Основи на общия органичен въглерод

Add Bookmark

    Основи на общия органичен въглерод

    Какво е "TOC"?

    Общият органичен въглерод (TOC) показва общото количество въглерод от органичен материал, присъстващ в пробата. Предимствата на TOC анализа са бързото време за анализ от няколко минути, точната и независима от матрицата количествена оценка и много ниската консумация на химикали. Тъй като това е сумарен параметър, методът не е подходящ за идентифициране на отделни органични компоненти. TOC се определя най-вече в течности, където служи като представителен индекс за качеството на водата, но може да се измерва и в твърди вещества.

    Поради големия брой известни органични съединения, биохимичната потребност от кислород (BOD), химичната потребност от кислород (COD) и тестовете за консумация на перманганат са били използвани в миналото като индекси за колективното измерване на всички органични вещества, независимо от тяхната природа.

     

     

    Към началото

    Как се измерва TOC?

    Видове въглерод и методи за определяне

    Видове въглерод

    Общото количество на всички въглероди, присъстващи в пробата, се нарича "общ въглерод" (TC). Той може да бъде допълнително разделен на две основни групи: общ органичен въглерод (TOC) и неорганичен въглерод (IC). Общият органичен въглерод може да бъде класифициран като неиспаряем органичен въглерод (NPOC) или испаряем органичен въглерод (POC).

    По отношение на разтворимостта на органичните вещества във вода, може да се направи разлика между разтворен органичен въглерод (DOC), който са вещества, преминаващи през филтър с размер на порите 0,45 µm, и частичен органичен въглерод.

    Използват се два основни метода за определяне на TOC:

    Метод на разликата: TOC се определя чрез изваждане на резултатите за TC и IC (TOC = TC - IC).
    Пряк метод: TOC се определя чрез измерване на NPOC, с други думи TC след отстраняване на IC (TOC = NPOC).

    Методи за определяне на TOC

    Измерване на IC

    За измерване на TOC, IC се отнася до общата сума на неорганичния въглерод, съдържащ се (където CO₂ означава разтворен въглероден диоксид, HCO₃‾ бикарбонатни йони и CO₃²‾ карбонатни йони). Количеството разтворен въглероден диоксид, бикарбонатни йони и карбонатни йони във вода се поддържа в равновесие, което зависи от нивото на pH на водата, според израза по-долу.

    Измерване на IC

    С намаляване на pH, равновесието се измества към лявата страна на диаграмата по-горе. При pH 3 или по-ниско, почти целият IC става разтворен въглероден диоксид, който лесно се отстранява от водата.
    Въз основа на този принцип, IC се измерва чрез подкиселяване на пробата до pH < 3 и след това измерване на извлечения от пробата CO₂ чрез стрипинг с въздух без CO₂.

    Използване на пряк и разликен метод

    И двата метода, метод на разликата (TC - IC) и пряк метод (TOC = NPOC), се използват за измерване на TOC. Оптималният метод обаче трябва да бъде избран въз основа на характеристиките на пробата.
    Методът на разликата изисква две отделни анализи и следователно е подложен на по-голяма грешка при измерване в сравнение с прекия метод поради разпространението на грешката. Като насока, съдържанието на TOC в пробата трябва също да бъде по-голямо от съдържанието на IC, в противен случай несигурността при измерването става неприемлива за целите на анализа.
    За проби, които са склонни към пенене или които имат значително съдържание на летливи вещества, например, се използва методът TC - IC, тъй като методът NPOC може да доведе до загуба на испаряем органичен въглерод (POC) от пробите по време на стрипинг етапа или поради пенещи съставки.

    Към началото

    Методи за окисление на TOC

    TOC анализаторите са, в общи линии, анализатори на CO₂ газ с предварителен етап на окисление и система за подготовка на пробата. Независимо кой метод за определяне на TOC се използва, TOC (също и TC) се измерва чрез окисляване на органичния въглерод и последващо количествено определяне на полученото CO₂ с помощта на инфрачервен детектор. Съществуват различни методи за окисление за превръщане в CO₂, от които два са се утвърдили; окисление при изгаряне и мокро окисление.

    Метод на окисление при изгаряне

    Пробата се инжектира в пещ за изгаряне при висока температура (650 до 1,200 °C), за да се изгори целият органичен въглерод в пробата и да се измери като напълно окислен въглероден диоксид. Поради простотата на използване на топлина/изгаряне като принцип за окисление, методът не изисква реагенти за предварителни или последващи процеси. Една от основните характеристики на този метод е неговата способност да окислява ефективно органични въглеродни вещества, които иначе са устойчиви на разлагане, като например частици или макромолекулярни органични вещества. В миналото бяха необходими високи температури (1000 °C и повече), тъй като първите TOC инструменти използваха височината на пика за интеграция. Превръщането в CO₂ трябваше да бъде изключително бързо, за да се запише сигналът възможно най-рязко и да се постигне най-добрата възможна разделителна способност.
    Много високите температури на изгаряне водят до образуването на солеви стопилки в анализатора, което от своя страна причинява увеличаване на поддръжката поради деактивация на катализатора, корозия на тръбата за изгаряне и детекторната клетка. Солевите интерференции в детекторната клетка от продуктите на стопилката могат да повлияят на качеството и точността на данните. Освен това, времето за поддръжка се удължава поради по-дългото време за охлаждане и повторно загряване, необходимо поради по-високата температура на изгаряне.
    Shimadzu разработи метода за каталитично окисление при висока температура (HTCO) при 680 °C. Докато платиновият катализатор осигурява пълно превръщане на всички въглеродни компоненти, температурата на изгаряне е под точките на топене на обичайните соли. Така проблемите, причинени от солите, се минимизират, като същевременно се постигат отлични възстановителни нива за всички органични компоненти. Окислението на TOC при изгаряне може лесно да се разшири, за да включва определянето на допълнителен сумарен параметър за азот, общ свързан азот (TNb).

    Метод на окисление при изгаряне

    Метод на мокро окисление

    С този метод към пробите се добавя окислител, за да се разгради химически въглеродът в органичната материя за измерване като въглероден диоксид. Въпреки че може да се приложи топлина (до 100 °C) или ултравиолетово облъчване, за да се насърчи реакцията на окисление, способността на химическата реакция да разгради материята окислително е по-слаба от тази на окислението при изгаряне, което обикновено води до по-ниски нива на възстановяване на въглерода от суспендирани или други частични органични вещества или устойчиви вещества. Този метод обаче позволява инжектиране на сравнително по-големи количества проби за достигане на по-ниски граници на откриване.

    Поради своята превъзходна окислителна реакция, методът на окисление при изгаряне обикновено се използва за измерване на нивата на TOC в околната вода, фабричните отпадъчни води и подобни проби, където водните проби често съдържат големи количества неразтворим органичен въглерод.

    Към началото

    TOC в питейната вода

    Потвърждаване на безопасността на обществената питейна вода

    Обществената питейна вода се доставя чрез обработка на водата, базирана на качеството на водата от дадена река, езеро, подземни води или друг водоизточник. Въпреки това, качеството на обществената питейна вода може да варира поради промени в качеството на водата или скоростта на използване на реката или езерото.
    Следователно е важно редовно да се проверява безопасността на обработената вода.

    Смята се, че реакциите между органичните вещества и дезинфектантите, използвани за обработка на водата, създават вещества, които са вредни за човека. Следователно, измерването на TOC в обществената питейна вода предоставя важен индекс за потвърждаване на безопасността на обществената питейна вода.
    Също така се смята, че нивото на TOC влияе на вкуса на обществената питейна вода, така че може да се използва като индекс за оценка на вкуса на обществената питейна вода.

    Управление на обработката на водата

    Във водообработващите станции се използват различни процеси за премахване на микроорганизми и органични вещества от водата.
    Измерването на нивото на TOC на всеки етап от процеса може да се използва за потвърждаване, че всеки процес функционира правилно. (Освен TOC се измерват и стойностите на pH и мътност.) Освен потвърждаването на функциите на водообработката, измерването на TOC може също да помогне за оптимизиране на водообработката. Регулирането на количеството химикали, използвани въз основа на измерените стойности на TOC на всеки етап от процеса, може също да помогне за намаляване на разходите за водообработка.

    Управление на обработката на водата

    Към началото

    Често задавани въпроси

    Какво е TOC?
    TOC е сумарен параметър в химическия анализ. Общата концентрация на въглерод, произхождащ от органични съединения, е посочена в една аналитична стойност. "TOC" означава "общ органичен въглерод".

     

    Какво е сумарен параметър?
    В сумарен параметър различни съединения от група вещества или съединения със същите свойства се записват заедно като сума (една аналитична стойност).

     

    В кои вещества се измерва TOC?
    TOC се определя в течности, предимно във вода, но също и в различни твърди вещества, като почви или отпадъци. Той се счита за мярка за замърсяване от органични компоненти в съответната матрица.

     

    Как се определя TOC?
    В общи линии, органичните съединения се окисляват до въглероден диоксид, а полученият CO2 се открива с подходящ детектор. Две различни техники на окисление са се утвърдили: влажна химическа UV окисление и каталитична окисление при изгаряне. Освен различните техники на окисление, съществуват три различни метода за определяне на TOC: метод на разликата, метод на добавяне и пряк метод (наричан също метод NPOC).

     

    Как работи влажната химическа UV окисление?
    При влажната химическа UV окисление, пробата се облъчва с UV светлина в реактор в присъствието на персулфатни йони при повишена температура (например 80°C). Образуват се OH радикали, които превръщат органичните вещества в CO2.

     

    Как работи каталитичната окисление при изгаряне?
    При каталитичната окисление при изгаряне, пробата се изгаря в атмосфера, съдържаща кислород, при високи температури (например 680°C) на катализатор (например платинов катализатор) и се превръща в въглероден диоксид.

     

    Как се открива CO₂ в TOC анализа?

    Най-често използваният метод за откриване на CO2 в TOC анализаторите е техниката NDIR (недисперсионен инфрачервен детектор). NDIR детекторът се състои от три важни компонента:

    a.) Източникът на светлина, който излъчва IR светлина.

    b.) Измервателната клетка, през която преминава измервателният газ.

    c.) Измервателният сензор.

    NDIR детектор

     

    Защо съществуват различни методи за определяне на TOC?

    При определяне на органичния въглерод (TOC), съдържанието на неорганичен въглерод трябва или да бъде взето предвид (математически), или да бъде елиминирано преди определянето. Ако бъде елиминирано, например чрез подкиселяване на пробата и след това дегазиране (карбонатите и бикарбонатите се изхвърлят като CO2), трябва да се има предвид, че съществуват и лесно изпаряеми органични вещества, които могат да избягат по време на подготовката на пробата. Това води до следния модел на въглерод TOC:

    TC (общ въглерод) е сумата от органични (TOC) и неорганични (IC) въглеродни съединения (забележка: елементарният въглерод се записва като TOC в "органичната фракция" при определянето на TOC).

    TOC е сумата от неизпаряеми органични въглеродни съединения (NPOC) и изпаряеми органични въглеродни съединения (POC).

    Методи за определяне на TOC

     

    Какво означават съкращенията на параметрите в модела на въглерод TOC?

    TC (общ въглерод): Сумата от органично и неорганично свързан въглерод и елементарен въглерод.

    IC (неорганичен въглерод) или TIC (общ неорганичен въглерод): Общото количество въглерод от въглероден диоксид, въглероден моноксид, цианиди, цианати и тиоцианати. TOC анализаторите обикновено откриват само солите на въглеродната киселина (карбонати и бикарбонати) и разтворения CO2 за TIC.

    TOC (общ органичен въглерод): Общото количество органичен въглерод в разтворена или суспендирана матрица, както и елементарен въглерод, цианати и тиоцианати.

    NPOC (неизпаряем органичен въглерод): Неизпаряем органичен въглерод.

    POC (изпаряем органичен въглерод): Изпаряем органичен въглерод.

     

    Как работи методът на разликата за определяне на TOC?

    При метода на разликата двата различни параметъра TC и IC се определят поотделно. TOC се изчислява чрез формиране на разликата: TOC = TC - TIC.

    TC: Определянето на общото съдържание на въглерод се извършва чрез окисление (термично или химическо мокро) и последващо откриване на получения въглероден диоксид.

    TIC: Определянето на съдържанието на неорганичен въглерод се извършва чрез подкиселяване на пробата с минерална киселина при стайна температура и последващо откриване на изхвърления въглероден диоксид.

     

    Какви са ограниченията на метода на разликата за TOC?

    Делът на неорганичния въглерод (TIC) не трябва да бъде твърде висок в сравнение с TOC. Поради разпространението на грешките, изчислената стойност на TOC може да има твърде висока несигурност. EN 1484 препоръчва стойността на TOC да бъде по-голяма или равна на стойността на IC при използване на метода на разликата (TOC ≥ TIC).

    Пример:

    Съдържание на TC = 100 mg/l (RSD = 2%) ± 2 mg/l (98 – 102 mg/l)

    Съдържание на TIC = 98 mg/l (RSD = 2%) ± 1,96 mg/l (96,04 – 99,96 mg/l)

    TOC = 2 mg/l ± 3,96 mg/l (-1,96 – 5,96 mg/l)

    Поради разпространението на грешките, общата грешка в този пример е ± 3,96 mg/l. Според метода на разликата, грешката на общия резултат е по-голяма от изчисленото съдържание на TOC.

     

    Как работи методът на добавяне за определяне на TOC?

    При метода на добавяне двата параметъра POC и NPOC се определят поотделно - един след друг. TOC се изчислява чрез добавяне на двата резултата: TOC = POC + NPOC.

    За определяне на POC пробата се подкиселява и след това се продухва с носителен газ. В този етап се изхвърлят както CO2 от карбонати и бикарбонати, така и изпаряеми органични вещества (POC). Ловушка за CO2 (например, пълнена с LiOH) свързва CO2 от газовата смес (произхождаща от TIC), а летливите органични вещества преминават през ловушката и достигат до катализатора, където се окисляват до въглероден диоксид и след това се откриват (= POC). В следващия етап, аликуот на подкиселената и продуханата проба се инжектира върху катализатора. Полученият CO2 съответства на NPOC. Сумата от двете концентрационни стойности дава TOC.

     

    Как работи пряк метод или метод NPOC за определяне на TOC?
    При използване на пряк или метод NPOC се предполага, че в пробата няма или няма значителни количества летливи или изпаряеми органични съединения. TOC се определя директно като NPOC при това предположение. За да се направи това, пробата се подкиселява с минерална киселина и дегазира. Карбонатите и бикарбонатите се превръщат напълно във въглероден диоксид. След това въглеродният диоксид се изхвърля от разтвора на пробата с помощта на продувочен газ. Прякото измерване на NPOC (като TC) се извършва чрез окисление до CO2 и последващо откриване. TOC съответства на NPOC: TOC = NPOC.

     

    Каква роля играе температурата на изгаряне при определяне на TOC?
    При каталитичното окисление при изгаряне водата се изпарява, а някои съединения, като азотни и въглеродни компоненти, се превръщат в газообразни съединения, докато соли като хлориди или сулфати остават върху катализатора и се натрупват там. "Солването" на катализатора или тръбата за изгаряне е една от най-честите смущения в анализа на TOC. В зависимост от температурата на изгаряне, солите могат да се разтопят и да блокират активните места на катализатора или да повредят тръбата за изгаряне. Затова е препоръчително да се използват температури на изгаряне под точките на топене на обичайните соли (например 680°C) и да се комбинира окислението с високо ефективен катализатор (например платина).

     

    Каква е разликата между TOC и COD?

    COD показва количеството кислород, необходимо за окисляване на окисляеми вещества. При определяне на TOC се измерва общата концентрация на въглерод от органични съединения. В уравнението на реакцията "въглерод и кислород реагират, за да образуват въглероден диоксид", разликата между TOC и COD може лесно да се илюстрира:

    Определянето на COD също е значително по-дълго. Тройното определяне на TOC с използване на метода NPOC отнема около 10-15 минути, в зависимост от времето за дегазиране. Окислителното разграждане на COD отнема 120 минути според метода DIN без подготовка. Освен това има време за титриране или фотометрия.

     

    Към началото

    Movies

    Related applications