Ziel der Entwicklung

Ziel des Projekts war die Erforschung und Erprobung eines sensitiven opto-chemischen Sensors zur überwachung von Ammoniak in Flüssigkeiten im Konzentrationsbereich 0,01 mg/l bis 50 mg/l. Solche Sensoren besitzen u.a. in Kühlanlagen sowie in der nachhaltigen Fischzucht eine wachsende Bedeutung. Um einen möglichst universalen und kostengünstigen Einsatz dieser Technik zu sichern, wurde ein opto-chemischer Ammoniaksensor auf der Basis der Sol-Gel-Technologie entwickelt. Schwerpunkt in diesem Projekt war die Erforschung und Charakterisierung geeigneter feuchtigkeitsstabiler sensitiver Schichten für den Ammoniaknachweis. Auf der Basis dieser sensitiven Schichten wurden verschiedene Sensorprinzipien und -aufbauten getestet.

Vorteile und Lösungen

Im Ergebnis der Projektbearbeitung wurden unter Verwendung der entwickelten sensitiven Schichten verschiedene Sensormodifikationen, welche alle mit einer gassensitiven Membran und Silikonöl als Immersionslösung ausgestattet wurden, aufgebaut und erfolgreich getestet. Für die Durchfluss- und die Tauchsonde, beide unter Verwendung der monolithisch integrierten Sender-Empfänger-Baugruppe MORES®, wurden angepasste Nachweiselektroniken und Auswertealgorithmen entwickelt. Durch den zusätzlichen Einsatz einer modifizierten Transmissionstauchsonde ist auch eine spektral aufgelöste Ammoniakdetektion in Wasser möglich. Ammoniakkonzentrationen im Konzentrationsbereich von 0 mg/l bis 60 mg/l (250 mg/l) können detektierbar werden. Die untere Nachweisgrenze liegt bei 0,001 mg/l. Alle Systeme zeigen eine gute Nullpunktstabilität, Reversibilität und Reproduzierbarkeit der Messsignale auch bei Langzeituntersuchungen. Systematische Untersuchungen der Querempfindlichkeiten zeigten, dass im Wasser gelöste Ionen keinen oder einen vernachlässigbaren Einfluss auf das Messsignal besitzen. Gleiches gilt auch für basische Stoffe wie z.B. NaOH und Amine. Dagegen haben saure Stoffe auf Grund des pH-Wert-abhängigen Gleichgewichts zwischen Ammonium und Ammoniak einen Einfluss auf das Messergebnis.
Mit den aufgebauten Funktionsmustern konnte erfolgreich die Ammoniakkonzentration in Kühlmitteln und in Fischwasser detektiert werden. Auf Grund des Messbereiches, der erreichten Systemeigenschaften und der unterschiedlichen Aufbauvarianten, die eine gute Anpassung an entsprechende Messaufgaben ermöglichen, stellen die entwickelten Ammoniaksensoren eine gute Alternative zu den gegenwärtig im Einsatz befindlichen Ammoniaksonden dar.

Zielgruppe und Zielmarkt

Auf Grund der erreichten Parameter für das Sensorsystem ist ein Einsatz in verschiedensten Gebieten der Prozess- und Umweltüberwachung möglich. Besondere Bedeutung kommt dabei der Überwachung von Fischgewässeren (Fischzucht) und der Überwachung von Sekundärkreisläufen von Kühlanlagen zu. Darüber hinaus ergeben sich weitere Einsatzgebiete für die Sensorsysteme in den Bereichen Abwasserkontrolle, Lebensmittelüberwachung (z.B. Wein, Bier), Laborchemie und chemische Industrie, Abwasser von Gaswäschern, Frisch- und Seewasser sowie Kesselspeisewasser,
Innerhalb der genannten Einsatzgebiete sind unterschiedlich große Ammoniakkonzentrationen zu detektieren und unterschiedliche Anpassungen der Messtechnik an die jeweiligen Prozesse erforderlich. Auf Grund der unterschiedlichen Aufbauten des entwickelten opto-chemischen Sensors für Ammoniak in Flüssigkeiten ist es möglich, diesen an die jeweiligen Erfordernisse des Einsatzgebietes speziell anzupassen, wodurch sich ein besonderer Systemvorteil des neuen Ammoniaksensors ergibt.
Durch die Bearbeitung des Projektes konnte die GMBU umfangreiche Erfahrungen beim Aufbau von opto-chemischen Sensoren für Messungen in Flüssigkeiten sammeln, welche für die weitere Entwicklung systemangepasster Sensorlösungen genutzt werden soll. Darüber hinaus ist es durch die Entwicklung der feuchtigkeitsbeständigen Schichten auch bei physikalische Immobilisierung der Indikatoren möglich, die Palette der sensitiven Schichten zu erweitern und für weitere Projekte einzusetzen.