Osnove ukupnog organskog ugljika (TOC)

Add Bookmark

    Osnove ukupnog organskog ugljika (TOC)

    Što je "TOC"?

    Ukupni organski ugljik (TOC) označava ukupnu količinu ugljika iz organskog materijala prisutnog u uzorku. Prednosti TOC analize su brzo vrijeme analize od nekoliko minuta, točno i matriksno neovisno kvantificiranje i vrlo niska potrošnja kemikalija. Budući da je ovo zbrojni parametar, metoda nije prikladna za identifikaciju pojedinačnih organskih komponenti. TOC se uglavnom određuje u tekućinama gdje služi kao reprezentativni indeks za kvalitetu vode, ali se može mjeriti i u krutinama.

    Zbog velikog broja poznatih organskih spojeva, biokemijska potrošnja kisika (BPK), kemijska potrošnja kisika (KPK) i testovi potrošnje permanganata korišteni su u prošlosti kao indeksi za kolektivno mjerenje svih organskih tvari, bez obzira na njihovu prirodu.

     

     

    Na vrh

    Kako se mjeri TOC?

    Vrste ugljika i metode određivanja

    Carbon Species

    Ukupna količina svih prisutnih ugljika u uzorku naziva se "ukupni ugljik" (TC). Može se dalje razlikovati u dvije glavne skupine, ukupni organski ugljik (TOC) i anorganski ugljik (IC). Ukupni organski ugljik može se dalje klasificirati kao neisparljivi organski ugljik (NPOC) ili isparljivi organski ugljik (POC).

    S obzirom na topljivost organskih tvari u vodi, može se napraviti razlika između otopljenog organskog ugljika (DOC), koji su tvari koje prolaze kroz filter s veličinom pora od 0,45 µm, i čestičnog organskog ugljika.

    Koriste se dvije glavne metode određivanja TOC-a:

    Metoda razlike: TOC se određuje oduzimanjem rezultata za TC i IC (TOC = TC - IC).
    Izravna metoda: TOC se određuje mjerenjem NPOC-a, drugim riječima TC nakon uklanjanja IC-a (TOC = NPOC).

    TOC determination methods

    Mjerenje IC-a

    Za mjerenje TOC-a, IC se odnosi na ukupnu količinu sadržanog anorganskog ugljika (gdje CO₂ označava otopljeni ugljični dioksid, HCO₃‾ bikarbonatni ioni i CO₃²‾ karbonatni ioni). Količina otopljenog ugljičnog dioksida, bikarbonatnih iona i karbonatnih iona u vodi održava se u ravnoteži koja ovisi o pH razini vode, prema dolje navedenom izrazu.

    Measuring IC

    Sa smanjenjem pH, ravnoteža se pomiče na lijevu stranu gornjeg dijagrama. Na pH od 3 ili niže, gotovo sav IC postaje otopljeni ugljični dioksid, koji je lako ukloniti iz vode.
    Na temelju tog principa, IC se mjeri zakiseljavanjem uzorka na pH < 3, a zatim mjerenjem CO₂ izvađenog iz uzorka strippanjem zrakom bez CO₂.

    Korištenje izravnih i metoda razlike

    Obje metode, metoda razlike (TC - IC) i izravna metoda (TOC = NPOC), koriste se za mjerenje TOC-a. Međutim, optimalna metoda mora biti odabrana na temelju karakteristika uzorka.
    Metoda razlike zahtijeva dvije odvojene analize i stoga je podložna većoj pogrešci mjerenja od izravne metode zbog propagacije pogreške. Kao smjernica, sadržaj TOC-a u uzorku također mora biti veći od sadržaja IC-a, inače nesigurnost mjerenja postaje neprihvatljiva za svrhu analize.
    Za uzorke sklone pjenjenju ili koji imaju značajan sadržaj hlapljivih tvari, na primjer, koristi se metoda TC - IC jer metoda NPOC može rezultirati gubitkom isparljivog organskog ugljika (POC) iz uzoraka tijekom koraka strippanja, ili općenito zbog pjenastih sastojaka.

    Na vrh

    Metode oksidacije TOC-a

    TOC analizatori su, općenito govoreći, analizatori plina CO₂ s uzvodnom fazom oksidacije i sustavom za pripremu uzoraka. Bez obzira na to koja se metoda određivanja TOC-a koristi, TOC (također TC) se mjeri oksidacijom organskog ugljika i naknadnom kvantifikacijom nastalog CO₂ pomoću infracrvenog detektora. Postoje različite metode oksidacije za pretvorbu u CO₂, od kojih su dvije postale uobičajene; oksidacija izgaranjem i mokra oksidacija.

    Metoda oksidacije izgaranjem

    Uzorak se ubrizgava u peć za izgaranje na visokoj temperaturi (650 do 1.200 °C) kako bi se spalio sav organski ugljik u uzorku i izmjerio kao potpuno oksidirani ugljični dioksid. Zbog jednostavnosti korištenja topline/izgaranja kao principa za oksidaciju, metoda ne zahtijeva reagense za procese predtretmana ili posttretmana. Jedna od glavnih značajki ove metode je njezina sposobnost učinkovitog oksidiranja organskih tvari koje su inače otporne na razgradnju, poput čestica ili makromolekularnih organskih tvari. U prošlosti su bile potrebne visoke temperature (1000 °C i više) jer su prvi TOC instrumenti koristili visinu vrha za integraciju. Pretvorba u CO₂ morala je biti izuzetno brza kako bi se signal zabilježio što oštrije i postigla najbolja moguća razlučivost.
    Vrlo visoke temperature izgaranja dovode do stvaranja taljevine soli u analizatoru, što zauzvrat uzrokuje povećano održavanje zbog deaktivacije katalizatora, korozije cijevi za izgaranje i stanice detektora. Smetnje soli na stanici detektora od proizvoda taline soli mogu utjecati na kvalitetu i točnost podataka. Osim toga, vrijeme održavanja se produžuje zbog duljeg vremena hlađenja i ponovnog zagrijavanja potrebnog zbog više temperature izgaranja.
    Shimadzu je razvio katalitičku oksidaciju na visokoj temperaturi (HTCO) na 680 °C. Dok katalizator od platine osigurava potpunu pretvorbu svih ugljičnih komponenti, temperatura izgaranja je ispod točaka taljenja uobičajenih soli. Tako se problemi uzrokovani solima minimiziraju, dok se postižu izvrsne stope oporavka za sve organske komponente. Oksidacija izgaranjem TOC-a može se lako proširiti kako bi se uključilo određivanje dodatnog zbrojnog parametra za dušik, ukupni vezani dušik (TNb).

    Combustion oxidation method

    Metoda mokre oksidacije

    Ovom metodom se uzorcima dodaje oksidacijsko sredstvo kako bi se kemijski razgradio ugljik u organskoj tvari za mjerenje kao ugljični dioksid. Iako se toplina (do 100 °C) ili ultraljubičasto zračenje mogu primijeniti za poticanje oksidacijske reakcije, sposobnost kemijske reakcije da oksidativno razgradi tvar je slabija od one kod oksidacije izgaranjem, što obično rezultira nižim stopama oporavka ugljika iz suspendiranih ili drugih čestičnih organskih tvari, ili postojanih tvari. Međutim, omogućuje ubrizgavanje usporedivo većih količina uzoraka kako bi se postigle niže granice detekcije.

    Zbog svoje superiorne oksidacijske reakcije, metoda oksidacije izgaranjem obično se koristi za mjerenje razina TOC-a u okolišnoj vodi, otpadnim vodama iz tvornica i sličnim uzorcima, gdje uzorci vode često sadrže velike količine netopljivog organskog ugljika.

    Na vrh

    TOC u pitkoj vodi

    Potvrđivanje sigurnosti javne pitke vode

    Javna pitka voda se opskrbljuje pomoću obrade vode temeljem kvalitete vode određenog rijeke, jezera, podzemne vode ili drugog izvora vode. Međutim, kvaliteta javne pitke vode može varirati zbog promjena u kvaliteti vode ili stopi korištenja rijeke ili jezera.
    Stoga je važno redovito provjeravati sigurnost obrađene vode.

    Reakcije između organskih tvari i dezinficijensa koji se koriste za obradu vode navodno stvaraju tvari koje su štetne za ljude. Stoga, mjerenje TOC-a u javnoj pitkoj vodi pruža važan indeks za potvrđivanje sigurnosti javne pitke vode.
    Također se kaže da razina TOC-a utječe na okus javne pitke vode, pa se može koristiti kao indeks za ocjenu okusa javne pitke vode.

    Upravljanje obradom vode

    U postrojenjima za obradu vode koriste se različiti procesi za uklanjanje mikroorganizama i organskih tvari iz vode.
    Mjerenje razine TOC-a u svakom koraku procesa može se koristiti za potvrđivanje da svaki proces ispravno funkcionira. (Vrijednosti pH i zamućenosti također se mjere uz TOC.) Osim potvrđivanja funkcija obrade vode, mjerenje TOC-a također može pomoći u optimizaciji obrade vode. Prilagođavanje količine kemikalija korištenih na temelju vrijednosti TOC-a izmjerenih u svakom koraku procesa također može pomoći u smanjenju troškova obrade vode.

    Water Treatment Management

    Na vrh

    Često postavljana pitanja

    Što je TOC?
    TOC je zbrojni parametar u kemijskoj analizi. Ukupna koncentracija ugljika koja potječe iz organskih spojeva naznačena je u jednoj analitičkoj vrijednosti. "TOC" znači "total organic carbon" (ukupni organski ugljik).

     

    Što je zbrojni parametar?
    U zbrojnom parametru, različiti spojevi grupe tvari ili spojevi s istim svojstvima bilježe se zajedno kao zbroj (jedna analitička vrijednost).

     

    U kojim se tvarima mjeri TOC?
    TOC se određuje u tekućinama, prvenstveno u vodi, ali i u raznim krutinama, poput tla ili otpada. Smatra se mjerom kontaminacije organskim komponentama u odgovarajućoj matrici.

     

    Kako se određuje TOC?
    Općenito, organski spojevi se oksidiraju u ugljični dioksid, a nastali CO2 se detektira odgovarajućim detektorom. Dvije različite tehnike oksidacije su se ustalile: UV oksidacija mokrom kemijom i katalitička oksidacija izgaranjem. Osim različitih tehnika oksidacije, postoje tri različite metode određivanja TOC-a: metoda razlike, metoda adicije i izravna metoda (također nazvana NPOC metoda).

     

    Kako funkcionira UV oksidacija mokrom kemijom?
    Kod UV oksidacije mokrom kemijom, uzorak se ozračuje UV svjetlom u reaktoru u prisutnosti persulfatnih iona na povišenoj temperaturi (npr. 80°C). Stvaraju se OH radikali koji pretvaraju organske tvari u CO2.

     

    Kako funkcionira katalitička oksidacija izgaranjem?
    Kod katalitičke oksidacije izgaranjem, uzorak se spaljuje u atmosferi koja sadrži kisik na visokim temperaturama (npr. 680°C) na katalizatoru (npr. platinasti katalizator) i pretvara u ugljični dioksid.

     

    Kako se CO₂ detektira u TOC analizi?

    Najčešće korištena metoda detekcije za otkrivanje CO2 u TOC analizatorima je NDIR tehnika (nedisperzivni infracrveni detektor). NDIR detektor se sastoji od tri važna dijela:

    a.) Izvor svjetlosti koji emitira IR svjetlo.

    b.) Mjerna ćelija kroz koju protječe mjerni plin.

    c.) Mjerni senzor.

    NDIR detector

     

    Zašto postoje različite metode određivanja TOC-a?

    Prilikom određivanja organskog ugljika (TOC), sadržaj anorganskog ugljika mora se ili uzeti u obzir (matematički) ili eliminirati prije određivanja. Ako se eliminira, npr. zakiseljavanjem uzorka i zatim degaziranjem (karbonati i bikarbonati se izbacuju kao CO2), treba uzeti u obzir da postoje i lako isparljive organske tvari koje mogu pobjeći tijekom pripreme uzorka. To dovodi do sljedećeg modela ugljika TOC:

    TC (ukupni ugljik) je zbroj organskih (TOC) i anorganskih (IC) spojeva ugljika (napomena: elementarni ugljik se bilježi kao TOC u "organskoj frakciji" u određivanju TOC-a).

    TOC je zbroj neisparljivih organskih spojeva ugljika (NPOC) i isparljivih organskih spojeva ugljika (POC).

    TOC determination methods

     

    Što znače skraćenice parametara u modelu ugljika TOC?

    TC (ukupni ugljik): Zbroj organski i anorganski vezanog ugljika i elementarnog ugljika.

    IC (anorganski ugljik) ili TIC (ukupni anorganski ugljik): Ukupna količina ugljika iz ugljičnog dioksida, ugljičnog monoksida, cijanida, cijanata i tiocijanata. TOC analizatori obično detektiraju samo soli ugljične kiseline (karbonati i bikarbonati) i otopljeni CO2 za TIC.

    TOC (ukupni organski ugljik): Ukupna količina organskog ugljika u otopljenoj ili suspendiranoj matrici, kao i elementarni ugljik, cijanati i tiocijanati.

    NPOC (neisparljivi organski ugljik): Neisparljivi organski ugljik.

    POC (isparljivi organski ugljik): Isparljivi organski ugljik.

     

    Kako funkcionira metoda razlike za određivanje TOC-a?

    U metodi razlike, dva različita parametra TC i IC određuju se zasebno. TOC se izračunava formiranjem razlike: TOC = TC - TIC.

    TC: Određivanje ukupnog sadržaja ugljika vrši se oksidacijom (termičkom ili kemijskom mokrom) i naknadnom detekcijom nastalog ugljičnog dioksida.

    TIC: Određivanje sadržaja anorganskog ugljika vrši se zakiseljavanjem uzorka mineralnom kiselinom na sobnoj temperaturi i naknadnom detekcijom izbačenog ugljičnog dioksida.

     

    Koja su ograničenja metode razlike za TOC?

    Udio anorganskog ugljika (TIC) ne bi trebao biti previsok u usporedbi s TOC-om. Zbog propagacije pogrešaka, izračunata vrijednost TOC-a može imati previsoku nesigurnost. EN 1484 preporučuje da vrijednost TOC-a bude veća ili jednaka vrijednosti IC-a pri korištenju metode razlike (TOC ≥ TIC).

    Primjer:

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

    Sadržaj 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)

    Zbog propagacije pogrešaka, ukupna pogreška u ovom primjeru iznosi ± 3,96 mg/l. Prema metodi razlike, pogreška ukupnog rezultata veća je od izračunatog sadržaja TOC-a.

     

    Kako funkcionira metoda adicije za određivanje TOC-a?

    U metodi adicije, dva parametra POC i NPOC određuju se zasebno - jedan za drugim. TOC se izračunava zbrajanjem oba rezultata: TOC = POC + NPOC.

    Za određivanje POC-a, uzorak se zakiseli i zatim pročišćava nosivim plinom. U ovom koraku, i CO2 iz karbonata i bikarbonata i isparljive organske tvari (POC) se izbacuju. Zamka za CO2 (npr. napunjena LiOH) veže CO2 iz plinske smjese (koja potječe iz TIC), a hlapljive organske tvari prolaze kroz zamku i dospijevaju do katalizatora, gdje se oksidiraju u ugljični dioksid i zatim detektiraju (= POC). U sljedećem koraku, alikvot zakiseljenog i pročišćenog uzorka ubrizgava se na katalizator. Nastali CO2 odgovara NPOC-u. Zbroj obje koncentracijske vrijednosti daje TOC.

     

    Kako funkcionira izravna metoda ili NPOC metoda za određivanje TOC-a?
    Pri korištenju izravne ili NPOC metode pretpostavlja se da u uzorku nema ili nema značajnih količina hlapljivih ili isparljivih organskih spojeva. TOC se izravno određuje kao NPOC pod ovom pretpostavkom. Da bi se to postiglo, uzorak se zakiseli mineralnom kiselinom i degazira. Karbonati i bikarbonati potpuno se pretvaraju u ugljični dioksid. Zatim se ugljični dioksid izbacuje iz otopine uzorka pomoću plina za pročišćavanje. Izravno mjerenje NPOC-a (poput TC-a) vrši se oksidacijom u CO2 i naknadnom detekcijom. TOC odgovara NPOC-u: TOC = NPOC.

     

    Koju ulogu ima temperatura izgaranja u određivanju TOC-a?
    Tijekom katalitičke oksidacije izgaranjem, voda isparava, a neki spojevi, poput dušikovih i ugljikovih komponenti, pretvaraju se u plinovite spojeve, dok soli poput klorida ili sulfata ostaju na katalizatoru i tamo se nakupljaju. "Soljenje" katalizatora ili cijevi za izgaranje jedna je od najčešćih smetnji u TOC analizi. Ovisno o temperaturi izgaranja, soli se mogu otopiti i blokirati aktivna mjesta katalizatora ili oštetiti cijev za izgaranje. Stoga je preporučljivo koristiti temperature izgaranja ispod točaka taljenja uobičajenih soli (npr. 680°C) i kombinirati oksidaciju s visoko učinkovitim katalizatorom (npr. platina).

     

    Koja je razlika između TOC-a i COD-a?

    COD označava količinu kisika potrebnu za oksidaciju oksidabilnih tvari. U određivanju TOC-a mjeri se ukupna koncentracija ugljika iz organskih spojeva. U reakcijskoj jednadžbi "ugljik i kisik reagiraju u ugljični dioksid", razlika između TOC-a i COD-a može se lako ilustrirati:

    Određivanje COD-a također je značajno dugotrajnije. Trostruko određivanje TOC-a korištenjem NPOC metode traje oko 10-15 minuta, ovisno o vremenu degaziranja. Oksidativna digestija COD-a traje 120 minuta prema DIN metodi bez pripreme. Osim toga, postoji vrijeme za titraciju ili fotometriju.

     

    Na vrh

    Movies

    Related applications