Identifizierung von Mineralien und Verunreinigungen in Wasser und Lebensmitteln mit RFA-Handanalysatoren

Ist Ihr Leitungswasser reines H₂O? Die Antwort ist nicht so einfach, denn Wasser kann gelöste Stoffe enthalten, die mit bloßem Auge nicht erkennbar sind. RFA-Handanalysatoren, wie der Vanta RFA-Handanalysator von Olympus, können verborgene Mineralien und Verunreinigungen im Trinkwasser identifizieren.

Identifizierung von Mineralien und Verunreinigungen im Wasser

Auch wenn wir denken, unser Trinkwasser sei reines H₂O, befinden sich oft noch andere Materialien im Glas. Einige dieser Materialien sind für uns von Nutzen, wie beispielsweise Fluorid zum Schutz vor Karies. Eine andere häufig vorkommende Substanz ist Calciumchlorid (CaCl₂), eine elektrolythaltige Verbindung, die im Wasser Dehydrierung verhindern kann. Calciumchlorid kann zusammen mit anderen üblichen Chloriden wie Magnesium-, Natrium- und Kaliumchlorid durch geologische Prozesse aus Gesteinen in das Trinkwasser gelangen. Die folgende Grafik (Abbildung 1) zeigt die Präzision des Vanta RFA-Handanalysators bei der Messung von gelöstem Calcium von 1000 ppm bis zu 20 ppm.

Abbildung 1: Analyseleistung des Vanta RFA-Handanalysators bei gelöstem Calcium im Vergleich zu einer ICP-Referenzprobe (Kasten zeigt niedrigere Konzentrationen)

Wasser kann jedoch auch potenziell schädliche Stoffe enthalten, wie Nitrate (NO₃-), Mangan (Mn), Eisen (Fe) und Bicarbonat (HCO₃-) u. a. Diese Elemente und Verbindungen können verschiedene Gesundheits- und Infrastrukturprobleme verursachen, wie Schäden an Rohrleitungen- und Warmwasserspeichern, Zunderbildung und Bakterienwachstum.

Analysetechniken für chemische Elemente, wie mit dem Vanta RFA-Handanalysator, können verwendet werden, um einige dieser schädlichen Materialien zu identifizieren und zu quantifizieren. RFA-Handanalysatoren können auch Schwermetalle identifizieren, die den Großteil von besonders schädlichen Trinkwasserverunreinigungen ausmachen.

Schwermetalle im Trinkwasser

Schwermetalle, zu denen Chrom (Cr), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Arsen (As), Cadmium (Cd), Quecksilber (Hg) und Blei (Pb) gehören, können im Trinkwasser verschiedene Probleme verursachen. Diese Metalle können durch menschliche und geologische Aktivitäten ins Wasser gelangen, z. B. durch die natürliche Verwitterung von Gestein, Kohlekraftwerke und Bergwerke. Wenn diese Metalle in das Grundwasser gelangen, können sie das Wasser saurer oder alkalischer machen. Das macht Wasser beim Trinken potenziell giftig und kann Rohrleitungen und andere Wasserinfrastrukturen beschädigen. Durch die Änderung des pH-Werts des Wassers können diese Metalle auch das Wachstum schädlicher Bakterien fördern.

Verschiedene Trinkwasserarten

Glücklicherweise haben Trink- und Leitungswasser in der Regel Filter- oder andere Reinigungsverfahren durchlaufen. Für uns sind verschiedene Trinkwasserarten problemlos zugänglich:

• Leitungswasser
• Destilliert
• Gefiltert
• Quellwasser
• Aufbereitet

Leitungswasser, das häufig am leichtesten zugänglich ist, durchläuft einige Prozesse. Dem Grundwasser werden einige Chemikalien zugesetzt, die Schmutz und die meisten anderen gelösten Substanzen entfernen. Das saubere Wasser wird dann gefiltert und mit Chlor desinfiziert, in einigen Regionen wird Fluor zugesetzt. Destilliertes Wasser wird über den Siedepunkt erhitzt, der entstandene Wasserdampf wird dann wieder zu trinkbarem Wasser kondensiert, wodurch fast alle Verunreinigungen entfernt werden. Gefiltertes Wasser ist ähnlich wie Leitungswasser, obwohl das Wasser in einigen Fällen vor der Abfüllung mit Ozon behandelt wird, um Bakterien abzutöten, was den letzten Reinigungsschritt darstellt. Ähnlich wie gefiltertes Wasser durchläuft Quellwasser die gleiche Reinigungsstufe wie Leitungswasser und wird zusätzlich mit Ozon behandelt. Schließlich durchläuft aufbereitetes Wasser viele Reinigungsschritte, wie Umkehrosmose, Destillation und Deionisierung. In jedem dieser Schritte werden bestimmte gelöste Materialien und Verunreinigungen entfernt und hinterlassen. Mit Vanta RFA-Handanalysatoren kann festgestellt werden, welche gelösten Stoffe aus diesen verschiedenen Wasserarten nicht entfernt wurden.

Wasseranalyse mit Vanta RFA-Handanalysatoren

Zur Demonstration der Funktionsweise der RFA-Handanalysatoren haben wir die fünf zuvor genannten Wasserarten zusammen mit etwas Regenwasser mit einem Vanta Analysator getestet und die Ergebnisse anschließend quantitativ analysiert. Die Analyse dauerte eine Minute und ermöglichte eine schnelle Identifizierung von Verunreinigungen und Mineralstoffen im Wasser (Abbildung 2).

Abbildung 2: Vanta RFA-Handanalysator bei der Analyse von fünf Wassertypen zeigt verschiedene gelöste Materialien

Während alle Wasserarten bei der Untersuchung mit dem bloßen Auge gleich aussehen, enthalten die Proben unterschiedliche gelöste Stoffe. Die Wasserarten, die viele Reinigungsschritte durchlaufen, wie destilliertes Wasser und aufbereitetes Wasser, enthalten keine nachweisbaren Mengen gelöster Mineralstoffe, Salze oder Metalle. Wasserarten, die sozusagen näher an der Quelle sind, wie Quell- und gefiltertes Wasser, enthalten einige Elemente aus organischen Substanzen, wie Phosphor und Schwefel, sowie Salze aus geologischen Prozessen, wie Calcium und Chlor. Leitungswasser enthält zusätzlich zu diesen organischen Substanzen und Salzen Spuren (nicht gesundheitsschädlich) an Eisen und Zink, die von Rohrwasserleitungen stammen. Dieses Eisen kann vom Körper als Mineralstoff verwendet werden. Es kann aber auch rötliche Flecken auf Wasserarmaturen am Waschbecken hinterlassen. Glücklicherweise wies keine der getesteten Wasserarten nachweisbare Mengen an Schwermetallen auf.

Zusätzlich zur Berechnung der Konzentration der chemischen Elemente kann der Vanta RFA-Handanalysator die Konzentration verschiedener Salze berechnen. Am Beispiel unseres Quell- und Leitungswassers kann der Vanta Analysator die Konzentration von Calciumchlorid in Echtzeit bestimmen (Abbildung 3).

Abbildung 3: Inline-Berechnung des Vanta RFA-Handanalysators von Calciumchlorid (CaCl2) im Quellwasser (links) und Leitungswasser (rechts)

Identifizierung von Schwermetallverunreinigungen in Abwasser

Der Vanta RFA-Handanalysator kann auch Schwermetallverunreinigungen in Abwasser oder Wasser identifizieren, welches für industrielle und landwirtschaftliche Zwecke verwendet wird. Während einige dieser Schwermetalle schon ab 1 ppm (1 mg/l) oder höher direkt mit dem Vanta nachweisbar sind, sind einige Verunreinigungen unterhalb dieser Konzentration vorhanden. Fortschritte in der Probenaufbereitung, wie die Zeitraffer-Ionenaustauscherharzbeutel (TIERS)¹, ermöglichen dem Vanta Analysator, Schwermetall- und Salzkonzentrationen bis zu Milliardstel (ppb) oder Fraktionen von 1 mg/l zu erkennen. Diese einfache und kostengünstige Probenaufbereitungstechnik kann die Konzentrationen in Wasser um das 100- bis 1000-fache erhöhen, wodurch Nachweisgrenzen erreicht werden, die mit teureren Techniken konkurrieren.

Die Verwendung von TIERS oder anderen Ionenaustauscherharzen hat sich bei der Erkennung illegaler Einleitungen in industrielle und landwirtschaftliche Gewässer¹, der Bewertung von Schwermetallen in Ackerland² und der Identifizierung von Schadstoffen in größeren Gewässern³ als hilfreich erwiesen. Diese Techniken haben zur Entwicklung des Abwasser-Fingerprinting geführt, mit dem die Forscher feststellen können, woher bestimmte Schadstoffe oder Verunreinigungen stammen. Da mit dem RFA-Handanalysator Nachweisgrenzen im ppb-Bereich erreicht werden, ist er ein nützliches Werkzeug für die Abwasseranalyse und die Identifizierung von Schadstoffen.

Schadstoffe in Lebensmitteln und Getränken

Wasser ist nicht das einzige Lebensmittel oder Getränk, das Schwermetall enthalten kann. Auch andere häufig konsumierte Lebensmittel, wie Getreide und Zucker, können mit Schwermetallen belastet sein. Zusätzlich zur Identifizierung von Massivmetallteilen in Lebensmitteln können auch Spurenmetalle von menschlichen und geologischen Aktivitäten Lebensmittel verunreinigen. Metalle, wie z. B. Eisen und Zink, können durch den Ausfall von Maschinen, Schadstoffe in Düngemitteln und verschiedene Mahl- und Verarbeitungstechniken unbeabsichtigt in Lebensmittel gelangen. Verunreinigungen können Zucker durch verunreinigtes Wasser, das bei der Verarbeitung verwendet wird, und durch Verunreinigungen im Boden, auf dem das Zuckerrohr angebaut wird, zugesetzt werden. Ähnlich wie die Wasseranalyse wurden auch Lebensmittel, wie Mehl, Reis und Zucker, mit einem Vanta RFA-Handanalysator getestet und die Ergebnisse quantitativ analysiert. Die Analyse dauerte eine Minute und lieferte schnell Verunreinigung in diesen Grundnahrungsmitteln (Abbildung 4).

Abbildung 4: Vanta RFA-Handanalysator prüft gängige Lebensmittel, wie Zucker (links), Mehl (Mitte) und Reis (rechts).

Obwohl keiner der gelösten Stoffe mit bloßem Auge sichtbar ist, sind sie in diesen Lebensmitteln deutlich vorhanden. Alle nachgewiesenen Elemente kommen in diesen Lebensmitteln natürlich vor und stammen aus natürlich vorkommenden Mineralstoffen, Salzen und Nährstoffen. Mit dem Vanta Analysator können sogar so unterschiedliche Produkte getestet werden, wie Proteinpulver oder Cannabis.

Diese Analysen chemischer Elemente zeigen eindeutig Verunreinigungen in Lebensmitteln und Getränken und belegen die analytische Leistung von Vanta RFA-Handanalysatoren.

Literaturnachweis

1.Shih, PK, Chiang, LC, Lin, SC, Chang, TK und Hsu, WC, 2019. Application of Time-Lapse Ion Exchange Resin Sachets (TIERS) for Detecting Illegal Effluent Discharge in Mixed Industrial and Agricultural Areas, Taiwan. In: Sustainability, 11(11), S. 3129.

2.Huang, JJS, Lin, SC, Löwemark, L., Liou, SYH, Chang, Q., Chang, TK, Wei, KY und Croudace, IW, 2019. Rapid assessment of heavy metal pollution using ion-exchange resin sachets and micro-XRF core-scanning. In: Scientific reports, 9(1), S. 1-6.

3. Pan, S.Y., Syu, W.J., Chang, T.K. und Lee, C.H., 2020. A multiple model approach for evaluating the performance of time-lapse capsules in trapping heavy metals from water bodies. In: RSC Advances, 10(28), S.16490-16501.