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WAn1P, Thema 3 - und Biotechnologie (KMUB)

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Prof. Dr. Harald Platen<br />

Labor für Umweltanalytik <strong>und</strong> Ökotoxikologie<br />

Fachbereich Krankenhaus- <strong>und</strong> Medizintechnik,<br />

Umwelt <strong>und</strong> <strong>Biotechnologie</strong> (<strong>KMUB</strong>)<br />

Fachhochschule Gießen-Friedberg<br />

Wiesenstraße 14<br />

35390 Gießen<br />

Tel. <strong>und</strong> Fax: 0641-309 2533<br />

E-Mail: harald.platen@tg.fh-giessen.de<br />

URL: http://kmubserv.tg.fh-giessen.de/pm/platen/<br />

Materialien zum<br />

Praktikum<br />

Wasseranalytik 1<br />

(Abwasser)<br />

<strong>Thema</strong> 3:<br />

Anorganische<br />

Stickstoff-<br />

verbindungen<br />

5. überarbeitete Auflage<br />

Gießen 2004<br />

Seite 1 von 12<br />

C:\Users\HPlaten\01_Arbeitsbereich_HP\2000_Lehrveranstaltungen_aktuell\2030_WAnP1\2007-WS\HP2030-<strong>WAn1P</strong>-03-01-Stickstoff-5-Aufl.doc<br />

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Prof. Dr. Harald Platen<br />

Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />

<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />

Chronologie der Auflagen:<br />

WS 2002/03 1. Auflage, neu gefasst aus Praktikumsunterlagen der Jahre 1996 bis 2002<br />

SS 2003 2. Auflage<br />

WS 2003/04 3. Auflage<br />

SS 2004 4. Auflage (überarbeitet <strong>und</strong> ergänzt)<br />

WS 2007/08 5. Auflage (korrigiert)<br />

© by Prof. Dr. Harald Platen<br />

Fachhochschule Gießen-Friedberg, Fachbereich 04 <strong>KMUB</strong>, Wiesenstraße 14, D-35390 Gießen.<br />

Seite 2 von 12<br />

Die kommerzielle Verwertung des vorliegenden Dokuments ist, auch auszugsweise, nicht gestattet! Studierenden<br />

der Fachhochschule Gießen-Friedberg ist es gestattet, das Dokument für ihren Eigenbedarf zu<br />

kopieren. Andere Personen, die das Dokument für ihre Zwecke nutzen wollen, können sich über die Nutzungsbedingungen<br />

bei mir informieren. Eine entsprechende Nutzung ist nur nach schriftlicher Bestätigung<br />

durch den Autor dieses Dokuments erlaubt!<br />

Inhaltsverzeichnis<br />

Inhaltsverzeichnis ...............................................................................................................................................2<br />

Abkürzungsverzeichnis <strong>und</strong> Begriffserläuterungen............................................................................................3<br />

1 Einleitung.......................................................................................................................................................4<br />

1.1 Stickstoffeliminierung im Abwasserreinigungsprozeß ........................................................................4<br />

1.2 Nitritbestimmung .................................................................................................................................5<br />

1.3 Nitratbestimmung ................................................................................................................................5<br />

1.4 Ammoniumbestimmung ......................................................................................................................5<br />

1.5 Aufgabenstellung ................................................................................................................................5<br />

2 Material <strong>und</strong> Methoden..................................................................................................................................6<br />

2.1 Methoden zur Wahrung von Arbeitssicherheit <strong>und</strong> Umweltschutz .....................................................6<br />

2.2 Protokollführung ..................................................................................................................................6<br />

2.3 Arbeitsplatz zur titrimetrischen Bestimmung von Ammonium nach Destillation .................................6<br />

2.4 Arbeitsplatz zur photometrischen Bestimmung von Nitrit ...................................................................7<br />

2.5 Arbeitsplatz zur reflektometrischen Bestimmung von Nitrat ...............................................................7<br />

3 Versuchsvorbereitung, Durchführung, Auswertung ("Ergebnisse <strong>und</strong> Diskussion").....................................8<br />

3.1 Aufgaben/Fragen zur Vorbereitung auf das <strong>Thema</strong> ...........................................................................8<br />

3.2 Durchführung ......................................................................................................................................9<br />

3.3 Aufgaben/Fragen zur Nachbearbeitung <strong>und</strong> als Interpretationshilfe zu den Ergebnissen .................9<br />

4 Literatur .......................................................................................................................................................10<br />

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Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />

<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />

Abkürzungsverzeichnis <strong>und</strong> Begriffserläuterungen<br />

Abkürzung/Begriff Erläuterung<br />

Seite 3 von 12<br />

Abb. Abbildung<br />

AbwAG Abwasserabgabengesetz<br />

BGBl. B<strong>und</strong>esgesetzblatt<br />

c Stoffmengenkonzentration, Einheit: mol/L<br />

d Schichtdicke der Küvette, Einheit: cm<br />

deion. deionisiert<br />

DIN Deutsche Industrienorm<br />

E Extinktion<br />

EKVO Eigenkontrollverordnung<br />

EN Europäische Norm<br />

Glchg. Gleichung<br />

ISO International Standardization Organisation<br />

K Konstante (Quotient aus spektralem Absorptionskoeffizient <strong>und</strong><br />

Streukoeffizient)<br />

NKB Nachklärbecken<br />

RAbs<br />

Absoluter Remissionsgrad<br />

SOP Standard Operating Procedure (Standardarbeitsanweisung)<br />

Tab. Tabelle<br />

VKB Vorklärbecken<br />

VwV Verwaltungsvorschrift<br />

WHG Wasserhaushaltsgesetz<br />

ε Extinktionskoeffizient Einheit: L/(mol·cm)<br />

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Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />

<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />

Seite 4 von 12<br />

1 Einleitung<br />

Stickstoffverbindungen gehören zu den Stoffen, die nach Einbringen in ein Gewässer als Nährstoff wirken.<br />

Nährstoffe rufen daraufhin häufig ein verstärktes Wachstum von Algen hervor (Eutrophierung). Da dies die<br />

ökologische Situation des Gewässers empfindlich stört, müssen diese möglichst effektiv eliminiert werden.<br />

Um dieses überwachen zu können, benötigt man geeignete Meßverfahren. Entsprechende Grenz- <strong>und</strong><br />

Richtwerte sind gesetzlich oder verwaltungsrechtlich vorgegeben (AbwAG [10], Verwaltungsvorschriften zu<br />

§7a WHG [11], EKVO Hessen [12], EKVO-VwV Hessen [13] <strong>und</strong> Ortsabwassersatzungen, z.B. [14].<br />

1.1 Stickstoffeliminierung im Abwasserreinigungsprozeß<br />

+<br />

In kommunalem Abwasser befindet sich Stickstoff hauptsächlich in Form von Ammonium-Stickstoff (NH4 ),<br />

Harnstoff (NH2)2CO, organisch geb<strong>und</strong>enem Stickstoff (i.d.R. in der Aminoform R-NH2 <strong>und</strong> in Eiweißstoffen<br />

-<br />

(Peptidbindung: R-CO-NH-R) <strong>und</strong> in geringeren Mengen als Nitrat (NO3 ), das je nach Nitratgehalt des<br />

Trinkwassers bereits in die Haushalte gelangt. In industriellem Abwasser können daneben, je nach Produktionsprozeß,<br />

auch alle anderen Formen an Stickstoffverbindungen enthalten sein. Abwasser erreicht in kommunalen<br />

Kläranlagen nach Passage des Sandfangs i.d.R. eine Belebungsstufe. Hier werden zuerst die organischen<br />

Stoffe abgebaut <strong>und</strong> dabei aus dem organisch geb<strong>und</strong>enen Stickstoff Ammoniumionen freigesetzt.<br />

Glchg. 1 zeigt dies beispielhaft für die vollständige Oxidation eines Aminosäuremoleküls (Aminosäuren<br />

sind Bestandteile von Proteinen). Harnstoff wird in dieser Stufe hydrolytisch gespalten (Glchg. 2).<br />

CH3-CH2-CH-(NH2)-COOH + 5 O2 → 4 CO2 + NH3 + 4 H2O [Gleichung 1]<br />

H2N<br />

H2N<br />

C=O<br />

+ H2O → CO2 + 2 NH3 [Gleichung 2]<br />

Bei geeigneter Betriebsführung <strong>und</strong> Konstruktion der Anlage wird der Ammoniumstickstoff über Nitrit zu Nitrat<br />

nitrifiziert. Voraussetzung dafür ist, daß die organischen Inhaltsstoffe annähernd vollständig oxidiert sind,<br />

damit der molekulare Sauerstoff nun für diese Reaktion zur Verfügung steht. Die entsprechenden Reaktionen<br />

werden als Nitrosofikation (Glchg. 3) <strong>und</strong> Nitrifikation (Glchg. 4) bezeichnet <strong>und</strong> von unterschiedlichen<br />

Bakteriengruppen durchgeführt, die quasi in einer Art Nahrungskette zusammenarbeiten.<br />

+ -<br />

NH4 + 1,5 O2 → NO2 + H2O + H + [Gleichung 3]<br />

- -<br />

NO2 + 0,5 O2 → NO3<br />

[Gleichung 4]<br />

Auf dieser Stufe liegt nun hauptsächlich Nitrat im Abwasser vor, das immer noch Nährstoffcharakter aufweist.<br />

Um dieses zu eliminieren muß dem Abwasser nun wieder etwas organische Substanz zudosiert <strong>und</strong><br />

auf Belüftung verzichtet werden. Nitrat kann jetzt anstelle von Sauerstoff als Elektronenakzeptor dienen <strong>und</strong><br />

wird dabei zu Stickstoff reduziert (Denitrifikation; siehe Glchg. 5, 6 <strong>und</strong> 7). Die Elektronen zur Reduktion der<br />

Stickstoffverbindungen stammen dabei aus dem dissimilatorischen Ast des Stoffwechsels (vgl. [22]).<br />

2 NO3 - + 4 e - + 2 H2O → 2 NO2 - + 4 OH - [Gleichung 5]<br />

2 NO2 - + 4 e- + 3 H2O → N2O + 6 OH - [Gleichung 6]<br />

N2O + 2 e - + H2O → N2 + 2 OH - [Gleichung 7]<br />

Nitrat, Nitrit, Ammonium <strong>und</strong> organisch-geb<strong>und</strong>ener Stickstoff werden zur Ermittlung der Nährstofffracht im<br />

Rahmen entsprechender Gesetze <strong>und</strong> Verordnungen im Abwasser regelmäßig gemessen. Nitrit <strong>und</strong> Ammonium<br />

haben neben dem Nährstoffcharakter auch toxisches Potential. Nitrit ist bereits in geringen Konzentrationen<br />

akut toxisch für Fische (Bindung an Häm-Gruppe!) <strong>und</strong> hat daneben mutagenes Potential (Bildung<br />

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Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />

<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />

Seite 5 von 12<br />

von Nitrosaminen). Ammonium in seiner ionischen Form ist untoxisch; verschiebt sich der pH-Wert eines<br />

Gewässers jedoch in einen leicht alkalischen Bereich, wandelt sich Ammonium in wassergelösten Ammoniak<br />

um (Glchg. 8). Dieser ist ungeladen <strong>und</strong> kann ungehindert Biomembranen durchdringen. Im Inneren der<br />

Zelle läuft Glchg. 8 in umgekehrter Reaktionsrichtung ab, wodurch sich Hydroxylionen bilden, die den pH-<br />

Wert des Cytosols ins Alkalische verschieben <strong>und</strong> so viele Proteine funktionsunfähig machen.<br />

+ -<br />

NH4 + 2 OH → NH3↑ + H2O [Gleichung 8]<br />

1.2 Nitritbestimmung<br />

Nitrit reagiert mit aromatischen Aminen zu Diazoniumsalzen, die in Gegenwart geeigneter weiterer organischer<br />

Komponenten zu Azofarbstoffen kuppeln. Bei Verwendung von Sulfanilamid als Amin <strong>und</strong> N,N-Diethyl-<br />

1-Naphthylamin bildet sich ein roter Farbstoff, der bei 540 nm photometrisch gemessen wird. Das Verfahren<br />

liegt genormt vor [1], Nitrit ist damit sehr empfindlich <strong>und</strong> selektiv nachweisbar. Die Gr<strong>und</strong>lagen photometrischer<br />

Messtechnik sind in kurzer Zusammenfassung in [23] beschrieben, den Zusammenhang zwischen<br />

Messsignal der Lichtabsorption <strong>und</strong> Stoffkonzentration beschreibt das Lambert-Beer’sche Gesetz (Glchg. 9).<br />

E = ε · c · d [Gleichung 9]<br />

1.3 Nitratbestimmung<br />

Zur Bestimmung von Nitrat gibt es verschiedene photometrische Verfahren [2], ein Verfahren mit ionenselektiver<br />

Elektrode [3] sowie die Reflektometrie mit Teststäbchen [24]. Das letztgenannte Verfahren wird im<br />

Rahmen des Praktikumsversuchs angewendet <strong>und</strong> beruht, ähnlich wie photometrische Verfahren, auf der<br />

Absorption von Licht durch chemische Stoffe. Hier wird jedoch nicht im Durchlichtverfahren gearbeitet, sondern<br />

das reflektierte Licht gemessen (Reflexion, Remission). Das Lambert-Beer'sche Gesetz gilt hier nicht,<br />

da u.a. Lichtstreuung das Messsignal signifikant beeinflusst. Hier gilt die Kubelka-Munk-Funktion ([23], S.<br />

152; Glchg. 10)<br />

( 1−<br />

R<br />

c ⋅ K =<br />

2 ⋅ R<br />

1.4 Ammoniumbestimmung<br />

Zur Bestimmung von Ammoniumionen gibt es ein empflindliches photometrisches Verfahren [4]. Daneben<br />

findet nach wie vor auch das titrimetrische Verfahren nach destillativer Abtrennung Anwendung [5]. Führt<br />

man vor der Destillation einen Aufschluß durch, kann man neben den Ammoniumionen auch noch den organisch-geb<strong>und</strong>enen<br />

Anteil an Aminostickstoff erhalten [6] <strong>und</strong> bei Reduktion mit Dewardas Legierung auch<br />

noch Nitrat <strong>und</strong> Nitrit [7]. Bei der Analyse wird die zu untersuchende Wasserprobe im ersten Arbeitsschritt<br />

leicht oder (je nach analytischer Fragestellung) stark alkalisch gemacht. Dabei wird flüchtiger Ammoniak<br />

gebildet (vgl. Glchg. 8). Der flüchtige Ammoniak wir über eine Wasserdampfdestillation ausgetrieben <strong>und</strong> in<br />

Borsäure aufgefangen (Glchg. 11).<br />

NH3 + 3 H + + BO3 3- → NH4 + + 2 H + + BO3 3- [Gleichung 11]<br />

Die Reaktionsgleichung zeigt, daß dabei ein Proton aus der Lösung geb<strong>und</strong>en wird, was zu einer pH-Wert-<br />

Änderung führt, die durch den Farbumschlag eines Indikators erkannt wird. Das Destillat wird anschließend<br />

mit Salz- oder Schwefelsäure wiederum bis zum Farbumschlag zurück titriert. Aus dem Säureverbrauch läßt<br />

sich der in der Borsäure aufgefangene Ammoniumstickstoff berechnen.<br />

1.5 Aufgabenstellung<br />

Im vorliegenden Praktikumsversuch ist der Gehalt von verschiedenen Wasserproben an Ammonium (titrimetrisch<br />

nach Destillation), Nitrit (photometrisch) <strong>und</strong> Nitrat (reflektometrisch) zu bestimmen.<br />

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abs<br />

abs<br />

)<br />

2<br />

[Gleichung 10]


Prof. Dr. Harald Platen<br />

Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />

<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />

2 Material <strong>und</strong> Methoden<br />

Seite 6 von 12<br />

2.1 Methoden zur Wahrung von Arbeitssicherheit <strong>und</strong> Umweltschutz<br />

Die Arbeiten werden unter Beachtung der Betriebsanweisungen des Labors für Umweltanalytik <strong>und</strong> Ökotoxikologie<br />

der Fachhochschule Gießen-Friedberg durchgeführt, auf die in den jeweiligen SOP's hingewiesen<br />

wird. Besonders hingewiesen sei an dieser Stelle auf folgende Verhaltensregeln:<br />

• Bei der Arbeit nicht essen, trinken oder rauchen!<br />

• Probenmaterial <strong>und</strong> Lösungen chemischer Stoffe nicht verspritzen. Darauf achten, dass Kleidung nicht<br />

verunreinigt wird!<br />

• Unverzüglich nach Beendigung der Arbeiten die Hände mit Seife reinigen (<strong>und</strong> ggf. desinfizieren, z.B.<br />

nach Umgang mit biologischen Arbeitsstoffen wie z.B. kommunalem Abwasser).<br />

2.2 Protokollführung<br />

Das Protokoll wird entsprechend der Anforderungen in [17] geführt. Zweckmäßigerweise ist das Protokoll<br />

wie folgt zu gliedern:<br />

Protokollabschnitt 1: Bearbeitung der Aufgaben in Abschnitt 3.1 zur Vorbereitung auf den Versuch.<br />

Protokollabschnitt 2: Durchführung der titrimetrischen Ammoniumbestimmung nach Destillation<br />

Protokollabschnitt 3: Durchführung der photometrischen Nitritbestimmung<br />

Protokollabschnitt 4: Durchführung der reflektometrischen Nitratbestimmung<br />

Protokollabschnitt 5: Vergleichende Beurteilung der Prüfergebnisse der Protokollabschnitte (2) bis (4) unter<br />

Einbeziehung der Fragen in Abschnitt 3.3.<br />

Das Protokoll ist mit einem vollständig ausgefüllten <strong>und</strong> unterschriebenen Deckblatt innerhalb von 2 Tagen<br />

nach dem Versuch abzugeben.<br />

2.3 Arbeitsplatz zur titrimetrischen Bestimmung von Ammonium nach Destillation<br />

Materialausstattung<br />

• Bechergläser (200 mL) als Vorlagegefäße, 4 Stück<br />

• Bürette (50 mL) mit Stativ<br />

• Dispensette 25 mL auf 1 L-Flasche (für Borsäure)<br />

• Magnetrührer<br />

• Magnetrührstäbe (3 Stück)<br />

• Magnetstabangel<br />

• Meßzylinder (250 mL)<br />

• Pasteurpiette (für Entschäumer)<br />

• stärkere Handschuhe (als Wärmeschutz)<br />

• Trichter (zum Befüllen der Bürette)<br />

• Wasserdampfdestillationseinrichtung mit Zubehör<br />

Chemikalien- <strong>und</strong> Reagenzienausstattung<br />

• Ammoniumsulfat-Standardlösung<br />

• Borsäure-Lösung<br />

• Wasser, deion.<br />

• Mischindikator<br />

• Natronlauge<br />

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Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />

<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />

• Phosphatpuffer, pH 7,2<br />

• Paraffin, flüssig<br />

• Salzsäure-Titrierlösung<br />

Seite 7 von 12<br />

Beschreibung des Verfahrens<br />

Das Verfahren ist in SOP 22 beschrieben [20]. Weitere Erläuterungen werden während des Versuchs gegeben.<br />

Die Verfahrensabläufe sind handschriftlich zu protokollieren.<br />

2.4 Arbeitsplatz zur photometrischen Bestimmung von Nitrit<br />

Materialausstattung<br />

• Reagenzgläser, mind. 30 Stück<br />

• Reagenzglasständer<br />

• Kolbenhubpipette für 10 mL Pipettenaufsätze<br />

• Pipettenaufsätze, 10 mL<br />

• Kolbenhubpipette, 200-1000 µL<br />

• Pipettenspitzen für Kolbenhubpipette, blau<br />

• Bechergläser (100 mL) mehrere<br />

• Trichter<br />

• Faltenfilter<br />

• Erlenmeyerkolben (200 mL)<br />

• Reagenzglasschüttler (Vortex)<br />

• Photometer<br />

• Durchflussküvette<br />

Chemikalien- <strong>und</strong> Reagenzienausstattung<br />

• Natriumnitrit<br />

• Wasser, deion., in Spritzflasche<br />

• Sulfanilamid<br />

• N-(1-Naphthyl)-1,2-diaminomethan-Dihydrochlorid<br />

• Orthophosphorsäure, 85%<br />

Beschreibung des Verfahrens<br />

Das Verfahren ist in SOP 24 beschrieben [21]. Weitere Erläuterungen werden während des Versuchs gegeben.<br />

Die Verfahrensabläufe sind handschriftlich zu protokollieren.<br />

2.5 Arbeitsplatz zur reflektometrischen Bestimmung von Nitrat<br />

Materialausstattung<br />

• RQflex (Merck)<br />

• Teststäbchen für RQflex<br />

• Bechergläser (50 mL), mehrere<br />

• Messkolben, 100 mL<br />

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Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />

<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />

Chemikalien- <strong>und</strong> Reagenzienausstattung<br />

• Kaliumnitrat<br />

• Wasser, deion.<br />

Seite 8 von 12<br />

Beschreibung des Verfahrens<br />

Das Verfahren ist in SOP 11 beschrieben [21]. Weitere Erläuterungen werden während des Versuchs gegeben.<br />

Die Verfahrensabläufe sind handschriftlich zu protokollieren.<br />

3 Versuchsvorbereitung, Durchführung, Auswertung ("Ergebnisse <strong>und</strong><br />

Diskussion")<br />

3.1 Aufgaben/Fragen zur Vorbereitung auf das <strong>Thema</strong><br />

Neben dem in der o.a. Einführung zusammengefaßten Stoff ist vor Versuchsbeginn noch der Stoff aus der<br />

Literatur <strong>und</strong> ggf. den im Labor ausliegenden SOP’s zu erarbeiten. Die Antworten auf nachfolgenden Fragen<br />

bzw. Aufgaben sind vor Beginn des Versuchs zu erarbeiten <strong>und</strong> zum Versuch als Bestandteil des Protokolls<br />

mitzubringen. Die Kenntnisse über Abschnitt 1 dieses Papiers <strong>und</strong> die nachfolgenden Fragen werden in der<br />

Vorbesprechung zum Versuch abgefragt.<br />

(1) Berechnen Sie Nachweis-, Erfassungs- <strong>und</strong> Bestimmungsgrenze der destillativen Ammoniakbestimmung<br />

(bezogen auf die Absolutmenge N sowie auf ein Probenvolumen von 200 mL), wenn mit 0,01<br />

mol/L HCl titriert wird. Bei einer entsprechenden Messung von 10 Leerwerten am 11.11.1998 wurden<br />

folgende Einzelmesswerte ermittelt<br />

in [mL]: 0,425 - 0,300 - 0,450 - 0,350 - 0,500 - 0,350 - 0,455 - 0,425 - 0,400 - 0,325.<br />

Bei Verwendung einer Salzsäure mit c = 0,01 mol/L entspricht der Verbrauch von 1 mL HCl bei der Titration<br />

einer Steigung von 0,14 mg N je mL HCl. Die Multiplikation eines Einzelmesswertes mit dem Faktor<br />

0,14 mg N/mL führt zur Absolutmenge an Stickstoff <strong>und</strong> die Division durch das Volumen an Probe (0,2 L)<br />

ergibt die Konzentration in der jeweiligen Probe. Bezogen auf 0,2 L Probe ergibt sich der Proportionalitätsfaktor<br />

zu 2,8 mg N/(L*mL).<br />

Zur Berechnung der Bestimmungsgrenze ermittelt man aus den o.a. Daten zuerst den Mittelwert <strong>und</strong> die<br />

Standardabweichung der Titrationsvolumina (Einheit: mL). Die Standardabweichung (Einheit: mL) multipliziert<br />

man mit dem Proportionalitätsfaktor <strong>und</strong> multipliziert<br />

- mit 3 zum Erhalt der Nachweisgrenze<br />

- mit 6 zum Erhalt der Erfassungsgrenze<br />

- mit 9 zum Erhalt der Bestimmungsgrenze<br />

Vergegenwärtigen Sie sich den Rechengang!<br />

(2) Welche Rolle spielen Stickstoffverbindungen im Abwasser- <strong>und</strong> Trinkwasserbereich? Für welche Parameter<br />

gibt es Grenzwerte für die beiden Wasserrechtsbereiche?<br />

(3) Berechnen Sie die Umrechnungsfaktoren: von Ammonium in Ammoniumstickstoff; von Nitrat in Nitrat-<br />

Stickstoff, von Nitrit in Nitrit-Stickstoff. Geben Sie alle Details zur Umrechnung an, nicht nur die Zahlenfaktoren!<br />

(4) Aus welchem Gr<strong>und</strong> rechnet man in der Abwassertechnik <strong>und</strong> Analytik mit dem auf Stickstoff bezogenen<br />

Gehaltswert?<br />

(5) Sind Nitrat-, Nitrit- <strong>und</strong> Ammoniumionen die Salze starker oder schwacher Basen oder Säuren? Formulieren<br />

Sie die entsprechenden Reaktionsgleichungen <strong>und</strong> begründen Sie die Frage nach der Säure-<br />

/Basestärke mit entsprechenden pKs-Werten!<br />

(6) Formulieren Sie die Diazotierungsreaktion von Nitrit mit Sulfanilsäure <strong>und</strong> die folgende Kupplung mit<br />

N,N-Diethyl-1-Naphthylamin. Erläutern Sie an Hand des Reaktionsmechanismus, warum die Reaktion in<br />

saurer Lösung abläuft!<br />

(7) Welche Reaktion katalysiert das Enzym Urease? Schlagen Sie einen Reaktionsmechanismus vor, bei<br />

dem Wasser nucleophil am Zielmolekül Harnstoff angreift!<br />

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Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />

<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />

Seite 9 von 12<br />

3.2 Durchführung<br />

Die Durchführung wird entsprechend den Beschreibungen in den jeweiligen SOP's bzw. nach Anweisungen<br />

durch die Praktikumsleitung vorgenommen.<br />

Für die Prüfung auf den Gehalt an Ammonium <strong>und</strong> Nitrit werden drei Wasserproben zur Verfügung gestellt:<br />

(1) Ablauf VKB der Kläranlage Gießen<br />

(2) Ablauf NKB der Kläranlage Gießen<br />

(3) Wieseck<br />

Für die Nitritbestimmung <strong>und</strong> Nitratbestimmung entnehmen Sie bitte auch eine Probe<br />

(4) Trinkwasser aus dem Wasserhahn des Labors.<br />

Die Prüfungen erfolgen mit abgesetzten Proben (30 Minuten unbewegt stehen lassen; vor der Entnahme<br />

der Analysenprobe nicht aufschütteln!).<br />

Zur titrimetrischen Stickstoffbestimmung nach Destillation verwenden Sie die Proben (1) bis (3); in gleicher<br />

Weise wird eine Kontrolllösung analysiert, deren Messergebnis in die Kontrollkarte eingetragen wird <strong>und</strong><br />

anhand dessen beurteilt wird, ob die Prüfung valide Ergebnisse geliefert hat. Die Nachweis- <strong>und</strong> Bestimmungsgrenze<br />

des Verfahrens ist vor der praktischen Durchführung aus den Messdaten in Vorbereitungsfrage<br />

(1) in Abschnitt 3.1 zu berechnen.<br />

Zur photometrischen Nitrit- <strong>und</strong> zur reflektometrischen Nitratbestimmung verwenden Sie die Proben (1) bis<br />

(4) sowie eine Kontrolllösung, deren Messergebnis in die Kontrollkarte eingetragen wird <strong>und</strong> anhand dessen<br />

beurteilt wird, ob die Prüfung valide Ergebnisse geliefert hat.<br />

Bei der Nitritbestimmung der Proben wird zeitgleich die Messung der Proben einer 10-Punkt-Kalibrierung<br />

<strong>und</strong> die 10-fach Bestimmung des Blindwertes durchgeführt. Aus diesen Werten ist neben der Kalibrierfunktion<br />

vor allem auch die Nachweis- <strong>und</strong> Bestimmungsgrenze für die Nitritbestimmung zu errechnen.<br />

Bei photometrischen Bestimmungen ist darauf zu achten, dass die Proben nicht getrübt sind. Trübstoffe<br />

entfernt man durch Filtration durch einen Faltenfilter, wenn dies nicht vollständig möglich ist, muss eine Probe<br />

ohne Reagenzienzugabe vermessen werden, um den durch die Trübung hervorgerufenen Blindwert zu<br />

ermitteln.<br />

3.3 Aufgaben/Fragen zur Nachbearbeitung <strong>und</strong> als Interpretationshilfe zu den Ergebnissen<br />

Zu Protokollabschnitt 2: Durchführung der titrimetrischen Ammoniumbestimmung nach Destillation<br />

(1) Stellen Sie anhand der Messwerte der Kontrollprobe fest, ob das Prüfverfahren unter Kontrolle war<br />

(2) Beurteilen Sie die Einzelmesswerte der Proben hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit für die Auswertung<br />

der Messung (vgl. Abb. 1)<br />

(3) Berechnen Sie mit den für zuverlässig erachteten Messwerten den Ammoniumgehalt der Wasserprobe.<br />

Zu Protokollabschnitt 3: Durchführung der photometrischen Nitritbestimmung<br />

(1) Erstellen Sie die Kalibrierfunktion<br />

(2) Berechnen Sie die Bestimmungsgrenze aus den Nullwertmessungen<br />

(3) Stellen Sie anhand der Messung der Kontrollprobe fest, ob das Prüfverfahren unter Kontrolle war<br />

(4) Beurteilen Sie die Einzelmesswerte der Proben hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit für die Auswertung<br />

der Messung (vgl. Abb. 1); beachten Sie dabei Informationen zu Trübung <strong>und</strong>/oder Eigenfärbung der<br />

Proben an<br />

(5) Errechnen Sie aus den für zuverlässig erachteten Messwerten den Nitritgehalt der Wasserproben.<br />

Zu Protokollabschnitt 4: Durchführung der reflektometrischen Nitratbestimmung<br />

(1) Stellen Sie anhand der Messung der Kontrollprobe fest, ob das Prüfverfahren unter Kontrolle war<br />

(2) Beurteilen Sie die Einzelmesswerte der Proben hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit für die Auswertung<br />

der Messung (vgl. Abb. 1)<br />

(3) Geben Sie den für zuverlässig erachteten Nitratgehalt an<br />

(4) Diskutieren sie die gr<strong>und</strong>sätzlichen Vor- <strong>und</strong> Nachteile gegenüber Normverfahren.<br />

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Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />

<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />

Seite 10 von 12<br />

Zu Protokollabschnitt 5: Vergleichende Beurteilung der Prüfergebnisse der Protokollabschnitte (2) bis (4)<br />

(1) Berechnen Sie die Reinigungsleistung der Kläranlage hinsichtlich des Stickstoffs. Hierzu müssen die<br />

Messwerte in geeigneter Art <strong>und</strong> Weise addieren!<br />

(2) Beurteilen Sie die von Ihnen ermittelte Nitrit- <strong>und</strong> Ammoniumeinleitung in den Vorfluter unter ökotoxikologischen<br />

Aspekten (Fischtoxizität, Eutrophierung). Welche Konzentrationen werden sich aufgr<strong>und</strong><br />

der Einleitung im Vorfluter einstellen?<br />

(3) Ist es sinnvoll für eine kommunale biologische Kläranlage eine Reinigungsleistung alleine für den<br />

Parameter Nitrit anzugeben? (Begründung unter Darstellung des "Stickstoffstoffwechsels" einer<br />

Kläranlage!)<br />

(4) Durch welche einfache Maßnahme können Sie die Bestimmungsgrenze des destillativen Verfahrens<br />

(bezogen auf die Wasserprobe) heruntersetzen?<br />

(5) Manche Analysen werden von der abgesetzten Probe, manche von der homogenisierten Probe<br />

durchgeführt. Begründen Sie, warum diese Unterscheidungen gemacht werden <strong>und</strong> warum bei<br />

Wasserproben, die im Kläranlagenzulauf vor dem VKB genommen werden, i.d.R. abgesetzte Proben<br />

<strong>und</strong> nach dem Kläranlagenablauf i.d.R. homogenisierte Proben untersucht werden (zur Diskussion<br />

dieser Frage sind Erfahrungen aus dem <strong>Thema</strong> <strong>WAn1P</strong> – Versuch 1 hilfreich).<br />

Abbildung 1:<br />

Ablauforganigramm zur Beurteilung<br />

von Prüfergebnissen unter Berücksichtigung<br />

der Ergebnisse von Kontrollmessungen<br />

Für die Prüfergebnisse der Parameter Nitrit, Nitrat <strong>und</strong> Ammonium ist ein Prüfbericht [18] in Original <strong>und</strong><br />

Kopie zu erstellen <strong>und</strong> mit dem Protokoll abzugeben.<br />

4 Literatur<br />

[1] Deutsche Institut für Normung (Hrsg.) (1993). DIN EN 26777. Bestimmung von Nitrit. Spektrometrisches<br />

Verfahren. In: Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- <strong>und</strong> Schlammuntersuchung.<br />

29. Lieferung 1993 (D10). VCH, Weinheim <strong>und</strong> Beuth-Verlag, Berlin.<br />

[2] Deutsche Institut für Normung (Hrsg.) (1979). DIN 38405 Teil 9. Bestimmung des Nitrations. In: Deutsche<br />

Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- <strong>und</strong> Schlammuntersuchung. 11. Lieferung 1979 (D9).<br />

VCH, Weinheim <strong>und</strong> Beuth-Verlag, Berlin.<br />

C:\Users\HPlaten\01_Arbeitsbereich_HP\2000_Lehrveranstaltungen_aktuell\2030_WAnP1\2007-WS\HP2030-<strong>WAn1P</strong>-03-01-Stickstoff-5-Aufl.doc<br />

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Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />

<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />

Seite 11 von 12<br />

[3] WTW GmbH (Hrsg.) (1988). Fibel zur ionenselektiven Meßtechnik. Wissenschaftlich-technische<br />

Werkstätten GmbH, Weilheim, Ob., FRG.<br />

[4] Deutsche Institut für Normung (Hrsg.) (1983). DIN 38406 Teil 5-1. Bestimmung des Ammonium-<br />

Stickstoffs. In: Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- <strong>und</strong> Schlammuntersuchung. 12.<br />

Lieferung 1983 (E5). VCH, Weinheim <strong>und</strong> Beuth-Verlag, Berlin.<br />

[5] Deutsche Institut für Normung (Hrsg.) (1983). DIN 38406 Teil 5-2. Bestimmung des Ammonium-<br />

Stickstoffs. In: Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- <strong>und</strong> Schlammuntersuchung. 12.<br />

Lieferung 1983 (E5). VCH, Weinheim <strong>und</strong> Beuth-Verlag, Berlin.<br />

[6] Deutsche Institut für Normung (Hrsg.) (1993). DIN EN 25663. Bestimmung des Kjeldahl-Stickstoffs. In:<br />

Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- <strong>und</strong> Schlammuntersuchung. 30. Lieferung 1993<br />

(H11). VCH, Weinheim <strong>und</strong> Beuth-Verlag, Berlin.<br />

[7] Deutsche Institut für Normung (Hrsg.) (1992). DIN 38409 Teil 28. Bestimmung von geb<strong>und</strong>enem<br />

Stickstoff nach Reduktion mit Devarda'scher Legierung <strong>und</strong> katalytischem Aufschluß. In: Deutsche<br />

Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- <strong>und</strong> Schlammuntersuchung. 27. Lieferung 1992 (H28).<br />

VCH, Weinheim <strong>und</strong> Beuth-Verlag, Berlin.<br />

[8] Deutsche Institut für Normung (Hrsg.) (1986). DIN 38402 Teil 51. Kalibrierung von Analysenverfahren,<br />

Auswertung von Analysenergebnissen <strong>und</strong> lineare Kalibrierfunktion für die Bestimmung von Verfahrenskenngrößen.<br />

In: Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- <strong>und</strong> Schlammuntersuchung.<br />

16. Lieferung (A51). VCH, Weinheim <strong>und</strong> Beuth-Verlag, Berlin.<br />

[9] Deutsche Institut für Normung (Hrsg.) (1994). DIN 32645. Nachweis-, Erfassungs- <strong>und</strong> Bestimmungsgrenze.<br />

Beuth-Verlag, Berlin, FRG.<br />

[10] Gesetz über Abgaben für das Einleiten von Abwasser in Gewässer (Abwasserabgabengesetz - AbwAG)<br />

vom 6.11.1990, BGBl. I, S. 2432). In: Umweltrecht. Beck-Texte im dtv, Verlag C.H. Beck, München,<br />

FRG, S. 164-174.<br />

[11] §7a VwV<br />

[12] Verordnung über die Eigenkontrolle von Abwasseranlagen (Eigenkontrollverordnung - EKVO) vom<br />

22.2.1993, GVBl. I (Hessen), S. 69.<br />

[13] Verwaltungsvorschrift zu Eigenkontrolle von Abwasseranlagen (VwV-EKVO), StAnz. 27/1993 (Hessen),<br />

S. 1639<br />

[14] Abwassersatzung der Universitätsstadt Giessen vom 18.9.1992, zuletzt geändert durch 2. Änderungssatzung<br />

am 7.7.1994.<br />

[15] Soeder, C.J., Groeneweg, J. (1993). Terminologie der Stickstoff-Summenparameter. Korrespondenz<br />

Abwasser, 40 Jahrgang, Heft 11/93, S. 1800-1805.<br />

[16] Mandel, S., Kunz, P., Ketterer, K., Farjam, A., (1994). Stickstoffanalytik für die Kläranlagenpraxis.<br />

Verfahrensvergleiche <strong>und</strong> Eigenkontrolle. Korrespondenz Abwasser 41. Jahrgang, Heft 6/94, S 940-<br />

948.<br />

[17] Platen, H. (2003). Die Führung von Protokollen im Rahmen von Laborpraktika <strong>und</strong> Projektarbeiten –<br />

Eine kurze Einführung. 2. überarbeitete Auflage, Fachhochschule Gießen-Friedberg, Gießen.<br />

Download aus dem Internet:<br />

http://kmubserv.tg.fh-giessen.de/pm/platen/WAnP0-Protokollfuehrung.pdf<br />

[18] Platen, H. (2004). Elemente zur Erstellung von Prüfberichten. Fachhochschule Gießen-Friedberg,<br />

Gießen.<br />

[19] Platen, H. (2003). Anfertigung von Ausarbeitungen, Seminar- <strong>und</strong> Diplomarbeiten sowie Manuskripten<br />

für Publikationen – Eine kurze Einführung. 2. überarbeitete Auflage, Fachhochschule Gießen-<br />

Friedberg, Gießen.<br />

Download aus dem Internet: http://kmubserv.tg.fh-giessen.de/pm/platen/WAnP0-Manuskripte.pdf<br />

[20] Platen, H. (2001). Ammonium-N, titrimetrisch. SOP 22, Labor für Umweltanalytik <strong>und</strong> Ökotoxikologie,<br />

Fachhochschule Gießen-Friedberg.<br />

[21] Platen, H. (2001). Nitrit, photometrisch. SOP 24, Labor für Umweltanalytik <strong>und</strong> Ökotoxikologie, Fachhochschule<br />

Gießen-Friedberg.<br />

[22] Platen, H. (2003). Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1 (Abwasser). Versuch 2: Biochemischer<br />

Sauerstoffbedarf. 3. Auflage. Labor für Umweltanalytik <strong>und</strong> Ökotoxikologie, Fachhochschule Gießen-<br />

Friedberg.<br />

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Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />

<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />

Seite 12 von 12<br />

[23] Schwedt, G. (1996). Taschenatlas der Analytik. 2. Aufl., Thieme-Verlag, Stuttgart, New York.<br />

[24] Lit zu Stäbchentest Nitrat<br />

[25] Platen, H. (1998). Reflektometrische Bestimmungen mit dem RQflex von Merck. SOP 11, Labor für<br />

Umweltanalytik <strong>und</strong> Ökotoxikologie, Fachhochschule Gießen-Friedberg.<br />

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