Общий органический углерод

2011 ОКРЕЗОВЫЙ ОКРЕЗОВЫЙ Углерод, полученный из MODIS-AQUA

Общий органический углерод ( TOC ) является аналитическим параметром, представляющим концентрацию органического углерода в образце. Определения TOC выполняются в различных областях применения. Например, TOC может использоваться в качестве неспецифического индикатора качества воды , или TOC исходной породы может использоваться в качестве одного фактора в оценке нефтяной игры . Для морских поверхностных отложений среднее содержание TOC составляет 0,5% в глубоком океане и 2% вдоль восточной края.

Типичный анализ общего углерода (TC) измеряет как общий органический углерод (TOC), так и дополнительный общий неорганический углерод (TIC), последний представляет количество неорганического углерода, такого как углерод в карбонатных минералах. Вычитание неорганического углерода из общего углерода. Другой общий вариант анализа TOC включает в себя сначала удаление части TIC, а затем измерение оставшегося углерода. Этот метод включает в себя очистку подкисленного образца с углеродичным воздухом или азотом до измерения, и, следовательно, более точно называется неработающим органическим углеродом (NPOC).

Измерение

Взаимосвязь категорий углерода-контента

Поскольку все анализаторы TOC только на самом деле измеряют общий углерод, анализ TOC всегда требует некоторого учета неорганического углерода, который всегда присутствует. Один метод анализа включает двухэтапный процесс, обычно называемый методом дифференциального метода TOC. Он измеряет количество неорганического углерода (IC), развивающегося из подкисленной аликвоты образца, а также количества общего углерода (TC), присутствующего в образце. TOC рассчитывается путем вычитания значения IC из TC образца. Другой метод непосредственно измеряет TOC в образце путем подкисления образца до значения pH двух или менее для высвобождения газа CO ₂ путем разложения карбонатов и вывести эти газы в воздух на стадию чистки. Оставшийся непонтутный органический углерод (NPOC), содержащийся в жидкой аликвоте, затем окисляется, высвобождая газы CO ₂ . Эти газы затем отправляются в детектор для измерения. Этот метод также называется прямым методом TOC. В дальнейшем варианте используется подкисление образца для развития углекислого газа и измерения его как неорганического углерода (IC), затем Окислительное и измерение оставшегося непонтутного органического углерода (NPOC). Это называется анализом TIC-NPOC. ТС окисляется в камере сгорания при 1000 градусов по Цельсию; Если не используется поддерживающий катализатор, чтобы обеспечить полное сжигание при температуре ниже 1000 градусов C; в то время как камера сгорания для IC нагревается только до 150 градусов по Цельсию. Причина этого заключается в том, что неорганический разлагается при более низких температурах, чем органические углероды.

Является ли анализ TOC методами TC-IC или NPOC, он может быть разбит на три основных этапа:

1. Подкисление
2. Окисление
3. Обнаружение и количественная оценка

Подкисление

кислотного и инертного газа Добавление позволяет преобразовать все бикарбонатные и карбонатные ионы в диоксид углерода, и этот продукт IC выпускался вместе с любым прославленным органическим углеродом (POC), который присутствовал.

Окисление

Второй этап - это окисление углерода в оставшемся образце в форме углекислого газа (CO ₂ ) и других газов. Современные анализаторы TOC выполняют этот шаг окисления на нескольких процессах:

• Высокая температурная сжигание
• Высокое температурное каталитическое окисление (HTCO)
• Фото-окисление только
• Термохимическое окисление
• Фотохимическое окисление
• Электролитическое окисление

Высокая температурная сжигание

Приготовленные образцы сжигаются от 1000 до 1200 градусов C в атмосфере, экологичной, рост. Все присутствующие углероды превращаются в диоксид углерода, протекают через скрубберные трубки , чтобы удалить помехи, такие как хлорный газ, и водяной пары , а диоксид углерода измеряется либо путем абсорбции в сильное основание, либо взвешивается, либо с использованием инфракрасного детектора . Большинство современных анализаторов используют не дисперсионную инфракрасную (NDIR) для обнаружения углекислого газа. По сравнению с обычным высокотемпературным каталитическим окислением, большая польза от метода сжигания является высокая мощность окисления, так что катализаторы, способствующие окислению, являются излишними.

Высокая температурная каталитическая окисление

Трубка сжигания HTCO, наполненная платиновым катализатором

Ручной или автоматизированный процесс вводит образец в катализатор в трубке сгорания, работающую от 680 до 950 градусов C в атмосфере богатой кислородом. Концентрация генерируемого углекислого газа измеряется с помощью недисперсионного инфракрасного (NDIR) детектора.

Окисление образца завершено после инъекции в печь, превращая окисляемый материал в образце в газообразную форму . Безуглебогорный газ переносит CO ₂ , через ловушку влаги и галогеничные скрубберы для удаления водяного пара и галогенидов из газового потока, прежде чем он достигнет детектора. Эти вещества могут мешать обнаружению газа CO ₂ . Метод HTCO может быть полезен в тех приложениях, где есть трудно окислять соединения, или высокомолекулярные органики , присутствуют, поскольку он обеспечивает практически полное окисление органических веществ, включая твердые тела и частицы, достаточно мелкие, чтобы вводить в печь. Основным недостатком анализа HTCO является его нестабильная базовая линия в результате постепенного накопления не летучих остатков в трубе сгорания. Эти остатки непрерывно изменяют фоновые уровни TOC, требующие непрерывной коррекции фона. Поскольку водные образцы впрыскивают непосредственно в очень горячий, обычно кварц , печь только небольшие аликвоты (менее 2 миллилитров и обычно менее 50-100 микролитра, с максимум примерно 300-400 микролитера Инъекции) образца могут быть обработаны, делая методы менее чувствительными, чем методы химического окисления, способные переваривать в 10 раз больше образца. Также Содержание соли в образцах не сжимается, и поэтому, следовательно, постепенно строить остаток внутри трубки сгорания в конечном итоге забивает катализатор, что приводит к плохим пиковым формам, и ухудшаемой точности или точности, если не выполняются соответствующие процедуры обслуживания. Катализатор должен быть восстановлен или заменен по мере необходимости. Чтобы избежать этой проблемы, обрабатывающая промышленность разработала несколько концепций, таких как матричное разделение, керамические реакторы, Лучший контроль процесса или методы без катализаторов.

Фото-окисление (ультрафиолетовый свет)

В этой схеме окисления ультрафиолетовый свет только окисляет углерод в образце, чтобы получить CO ₂ . Метод окисления ультрафиолета предлагает наиболее надежный, низкий метод обслуживания анализа TOC в водах ультра-PUR.

Ультрафиолетовое/перцептное окисление

Как и метод фотоокисления, ультрафиолетовый свет является окислителем, но мощность окисления реакции увеличивается за счет добавления химического окислителя, который обычно является перцептанным соединением. Механизмы реакций следующие:

Сформировались свободные радикальные окислители:

$\mathrm {S} _{2}\mathrm {O} _{8}^{2-}{\underset {hv}{\longrightarrow }}2\ \mathrm {SO} _{4}^{-\bullet }$

$\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} {\underset {hv}{\longrightarrow }}\mathrm {H} ^{+}+\mathrm {OH} ^{\bullet }$

$\mathrm {SO} _{4}^{-\bullet }+\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} \longrightarrow \mathrm {SO} _{4}^{2-}+\mathrm {OH} ^{\bullet }+\mathrm {H} ^{+}$

Возбуждение органики:

$\mathrm {R} {\underset {hv}{\longrightarrow }}\mathrm {R} ^{*}$

Окисление органики:

$\mathrm {R} ^{*}+\mathrm {SO} _{4}^{-\bullet }+\mathrm {OH} ^{\bullet }\longrightarrow n\mathrm {CO} _{2}+\dots$

Ультрафиолетовый метод окисления ультрафиолета предлагает относительно низкий метод обслуживания, высокий чувствительность для широкого спектра применений. Однако существуют ограничения окисления этого метода. Ограничения включают неточности, связанные с добавлением любого инородного вещества в аналит, и образцы с большим количеством частиц. Выполнение анализа «система пустого», который должен проанализировать, затем вычесть количество углерода, предоставляемого химической добавкой, неточности снижаются. Тем не менее, анализ уровней ниже 200 ppb TOC по -прежнему затруднен.

Термохимическое окисление перспективы

Также известный как нагретый перцепт, метод использует то же образование свободных радикалов , что и окисление ультрафиолетового ультрафиолета, за исключением того, что использует тепло для увеличения окислительной мощности перспективы. Химическое окисление углерода сильным окислителем, таким как перцепта, является высокоэффективным и, в отличие от УФ, не подвержена более низким извлечениям, вызванным мудревой, в образцах. Анализ системных пробелов, необходимых во всех химических процедурах, особенно необходим для методов нагретого перцепфата TOC, поскольку метод настолько чувствителен, что реагенты не могут быть получены с содержанием углерода, достаточно низким, чтобы не обнаружить. Методы перцепфата используются при анализе сточных вод, питьевой воды и фармацевтических вод. При использовании в сочетании с чувствительными детекторами NDIR нагревать перцепфат -инструменты Persulfate TOC легко измеряют TOC при однозначных частях на миллиард (ppb) до сотен частей на миллион (ppm) в зависимости от объемов выборки.

Обнаружение и количественная оценка

Точное обнаружение и количественная оценка являются наиболее важными компонентами процесса анализа TOC. Проводимость и недисперсивное инфракрасное (NDIR) являются двумя распространенными методами обнаружения, используемыми в современных анализаторах TOC.

Проводимость

Существует два типа детекторов проводимости, прямая и мембрана. Прямая проводимость обеспечивает всеобъемлющий подход измерения CO ₂ . В этом методе обнаружения не используется газ -носитель, хорош в диапазонах деталей на миллиард (PPB), но имеет очень ограниченный аналитический диапазон. Мембранная проводимость зависит от фильтрации CO ₂ до измерения его с помощью ячейки проводимости. Оба метода анализируют проводимость образца до и после окисления, приписывая это дифференциальное измерение с TOC образца. Во время фазы окисления образца CO ₂ (напрямую связан с TOC в образце) и других газов образуются. Растворенная CO ₂ образует слабую кислоту, тем самым изменяя проводимость исходной выборки, пропорционально TOC в образце. Анализ проводимости предполагает, что _{только CO 2} в растворе присутствует . Пока это верно, тогда расчет TOC по этому дифференциальному измерению действителен. Однако, в зависимости от химических видов, присутствующих в образце, и их отдельных продуктов окисления, они могут представлять собой либо положительное, либо отрицательное помехи на фактическое значение TOC, что приводит к аналитической ошибке. Некоторые из мешающих химических видов включают CL ⁻ , HCO ₃ ⁻ , Так ₃ ²⁻ , Так ₂ ⁻ , Clo ₂ ⁻ и h ⁺ Полем Небольшие изменения в рН и колебаниях температуры также способствуют неточности. Анализаторы мембранной проводимости улучшили подход прямого проводимости, включив использование гидрофобных мембран проникновения газа, чтобы обеспечить более «селективный» проход растворенного газа CO ₂ и ничего больше. Это обеспечивает более точное и точное измерение органических веществ, которые были преобразованы в CO ₂ .

Незерсивный инфракрасный (NDIR)

Метод недисперсивного инфракрасного анализа (NDIR) предлагает единственный практическое беззамешное метод обнаружения CO ₂ в анализе TOC. Основным преимуществом использования NDIR является то, что он непосредственно и конкретно измеряет CO ₂ , генерируемый окислением органического углерода в реакторе окисления , а не полагается на измерение вторичного, скорректированного эффекта, такого как используемое при измерениях проводимости.

части ИК _{График атмосферной коэффициенты} в

Традиционный детектор NDIR опирается на технологию протекающих клеток, где продукт окисления непрерывно течет в детектор. Область поглощения инфракрасного света, специфичная для CO ₂ , обычно около 4,26 мкм (2350 см ⁻¹ ), измеряется с течением времени, когда газ проходит через детектор. Второе эталонное измерение, которое также не специфично для CO _2, также принимается и дифференциальный результат коррелирует с концентрацией CO ₂ в детекторе в тот момент. По мере того, как газ продолжает течь в ячейку детектора и за его пределами, сумма измерений приводит к пику, который интегрируется и коррелирует с общей концентрацией CO ₂ в аликвоте образца.

Новым продвижением технологии NDIR является статическая концентрация под давлением (SPC). Выходной клапан NDIR закрыт, чтобы позволить детектору стать под давлением. Как только газы в детекторе достигнут равновесия концентрация CO ₂ , анализируется . Такое давление на образцовое газовое потоковое поток в NDIR, запатентованном методе, обеспечивает повышенную чувствительность и точность, измеряя полную продукцию окисления образца в одном показании по сравнению с технологией проточных клеток. Выходной сигнал пропорционален концентрации CO ₂ в газе носителя, от окисления аликвоты образца. Ультрафиолетовое ультрафиолетовое окисление в сочетании с обнаружением NDIR обеспечивает хорошее окисление органических веществ, низкое содержание приборов, хорошую точность на уровне PPB, относительно быстрое время анализа образцов и легко размещает несколько применений, включая очищенную воду (PW), воду для инъекции (WFI), CIP, CIP. , Анализ питьевой воды и ультрачистого воды.

Анализаторы

Практически все анализаторы TOC измеряют CO _2, образованный, когда органический углерод окисляется и/или когда неорганический углерод подкисляется. Окисление выполняется либо через PT-катализируемое сжигание, нагретым персульфатом или с помощью реактора ультрафиолетового / перспектива . Как только CO ₂ образуется, он измеряется детектором: либо ячейка проводимости (если CO ₂ является водной), либо недисперсионной инфракрасной ячейки (после очистки водного CO ₂ в газовую фазу). Обнаружение проводимости желательно только в более низких диапазонах TOC в деионизированных водах, тогда как обнаружение NDIR превосходит во всех диапазонах TOC. Изменение, описанное как «мембранно-пророднометрическое обнаружение, может обеспечить измерение TOC в широком аналитическом диапазоне как в деионизированных, так и в не-дейонизированных образцах воды. Современные высокоэффективные инструменты TOC способны обнаруживать концентрации углерода значительно ниже 1 мкг/л (1 часть за миллиард или PPB).

Общий органический анализ углерода определяет количество углерода в образце воды. Подкисляя образец и промывки азотом или гелием, образец удаляет неорганический углерод, оставляя только органические источники углерода для измерения. Есть два типа анализаторов. Один использует сжигание, а другое химическое окисление. Это используется в качестве теста на чистоту воды, поскольку присутствие бактерий вводит органический углерод.

Анализатор полевой тестирование и отчеты

Некоммерческая организация по исследованиям и тестированию, Ассоциация тестирования инструментов (ITA) может предоставить результаты полевых тестирования онлайн-анализаторов TOC в применении промышленных сточных вод. Управление по утилизации отходов Залива (GCWDA), завода по очистке промышленных сточных вод в Пасадене, штат Техас, спонсировали и провели этот тест в 2011 году. Завод GCWDA Bayport обрабатывает приблизительно 30 MGD промышленных отходов, полученных примерно от 65 клиентов (прежде всего петрохимика). Полевые тесты состояли из эксплуатации онлайн -анализаторов TOC в притоке объекта Bayport, в котором концентрации TOC могут варьироваться от 490 до 1020 мг/л в среднем 870 мг/л. GCWDA проводит приблизительно 102 анализа TOC в своей лаборатории в день в своем центре лечения в Бэйпорте и используют измерения TOC для целей управления процессами и выставления счетов. GCWDA планирует использовать онлайн -анализаторы TOC для управления процессами, обнаружение влиятельных слизняков из отраслей и потенциально использовать онлайн -анализаторы TOC для обнаружения и мониторинга летучих веществ входящего потока. Полевые испытания проводились в течение 90 дней и использовались измерения лабораторного соответствия один раз в день для сравнения с выводом анализатора, чтобы продемонстрировать общую точность прибора при подверженности многим одновременно изменяющимся параметрам, как и в условиях мониторинга в реальном времени. Результаты полевых испытаний могут предоставить информацию о требованиях проектирования, эксплуатации и технического обслуживания приборов, которые влияют на производительность инструментов в полевых приложениях. Отчет о полевых испытаниях включает в себя оценки онлайн-анализаторов TOC, использующие следующие технологии: высокотемпературное сжигание (HTC), высокая температура каталитического/окисления сжигания (HTCO), сверхкритическое окисление воды (SCWO) и двухэтапное расширенное окисление (TSAO).

Сжигание

В анализаторе сжигания половина образца вводится в камеру, где она подкисляется, обычно с помощью фосфорной кислоты, чтобы превратить весь неорганический углерод в диоксид углерода в соответствии с следующей реакцией:

CO ₂ + H ₂ O ⇌ H ₂ CO ₃ ⇌H ⁺ + HCO ₃ ⁻ 2H ⁺ + Co ₃ ²⁻

Затем это отправляется детектору для измерения. Другая половина образца впрыскивается в камеру сгорания, которая поднимается до 600–700 ° C, некоторые даже до 1200 ° C. Здесь весь углерод реагирует с кислородом, образуя углекислый газ. Затем он промывается в охлаждающую камеру и, наконец, в детектор. Обычно используемый детектор представляет собой недисперсионный инфракрасный спектрофотометр . Найдя общий неорганический углерод и вычитая его из общего содержания углерода, определяется количество органического углерода.

Химическое окисление

Анализаторы химического окисления вводят образец в камеру с фосфорной кислотой с последующей перспективой. Анализ разделен на два этапа. Один из них удаляет неорганический углерод путем подкисления и очистки. После удаления неорганического углеродного перспектива добавляется и образец либо нагревают, либо бомбардируют ультрафиолетовым светом из лампы паров ртути. Свободные радикалы образуют перспективы и реагируют с любым углеродом, доступным для формирования углекислого газа. Углерод из обоих определений (этапов) либо проходит через мембраны, которые измеряют изменения проводимости , которые возникают в результате наличия различных количеств углекислого газа, либо очищены и обнаруживаются чувствительным детектором NDIR. То же, что и анализатор сжигания, общий углерод, образованный за вычетом неорганического углерода, дает хорошую оценку общего органического углерода в образце. Этот метод часто используется в онлайн -приложениях из -за его низких требований к техническому обслуживанию.

Приложения

TOC является первым химическим анализом, который будет проведен на потенциальной нефтяной породе в области разведки нефти . Это очень важно при обнаружении загрязняющих веществ в питьевой воде, охлаждающей воде, воде, используемой в производстве полупроводников, и воде для фармацевтического использования. Анализ может быть проведен либо как онлайн-непрерывное измерение, либо измерение на основе лаборатории.

Обнаружение TOC является важным измерением из -за эффектов, которые он может оказать на окружающую среду, здоровье человека и процессы производства. TOC является высокочувствительным, неспецифическим измерением всех органических веществ, присутствующих в образце. Следовательно, он может быть использован для регулирования органических химических разрядов в окружающую среду на производственной установке. Кроме того, низкий TOC может подтвердить отсутствие потенциально вредных органических химических веществ в воде, используемых для производства фармацевтических продуктов. TOC также представляет интерес к области очистки питьевой воды из -за побочных продуктов дезинфекции. Неорганический углерод не представляет никакой угрозы.

Анализ

Относящийся к окружающей среде

С начала 1970 -х годов TOC был аналитическим методом, используемым для измерения качества воды во время процесса очистки питьевой воды . TOC в исходных водах поступает от разлагаемого натурального органического вещества (NOM), а также синтетических источников. Гуминовая кислота , фульвиновая кислота, амины и мочевина являются примерами ном. Некоторые моющие средства , пестициды , удобрения , гербициды , промышленные химические вещества и хлорированные органики являются примерами синтетических источников. Прежде чем исходная вода будет обработана для дезинфекции , TOC предоставляет оценку количества NOM в источнике воды. В водоочистных сооружениях исходная вода подвержена реакции с хлорусодержащими дезинфицирующими средствами. Когда сырая вода хлорирована, активные соединения хлора (Cl ₂ , Hocl, Clo ⁻ ) реагировать с NOM для получения хлорированных побочных продуктов дезинфекции (DBPS). Исследователи определили, что более высокие уровни номина в исходной воде во время процесса дезинфекции увеличат количество канцерогенов в обработанной питьевой воде.

С принятием Закона о безопасной питьевой воде в США в 2001 году, анализ TOC стал быстрой и точной альтернативой классическим, но более длительным тестам биологического потребления кислорода (BOD) и химического потребления кислорода (COD), традиционно предназначенных для оценки загрязнения потенциала сточных вод. Полем Сегодня экологические агентства регулируют ограничения трассировки DBP в питьевой воде. Недавно опубликованные аналитические методы, такие как метод 415.3, Агентство по охране окружающей среды США (EPA), Поддерживать дезинфицирующие средства агентства и правила дезинфекции побочных продуктов, которые регулируют сумму NOM для предотвращения формирования DBP в готовых водах.

Содержание TOC также является важным параметром для оценки качества органических сланцевых ресурсов , которые являются одним из наиболее важных нетрадиционных видов топлива. Были введены многочисленные методы оценки, в том числе они на основе проводных журналов и методов in situ.

Фармацевтический

Внедрение органических веществ в водные системы происходит не только от живых организмов и от разлагающихся веществ в воде источника, но и из материалов очистки и распределения. Между эндотоксинами , микробным ростом и развитием биопленок на стенках трубопровода и ростом биопленки в фармацевтических системах распределения воды и ростом биопленки в системах распределения воды. Считается, что корреляция существует между концентрациями TOC и уровнями эндотоксинов и микробов. Поддержание низких уровней TOC помогает контролировать уровни эндотоксинов и микробов и, следовательно, развитие биопленки. Фармакопея США (USP), европейская фармакопея (EP) и японская фармакопея (JP) признают TOC в качестве требуемого теста на очищенную воду и воду для инъекции (WFI). По этой причине TOC обнаружил признание в качестве атрибута управления процессом в биотехнологической промышленности для мониторинга эффективности операций единиц, включающих системы очистки и распределения воды. Поскольку многие из этих биотехнологических операций включают в себя приготовление лекарств, Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) внедряет многочисленные правила для защиты здоровья общественности и обеспечения поддержания качества продукта. Чтобы убедиться, что нет перекрестного загрязнения между продуктовыми районами различных лекарств, выполняются различные процедуры очистки. Уровни концентрации TOC используются для отслеживания успеха этих процедур проверки чистки.

Микроэлектроника

Органическое загрязнение происходит из нескольких источников в процессе производства полупроводников . Органические остатки, оставшиеся на устройстве, могут оказать негативное влияние на качество пластины и доход от воздействия пластины. Органические вещества также могут быть источником пищи для бактерий в системе ультрапирного водоснабжения . Из -за требований к качеству полупроводниковой воды TOC должен контролироваться на уровне частей на миллиард. Непрерывные, онлайн-анализаторы TOC играют важную роль в мониторинге систем водоснабжения, чтобы помочь обеспечить надежное показание здоровья системы.

Смотрите также

• Растворенное органическое углерод