Evaluation of chloride and sodium ion selective electrodes (ISEs) for use in biological regenerative life support systems
Abstract
Interessen for lengre bemannede utenomjordiske oppdrag er økende, og muliggjort av teknologiske sprang de siste tiårene. Resirkulerende hydroponiske systemer er forsket på som en regenerativ kilde for mat, oksygen og rent vann. Med disse bruksområdene oppstår også behovet for nøyaktige metoder, med lave vedlikeholdskrav, for overvvåkning av vannkvalitet og næringsstoffnivåer i hydroponiske systemer. En mulig metode for overvåkning av individuelle næringsstoffer er bruken av potentiometriske sensorer, slik som ioneselektive elektroder(ISEr).
I denne masteroppgaven har ioneselektive elektroder for klorid(HACH ISECl181) og natrium(HACH ISENa381) blitt evaluert for bruk i hydroponiske system. Elektrodene har blitt testet med hensyn til interferenser, drift og nøyaktighet. En at-line prøvetakings- og analysemetode med elektrodene har også blitt testet, med hensyn på drift og begroing. De fleste tilstedeværende ionene i næringsløsning påvirket elektrodene. Nitrat og sulfat hadde den største påvirkningen på kloridelektroden, mens kalium og magnesium viste seg å ha størst påvirkning på natriumelektroden. Interfererende ioner ble bestemt ved bruk av kalibreringskurver i løsning med analytt og interferenser, og ved et eksperiment hvor interferenser ble spiket inn i en natriumklorid løsning. Klordielektroden ble vist å drifte betydelig over en periode på 12 dager i en syntetisk næringsløsning, mens natriumelektroden var mer stabil.
Begge elektrodene ble brukt til å analysere klorid- og natriuminnholdet i prøver samlet fra et hydroponisk eksperiment. Ingen av elektrodene ga tilstrekkelig nøyaktighet når de ble sammenlignet med de alternative metodene, ionekromatografi for klorid og ICP-MS for natrium. To flytceller for elektrodene ble designet og implementert at-line i et hydroponisk system, og et eksperiment ble utført over en periode på 4 uker og 5 dager. Når sammenlignet med alternative metoder hadde elektrodene fortsatt manglende nøyaktighet, og begroing ble observert på kloridelektroden etter 4 uker. Ingen begroing ble observert på natriumelektroden over eksperimentets varighet.
Mer forskning på påvirkningen av interferenser på spesifikke ioneselketive elektroder anbefales, før implementering i hydroponiske systemer. Flytcelledesign bør forbedres, volum brukt bør minimeres, og antibegriongsmetoder som ikke påvirker plantehelsen bør undersøkes. Interest in longer range and duration manned extraterrestrial missions are on the rise, and have been made possible by technological leaps in recent decades. Recirculating hydroponic systems are researched as a method of providing regenerative sources of food, oxygen and clean water. For these purposes accurate and low-maintenance monitoring methods for water quality and nutrient solution levels in hydroponic systems are necessitated. One possible method of monitoring individual nutrients is the use of potentiometric sensors, like ion-selective electrodes (ISEs).
In this thesis ion selective electrodes for chloride (HACH ISECl181) and sodium (HACH ISENa381) have been evaluated for use in hydroponic systems. The electrodes have been tested with regards to interferences, drift and accuracy. An at-line sampling and analysis method with the electrodes has also been tested, with regards to electrode drift and biofouling. Most ions present in nutrient solutions were found to impact the electrodes. Nitrate and sulphate had the largest impact on the chloride electrode, while potassium and magnesium was found to have the largest impact on the sodium electrode. Interfering ions were determined by the preparation of calibration curves in solutions with analyte and interfering ions, and by an experiment with spiking of interferences into a sodium chloride solution. The chloride electrode was found to drift significantly over a period of 12 days in a synthetic nutrient solution, while the sodium electrode was more stable.
Both electrodes were used to analyze the chloride and sodium contents in samples collected from a hydroponic experiment. Neither electrode provided sufficient accuracy when compared to the alternative methods, ion chromatography for chloride and ICP-MS for sodium. Two flow cells for the electrodes were designed and implemented at-line in a hydroponic system, and an experiment was conducted over a period of 4 weeks and 5 days. When compared to alternative methods the electrodes still had subpar accuracy, and biofouling of the chloride electrode was observed after 4 weeks. No biofouling was observed on the sodium electrode over the duration of the experiment.
More research into the influence of interference on specific ion selective electrodes is recommended before implementation into hydroponic systems. Flow cell design should be improved, the volume used minimized, and anti-biofouling methods that do not negatively impact plant health should be investigated.