Öl-in-Wasser- und VOC-Analysatoren für den Umweltschutz

Zusammenfassung

Heute mehr denn je ist die Umwelt eines der zentralen Themen, das alle weltweit betrifft – von Politikern und Wissenschaftlern bis hin zur breiten Öffentlichkeit. Verantwortungsbewusste Unternehmen müssen die Bedeutung des Schutzes unserer Ökosysteme anerkennen, und Strafverfolgungen wegen Umweltverschmutzung können nicht nur zu hohen Bußgeldern führen, sondern auch zu irreparablem Schaden für das öffentliche Image einer Organisation.

Entsprechend nehmen sowohl Strafverfolgungen durch Umweltbehörden als auch das Medieninteresse an diesen Fällen zu. Wasserversorgungsunternehmen erkennen ebenfalls die Bedeutung dieses Themas und investieren in Detektions- und Überwachungsausrüstung, nicht nur für die Trinkwasserentnahme, sondern auch für die Abwassereinleitung aus Regenwasserkanälen. Dies hat dazu geführt, dass einige hochkarätige Unternehmen vor Gericht gebracht, hohe Bußgelder verhängt und teure Sanierungsarbeiten durchgeführt wurden.

In einigen dieser Fälle mit Kohlenwasserstoffschadstoffen hätte eine Frühwarn-VOC-Detektionstechnologie sowohl die Auswirkungen auf die Umwelt als auch die Sanierungskosten verhindern oder erheblich reduzieren können. Verfügbare VOC-Detektionsmethoden können einfach installiert, sehr leicht gewartet und kalibriert werden und haben sehr geringe Betriebskosten.

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VOCs

Flüchtige organische Verbindungen (VOCs) kommen natürlicherweise in der Atmosphäre vor. Menschen, Pflanzen und Tiere atmen sie natürlicherweise aus, jedoch können sie beim Einatmen oberhalb bestimmter Werte schädlich sein.

Einige der häufigeren VOCs und ihre industriellen Quellen sind unten aufgeführt. Der Begriff „VOCs" umfasst tatsächlich eine sehr breite Palette organischer Verbindungen. In der Tabelle im Anhang finden Sie eine Liste von VOCs und deren Schwellenwerte.

Häufigste VOCs und industrielle Quellen

VOC Industrielle Quelle
BTEX (Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylol), Hexan, Cyclohexan und Trimethylbenzol. Benzin, Diesel, Heizöl, Farbverdünner, ölbasierte Beizen und Farben, Insektizide, Mineralgeist und Möbelpolituren
Aceton, Ethylalkohol, Isopropylalkohol, Methacrylate, Ethylacetat Nagellack und -entferner, Cologne, Parfüms, Franzbranntwein, Haarspray
Tetrachlorethen (PERC) und Trichlorethen (TCE) Trockenreinigungsflüssigkeit, Fleckenentferner, Stoff-/Lederreiniger
d-Limonen (Zitrusgeruch), a-Pinen (Kiefergeruch), Isopren Zitrus-(Orangen-)Öl- oder Kiefernölreiniger, Lösungsmittel und einige geruchsüberdeckende Produkte
Tetrahydrofuran, Cyclohexan, Methylethylketon (MEK), Toluol, Aceton, Hexan, 1,1,1-Trichlorethan, Methylisobutylketon (MIBK) PVC-Kleber und -Grundierung, verschiedene Klebstoffe, Kontaktkleber, Modellkleber
Methylenchlorid, Toluol, ältere Produkte können Tetrachlorkohlenstoff enthalten Farbabbeizer, Klebstoffentferner
Methylenchlorid, PERC, TCE, Toluol, Xylole, Methylethylketon, 1,1,1-Trichlorethan Entfetter, Aerosol-Kriechöle, Bremsenreiniger, Vergaserreiniger, kommerzielle Lösungsmittel, Elektronikreiniger, Sprühlubrikate
1,4-Dichlorbenzol, Naphthalin Mottenkugeln, Mottenflocken, Deodorants, Lufterfrischer
Freon (Trichlorfluormethan, Dichlordifluormethan) Kältemittel aus Klimaanlagen, Gefrierschränken, Kühlschränken, Luftentfeuchtern
Heptan, Butan, Pentan Aerosol-Sprühprodukte für einige Farben, Kosmetika, Automobilprodukte, Lederbehandlungen, Pestizide
Formaldehyd Polstermöbel, Teppiche, Sperrholz, Pressholzprodukte

Kosten der Sanierung

Ausrüstungsausfälle, Tanklecks, Vandalismus, versehentliche Verschüttungen oder illegale Entsorgung sind nur einige der Wege, auf denen VOCs die Umwelt kontaminieren können.

Da die Umweltbehörde immer effektiver darin wird, Fälle vor Gericht zu bringen, stehen Umweltfragen auch unter zunehmender öffentlicher und politischer Beobachtung, was zu härteren Strafen, Bußgeldern und negativer Publicity für diejenigen führt, die der Umwelt Schaden zufügen.

Nachfolgend finden Sie einige Beispiele, bei denen Verschüttungen und Lecks auftraten und keine geeigneten Verfahren vorhanden waren, um diese Verschüttungen einzudämmen oder zu erkennen. Dies hat dazu geführt, dass die Umweltbehörde rechtliche Schritte / Gerichtsverfahren gegen die beteiligten Unternehmen eingeleitet und Bußgelder sowie Anordnungen zur Sanierung der Kontamination erlassen hat.

Die Kosten eines Lecks

Über einen Zeitraum von etwa 4 Wochen im Juli 2005 leckten etwa 653 Tonnen Kerosin aus einem kleinen Loch im Boden eines Tanks in einer Lageranlage in Waterston, Milford Haven.

Die daraus resultierende Verschmutzung führte zur Zerstörung des Lebensraums des nahegelegenen Hazelbeach-Bachs und zur Schließung des Strandes im August 2005.

Das Unternehmen wurde anschließend von der Environment Agency Wales strafrechtlich verfolgt und bekannte sich schuldig, wurde zu einer Geldstrafe von 29.900 £ verurteilt und zur Zahlung von Kosten in Höhe von 39.801 £ verpflichtet. Darüber hinaus hat das Unternehmen geschätzt, dass die Sanierungsarbeiten etwa 3 Millionen £ kosteten

Die Kosten eines Ausrüstungsausfalls

Ein Kraftstoffverteilungsunternehmen gab zu, einen Nebenfluss des River Clyst mit 22.000 Litern rotem Diesel verschmutzt zu haben.

Das Leck wurde auf das Unternehmen zurückgeführt, nachdem erhebliche Mengen Öl im Wasserlauf entdeckt worden waren; erste Überprüfungen zeigten jedoch keinen Bestandsverlust in ihrem Computersystem. Drucktests und Ausgrabungen ergaben ein Loch in einer Versorgungsleitung, die zu einer Kraftstoffabgabestation führte.

Die Richter erkannten die vom Unternehmen durchgeführten Arbeiten zur Sanierung der Umwelt an und verhängten eine Geldstrafe von 5.000 £ zuzüglich Kosten in Höhe von 3.700 £.

In jüngerer Zeit (2019) stellte die Northern Ireland Environment Agency fest, dass roter Diesel aus einem Durchlass in den Ballyclare-Fluss eingeleitet wurde, was zu Maßnahmen geführt hat,

Die Kosten menschlichen Versagens

Ein Transportunternehmen wurde verurteilt, 6.867 £ an Geldstrafen und Kosten zu zahlen, nachdem ein Ölabscheider übergelaufen war, den River Thames mit dickem schwarzem Altöl verschmutzt und erheblichen Schaden an der lokalen Tierwelt verursacht hatte.

Das Unternehmen gab vor Gericht zu, dass es versäumt hatte, den Abscheider zu leeren, wodurch dieser nicht ordnungsgemäß funktionieren konnte. Etwa 40 Schwäne waren betroffen, und einige mussten vom Swan Sanctuary in Shepperton gerettet werden.

Die Kosten von Vandalismus

Öl von einem Gabelstapler-Reparaturstandort gelangte in einen Abfluss bei Spalding, wodurch ein Schwan gereinigt werden musste und Wirbellose starben.

Das Unternehmen wurde vom Spalding Magistrates' Court zu einer Geldstrafe von 8.000 £ verurteilt und zur Zahlung der vollen Kosten der Umweltbehörde in Höhe von 4.000 £ verpflichtet, nachdem es sich der Verschmutzung eines Nebenflusses des Hammond Beck schuldig bekannt hatte.

Den Mitarbeitern der Umweltbehörde wurde mitgeteilt, dass ein Öltank auf dem Gelände vandalisiert und eine Leitung abgerissen worden war.

Das Unternehmen hatte nicht bemerkt, dass sich unter dem Bereich, in dem der Tank gestanden hatte, ein Oberflächenwasserabfluss befand, und hatte die Behörde daher nicht über die Verschüttung informiert. Entsprechend hätten die Umweltauswirkungen möglicherweise reduziert werden können, wenn früher erkannt worden wäre, dass das Öl in die Oberflächenwasserentwässerung des Geländes gelangt war.

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Detektionsansätze und Probleme

Es gibt verschiedene Methoden zur Messung und Detektion von VOCs; die genauesten, aber langsamsten und teuersten, sind die laborbasierten Methoden der Gaschromatographie, Massenspektrometrie und Flammenionisationsdetektion (FID)-Analysatoren, deren Kosten bis zu 100.000 $ und mehr betragen können.

Laserbasierte Methoden zur Öl-in-Wasser-Detektion sind verfügbar, erfordern jedoch, dass das Öl in Emulsionsform vorliegt oder einen Ölfilm auf der Oberfläche gebildet hat (Öl auf Wasser). Diese Methoden können nur relativ hohe Ölkonzentrationen nachweisen – typischerweise 1 ppm für Öl in Wasser und viel höher für Öl auf Wasser.

Der Öl-auf-Wasser-Detektor misst die Reflexionsänderung der Oberfläche – Öl kann Licht besser reflektieren als Wasser. Das System erfordert eine bewegungslose Oberfläche, frei von Staub oder Laub und fern von direktem Sonnenlicht.
Die Öl-in-Wasser-Detektoren verwenden entweder Lichtstreuungstechniken oder Fluoreszenz und können Konzentrationen bis hinunter zu 1 ppm messen. Diese Technik bietet eine 24/7-Online-Überwachung, ist jedoch anfällig für falsche Ergebnisse, wenn das Wasser einen hohen Trübungswert aufweist. Die Detektoren benötigen regelmäßige Wartung und Reinigung der Probenkammer, da Partikel das System verstopfen können.

Glücklicherweise gibt es kosteneffizientere, schnellere und tragbarere Methoden der VOC-Detektion, zum Beispiel Photoionisationsdetektoren (PIDs) und die elektronische Nasentechnologie (E-NOSE).

Ein Photoionisationsdetektor (PID) verwendet eine Ultraviolett-(UV)-Lampe, um einströmendes Gas zu bestrahlen. Die UV-Energie ionisiert die Moleküle und erzeugt einen Ionenstrom, der dann gemessen wird. PIDs sind Breitbanddetektoren und nicht selektiv, da sie alle Moleküle ionisieren, die durch den Detektor strömen und eine ähnliche Ionisierungsenergie wie die verwendete UV-Lampe aufweisen. Der Vorteil von PIDs ist, dass sie eine schnelle Messung der VOC-Konzentrationen vor Ort liefern können.

Einige der Nachteile von PIDs sind:

  • Wasserdampf, Kondensation, Temperatur und Quenching können ihre Leistung auf bestenfalls 0,1 ppm (unter kontrollierten Bedingungen), aber typischerweise 1 ppm begrenzen.
  • PIDs benötigen regelmäßige Wartung und Kalibrierung der UV-Lampe, des Treibers und der Detektionsschaltung.
  • Die Zelle muss ebenfalls regelmäßig gereinigt werden, da Staub und Mikrofasern die Kondensation erhöhen können.
  • Das Kalibrierungsverfahren ist teuer und kompliziert und verwendet 10 ppm komprimiertes Isobutylengas. (Siehe Anhang IV)

Die E-NOSE-Technologie verwendet ein halbleitendes Material (Metalloxid), das auf eine nichtleitende Substanz (Substrat) zwischen zwei Elektroden aufgebracht wird. Das Substrat wird auf eine Temperatur (etwa 400 °C) erhitzt, bei der das Vorhandensein des Gases eine reversible Änderung der Leitfähigkeit des halbleitenden Materials bewirken kann.

  • Wenn kein Gas vorhanden ist, wird Sauerstoff auf der Oberfläche ionisiert und der Sensor wird halbleitend.
  • Wenn Moleküle des interessierenden Gases vorhanden sind, ersetzen sie die Sauerstoffionen und verringern den Widerstand zwischen den Elektroden.
  • Diese Änderung wird elektrisch gemessen und ist proportional zur Konzentration des gemessenen Gases

Dies macht die E-NOSE zu einer Breitband-VOC-Detektionstechnologie. Ein Beispiel für diese Art von Sensortechnologie sind die MS1200 VOC-Monitore.

Diese Methode hat die Vorteile:

  1. Hohe Empfindlichkeit, d. h. der Monitor kann VOC-Konzentrationswerte bis zu 1 ppb erfassen.
  2. Sensoren haben eine lange Lebensdauer und erfordern keine Reinigung.
  3. Die Sensoren nullen automatisch vor jeder Probenmessung, um Sensordrift und Alterungseffekte zu berücksichtigen. Dies erfolgt, indem bei jedem Probenzyklus gefilterte, saubere, trockene Luft über die Sensoren geleitet wird.
  4. Im Monitor werden 2 Filtermaterialien verwendet, ein Staubfilter und Aktivkohle. Dies sind die einzigen Verbrauchsmaterialien, die in den Systemen verwendet werden, und sie müssen nur alle 6 Monate ausgetauscht werden.
  5. Aufgrund der Robustheit der Sensortechnologie können die Monitore als Online-Überwachungssystem eingesetzt werden, das eine 24/7-Detektion und -Messung ermöglicht.

Ein Validierungsprüfverfahren wurde entwickelt; diese Methode führt eine 50-ppb-Toluol-in-Wasser-Lösung ein, der Monitor beprobt dann das Luft-/Toluoldampf-Gemisch, um die Reaktion zu überprüfen

Zusammenfassung

PIDs bieten eine schnelle VOC-Detektions- und Messtechnologie vor Ort, haben jedoch eine geringere Empfindlichkeit und sind teurer im Vergleich zu E-NOSE. Sie erfordern außerdem einen erhöhten Wartungsaufwand, häufigere Kalibrierung und sind empfindlich gegenüber Feuchtigkeitsänderungen.

E-NOSE ist eine kosteneffiziente, robuste Lösung mit hoher Empfindlichkeit, geringen Wartungskosten und 24/7-Überwachungsabdeckung. Das einzige verwendete Verbrauchsmaterial sind Filtermaterialien, die nur alle 6 Monate ausgetauscht werden müssen, zusammen mit einer einfachen Validierungsprüfung.

Der MS1200-Monitor wird inzwischen umfassend zur Überwachung der Trinkwasserentnahme eingesetzt. Es gibt auch eine Reihe von Standorten, die den Monitor für die Überwachung industrieller Emissionen und die VOC-Detektion nutzen.

Fazit

Es stehen mehrere Technologien für den Zweck der Detektion von VOCs in industriellen Einleitungen zur Verfügung. Es wurde argumentiert, dass die robusteste, empfindlichste und effektivste Methode gasempfindliche Halbleiter-E-NOSE-Geräte verwendet, aufgrund ihrer langen Lebensdauer, seltenen Kalibrierungsanforderungen und einfachen Wartung. Das genannte Beispiel ist der Multisensor MS1200.

Es wurden Fallstudien vorgestellt, die zeigen, wie einfach ein solches Instrument eingesetzt und in das bestehende Notfall-/Sicherheitskontrollsystem innerhalb eines modernen Industriekomplexes integriert werden kann. Dies bietet sowohl dem Unternehmen, das es verwendet, als auch den Behörden, die die Umwelt schützen, in die Einleitungen erfolgen, Sicherheit.

Tabelle: Grenzwert (TLV)

Hier sehen Sie einige der Grenzwerte (TLV – Threshold Limit Value) für einige der häufigeren VOCs. Der TLV einer chemischen Substanz ist ein Wert, dem ein Arbeitnehmer Tag für Tag über ein Arbeitsleben lang ausgesetzt sein kann, ohne nachteilige gesundheitliche Auswirkungen.

VOC TLV Siedepunkt °C Dampfdruck bei 20 °C
Benzol 0,5 ppm 80 10 kPa
Toluol 50 ppm 111 2,3 kPa
Ethylbenzol 100 ppm 136 0,9 kPa
Xylol 100 ppm 144 0,91 kPa
Cyclohexan 100 ppm 81 10,3 kPa
Benzin 300 ppm 20-200 220 kPa (Butan)
Aceton 500 ppm 56 24 kPa
Isopropylalkohol 200 ppm 83 4,4 kPa
Trichlorethen 50 ppm 87 7,8 kPa
Tetrahydrofuran 50 ppm 66 19,3 kPa
Methylethylketon 200 ppm 80 10,5 kPa
Methylenchlorid 50 ppm 40 47,3 kPa
1,1,1-Trichlorethan 350 ppm 74 13,3 kPa
Formaldehyd 0,3 ppm -20 3,46 kPa bei 25
Wasser n/a 100 2,3 kPa