Die Methode gibt die Definitionen der verschiedenen Arten der Wasserhärte und deren Berechnungen wieder.
Wasser, das in der Brau- und Lebensmittelindustrie verwendet wird.
Nach DIN 38409 Teil 6 (Januar 1986) wird als „Härte" eines Wassers sein Gehalt an Calcium- und Magnesium-Ionen verstanden. In einigen Spezialfällen kann es sinnvoll sein, daneben auch Barium- und Strontium-Ionen der Härte zuzurechnen. Wenn auch der Härtebegriff aus wissenschaftlicher Sicht nicht erforderlich und sogar – weil keine SI-Einheit – im Prinzip gesetzlich unzulässig ist, so scheint er doch in manchen Fällen notwendig oder wirkt vereinfachend. Aus diesem Grunde soll an dieser Stelle neben den Angaben in mg/l, mval/l und mmol/l noch die ältere Einheit berücksichtigt werden. Die Maßeinheit 1 Deutscher Grad, 1°d (früher auch 1°dH) entspricht (bezogen auf CaO) 0,3566 mval/l = 0,179 mmol/l: *)
*) SI-Einheiten ab 01. 01. 1978 im amtlichen und rechtgeschäftlichen Verkehr, wobei °d in mmol/l ausgedrückt werden soll.
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10,00 mg/l CaO |
= |
7,15 mg/l Ca2+ |
= |
0,3566 mval/l |
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7,19 mg/l MgO |
= |
4,34 mg/l Mg2+ |
= |
0,3566 mval/l |
Bei der Maßeinheit 1 mval/l sind die obigen Werte um den Faktor 2,804 höher (1/10 des CaO-Äquivalentgewichts).
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28,04 mg/l CaO |
= |
20,04 mg/l Ca2+ |
= |
2,804 °d |
|
20,15 mg/l MgO |
= |
12,15 mg/l Mg2+ |
= |
2,804 °d |
Eine Konzentration von 1 mg/l an Erdalkali-lonen entspricht:
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1 mg/l Ca2+ |
= |
0,1399 °d |
= |
0,0499 mval/l Härte |
|
1 mg/l Mg2+ |
= |
0,2306 °d |
= |
0,0822 mval/l Härte |
In natürlichen Wässern überwiegen von den Erdalkali-lonen Calcium und Magnesium.
Für bestimmte Verwendungszwecke und/oder Aufbereitungsverfahren genügt es nicht, die Gesamthärte zu kennen, sondern man unterscheidet, von welchen Erdalkali-lonen sie verursacht wird (Calcium- oder Magnesium-lonen) und welchen Anionen sie äquivalent entsprechen. Hier spielen die lonen der Kohlensäure eine besondere Rolle (Carbonat- und Hydrogencarbonat-lonen).
Die Untergruppen der Härte lassen sich folgendermaßen charakterisieren
Calcium- oder Kalkhärte (Ca-H):
Durch Calcium-lonen verursachter Anteil der Härte des Wassers.
Magnesium- oder Magnesiahärte (Mg-H):
Durch Magnesium-lonen verursachter Anteil der Härte des Wassers.
Gesamthärte (GH):
Unter diesem Begriff wird die Summe der Einzelhärten (Ca-H + Mg-H) verstanden.
Carbonathärte (KH):
Die Carbonathärte entspricht dem Anteil der Erdalkali-lonen, der den im Wasser vorhandenen Hydrogencarbonat- und Carbonat-lonen äquivalent ist. Diese lonen werden durch die Bestimmung des m-Wertes in mval/l erfasst. Wasser ohne Säureverbrauch (pH < 4,3) hat keine Carbonathärte. Der m-Wert entspricht der Carbonathärte in mval/l, solange dieser Wert die Gesamthärte in mval/l nicht übersteigt, da die Carbonathärte definitionsgemäß nicht höher sein kann als die Gesamthärte. Wasser, dessen m-Wert die Gesamthärte in mval/l übersteigt, nennt man „sodaalkalisch", da es Natrium enthält. Für die Wahl des Aufbereitungsverfahrens kann es noch angebracht sein, zwischen Kalk- und Magnesia-Carbonathärte zu differenzieren (Kalk-KH und Magnesia-KH).
Nichtcarbonathärte (NKH):
Sie ist die Differenz zwischen der Gesamthärte und der Carbonathärte und somit der Anteil an Calcium- und Magnesium-lonen, für die kein äquivalenter Anteil an Hydrogencarbonat- und Carbonat-lonen im Wasser vorhanden ist, sondern für die eine äquivalente Menge anderer lonen vorliegt (z. B. Hydroxid, Chlorid, Sulfat, Nitrat, Phosphat, Silicat, Humat). Wässer, deren m-Wert ≥ GH (mval/l) ist, haben keine Nichtcarbonathärte.
Benötigte Analysendaten:
Gehalt an Calcium-lonen in mg/l oder mval/l
Gehalt an Magnesium-lonen in mg/l oder mval/l
Säureverbrauch, m-Wert in mval/l
Die Methode beschreibt die Bestimmung des Säureverbrauchs bzw. der Säurekapazität in Wasser.
Wasser, das in der Brau- und Lebensmittelindustrie verwendet wird.
Bestimmung der Konzentration an gelöstem Kohlendioxid in karbonisierten Getränken in Flaschen und Dosen mittels Druck- und Temperaturmessung
Die Kohlendioxidkonzentration wird aus dem nach Anstechen des Gebindes und kräftigem Schütteln sich einstellenden Druck und der Temperatur berechnet [1, 2].
Da die in dem Gebinde vorhandene Luft nicht berücksichtigt wird, erhält man etwas zu hohe Ergebnisse. Bei Bier kann durch Messungen unmittelbar nach der Abfüllung der Einfluss des Kopfraumgases durch sog. Sniften (siehe Durchführung) jedoch vermindert werden. Die Methode hat den Vorteil, dass sie sehr schnell durchzuführen ist.
Für präzise Messungen sind die Partialdrücke der gelösten Fremdgase (O2, N2) gegebenenfalls zu berücksichtigen.
Bei karbonisierten Getränken mit einem Zuckergehalt von mehr als 10 g/l muss die durch den gelösten Zucker bedingte geringere Löslichkeit der Kohlensäure berücksichtigt werden.
Bestimmung der Konzentration an gelöstem Kohlendioxid in karbonisierten Getränken mittels Volumenexpansion
Geeignet zur Bestimmung der Konzentration an gelöstem Kohlendioxid in karbonisierten Getränken. Konzentrationsbereich 2,5 bis 6,2 g/l.
Das Gerät beruht auf der Mehrfachvolumen-Expansionsmethode Patent Anton Paar). Hierbei wird das Volumen der Messkammer in zwei gesonderten Schritten vergrößert und zweimal der Gleichgewichtsdruck und die Temperatur registriert und zur Berechnung herangezogen. Der wahre Kohlendioxidgehalt wird unabhängig vom Gehalt an gelösten Fremdgasen ermittelt [1, 2, 3].
Die Abbildung Luftdruckkorrektur zeigt, wie der Einfluss von gelösten Fremdgasen (Luft oder Stickstoff) auf das Messergebnis durch die Methode der mehrfachen Volumenexpansion eliminiert wird. Der CO2-Gehalt wird bei zwei verschiedenen Volumenexpansionen der Messkammer gemessen. Sind keine gelösten Fremdgase vorhanden, so sind die zwei Ergebnisse identisch, und keine Korrektur ist notwendig. Gelöste Fremdgase bewirkt, dass das Ergebnis bei größerer Volumenexpansion (2. Messung) niedriger ist als das Ergebnis bei kleinerer Volumenexpansion (1. Messung). Aus der Differenz beider Ergebnisse wird ein Korrekturwert berechnet, durch den der Einfluss des gelösten Fremdgases (Luft oder Stickstoff) auf das Messergebnis vollständig eliminiert wird.
Bestimmung der Konzentration an gelöstem Sauerstoff durch elektrochemische Sauerstoffsensoren mit freiliegenden Elektroden
Das Messverfahren mit dem Digox-Analysator arbeitet nach dem potentiostatischen 3-Elektroden-Messsystem von Tödt und Teske ohne Membran.
Dabei bestehen die Messelektrode aus massivem Silber, die Gegenelektrode aus Edelstahl und die Bezugselektrode aus Silber/Silberchlorid.
Nach Anlegen einer definierten „Polarisationsspannung", läuft an der Messelektrode eine elektrochemische Reaktion ab. Die Sauerstoffmoleküle werden reduziert.
Messelektrode (Silber):
O2 + 2 H2O + 4 e− → 4 OH− (kathodischer Vorgang)
Gegenelektrode (VA):
4 OH− → O2 + 2 H2O + 4 e− (anodischer Vorgang)
Der bei dieser Reaktion fließende Strom ist direkt proportional zur Menge an gelöstem Sauerstoff, wenn die Polarisationsspannung möglichst exakt auf dem Niveau des Diffusionsgrenzstromes fixiert ist.
In diesem Fall stellt sich der Zusammenhang wie folgt dar:
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I |
= |
Messstrom |
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= |
Sauerstoffkonzentration |
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F |
= |
Faraday-Konstante (96 485,309 C/mol) |
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n |
= |
Anzahl der pro Molekül umgesetzten Elektronen |
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A |
= |
Kathodenoberfläche |
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d |
= |
Dicke der „ungerührten Grenzschicht“ |
Die Dicke der ungerührten Grenzschicht wird von den hydrodynamischen Verhältnissen an der Messelektrode bestimmt, der Transport der Sauerstoffmoleküle durch die Grenzschicht von temperaturabhängigen Diffusionsvorgängen. Diese beiden klar definierten Einflussfaktoren werden exakt gemessen und kompensiert.
Um die Polarisationsspannung zwischen beiden Elektroden definiert justieren zu können, wird bei Digox Messgeräten eine dritte Elektrode, die Vergleichselektrode, eingesetzt. Diese Vergleichselektrode steht über ein Diaphragma mit der Oberfläche der Messelektroden in elektrolytischem Kontakt, ohne dass ein Stoffaustausch stattfinden kann [1, 2].
Eine Inline-Kalibrierung ist integriert. Unter Ausnutzung des Faradayschen Gesetzes wird durch Elektrolyse des Wassers eine exakt definierte Menge Sauerstoff erzeugt.
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I |
= |
Elektrolysestrom |
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t |
= |
Zeit |
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m |
= |
Masse, [g/mol] |
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F |
= |
Faraday-Konstante (96 485,309 C/mol) |
Der Sauerstoff löst sich im durchströmenden Messgut und wird an der Messzelle nachgewiesen. Der bei der Elektrolyse ebenfalls entstehende Wasserstoff ist für die Messung ohne Belang. Die Kontrolle der Kalibrierwerte sowie eine ggf. erforderliche Korrektur werden über einen Mikroprozessor vorgenommen. Die Elektrolyse ermöglicht eine Kalibrierung des Gerätes im Messgut unter Messbedingungen. Der Messbetrieb wird durch die Kalibrierung nicht unterbrochen.