Wissens-Zwinker: Messung der Wasserstoffperoxid Konzentration in Wasser mit <0.025% Messunsicherheit
Warum dieser Test?
Wasserstoffperoxid wird in Bereichen wie Medizin, Lebensmittelindustrie, Pharmatechnik oder Biologie eingesetzt zur Dekontamination beziehungsweise Sterilisation jeglicher Oberflächen. Auch Anwendungen am menschlichen Körper z.B. zur Desinfektion sind weit verbreitet. Um einerseits wirksam zu sein aber andrerseits keine unerwünschten Nebenwirkungen zu zeigen, muss das Wasserstoffperoxid in der richtigen Konzentration vorliegen. Erschwert wird die richtige Dosierung durch das spontane Zerfallen des Wasserstoffperoxids in Wasser + Sauerstoff. Um sicherzustellen, dass das Wasserstoffperoxid immer in der erwünschten Konzentration vorliegt, empfiehlt sich eine kontinuierliche Messung. Die Dichte bietet sich als Messgrösse zur Konzentrationsbestimmung von wässrigen Wasserstoffperoxidlösungen an und dieser Wissenszwinker befasst sich deshalb mit der erreichbaren Genauigkeit dieser Messung bei typischen Bedingungen.
Was ist ein Wissens-Zwinker?
Kennen Sie das Bedürfnis manchmal schnell etwas zu messen, zu zeichnen oder zu basteln? Dabei zählt die Geschwindigkeit bis zum Resultat mehr als die perfekte (wissenschaftliche) Herangehensweise. Aus diesem Grund haben wir bei uns einen Wissens-Zwinker eingeführt. Sozusagen Wissenschaft mit einem Augenzwinkern. Dabei wollen wir nicht wissenschaftlich etwas beweisen, sondern schnell etwas pragmatisch aufzeigen. Bei Interesse vertiefen wir diese Ergebnisse gerne mit Ihnen und Ihrem Projekt.
Ergebnisse
Die erreichbare Messgenauigkeit des VLO-M2 wurde auf die Probe gestellt in dem seine Dichtemessungen denjenigen eines Laborinstruments gegenübergestellt wurde. Bei (nominellen) Wasserstoffperoxidkonzentrationen zwischen 0% und 6% wurde mit dem VLO-M2 sowie dem Laborgerät DSA 5000 M (Anton Paar) folgendes gemessen:
| Dichtemessung [kg/m3] | |||
| Konzentration [w/w%] | DSA 5000 M | VLO-M2 | Differenz |
| 6.00% | 1017.068 | 1017.045 | -0.023 |
| 0.547% | 998.849 | 998.889 | 0.040 |
| 0.059% | 997.168 | 997.183 | 0.015 |
| 0.030% | 996.890 | 996.872 | -0.018 |
| 0% | 996.840 | 996.879 | 0.039 |
Über die gesamte Konzentrationsspanne war der Unterschied zwischen dem Laborgerät und dem VLO-M2 <0.05 kg/m3. Dies ist weit unter dem spezifizierten Messfehler des VLO-M2 von ± 0.2 kg/m3 und näher am spezifizierten Messfehler des Laborgerätes von ± 0.007 kg/m3, wie auch in folgender Grafik eindrücklich zu sehen ist:
Umgerechnet auf den Dichteunterschied von 20.23 kg/m3 zwischen der 6%igen Stammlösung und deionisiertem Wasser entspricht die maximale gemessene Abweichung von ±0.04 kg/m3 einer Unsicherheit in der Konzentration von <0.025% (250ppm) oder <0.0125% (125ppm). Obwohl die Abhängigkeit zwischen Konzentration und Dichte in Realität nicht linear ist, gibt dieser Wert einen guten Anhaltspunkt.
Abschliessend ist der gemessene Dichteunterschied zwischen den gemessenen Wasserstoffperoxidlösungen und dem theoretischen Wert von reinem Wasser (nach REFPROP, NIST) hier nochmals grafisch dargestellt:
Für beide Messmethoden ist bei reinem deionisiertem Wasser und der niedrigsten Konzentration von 0.03% H2O2 ein fast identischer Offset zum Referenzwert zu sehen. Mögliche Erklärungen könnten ein rascher Zerfall von H2O2 bei sehr geringen Konzentrationen sein oder ein schwacher Einfluss des H2O2 auf die Dichte in diesem Bereich. Falls die Dichte linear ansteigen würde, müsste zumindest das Laborgerät den Dichteunterschied zwischen 0% und 0.03% problemlos auflösen können, ein Messfehler scheint daher unwahrscheinlich.
Ein klarer Anstieg in der Dichte ist dann aber mit beiden Geräten bei einer Verdoppelung der H2O2 Konzentration auf 0.059% zu sehen (man beachte die logarithmischen Skalen). Die Übereinstimmung der Messungen ist auch hier ausgezeichnet, was für die Messgenauigkeit des VLO-M2 spricht.
Welche Sensoren wurden verwendet?
Dichtesensor VLO-M2
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Vorgehen
Mit dem VLO-M2 und dem Laborgerät DSA 5000 M (Anton Paar) wurden die Dichten einer Wasserstoffperoxid Stammlösung von 6% sowie deren Verdünnungen auf 0.547%, 0.059%, 0.030% und 0% Wasserstoffperoxid in deionisiertem Wasser gemessen. Konzentrationen <0.1% wurden volumetrisch erstellt und mittels gemessener Dichte auf Gewichtsprozente zurückgerechnet, die höhere Konzentration wurde direkt eingewogen. Die Messungen auf den beiden Geräten fand jeweils gleichzeitig statt. Die Temperatur auf dem Laborgerät wurde an die Temperatur im VLO-M2 angepasst, um den direkten Vergleich zu ermöglichen (25.2 – 25.7°C). Der VLO-M2 hat keine aktive Temperaturstabilisierung wie das Labormessgerät, darum wurden jeweils die verfügbaren Daten in einem Temperaturfenster von ±0.02°C gemittelt und so verwendet.
Gesamtlösung
Probe-System Konzentrationsmessung
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In enger Zusammenarbeit mit der Firma Imagine Systems wurde ein kompaktes und intelligentes Analysegerät geschaffen, das höchste Präzision mit einfacher Bedienbarkeit vereint. Die Kombination aus MEMS-Technologie und smarter Probensteuerung macht das System zu einer leistungsstarken Lösung für die Konzentrations- und Dichtebestimmung in Echtzeit.
Das System verfügt über eine integrierte Steuerung, die eine automatisierte Probenahme, Pumpensteuerung und Analysefunktion umfasst. Die Probe kann bequem aus einem beliebigen Behälter angesaugt werden – ideal für Laboranwendungen, Prozessüberwachung oder mobile Einsätze.
Fazit
Dieser Test beantwortet die Fragestellung nach der Messgenauigkeit des VLO-M2 bei wässrigen Wasserstoffperoxidlösungen von 0% – 6% unter Umgebungsbedingungen: Der Messfehler war <0.05 kg/m3 in unserem Test. Dies ist weit unter den spezifizierten ± 0.2 kg/m3 für den VLO-M2. Da die Spezifikation auch bei extremeren Temperaturen von -40 °C bis 60 °C und im gesamten Dichtenbereichen von 0 kg/m3 bis 1200 kg/m3 eingehalten werden muss, kann der Messfehler bei wässrigen Lösungen und Temperaturen nahe der Raumtemperatur um ein Vielfaches kleiner sein wie hier gezeigt. Die gemessenen Fehler (<0.025%) entsprechen etwa einer Genauigkeit von 250ppm für die Konzentrationsbestimmung von H2O2 in Wasser, was bei vielen Anwendungen dieses Gemisches mehr als ausreicht.
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