Einführung: Saugkerzen

Welche Saugkerze wofür – oder welcher Werkstoff ist für welche Stoffe geeignet?

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Je nach untersuchter Substanz(gruppe) muss - entsprechend der untenstehenden Tabelle - der eingesetzte Saugkerzen-Werkstoff gezielt ausgewählt werden.

 

Tabelle 1: Welche Saugkerze für welche Stoffgruppe?

 

StoffgruppeGlasKeramikKunststoff 

Organische Stoffe (z.B. Pflanzenschutzmittel, DOC)

++

 -

 -

Phosphat

 ++

--

 ++

Nitrat, Chlorid, Bromid

 ++

 ++

 ++

Natrium, Calcium

0

 +

 ++

Schwermetalle

0

 --

 ++

 

Die angegebenen Empfehlungen für verschiedene Werkstoffe ergeben sich aus der umfangreichen bodenkundlichen Literatur zu diesem Thema (s. u.) und aus Laborstudien, die ecoTech in Zusammenarbeit mit dem Institut für Bodenkunde in Bonn durchgeführt hat. Im Einzelfall (z. B. durch extreme
pH-Werte bzw. hohe Konzentrationen bestimmter Lösungsvermittler o.ä.) können sich abweichende Gewichtungen ergeben. Für die meisten Anwendungen sind die Angaben in Tab. 1 jedoch richtungsweisend.

Das Zwei-Kanülen-System

Jede ecoTech-Saugkerze ist mit zwei Schläuchen ausgestattet. Diese Spezialkonstruktion hat die folgenden wichtigen Vorteile:

  • Kontrolle des Vakuums an jeder einzelnen Kerze
  • vollständige Entleerung aller Schläuche durch Belüftung
  • keine Vermischung von Lösungen verschiedener Termine
  • keine Besiedlung des Systems durch Mikroorganismen
  • zur Minimierung von Oxidationen ist die Befüllung des Sammelsystems mit N2 oder anderen Gasen möglich

Unsere Empfehlungen zum Einsatz von Saugkerzen und Saugplatten stützen wir auf eigene wissenschaftliche Labor- und Feldstudien, Erfahrungsberichte unserer Kunden und Kollegen sowie die gewissenhafte Auswertung folgender Literaturquellen:

  • Andersen, M.K., K. Raulund-Rasmussen, B.W. Strobel & H.C.B. Hansen (2002): Adsorption of cadmium, copper, nickel, and zinc to a poly(tetraflourethene) porous soil solution sampler; J. Environ. Qual., 31, 168-175.
  • Barbee, G.C. & K.W. Brown (1986): Comparison between suction and freedrainage soil solution samplers; Soil Science, 141 Nr. 2, 149-154.
  • Bottcher, A.B., L.W. Miller & K.L. Campbell (1984): Phosphorus adsorption in various soil-water extraction cup materials: effect of acid wash. Soil Sci. 137, 239-244.
  • Creasey, C.L. & S.J. Dreiss (1988): Porous cup samplers: cleaning procedures and potential sample bias from trace element contamination; Soil Science, 145 Nr. 2, 93-101.
  • Dahlgren, R.A. (1993): Comparison of soil solution extraction procedures: effect on solute chemistry; Commun. Soil Sci. Plant Anal. , 24, 1783-1794.
  • Dehner, U., T. Bausinger & J. Preuß (2003): Adsorption von Nitroaromaten an unterschiedlichen Saugkerzenmaterialien; altlastenspektrum, 6/2003, 295-299.
  • DVWK (1990): Gewinnung von Bodenwasserproben mit Hilfe der Saugkerzen-Methode; Berlin., Bd. Merkblatt 217
  • Grossmann, J. (1988): Physikalische und chemische Prozesse bei der Probenahme von Sickerwasser mittels Saugsonden; Diss. Institut für Wasserchemie und Chemische Balneologie der Technischen Universität München, 147 S.
  • Grossmann, J., M. Bredemeier & P. Udluft (1990): Sorption of trace metals by suction cups of aluminum oxide, ceramic and plastics;
    Z. Pflanzenernähr. Bodenk., 153, 359-364.
  • Grossmann, J., G. Freitag & B. Merkel (1985): Eignung von Nylon- und Polyvinylidenfluoridmembranfiltern als Materialien zum Bau von Saugkerzen; Z. Wasser- Abwasser-Forsch., 18, 187-190.
  • Grossmann, J., K.-E. Quentin & P. Udluft (1987): Sickerwassergewinnung mittels Saugkerzen - eine Literaturstudie; Z. Pflanzenernähr. Bodenk., 150, 258-261.
  • Guggenberger, G. & W. Zech (1992): Sorption of dissolved organic carbon by ceramic P 80 cups. Z. Pflanzenernähr. Bodenkd. 155, 151-155.
  • Haberhauer, G. (1997): Adsorptionsverhalten von Saugkerzenmaterialien. 7. Gumpensteiner Lysimetertagung. BAL Gumpenstein, 27-31.
  • Hansen, E.A. & A.R. Harris (1975): Validity of soil-water samples collected with porous ceramic cups. Soil Sci. Soc. Am. J. 39, 528-536.
  • Hetsch, W., F. Beese & B. Ulrich (1979): Die Beeinflussung der Bodenlösung durch Saugkerzen aus Ni-Sintermetall und Keramik; Z. Pflanzenernähr. Bodenk., 142, 29-38.
  • Kalbe, U. & W. Berger (2004): Saugkerzen zur Untersuchung der Bodenwasserbeschaffenheit - Ein Überblick der Einsatzmöglichkeiten; TerraTech, 11/12.
  • Koch, D. & M. Grupe (1993): Schwermetall-Sorptionsverhalten einer Saugkerze aus porösem Borosilikatglas. Z. Pflanzenernähr. Bodenkd. 156, 95-96.
  • Litaor, M.I. (1988): Review of soil solution samplers. Water Resour. Res. 24, 5, 727-733.
  • Raulund-Rasmussen, K. (1989): Aluminum contamination and other changes of acid soil solution isolated by means of porcelain suction-cups; Journal of Soil Science, 40, 95-101.
  • Long, L. (1978): A glass filter soil solution sampler. Soil Sci. Soc. Am. J. 42, 834-835.
  • Rais, D., B. Nowack, R. Schulin & J. Luster (2006): Sorption of Trace Metals by Standard and Micro Suction cups in the Absence and Presence of Dissolved Organic Carbon; J. Environ. Qual. 35: 50-60.
  • Schimmack, W., K. Bunzl & K. Kreuzer (1984): Sorption von Schwermetallionen aus Bodenlösungen durch Saugkerzen - Einfluß der Huminsäuren. Proceedings Symposium 'Wald und Wasser', Grafenau.
  • Siemens, J. und M. Kaupenjohann (2002): Contribution of dissolved organic nitrogen to N leaching from four German agricultural soils; J. Plant Nutr. Soil Sci, 165, 675-681.
  • Siemens, J. (2003): Controls of Carbon, Nitrogen, and Phosphorus fluxes in vadose zone and groundwater of protected watersheds in Münster (Germany); Diss. Universität Berlin, 104 S.
  • Siemens, J. & M. Kaupenjohann (2003): Dissolved organic carbon is released from sealings and glues of pore-water samplers; SSS AJ, 67, 795-797.
  • Spangenberg, A., G. Cecchini & N. Lamersdorf (1997): Analysing the performance of a micro soil solution sampling device in a laboratory examination and a field experiment. Plant and Soil 196, 59-70.
  • Tischner, T., G. Nutzmann & R. Pothig (1998): Determination of soil water phosphorus with a new nylon suction cup; Bulletin of freshwater ecology and inland fisheries, 61 (3), 325-332.
  • Weihermüller, L., J. Siemens, M. Deurer, S. Knoblauch, H. Rupp, A. Göttlein &
  • T. Pütz (2007): In Situ Soil Water Extraction: A Review; J. Environ. Qual. 36, 1735-1748.
  • Wenzel, W.W., R.S. Sletten, A. Brandstetter, G. Wieshammer & G. Stingeder (1997): Adsorption of trace metals by tension lysimeters: nylon membrane vs. porous ceramic cups. J. Environ. Qual. 26, 1430-1434.
  • Wessel-Bothe, S., S. Pätzold, C. Klein, G. Behre & G. Welp (2000): Adsorption von Pflanzenschutzmitteln und DOC an Saugkerzen aus Glas und Keramik; J. Plant Nutr. Soil Sci, 163.
    Exkurs: Ist eine Konditionierung ausreichend?

     

    Die bisweilen angewandte Methode der Konditionierung von Filterwerkstoffen (Absättigung der Sorptionsplätze durch Perkolation mit einer definierten Lösung) ist nur scheinbar eine Beseitigung des Sorptionsproblems, denn die im Filtermaterial sorbierte Stoffmenge steht im Gleichgewicht mit der perkolierenden Lösung (Massenwirkungsgesetz).

     

    Diese Gleichgewichtsbildung kann zwar bei Dauerbeobachtungen dazu führen, dass über Jahre equilibrierte Saugkerzen die Lösungskonzentration einiger Inhaltsstoffe nicht beeinflussen; dies gilt jedoch nur für den Fall, dass die Konzentration im Boden konstant bleibt (Guggenberger & Zech 1992). Sobald sich aber die Lösungskonzentration im Boden verändert - und um genau dies zu erfassen werden Dauerbeobachtungen durchgeführt - stellt sich ein neues Gleichgewicht ein.

     

    Dieser Prozess führt dazu, dass a) bei einer Konzentrationszunahme im Boden zusätzliche Ionen in der Kerze gebunden werden oder b) bei einem Konzentrationsrückgang in der Bodenlösung die in der Kerze sorbierten Substanzen in das Perkolat übergehen. In beiden Fällen kommt es zu einer weitgehend vermeidbaren Veränderung der Sickerwasserprobe, und der tatsächliche Konzentrationsverlauf wird bestenfalls mit einer Zeitverzögerung oder aber gar nicht wahrgenommen.

     

    Natürliche Änderungen der Bodenlösungschemie, vor allem die jahres- zeitlichen Schwankungen von pH-Wert und Ionenstärke der Bodenlösung, sind ebenfalls von großer Bedeutung für das Lösungsgleichgewicht (vgl. Andersen et al. 2002). Eine Änderung von pH-Wert und/oder Ionenstärke führt selbst bei vollständiger Absättigung der Austauscherplätze im Filterwerkstoff (im Sinne einer "Konditionierung") und zusätzlich gleichbleibender Konzentration des untersuchten Stoffes in der Bodenlösung zu einer Veränderung seiner Probenkonzentration.

     

    Sowohl durch eine Absenkung des pH-Werts als auch durch eine Zunahme der Ionenstärke wird ein Teil der bereits an Filteroberflächen sorbierten Ionen freigesetzt und an die Probe abgegeben.Die notwendige Konsequenz ist eine Minimierung der Austauschkapazität von (Filter-)Werkstoffen.

    • Bei der Gewinnung von Bodenlösung mittels Saugkerzen werden die gelösten Stoffe zum Teil an Saugkerzenoberflächen adsorbiert und so die Messergebnisse verfälscht.
    • Die gelösten Substanzen haben eine spezifische Affinität zu bestimmten Saugkerzen-Werkstoffen (wie auch zu verschiedenen Bestandteilen der Bodenfestphase).
    • Es gibt keinen Werkstoff, der sich allen gelösten Stoffen gegenüber indifferent verhält. 
    Ursachen der Adsorption in Saugkerzen
    • Physikochemische Eigenschaften der Saugkerzenoberflächen (Ladungen, funktionelle Gruppen)
    • Größe der spezifischen Oberfläche von Saugkerzen (s. Abbildungen von Keramik und Glas-Saugkerzen)

     

    * Abbildung: REM-Aufnahmen in Zusammenarbeit mit Dipl.-Chem. Claus Middendorfer, Inst. f. Anorganische Chemie, Bonn