EN
VI
Các thành phần của tổng carbon
Giai đoạn đầu tiên là axit hóa mẫu để loại bỏ khí IC và POC. Việc giải phóng các khí này vào máy dò để đo hoặc vào không khí phụ thuộc vào loại phân tích nào được quan tâm, loại thứ nhất dành cho TC-IC và loại thứ hai dành cho TOC (NPOC).
Việc bổ sung axit và phun khí trơ cho phép tất cả các ion bicacbonat và cacbonat được chuyển đổi thành cacbon đioxit, và sản phẩm IC này thoát ra cùng với bất kỳ cacbon hữu cơ có thể tẩy sạch (POC) nào có mặt.
Giai đoạn thứ hai là quá trình oxy hóa carbon trong mẫu còn lại ở dạng carbon dioxide (CO2) và các loại khí khác. Máy phân tích TOC hiện đại thực hiện bước oxy hóa này bằng một số quy trình:
Tất cả carbon hiện có chuyển thành carbon dioxide, chảy qua các ống lọc để loại bỏ các chất cản trở như khí clo và hơi nước, và carbon dioxide được đo bằng cách hấp thụ vào một bazơ mạnh rồi cân hoặc sử dụng máy dò hồng ngoại. Hầu hết các máy phân tích hiện đại sử dụng hồng ngoại không phân tán (NDIR) để phát hiện carbon dioxide. So với quá trình oxy hóa xúc tác ở nhiệt độ cao thông thường, lợi ích lớn của phương pháp đốt cháy là khả năng oxy hóa cao, do đó các chất xúc tác thúc đẩy quá trình oxy hóa là không cần thiết.
Một ống đốt được đóng gói với chất xúc tác bạch kim
Quy trình thủ công hoặc tự động bơm mẫu vào chất xúc tác bạch kim ở 680 °C trong môi trường giàu oxy. Nồng độ carbon dioxide tạo ra được đo bằng máy dò hồng ngoại không phân tán (NDIR).
Quá trình oxy hóa mẫu hoàn tất sau khi bơm vào lò, biến chất oxy hóa trong mẫu thành dạng khí. Khí mang không chứa carbon vận chuyển CO2, qua bẫy ẩm và bộ lọc halogen để loại bỏ hơi nước và halogenua khỏi dòng khí trước khi đến máy dò. Những chất này có thể cản trở việc phát hiện khí CO2.
Phát hiện và định lượng chính xác là những thành phần quan trọng nhất của quy trình phân tích TOC. Tính dẫn điện và tia hồng ngoại không phân tán (NDIR) là hai phương pháp phát hiện phổ biến được sử dụng trong các máy phân tích TOC hiện đại.
Phương pháp phân tích hồng ngoại không phân tán (NDIR) cung cấp phương pháp thực tế duy nhất không gây nhiễu để phát hiện CO2 trong phân tích TOC. Ưu điểm chính của việc sử dụng NDIR là nó đo trực tiếp và cụ thể lượng CO2 được tạo ra do quá trình oxy hóa cacbon hữu cơ trong lò phản ứng oxy hóa, thay vì dựa vào phép đo hiệu ứng thứ cấp, đã hiệu chỉnh, chẳng hạn như được sử dụng trong phép đo độ dẫn điện.
Đồ thị truyền qua khí quyển trong một phần của vùng IR thể hiện các bước sóng hấp thụ CO2
Đầu dò NDIR của TE Isntruments
Máy dò NDIR truyền thống dựa trên công nghệ dòng chảy qua tế bào, trong đó sản phẩm oxy hóa chảy vào và ra khỏi máy dò liên tục. Vùng hấp thụ ánh sáng hồng ngoại đặc trưng cho CO2, thường khoảng 4,26 µm (2350 cm−1), được đo theo thời gian khi khí chảy qua máy dò. Phép đo tham chiếu thứ hai không dành riêng cho CO2 cũng được thực hiện và kết quả khác biệt tương quan với nồng độ CO2 trong máy dò tại thời điểm đó. Khi khí tiếp tục chảy vào và ra khỏi ô dò, tổng các phép đo dẫn đến một đỉnh được tích hợp và tương quan với tổng nồng độ CO2 trong phần mẫu thử.
Một bước tiến mới của công nghệ NDIR là nồng độ áp suất tĩnh (SPC). Van thoát của NDIR được đóng lại để cho phép máy dò trở nên có áp suất. Khi các khí trong máy dò đã đạt đến trạng thái cân bằng, nồng độ của CO2 được phân tích. Việc điều áp dòng khí mẫu này trong NDIR, một kỹ thuật đã được cấp bằng sáng chế, cho phép tăng độ nhạy và độ chính xác bằng cách đo toàn bộ các sản phẩm oxy hóa của mẫu trong một lần đọc, so với công nghệ tế bào chảy qua.
Tín hiệu đầu ra tỷ lệ thuận với nồng độ CO2 trong khí mang, từ quá trình oxy hóa phần mẫu thử. Quá trình oxy hóa UV/Persulfate kết hợp với phát hiện NDIR giúp oxy hóa tốt các chất hữu cơ, ít phải bảo trì thiết bị, độ chính xác cao ở mức ppb, thời gian phân tích mẫu tương đối nhanh và dễ dàng đáp ứng nhiều ứng dụng, bao gồm nước tinh khiết (PW), nước pha tiêm (WFI), CIP , phân tích nước uống và nước siêu tinh khiết.
Hầu như tất cả các máy phân tích TOC đều đo lượng CO2 được hình thành khi cacbon hữu cơ bị oxy hóa và/hoặc khi cacbon vô cơ bị axit hóa. Quá trình oxy hóa được thực hiện thông qua quá trình đốt cháy có xúc tác Pt, bằng persulfate được đun nóng hoặc bằng lò phản ứng UV/persulfate. Sau khi CO2 được hình thành, nó được đo bằng máy dò: tế bào dẫn điện (nếu CO2 ở dạng nước) hoặc tế bào hồng ngoại không phân tán (sau khi lọc CO2 dạng nước thành pha khí).
Khả năng phát hiện độ dẫn điện chỉ được mong muốn trong phạm vi TOC thấp hơn trong nước khử ion, trong khi khả năng phát hiện NDIR vượt trội trong tất cả các phạm vi TOC. Một biến thể được mô tả là “phát hiện đo độ dẫn màng có thể cho phép đo TOC trên phạm vi phân tích rộng ở cả mẫu nước đã khử ion và không khử ion. Các thiết bị TOC hiệu suất cao hiện đại có khả năng phát hiện nồng độ carbon dưới 1 µg/L (1 phần) trên một tỷ hoặc ppb).
Máy phân tích tổng cacbon hữu cơ xác định lượng cacbon trong mẫu nước. Bằng cách axit hóa mẫu và xả bằng nitơ hoặc heli, mẫu sẽ loại bỏ cacbon vô cơ, chỉ để lại nguồn cacbon hữu cơ để đo. Có hai loại máy phân tích. Một sử dụng quá trình đốt cháy và quá trình oxy hóa hóa học khác. Điều này được sử dụng như một bài kiểm tra độ tinh khiết của nước, vì sự hiện diện của vi khuẩn sẽ tạo ra carbon hữu cơ.
Máy phân tích TOC từ TE Instrument Xpert
Trong máy phân tích quá trình đốt cháy, một nửa mẫu được bơm vào buồng nơi mẫu được axit hóa, thường là bằng axit photphoric, để biến tất cả cacbon vô cơ thành cacbon điôxít theo phản ứng sau:
CO2 + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ H+ + HCO3− ⇌ 2H+ + CO32−
Điều này sau đó được gửi đến một máy dò để đo lường. Nửa còn lại của mẫu được bơm vào buồng đốt được nâng lên từ 600–700 °C, một số thậm chí lên tới 1200 °C. Tại đây, tất cả carbon phản ứng với oxy, tạo thành carbon dioxide. Sau đó, nó được xả vào buồng làm mát, và cuối cùng vào máy dò. Thông thường, detector được sử dụng là máy quang phổ hồng ngoại không tán sắc. Bằng cách tìm tổng lượng carbon vô cơ và trừ nó khỏi tổng hàm lượng carbon, lượng carbon hữu cơ được xác định.
Ống đốt của máy phân tích TOC từ TE Instruments
Máy phân tích oxy hóa hóa học bơm mẫu vào buồng chứa axit photphoric, sau đó là lưu huỳnh. Việc phân tích được chia thành hai bước. Người ta loại bỏ carbon vô cơ bằng cách axit hóa và thanh lọc. Sau khi loại bỏ cacbon persunfat vô cơ, chất này được thêm vào và mẫu được làm nóng hoặc bắn phá bằng tia UV từ đèn hơi thủy ngân. Các gốc tự do tạo thành persulfate và phản ứng với bất kỳ carbon nào có sẵn để tạo thành carbon dioxide.
Cacbon từ cả hai phép xác định (các bước) hoặc được chạy qua các màng đo độ dẫn điện thay đổi do sự có mặt của các lượng cacbon dioxit khác nhau, hoặc được đưa vào và phát hiện bằng máy dò NDIR. Giống như thiết bị phân tích quá trình đốt cháy, tổng lượng cacbon được tạo thành trừ đi lượng cacbon vô cơ sẽ đưa ra ước tính chính xác về tổng lượng cacbon hữu cơ trong mẫu. Phương pháp này thường được sử dụng trong các ứng dụng trực tuyến vì yêu cầu bảo trì thấp.
Phần mềm điều khiển TEI2
Kể từ đầu những năm 1970, TOC là một kỹ thuật phân tích được sử dụng để đo chất lượng nước trong quá trình lọc nước uống. TOC trong nước nguồn đến từ chất hữu cơ tự nhiên đang phân hủy (NOM) cũng như các nguồn tổng hợp. Axit humic, axit fulvic, amin và urê là những ví dụ về NOM. Một số chất tẩy rửa, thuốc trừ sâu, phân bón, thuốc diệt cỏ, hóa chất công nghiệp và chất hữu cơ clo hóa là những ví dụ về nguồn tổng hợp.
Trước khi nước nguồn được xử lý để khử trùng, TOC cung cấp ước tính lượng NOM trong nguồn nước. Trong các cơ sở xử lý nước, nước nguồn có thể phản ứng với các chất khử trùng có chứa clo. Khi nước thô được khử trùng bằng clo, các hợp chất clo hoạt tính (Cl2, HOCl, ClO−) phản ứng với NOM để tạo ra các sản phẩm phụ khử trùng bằng clo (DBP). Các nhà nghiên cứu đã xác định rằng mức NOM cao hơn trong nước nguồn trong quá trình khử trùng sẽ làm tăng lượng chất gây ung thư trong nước uống đã qua xử lý.
Với việc thông qua Đạo luật Nước uống An toàn của Hoa Kỳ năm 2001, phân tích TOC nổi lên như một phương pháp thay thế nhanh chóng và chính xác cho các xét nghiệm nhu cầu oxy sinh học (BOD) và nhu cầu oxy hóa học (COD) cổ điển nhưng kéo dài hơn, vốn được dành riêng để đánh giá khả năng gây ô nhiễm của nước thải. Ngày nay, các cơ quan môi trường quy định giới hạn vết của DBPs trong nước uống. Các phương pháp phân tích được công bố gần đây, chẳng hạn như phương pháp 415.3 của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), hỗ trợ các Quy tắc về Sản phẩm phụ Khử trùng và Chất khử trùng của Cơ quan, trong đó quy định lượng NOM để ngăn chặn sự hình thành DBP trong nước thành phẩm.
Hàm lượng TOC cũng là một thông số quan trọng để đánh giá chất lượng của tài nguyên đá phiến sét hữu cơ, một trong những loại nhiên liệu phi truyền thống quan trọng nhất. Nhiều phương pháp đánh giá đã được giới thiệu, bao gồm cả những phương pháp dựa trên nhật ký hữu tuyến và kỹ thuật tại chỗ.
ISO 20236:2018 : Water quality — Determination of total organic carbon (TOC), dissolved organic carbon (DOC), total bound nitrogen (TNb) and dissolved bound nitrogen (DNb) after high temperature catalytic oxidative combustion
ISO 8245 : Water quality — Guidelines for the determination of total organic carbon (TOC) and dissolved organic carbon (DOC)
EN 1484 : Water analysis. Guidelines for the determination of total organic carbon (TOC) and dissolved organic carbon (DOC)
EPA 415.3 : Organic Carbon, Total (Combustion or Oxidation)
EPA 9060 : SW-846 Test Method 9060A: Total Organic Carbon
ASTM D7573 : Standard Test Method for Total Carbon and Organic Carbon in Water by High Temperature Catalytic Combustion and Infrared Detection
SM 5310B : Total Organic Carbon (TOC) High-Temperature Combustion Method
USP <643> Total Organic Carbon
HJ 501-2009 , GB 13193-91 , HJ/T 71-2001 : Water quality—Determination of total organic carbon—Combustion oxidation nondispersive infrared absorption method
Phạm vi ứng dụng của các tiêu chuẩn trong phân tích TOC
Xem chi tiết Thiết bị phân tích TOC tại đây
Xem chi tiết sản phẩm Phân tích của TE Instruments tại đây
Xem chi tiết về TE Instruments tại đây
