Wat is Totaal Organisch Koolstof (TOC)?

Totaal Organisch Koolstof (TOC) is een maatstaf voor de totale hoeveelheid koolstof in organische verbindingen in zuiver water en watersystemen. TOC is een gewaardeerde, analytische techniek die door organisaties en laboratoria wordt toegepast om te bepalen hoe geschikt een oplossing is voor hun processen. Tenzij het ultra zuiver is, zal water van nature enkele organische verbindingen bevatten, en het is essentieel om te begrijpen hoeveel dit precies is.

TOC is uitgegroeid tot een belangrijke parameter om de algemene niveaus van aanwezige organische verbindingen te monitoren. Dit is gebeurd ondanks het ontbreken van een directe kwantitatieve correlatie tussen totaal organisch koolstof en de totale concentratie van aanwezige organische verbindingen. Het weerspiegelt het belang van het hebben van een eenvoudig te meten, algemene indicator voor het geschatte niveau van organische verontreiniging.

Het weerspiegelt ook de aantrekkingskracht van een parameter met een naam die fundamenteler klinkt dan hij is! In veel gevallen wordt TOC gebruikt als een continue monitor van verandering of gebrek aan verandering in organische inhoud.

Wat wordt er gemeten bij het berekenen van Totaal Organisch Koolstof (TOC)?

Bij het uitvoeren van een TOC-analyse wordt het volgende gemeten:

• TC - Totaal Koolstof
• TIC - Totaal Anorganisch Koolstof
• POC - Purgeerbaar Organisch Koolstof
• NPOC - Niet-Purgeerbaar Organisch Koolstof
• DOC - Opgelost Organisch Koolstof
• NDOC - Niet-Opgelost Organisch Koolstof

Om de TOC te berekenen, kunt u de totale hoeveelheid anorganisch koolstof aftrekken van het gevonden totaal koolstof. Als alternatief kunt u Purgeerbaar en Niet-Purgeerbaar Organisch Koolstof optellen, of Opgelost en Niet-Opgelost Organisch Koolstof. Als formules zien ze er als volgt uit:

• TOC = TC - TIC
• TOC = POC + NPOC
• TOC = DOC + NDOC 

Hoe wordt Totaal Organisch Koolstof gemeten?

TOC wordt gemeten in zeer verschillende concentraties in een breed scala aan systemen. De onderstaande tabel geeft een indicatie van de Totaal Organisch Koolstof niveaus in verschillende soorten water. De niveaus variëren sterk binnen elk type, maar in grote lijnen lopen ze uiteen van sub-ppb niveaus in ultrazuiver water voor laboratorium- en micro-elektronische toepassingen tot honderden ppm in afvalwater en processtromen.

Voor veel van deze systemen biedt alleen de TOC niet genoeg informatie. De koolstofhoudende verbindingen kunnen in verschillende vormen aanwezig zijn en de verhoudingen van elk kunnen kritiek zijn. 
Opgelost organisch koolstof (DOC) wordt over het algemeen beschouwd als dat wat door een 0,45 µm filter gaat. TOC met grote deeltjesgrootte wordt geclassificeerd als deeltjesvormig of niet-opgelost (NDOC). Ongeveer 50 tot 75% van DOC in natuurlijk water is in de vorm van polymere organische zuren - fulvinezuren en humuszuren.

Ongeveer 10% van de TOC bevindt zich in colloïden, voornamelijk humuszuren en diverse mineralen. Nog eens 10 tot 20% bestaat uit kleine moleculen afkomstig van de afbraak van organisch materiaal.

Totaal Organisch Koolstof Analyse

TOC wordt universeel gemeten door de aanwezige organische verbindingen te oxideren tot vormen die kunnen worden gekwantificeerd.

Er worden verschillende oxidatie- en detectiemethoden gebruikt, afhankelijk van de aard en concentratie van de te meten TOC en de analytische vereisten (bijvoorbeeld snelheid, gevoeligheid).

1. Hoge-temperatuur verbranding bij 1.200 °C in een zuurstofrijke atmosfeer. De geproduceerde CO2 wordt door scrubberbuizen geleid om interferenties te verwijderen en gemeten door niet-dispersieve infrarood absorptie (NDIR).
2. Hoge-temperatuur katalytische oxidatie bij 680°C in een zuurstofrijke omgeving in buizen gevuld met een platina katalysator, gevolgd door NDIR.
3. Thermo-chemische oxidatie met warmte en een chemische oxidator, meestal persulfaat.
4. Foto-chemische oxidatie met UV en een chemische oxidator, meestal persulfaat.
5. Foto-oxidatie door ultraviolet (UV) licht alleen of met een katalysator. De UV-oxidatiemethode biedt de meest betrouwbare, onderhoudsarme methode voor het bepalen van TOC in ultrazuiver water.

De verbrandingsmethoden (1 & 2) worden voornamelijk gebruikt voor hogere TOC-concentraties (ppm of hoger) of waar veel deeltjes aanwezig zijn. Persulfaatoxidatie, versterkt door UV of warmte, wordt veel gebruikt voor TOC-bepaling in laboratoria voor vele soorten water, van drinkwater tot farmaceutische en elektronische kwaliteiten. De geproduceerde CO2 wordt meestal gemeten door NDIR of door de verandering in geleidbaarheid die het produceert wanneer het wordt opgelost in een aparte stroom zuiver water.

Om het effect van andere oxidatieproducten uit te sluiten, kan het gas door een membraan worden geleid. Goede oxidatie kan worden bereikt, maar er is een compensatiemethode nodig om rekening te houden met de blanco van het reagens. TOC kan worden gedetecteerd op ppb-niveau.

Alle TOC-analyzers die CO2 meten, zullen CO2 van bicarbonaten en carbonaten meerekenen, tenzij er rekening wordt gehouden met dit anorganisch koolstof (IC). IC kan worden verwijderd door het monster aan te zuren tot een pH-waarde van twee of minder om IC vrij te maken als CO2, dat kan worden gemeten of afgevoerd als afval. Het resterende niet-purgeerbare TOC (NPOC) in de vloeistof wordt vervolgens geoxideerd, waarbij CO2 vrijkomt dat naar de detector wordt gestuurd voor meting.

De situatie is enigszins anders voor water met hoge zuiverheid en een lage geleidbaarheid. Water met een voldoende lage geleidbaarheid (weerstand die de 18,2 MOhm.cm benadert) kan geen significante concentraties bicarbonaten of carbonaten (of andere oplosbare zouten) bevatten en er is geen correctie voor IC nodig. Zoals eerder besproken, moeten al dergelijke metingen op spoorniveau online worden uitgevoerd.

Er zijn verschillende TOC-monitoren ontwikkeld om te voldoen aan de behoefte aan snelle monitoring van lage (ppb) TOC-niveaus in hoogzuivere laboratoriumwatersystemen. Een snelle respons is nodig om ervoor te zorgen dat de resultaten beschikbaar en relevant zijn voor de relatief kleine volumes water die worden afgegeven. Deze monitoren meten over het algemeen de geleidbaarheid van het water voor en na oxidatie; de verandering wordt gekalibreerd tegen het TOC-gehalte. Vanwege tijdsbeperkingen is de oxidatie niet altijd volledig, maar wel voldoende voor monitoringdoeleinden.

Online TOC-analyse of in het laboratorium?

De grote meerderheid van TOC-monsters wordt in een laboratorium genomen en geanalyseerd. Wanneer onderverdelingen van TOC nodig zijn, zoals NDOC, worden monsters voorbereid vóór analyse.
Online analyses worden gebruikt voor TOC-analyses van hogere niveaus wanneer de vereiste frequentie of snelheid van analyse dit wenselijk maakt. Online metingen zijn ook essentieel voor het meten van TOC-niveaus onder 50 ppb om verontreiniging te voorkomen. 

Deze verontreiniging kan afkomstig zijn van externe TOC in de omgeving of containers, maar wat ernstiger is, van koolstofdioxide in de lucht dat snel oplost in zuiver water. Koolstofdioxide verstoort veel van de technieken die worden gebruikt om TOC op spoorniveau te monitoren.

Water voor TOC-analyzers en monitoren

Vanzelfsprekend is de vereiste waterzuiverheid voor de bereiding van standaarden en blanco's, voor het spoelen van systemen en het reinigen van onderdelen, sterk afhankelijk van de te meten concentraties. Voor veel toepassingen op hoger niveau, uitgevoerd in het laboratorium of online, zal type II water meer dan toereikend zijn.

Voor TOC-bepaling op spoorniveau (<50 ppb), die online moet worden uitgevoerd, zijn de waterzuiverheidseisen uiterst streng. Aangezien TOC koolstof uit alle soorten verbindingen omvat, moeten deze allemaal vrijwel afwezig zijn. PURELAB flex met ingebouwde TOC-monitoring wordt sterk aanbevolen.