Ionenbilanzfehler

Jede Messung ist fehlerbehaftet. Die Qualität einer Wasseranalyse wird nicht zuletzt anhand des Ionenbilanzfehlers (Ladungsbilanz) beurteilt. aqion berechnet die Ionenbilanz mit Hilfe von PhreeqC.

Der Ionenbilanzfehler ΔIB ergibt sich aus der Differenz der Äquivalenzkonzentrationen (eq/L) der Kationen und Anionen nach folgender Gleichung: 1

(1)

ΔIB wird in Prozent ausgegeben und entspricht dem “relativen Fehler” bezogen auf die Gesamtionen-Konzentration (Summe aller Ionen im Nenner). Bei der Berechnung von Gl.(1) berücksichtigt aqion die Komplexierung von Ionenspezies.

Da es keine “elektrisch geladenen” Wässer in der Natur gibt, sollte der ΔIB-Wert exakt Null sein. Dieser Idealfall wird in der Praxis wohl kaum erreicht. Dort zählt man Wasseranalysen, deren Fehler unter 5% liegt, als tolerabel.2

Nicht zu vergessen: Der Ionenbilanzfehler einer Wasseranalyse kann auch durch Unvollständigkeit, also nicht gemessene bzw. beprobte Ionen, verursacht sein. Andere Fehlerursachen sind hier.

Unterschiede zur DIN 38402-62

Der Entwurf zur DIN 38402-62 (Oktober 2013) enthält einen Berechnungsalgorithnus, der sich vor allem in zwei Dingen von Gl.(1) unterscheidet:

Erstens. Der Ionenbilanzfehler bezieht sich auf den Mittelwert der Summen der Kationen und Anionen (und nicht auf die Gesamtionen-Konzentration):

(2)

Der Vergleich mit Gl.(1) zeigt, dass der Ladungsbilanzfehler der DIN doppelt so groß ist:

(3)

Das ist eine rein formale Angelegenheit der Definition, die mit dem “hydrochemischen System” nichts zu tun hat.

Zweitens. Die Komplexierung von Ionenspezies wird nicht berücksichtigt. An dessen Stelle bietet die DIN Näherungen, wie man z.B. Alkalinität, Eisen(II)-haltige Wässer, Orthophosphat und saure Wässer zu behandeln hat. Diese Näherungen und Annahmen sind so gestaltet, dass man den ΔIB-Wert ohne großen Aufwand (z.B. mit Excel) berechnen kann. Dies ist ein Vorteil, da es eine schnelle Plausibilitätsprüfung zulässt (ohne auf ein Hydrochemie-Programm für Speziierung zurückgreifen zu müssen).

Welche Rolle spielt die Komplexierung? Den Hauptanteil aller wässrigen Spezies bilden in der Tat die geladenen Komplexe (Ionen). Darüber hinaus existieren aber auch ladungsneutrale Komplexe wie CaSO4(aq), CaCO3(aq), CO2(aq) usw. Da es sich hier weder um Anionen noch Kationen handelt, sollten diese neutralen Komplexe auch nicht in die ΔIB-Berechnung eingehen. Aufgrund der Speziierung ist aqion in der Lage, diese Größen aus Gl.(1) rauszufiltern, während die DIN-Vorschrift das ignoriert. Kurzum, anstelle von Gl.(3) muss man schreiben:

(4)

Das heißt, der Ionenbilanzfehler der DIN ist nicht exakt doppelt so groß wie der mit aqion berechnete (aufgrund der Komplexbildung). Eine Beispielrechnung ist hier gegeben.

Ursachen für Ladungsbilanzfehler

Drei mögliche Ursachen für den Ladungsbilanzfehler sind:

  • Analyse- bzw. Messfehler im Labor (grobe und systematische Fehler)
  • ein oder mehrere gelöste Spezies (Hauptionen) wurden nicht beprobt
  • das Verwenden unfiltrierter Proben, die partikuläre Stoffe enthalten, welche bei Säurezugabe (zu Konservierungszwecken) sich rücklösen.

Anmerkungen

  1. Entspricht dem Berechnungsalgorithmus von PhreeqC.

  2. Man beachte: Die Formel für ΔIB ist normiert, wobei im Nenner die Summe der Ionen steht. Je weniger Ionen in der Lösung sind, desto empfindlicher reagiert der Ionenbilanzfehler auf kleinste Abweichungen.

[last modified: 2014-02-18]