TOC測量

什么是 TOC？

總有機碳測量樣品中的有機污染物含量。TOC 分析在全球范圍內不斷進行，這對人類的安全和成功至關重要。有機污染會降低離子交換能力并導致不良生物生長，使處理過的水不安全。更不用說，水處理會產生環境保護署 (EPA)監管的有害副產品，因此 TOC 分析有助于市政當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 是將有機化合物氧化成 CO 2并測量產生的 CO 2量 。無論采用哪種氧化技術，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：

總有機碳 (TOC) — 有機分子中共價結合的所有碳原子

無機碳 (IC) — 碳酸鹽、碳酸氫鹽和溶解的CO2

溶解有機碳 (DOC) — 通過 0.45 微米孔徑過濾器的 TOC 部分

懸浮有機碳（也稱為顆粒有機碳） ——0.45 微米過濾器截留的 TOC 分數

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

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

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– 檢測器響應是在未引入樣品或標準的情況下使用試劑進行的分析序列產生的。此響應是由于試劑、氣體、消解容器和/或管道中的碳污染造成的。

標準——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。這是通過在校準期間使用水作為零濃度標準來測量的。

確定 TOC

總有機碳由有機分子中結合的所有碳原子組成。具體來說，它是衡量有機化合物中所有碳的量度，這些碳在去除無機碳后通過氧化轉化為二氧化碳。確定 TOC 的兩種常用技術是減法 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 的優點是 POC 損失最小。但是，這種技術有幾個缺點。與鼓泡法 TOC 相比，減法 TOC 的通量較差，因為它需要兩次分析才能得到一個 TOC 結果。這種技術不適用于 IC 含量高的樣品，其中 IC 含量超過預期 TOC 結果的 50%。

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

吹掃法 TOC 比減法 TOC 更快，因為只需一次分析即可確定 TOC。對于含有大量 IC 的樣品，它具有最佳準確度，并且總體精度更高，因為沒有 IC 減法的干擾。該技術的缺點是它不測量 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進行樣品引入。或者也許有一個免費的自動采樣器，允許用戶將多個樣品加載到序列中進行分析。如果 TOC 分析儀是在線 TOC 分析儀，則它直接連接到水泵系統并自動收集樣品以進行分析。

氧化

有幾種經批準的標準方法可用于測量 TOC，包括濕化學過硫酸鹽氧化和高溫催化氧化（燃燒）。濕化學 TOC 分析涉及通過試劑和熱量或紫外線燈將有機碳氧化為 CO 2。濕化學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，檢測通常通過固態非色散紅外檢測器 (NDIR) 來實現，以測量樣品的有機物含量。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據如何可視化。這一步驟從21世紀的技術革命中受益匪淺。許多 TOC 分析儀都配有內置計算機和觸摸屏界面，或者由外部 PC 上的軟件控制。

選擇氧化技術

由于兩種氧化方法在 TOC 分析儀中的作用相同，因此在為您的實驗室購買 TOC 分析儀之前，必須考慮每種技術的優缺點。燃燒技術更適合分析含有懸浮物質（如腐殖酸、細菌、植被或特定的高分子量分子）的有機碳，或者更普遍地適用于高于 1 ppm C 的樣品。這種技術在低于 1 ppm C 的碳水平下效率較低，因為燃燒技術的溫度較高，限制了可注入系統的樣品量。燃燒技術的主要缺點是由于催化劑上的碳記憶效應，通常存在更高的系統空白（或更高的背景）。

當需要進行低濃度檢測時，兩種濕化學氧化技術的表現明顯更好。反應發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而不必擔心快速膨脹。雖然這兩種濕化學技術都比燃燒技術更精確、更可靠，但加熱過硫酸鹽是可靠的技術。在加熱過硫酸鹽技術中，熱量通過對流與試劑發生反應，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樣品基質的紫外光強度，從而降低系統的氧化能力。

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重要。在處理過程中，TOC 是源水中有機物質的指標，需要降低有機物質的含量才能達到監管標準。高濃度的 TOC 與有害消毒副產物 (DBP) 的形成增加有關，例如三鹵甲烷 (THM)和鹵乙酸 (HAA)，這些物質受美國環保署的《消毒劑和消毒副產物規則》(DBPR)監管。

典型水處理工藝的第一步包括化學凝結、絮凝、沉淀和過濾，所有這些步驟都旨在去除水中的有機碳。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負荷。對于地表水系統，EPA 規定了特定百分比的 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，處理廠的目標是將成品水中的 TOC 水平控制在 2 mg/L 以下。

TOC 還在監測三鹵甲烷（氯消毒的副產品）的形成方面發揮著關鍵作用。氯與水中的有機碳化合物發生反應，如果沒有適當的 TOC 控制，就會導致三鹵甲烷的形成，從而帶來肝臟、腎臟或中樞神經系統等健康風險。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）密切監測 TOC 水平來降低三鹵甲烷形成的可能性。

YSI 的9220 總有機碳分析儀采用加熱過硫酸鹽氧化和非色散紅外 (NDIR) 檢測，為監測飲用水處理應用中的 TOC 水平提供了高度可靠的解決方案。9220 TOC 分析儀符合 EPA 合規標準 (SM 5310C、EPA 514.3)，可確保在整個處理過程中準確、實時地監測 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，請查看我們關于水處理 TOC 和 THM 監測解決方案的網絡研討會以及關于管理飲用水處理中的 TOC 和 THM 風險管理的博客。

TOC廢水

廢水
污水處理設施分析流入污水的 TOC，以規劃和簡化處理流程。城市的工業擴張導致污水負荷增加，這對確定污水量、有機物和需氧量究竟會增加多少提出了挑戰。為了做好準備，污水處理設施可以測試 TOC 和/或使用生物需氧量 (BOD) 和化學需氧量 (COD) 代替 TOC 來確定有機負荷和需氧量。

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重要。TOC 分析在食品和飲料領域越來越普遍，包括食品過程控制中的應用，以確定產品因廢水而損失（常見于乳制品行業）以及純有機食品和飲料的質量控制，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者對其產品的信心。

TOC 環境

TOC 分析在環境分析中起著至關重要的作用，許多城市使用合同環境實驗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展傳統 TOC 分析的功能。1030S固體模塊有自己的內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，燃燒過程會同時釋放碳和氮。在燃燒管后添加 NOX 轉換器，將氮轉化為一氧化氮。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檢測器進行分析。

研究與學術

世界各地的科學家都在尋找新的、令人興奮的方法來使用現有技術。TOC 分析繼續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、用于環境影響研究的受污染水和土壤分析以及用于農業和工業應用的超純水分析。碳測年和環境災害響應應用在學術界也變得越來越普遍，尤其是隨著全球變暖威脅的加劇。

結論

總有機碳 (TOC) 是水質監測中的關鍵參數，影響從法規遵從性到各種應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，還是在環境或工業環境中工作，準確測量 TOC 都有助于確保水安全和運營效率。由于有各種 TOC 分析儀和技術可供選擇，因此選擇適合您特定需求的解決方案至關重要。