AN-EC-038
2026-03
Messung der Ionenleitfähigkeit mittels Siebdrucktechnologie
Untersuchung von Trinkwässern, analysiert mit der 11COND-Siebdruckelektrode
Zusammenfassung
Die Ionenleitfähigkeit (σ) ist ein entscheidender Faktor bei der Bewertung verschiedener flüssiger Lösungen. Dieser Parameter steht beispielsweise in direktem Zusammenhang mit dem Salzgehalt von Wasser und kann auch Aufschluss über den Verschmutzungsgrad geben [1]. Daher ist es äußerst wichtig, σ korrekt zu berechnen. Bei der Verwendung von herkömmlichen Leitfähigkeitssonden sind jedoch in der Regel große Flüssigkeitsmengen erforderlich, die nicht immer verfügbar sind. Zudem kann es bei bestimmten Probentypen zu Kontaminationen kommen, die die Sonde beeinträchtigen oder beschädigen können. Angesichts dieser Nachteile wird in dieser Application Note eine Einweglösung auf Basis der Siebdrucktechnologie vorgestellt. Mit der 11COND-Siebdruckelektrode (SPE, screen-printed electrode) wird der σ-Wert verschiedener Trinkwasserproben ermittelt, wobei pro Probe lediglich 100 µL benötigt werden. Die Ergebnisse werden mit denen einer Standard-Leitfähigkeitssonde verglichen und zeigen die Eignung und Reproduzierbarkeit dieser Einweg-Lösung.
Grundlegende Konzepte
Die Messung von σ steht in direktem Zusammenhang mit der Bewegung von Ionen (Polarisation), wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Unter dieser Bedingung bewegen sich die Ionen und erfahren dabei einen Widerstand, der zur Berechnung der Leitfähigkeit der Lösung herangezogen wird.
Experimentell wird hierfür üblicherweise die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) eingesetzt, da hierbei ein Gleichstrompotential mit einer überlagerten Wechselstromschwingung angelegt wird, die eine Bewegung der Ionen erzeugt. Wenn die gewählte Frequenz hoch genug ist, um nur den resistiven Teil der Lösung zu berücksichtigen (d. h. das ohmsche Verhalten), entspricht das Impedanzmodul (|Z |) im Wesentlichen dem Lösungswiderstand [2].
Neben diesem Wert müssen auch die Zellabmessungen, dargestellt durch die Zellkonstante (Kcell), berücksichtigt werden. Bei Standardsonden beschreibt dieser Parameter das Verhältnis von Länge zu Fläche der Zelle, in der σ gemessen wird.
Abbildung 1 zeigt die Formel, die bei Verwendung der 11COND-SPEs angewendet werden muss.
Der Widerstand der Basiselektrode (interne Elektrode) wird durch den Term ro dargestellt. Zu beachten ist, dass für die strikte Gültigkeit dieser Gleichung die Temperatur konstant bei 25 °C gehalten werden muss. Der Leitfähigkeitsbereich, in dem diese Elektrode verwendet werden kann, reicht von 84 µS·cm-1 bis 111,8 mS·cm-1.
Ergebnisse
Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse dieser Studie zusammen mit den zugehörigen Fehlerbalken für jeden Probentyp. Die Werte der 11COND-Elektrode und der Standard-Leitfähigkeitssonde sind sehr ähnlich, was die Eignung der SPE für Leitfähigkeitsmessungen belegt. Jede Wasserprobe wurde mit drei verschiedenen SPEs analysiert, um die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse sicherzustellen.
Angesichts des geringen Volumens, das für das Experiment benötigt wird, und der praktischen Einwegverwendbarkeit der Elektrode bietet die 11COND eine ebenso einfache wie effiziente Alternative zur Messung der Ionenleitfähigkeit in mäßig konzentrierten Lösungen.
Fazit
Diese Application Note zeigt, wie die 11COND-Siebdruckelektrode die Ionenleitfähigkeit verschiedener Trinkwässer effektiv misst. Diese Studie umfasst sieben handelsübliche Mineralwässer sowie Leitungswasser und liefert nahezu identische Ergebnisse zwischen der 11COND-SPE und einer Standard-Leitfähigkeitssonde. Diese Ergebnisse dienen als Proof of Concept und belegen die Zuverlässigkeit und Praktikabilität der 11COND-Elektrode für Leitfähigkeitsmessungen, insbesondere bei kleinen Probenvolumina. Damit bietet sie einen deutlichen Vorteil gegenüber herkömmlichen Leitfähigkeitsmessgeräten, die deutlich größere Volumina erfordern.
Referenzen
- R.B. Baird; E.W. Rice; A.D. Eaton. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 23rd Edition, 23rd ed.; American Public Health Association: Washington DC.
- Lazanas, A. Ch.; Prodromidis, M. I. Electrochemical Impedance Spectroscopy – A Tutorial. ACS Meas. Sci. Au 2023, 3 (3), 162–193. https://doi.org/10.1021/acsmeasuresciau.2c00070.
