TOC测量

TOC测量

什么是 TOC？

总有机碳测量样品中的有机污染物含量。TOC 分析在全球范围内不断进行，这对人类的安全和成功至关重要。有机污染会降低离子交换能力并导致不良生物生长，使处理过的水不安全。更不用说，水处理会产生环境保护署 (EPA)监管的有害副产品，因此 TOC 分析有助于市政当局确定其处理过程的有效性。

如何测量 TOC？

简而言之，TOC 分析仪的作用 是将有机化合物氧化成 CO 2并测量产生的 CO 2量 。无论采用哪种氧化技术，都必须通过测量或去除样品总碳 (TC) 中的各种馏分来确定 TOC。这些馏分定义如下：

总有机碳 (TOC) — 有机分子中共价结合的所有碳原子

无机碳 (IC) — 碳酸盐、碳酸氢盐和溶解的CO2

溶解有机碳 (DOC) — 通过 0.45 微米孔径过滤器的 TOC 部分

悬浮有机碳（也称为颗粒有机碳） ——0.45 微米过滤器截留的 TOC 分数

可清除有机碳 (POC，有时称为挥发性有机碳) — 在特定条件下通过气体剥离从水溶液中去除的 TOC 部分

不可清除有机碳 (NPOC) — 未被气体吹扫去除的 TOC 部分。在大多数情况下，无机碳被清除，但未被“测定"，在这种情况下，仅测定 NPOC，而 POC 则被认为可以忽略不计。

这张图直观地展示了 TC 各部分的划分方式：

其他重要条款：

试剂空白– 检测器响应是在未引入样品或标准的情况下使用试剂进行的分析序列产生的。此响应是由于试剂、气体、消解容器和/或管道中的碳污染造成的。

标准——任何已知添加碳量的样品

水空白或仪器方法空白– 分析仪对水中碳含量的响应。这是通过在校准期间使用水作为零浓度标准来测量的。

确定 TOC

总有机碳由有机分子中结合的所有碳原子组成。具体来说，它是衡量有机化合物中所有碳的量度，这些碳在去除无机碳后通过氧化转化为二氧化碳。确定 TOC 的两种常用技术是减法 TOC 和吹扫法 TOC。

在减法 TOC 中，测量 IC，然后从测量的 TC 中减去：

减法 TOC 的优点是 POC 损失最小。但是，这种技术有几个缺点。与鼓泡法 TOC 相比，减法 TOC 的通量较差，因为它需要两次分析才能得到一个 TOC 结果。这种技术不适用于 IC 含量高的样品，其中 IC 含量超过预期 TOC 结果的 50%。

在 TOC 中，通过喷射法，在进行任何测量之前，IC 会从样品中清除。如果 POC 可以忽略不计，则在此技术中 TOC 等于 NPOC。因此，喷射法 TOC 有时被称为 NPOC 技术。

吹扫法 TOC 比减法 TOC 更快，因为只需一次分析即可确定 TOC。对于含有大量 IC 的样品，它具有最佳准确度，并且总体精度更高，因为没有 IC 减法的干扰。该技术的缺点是它不测量 POC。

主要步骤

TOC 分析可分为四个主要步骤：样品引入、氧化、检测和显示。每个步骤都有多种完成方式；这最终取决于所使用的 TOC 分析仪。

样品引入

可以使用一次分析一个样品的简单吸管系统进行样品引入。或者也许有一个免费的自动采样器，允许用户将多个样品加载到序列中进行分析。如果 TOC 分析仪是在线 TOC 分析仪，则它直接连接到水泵系统并自动收集样品以进行分析。

氧化

有几种经批准的标准方法可用于测量 TOC，包括湿化学过硫酸盐氧化和高温催化氧化（燃烧）。湿化学 TOC 分析涉及通过试剂和热量或紫外线灯将有机碳氧化为 CO 2。湿化学氧化的这两个分支是加热过硫酸盐和紫外线过硫酸盐。用于 TOC 分析的燃烧方法涉及将样品注入带有氧化催化剂的加热反应室中。燃烧 TOC 涵盖在 SM 5310B 中，而加热过硫酸盐和紫外线过硫酸盐方法涵盖在 SM 5310C 中。

检测

在 TOC 分析中，检测通常通过固态非色散红外检测器 (NDIR) 来实现，以测量样品的有机物含量。NDIR 的工作原理是将红外光束照射到装有 CO 2样品气体的容器中。然后，它会测量样品在特定波长范围内吸收的红外线量。例如，CO 2吸收 4.26 µm 的红外波长范围。

显示

最后，显示是指检测步骤中获得的数据如何可视化。这一步骤从21世纪的技术革命中受益匪浅。许多 TOC 分析仪都配有内置计算机和触摸屏界面，或者由外部 PC 上的软件控制。

选择氧化技术

由于两种氧化方法在 TOC 分析仪中的作用相同，因此在为您的实验室购买 TOC 分析仪之前，必须考虑每种技术的优缺点。燃烧技术更适合分析含有悬浮物质（如腐殖酸、细菌、植被或特定的高分子量分子）的有机碳，或者更普遍地适用于高于 1 ppm C 的样品。这种技术在低于 1 ppm C 的碳水平下效率较低，因为燃烧技术的温度较高，限制了可注入系统的样品量。燃烧技术的主要缺点是由于催化剂上的碳记忆效应，通常存在更高的系统空白（或更高的背景）。

当需要进行低浓度检测时，两种湿化学氧化技术的表现明显更好。反应发生在比燃烧低得多的温度下（95-100°C，而燃烧温度 >680°C），因此可以将大量样品注入系统而不必担心快速膨胀。虽然这两种湿化学技术都比燃烧技术更精确、更可靠，但加热过硫酸盐是可靠的技术。在加热过硫酸盐技术中，热量通过对流与试剂发生反应，而在紫外过硫酸盐中，紫外光会激活过硫酸盐。因此，浑浊的样品可能会降低到达样品基质的紫外光强度，从而降低系统的氧化能力。

水处理

测量处理过的水中的 TOC 对确保饮用水处理过程的有效性至关重要。在处理过程中，TOC 是源水中有机物质的指标，需要降低有机物质的含量才能达到监管标准。高浓度的 TOC 与有害消毒副产物 (DBP) 的形成增加有关，例如三卤甲烷 (THM)和卤乙酸 (HAA)，这些物质受美国环保署的《消毒剂和消毒副产物规则》(DBPR)监管。

典型水处理工艺的第一步包括化学凝结、絮凝、沉淀和过滤，所有这些步骤都旨在去除水中的有机碳。TOC 测量提供了一种可靠的方法来评估这些步骤之前和之后的有机负荷。对于地表水系统，EPA 规定了特定百分比的 TOC 去除率，具体取决于源水中的 TOC 浓度。通常，源水 TOC 水平范围为 2 至 4 mg/L，处理厂的目标是将成品水中的 TOC 水平控制在 2 mg/L 以下。

TOC 还在监测三卤甲烷（氯消毒的副产品）的形成方面发挥着关键作用。氯与水中的有机碳化合物发生反应，如果没有适当的 TOC 控制，就会导致三卤甲烷的形成，从而带来肝脏、肾脏或中枢神经系统等健康风险。水处理厂可以通过在处理过程的各个阶段（尤其是在过滤后和消毒前）密切监测 TOC 水平来降低三卤甲烷形成的可能性。

YSI 的9220 总有机碳分析仪采用加热过硫酸盐氧化和非色散红外 (NDIR) 检测，为监测饮用水处理应用中的 TOC 水平提供了高度可靠的解决方案。9220 TOC 分析仪符合 EPA 合规标准 (SM 5310C、EPA 514.3)，可确保在整个处理过程中准确、实时地监测 TOC，有助于最大限度地减少 DBP 的形成并保障公众健康。

要了解更多信息，请查看我们关于水处理 TOC 和 THM 监测解决方案的网络研讨会以及关于管理饮用水处理中的 TOC 和 THM 风险管理的博客。

TOC废水

废水
污水处理设施分析流入污水的 TOC，以规划和简化处理流程。城市的工业扩张导致污水负荷增加，这对确定污水量、有机物和需氧量究竟会增加多少提出了挑战。为了做好准备，污水处理设施可以测试 TOC 和/或使用生物需氧量 (BOD) 和化学需氧量 (COD) 代替 TOC 来确定有机负荷和需氧量。

TOC 食品和饮料

了解食品和饮料的成分对于健康生活方式至关重要。TOC 分析在食品和饮料领域越来越普遍，包括食品过程控制中的应用，以确定产品因废水而损失（常见于乳制品行业）以及纯有机食品和饮料的质量控制，以对抗人工添加剂（用于蜂蜜、枫糖浆和其他天然食品）。通过这种方式，TOC 分析可以帮助公司增加收入和消费者对其产品的信心。

TOC 环境

TOC 分析在环境分析中起着至关重要的作用，许多城市使用合同环境实验室来测试其水和废水中的污染物。然而，TOC 不仅限于水分析，OI Analytical 提供多种可选套件来扩展传统 TOC 分析的功能。1030S固体模块有自己的内置炉子和坩埚用于样品燃烧，但它使用1030W 或1030D 上的 NDIR 来测试土壤、污泥或泥浆等固体样品。

使用 TN b套件，燃烧过程会同时释放碳和氮。在燃烧管后添加 NOX 转换器，将氮转化为一氧化氮。此后，用于 TOC 的相同氧气载气将碳和氮输送到 NDIR，然后将氮输送到添加的电化学检测器进行分析。

研究与学术

世界各地的科学家都在寻找新的、令人兴奋的方法来使用现有技术。TOC 分析继续成为这一努力的一部分，包括用于基因研究的血液和血浆分析、用于环境影响研究的受污染水和土壤分析以及用于农业和工业应用的超纯水分析。碳测年和环境灾害响应应用在学术界也变得越来越普遍，尤其是随着全球变暖威胁的加剧。

结论

总有机碳 (TOC) 是水质监测中的关键参数，影响从法规遵从性到各种应用中水处理过程的有效性等各个方面。无论您是处理饮用水、管理废水，还是在环境或工业环境中工作，准确测量 TOC 都有助于确保水安全和运营效率。由于有各种 TOC 分析仪和技术可供选择，因此选择适合您特定需求的解决方案至关重要。