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Phosphor ist ein lebensnotwendiges Element für alle Organismen und kommt in der Natur hauptsächlich in Form von Phosphat vor. Es wird vor allem in der Landwirtschaft als Düngemittel genutzt. Gleichzeitig stellen hohe Phosphatmengen in der Natur ein Problem dar: In Gewässern führt der Nährstoffüberschuss zu einem starken Algenwachstum und verringert den Sauerstoffgehalt, was Tieren und Pflanzen schadet. Neben Phosphat gibt es noch weitere Verbindungen wie Arsen, Nitrat und Silikat, die für die Wasserqualität relevant sind und daher überwacht werden müssen. Das Verbundprojekt PhosphatPlattformPlus entwickelt eine neuartige modulare Sensortechnologie für die Analyse dieser Stoffe. Im Gegensatz zu bisherigen Messsystemen werden dafür keine zusätzlichen Chemikalien benötigt. 

Nachweis vereinfachen und erweitern

Phosphate werden in Kläranlagen mit chemischen oder biologischen Verfahren aus dem Abwasser entfernt. Dabei gelingt es jedoch nicht, die Phosphate vollständig zu beseitigen, sodass Restmengen mit dem geklärten Abwasser – dem sogenannten Kläranlagenablauf – in Gewässer gelangen. Auch durch Regen ausgewaschene Düngemittel tragen zur Gewässerbelastung bei. Um die Wasserqualität zu sichern, wird der Phosphatgehalt in Kläranlagenabläufen sowie in Flüssen, Seen und Grundwasser regelmäßig überprüft. Bisher geschieht dies meist mit nasschemischen Verfahren. Hierbei werden Chemikalien zu Wasserproben hinzugefügt, um eine messbare Farbreaktion hervorzurufen. Ein wesentlicher Nachteil dieser Technik ist der hohe Aufwand: Die benötigten Nachweissubstanzen müssen mitgeführt und präzise über Pumpen und Zuleitungen dosiert werden. Solche Systeme sind daher groß, wartungsintensiv und teuer.

Das Projekt PhosphatPlattformPlus entwickelt eine flexible und modulare Lösung für die Wasseranalyse, die ohne Chemikalien auskommt. Grundlage sind die Ergebnisse eines vorherigen Forschungsprojekts, in dem ein erster elektrochemischer Sensor zur Phosphatmessung in Wässern entwickelt wurde. Nun soll dieser Sensor zu einer elektrochemischen Messplattform weiterentwickelt werden, die neben Phosphat auch weitere Wasserinhaltsstoffe wie Arsenat, Nitrat und Silikat bestimmen kann. Diese sind vor allem für die Trinkwasserqualität und industrielle Wasserkreisläufe von Bedeutung. 

Vielseitiges und wartungsarmes Multiparameter-System

Das neue Sensorsystem soll alle benötigten Chemikalien für die Bestimmung von Phosphat, Arsenat, Nitrat oder Silikat durch elektrochemische Reaktionen selbst erzeugen. Zudem wird die Konzentration dieser Verbindungen nicht mehr optisch, sondern ebenfalls elektrochemisch analysiert. Das Gerät wird dadurch kompakter, wartungsärmer und kostengünstiger als herkömmliche Messgeräte. Ein weiterer Vorteil ist, dass es kontinuierlich Messwerte liefern kann – sogar in schwer zugänglichen Gewässern oder abgelegenen Regionen. 

Durch einen modularen Aufbau kann das Sensorsystem flexibel erweitert werden, um verschiedene Stoffe gleichzeitig zu bestimmen. Zudem soll es so angepasst werden, dass es sowohl als eigenständiges Messgerät eingesetzt als auch in bestehende Messsysteme integriert werden kann. 

Breite Anwendungsmöglichkeiten

Die Ergebnisse des Projekts PhosphatPlattformPlus können dazu beitragen, die Überwachung der Wasserqualität nachhaltiger, effizienter und kostengünstiger zu gestalten. Der neue modulare Aufbau erhöht die Flexibilität der Sensortechnologie und erweitert die Einsatzmöglichkeiten des Systems erheblich. So kann die Plattform beispielsweise in Kläranlagen, Flüssen, Seen und Grundwassersystemen genutzt werden, um Umweltbelastungen frühzeitig zu erkennen. Auch in der industriellen Wasseraufbereitung, beispielsweise in Kraftwerken, wo Ablagerungen Komponenten und Systeme beeinträchtigen, oder bei der Lebensmittelproduktion kann die Technologie helfen, die Wasserqualität einfacher zu überprüfen.