Nun, was genau bedeutet ORP eigentlich?

Nun, was genau bedeutet ORP eigentlich?Oxidation Reduktions Potenzial

Wie wir bereits früher bereits angegeben haben, steht ORP für das Oxidations-/Reduktionspotential. In verschiedenen Teilen der Erde wird es auch Redoxpotential genannt. Im Englischen findet man neben der Version mit Bindestrich zwischen „Oxidation“ und „Reduktion“ auch die ohne Bindestrich zwischen beiden Worten. Hier wählten wir die Variante mit Bindestrich, weil diese beiden chemischen Reaktionen untrennbar miteinander verbunden sind. Eine kann ohne das Auftreten der anderen nicht sein.

Als im späten 18. Jahrhundert die Chemiker begannen, das Wort „Oxidation“ zu verwenden, meinten sie damit: „mit Sauerstoff verbinden“. Es wurde zu einem sehr radikalem Konzept. Bis vor ungefähr 200 Jahren waren die Menschen recht verwirrt, was das Wesen der Materie angeht. Es brauchte einige kühne Chemiker, um zu beweisen, dass z.B. Feuer keine Freisetzung unbekannter, mysteriöser Stoffe mit sich bringt, jedoch aber schneller brannte, wenn ein brennender Stoff kurzzeitig mit Sauerstoff in Verbindung kommt.

Beispiele für Oxidationen finden wir jederzeit an jedem Ort unseres täglichen Lebens. Sie läuft in verschiedenen Geschwindigkeiten ab. Wenn wir ein Stück Eisen rosten sehen oder sehen, wie Apfelstücke braun werden, so sind dies Beispiele für eine relativ langsame Oxidation. Betrachten wir hingegen Feuer, erleben wir ein Beispiel für schnelle Oxidation mit. Heute wissen wir, dass die Redoxreaktion den Elektronenaustausch zwischen zwei Atomen beinhaltet. Im Falle des Elektronen abgebenden Atoms sagt man: „es oxidiert“. Im Falle des Elektronen aufnehmenden Atoms hingegen sagt man: „es wird reduziert“. Durch Aufnahme von Elektronen verliert das Atom elektrische Energie, was es „hungrig“ für noch mehr Elektronen macht.

Wir wissen außerdem, dass man Materie zwar verändern aber nicht vernichten kann. Sie können ihre Struktur verändert, ihre enthaltene Energiemenge erhöhen oder verringern – aber Sie können nicht die Grundstruktur zerstören, die die Dinge so macht wie sie sind.

Chemische Stoffe wie Chlor, Brom und Ozon sind Oxidationsmittel. Ihre Fähigkeit ist es, andere chemische Stoffe zu oxidieren – Elektronen von anderen Stoffen zu stehlen – und das macht sie zu idealen Wasserentkeimern, weil sie durch die Änderung der Chemie des Wassers ungewollte Algen und Mikroorganismen abtöten können. Sie „verbrennen“ all das Vorhandene, wobei lediglich ein paar harmlose chemische Stoffe als ihre Verbrennungsprodukte entstehen.

Natürlich werden die Oxidationsmittel selbst bei dem Prozess der Oxidation reduziert, so dass sie die Fähigkeit, weitere Stoffe zu oxidieren, verlieren. Sie verbinden sich entweder mit anderen im Wasser vorhandenen Stoffen oder aber ihre elektrische Ladung ist einfach nur „aufgebraucht“. Um sicherzustellen, dass der chemische Prozess bis zum Ende abläuft, muss sich eine genügend hohe Konzentration von Oxidationsmitteln im Wasser befinden.

Aber wieviel ist „genügend hoch“? Das ist der Punkt, an dem der Begriff Potential ins Spiel kommt.

Dabei ist „Potential“ ein Begriff, der sich mehr auf die Fähigkeit als auf einen Prozess bezieht. Wir hören ihn jederzeit im Sport. („In diesem Neuling steckt ein großes Potential. Bis jetzt erzielte er zwar noch keine Erfolge, aber wir wissen, dass er die Fähigkeiten dazu hat.“)

Potentielle Energie ist diejenige Energie, die gespeichert und bereit ist, eingesetzt zu werden. Sie bewirkt noch nichts, aber wir wissen, dass diese Energie vorhanden ist, wenn wir sie brauchen. Betrachten wir als Beispiel den Druck. Wenn man einen Luftballon aufbläst, ist im Inneren des Ballons ein Luftdruck vorhanden. Solange wir das Ende geschlossen halten, verbleibt dieser Luftdruck als potentielle Energie im Ballon. Öffnet man das Ende, strömt die Luft heraus und die potentielle Energie (Lageenergie) wandelt sich um in kinetische Energie (Bewegungsenergie).

In der Elektronik wird die potentielle Energie in Volt gemessen. Die gegenwärtige Energie (Stromfluss) wird in Ampere gemessen. Wenn Sie ein Voltmeter an den beiden Polen einer Batterie anschließen, dann können Sie den Unterschied der Spannung – das Potential – zwischen beiden Polen ablesen. Diese Spannung gibt den Überschuss an Elektronen an, der an einem der beiden Pole der Batterie herrscht (der übrigens durch eine chemische Reaktion innerhalb der Batterie entsteht) und nur darauf wartet, zum gegenüberliegenden Pol zu wandern.

Wenn wir in Darstellungen zum Thema Redoxpotential den Begriff Potential benutzen, dann im Sinne von elektrisches Potential bzw. Spannung. Wenn wir ein Metall ins Wasser legen, können wir bei Vorhandensein von Oxidations- und Reduktionsmittel eine sehr geringe Spannung ablesen. Diese Spannung ist ein Indikator dafür, dass die Oxidationsmittel im Wasser noch die Fähigkeit besitzen, es frei von Schadstoffen zu halten.

 

Wie kann man das Redoxpotential messen?

Eine Redoxpotentialsonde ist tatsächlich ein Millivolt-Meter. Bei ihr wird die Spannung zwischen zwei Elektroden über einen Messkreis mit einer Referenzelektrode aus Silberdraht (negativer Pol) in definierter Salzlösung und einer Messelektrode aus Platin (positive Pol) im zu überprüfenden Wasser gemessen, wobei Wasser und definierte Salzlösung über eine Salzbrücke miteinander verbunden sind.

Die Referenzelektrode, die für gewöhnlich aus Silber gefertigt wird, befindet sich in einer Salzlösung (Elektrolyt), die eine geringe Spannung erzeugt, deren Wert bekannt ist. Weil die Spannung, die an der Referenzelektrode entsteht, stabil ist, kann man diese als Referenzwert für die Spannung, welche an der Platinelektrode entsteht, benutzen und dadurch die Oxidationsmittel im Wasser vergleichen.

Mit dem Messgerät misst man also den Spannungsunterschied zwischen den beiden Elektroden. Moderne Redoxelektroden sind bereits meistens miteinander kombiniert, mit anderen Worten befinden sich beide Elektroden im selben Gehäuse, so dass es so scheint, als wäre es nur eine Elektrode.

Übrigens muss das Messgerät hochohmig sein (einen hohen Widerstand haben), damit die sehr geringen Spannungen, die zwischen den beiden Elektroden anliegen, gemessen werden können.

Was jetzt genau macht eigentlich ein Redoxmeter?


Nun, wo sie die Grundlagen der Arbeitsweise eines Redoxmeter kennen, können wir einen Blick darauf werfen, wie die Oxidationsmittelkonzentration im Wasser die Messung beeinflusst.

Praktisch gesehen sind die Oxidationsmittel die erwünschten Stoffe im Wasser und stehen für reines Wasser. Die Reduktionsmittel hingegen sind unerwünschte Stoffe im Wasser und stehen für Verunreinigungen.

Haben wir ein Gefäß mit Wasser, in welchem die Konzentration der Oxidationsmittel (oder Oxidantien, wie Chemiker zu sagen pflegen) exakt gleich der Konzentration der Reduktionsmittel (Reduktanten) ist, dann ist der gemessene Potentialunterschied exakt „0“. Wie Sie vielleicht schon erahnen, befindet sich das Wasser in keinem guten Zustand, weil jetzt kein Oxidationsmittel mehr zur Verfügung steht, wenn neue Verschmutzungen ins Wasser gelangen.

Wenn wir dem Wasser Oxidationsmittel hinzufügen, „stielt“ es Elektronen von der Oberfläche der Platin-Messelektrode. Um noch deutlicher zu sein, sollten wir an dieser Stelle erwähnen, dass Elektronen negativ geladene Partikel sind. Entfernen wir diese negative Ladung von der Messelektrode, bekommt diese allmählich eine immer positivere Ladung. Wenn wir nun dem Wasser immer weiter Oxidationsmittel hinzufügen, wird an der Messelektrode eine immer höher und höher werdende positive Spannung erzeugt.

Wie beeinflusst der pH-Wert das Redoxpotential?


Die Serviceanbieter wissen, dass mit einer Änderung des pH-Wertes auch eine spürbare Änderung der Effizienz der Wasserentkeimer einhergehen kann. Insbesondere im Zusammenhang mit Chlor, das bei Weitem die am meisten eingesetzte Chemikalie zur Entkeimung von Wasser ist.

Sicherlich können Sie sich durch einen vorherigen Artikel über Chlor erinnern, dass eine Form, in der Chlor auftritt, die Hypochlorsäure (chemisches Formel: HClO) ist, die ein hervorragendes Oxidationsmittel darstellt. Auch werden Sie sich erinnern können, dass der Prozentsatz an vorhandener Hypochlorsäure in Schwimmbecken und Bädern direkt vom pH-Wert abhängt.

Zum Beispiel kommt bei einem pH-Wert von 6,0 ganze 96,5% des frei im Wasser verfügbaren Chlors in Form der Hypochlorsäure vor, während es bei einem pH-Wert von 8,5 lediglich 10% sind.

Ein Wassertest mit dem Chlortester OTO kann Ihnen zwar Auskunft über die Konzentration von Chlor im Wasser geben, nicht aber, wieviel des Chlors in anorganischen Verbindungen gebunden ist oder wieviel davon in Form von Hypochlorsäure vorliegt. Eine Änderung des pH-Wertes des Wassers hat keinen Einfluss auf das Ergebnis des OTO-Testes.

Ein DPD-Test kann Ihnen zwar sagen, wieviel Chlor gebunden und wieviel frei verfügbar ist, aber es kann Ihnen nicht sagen, wieviel Prozent davon in Form der Hypochlorsäure vorliegen. Um dies bestimmen zu wollen, müssen Sie einen pH-Test machen und das Ergebnis errechnen. Eine Änderung des pH-Wertes wird das Ergebnis des DPD-Testes nicht beeinflussen.

Auch wenn das Redoxpotential Ihnen nicht genau mitteilen kann, wie hoch die Chlorkonzentration in ppm (Teile pro Million) ist, so kann es doch als Indikator für die Effizienz des Chlors als Oxidationsmittel verwendet werden. Das Redoxpotential ändert sich mit der Änderung des pH-Wertes. Steigt der pH-Wert an, so sinkt der Wert der Spannungsanzeige des Redoxmeter, das anzeigt, dass die Entkeimung nicht effizient arbeitet. Ein Senken des pH-Wertes durch weitere Hinzugabe von Oxidationsmitteln wird den Wert der Spannungsanzeige wieder ansteigen lassen.

Aus diesem Grund enthalten die meisten Redoxmeter auch ein elektronisches pH-Meter, welches den Unterschied des elektrischen Potentials des Beckenwassers und einer Probe mit bekanntem pH-Wert misst, welche sich innerhalb des Gerätes in einem kleinen Glaskolben befindet.

Aufstellung des Standards


Nachdem in den 1960-ern die Messgeräte und Messmethoden zur Messung des Redoxpotentials entwickelt worden waren, begannen Forscher mit der Aufstellung von Standards, unter denen die Redoxmessung auszuführen ist, um als genauer Maßstab für die Wasserqualität herangezogen werden zu können.

Im Jahre 1972 legte die Weltgesundheitsorganisation das Redoxpotential für entkeimtes Trinkwasser auf 650 mV fest. Die Weltgesundheitsorganisation begründete dies damit, dass wenn das Redoxpotential in einem Wassergefäß 650/1000 (über 2/3) eines Volts beträgt, die Entkeimung im Wasser aktiv genug ist, um schädliche Organismen unmittelbar fast vollständig zu eliminieren.

In Deutschland, das wahrscheinlich den strengsten Standard für Wasserqualität weltweit besitzt, wurde als Mindeststandardwert für öffentliche Schwimmbäder (1982) und Anstalten der Hydrotherapie (1984) ein Redoxpotential von 750 mV festgelegt.

In ihren 1988 veröffentlichten Standard von Badeanlagen und Einrichtungen der Hydrotherapie wurde durch die NSPI festgelegt, dass es als „ergänzende Messung der gegenwärtigen Entkeimungsaktivität“ genutzt werden kann, wenn Chlor oder Brom als primäre Entkeimungsmittel genutzt werden. Der empfohlene Minimalwert des Redoxpotentials beträgt beim NSPI-Standard 650 mV ohne jegliche Angabe eines Ideal- oder Maximalwertes.

Die NSPI begründete dies damit, dass „eine Nutzung von Testmitteln zur Überprüfung des Redoxpotentials weder die Notwendigkeit der Überprüfung des Entkeimungszustandes mit standardisierter Ausrüstung ersetzt noch unnötig macht“.

Diese Begründung ist der Grund, dass die NSPI es nicht als für notwendig erachtet, abweichende chemische Standards aufzustellen. In der Tat ist bereits in den meisten Gesundheitsnormen angegeben, dass im Durchschnitt der Rest an frei verfügbaren Chlor (FAC) im Wasser von Bädern und Einrichtungen der Hydrotherapie 1,0 ppm betragen sollte, wenn ein DPD-Testset zum Einsatz kommt.

Chemische Automatisierung


In diesem Land hat die Redoxtechnologie weitreichend Anwendung als Basis für automatisierte chemische Steuerungsanlagen gefunden. Der Grund liegt auf der Hand: Nur ein Redoxsensor kann eine derartige Rückmeldung geben, die notwendig ist, um sowohl die Speiser für Oxidationsmittel als auch für Chemikalien für die pH-Werteinstellung kontrollieren zu können.

Anders als bei kontinuierlich zuführenden oder timergesteuerten Anordnungen kann eine redoxbasierte chemische Steuerung die nötigen Chemikalien dem Wasser zuführen, wenn diese benötigt werden. Kombiniert mit einem pH-Sensor können diese Steuerungen benutzt werden, um Pumpen zur Zufuhr von Flüssigkeiten, Chlorgasanlagen oder Erosionszuführungen für trockene Chemikalien zu aktivieren. Außerdem können Sie die Beckenwasserchemie anzeigen und die Daten in einer Tabelle protokollieren.

Diese Art der chemischen Automation resultiert deutlich in einer beachtlichen Sicherheit für Betreiber großer, öffentlicher Bäder und Einrichtungen der Hydrotherapie, weil Chemikalien nur dann zugeführt werden, wenn sie benötigt werden.

Weiterhin stellt die elektronische Kontrolle der Chemikalien zur Entkeimung und zur pH-Wert Einstellung die präzise Zuführung je nach Notwendigkeit sicher und beugt so den Spitzen und
Einbrüchen bei der Restentkeimung und des pH-Wertes vor, wie sie oft in öffentlichen Bädern und Einrichtungen der Hydrotherapie zu beobachten sind.

Die Kontrollausrüstung mit den Messfühlern für den Redox- und pH-Test werden im Allgemeinen in der Druckleitung installiert oder es wird Wasser aus der Druckleitung zu den Messfühlern geleitet. Die Messfühler werden vor dem Ort der chemischen Einleitung installiert. Auf diese Weise kommt der Sensor mit jenem Wasser in Kontakt, das dem Beckenwasser entspricht, wodurch der Sensor in der Lage ist, die korrekte Spannung zu ermitteln.

Benutzen Sie Pumpen zur Zufuhr chemischer Flüssigkeiten, entscheidet das Signal der Redox- und pH-Wert-Überprüfung den Zeitpunkt der Aktivierung jener Pumpen. Die Pumpen werden ein- und ausgeschaltet, um den eingestellten Wert zu erfüllen (gewünschtes Kontrollniveau).

Benutzen Sie eine Chlorgasanlage, so aktiviert die Steuerung ein Magnetventil, welches dem Gas ein Einströmen über eine Bypass-Leitung oder eine Umwälzleitung ermöglicht. In der Bypass-Leitung wird oft eine Druckerhöhungspumpe verwendet, um eine ausreichende Verteilung des Gases sicherzustellen.

Durch eine Redoxsteuerung kann ebenfalls eine Steuerung von Erosionszuführungen (Auflösung von Trichlor- oder Kalzium-Hypochlorit-Tabletten oder Bromstäbe und –tabletten) erfolgen. Diese Zuführung wird in einer Bypass-Leitung installiert, die über ein Magnetventil geöffnet oder geschlossen wird.

Zusätzlich können Redoxapparaturen auch zur Messung der Entkeimungseffizienz, zur Kontrolle von Ozongeneratoren, Chlorgeneratoren und von Ionisierern (in Verbindung mit Chlor) eingesetzt werden.

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