Основы общего органического углерода (ТОС)

Add Bookmark

    Основы общего органического углерода (ТОС)

    Что такое "TOC"?

    Общий органический углерод (TOC) указывает на общее количество углерода из органического материала, присутствующего в образце. Преимущества анализа TOC включают быстрое время анализа в несколько минут, точное и независимое от матрицы количественное определение и очень низкое потребление химических веществ. Поскольку это суммарный параметр, метод не подходит для идентификации отдельных органических компонентов. TOC в основном определяется в жидкостях, где он служит репрезентативным индексом качества воды, но также может измеряться в твердых веществах.

    Из-за большого количества известных органических соединений, биохимическая потребность в кислороде (БПК), химическая потребность в кислороде (ХПК) и тесты потребления перманганата использовались в прошлом в качестве индексов для коллективного измерения всех органических веществ, независимо от их природы.

     

     

    Наверх

    Как измеряется ТОС?

    Виды углерода и методы определения

    Carbon Species

    Общее количество всего углерода, присутствующего в образце, называется «общий углерод» (TC). Оно может быть далее разделено на две основные группы: общий органический углерод (TOC) и неорганический углерод (IC). Общий органический углерод может быть далее классифицирован как нелетучий органический углерод (NPOC) или летучий органический углерод (POC).

    С точки зрения растворимости органических веществ в воде, можно различать растворенный органический углерод (DOC), который представляет собой вещества, проходящие через фильтр с размером пор 0,45 мкм, и частичный органический углерод.

    Используются два основных метода определения TOC:

    Метод разницы: TOC определяется путем вычитания результатов для TC и IC (TOC = TC - IC).
    Прямой метод: TOC определяется путем измерения NPOC, другими словами, TC после удаления IC (TOC = NPOC).

    TOC determination methods

    Измерение IC

    Для измерения TOC IC относится к общей сумме неорганического углерода (где CO₂ обозначает растворенный углекислый газ, HCO₃‾ бикарбонат-ионы и CO₃²‾ карбонат-ионы). Количество растворенного углекислого газа, бикарбонат-ионов и карбонат-ионов в воде поддерживается в равновесии, которое зависит от уровня pH воды, согласно приведенному ниже выражению.

    Measuring IC

    С понижением pH равновесие смещается влево на диаграмме выше. При pH 3 или ниже почти весь IC превращается в растворенный углекислый газ, который легко удалить из воды.
    На этом принципе IC измеряется путем подкисления образца до pH < 3, а затем измерения CO₂, извлеченного из образца путем стриппинга с использованием воздуха без CO₂.

    Использование прямых и разностных методов

    Для измерения TOC используются как метод разницы (TC - IC), так и прямой метод (TOC = NPOC). Однако оптимальный метод должен быть выбран на основе характеристик образца.
    Метод разницы требует двух отдельных анализов и, следовательно, подвержен большему измерительному ошибке по сравнению с прямым методом из-за распространения ошибок. В качестве ориентира содержание TOC в образце также должно быть больше, чем содержание IC, иначе неопределенность измерения становится неприемлемой для целей анализа.
    Для образцов, склонных к пенообразованию или имеющих значительное содержание летучих веществ, например, используется метод TC - IC, поскольку метод NPOC может привести к потере летучего органического углерода (POC) из образцов во время этапа стриппинга или в общем из-за пенообразующих ингредиентов.

    Наверх

    Методы окисления ТОС

    Анализаторы ТОС, в общих чертах, являются анализаторами газа CO₂ с предварительной стадией окисления и системой подготовки проб. Независимо от того, какой метод определения ТОС используется, ТОС (также TC) измеряется путем окисления органического углерода и последующего количественного определения полученного CO₂ с использованием инфракрасного детектора. Существуют различные методы окисления для превращения в CO₂, из которых два стали основными; окисление при сгорании и влажное окисление.

    Метод окисления при сгорании

    Образец вводится в высокотемпературную печь (от 650 до 1200 °C) для сжигания всего органического углерода в образце и измерения его в виде полностью окисленного углекислого газа. Благодаря простоте использования тепла/сгорания в качестве принципа окисления, метод не требует реагентов для процессов предварительной или последующей обработки. Одной из основных характеристик этого метода является его способность эффективно окислять органические вещества, которые в противном случае устойчивы к разложению, такие как частицы или макромолекулярные органические вещества. В прошлом требовались высокие температуры (1000 °C и более), поскольку первые приборы ТОС использовали высоту пика для интеграции. Превращение в CO₂ должно было происходить крайне быстро, чтобы сигнал записывался как можно более четко для достижения наилучшего разрешения.
    Очень высокие температуры сгорания приводят к образованию солевых расплавов в анализаторе, что, в свою очередь, вызывает увеличение объема обслуживания из-за деактивации катализатора, коррозии трубы для сжигания и ячейки детектора. Солевые помехи в ячейке детектора от продуктов солевых расплавов могут повлиять на качество и точность данных. Кроме того, время обслуживания увеличивается из-за более длительного времени охлаждения и повторного нагрева, необходимого из-за более высокой температуры сгорания.
    Shimadzu разработала метод каталитического окисления при высокой температуре (HTCO) при 680 °C. В то время как платиновый катализатор обеспечивает полное превращение всех углеродных компонентов, температура сгорания ниже температур плавления обычных солей. Таким образом, проблемы, вызванные солями, минимизируются, обеспечивая отличные показатели восстановления всех органических компонентов. Окисление ТОС при сгорании можно легко расширить для включения определения дополнительного суммарного параметра для азота, общего связанного азота (TNb).

    Combustion oxidation method

    Метод влажного окисления

    При этом методе к образцам добавляется окислитель для химического разложения углерода в органическом веществе с целью его измерения в виде углекислого газа. Хотя для ускорения окислительной реакции может применяться тепло (до 100 °C) или ультрафиолетовое излучение, способность химической реакции к окислительному разложению вещества слабее, чем при окислении при сгорании, что, как правило, приводит к более низким показателям восстановления углерода из взвешенных или других частиц органического вещества или устойчивых веществ. Однако это позволяет вводить сравнительно большие объемы образцов для достижения более низких пределов обнаружения.

    Благодаря своей превосходной окислительной реакции метод окисления при сгорании обычно используется для измерения уровней ТОС в окружающей воде, сточных водах заводов и аналогичных образцах, где водные пробы часто содержат большое количество нерастворимого органического углерода.

    Наверх

    ТОС в питьевой воде

    Подтверждение безопасности общественной питьевой воды

    Общественная питьевая вода подается с использованием водоочистки, основанной на качестве воды данной реки, озера, подземных вод или другого источника воды. Однако качество общественной питьевой воды может варьироваться из-за изменений в качестве воды или уровне использования реки или озера.
    Поэтому важно регулярно проверять безопасность очищенной воды.

    Говорят, что реакции между органическими веществами и дезинфицирующими средствами, используемыми для очистки воды, создают вещества, вредные для человека. Поэтому измерение ТОС в общественной питьевой воде предоставляет важный показатель для подтверждения безопасности общественной питьевой воды.
    Также говорят, что уровень ТОС влияет на вкус общественной питьевой воды, поэтому его можно использовать как показатель качества вкуса общественной питьевой воды.

    Управление очисткой воды

    В водоочистных сооружениях используются различные процессы для удаления микроорганизмов и органических веществ из воды.
    Измерение уровня ТОС на каждом этапе процесса может использоваться для подтверждения того, что каждый процесс функционирует правильно. (Значения pH и мутности также измеряются в дополнение к ТОС.) Помимо подтверждения функций очистки воды, измерение ТОС также может помочь оптимизировать очистку воды. Регулировка количества используемых химических веществ на основе измеренных значений ТОС на каждом этапе процесса также может помочь снизить затраты на очистку воды.

    Water Treatment Management

    Наверх

    Часто задаваемые вопросы

    Что такое ТОС?
    ТОС — это суммарный параметр в химическом анализе. Общая концентрация углерода, происходящего из органических соединений, указана в одном аналитическом значении. "ТОС" означает "total organic carbon" (общий органический углерод).

     

    Что такое суммарный параметр?
    В суммарном параметре различные соединения группы веществ или соединения с одинаковыми свойствами регистрируются вместе как сумма (одно аналитическое значение).

     

    В каких веществах измеряется ТОС?
    ТОС определяется в жидкостях, в первую очередь в воде, но также в различных твердых веществах, таких как почвы или отходы. Он считается мерой загрязнения органическими компонентами в соответствующей матрице.

     

    Как определяется ТОС?
    В общем, органические соединения окисляются до углекислого газа, и полученный CO2 обнаруживается с помощью подходящего детектора. Две различные техники окисления стали основными: влажное химическое УФ-окисление и каталитическое окисление при сгорании. Кроме различных техник окисления, существуют три различных метода определения ТОС: разностный метод, метод добавления и прямой метод (также называемый методом NPOC).

     

    Как работает влажное химическое УФ-окисление?
    При влажном химическом УФ-окислении образец облучается УФ-светом в реакторе в присутствии персульфатных ионов при повышенной температуре (например, 80°C). Образуются OH-радикалы, которые превращают органические вещества в CO2.

     

    Как работает каталитическое окисление при сгорании?
    При каталитическом окислении при сгорании образец сжигается в атмосфере, содержащей кислород, при высоких температурах (например, 680°C) на катализаторе (например, платиновом катализаторе) и превращается в углекислый газ.

     

    Как обнаруживается CO₂ в анализе ТОС?

    Наиболее часто используемый метод обнаружения CO2 в анализаторах ТОС — это техника NDIR (недисперсионный инфракрасный детектор). NDIR-детектор состоит из трех важных компонентов:

    a.) Источник света, который излучает ИК-свет.

    b.) Измерительная ячейка, через которую проходит измеряемый газ.

    c.) Измерительный датчик.

    NDIR detector

     

    Почему существуют различные методы определения ТОС?

    При определении органического углерода (ТОС) содержание неорганического углерода должно быть либо учтено (математически), либо устранено перед определением. Если оно устранено, например, путем подкисления образца и затем дегазации (карбонаты и бикарбонаты выделяются в виде CO2), следует учитывать, что также существуют легко испаряющиеся органические вещества, которые могут улетучиваться во время подготовки образца. Это приводит к следующей модели углерода ТОС:

    TC (общий углерод) — это сумма органических (ТОС) и неорганических (IC) углеродных соединений (примечание: элементарный углерод регистрируется как ТОС в "органической фракции" при определении ТОС).

    ТОС — это сумма неиспаряющихся органических углеродных соединений (NPOC) и испаряющихся органических углеродных соединений (POC).

    TOC determination methods

     

    Что означают сокращения параметров в модели углерода ТОС?

    TC (общий углерод): Сумма органически и неорганически связанного углерода и элементарного углерода.

    IC (неорганический углерод) или TIC (общий неорганический углерод): Общее количество углерода из углекислого газа, угарного газа, цианидов, цианатов и тиоцианатов. Анализаторы ТОС обычно обнаруживают только соли угольной кислоты (карбонаты и бикарбонаты) и растворенный CO2 для TIC.

    ТОС (общий органический углерод): Общее количество органического углерода в растворенной или взвешенной матрице, а также элементарного углерода, цианатов и тиоцианатов.

    NPOC (неиспаряющийся органический углерод): Неиспаряющийся органический углерод.

    POC (испаряющийся органический углерод): Испаряющийся органический углерод.

     

    Как работает метод разности для определения ТОС?

    В методе разности два различных параметра TC и IC определяются отдельно. ТОС рассчитывается путем формирования разности: ТОС = TC - TIC.

    TC: Определение общего содержания углерода осуществляется путем окисления (термического или химического влажного) и последующего обнаружения полученного углекислого газа.

    TIC: Определение содержания неорганического углерода осуществляется путем подкисления образца минеральной кислотой при комнатной температуре и последующего обнаружения выделенного углекислого газа.

     

    Каковы ограничения метода разности ТОС?

    Доля неорганического углерода (TIC) не должна быть слишком высокой по сравнению с ТОС. Из-за распространения ошибок рассчитанное значение ТОС может иметь слишком высокую неопределенность. EN 1484 рекомендует, чтобы значение ТОС было больше или равно значению IC при использовании метода разности (ТОС ≥ TIC).

    Пример:

    Содержание TC = 100 мг/л (RSD = 2%) ± 2 мг/л (98 – 102 мг/л)

    Содержание TIC = 98 мг/л (RSD = 2%) ± 1,96 мг/л (96,04 – 99,96 мг/л)

    ТОС = 2 мг/л ± 3,96 мг/л (-1,96 – 5,96 мг/л)

    Из-за распространения ошибок общая погрешность в этом примере составляет ± 3,96 мг/л. Согласно методу разности, погрешность общего результата больше, чем рассчитанное содержание ТОС.

     

    Как работает метод добавления для определения ТОС?

    В методе добавления два параметра POC и NPOC определяются отдельно - один за другим. ТОС рассчитывается путем сложения обоих результатов: ТОС = POC + NPOC.

    Для определения POC образец подкисляется и затем продувается носителемым газом. На этом этапе выделяются как CO2 из карбонатов и бикарбонатов, так и летучие органические вещества (POC). Ловушка для CO2 (например, заполненная LiOH) связывает CO2 из газовой смеси (происходящей из TIC), а летучие органические вещества проходят через ловушку и достигают катализатора, где они окисляются до углекислого газа и затем обнаруживаются (= POC). На следующем этапе алиquot подкисленного и продуваемого образца вводится на катализатор. Полученный CO2 соответствует NPOC. Сумма обоих значений концентрации дает ТОС.

     

    Как работает прямой метод или метод NPOC для определения ТОС?
    При использовании прямого метода или метода NPOC предполагается, что в образце нет или нет значительных количеств летучих или испаряющихся органических соединений. ТОС определяется напрямую как NPOC при этом предположении. Для этого образец подкисляется минеральной кислотой и дегазируется. Карбонаты и бикарбонаты полностью превращаются в углекислый газ. Затем углекислый газ удаляется из раствора образца с помощью продувочного газа. Прямое измерение NPOC (как и TC) осуществляется путем окисления до CO2 и последующего обнаружения. ТОС соответствует NPOC: ТОС = NPOC.

     

    Какую роль играет температура сгорания в определении ТОС?
    Во время каталитического окисления при сгорании вода испаряется, и некоторые соединения, такие как азотные и углеродные компоненты, превращаются в газообразные соединения, тогда как соли, такие как хлориды или сульфаты, остаются на катализаторе и накапливаются там. "Соление" катализатора или трубы для сгорания является одной из самых распространенных помех в анализе ТОС. В зависимости от температуры сгорания, соли могут плавиться и блокировать активные участки катализатора или повреждать трубу для сгорания. Поэтому рекомендуется использовать температуры сгорания ниже точек плавления обычных солей (например, 680°C) и сочетать окисление с высокоэффективным катализатором (например, платина).

     

    В чем разница между ТОС и ХПК?

    ХПК указывает количество кислорода, необходимое для окисления окисляемых веществ. При определении ТОС измеряется общая концентрация углерода из органических соединений. В уравнении реакции "углерод и кислород реагируют с образованием углекислого газа" разницу между ТОС и ХПК можно легко проиллюстрировать:

    Определение ХПК также значительно более времязатратно. Тройное определение ТОС с использованием метода NPOC занимает около 10-15 минут, в зависимости от времени дегазации. Окислительная переварка ХПК занимает 120 минут по методу DIN без подготовки. Кроме того, требуется время для титрования или фотометрии.

     

    Наверх

    Movies

    Related applications