Wissenszwinker: Mineralgehalt von Wasser

Der Mineralgehalt von Wasser spielt eine zentrale Rolle – sowohl für die Qualität von Getränken als auch für industrielle Prozesse. Während er in der Industrie oft Probleme wie Kalk oder Korrosion verursacht, ist er bei Getränken gesundheitsfördernd und geschmacksprägend. Ob «bug» oder «feature» – wir zeigen, wie sich der Mineralstoffgehalt zuverlässig über die Dichtemessung bestimmen lässt.

Warum dieser Test?

Das Interesse an der Analyse von Trinkwasser reicht vermutlich bis in die frühesten Zeiten der Menschheitsgeschichte zurück. Während früher die zentrale Frage lautete: „Ist das Wasser überhaupt trinkbar?“, steht heute zunehmend die Optimierung im Vordergrund: „Wie kann ich Wasser gezielt für meinen individuellen Nutzen verbessern?“

Eine zentrale und häufig untersuchte Eigenschaft ist der Mineralstoffgehalt des Wassers, aus dem sich unter anderem die Wasserhärte ableiten lässt. Mineralstoffe wie Fluorid, Natrium, Kalzium oder Magnesium sind essenziell für zahlreiche Körperfunktionen – etwa für Zähne, Knochen, Nerven und Muskeln. Gleichzeitig können diese Mineralien im Alltag auch unerwünschte Effekte haben, etwa durch Verkalkung oder Korrosion in Haushaltsgeräten wie Kaffeemaschinen oder Waschmaschinen.

In der Getränkeindustrie spielt zusätzlich der geschmacksprägende Einfluss bestimmter Ionen (z. B. Chlorid oder Natrium) eine Rolle. Beim Bierbrauen sind darüber hinaus die chemischen Eigenschaften der Mineralstoffe während des Maischprozesses entscheidend – weiterführende Informationen dazu finden sich beispielsweise unter brunwater.com.

Zur Bestimmung des Mineralstoffgehalts stehen heute zahlreiche Methoden zur Verfügung: von einfachen Teststreifen über elektrische Messungen freier Ionen bis hin zu hochpräzisen Laboranalysen wie der Massenspektrometrie. Eine bislang weniger bekannte, aber vielversprechende Methode ist die Dichtemessung, die in diesem Beitrag näher betrachtet wird.

Gerade im Brauprozess ist die Dichtemessung bereits etabliert und bietet sich daher besonders an. Sie ermöglicht nicht nur die Kontrolle saisonaler Schwankungen in der Mineralisation des Wassers, sondern liefert auch direkt den Ausgangswert für die anschließenden Extraktions- und Gärprozesse – beide werden ebenfalls mittels Dichtemessung überwacht.

Ergebnisse

Es wurden verschiedene kommerziell erhältliche Mineralwasser sowie Leitungswasser aus unterschiedlichen Regionen untersucht. Die Messungen erfolgten sowohl mit unserem DLO-M2 als auch mit dem hochpräzisen Laborgerät DSA 5000 M von Anton Paar. Als Referenzwerte dienten unter anderem die Angaben der Hersteller sowie öffentlich zugängliche Quellen wie trinkwasser.ch für Schweizer Leitungswasser.

Zur Umrechnung der gemessenen Dichtewerte in Mineralstoffgehalte wurde das bestehende Konzentrationsmodell des DLO-M2 für «Total Dissolved Solids» (TDS) verwendet.

Abbildung 1: Mineralstoffgehalt verschiedener Wasser. Orange Balken stehen für die Laboranalyse, graue und blaue Balken für die Mineralstoffgehalte basierend auf Dichtemessungen mit dem DLO-M2 respektive dem DSA 5000 M

Die Ergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den Messwerten des DLO-M2 und denen des Laborgeräts (graue und blaue Balken), was die hohe Messgenauigkeit des DLO-M2 unterstreicht. Im Vergleich zu den tatsächlichen Mineralstoffgehalten treten jedoch gewisse Abweichungen auf. Diese lassen sich teilweise durch natürliche Schwankungen im Leitungswasser erklären. Darüber hinaus hängt der physikalische Messwert – sei es Dichte oder elektrische Leitfähigkeit – auch von der chemischen Zusammensetzung der gelösten Mineralstoffe ab. Faktoren wie Ladungszahl und Molekülmasse beeinflussen die Messung. Ohne genaue Kenntnis der Zusammensetzung muss daher eine Annahme über eine «typische» Mineralstoffverteilung getroffen werden.

Eine Möglichkeit zur Abschätzung des Zusammenhangs zwischen physikalischem Messwert und tatsächlichem Mineralstoffgehalt ist die Korrelationsanalyse zwischen Messwerten und Herstellerangaben:

Abbildung 2: Korrelation zwischen Dichtemessung in mg/ml und dem Mineralstoffgehalt gemäss Laboranalyse ebenfalls in mg/l

Für die hier untersuchten Proben ergibt sich ein Umrechnungsfaktor von 0.936 zwischen Dichte [mg/ml] und Mineralstoffgehalt [mg/ml]. Umgekehrt bedeutet dies, dass eine Erhöhung der Dichte um 1 mg/l gegenüber destilliertem Wasser einen Mineralstoffgehalt von etwa 1.07 mg/l erwarten lässt. Die Grafik zeigt zudem, dass die Korrelation bei geringem Mineralstoffgehalt besser funktioniert als bei hohem Gehalt.

Abbildung 3: Korrelation zwischen der Leitfähigkeitsmessung in µS/m und dem Mineralstoffgehalt gemäss Laboranalyse in mg/l

Insgesamt ergibt sich ein sehr hoher Korrelationswert von R² = 0.9889 (Abbildung 2). Eine vergleichbare Analyse mit den Labormesswerten der elektrischen Leitfähigkeit ergibt ein R² von 0.9904 – nahezu identisch zur Dichtemessung (Abbildung 3). Aus messtechnischer Sicht stellt die Dichtemessung somit eine zuverlässige Alternative zur klassischen Leitfähigkeitsmessung dar.

Abschließend wurde auch Meerwasser aus dem Mittelmeer als Beispiel für ein Medium mit deutlich höherem Mineralstoffgehalt untersucht. Bei 20 °C wurde eine Dichte gemessen, die 27’637 mg/l über jener von destilliertem Wasser lag. Unter Anwendung der ermittelten Korrelation ergibt sich ein geschätzter Mineralstoffgehalt von rund 30 g/l – etwas unter dem tatsächlichen Wert von 36–39 g/l. Da Natriumchlorid als Hauptbestandteil bekannt ist, konnte das spezifische Konzentrationsmodell des DLO-M2 für NaCl verwendet werden. Das Ergebnis von 3.88 % (w/w) liegt sehr nahe am erwarteten Wert.

Diese Messreihe zeigt, dass der DLO-M2 nicht nur für die Analyse von Trink- und Fabrikwasser mit niedrigem Mineralstoffgehalt geeignet ist, sondern auch für hochkonzentrierte Salzlösungen zuverlässige Ergebnisse liefert.

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