Ogólny węgiel organiczny (TOC) jest miarą całkowitej ilości węgla w związkach organicznych w czystej wodzie i roztworach wodnych. TOC jest cenioną techniką analityczną, która jest stosowana przez przedsiębiorstwa i laboratoria w celu określenia, czy dane rozwiązanie jest odpowiednie dla ich procesów. Woda, o ile nie jest ultraczysta, będzie naturalnie zawierać pewne związki organiczne, a zrozumienie ich ilości jest kluczowe.
TOC stał się ważnym parametrem wykorzystywanym do monitorowania ogólnego poziomu obecnych związków organicznych. Stało się tak pomimo braku bezpośredniej korelacji ilościowej między ogólnym węglem organicznym a ogólnym stężeniem obecnych związków organicznych i odzwierciedla istotę posiadania łatwego do zmierzenia, ogólnego wskaźnika przybliżonego poziomu zanieczyszczenia organicznego.
Odzwierciedla to również atrakcyjność parametru, którego nazwa brzmi bardziej fundamentalnie niż jest w rzeczywistości! W wielu przypadkach TOC jest używany jako bieżący wskaźnik zmian lub braku zmian w zawartości związków organicznych.
Podczas wykonywania analizy TOC mierzone są następujące wartości
Aby obliczyć TOC, można odjąć ogólną ilość węgla nieorganicznego od ogólnego wykrytego węgla. Alternatywnie można dodać usuwalny i nieusuwalny węgiel organiczny lub rozpuszczony i nierozpuszczony węgiel organiczny. Obliczenia wyglądają następująco:
TOC jest mierzony w bardzo różnych stężeniach w szerokim zakresie systemów. Poniższa tabela przedstawia poziomy ogólnego węgla organicznego w różnych rodzajach wody. Poziomy różnią się znacznie w obrębie każdego typu, ale ogólnie rzecz biorąc, wahają się od poziomów poniżej ppb w wodzie ultraczystej do zastosowań laboratoryjnych i mikroelektronicznych do setek ppm w ściekach i strumieniach procesowych.
W przypadku wielu z tych systemów sam TOC nie dostarcza wystarczających informacji. Związki zawierające węgiel mogą występować w różnych formach, a proporcje każdego z nich mogą być krytyczne. Zestawienie niektórych z tych podziałów przedstawiono na powyższym diagramie.
Rozpuszczony węgiel organiczny (DOC) jest zwykle uważany za ten, który przejdzie przez filtr 0,45um. TOC o dużych rozmiarach cząstek jest klasyfikowany jako cząstki stałe lub nierozpuszczone (NDOC). Około 50-75% DOC w wodach naturalnych występuje w postaci polimerycznych kwasów organicznych - kwasów fulwowych i humusowych. Około 10% DOC znajduje się w koloidach, głównie kwasach humusowych i różnych minerałach. Kolejne 10 do 20% to małe cząsteczki pochodzące z rozkładu materii organicznej.
Tabela przedstawiająca poziomy Całkowitego Węgla Organicznego (TOC) w różnych rodzajach wody
TOC jest powszechnie mierzony poprzez utlenianie obecnych związków organicznych do postaci, które można określić ilościowo.
Stosowane są różne metody utleniania i wykrywania w zależności od charakteru i stężenia mierzonego TOC oraz wymagań analitycznych (np. szybkość, czułość).
Spalanie wysokotemperaturowe (1 200°C) w atmosferze bogatej w tlen. Powstały CO₂ jest przepuszczany przez rury skrubera w celu usunięcia zanieczyszczeń, a następnie mierzony metodą niedyspersyjnej absorpcji w podczerwieni (NDIR).
Katalityczne utlenianie w wysokiej temperaturze (680°C) w środowisku bogatym w tlen, wewnątrz rurek wypełnionych platynowym katalizatorem, a następnie pomiar NDIR.
Termochemiczne utlenianie z użyciem ciepła i chemicznego utleniacza, zazwyczaj nadsiarczanu.
Fotochemiczne utlenianie z użyciem promieniowania UV i chemicznego utleniacza, zazwyczaj nadsiarczanu.
Foto-utlenianie za pomocą światła UV, samodzielnie lub z udziałem katalizatora. Metoda UV jest najpewniejszą i najłatwiejszą w konserwacji metodą oznaczania całkowitej zawartości węgla organicznego (TOC) w wodach ultraczystych.
Metody spalania (1 i 2) są stosowane głównie w przypadku wyższych stężeń TOC (ppm lub wyższych) lub w przypadku wysokiego poziomu cząstek stałych. Utlenianie nadsiarczanu, wzmocnione przez UV lub ciepło, jest szeroko stosowane do laboratoryjnego oznaczania TOC w wielu rodzajach wody - od pitnej po farmaceutyczną i elektroniczną. Wytworzony CO2 jest zwykle mierzony za pomocą NDIR lub zmiany przewodności, którą wytwarza po rozpuszczeniu w oddzielnym strumieniu czystej wody.
Aby wykluczyć wpływ innych produktów utleniania, gaz może być przepuszczany przez membranę. Można osiągnąć dobre utlenianie, ale potrzebna jest metoda kompensacji, aby uwzględnić pustą próbę z odczynnika. Można wykryć TOC na poziomie ppb.
Wszystkie analizatory TOC, które mierzą zawartość CO₂, będą uwzględniać również CO₂ pochodzący z wodorowęglanów i węglanów, o ile węgiel nieorganiczny (IC) nie zostanie wcześniej uwzględniony. IC można usunąć poprzez zakwaszenie próbki do pH 2 lub niższego, co powoduje jego uwolnienie w postaci CO₂, który może zostać zmierzony lub odprowadzony. Pozostały w próbce TOC nieusuwalny węgiel organiczny (NPOC) zawarty w cieczy jest następnie utleniany, uwalniając CO₂, który trafia do detektora w celu pomiaru.
Sytuacja wygląda nieco inaczej w przypadku wód wysokiej czystości o niskim przewodnictwie. Woda o wystarczająco niskim przewodnictwie (rezystywność zbliżona do 18,2 Mohm.cm) nie może zawierać istotnych ilości wodorowęglanów, węglanów ani innych rozpuszczalnych soli, dlatego nie ma potrzeby korygowania zawartości IC. Jak wcześniej wspomniano, wszystkie pomiary na tym poziomie śladowym muszą być wykonywane w trybie online.
Opracowano różne analizatory TOC, które odpowiadają na potrzebę szybkiego monitorowania niskich poziomów TOC (w zakresie ppb) w systemach wody laboratoryjnej o wysokiej czystości. Szybka reakcja jest niezbędna, aby wyniki były dostępne i adekwatne dla stosunkowo małych objętości dozowanej wody. Analizatory te zazwyczaj mierzą przewodnictwo próbki przed i po procesie utleniania; zmiana przewodnictwa jest kalibrowana względem zawartości TOC. Ze względu na ograniczenia czasowe, utlenianie nie zawsze jest całkowite, ale wystarczające do celów kontrolnych.
Zdecydowana większość próbek do analizy TOC jest pobierana i analizowana w warunkach laboratoryjnych. W przypadkach, gdy wymagane jest rozdzielenie frakcji TOC, na przykład NDOC, próbki są odpowiednio przygotowywane przed analizą.
Analizy online stosuje się głównie przy wyższych stężeniach TOC, gdy wymagana jest duża częstotliwość lub szybkość pomiaru, co czyni tę metodę bardziej praktyczną. Pomiar online jest również niezbędny przy analizie TOC na poziomie poniżej 50 ppb, aby uniknąć zanieczyszczeń. Takie zanieczyszczenia mogą pochodzić z obcego TOC obecnego w otoczeniu lub w pojemnikach, ale jeszcze większym zagrożeniem jest dwutlenek węgla z powietrza, który szybko rozpuszcza się w wodzie ultraczystej. CO₂ zakłóca wiele technik wykorzystywanych do monitorowania śladowych ilości TOC.
Oczywiste jest, że czystość wody potrzebnej do przygotowania wzorców i próbek zerowych, do płukania systemów i czyszczenia komponentów, jest bardzo zależna od mierzonych stężeń. W przypadku wielu zastosowań przeprowadzanych na wyższym poziomie w laboratorium lub online, woda typu II będzie więcej niż wystarczająca.
W przypadku oznaczania śladowych TOC (<50 ppb), które muszą być przeprowadzane online, wymagania dotyczące czystości wody są niezwykle rygorystyczne. Ponieważ TOC będzie zawierać węgiel ze wszystkich typów związków, wszystkie one muszą być praktycznie nieobecne. Zdecydowanie zalecamy PURELAB flex z wbudowanym monitorowaniem TOC.