Войти
Общий органический углерод (TOC ) - это количество углерода содержится в органическом соединении и часто используется как неспецифический индикатор качества воды или чистоты фармацевтического производственного оборудования. ТОС может также относиться к количеству органического углерода в почве или в геологической формации, особенно в материнской породе для нефтяных залежей ; 2% - это примерный минимум. Для морских поверхностных отложений среднее содержание ТОС составляет 0,5% в глубинах океана и 2% вдоль восточных окраин.
Типичный анализ общего углерода (TC) измеряет как общий органический углерод (TOC) присутствует и дополняющий общий неорганический углерод (TIC), последний представляет собой количество неорганического углерода, такого как углерод в карбонатных минералах. Вычитание неорганического углерода из общего количества углерода дает TOC. Другой распространенный вариант анализа TOC включает сначала удаление части TIC, а затем измерение оставшегося углерода. Этот метод включает продувку подкисленной пробы воздухом без углерода или азотом перед измерением, поэтому его более точно назвать неочищаемым органическим углеродом (NPOC).
.
С начала 1970-х годов ТОС был аналитическим методом, используемым для измерения качества воды во время процесса очистки питьевой воды. ТОС в исходных водах происходит из разлагающихся природных органических веществ (NOM), а также синтетических источников. Гуминовая кислота, фульвокислота, амины и мочевина являются примерами NOM. Некоторые детергенты, пестициды, удобрения, гербициды, промышленные химикаты и хлорированные органические вещества являются примерами синтетических источников.. Перед обработкой исходной воды для дезинфекции TOC обеспечивает оценку количества NOM в источнике воды. На объектах очистки воды исходная вода подвергается реакции с хлоридом, содержащим дезинфицирующие средства. Когда сырая вода хлорируется, соединения активного хлора (Cl 2, HOCl, ClO) реагируют с NOM с образованием хлорированных побочных продуктов дезинфекции (DBP). Исследователи определили, что более высокие уровни NOM в исходной воде во время процесса дезинфекции увеличивают количество канцерогенов в обработанной питьевой воде.
С принятием в США безопасной питьевой воды Закон в 2001 году, анализ ТОС появился как быстрая и точная альтернатива классическим, но более длительным тестам биологической потребности в кислороде (БПК) и химической потребности в кислороде (ХПК), традиционно сохраняемых. для оценки загрязнения потенциала сточных вод. Сегодня природоохранные агентства регулируют пределы следов ПДД в питьевой воде. Недавно опубликованные аналитические методы, такие как метод 415.3 Агентства по охране окружающей среды США (EPA), поддерживают Правила Агентства по дезинфицирующим средствам и побочным продуктам дезинфекции, которые регулируют количество NOM для предотвращения образования DBP в готовой воде.
Содержание ТОС также является важным параметром для оценки качества органических сланцевых ресурсов, которые являются одним из наиболее важных нетрадиционных видов топлива. Было внедрено множество методов оценки, в том числе на основе журналов с проводом и методов in situ.
Попадание органических веществ в водные системы происходит не только от живых организмов и от разлагающихся веществ в исходной воде, а также от очистки и материалов системы распределения. Может существовать взаимосвязь между эндотоксинами, ростом микробов и развитием биопленок на стенках трубопроводов и ростом биопленок в фармацевтических системах распределения. Считается, что существует корреляция между концентрациями ТОС и уровнями эндотоксинов и микробов. Поддержание низких уровней ТОС помогает контролировать уровни эндотоксинов и микробов и тем самым развитие роста биопленок. Фармакопея США (USP), Европейская фармакопея (EP) и Японская фармакопея (JP) признают TOC в качестве обязательного теста для очищенной воды и воды для инъекций (WFI). По этой причине ТОС получил признание в качестве атрибута управления процессом в отрасли биотехнологии для мониторинга производительности единичных операций, включающих системы очистки и распределения. Поскольку многие из этих биотехнологических операций включают изготовление лекарств, США Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) вводит в действие многочисленные правила для защиты здоровья населения и обеспечения качества продукции. Чтобы убедиться в отсутствии перекрестного загрязнения между сериями продуктов с разными лекарствами, выполняются различные процедуры очистки. Уровни концентрации ТОС используются для отслеживания успешности этих процедур валидации очистки, особенно
Взаимосвязь категорий содержания углерода 
2011 Океанский твердый органический углерод, полученный из MODIS-aqua.Поскольку все анализаторы TOC фактически измеряют только общий углерод, анализ TOC всегда требует некоторого учета неорганического углерода, который всегда присутствует. Один метод анализа включает двухэтапный процесс, обычно называемый TC-IC. Он измеряет количество неорганического углерода (IC), выделившегося из подкисленной аликвоты образца, а также количество общего углерода (TC), присутствующего в образце. TOC рассчитывается путем вычитания значения IC из TC образца. В другом варианте используется подкисление образца для выделения диоксида углерода и измерение его как неорганического углерода (IC), затем окисление и измерение оставшегося неизвлекаемого органического углерода (NPOC). Это называется анализом TIC-NPOC. Более распространенный метод непосредственно измеряет TOC в образце путем повторного подкисления образца до значения pH, равного двум или менее, для выделения газа IC, но в данном случае в воздух, а не для измерения. Оставшийся непродуваемый газ CO 2 (NPOC), содержащийся в жидкой аликвоте, затем окисляется с выделением газов. Затем эти газы отправляются в детектор для измерения.
Независимо от того, проводится ли анализ TOC методами TC-IC или NPOC, его можно разбить на три основных этапа:
Первый этап - это подкисление пробы для удаления газов IC и POC. Выброс этих газов в детектор для измерения или в воздух зависит от того, какой тип анализа представляет интерес: первый для TC-IC, а второй для TOC (NPOC).
Добавление кислоты и инертного газа барботирование позволяет преобразовать все бикарбонатные и карбонатные ионы в диоксид углерода, и этот продукт IC удаляется вместе с любым POC, который присутствовал.
Вторая стадия - это окисление углерода в оставшейся пробе в виде диоксида углерода (CO 2) и других газов. Современные анализаторы TOC выполняют эту стадию окисления с помощью нескольких процессов:
Подготовленные образцы сжигают при 1200 ° C в кислороде - богатая атмосфера. Весь присутствующий углерод превращается в диоксид углерода, проходит через скрубберные трубы для удаления посторонних частиц, таких как газообразный хлор и водяной пар, а содержание диоксида углерода измеряется либо по абсорбции в прочное основание и затем взвесить, или с помощью инфракрасного детектора. В большинстве современных анализаторов для обнаружения углекислого газа используется не дисперсионное инфракрасное излучение (NDIR). По сравнению с обычным высокотемпературным каталитическим окислением, большим преимуществом метода сжигания является высокая окислительная способность, поэтому катализаторы, способствующие окислению, являются излишними.
Трубка сгорания HTCO набита с платиновым катализатором . Ручной или автоматический процесс инжекции образца на платиновый катализатор при 680 ° C в атмосфере, богатой кислородом. Концентрация образующегося диоксида углерода измеряется с помощью недисперсионного инфракрасного детектора (NDIR).
Окисление образца завершается после впрыска в печь, превращая окисляемый материал в образце в газообразную форму. Не содержащий углерода СО 2 транспортирует через ловушку влаги и галогенид скрубберы для удаления водяного пара и галогенидов из потока газа до того, как он достигнет детектора. Эти вещества могут мешать обнаружению газа CO 2. Метод HTCO может быть полезен в тех применениях, где присутствуют трудноокисляемые соединения или органические вещества с высокой молекулярной массой, поскольку он обеспечивает почти полное окисление органических веществ, включая твердые частицы и частицы, достаточно мелкие, чтобы их можно было ввести в печь. Основным недостатком анализа HTCO является его нестабильная базовая линия, возникающая из-за постепенного накопления нелетучих остатков в камере сгорания. Эти остатки непрерывно изменяют фоновые уровни TOC, что требует постоянной коррекции фона. Поскольку водные пробы вводятся непосредственно в очень горячую, обычно кварцевую, печь, можно обрабатывать только небольшие аликвоты (менее 2 миллилитров и обычно менее 400 микролитров) пробы. методы менее чувствительны, чем методы химического окисления, способные переваривать в 10 раз больше пробы. Кроме того, образцы, содержащиеся в соли, не сгорают, и поэтому постепенно накапливаются остатки внутри трубы сгорания, в конечном итоге забивая катализатор, что приводит к плохой форме пиков и ухудшению точности или точности, если не соблюдены соответствующие процедуры обслуживания следят. Катализатор следует регенерировать или заменять по мере необходимости. Чтобы избежать этой проблемы, обрабатывающая промышленность разработала несколько концепций, таких как разделение матриц, керамические реакторы, лучший контроль процесса или методы без катализаторов.
В этом окислении На схеме только ультрафиолетовый свет окисляет углерод в образце с образованием CO 2. Метод УФ-окисления представляет собой наиболее надежный и не требующий больших затрат метод анализа ТОС в сверхчистой воде.
Как и метод фотоокисления, ультрафиолетовый свет является окислителем, но окислительная способность реакции увеличивается за счет добавления химического окислителя, который обычно является персульфат соединение. Механизмы реакций следующие:
Образовавшиеся свободнорадикальные окислители:
Возбуждение органических веществ:
Окисление органических веществ:
Метод УФ-химического окисления предлагает относительно низкие эксплуатационные расходы и высокие значения s Метод чувствительности для широкого спектра приложений. Однако у этого метода есть ограничения по окислению. Ограничения включают неточности, связанные с добавлением каких-либо посторонних веществ в аналит и образцы с большим количеством твердых частиц. Выполнение анализа «пустой системы», который заключается в анализе с последующим вычитанием количества углерода, внесенного химической добавкой, позволяет снизить неточности. Однако анализ уровней ниже 200 ppb TOC по-прежнему затруднен.
Также известный как нагретый персульфат, в этом способе используется то же образование свободных радикалов, что и при УФ-окислении персульфата, за исключением того, что для увеличения окислительной способности персульфата используется тепло. Химическое окисление углерода с помощью сильного окислителя, такого как персульфат, очень эффективно и, в отличие от УФ-излучения, не подвержено более низкому извлечению, вызванному мутностью в образцах. Анализ системных заготовок, необходимый во всех химических процедурах, особенно необходим для методов ТОС с нагретым персульфатом, потому что метод настолько чувствителен, что реагенты не могут быть приготовлены с достаточно низким содержанием углерода, чтобы их нельзя было обнаружить. Персульфатные методы используются при анализе сточных вод, питьевой воды и фармацевтических вод. При использовании в сочетании с чувствительными детекторами NDIR приборы для определения ТОС на основе персульфата с подогревом легко измеряют ТОС от единиц на миллиард (ppb) до сотен частей на миллион (ppm) в зависимости от объемов пробы.
Точное обнаружение и количественная оценка являются наиболее важными компонентами процесса анализа ТОС. Электропроводность и недисперсионное инфракрасное излучение (NDIR) - два распространенных метода обнаружения, используемых в современных анализаторах ТОС.
Существует два типа детекторов электропроводности: прямые и мембранные. Прямая проводимость обеспечивает всеобъемлющий подход к измерению CO 2. В этом методе обнаружения не используется газ-носитель, он хорош для диапазонов частей на миллиард (ppb), но имеет очень ограниченный аналитический диапазон. Электропроводность мембраны зависит от фильтрации CO 2 перед его измерением с помощью кондуктометрической ячейки. Оба метода анализируют проводимость образца до и после окисления, связывая это дифференциальное измерение с ТОС образца. Во время фазы окисления образца образуются CO 2 (непосредственно связанный с TOC в образце) и другие газы. Растворенный CO 2 образует слабую кислоту, тем самым изменяя проводимость исходного образца пропорционально TOC в образце. Анализ проводимости предполагает, что в растворе присутствует только CO 2. Пока это верно, расчет ТОС с помощью этого дифференциального измерения действителен. Однако, в зависимости от химических веществ, присутствующих в образце, и их отдельных продуктов окисления, они могут оказывать либо положительное, либо отрицательное влияние на фактическое значение TOC, что приводит к аналитической ошибке. Некоторые из мешающих химических веществ включают Cl, HCO 3, SO 3, SO 2, ClO 2 и H. Небольшие изменения колебания pH и температуры также вносят свой вклад в погрешность. Анализаторы мембранной проводимости усовершенствованы по сравнению с методом прямой проводимости за счет включения использования гидрофобных газопроницаемых мембран, позволяющих более «селективно» проходить растворенный газ CO 2 и ничего больше. Это обеспечивает более точное и точное измерение органических веществ, которые были преобразованы в CO 2.
Метод недисперсионного инфракрасного анализа (NDIR) предлагает единственный практический метод без помех. для обнаружения CO 2 в анализе ТОС. Основное преимущество использования NDIR заключается в том, что он непосредственно и конкретно измеряет CO 2, образованный в результате окисления органического углерода в реакторе окисления , а не полагается на измерение вторичного, скорректированный эффект, например, используемый при измерениях проводимости.
График пропускания атмосферы в части ИК-диапазона, показывающий длины волн поглощения CO 2 Традиционный детектор NDIR основан на технологии проточной ячейки, когда продукт окисления течет в детектор и выходит из него. непрерывно. Область поглощения инфракрасного света, характерная для CO 2, обычно около 4,26 мкм (2350 см), измеряется с течением времени по мере прохождения газа через детектор. Также выполняется второе эталонное измерение, которое не является специфическим для CO 2, и результат разности коррелирует с концентрацией CO 2 в детекторе в этот момент. По мере того как газ продолжает поступать в детекторную ячейку и из нее, сумма измерений дает пик, который интегрирован и коррелирует с общей концентрацией CO 2 в аликвоте пробы.
Новым достижением технологии NDIR является статическая концентрация под давлением (SPC). Выпускной клапан NDIR закрывается, чтобы в детекторе находилось давление. Когда газы в детекторе достигли равновесия, анализируется концентрация CO 2. Это повышение давления в потоке анализируемого газа в NDIR, запатентованном методе, позволяет повысить чувствительность и точность за счет измерения всех продуктов окисления образца за одно считывание по сравнению с технологией проточной ячейки. Выходной сигнал пропорционален концентрации CO 2 в газе-носителе в результате окисления аликвоты пробы. УФ / персульфатное окисление в сочетании с NDIR-детектированием обеспечивает хорошее окисление органических веществ, низкие затраты на обслуживание прибора, хорошую точность на уровне частей на миллиард, относительно быстрое время анализа образца и легко подходит для различных приложений, включая очищенную воду (PW), воду для инъекций (WFI), CIP, анализы питьевой воды и сверхчистой воды.
Практически все анализаторы ТОС измеряют СО 2, образующийся при окислении органического углерода и / или при подкислении неорганического углерода. Окисление осуществляется либо посредством Pt-катализируемого сжигания, нагретым персульфатом, либо с помощью реактора UV /персульфата. После образования CO 2 он измеряется детектором: либо датчиком проводимости (если CO 2 водный), либо недисперсионным инфракрасным датчиком (после продувки водного CO 2 в газовую фазу). Обнаружение проводимости желательно только в нижних диапазонах ТОС в деионизированной воде, тогда как обнаружение NDIR лучше во всех диапазонах ТОС. Вариант, описанный как Мембранное кондуктометрическое обнаружение, может позволить измерение ТОС в широком аналитическом диапазоне как в образцах деионизированной, так и в недеионизированной воде. Современные высокопроизводительные приборы TOC способны определять концентрации углерода значительно ниже 1 мкг / л (1 часть на миллиард или частей на миллиард).
Анализатор общего органического углерода определяет количество углерода в пробе воды. Подкисляя образец и промывая его азотом или гелием, образец удаляет неорганический углерод, оставляя для измерений только источники органического углерода. Есть два типа анализаторов. Один использует горение, а другой - химическое окисление. Это используется в качестве теста на чистоту воды, так как присутствие бактерий вносит органический углерод.
Некоммерческая исследовательская и испытательная организация, Ассоциация инструментальных испытаний (ITA), может предоставить результаты полевых испытаний онлайн-анализаторов ТОС в промышленных сточных водах. Управление по утилизации отходов побережья Мексиканского залива (GCWDA), Завод по очистке промышленных сточных вод Бейпорта в Пасадене, штат Техас, спонсировало и провело это испытание в 2011 году. Объект GCWDA в Бэйпорте обрабатывает приблизительно 30 мг в день промышленных отходов, полученных от примерно 65 клиентов (в основном нефтехимических). Полевые испытания включали в себя работу онлайн-анализаторов ТОС на притоке объекта в Бейпорте, в которых концентрации ТОС могут варьироваться от 490 до 1020 мг / л, в среднем 870 мг / л. GCWDA проводит около 102 анализов TOC в своей лаборатории в день на своем очистном сооружении в Бейпорте и использует измерения TOC для управления технологическим процессом и выставления счетов. GCWDA планирует использовать онлайн-анализаторы TOC для управления процессами, обнаружения входящей нагрузки от промышленных проб и потенциально использовать онлайн-анализаторы TOC для обнаружения и мониторинга летучих компонентов входящего потока. Полевые испытания проводились в течение 90 дней с использованием лабораторных измерений соответствия один раз в день для сравнения с выходными данными анализатора, чтобы продемонстрировать общую точность прибора при воздействии множества одновременно изменяющихся параметров, как это было в условиях мониторинга в реальном времени. Результаты полевых испытаний могут предоставить информацию о требованиях к конструкции, эксплуатации и техническому обслуживанию прибора, которые влияют на характеристики приборов в полевых условиях. Отчет о полевых испытаниях включает в себя оценки онлайн-анализаторов TOC, использующих следующие технологии: высокотемпературное горение (HTC), высокотемпературное каталитическое окисление / окисление при горении (HTCO), сверхкритическое окисление воды (SCWO) и двухступенчатое расширенное окисление (TSAO).
В анализаторе горения половина пробы вводится в камеру, где она подкисляется, обычно фосфорной кислотой, чтобы превратить весь неорганический углерод в диоксид углерода в соответствии с следующая реакция:
Затем это отправляется на детектор для измерения. Другая половина образца вводится в камеру сгорания, температура которой повышается до 600–700 ° C, а в некоторых даже до 1200 ° C. Здесь весь углерод вступает в реакцию с кислородом, образуя углекислый газ. Затем он сбрасывается в охлаждающую камеру и, наконец, в детектор. Обычно в качестве детектора используют недисперсионный инфракрасный спектрофотометр. Путем нахождения общего неорганического углерода и вычитания его из общего содержания углерода определяется количество органического углерода.
Анализаторы химического окисления вводят образец в камеру с фосфорной кислотой, а затем персульфатом. Анализ разделен на два этапа. Неорганический углерод удаляют путем подкисления и продувки. После удаления неорганического углерода добавляют персульфат, и образец либо нагревают, либо облучают УФ-светом от ртутной лампы. Свободные радикалы образуют персульфат и реагируют с любым доступным углеродом с образованием диоксида углерода. Углерод от обоих определений (этапов) либо пропускают через мембраны, которые измеряют изменения проводимости, возникающие в результате присутствия различных количеств диоксида углерода, либо продувают и обнаруживают чувствительным детектором NDIR. Как и в анализаторе горения, общее количество образовавшегося углерода за вычетом неорганического углерода дает хорошую оценку общего органического углерода в образце. Этот метод часто используется в онлайн-приложениях из-за низких требований к обслуживанию.
ТОС - это первый химический анализ, который будет проведен на потенциальной нефти материнской породы в разведке нефти. Это очень важно для обнаружения загрязняющих веществ в питьевой воде, охлаждающей воде, воде, используемой в производстве полупроводников, и воде для фармацевтического использования. Анализ может быть выполнен либо как непрерывное онлайн-измерение, либо как лабораторное измерение.
Обнаружение ТОС является важным измерением, поскольку оно может оказывать влияние на окружающую среду, здоровье человека и производственные процессы. TOC - это высокочувствительное неспецифическое измерение всех органических веществ, присутствующих в образце. Следовательно, его можно использовать для регулирования выбросов органических химикатов в окружающую среду на производственном предприятии. Кроме того, низкий уровень ТОС может подтвердить отсутствие потенциально вредных органических химикатов в воде, используемой для производства фармацевтических продуктов. ТОС также представляет интерес в области очистки питьевой воды из-за побочных продуктов дезинфекции. Неорганический углерод практически не представляет угрозы.
