Automatisk overvåking av tungmetaller i vann

Øyvind Mikkelsen og Knut SchrøderSensAqua AS

ogNorges teknisk- naturvitenskapelige

universitet (NTNU)Institutt for kjemi

Trondheim

www.sensaqua.com

Meteorologiske data- hentes inn på automatiske værstasjoner og

resultatene overføres deretter direkte til en sentralenhet, ofte er også dette øyeblikkelig tilgjengelig via Internett.

.. men forurensningsdata- Hentes inn manuelt i felten, med prøvetaking, der

prøvene tas inn til laboratoriet for analyse.

Betydelige ressurser brukes årlig for innhenting av prøver og laboratorieanalyser av tungmetaller.

VÅRE METODER GJØR DET MULIG OGSÅ Å GJØRE DETTE AUTOMATISK

slik man har gjort i årevis i meteorologi.

Generelt kan man analysere på tre forskjellige måter:

• Prøver samles inn og sendes til laboratorier for analyse med avanserte instrumenter. Et store antall analysemetoder står da til rådighet.

• Enkeltanalyser utført på stedet. Her kan man bruke enkle instrumenter som pH-metere, fotometre etc. Papirstripsmetoder benyttes også meget.

• Dessuten har man automatiske overvåkingsmetoder, som vi diskuterer her.

Fordeler ved bruk av automatiske metoder

• Muligheter for raskt å kunne gripe inn hvis resultatene overskrider akseptabelt nivå

• Store mengder data blir tilgjengelig, dette muliggjør f.eks. å følge døgnvariasjoner

• Vanligvis relativt lave kostnader, slik at f.eks. flere kilder kan overvåkes

• Hvis ønskelig kan dataene gjøres tilgjengelig i sanntid på Internett

For kvalitetssikring bør det suppleres med noemanuell prøvetaking og analyser i laboratoriet.

Hvilke komponenter kan overvåkes automatisk i vann?

• Temperatur• pH• COD, TOC og hovedkomponenter• Ledningsevne• Turbiditet og farge• Vannivå og flythastighet• En del bakterier m.m.

Men tungmetaller er ikke på listen.

Krav som må oppfylles for fjernovervåking

• Langtidsstabilitet for målesystemet, dvs. tilstrekkelig lang tid mellom hvert vedlikehold.

• Tilstrekkelig følsomhet for målingene.• Ingen bruk av giftige kjemikalier for å gjennomføre målingene.• Ikke for kostbar installasjon, slik at det er mulig å sette opp flere

enheter. Her må han også tenke på risikoen for tyveri og hærverk fra ubetjente stasjoner.

• Tilstrekkelig infrastruktur med elektrisitet (solceller og batterier kan benyttes hvis det ikke må beskyttes mot frost.

• Adgang til Internett eller annen telekommunikasjon.

Hvorfor er ikke tungmetaller på listen?Fordi man ikke har hatt brukbare analysemetoder.

Disse forutsetningene er sjelden oppfylt for tungmetaller.

Hovedproblemet ved fjernovervåking har man når konsentrasjonen av det som skal måles er så lavt at altfor avanserte instrumenter må benyttes for å komme over deteksjons-grensen, eller når giftige kjemikalier må anvendes i analysen.

Her er det også viktig å nevne at det er meget stor forskjell på analysemetoder som fungerer fint på labben – og metodikk som skal fungere uten tilsyn i felt. Alt for mange analytiske

arbeider er bare testet på laboratoriet, og bare antatt å fungere i felt.

Hvilke analytiske metoder kan benyttes for overvåking av tungmetaller i lave konsentrasjoner?

I laboratoriet brukes som oftest spektroskopi, som atomabsorpsjon, eller ICP-MS, men for automatisk overvåking møter man ofte nevnte problemer med stabilitet, følsomhet, giftighet eller omkostninger.

Et alternativ er elektroanalytiske metoder - potensiometri med ioneselektive elektroder voltammetriMen selv om bruk av potensiometri/ioneselektive elektroder ville vært en ideell løsning, er denne vanligvis ubrukelig fordi den ikke er tilstrekkelig følsom.Voltammetri er også en god løsning hvis man kan unngå å bruke giftig materiale som flytende kvikksølv eller kvikksølvsalter, noe som hittil har vært nødvendig.

I voltammetri måles den elektriske strømmen som skyldes en eller flere redoksreaksjoner ved overflaten av en elektrode.

Her er elektrodene helt avgjørende fordi disse “føler” de komponentene (tungmetallene) som skal måles ved å gi denne strømmen.

Ved kalibrering benyttes denne strømmen til å finne de aktuelle konsentrasjonene.

• Tilstrekkelig høy overspenning for redoksprosessen) for å kunne foreta målingene uten interferens fra dannelse av hydrogengass

• Tilstrekkelig langtidsstabilitet uten behov for vedlikehold

• Tilstrekkelig følsomhet for å kunne foreta måling av forurensningene (tungmetallene)

• At mare ikke-giftige stoffer benyttes (spesielt viktig for målinger utenfor laboratoriet

• Ikke bruk av for kostbare materialer

Totalt er det fem forutsetninger for at slike automatiske voltammetriske analyser kan kunne benyttes:

Det helt vesentlige er å oppnå stabilitet over lang tid, kombinert med tilstrekkelig overspenning under målingene, for at man unngår dannelse av hydrogengass på elektrodene, men uten å måtte bruke giftige materialer.Den strømmen som måtte skyldes en dannelse av hydrogengass vil ødelegge målesignalet.

Hvordan kan dette løses…..?

LØSNING:

Man lager en legering med ett metall med høy overspenning og med et metall med lav slik overspenning.

Man finner en betydelig overspenning for hydrogengassdannelse, selv med lave tilsetninger (2-4%).

Bruk av faste legeringselektroder kan ikke være nytt i voltammetri?Merkelig nok hadde dette ikke blitt studert før vi gjorde våre første eksperimenter i 1997.En mulig forklaring var at det var antatt at en elektrode bare virket tilfredsstillende hvis den var laget at et enkomponent metal. Av den grunn hadde ingen brydd seg om å prøve noe annet.Senere, etter vår patentering, kom det flere publikasjoner om dette.

Det nye systemet gir viktige fordeler:

• Lett å implementere online• Ikke giftig• Stabilt over lengre tid uten tilsyn• Det kan brukes for en rekke forskjellige

tungmetaller

Legeringselektroder!

Flytende kvikksølv eller deponert kvikksølvfilm

Faste og miljøvennlige legeringssensorer

Tilstrekkelig overspenning?

Behovet for fjernovervåking,Hva har man allerede…?

Norge; 139 elver, 20 forbrenningsanlegg, 2500 vannrenseanlegg.

Europe ……

USA; 5000 eksisterende stasjoner der overvåking av tungmetaller kan bli implementert, 14400 gruver, 4000 industrianlegg, 54000 vannrenseanlegg

Kina; 111 eksisterende stasjoner der overvåking av tungmetaller kan bli implementert, 3000 industrianlegg

Japan;135 elver, 55 sjøer, 1,400 forbrenningsanlegg, 3,000 avløpsanlegg, 1,500 vannrenseanlegg

India; 72 eksisterende stasjoner der overvåking av tungmetaller kan bli implementert

Cadmium

Voltammetric detection of Cadmium

4.4

5.46.4

7.4

8.49.4

10.4

11.4

12.4

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0E (V)

I (m

A)

Elektrodesystem system:

Arbeidselektrode DAMMotelektrode PtRef el. Ag/AgCl/KClNH4Ac (0,05M)

Noen eksempler

Flere eksempler….

ATMS500

ATMS600

De kjemiske prinsippene og elektrodesystemet er det samme for den gamle og for den nye versjonen.

Den gamle versjonen brukte en PC som kontrollenhet. Nå er all elektronikk på et mikroprocessorkort. En PC brukes bare for oppstart og datapresentasjon.

Dette forenkler service og vedlikehold i felt fordi mikroprosessorkortet og elektrodene kan skiftes ut. Av den grunn er det ikke nødvendig å demontere enheten for service på et verksted, slik det var for ATMS500.

ATMS500 vs. ATMS600

Konklusjoner og videre planerDenne metoden åpner for nye muligheter for automatisk miljøovervåking.Den har lave omkostninger og tillater derfor overvåking I et stort antall vannsystemer.Forurensningsdataene kan umiddelbart gjøres allment tilgjengelig, f.eks. via Internett.Man kan umiddelbart få satt i gang tiltak hvis det oppstår uønskede situasjoner, slik at man kan opprett-holde bedre vannkvalitet og mindre forurensende utslipp.

Vår hensikt er her å introduserede nye mulighetene

ContactsKnut Schrøder, Professor, General ManagerEMAIL: Knut.Schroder@chem.ntnu.no

Øyvind Mikkelsen, Professor, Chairman of the BoardEMAIL: Oyvind.Mikkelsen@chem.ntnu.no

Norwegian University of Science and TechnologyandSensAqua AS

Klikk her for mer om kundegrupper

Klikk her for mer om voltammetri

Klikk her for mer om dokumentasjon

Takk for oppmerksomheten

Nærmere opplysninger:www.sensaqua.comsensaqua@sensaqua.comTel. 922 98 478