DE3629870C2 - Probenahmeeinrichtung zum Feststellen eines Konzentrationsprofils und deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Probenahmeeinrichtung zum Feststel­ len eines Konzentrationsprofils von verunreinigenden Stoffen und/oder Bestandteilen einer Flüssigkeit.

Die zunehmenden Notwendigkeiten, die Prozesse der Grundwasser­ verunreinigung zu verstehen, haben es notwendig gemacht, eine neue Probenahmetechnik zu entwickeln. Bei hydrochemischen Stu­ dien ist es wichtig, kleinintervallige Profile der untersuchten Wasserschichten zu erhalten. Generell werden Wasserproben aus Pumpschächten bzw. -bohrungen gesammelt oder mittels Probeneh­ mern entnommen, die in Forschungs- bzw. Untersuchungsschächte, -bohrungen o. dgl. bis zu unterschiedlichen Tiefen abgesenkt werden. Diese Vorgänge stören oder zerstören chemische Gradien­ ten und liefern nur gemischte Wasserproben aus unterschiedli­ chen Niveaus der wasserführenden oder wasserhaltigen Schicht bzw. Schichten, Massen, Strukturen o. dgl. In der Literatur sind Proben bzw. Probenehmer beschrieben worden, die primär für fla­ che wasserführende bzw. wasserhaltige Schichten, Massen, Struk­ turen o. dgl. verwendet worden sind. In den meisten dieser Ein­ richtungen wird die jeweilige Wasserprobe von der Oberfläche her abgepumpt, und die Probenahmeintervalle sind in der Größen­ ordnung von 0,5 m.

Probenehmer, die für Porenwasserstudien in Seen entwickelt wor­ den sind, beruhen auf der Dialysemembrantechnik, die darin be­ steht, daß man einen Probenehmer, der Dialysezellen hat, die mit destilliertem Wasser gefüllt sind, am Probenahmeort pla­ ziert und ihn dort zur Ausbildung des Gleichgewichts zwischen dem umgebenden Wasser und dem Zellenwasser läßt. Unter Verwen­ dung dieses Verfahrens sind Probenahmeintervalle von 1 cm er­ zielt worden.

Die Gleichgewichtszeit bzw. die Zeit bis zum Erreichen des Gleichgewichts eines Dialysezellensystems kann unter Verwendung des zweiten Fickschen Gesetzes der Diffusion berechnet werden.

Aus der GB 564 683 ist eine Probenahmeeinrichtung zum Feststel­ len eines Konzentrationsprofils von verunreinigenden Stoffen und/oder Bestandteilen einer Flüssigkeit bekannt, die ein lang­ gestrecktes Teil, das mit Löchern in vorbestimmten Abständen versehen ist, und Mittel zum Einfügen und Halten der Probenah­ meeinrichtung in der Flüssigkeit, welche untersucht werden soll, umfaßt. Diese Probenahmeeinrichtung hat übereinander an­ geordnete Zellen mit Durchgangsöffnungen, welche mittels eines Scherenmechanismus geöffnet und geschlossen werden, so daß es sich um eine rein mechanische Probenahmeeinrichtung handelt, deren Durchgangsöffnungen zur Entnahme von Proben vollständig mit der unmittelbaren Umgebung der Probenahmeeinrichtung ver­ bunden werden.

Aus der Druckschrift WATER RESOURCES RESEARCH Bd. 10, Nr. 2, April 1974, Seite 375 sind Zellen mit Filtermembran bekannt, durch die über je eine jeder Zelle zugeordnete Rohrleitung die Probenflüssigkeit aus einem Bohrloch nach oben zur Erdoberflä­ che abgesaugt wird.

Schließlich sind aus der US 4 092 117 einzelne Behälter mit je einer einzelnen Membran bekannt, die zur Überwachung des Me­ tallgehalts von wäßrigen Systemen auf dem Boden solcher Systeme einzeln angeordnet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Probenahmeeinrichtung an­ zugeben, mit welcher ungestörte Konzentrationsprofile einer Flüssigkeit ermittelt werden können.

Diese Aufgabe wird durch eine Probenahmeeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Auf diese Weise wird mit der Erfindung eine Probenahmeeinrich­ tung, insbesondere für Wasserproben, zur Probenahme von hydro­ chemischen Profilen von Grundwasser, von Wasser in Seen, Tei­ chen, Weihern, Tümpeln, Reservoiren, Behältern u. dgl. zur Ver­ fügung gestellt, die von spezieller Nützlichkeit bei der Be­ stimmung von Wasserqualitätsprofilen ist, und der Informationen über das chemische Profil einer Wasserschicht in einer gewissen Tiefe liefern kann, sei es in einem Bohrloch, einem Wasser­ schacht oder in einem See o. dgl.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Probenahmeeinrichtung gekennzeichnet durch eine Anzahl von Ab­ schnitten, die miteinander verbindbar sind, wobei jeder dieser Abschnitte eine Anzahl von in engem Abstand voneinander ange­ ordneten Löchern für aufeinanderfolgende Dialysezellen auf­ weist. Auf diese Weise kann die Probenahmeeinrichtung aus einer gewünschten Anzahl von Dialysezellen zusammengebaut werden bzw. bzw. so zusammengebaut werden, daß sie eine gewünschte Anzahl von Dialysezellen aufweist, wobei jede dieser Dialysezellen Information über ein gewisses Tiefenniveau liefert.

Die Dialysezellen können eine nach der anderen angeordnet wer­ den, und der Durchmesser dieser Dialysezellen bestimmt die Pro­ benahmeintervalle. Generell sind Probenahmeintervalle von etwa 3 bis etwa 5 cm zufriedenstellend.

Etwas genereller gesagt, ist die Probenahmeeinrichtung bevor­ zugt so aufgebaut, daß die Dialysezellen in Abständen von etwa 3 bis 10 cm angeordnet sind, wobei jeder Abschnitt etwa 3 bis 50 einzelne Dialysezellen aufnimmt.

Die Probenahmeeinrichtung wird in einem Schacht, einer Bohrung o. dgl. in einer ruhigen Position während einer für das Errei­ chen des Gleichgewichts mit der Umgebung angemessenen Zeitdauer gelassen, und wenn die Probenahmeeinrichtung aus dem Schacht, der Bohrung o. dgl. herausgenommen wird, kann der Wasserinhalt von jeder Dialysezelle analysiert werden, wodurch ein Profil einer Schicht erhalten wird, welche durch die kumulative Länge der Mehrzahl von Dialysezellen definiert ist.

Die Probenahmeeinrichtung kann einen Stab oder eine Stange oder ein Rohr mit einer Mehrzahl von senkrecht hindurchgehenden Lö­ chern umfassen, wobei jedes dieser Löcher dazu geeignet ist, eine Dialysezelle aufzunehmen. Es wurde im Rahmen der Erfindung eine Probenahmeeinrichtung mit einer Mehrzahl von Zellen von 3 cm Durchmesser gebaut, jedoch ist dieser Wert nicht kritisch, und es kann jeder andere geeignete Durchmesser verwendet wer­ den. Die Dialysezellen können mittels einer geeigneten Dich­ tung, die aus einem elastischen Material hergestellt ist und einen Durchmesser hat, welcher demjenigen des Probenahme­ schachts, des Probenahmebohrlochs o. dgl. entspricht, im Abstand voneinander angeordnet sein. Scheibenförmige Strukturen können als Führung an beiden Enden der Probenahmeeinrichtung ange­ bracht sein, um den Aufbau durch den Schicht, die Bohrung o. dgl. zu führen. Vorteilhafterweise ist ein Gewicht an dem un­ teren Ende der Probenahmeeinrichtung angebracht, und weiterhin ist vorteilhafterweise ein Haken für ein geeignetes Seil am oberen Ende der Probenahmeeinrichtung angebracht. Die Probenah­ meeinrichtung kann aus modularen oder bausteinartigen Abschnit­ ten aufgebaut sein, wobei jeder dieser Abschnitte eine vorbe­ stimmte Anzahl von Dialysezellen umfaßt und wobei die Möglich­ keit besteht, eine Aufeinanderfolge von solchen Abschnitten zu­ sammenzubauen, so daß sich die gewünschte Anzahl von Dialyse­ zellen pro Probenahmeeinrichtung ergibt. Es ist auch möglich, die Probenahmeeinrichtung aus einer Mehrzahl von einzelnen sol­ cher Dialysezellen, eine nach der anderen, aufzubauen.

Die Erfindung wird in der Folge anhand eines Ausführungsbei­ spiels beschrieben, es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Probe­ nahmeeinrichtung, teilweise im Schnitt;

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 vergrößerte Querschnittsan­ sicht durch eine Teil der Länge der Probenahmeein­ richtung;

Fig. 3 eine Aufsicht auf eine Gummi- bzw. Kautschukdichtung der Probenahmeeinrichtung der Fig. 1 und 2;

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Bohrlochschachts und eines lithologischen Profils;

Fig. 5 eine Veranschaulichung der Ergebnisse eines Gleichge­ wichtstests;

Fig. 6 die Veranschaulichung eines elektrischen Leitfähig­ keitsprofils, das mittels einer Probenahmeeinrichtung nach der Erfindung gemessen worden ist; und

Fig. 7 die Veranschaulichung des Feldprofils, das in dem Bohrlochschacht der Fig. 4 gemessen worden ist.

Wie in den Fig. 1, 2 und 3 veranschaulicht ist, umfaßt die darin dargestellte Probenahmeeinrichtung eine langgestrecktes Teil 11 in der Form eines aus einem geeigneten Kunststoffmate­ rial hergestellten Stabs von etwa 5 cm Durchmesser, der eine Länge von etwa 135 cm hat und 38 senkrecht gekreuzte Löcher 12 besitzt, wobei in jedem dieser Löcher 12 eine Dialysezelle 13 untergebracht ist. Wie die Fig. 1 und 2 erkennen lassen, sind die Löcher 12 senkrecht zur Achse des langgestreckten Teils 11 und durch dieses hindurch sowie so ausgebildet, daß die Achsen von in Längsrichtung des langgestreckten Teils 11 aufeinanderfolgenden Löchern 12 jeweils senkrecht zueinander verlaufen. Die Dialysezellen 13 sind in Intervallen von 3 cm im Abstand voneinander angeordnet und durch flexible Gummi- bzw. Kautschukdichtungen 14 voneinander getrennt. An den Enden der Probenahmeeinrichtung sind zwei PVC-Ringe als Führungselemente 15 (also Polyvinylchloridringe) vorgesehen, die dazu dienen, die Probenahmeeinrichtung durch einen Schacht, eine Bohrung o. dgl. zu führen. Derartige Führungselemente 15 können auch in vorbestimmten Intervallen vorgesehen sein. Die Dialysezellen 13 sind an Ort und Stelle mittels Kunststoffschrauben 16, vorzugs­ weise Nylonschrauben, befestigt. Ein beschichtetes Gewicht 17 ist mit dem unteren Ende der Probenahmeeinrichtung verbunden. Ein Seil, vorzugsweise ein Nylonseil, ist an dem oberen Halte­ abschnitt angebracht, der ein Mittel 18 zum Halten bildet. Die Probenahmeeinrichtung umfaßt eine Anzahl von modularen oder bausteinartigen Abschnitten 19, die jeweils durch eine Doppel­ schraube 20 verbunden werden können. Die einzelnen Dialysezel­ len 13 sind aus modifizierten Polyethylenfläschchen 21 herge­ stellt, die an beiden Enden offen und mit Verschlußringen 22 und 23 sowie mit Dialysemembranen 24 und 25 versehen sind, so daß auf diese Weise die Dialysemembranen 24, 25 leicht ausge­ tauscht werden können und sicher an Ort und Stelle gehalten werden.

Die Dialysezellen 13 werden mit destilliertem Wasser oder ir­ gendwelchen anderen Lösungen gefüllt, sowie mittels der Dialy­ semembranen 24, 25 an beiden Enden verschlossen, und die Probe­ nahmeeinrichtung wird in Wasser (Schacht, Bohrloch, See o. dgl.) eingeführt, das mittels Probenahme untersucht werden soll, und darin gelassen, um zum Gleichgewicht mit der Umgebung zu kom­ men. Die Probenahmeeinrichtung kann auf diese Weise bei jedem Wasserprofil verwendet werden, sei es ein natürliches oder nicht. Sie kann dazu verwendet werden, den Mineralgehalt von Grundwasser zu bestimmen, sowie für die Qualitätskontrolle in industriellen Prozessen, und zum Bestimmen der Verunreinigung durch vergossenes Öl etc.

Es ist auch möglich, in gewisse Dialysezellen Elektroden ein­ zuführen oder einzubauen, und auf diese Weise von der Oberflä­ che bzw. Erdoberfläche her die Leitfähigkeit des Wassers in der Dialysezelle, die den Ionengehalt in derselben angibt, zu über­ wachen.

Um die Gleichgewichtszeit bzw. die Zeit der Herstellung des Gleichgewichts der vorliegenden Probenahmeeinrichtung empirisch zu bestimmen, wurde ein Laboratoriumstest ausgeführt, in wel­ chem sechs Paare von Dialysezellen in gesonderte Bäder von 800 ml (Cl⁻ = 200 mg 1^-1; NO₃⁻ = 100 mg 1^-1) ein- bzw. unterge­ taucht wurden, welche einmal jeden Probenahmetag gemischt wur­ den (Fig. 5).

Die Leistungsfähigkeit der Probenahmeeinrichtung wurde gete­ stet, indem ein elektrisches Leitfähigkeitsprofil gemessen wurde. Der Salzgehaltgradient wurde künstlich dadurch herge­ stellt, daß eine kalte Salzlösung (1 g cm^-3 NaCl) am Boden ei­ nes Behälters eingeführt wurde, der mit Leitungswasser gefüllt war. Zwei aufeinanderfolgende Profile wurden nach einer Gleich­ gewichtsdauer von 7 Tagen durch Probenahme ermittelt (Fig. 6).

Die Probenahmeeinrichtung wird vorteilhafterweise in einem ab­ geschirmten oder mit einem Gitter, Sieb o. dgl. versehenen Schacht oder einem entsprechenden Bohrloch verwendet. Da es ei­ ner der Zwecke der Probenahmeeinrichtung ist, die Ankunft von verunreinigenden Stoffen an der Grundwasserzone bzw. in der Zone des Grundwasserspiegels zu überwachen, wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bohrlochschacht für diesen speziel­ len Zweck entworfen und gebohrt, der in Fig. 4 dargestellt und in näheren Einzelheiten angegeben ist. Der Bohrlochschacht be­ findet sich in der tiefen, sandigen und phreatischen wasserfüh­ renden Küstenebene von Israel. Die Tiefe des Grundwasserspie­ gels ist 27 m, und die Dicke des gesättigten Bereichs etwa 130 m. Der Bohrlochschacht wurde mittels eines Spiralbohrer- Trockenverfahrens ohne Hinzufügung von Wasser gebohrt. Polyvi­ nylchloridrohre wurden verwendet. Aufgebundene bzw. durch Bin­ dung aufgebrachte Sand- bzw. Kiesabdichtungsgitter wurden so­ wohl über, nämlich 3 m, als auch unter, nämlich 5 m, dem Grund­ wasserspiegel angeordnet (Pumpen-Boese-KK Filter 80/0,6/0,7-1,2). Die Position der Gitter in Relation zum Grundwasserspie­ gel wurde gewählt, um eine langzeitige Probenahme zu ermögli­ chen, und zwar unter Berücksichtigung sowohl der kurzzeitigen als auch der langzeitigen Schwankungen (monatlich bis jährlich) des Grundwasserspiegels. Ein rostfreier Stahldraht, der auf ei­ nem der Gitter angebracht war, wurde mittels eines mit Polyvi­ nylchlorid beschichteten rostfreien Stahldrahts mit der Ober­ fläche bzw. der Erdoberfläche verbunden.

Die mit destilliertem Wasser gefüllten Dialysezellen wurden in die Probenahmeeinrichtung eingefügt. Die Probenahmeeinrichtung, die aus zwei miteinander verbundenen Abschnitten zusammenge­ setzt war und eine gesamte Probenahmelänge von 241 cm hatte, wurde in den Bohrlochschacht abgesenkt. Sie wurde dadurch in Position gebracht, daß das erwähnte Seil, nämlich vorliegend ein Nylonseil, an dem Bohrlochschachthaken angebracht wurde. Die genaue Position des Grundwasserspiegels in Relation zu den Dialysezellen wurde dadurch bestimmt, daß beide isolierten rostfreien Stahldrähte mit einem Ohmmeter bzw. Widerstandsmes­ ser verbunden wurden. Die Probenahmeeinrichtung wurde für eine Periode der Herstellung des Gleichgewichts von 30 Tagen in dem Bohrlochschacht gelassen.

Die Probenahmeperiode von 30 Tagen wurde durchgeführt, um es zu ermöglichen, daß sich wieder ein Gleichgewicht des Bohrloch­ schachtwasserführungssystems zu den "normalen" hydrochemischen Bedingungen nach dem Absenken der Probenahmeeinrichtung in den Bohrlochschacht einstellen konnte (Strömungsgeschwindigkeiten in dem wasserführenden Bereich von 0,5 bis 0,01 m·Tag^-1).

Die Probenahmeeinrichtung ist billig bzw. kostengünstig und leicht zu betreiben. Sie kann in jeden vorhandenen abgeschirm­ ten bzw. mit einem Gitter versehenen Schacht oder ein entspre­ chendes Bohrloch abgesenkt werden, und ihre Probenahmetiefe ist nicht beschränkt. Ihre Dimensionen sind eine Funktion des Schacht- bzw. Bohrlochdurchmessers. Das Probenahmevolumen wird hauptsächlich definiert in den gewünschten Probenahmeinterval­ len.

Das Testsystem (Probenahmeeinrichtung und Bohrlochschacht) wur­ de speziell aus PVC (Polyvinylchlorid) gebaut, um auch die zu­ künftige Untersuchung bzw. das zukünftige Studium von Schwerme­ tallen in der Grundwasserzone, insbesondere in der Zone des Grundwasserspiegels, zu ermöglichen.

Die Probenahmeeinrichtung, die hier beschrieben worden ist, wurde als geeignet befunden, ungestörte Grundwasserproben in kleinen vertikalen Intervallen zu erhalten, was die Messung von chemischen Profilen in abgeschirmten bzw. mit einem Gitter ver­ sehenen Schächten, Bohrlöchern o. dgl. in jeder Tiefe ermög­ licht. Die Probenahmeeinrichtung kann auch für die Überwachung von Massen bzw. Systemen von verunreinigtem Grundwasser verwen­ det werden.

Die Probenahmeeinrichtung kann für das Pro­ benehmen und Messen der aktuellen verunreinigenden Flüsse, wel­ che den Grundwasserspiegel von der ungesättigten Zone her er­ reichen, bevor sie in der Hauptgrundwassermasse verdünnt wer­ den, benutzt werden.

Eine Schwimmversion der Probenahmeeinrichtung hat weitere vor­ teilhafte Eigenschaften: Der Auftrieb ermöglicht es der Probe­ nahmeeinrichtung, im Inneren des Schachts bzw. Bohrlochs ent­ sprechend den monatlichen Änderungen des Grundwasserspiegels zu fluktuieren bzw. höher oder niedriger innerhalb des Schachts bzw. Bohrlochs zu schwimmen. Ein Einzelschachtverdünnungs- bzw. -wässerungsverfahren kann angewandt werden, um das Vertikalpro­ fil von Horizontalgeschwindigkeiten in Verbindung mit der Va­ riation von chemischen Profilen zu studieren.

In den Fig. 5 bis 7 der beigefügten Zeichnungen ist folgen­ des dargestellt:

Fig. 5 zeigt einen Gleichgewichtstest von Dialysezellen, der bei 22°C ausgeführt ist. -Cl⁻, x-NO₃⁻, o-SO₄⁼; jeder Punkt re­ präsentiert zwei Gleichgewichtstests.

Fig. 6 zeigt elektrische Leitfähigkeitsprofile, die in einem Wassertank mittels schwimmender Probenahmeeinrichtung gemessen worden sind.

Fig. 7 zeigt ein Feldprofil der elektrischen Leitfähigkeit, Cl⁻, NO₃⁻ und SO₄⁼ gemessen mittels der Probenahmeeinrichtung in einem Bohrlochschacht WT-2.

Claims (9)

1. Probenahmeeinrichtung zum Feststellen eines Konzen­ trationsprofils von verunreinigenden Stoffen und/oder Bestand­ teilen einer Flüssigkeit, die in der Lage sind, durch eine Dia­ lysemembran in eine Dialysezelle (13) einzudringen, mit einem langgestreckten Teil (11), das mit durchgehenden, gekreuzten Lö­ chern (12) in vorbestimmten Abständen versehen ist, wobei jedes Loch (12) eine Dialysezelle (13) aufweist, deren Öffnungen nach den Seiten des Teils (11) an beiden Enden durch je eine Dialy­ semembran (24, 25) verschlossen sind, wobei die Dialysezellen (13) mit destilliertem Wasser oder einer anderen Lösung gefüllt sind, so daß sich nach einer bestimmten Zeit ein Gleichgewicht zwischen den Dialysezellen (13) und der Umgebung derselben ein­ stellt, und mit Mitteln (18) zum Einfügen und Halten der Probe­ nahmeeinrichtung in der Flüssigkeit, welche untersucht werden soll, bis zur Einstellung des Gleichgewichts.

2. Probenahmeeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Abschnitten (19), die miteinander verbindbar sind, wobei jeder dieser Ab­ schnitte (19) eine Anzahl von in engem Abstand voneinander an­ geordneten Löchern (12) für aufeinanderfolgende Dialysezellen (13) aufweist.

3. Probenahmeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dialysezellen (13) in Abständen von etwa 3 bis 10 cm angeordnet sind, wobei jeder Ab­ schnitt (19) etwa 3 bis 50 einzelne Dialysezellen (13) auf­ nimmt.

4. Probenahmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das langge­ streckte Teil (11) ein Stab oder ein rohrförmiges Teil ist, in dessen Löchern (12) rohrförmige Dialysezellen (13) aufgenommen sind, deren Achsen senkrecht zur Vertikalachse des Teils (11) angeordnet sind, wobei die Dialysemembranen (24, 25) austausch­ bar sind.

5. Probenahmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ab­ schnitt (19) mit Führungselementen (15) versehen ist.

6. Probenahmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine modu­ lare Struktur aufweist, wobei jeder modulare Abschnitt (19) so ausgebildet ist, daß er an einem weiteren modularen Abschnitt (19) mittels einer Doppelschraube (20) oder einer ähnlichen Einrichtung befestigbar ist.

7. Probenahmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder meh­ rere der Dialysezellen (13) mit einem Elektrodenpaar versehen ist, so daß Leitfähigkeitsmessungen in der Dialysezelle (13) durchführbar sind.

8. Probenahmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß scheibenför­ mige Elemente (14) mit einem Durchmesser, der größer als die Länge der Dialysezellen (13) ist, zwischen aufeinanderfolgenden Dialysezellen (13) angeordnet sind.

9. Verwendung einer Probenahmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Feststellen eines chemischen Profils in Wassermassen, wie beispielsweise in Schächten, Bohrlöchern, Seen, industriellen Abwässern.