Общий органический углерод (англ. Total organic carbon - ТОС) — это количество углерода, содержащегося в органическом соединении, и часто используется в качестве неспецифического показателя качества воды или чистоты фармацевтического производственного оборудования. ТОС может также относиться к количеству органического углерода в почве или в геологической формации, особенно в исходной породе для группы нефтяных месторождений.

Типичный анализ общего углерода (TC) измеряет как общий присутствующий органический углерод (TOC), так и дополняющий его общий неорганический углерод (TIC), причем последний представляет собой количество неорганического углерода, как углерод в карбонатных минералах. Вычитание неорганического углерода из общего количества углерода дает TOC. Другой распространенный вариант анализа TOC включает в себя сначала удаление части TIC, а затем измерение оставшегося углерода. Этот метод включает в себя продувку подкисленного образца безуглеродным воздухом или азотом перед измерением и поэтому более точно называется неочищаемым органическим углеродом (NPOC).

Измерение Поскольку все анализаторы TOC фактически измеряют только общий углерод, анализ TOC всегда требует некоторого учета неорганического углерода, который всегда присутствует. Один метод анализа включает в себя двухэтапный процесс, обычно называемый TC-IC. Он измеряет количество неорганического углерода (IC), выделенного из подкисленной аликвоты образца, а также количество общего углерода (TC), присутствующего в образце. TOC вычисляется путем вычитания значения IC из TC образца. Другой вариант использует подкисление образца для выделения углекислого газа и измерения его в виде неорганического углерода (IC), а затем окисление и измерение оставшегося неочищаемого органического углерода (NPOC). Более распространенный метод непосредственно измеряет TOC в образце, снова подкисляя образец до значения рН два или меньше, чтобы высвободить газ IC, но в этом случае в воздух не для измерения. Оставшийся неочищаемый газ CO2 (NPOC), содержащийся в жидкой аликвоте, затем окисляется, высвобождая газы. Затем эти газы направляются на детектор для измерения.

Независимо от того, проводится ли анализ TOC методами TC-IC или NPOC, он может быть разбит на три основных этапа:

Подкисление; Окисление; Обнаружение и количественная оценка.

Первая стадия — подкисление образца для удаления газов IC и POC. Выброс этих газов в детектор для измерения или в воздух зависит от того, какой тип анализа представляет интерес: первый — для TC-IC, а второй — для TOC (NPOC).

Подкисление Добавление кислоты и инертного газа позволяет всем бикарбонатным и карбонатным ионам превращаться в углекислый газ, и этот продукт IC выпускается вместе с любым NPOC, который присутствовал.

Окисление Вторая стадия — это окисление углерода в оставшемся образце в виде углекислого газа (CO2) и других газов. Современные анализаторы TOC выполняют эту стадию окисления несколькими процессами:

Высокотемпературное горение; Высокотемпературное каталитическое окисление (HTCO); Только фотоокисление; Термо-химическое оксидирование; Фото-химическое оксидирование; Электролитическое окисление.

Высокотемпературное горение Подготовленные образцы сжигают при температуре 1200 °C в богатой кислородом атмосфере. Весь присутствующий углерод превращается в углекислый газ, проходит через скрубберные трубки для удаления помех, таких как газообразный хлор и водяной пар, и углекислый газ измеряется либо путем поглощения в сильное основание, а затем взвешивается, либо с помощью инфракрасного детектора. Большинство современных анализаторов используют недисперсионное инфракрасное излучение (NDIR) для обнаружения углекислого газа. По сравнению с обычным высокотемпературным каталитическим окислением большое преимущество метода горения заключается в высокой мощности окисления, так что катализаторы, способствующие окислению, являются излишними.

Высокотемпературное каталитическое окисление Ручной или автоматизированный процесс впрыскивает образец на платиновый катализатор при температуре 680 °C в богатой кислородом атмосфере. Концентрация образующегося углекислого газа измеряется с помощью недисперсионного инфракрасного детектора (NDIR).

Окисление образца завершается после закачки в печь, превращая окисляемый материал в образце в газообразную форму. Газ-носитель, не содержащий углерода, транспортирует CO2 через влагоуловитель и галогенидные скрубберы для удаления водяного пара и галогенидов из газового потока до того, как он достигнет детектора. Эти вещества могут мешать обнаружению газа CO2. Метод HTCO может быть полезен в тех областях применения, где присутствуют трудноокисляемые соединения или высокомолекулярные органические вещества, поскольку он обеспечивает почти полное окисление органических веществ, включая твердые вещества и частицы, достаточно мелкие для впрыска в печь. Основным недостатком анализа НТКО является его нестабильная базовая линия, возникающая в результате постепенного накопления нелетучих остатков в трубе сгорания. Эти остатки непрерывно изменяют фоновые уровни TOC, требуя непрерывной коррекции фона. Поскольку водные образцы вводятся непосредственно в очень горячую, обычно кварцевую, печь, можно обрабатывать только небольшие аликвоты (менее 2 миллилитров и обычно менее 400 микролитров) образца, что делает методы менее чувствительными, чем методы химического окисления, способные переваривать в 10 раз больше образца. Кроме того, содержание соли в образцах не сгорает, и поэтому постепенно образуется осадок внутри трубки сгорания, в конечном счете засоряющий катализатор, что приводит к плохой форме пиков и ухудшению точности или точности, если не соблюдаются соответствующие процедуры технического обслуживания. Катализатор должен быть регенерирован или заменен по мере необходимости. Чтобы избежать этой проблемы, обрабатывающая промышленность разработала несколько концепций, таких как матричное разделение, керамические реакторы, лучшее управление технологическим процессом или методы без катализаторов.

Фотоокисление (ультрафиолетовое излучение) В этой схеме окисления только ультрафиолетовый свет окисляет углерод в образце с образованием CO2. Метод УФ-окисления предлагает наиболее надежный и малозатратный метод анализа ТОС в сверхчистых водах.

Термохимическое окисление персульфатом Также известный как нагретый персульфат, этот метод использует то же образование свободных радикалов, что и УФ-окисление персульфата, за исключением использования тепла для увеличения окислительной способности персульфата. Химическое окисление углерода сильным окислителем, таким как персульфат, является высокоэффективным и, в отличие от УФ-излучения, не подвержено более низким восстановлениям, вызванным мутностью образцов. Анализ системных заготовок, необходимый во всех химических процедурах, особенно необходим при использовании методов ТОС с нагретым персульфатом, поскольку этот метод настолько чувствителен, что химические реактивы не могут быть приготовлены с достаточно низким содержанием углерода, чтобы их нельзя было обнаружить. Персульфатные методы используются при анализе сточных вод, питьевой воды и фармацевтических вод. При использовании в сочетании с чувствительными детекторами NDIR нагретые персульфатные приборы TOC легко измеряют TOC в однозначных частях на миллиард (ppb) до сотен частей на миллион (ppm) в зависимости от объема пробы.

Обнаружение и количественная оценка Точное обнаружение и количественная оценка являются наиболее важными компонентами процесса анализа TOC. Проводимость и недисперсионный инфракрасный анализатор (NDIR) являются двумя распространенными методами обнаружения, используемые в современных анализаторах ТОС.

Проводимость Существует два типа детекторов проводимости: прямой и мембранный. Прямая проводимость обеспечивает всеобъемлющий подход к измерению CO2. Этот метод обнаружения не использует газ-носитель, хорош в диапазонах частей на миллиард (ppb), но имеет очень ограниченный аналитический диапазон. Проводимость мембраны зависит от фильтрации CO2 перед измерением его с помощью ячейки проводимости. Оба метода анализируют проводимость образца до и после окисления, приписывая это дифференциальное измерение TOC образца. Во время фазы окисления образца образуется CO2 (непосредственно связанный с ТОС в образце) и другие газы.

Растворенный CO2 образует слабую кислоту, тем самым изменяя проводимость исходного образца пропорционально ТОС в образце. Анализ проводимости предполагает, что в растворе присутствует только CO2. До тех пор, пока это верно, то расчет TOC с помощью этого дифференциального измерения является действительным. Однако в зависимости от химических веществ, присутствующих в образце, и их отдельных продуктов окисления они могут оказывать либо положительное, либо отрицательное влияние на фактическое значение ТОС, что приводит к аналитической ошибке. Некоторые из мешающих химических видов включают Cl−, HCO3− , SO32−, SO2−, ClO2− и H+. Небольшие изменения рН и колебания температуры также способствуют неточности. Мембранные анализаторы проводимости улучшили подход прямой проводимости, включив использование гидрофобных газопроницаемых мембран, чтобы обеспечить более «селективное» прохождение растворенного газа CO2 и ничего больше. Это обеспечивает более точное и точное измерение органических веществ, которые были преобразованы в CO2.

Недисперсионный инфракрасный анализатор (NDIR) Метод недисперсионного инфракрасного анализа (NDIR) предлагает единственный практический метод без помех для обнаружения CO2 в анализе TOC. Основное преимущество использования NDIR заключается в том, что он непосредственно и конкретно измеряет CO2, образующийся при окислении органического углерода в реакторе окисления, а не полагается на измерение вторичного, скорректированного эффекта, такого как используемый при измерениях проводимости.

Традиционный детектор NDIR основан на технологии проточной ячейки, при которой продукт окисления непрерывно поступает в детектор и выходит из него. Область поглощения инфракрасного света, специфичная для CO2, обычно около 4,26 мкм (2350 см−1), измеряется с течением времени по мере прохождения газа через детектор. Также проводится второе эталонное измерение, которое не является специфичным для CO2, и дифференциальный результат коррелирует с концентрацией CO2 в детекторе в этот момент. По мере того как газ продолжает поступать в ячейку детектора и выходить из нее, сумма измерений приводит к пику, который интегрируется и коррелируется с общей концентрацией CO2 в аликвоте образца.

Новым достижением технологии NDIR является статическая концентрация под давлением (SPC). Выход клапана с помощью NDIR закрыт, чтобы позволить детектор, чтобы стать под давлением. Как только газы в детекторе достигли равновесия, анализируется концентрация CO2. Это давление потока газа образца в NDIR, запатентованной методике, позволяет повысить чувствительность и точность измерения всей совокупности продуктов окисления образца за одно считывание по сравнению с технологией проточной ячейки. Выходной сигнал пропорционален концентрации CO2 в газе-носителе, образующемся при окислении образца аликвоты. Персульфатное окисление в сочетании с обнаружением NDIR обеспечивает хорошее окисление органических веществ, низкое техническое обслуживание прибора, хорошую точность на уровнях ppb, относительно быстрое время анализа образцов и легко приспосабливается к различным областям применения, включая очищенную воду (PW), воду для инъекций (WFI), CIP, питьевую воду и анализы сверхчистой воды.

Анализаторы