TOC測量

什么是 TOC？

總有機(jī)碳測量樣品中的有機(jī)污染物含量。TOC 分析在全球范圍內(nèi)不斷進(jìn)行，這對人類的安全和成功至關(guān)重要。有機(jī)污染會降低離子交換能力并導(dǎo)致不良生物生長，使處理過的水不安全。更不用說，水處理會產(chǎn)生環(huán)境保護(hù)署 (EPA)監(jiān)管的有害副產(chǎn)品，因此 TOC 分析有助于市政當(dāng)局確定其處理過程的有效性。

如何測量 TOC？

簡而言之，TOC 分析儀的作用 是將有機(jī)化合物氧化成 CO 2并測量產(chǎn)生的 CO 2量 。無論采用哪種氧化技術(shù)，都必須通過測量或去除樣品總碳 (TC) 中的各種餾分來確定 TOC。這些餾分定義如下：

總有機(jī)碳 (TOC) — 有機(jī)分子中共價(jià)結(jié)合的所有碳原子

無機(jī)碳 (IC) — 碳酸鹽、碳酸氫鹽和溶解的CO2

溶解有機(jī)碳 (DOC) — 通過 0.45 微米孔徑過濾器的 TOC 部分

懸浮有機(jī)碳（也稱為顆粒有機(jī)碳） ——0.45 微米過濾器截留的 TOC 分?jǐn)?shù)

可清除有機(jī)碳 (POC，有時(shí)稱為揮發(fā)性有機(jī)碳) — 在特定條件下通過氣體剝離從水溶液中去除的 TOC 部分

不可清除有機(jī)碳 (NPOC) — 未被氣體吹掃去除的 TOC 部分。在大多數(shù)情況下，無機(jī)碳被清除，但未被“測定"，在這種情況下，僅測定 NPOC，而 POC 則被認(rèn)為可以忽略不計(jì)。

這張圖直觀地展示了 TC 各部分的劃分方式：

其他重要條款：

試劑空白– 檢測器響應(yīng)是在未引入樣品或標(biāo)準(zhǔn)的情況下使用試劑進(jìn)行的分析序列產(chǎn)生的。此響應(yīng)是由于試劑、氣體、消解容器和/或管道中的碳污染造成的。

標(biāo)準(zhǔn)——任何已知添加碳量的樣品

水空白或儀器方法空白– 分析儀對水中碳含量的響應(yīng)。這是通過在校準(zhǔn)期間使用水作為零濃度標(biāo)準(zhǔn)來測量的。

確定 TOC

總有機(jī)碳由有機(jī)分子中結(jié)合的所有碳原子組成。具體來說，它是衡量有機(jī)化合物中所有碳的量度，這些碳在去除無機(jī)碳后通過氧化轉(zhuǎn)化為二氧化碳。確定 TOC 的兩種常用技術(shù)是減法 TOC 和吹掃法 TOC。

在減法 TOC 中，測量 IC，然后從測量的 TC 中減去：

減法 TOC 的優(yōu)點(diǎn)是 POC 損失最小。但是，這種技術(shù)有幾個缺點(diǎn)。與鼓泡法 TOC 相比，減法 TOC 的通量較差，因?yàn)樗枰獌纱畏治霾拍艿玫揭粋€ TOC 結(jié)果。這種技術(shù)不適用于 IC 含量高的樣品，其中 IC 含量超過預(yù)期 TOC 結(jié)果的 50%。

在 TOC 中，通過噴射法，在進(jìn)行任何測量之前，IC 會從樣品中清除。如果 POC 可以忽略不計(jì)，則在此技術(shù)中 TOC 等于 NPOC。因此，噴射法 TOC 有時(shí)被稱為 NPOC 技術(shù)。

吹掃法 TOC 比減法 TOC 更快，因?yàn)橹恍枰淮畏治黾纯纱_定 TOC。對于含有大量 IC 的樣品，它具有最佳準(zhǔn)確度，并且總體精度更高，因?yàn)闆]有 IC 減法的干擾。該技術(shù)的缺點(diǎn)是它不測量 POC。

主要步驟

TOC 分析可分為四個主要步驟：樣品引入、氧化、檢測和顯示。每個步驟都有多種完成方式；這最終取決于所使用的 TOC 分析儀。

樣品引入

可以使用一次分析一個樣品的簡單吸管系統(tǒng)進(jìn)行樣品引入。或者也許有一個免費(fèi)的自動采樣器，允許用戶將多個樣品加載到序列中進(jìn)行分析。如果 TOC 分析儀是在線 TOC 分析儀，則它直接連接到水泵系統(tǒng)并自動收集樣品以進(jìn)行分析。

氧化

有幾種經(jīng)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)方法可用于測量 TOC，包括濕化學(xué)過硫酸鹽氧化和高溫催化氧化（燃燒）。濕化學(xué) TOC 分析涉及通過試劑和熱量或紫外線燈將有機(jī)碳氧化為 CO 2。濕化學(xué)氧化的這兩個分支是加熱過硫酸鹽和紫外線過硫酸鹽。用于 TOC 分析的燃燒方法涉及將樣品注入帶有氧化催化劑的加熱反應(yīng)室中。燃燒 TOC 涵蓋在 SM 5310B 中，而加熱過硫酸鹽和紫外線過硫酸鹽方法涵蓋在 SM 5310C 中。

檢測

在 TOC 分析中，檢測通常通過固態(tài)非色散紅外檢測器 (NDIR) 來實(shí)現(xiàn)，以測量樣品的有機(jī)物含量。NDIR 的工作原理是將紅外光束照射到裝有 CO 2樣品氣體的容器中。然后，它會測量樣品在特定波長范圍內(nèi)吸收的紅外線量。例如，CO 2吸收 4.26 µm 的紅外波長范圍。

顯示

最后，顯示是指檢測步驟中獲得的數(shù)據(jù)如何可視化。這一步驟從21世紀(jì)的技術(shù)革命中受益匪淺。許多 TOC 分析儀都配有內(nèi)置計(jì)算機(jī)和觸摸屏界面，或者由外部 PC 上的軟件控制。

選擇氧化技術(shù)

由于兩種氧化方法在 TOC 分析儀中的作用相同，因此在為您的實(shí)驗(yàn)室購買 TOC 分析儀之前，必須考慮每種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。燃燒技術(shù)更適合分析含有懸浮物質(zhì)（如腐殖酸、細(xì)菌、植被或特定的高分子量分子）的有機(jī)碳，或者更普遍地適用于高于 1 ppm C 的樣品。這種技術(shù)在低于 1 ppm C 的碳水平下效率較低，因?yàn)槿紵夹g(shù)的溫度較高，限制了可注入系統(tǒng)的樣品量。燃燒技術(shù)的主要缺點(diǎn)是由于催化劑上的碳記憶效應(yīng)，通常存在更高的系統(tǒng)空白（或更高的背景）。

當(dāng)需要進(jìn)行低濃度檢測時(shí)，兩種濕化學(xué)氧化技術(shù)的表現(xiàn)明顯更好。反應(yīng)發(fā)生在比燃燒低得多的溫度下（95-100°C，而燃燒溫度 >680°C），因此可以將大量樣品注入系統(tǒng)而不必?fù)?dān)心快速膨脹。雖然這兩種濕化學(xué)技術(shù)都比燃燒技術(shù)更精確、更可靠，但加熱過硫酸鹽是可靠的技術(shù)。在加熱過硫酸鹽技術(shù)中，熱量通過對流與試劑發(fā)生反應(yīng)，而在紫外過硫酸鹽中，紫外光會激活過硫酸鹽。因此，渾濁的樣品可能會降低到達(dá)樣品基質(zhì)的紫外光強(qiáng)度，從而降低系統(tǒng)的氧化能力。

水處理

測量處理過的水中的 TOC 對確保飲用水處理過程的有效性至關(guān)重要。在處理過程中，TOC 是源水中有機(jī)物質(zhì)的指標(biāo)，需要降低有機(jī)物質(zhì)的含量才能達(dá)到監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。高濃度的 TOC 與有害消毒副產(chǎn)物 (DBP) 的形成增加有關(guān)，例如三鹵甲烷 (THM)和鹵乙酸 (HAA)，這些物質(zhì)受美國環(huán)保署的《消毒劑和消毒副產(chǎn)物規(guī)則》(DBPR)監(jiān)管。

典型水處理工藝的第一步包括化學(xué)凝結(jié)、絮凝、沉淀和過濾，所有這些步驟都旨在去除水中的有機(jī)碳。TOC 測量提供了一種可靠的方法來評估這些步驟之前和之后的有機(jī)負(fù)荷。對于地表水系統(tǒng)，EPA 規(guī)定了特定百分比的 TOC 去除率，具體取決于源水中的 TOC 濃度。通常，源水 TOC 水平范圍為 2 至 4 mg/L，處理廠的目標(biāo)是將成品水中的 TOC 水平控制在 2 mg/L 以下。

TOC 還在監(jiān)測三鹵甲烷（氯消毒的副產(chǎn)品）的形成方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。氯與水中的有機(jī)碳化合物發(fā)生反應(yīng)，如果沒有適當(dāng)?shù)?TOC 控制，就會導(dǎo)致三鹵甲烷的形成，從而帶來肝臟、腎臟或中樞神經(jīng)系統(tǒng)等健康風(fēng)險(xiǎn)。水處理廠可以通過在處理過程的各個階段（尤其是在過濾后和消毒前）密切監(jiān)測 TOC 水平來降低三鹵甲烷形成的可能性。

YSI 的9220 總有機(jī)碳分析儀采用加熱過硫酸鹽氧化和非色散紅外 (NDIR) 檢測，為監(jiān)測飲用水處理應(yīng)用中的 TOC 水平提供了高度可靠的解決方案。9220 TOC 分析儀符合 EPA 合規(guī)標(biāo)準(zhǔn) (SM 5310C、EPA 514.3)，可確保在整個處理過程中準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地監(jiān)測 TOC，有助于最大限度地減少 DBP 的形成并保障公眾健康。

要了解更多信息，請查看我們關(guān)于水處理 TOC 和 THM 監(jiān)測解決方案的網(wǎng)絡(luò)研討會以及關(guān)于管理飲用水處理中的 TOC 和 THM 風(fēng)險(xiǎn)管理的博客。

TOC廢水

廢水
污水處理設(shè)施分析流入污水的 TOC，以規(guī)劃和簡化處理流程。城市的工業(yè)擴(kuò)張導(dǎo)致污水負(fù)荷增加，這對確定污水量、有機(jī)物和需氧量究竟會增加多少提出了挑戰(zhàn)。為了做好準(zhǔn)備，污水處理設(shè)施可以測試 TOC 和/或使用生物需氧量 (BOD) 和化學(xué)需氧量 (COD) 代替 TOC 來確定有機(jī)負(fù)荷和需氧量。

TOC 食品和飲料

了解食品和飲料的成分對于健康生活方式至關(guān)重要。TOC 分析在食品和飲料領(lǐng)域越來越普遍，包括食品過程控制中的應(yīng)用，以確定產(chǎn)品因廢水而損失（常見于乳制品行業(yè)）以及純有機(jī)食品和飲料的質(zhì)量控制，以對抗人工添加劑（用于蜂蜜、楓糖漿和其他天然食品）。通過這種方式，TOC 分析可以幫助公司增加收入和消費(fèi)者對其產(chǎn)品的信心。

TOC 環(huán)境

TOC 分析在環(huán)境分析中起著至關(guān)重要的作用，許多城市使用合同環(huán)境實(shí)驗(yàn)室來測試其水和廢水中的污染物。然而，TOC 不僅限于水分析，OI Analytical 提供多種可選套件來擴(kuò)展傳統(tǒng) TOC 分析的功能。1030S固體模塊有自己的內(nèi)置爐子和坩堝用于樣品燃燒，但它使用1030W 或1030D 上的 NDIR 來測試土壤、污泥或泥漿等固體樣品。

使用 TN b套件，燃燒過程會同時(shí)釋放碳和氮。在燃燒管后添加 NOX 轉(zhuǎn)換器，將氮轉(zhuǎn)化為一氧化氮。此后，用于 TOC 的相同氧氣載氣將碳和氮輸送到 NDIR，然后將氮輸送到添加的電化學(xué)檢測器進(jìn)行分析。

研究與學(xué)術(shù)

世界各地的科學(xué)家都在尋找新的、令人興奮的方法來使用現(xiàn)有技術(shù)。TOC 分析繼續(xù)成為這一努力的一部分，包括用于基因研究的血液和血漿分析、用于環(huán)境影響研究的受污染水和土壤分析以及用于農(nóng)業(yè)和工業(yè)應(yīng)用的超純水分析。碳測年和環(huán)境災(zāi)害響應(yīng)應(yīng)用在學(xué)術(shù)界也變得越來越普遍，尤其是隨著全球變暖威脅的加劇。

結(jié)論

總有機(jī)碳 (TOC) 是水質(zhì)監(jiān)測中的關(guān)鍵參數(shù)，影響從法規(guī)遵從性到各種應(yīng)用中水處理過程的有效性等各個方面。無論您是處理飲用水、管理廢水，還是在環(huán)境或工業(yè)環(huán)境中工作，準(zhǔn)確測量 TOC 都有助于確保水安全和運(yùn)營效率。由于有各種 TOC 分析儀和技術(shù)可供選擇，因此選擇適合您特定需求的解決方案至關(guān)重要。