DD271570A1 - Verfahren zur analytischen ueberwachung fliessender gewaesser mit hilfe der roentgenfluoreszenzstrahlung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur analytischen Ueberwachung fliessender Gewaesser mit Hilfe der Roentgenfluoreszenzstrahlung auf ihre elementspezifische Zusammensetzung zur automatischen Erkennung qualitativer Verschmutzungstraeger. Erfindungsgemaess wird aus den zu untersuchenden Gewaessern ein repraesentativer Wasserstrom abgezweigt, der als duenner Wasserfilm in einem Probenbehaelter ueber ein Folienfenster langsam laeuft, wobei durch dieses Fenster von unten eine Roentgenquelle das sich staendig erneuernde Wasservolumen bestrahlt, so dass die dort erzeugte Roentgenfluoreszenzstrahlung unter einem Winkel wieder als Strahlenbuendel aus diesem Fenster nach unten austritt. Ein Beugungskristall zerlegt dieses Strahlenbuendel wellenlaengsndispersiv auf eine 2u-Achse, so dass diese in je einen Nachweiskanal fuer ein Element gelangt, wo ein nachgeschalteter Detektor die ankommende Strahlung als Impulsrate in einem vorgegebenen Zeitintervall registriert, die einer bestimmten Elementkonzentration in dem Gewaesser entspricht, die vorher empirisch ermittelt wurde. Wird innerhalb des Zeitintervalls eine Ueberschreitung der Impulsrate von der nachgeschalteten Zaehleinrichtung festgestellt, erfolgt sofort eine Alarmierung, da nun die maximal zulaessige Elementkonzentration in dem Gewaesser ueberschritten wurde, so dass auch dabei festgestellt werden kann, um welches Element es sich handelt. Durch die Wahl des Zeitintervalls kann eine optimale Anpassung an die nachzuweisenden Konzentrationsbereiche (bei Spurenbereich) und an das jeweilige oertliche Milieu erfolgen. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung dient als Verfahren iur analytischen Überwachung von fließenden Gewässern mit Hilfe der bekannten Röntgenfluoreszenzatrahlung auf ihre elementspeilfische Zusammensetzung zur Erkennung qualitativer Verschmutzungsuager

als Indiz für seinen Verursacher (z. B. Schwermetalle). Damit kann rechtzeitig eine zu starke Gewässerbelastung mit Schadstoffen festgestellt werden und es können spezifische Abwehrmaßnahmen eingeleitet werden.

Dia Erfindung kann auf allen technischen Gebieten eingesetzt werden, wo ab dem Element mit der Ordnungszahl 9 (Fluor) im Periodensystem der chemischen Elemente aufwärts der qualitative Nachweis der einzelnen Elemente in einem bestimmten Zeitintervall quantitativ erfaßt werden muß zur Beurteilung und Steuerung ablaufender Prozesse durch den Abzweig einer

repräsentativen Probe aus einem fließenden Wasserstrom.

Ein günstiger Anwendungsfall ist die automatische Überwachung von natürlichen Gewässern auf Spurenelemente von Schwermetallen bis in den ppm-Berelch durch industrielle Abwasser, so daß bei Feststellung dieser Elemente bzw. Überschreitung eines vorgegebenen Maximalgehaltes eine Alarmierung erfolgen kann. Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur analytischen Überwachung von fließenden Gewässern müssen aufwendige Probennahmemechanismen das Medium von dem zu untersuchenden Ort in kürzester Zeit zu der Stelle transportieren, wo die Analyse durchgeführt werden kann. Dabei können herkömmliche Geratekonzeptionen nur einen ausgewählten Teil oder eine ganz spezifische Methode durchführen (DE-OS 2161321, DE-OS 2137831). Um einen automatischen Ablauf zugestalten, muß sich das ganze Analysengeschehen vor Ort abspielen, was aber eine feste Einheit zwischen Probennahme, -transport und -analyse zur Folge hat, die keine der bhher bekannten Gerate in dieser Form besitzen, da sich die Forderungen der einzelnen Komponenten z.T. widers3rechen: kurze Analysenzeit, um einen möglichst lückenlosen Analysenwert des zuuntersuchenden Gewässers zu erhalten Hurch die Bereitschaft zur jrneuten Messung (es kan aller Minuten neu gemessen werten), trotzdem soll eine hohe Analysengenauigkeit erreicht werden; durch lange Meßzeiten erhalt man aber gerade amelnf&chst in höhere Genauigkeiten. Wo dieses Prinzip der Einheitlichkeit trotzdem angestrebt wurde (z. B. DE-OS 2606375 und DE-OS 2713621), ist die analytische Aussage nur über eine aufwendige Meßeinrichtung und nur für diesen eingesetzten speziellen Fall möglich (z.B. Kondensatormeßprinzip bei DE-OS 2606375). Sie liefern keine elementspezifische Aussagen und keine Untersuchung des gesamten Spektrums der Gewässerzusammensetzung. Ihre langfristige Arbeitswelse ist dabei streng an die zuverlässigen Probennahm« geknüpft, die damit die ganze Analysengenauigksit beeinflußt.

-2- 271670

Ziel dor Erfindung

Das Ziel der Erfindung lit die Schaffung elnea Verfahren! zur analytischen Überwachung fließender Gewisser iur elementspezifischen Aussage über den Qehalt von VerschmuUungen ab der Ordnungszahl 9 Im Periodensystem durch Industrielle Abwasser und sonstige Umweltbelastungen. Dabei soll für einen langfristigen Einsatz vor Ort eine automatische Arbeitsweise die zuverlässige Probenahme und den Transport durch die Fließbewegung des Gewässers allelne ohne komplizierte Mechanismen selbsttätig gestaltet wurden. Die Moßzelt muß so klein werden, daß alle zu untersuchenden Elemente fast zur gleichen Zeit aufgenommen worden können. Zusatzlich soll zur langfristigen Betriebsdauer auf bewegte Teile prinzipiell verzichtet werden, so daß auch das.iu untersuchende Wasser keinen direkten Kontakt zui Meßeinrichtung haben soll und damit eine Analyse zerstörungsfrei ablaufen muß.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grundo, ein Verfahren zur analytischen Überwachung fließender Gewisser mit Hilfe der Röntgenfluoreszenzstrahlung so zu gestalten, daß ein automatischer Betrieb ohne Zuhilfenahme jeglicher bewegter Probennahmemechanlsmen an der zu untersuchenden Stelle die Aufspürung von elementspezifischen Verunreinigungen durch industrielle Abwasser oder andere Umweltbelastungen Tag und Nacht feststellen kann. Die Aufgabe wird durch folgende erfindungsgemaße Kriterien gelöst:

1. Aus dem zu untersuchenden fließenden Gewässer wird ein repräsentativer Wasserstrom abgezweigt, der dann als dünner Wasserfilm In einem Probenbehälter über ein In dessen Boden eingelassenes Folienfenster langsam fließt, so daß sich dort ein standig erneuerndes Wnsservolumen befindet, das auch die Verunreinigungen ununterbrochen zu· und abtransportiert als offenen Kreislauf.

2. Mit Hilfe einer Röntgonquelle wird unter einen bestimmten Winkel von unten über das Folienfenster der Wasserfilm mit ihrer emittierten Röntgenstrahlung so bestrahlt, daß es dort zur Erzeugung der elementspezifischen Röntgenfiuoreszenzstrahlung kommt, die über das gleiche Folienfenster als Strahlenbündel im Raumwinkel wieder nach unten austritt.

3. Ein Bougungskristall mit großem Auflösungsvermögen und geringen Reflexionsverlusten teilt das Strahlenbündel so auf, dcß es welleniangendispersiv auf eine 2d-Achse (d » Beugungswinkel) verteilt wird und In einzelne Nachweiskanäle für jedes zu untersuchende Element gelangt.

4. Gleichzeitig registriert je ein Detektor pro Element die spezifischen ankommenden Impulsiaten in einem fest vorgebbaren Zeitintervall, das einer bestimmten Konzentration der jeweiligen Elemente in dem Gewässer entspricht, die vorher experimentell ermittelt wurden.

5. Wird Innerhalb des Zeitintervalls von einer nachgeschalteten Zahleinrichtung pro Element eine Überschreitung der vorgegebenen Impuk 'ate erreicht, so erfolgt eine Alarmierung, da damit JIe vorgegebene Maximalkonzentration dieses Elementes in dem zu untersuchenden Gewässer überschritten wurde. Gleichzeitig kann damit auch erkannt werden, um welches Element es sich dabei handelt.

Ourch die empirische Aufnahme der erforderlichen Sollvorgaben für die zu messenden Impulsraten kann das elchbedürftige Verfahren vollständig an das Meßobjekt angepaßt werden, in dem man einzelne definierte Eichlösungen mit den gesuchten Elementen statlonSr In den Probenbehälter gibt. Für den Außenelnsatz Ist die Temperaturabhängigkeit der zu messenden Fluoreszenzstrahlu/tg so gering, daß sie sich nicht störend bemerkbar macht. Mit Hilfo eines radioaktiven Präparates als Röntgenquelle laßt sich das Verfahren sehr platzsparend realisieren.

Ausfflhrungsbelsplel

Die Erfindung wird anhand einer Überwachungseinrichtung (Fig. 1) für ein fließenden Abwasserkanal auf seine Verunreinigung •nit Cu, Sr, Cd, Ba und Pb näher beschrieben. Von diesem Kanal, der in ein öffentliches Netz fließt, wird mittels einer einmündenden Rohrleitung ein von groben und festen Bestandteilen freier Wasserstrom abgezweigt, der das Im Abwasserkanal fließende Medium gut repräsentiert. Dieser Wasserstrom wird über diese Rohrleitung zu einer entfernten Probenkammer 1 geschleust, wo es langsam als dünner zu untersuchender Wasserfilm 1.2 einige Millimeter über dessen Boden läuft und dabei ein dort eingelassenes Folienfenster 1.1 einige Mikro;. iter überdeckt, so daß eine gewisse Verwoilzeit eines repräsentativen Wasservolumens zustande kommt, bevor es durch den Strömungsdruck om nachfolgenden Wasser wieder aus der Probenkammer 1 herausgedrängt wird und wegläuft. Während der Verweilzeit über dem Folienfenster 1.1 wird der Wasserfilm 1.2 von der das Folienfenster 1.1 durchdringenden Röntgenstrahlung von einer unmittelbar darunter in einem definierten Winkel befindlichen Röntgenröhre 2, die von einem Hochspannungsgenerator 3 gespeist wird, so angeregt, daß die in dem Wasserfilm 1.2 enthaltenen Elemente zur Fluoreszenzstrahlung angeregt werden, die selbst wiederum unter einem Winkel aus dem Wasserfilm 1.2 durch das Folionfenster 1.1 nach unton austritt. Auf einem optischen Weg trifft diese Strahlung durch einen Kollimator 4 auf einen Beugungskristall S mit sehr hohem Auflösungsvermögen und geringen Reflexionsvorlusten. Er zerlegt die Strahlung wellenlängendispersiv auf eine 2d-Achse (θ - Beugungswinkel), so <aß sich für die fünf nachzuweisenden Elemente bei Verwendung eines LiF-Krlstalle der Gitterstruktur 002 folger.de 2ft-Wlnkel ergeben. Cu 44,96*; Sr 25,09*; Cd 15,27*; Ba 87,13*; Pb 33,92*. Für jedes der Elemente befindet sich genau unter diesem Winkel auf der 2d-Achse Detektoren 6 für einen Cu-Empfänger 6.1, einen Sr-Empfänger 6.2, einen Cd-Empfänger 6.3, einen Ba-Empfänger 6.4 und einen Pb-Empfänger 6.5 und Nachweiskanäle 7 für eine Cu-Impulszählung 7.1, eine Sr-lmpulszShlung 7.2, eine Cd-Impulszahlung 7.3, eine Ba-Impulszählung 7.4 und eine Pb-Impulszählung 7.5, so daß die von er Wasserprobe 1.2 unter diesem Winkel emittierte elementspezifisrhe Röntgenfiuoreszenzstrahlung zum größten Teil nur in den dazugehörigen Detektor 6.1-6.6 gelangen kann. Jedes Teilchen dieser fünf Elemente, das in dem Wasserfilm 1.2 das Folienfenster 1.1 passiert, erzeugt einen oder mehrere Impulse mittels ihrer ausgesandten Fluoreszenzphotonen im jeweiligen Dotektor 6.1-6.5, die von der jeweils nachgeschalteten Zähleinrichtung 7.1-7.5 erfaßt und fortlaufend ab Meßbeginn gezählt werden. Durch eine Impulsauswertestufe 8 wird ein vorgebbares Zeitintervall festgelegt, wta lange

gemessen wird. Danach werden dl« Zthlelnrlchtungen 7.1-7.5 automatisch goitoppt und ihr Inhalt mit einer vorgegebenen, empirisch ermittelten Zählrate verglichen. Ist die gemessene Zählrate kleiner al· die vorgegebene, Ist der Wasserzustand normal, d. h. die maximal zulässige Teilchenkonzentration de· betreffenden Elemente· Sr, Cu, Cd, Ba oder Pb ist noch nicht erreicht und es erfolgt lediglich eine Registrierung 10. Ist er dagegen in einem Fall größer, so wird umgehend eine Alarmierung fi ausgegeben, well Jetzt der zulSssl· /ert Oberschritten wurde. Im Normalfall werden nach dem Vergleich die Zieleinrichtungen 7.1-7.5 wieder gelöscht und es \. Jen erneut in dem Zeitintervall die passierenden Elementteilchen gezahlt. Um auch kleinste Verunreinigungen zu erfassen, kann da» Zeitintervall auf Stunden ausgedehnt worden, so daß bis In den ppm-Berelch Messungen möglich sind, Mit der Wahl des Zeitintervalls Ist eine optimale Anpassung an das örtliche Milieu und die zu erfassenden Konzentrationen gut möglich. Ein Vakuumsystem 11, das den Rau τι unterhalb des Folienfenster· 1.1 evakuiert, einschließlich eller anderen Systeme 2,4,5 und 6, sorgt für eine von äußeren EIn(IOt sen weitgehend unabhängige Messung der Intensitäten.

Claims (1)

1. -ι- 271870 Patentanspruch:

   Verfahren zur analytischen Überwachung fließender Gewässer mit Hilfe der Röntgenfluoreezenzetrahlung auf Ihre elementspezifische Zusammensetzung zur automatischen Erkennung qualitativer Verschmutzungsträger, dadurch gekennzeichnet,

   — daß aus dem zu untersuchenden fließenden Gewässer ein repräsentativer Wasserstrom abgezweigt wird, der dann als dünner Wasserfilm In einem Probenbehälter über ein Folienfonster langsam läuft, wobei dieses Folienfenster im Boden des Probenbehälters eingelassen ist, «o daß dadurch an dieser Stelle ständig ein sich erneuerndes Wassorvolumen automatisch erzeugt wird, das auch die Verunreinigungen ununterbrochen im offenen Kreislauf zu· und abtransportiert,

   — daß mit Hilfe einer Röntgenquelle unter einem bestimmten Winkel von unten über das Folienfenster der Wasserfilm mit Ihrer emittierten Röntgenstrahlung bestrahlt wird, so daß es dort zur Erzeugung der elementspezifischon Röntgenfluorszenzstrahlung kommt, die über das gleiche Folienfenster als Strahlungsbündel im Raumwinkel wieder nach unten austritt,

   — daß ein Beugungskristall mit großem Auflösungsvermögen und geringen Reflexionsverlusten das Strahlungsbündel so aufteilt, daß das Strahlungsbündel wellenlängendisperslv auf eine 2d-Achse O*»8eugungswinkel) verteilt wird und so In einzelne Nachwelskanäie für jedes zu untersuchende Element gelangt,

   — daß gleichzeitig ein Detektor pro Element die spezifischen ankommenden Impulsraten in einem fest vorgegebenen Zeitintervall registriert, so daß dies einer bestimmten Konzentration der jeweiligen Elemente im zu untersuchenden Gewässer entspricht, die vorher experimentell ermittelt wurde"

   — daß, wenn Innerhalb des Zeitintervalls von einer nachgeschalteten Zähleinrichtung pro Element eine Überschreitung der vorgegebenen Impulsrate festgestellt wird, sofort eine Alarmierung erfolgt, da damit die vorgegebene Maximalkonzentration dieses Elements in dem zu untersuchenden Gewässer überschritten wurde.