Mikrosiemens: Leitwert des Wassers erklärt

Von Klaus Kamhuber • Zuletzt aktualisiert am 15. Oktober 2021

mikrosiemens-leitwert-des-wassersMikrosiemens, oder auch Leitfähigkeit, ist ein Maß für die Fähigkeit des Wassers, einen elektrischen Strom durchzulassen.

Die Leitfähigkeit wird durch das Vorhandensein von anorganischen gelösten Feststoffen (Ionen) und die Temperatur beeinflusst. Reines Wasser hat keine hohe Leitfähigkeit, aber je mehr Ionen hinzugefügt werden, desto höher ist die Leitfähigkeit.

Die Leitfähigkeit ist ein Maß für die Fähigkeit des Wassers, elektrischen Strom zu leiten. Da gelöste Salze und andere anorganische Chemikalien elektrischen Strom leiten, steigt die Leitfähigkeit mit zunehmendem Salzgehalt.

Die Leitfähigkeit wird auch von der Temperatur beeinflusst: Je wärmer das Wasser ist, desto höher ist die Leitfähigkeit.

Ionen und Leitfähigkeit

Je mehr Ionen (anorganische gelöste Feststoffe wie Natrium, Chlorid, Nitrat, Phosphat, Sulfat, Magnesium, Kalzium, Eisen und Aluminium) im Wasser vorhanden sind, desto höher ist seine Leitfähigkeit. Umgekehrt gilt: Je weniger Ionen, desto geringer die Leitfähigkeit.

Destilliertes oder deionisiertes Wasser kann aufgrund seines sehr niedrigen (wenn nicht gar vernachlässigbaren) Leitfähigkeitswertes als Isolator wirken. Meerwasser hingegen hat eine sehr hohe Leitfähigkeit.

Ionen leiten Elektrizität aufgrund ihrer positiven und negativen Ladungen. Wenn sich Elektrolyte (Verbindungen, die sich in Ionen auflösen können) in Wasser auflösen, spalten sie sich in positiv geladene (Kationen) und negativ geladene (Anionen) Teilchen.

Während sich die gelösten Stoffe im Wasser aufspalten, bleiben die Konzentrationen der positiven und negativen Ladungen gleich.

Das bedeutet, dass die Leitfähigkeit des Wassers mit der Zugabe von Ionen zwar zunimmt, es aber elektrisch neutral bleibt.

Was ist Leitfähigkeit?

Die Leitfähigkeit oder spezifische Leitfähigkeit ist das Maß für die Fähigkeit des Wassers, einen elektrischen Strom zu leiten.

Die Leitfähigkeit hängt von der Anzahl der Ionen oder geladenen Teilchen im Wasser ab. Je nachdem, wie leicht oder schwer elektrischer Strom durch Flüssigkeiten fließt, kann man sie in zwei große Kategorien einteilen: Elektrolyte und Nichtelektrolyte.

Strom fließt leicht durch Wasser mit hohem Elektrolyt- oder Ionengehalt und schlecht durch Materialien mit niedrigem Elektrolytgehalt wie reines Wasser oder viele organische Lösungsmittel wie Alkohol oder Öl.

Der Widerstand, der dem Stromfluss entgegensteht, wird Widerstand genannt und in der Einheit Ohm gemessen. Stoffe mit geringem Widerstand und hoher Leitfähigkeit lassen Strom leicht durch.

Wie wird die Leitfähigkeit gemessen?

Ein Leitfähigkeitsmessgerät wird verwendet, um die Fähigkeit der Wasserprobe, Strom zu leiten, zu messen.

leitfaehigkeitmessgeraet-wasserDie spezifische Leitfähigkeit wird gemessen, indem ein Strom zwischen zwei Elektroden (im Abstand von einem Zentimeter) fließt, die in eine Wasserprobe eingesetzt werden.

Die Maßeinheit für die Leitfähigkeit wird entweder in Mikrosiemens (uS/cm) oder Mikromhos (umho/cm) angegeben, was der Kehrwert der Widerstandseinheit Ohm ist. Die Vorsilbe “Mikro” bedeutet, dass sie in Millionsteln eines mho gemessen wird. MikroSiemens und Mikromhos sind gleichwertige Einheiten.

Destilliertes Wasser hat eine Leitfähigkeit von 0,5 bis 2 uS/cm. Trinkwasser hat in der Regel einen Wert zwischen 50 und 1500 uS/cm und häusliches Abwasser kann eine Leitfähigkeit von über 10.000 uS/cm haben.

Je wärmer das Wasser ist, desto höher ist die Leitfähigkeit mit einem Anstieg von etwa 1,9 % pro Grad Celsius. Die Leitfähigkeit wird bei einer Standardtemperatur von 25,0° C angegeben.

Was ist die Bedeutung der Leitfähigkeit?

Die Bestimmung der Leitfähigkeit ist bei Gewässeruntersuchungen nützlich, weil sie einen Schätzwert für die im Wasser gelösten Ionen liefert.

Niedrige Werte der spezifischen Leitfähigkeit sind charakteristisch für qualitativ hochwertige, oligotrophe (nährstoffarme) Seengewässer. Hohe Werte des spezifischen Leitwerts werden in eutrophen Seen beobachtet, in denen Pflanzennährstoffe (Dünger) im Überfluss vorhanden sind. Sehr hohe Werte sind gute Indikatoren für mögliche Verschmutzungsstellen.

Zum Beispiel können industrielle Einleitungen, Streusalz und defekte Klärgruben die Leitfähigkeit erhöhen. Eine plötzliche Veränderung der Leitfähigkeit kann auf eine direkte Einleitung oder eine andere Verschmutzungsquelle im Wasser hinweisen.

Leitfähigkeitsmessungen geben keine Auskunft über die spezifische Ionenzusammensetzung und -konzentration. Wasser selbst enthält Wasserstoff- (H+) und Hydroxid-Ionen (OH-), deren relative Mengen sich in den pH-Werten widerspiegeln. Chlorid-, Phosphat-, Sulfat- und Nitratanionen (negative Ionen) sowie Kalzium-, Magnesium-, Eisen-, Aluminium- und Natriumkationen (positive Ionen) tragen ebenfalls zur Gesamtleitfähigkeit bei.

Die Leitfähigkeit von Seen und Flüssen hängt von der geologischen Beschaffenheit eines Gebiets ab. Gewässer, die unter Granit liegen, haben eine geringere Leitfähigkeit als Gebiete mit Tonböden. Die Leitfähigkeit von Flüssen in den USA liegt zwischen 50 und 1.500 uS/cm, und die Messungen in den Gewässern, die von den GVSU-Schiffen beprobt werden, liegen normalerweise zwischen 110 und 600 uS/cm.

Temperatur und Leitfähigkeit

Ähnlich wie bei den Ionen gilt: Je wärmer das Wasser ist, desto höher ist seine Leitfähigkeit.

Daher wird der Mikrosiemens bzw. die Leitfähigkeit bei 25° C angegeben. Sie wird als spezifische Leitfähigkeit bezeichnet.

Was sind die Einheiten für die Leitfähigkeit?

Die Leitfähigkeit wird normalerweise in Siemens pro Meter (S/m) gemessen. Die Standardeinheit für Süßwasser ist microSiemens pro Zentimeter (µS/cm). In den USA wird sie auch als Millimhos pro Zentimeter (mmho/cm) gemessen.

  • Leitfähigkeit = EC (Elektrische Leitfähigkeit)
  • Leitfähigkeit = mho

1000 MikroSiemens (µS) = 1 MilliSiemens (mS)

  • 1 EC = 1 S/m
  • 1 mho/m = 1 S/m

Der Kehrwert des spezifischen Widerstands

Formal ist die Leitfähigkeit der Kehrwert des spezifischen Widerstands. Der Widerstand ist das Maß für den Widerstand des Wassers gegen den Stromfluss über eine bestimmte Entfernung.

Reines Wasser hat einen Widerstand von 18,2 Mohm*cm. Der Widerstand nimmt ab, wenn die Ionenkonzentration im Wasser steigt.

  • Leitfähigkeit = mho
  • Widerstand = Ohm

Was ist Leitwert und Mikrosiemens?

Der Leitwert ist ein Teil der Leitfähigkeit. Ähnlich wie der spezifische Widerstand ist die elektrische Leitfähigkeit von der Länge abhängig.

Die Leitfähigkeit von Wasser ändert sich also mit der Entfernung, aber die Leitfähigkeit kann gleich bleiben, solange sich die Temperatur und die Zusammensetzung nicht ändern.

Die Leitfähigkeit wird in mhos oder Siemens gemessen. Da die Leitfähigkeit der Leitwert (S) ist, der über eine bestimmte Strecke (1 cm) gemessen wird, sind die Einheiten S/cm.

Leitfähigkeitsänderungen in Bächen und Flüssen

Die Leitfähigkeit in Bächen und Flüssen wird vor allem durch die Umgebung beeinflusst.

Wenn das Wasser durch Gebiete fließt, die eine höhere Konzentration von Stoffen aufweisen, die ionisieren, wenn sie ins Wasser gespült werden, hat es eine höhere Leitfähigkeit.

Zum Beispiel haben Bäche, die durch Lehmböden fließen, eine höhere Leitfähigkeit als Bäche, die durch Granitgestein fließen.

Ein Anstieg der Leitfähigkeit eines Flusses könnte auch auf eine defekte Abwasser- oder Wasseraufbereitungsanlage hinweisen, da der Nitrat-, Chlorid- und Phosphatgehalt in die Höhe schießt. Umgekehrt würde eine Ölpest die Leitfähigkeit des Flusses senken, da Öl den elektrischen Strom nicht sehr gut leitet.

Leitfähigkeitsüberwachung für Umkehrosmose

Beim Betrieb einer Umkehrosmoseanlage (RO) ist die Betriebseffizienz das A und O. Der Vergleich zwischen der Wasserproduktionsrate und der eingesetzten Energie bestimmt die Kosten für das produzierte Wasser.

Wenn du die Osmoseanlage für routinemäßige Reinigungs- und Wartungsarbeiten vom Netz nimmst, kannst du die Produktionsrate und den Wirkungsgrad erhöhen oder die Lebensdauer der Membranen verlängern. Ein zusätzlicher Aufwand zur Überwachung der Membranintegrität und der Abscheideleistung ist jedoch nicht wünschenswert.

Zum Glück können Umkehrosmoseanlagen die Salzrückhaltung durch die Messung der Leitfähigkeit des Umkehrosmose-Wassers überwachen.

Wie man die Leitfähigkeit von Osmosewasser misst

Die Leitfähigkeit misst, wie leicht Strom durch ein Material fließen kann.

In elektrischen Begriffen ausgedrückt, stellt das Wasser einen Widerstand für den Durchgang von Elektrizität dar und die Leitfähigkeit ist der Kehrwert des Widerstandes. Leitfähigkeitssensoren senden eine elektrische Ladung zwischen zwei eingebetteten Sonden.

Da die Sonden einen bestimmten Abstand zueinander haben, kann der Widerstand des Wassers durch die Messung des resultierenden Stroms im Stromkreis berechnet werden.

Die Leitfähigkeit wird in der Einheit Siemens/cm (S/cm) angegeben, die den Leitwert bzw. den umgekehrten Widerstand über eine bestimmte Weglänge angibt. Die Einheiten MilliSiemens/cm (mS/cm) oder MikroSiemens/cm (µS/cm) sind für die Beschreibung gewöhnlicher Wässer besser geeignet.

Mikrosiemens-Leitwert-Wasser

Reines destilliertes und deionisiertes Wasser hat eine Leitfähigkeit von 0,05 µS/cm, was einem spezifischen Widerstand von 18 Megohm-cm (MΩ) entspricht. Meerwasser hat eine Leitfähigkeit von 50 mS/cm, und Trinkwasser hat eine Leitfähigkeit von 200 bis 800 µS/cm.

Das Permeat einer Umkehrosmoseanlage variiert je nach Konzentration des Zulaufs und Betriebsdruck. Normalerweise sollte die Leitfähigkeit von Umkehrosmose-Wasser zwischen dem Wert für deionisiertes Wasser und dem für Trinkwasser liegen (0,05 µS/cm-200 µS/cm).

Integrität der Membranen

Bei der Planung von Umkehrosmoseanlagen wird davon ausgegangen, dass die Umkehrosmoseanlage einen bestimmten Grad an Abscheidung gewährleistet. Wenn ein Fehler im System auftritt, ist die gesamte Aufbereitungsanlage gefährdet.

Die Membranen können durch eine unzureichende Vorbehandlung beschädigt werden, z. B. durch das Versäumnis, große und sandige Partikel zu entfernen, oder durch eine unzureichende Entchlorung, die zu Chlorschäden an Polyamidmembranen führt.

Integritätsprobleme können durch eine einzelne Behandlungsstufe entstehen, was auf Probleme mit Fouling oder Vorbehandlung hindeutet, oder sie können innerhalb eines einzelnen Moduls auftreten, was auf ein mechanisches Versagen wie einen O-Ringbruch hindeutet.

Deshalb ist es am besten, das System zu profilieren, indem man die Leitfähigkeitswerte an vielen Stellen im System sammelt, um Probleme mit der Membranintegrität zu erkennen und zu diagnostizieren.

Leitfähigkeit vs. gelöste Feststoffe (TDS)

Durch die Messung der Leitfähigkeit von Umkehrosmosewasser lässt sich feststellen, wie viel Salz von der Umkehrosmosemembran zurückgehalten wird.

Gelöste Salze liegen im Wasser als Ionen vor, die dazu beitragen, dass das Wasser leitfähiger wird. Die Leitfähigkeit korreliert mit dem Gesamtgehalt an gelösten Feststoffen (TDS), und die Korrelation ist über kurze Bereiche ungefähr linear.

Wenn du ein TDS-Messgerät verwendest, sind die Korrelationen eingebaut und werden automatisch angewendet. Bei einigen Messgeräten lässt sich der Umrechnungsfaktor auch an spezielle Bedürfnisse und Anwendungen anpassen, z. B. an Wässer, die neben Natrium und Chlorid noch andere Ionen in großen Mengen enthalten.

Wenn du ein Leitfähigkeitsmessgerät zur Bestimmung des TDS-Wertes verwendest, müssen die gesammelten Daten umgerechnet werden. Die Umrechnungsfaktoren lassen sich leicht durch die Messung eines bekannten Standards ermitteln.

Wenn zum Beispiel 64 mg NaCl in einem Liter Wasser eine Leitfähigkeit von 100 µS/cm ergeben, dann ist der Umrechnungsfaktor zwischen Leitfähigkeit und TDS 0,64, wobei TDS = Leitfähigkeit х 0,64.

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