Flüssigkeit 2 in Kontakt und die Schlauchabschnitte 4 schließen in der Flüssigkeit 2 an, wie in der Figur angedeutet. Die Umgebungsluft wird in diesem Fall als Trägergas verwendet, wobei diese in der durch den Pfeil am Schwimmkörper 6 angedeuteten Strömungsrichtung durch die Meßanordnung und letztlich in das Meßgerät 1 mit Hilfe einer darin integrierten oder nachgeschalteten, nicht explizit dargestellten Pumpe gefördert wird. Das in der Flüssigkeit 2 gelöste, nachzuweisende Gas strömt aufgrund des Partialdruckgefälles in den für dieses Gas durchlässigen, schlauchförmigen Körper 3 und wird von dem Trägergas, nämlich hier Luft, zum Meßgerät 1 transportiert. Je größer bei gegebener Temperatur die wirksame Oberfläche des schlauchförmigen Körpers 3, also bei gegebenem Schlauchdurchmesser die Länge des Schlauches ist und je niedriger der Gasvolumenstrom ist, desto schneller wird der Sättigungsgrad des Trägergases mit zu messendem Gas erreicht. Die Messung der Konzentration des zu bestimmenden Gases findet im Meßgerät 1 statt. Dies ist vorzugsweise ein auf Basis von Farbreaktionsröhrchen, insbesondere jedoch auf Basis von Farbreaktionskapillaren, arbeitendes Meßsystem mit optoelektronischer Auswertung der gasspezifischen Farbreaktionszone. Dabei steht die Länge der Verfärbungszone bei vorgegebenem Gasvolumen im allgemeinen in einem linearen Zusammenhang mit der Konzentration des zu bestimmenden Gases, und somit ist die Konzentration quantitativ bestimmbar. Je nach Zusammensetzung eines Gases aus verschiedenen Bestandteilen kann es sinnvoll sein, stoffspezifische, chemisch selektive Vorfilter vor dem Meßgerät 1 im Verbindungsschlauch oder im Gaseinlaß 5 des Meßgerätes 1 vorzusehen, um Falschmessungen durch Querempfindlichkeiten des Meßverfahrens gegenüber verschiedenen anderen, störenden Gaskomponenten auszuschließen. Durch derartige Vorfilter wird sichergestellt, daß nur das zu messende Gas letztlich mit dem Trägergas in das Meßgerät 1 gelangt. Versuche mit einer wie vorstehend beschriebenen Anordnung führten für die Messung der Konzentration von H₂S in Wasser zu guten Ergebnissen, die eine empfindlichere Auflösung in bezug auf niedrige Konzentrationen als mit der nach Stand der Technik bekannten Methode mit Waschflasche ermöglichten. In diesem Fall wurden die Messungen bei einem Gasvolumenstrom von 15 mL/min mit einem mikroporösen PTFE-Schlauch von mindestens 3 mm Durchmesser und einer Länge von etwa 50 bis 70 cm durchgeführt. Im Falle der Verwendung von üblichen Farbreaktionsröhrchen wurden gute Ergebnisse schon mit einem mikroporösen PTFE-Schlauch von mindestens 4 mm Durchmesser und einer Länge von etwa 100 bis 120 cm erzielt.

Claims (5)

1. Meßanordnung zur Bestimmung der Konzentration von in einem flüssigen Medium gelösten Gasen, mit

• 1. einem Meßgerät zur Bestimmung der Konzentration der Gase,
• 2. einer zugeordneten Fördereinheit für die Gase,
• 3. einem dem Meßgerät in Gasströmungsrichtung vorgeschalteten und an den Gaseinlaß des Meßgerätes über einen gasdichten Schlauchabschnitt angeschlossenen Körper, der aus einem für die zu messenden Gase durchlässigen, jedoch für die Flüssigkeit undurchlässigen Material besteht, und der für die Messung in die Flüssigkeit einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
• 4. der Körper (3) an seiner dem obengenannten Schlauchabschnitt (4) entgegengesetzten Seite einen weiteren gasdichten Schlauchabschnitt (4) aufweist, durch den der Körper (3) über einen auf der Flüssigkeit schwimmenden Schwimmkörper (6) mit einer Trägergasquelle oder mit der Umgebungsluft verbunden ist.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorzugsweise schlauchförmige Körper (3) aus einem wasserundurchlässigen mikroporösen Material besteht.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorzugsweise schlauchförmige Körper (3) aus Polytetrafluorethylen (PTFE) besteht.

4. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinheit für die Gase dem Meßgerät (1) in Gasströmungsrichtung nachgeschaltet ist.

5. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßgerät (1) mindestens ein chemisch reaktives, gasselektives Vorfilter vorgeschaltet ist, um die die Konzentrationsbestimmung eines bestimmten Gases störenden übrigen Gase eines Gasgemisches zu retinieren.