Carbón orgánico total

El carbón orgánico total (TOC) es la cantidad de carbón ligado en un compuesto orgánico y a menudo se usa como un indicador no específico de la calidad del agua o la limpieza del equipo industrial farmacéutico.

Un análisis típico para TOC mide tanto el carbón total presente como el llamado "carbón inorgánico" (IC), la representación última del contenido de dióxido de carbono disuelto y sales ácidas carbónicas. Restar el carbón inorgánico del carbón total cede TOC. Otra variante común del análisis TOC implica quitar la parte IC primero y luego medir el carbón sobrante. Este método implica purgar una muestra acidificada con aire sin carbón o nitrógeno antes de la medida, y tan más exactamente se llama el non-purgeable carbón orgánico (NPOC).

Análisis de TOC

Ambiental

Desde principios de los años 1970, se ha reconocido que como una técnica analítica TOC mide la calidad del agua durante el proceso de purificación de agua potable. TOC en aguas de la fuente viene de deteriorar la materia orgánica natural (NOM) y de fuentes sintéticas. El ácido de Humic, fulvic ácido, amines, y urea es tipos de NOM. Los detergentes, los pesticidas, los fertilizantes, los herbicidas, los productos químicos industriales y organics tratado con cloro son ejemplos de fuentes sintéticas. Antes de que el agua de la fuente se trate para la desinfección, TOC proporciona un papel importante en la graduación de la cantidad de NOM en la fuente acuática. En instalaciones de tratamiento de aguas, el agua de la fuente es sujeta a la reacción con el cloruro que contiene desinfectantes. Cuando el agua cruda se trata con cloro, los compuestos del cloro activos (Cl, HOCl, ClO) reaccionan con NOM para producir subproductos de desinfección tratados con cloro (DBPs). Muchos investigadores han decidido que los niveles más altos de NOM en el agua de la fuente durante el proceso de desinfección aumentarán la cantidad de cancerígenos en el agua potable tratada.

Con el paso del Acto de Agua potable Seguro estadounidense en 2001, el análisis de TOC surgió como una alternativa rápida y exacta a las pruebas de demanda de oxígeno químico (COD) y demanda de oxígeno biológico (BOD) clásicas pero larguísimas tradicionalmente reservadas para tasar el potencial de contaminación de wastewaters. Hoy, las agencias ambientales regulan los límites del rastro de DBPs en el agua potable. Los métodos analíticos recientemente publicados, como el método de la Agencia de protección ambiental (EPA) de los Estados Unidos 415.3, apoyan Desinfectantes de la Agencia y Reglas de Subproductos de Desinfección, que regulan la cantidad de NOM para prevenir la formación de DBPs en aguas terminadas.

Farmacéutico

La introducción de la materia orgánica en sistemas acuáticos ocurre no sólo de organismos vivos y de deteriorar el asunto en el agua de la fuente, sino también de materiales del sistema de distribución y purificación. Una relación puede existir entre endotoxins, crecimiento microbiano y el desarrollo de biofilms en paredes de la tubería y crecimiento biofilm dentro de sistemas de distribución farmacéuticos. Se cree que una correlación existe entre concentraciones TOC y los niveles de endotoxins y microbios. El sostenimiento de niveles TOC bajos ayuda a controlar niveles de endotoxins y microbios y así el desarrollo del crecimiento biofilm. United States Pharmacopoeia (USP), European Pharmacopoeia (EP) y Japanese Pharmacopoeia (JP) reconocen TOC como una prueba requerida del agua purificada y agua para inyección (WFI). Por esta razón, TOC ha encontrado la aceptación como un atributo del control del proceso de producción en la industria de la biotecnología supervisando la realización de operaciones de la unidad que comprenden purificación y sistemas de distribución. Como muchas de estas operaciones de la biotecnología incluyen la preparación de medicinas, la Administración de Alimentos y Fármacos estadounidense (FDA) decreta numerosas normas para proteger la salud del público y asegurar que la calidad del producto se mantenga. Para asegurarse no hay ninguna contaminación enfadada entre carreras del producto de medicinas diferentes, varios procedimientos de limpieza se realizan. Los niveles de concentración de TOC son usados para rastrear el éxito de estos procedimientos de validación de limpieza sobre todo limpio en el lugar (CIP).

Medida

Para entender el análisis tratan mejor, algunas terminologías básicas claves se deberían entender y sus relaciones el uno al otro (la Figura 1).

Ya que todos los analizadores TOC sólo realmente miden el carbón total, el análisis de TOC siempre requiere a unos que explican el carbón inorgánico que siempre está presente. Una técnica de análisis implica un proceso de dos etapas comúnmente mandado a como TC-IC. Mide la cantidad de carbón inorgánico (IC) desarrollado de una parte alícuota acidificada de una muestra y también la cantidad de carbón total (TC) presente en la muestra. TOC es calculado por la substracción del valor de IC del TC la muestra. Otra variante emplea acidification de la muestra para desarrollar el dióxido de carbono y la medición de ello como el carbón inorgánico (IC), luego oxidación y medición del non-purgeable carbón orgánico (NPOC) restante. Esto se llama el análisis del TIC-NPOC. Más método común directamente mide TOC en la muestra acidificando otra vez la muestra esto a un valor del pH de dos o menos para soltar el gas IC, pero en este caso al aire no para la medida. Non-purgeable restante CO gas (NPOC) contenido en la parte alícuota líquida se oxida entonces soltando los gases. Estos gases se envían entonces al detector para la medida.

Si el análisis de TOC es por TC-IC o métodos NPOC, se puede romper en tres etapas principales:

  1. Acidification
  2. Oxidación
  3. Descubrimiento y requisito

La primera etapa es acidification de la muestra para el retiro del IC y gases POC. La liberación de estos gases al detector para la medida o al aire es dependiente sobre que el tipo del análisis es del interés, el antiguo para TC-IC y éste para TOC (NPOC).

Acidification

La adición de ácido y gas inerte sparging permite que todo el bicarbonato e iones del carbonato se conviertan al dióxido de carbono y este producto IC expresado junto con cualquier POC que estuviera presente.

Oxidación

La segunda etapa es la oxidación del carbón en la muestra restante en la forma de dióxido de carbono (CO) y otros gases. Los analizadores TOC modernos realizan este paso de la oxidación por varios procesos:

  1. Combustión de alta temperatura
  2. Alta temperatura oxidación (HTCO) catalítica
  3. Fotooxidación sola
  4. Oxidación Thermo-química
  5. Oxidación fotoquímica
  6. Oxidación electrolítica

Combustión de alta temperatura

Las muestras preparadas se queman en 1,350 °C en una atmósfera rica en el oxígeno. Todo el carbón conversos presentes a dióxido de carbono, flujos a través de tubos del depurador para quitar interferencias como gas del cloro, y vapor acuático y el dióxido de carbono es medido por la absorción en una base fuerte entonces pesada o por utilización de un Detector Infrarrojo. Los analizadores más modernos usan no dispersivo infrarrojo (NDIR) para el descubrimiento del dióxido de carbono.

Alta temperatura oxidación catalítica

Un proceso manual o automatizado inyecta la muestra en un catalizador platino en 680 °C en un oxígeno atmósfera rica. La concentración de dióxido de carbono generado se mide con un detector (NDIR) infrarrojo no dispersivo.

La oxidación de la muestra es completa después de la inyección en el horno, girando oxidizable el material en la muestra en la forma gaseosa. Un gas del transportista sin carbón transporta el CO, a través de una trampa de humedad y depuradores halide para quitar el vapor acuático y halides de la corriente de gas antes de que alcance el detector. Estas sustancias pueden interferir con el descubrimiento del gas CO. El método HTCO puede ser útil en aquellas aplicaciones donde difícil para oxidar compuestos o peso molecular alto organics, están presentes ya que proporciona la oxidación casi completa de organics incluso sólidos y partículas bastante pequeñas para inyectarse en el horno. El inconveniente principal del análisis HTCO es su línea de fondo inestable que resulta de la acumulación gradual de residuos permanentes dentro del tubo de la combustión. Estos residuos continuamente cambian niveles de fondo TOC que requieren la corrección de fondo continua. Como las muestras acuosas se inyectan directamente en un muy caliente, por lo general cuarzo, horno las sólo pequeñas partes alícuotas (menos de 2 mililitros y por lo general menos de 400 microlitros) de la muestra se pueden manejar haciendo los métodos menos sensibles que métodos de la oxidación químicos capaz de la digestión hasta de 10 veces más muestra. También, el contenido de sal de las muestras no queman, y por tanto por lo tanto, gradualmente construyen un residuo dentro del tubo de la combustión que finalmente obstruye el catalizador que causa formas máximas pobres y degradó la exactitud o la precisión, a menos que los procedimientos de mantenimiento apropiados se sigan. El catalizador se debería regenerar o sustituirse como necesario.

Fotooxidación (untraviolet luz)

En este esquema de la oxidación, la luz ultravioleta sola oxida el carbón dentro de la muestra para producir CO. El método de la oxidación UV ofrece el método de gastos de explotación bajos, más confiable de analizar TOC en aguas ultrapuras.

Oxidación de Ultraviolet/persulfate

Como el método de la fotooxidación, la luz de UV es el oxidante pero el poder de la oxidación de la reacción es ampliado por la adición de un oxidante químico, que es por lo general un compuesto de persulfate. Los mecanismos de las reacciones son así:

Oxidants radical libre se formó:

Excitación de organics:

Oxidaton de organics:

Los relativamente gastos de explotación bajos de ofertas a del método de la oxidación UV–chemical, método de sensibilidad alto para una amplia gama de aplicaciones. Sin embargo, hay limitaciones de la oxidación de este método. Las limitaciones incluyen las inexactitudes asociadas con la adición de cualquier sustancia extranjera en el analyte y muestras con cantidades altas de partículas. Realizando "el Sistema el" análisis en Blanco, que debe analizar entonces resta la cantidad de carbón contribuido por el aditivo químico, las inexactitudes se bajan. Sin embargo, los análisis de niveles debajo de 200 ppb TOC todavía son difíciles.

Oxidación de Thermochemical persulfate

También conocido como calentado persulfate, el método utiliza la misma formación radical libre que UV persulfate oxidación excepto el calor de usos para ampliar el poder que se oxida de persulfate. La oxidación química de carbón con un oxidante fuerte, como el persulfate, es muy eficiente, y a diferencia de UV, no es susceptible para bajar recuperación causadas por la turbiedad en muestras. El análisis de impresos del sistema, necesarios en todos los procedimientos químicos, es sobre todo necesario con persulfate acalorado TOC métodos porque el método es tan sensible que los reactivo no pueden estar preparados con contenido de carbón bastante bajo no para descubrirse. Los métodos de Persulfate se usan en el análisis de wastewater, agua potable y aguas farmacéuticas. Cuando usado junto con persulfate calentado de los detectores NDIR sensibles TOC instrumentos fácilmente miden TOC en partes del dígito solas por mil millones (ppb) hasta cientos de partes por millón (ppm) según volúmenes de la muestra.

Descubrimiento y requisito

El descubrimiento exacto y el requisito son los componentes más vitales del proceso de análisis TOC. La conductividad y no dispersivo infrarrojo (NDIR) es los dos métodos de descubrimiento comunes usados en analizadores TOC modernos.

Conductividad

Hay dos tipos de detectores de la conductividad, directos y membrana. La conductividad directa proporciona un medio barato y simple de medir CO. Este método tiene la oxidación buena de organics, no usa ningún gas del transportista, es bueno en las partes por mil millones (ppb) variedades, pero tiene una variedad analítica muy limitada. La conductividad de la membrana confía en la misma tecnología que la conductividad directa. Aunque sea más robusto que la conductividad directa, sufre a partir del tiempo de análisis lento. Ambos métodos analizan la conductividad de la muestra antes y después oxidization, atribuyendo esta medida diferencial al TOC de la muestra. Durante la muestra los oxidization fase, CO (directamente relacionado con el TOC en la muestra) y otros gases se forman. CO disuelto forma un ácido débil, así cambiando la conductividad de la muestra original proporcionalmente al TOC en la muestra. Los análisis de la conductividad suponen que sólo CO esté presente dentro de la solución. Mientras esto se mantiene, entonces el cálculo TOC por esta medida diferencial es válido. Sin embargo, según las especies químicas presentes en la muestra y sus productos individuales de la oxidación, pueden presentar un positivo o una interferencia negativa al valor de TOC actual, causando el error analítico. Algunas especies químicas entrometidas incluyen Cl, HCO, De este modo, De este modo, ClO y H. Los pequeños cambios de pH y fluctuaciones de temperaturas también contribuyen a la inexactitud. La conductividad de la membrana analizadores ha tratado de mejorar el enfoque de la conductividad directo incorporando el uso de membranas de la penetración de gas hydrophobic para permitir un paso más "selectivo" del gas CO disuelto. Mientras esto ha solucionado ciertos problemas, las membranas tienen sus propias limitaciones particulares, tal como con la selectividad verdadera, obstruyéndose y, más undetectably, proporcionan sitios secundarios a otras reacciones químicas, que son propensas para mostrar “negativas falsas,” una condición mucho más severa que “positives falso” en aplicaciones críticas. Los agujeros micro, los problemas del flujo, los puntos muertos, crecimiento microbiano (bloqueo) también son problemas potenciales. Lo más desconcertante es la inhabilidad de métodos de la membrana de recuperarse al rendimiento operacional después de una sobrecarga o la condición de la "caída" se levanta a sobre la variedad el instrumento, a menudo tomando horas antes de volver a servicio confiable y recalibración, sólo cuando la exactitud del análisis TOC es la más crítica a operadores para el control de calidad.

No dispersivo infrarrojo (NDIR)

El análisis infrarrojo no dispersivo (NDIR) método ofrece el único método sin interferencia práctico para descubrir CO en el análisis TOC. La ventaja principal de usar NDIR consiste en que directamente y expresamente mide el CO generado por la oxidación del carbón orgánico en el reactor de la oxidación, más bien que confiar en una medida de un efecto secundario, corregido, tal como usado en medidas de la conductividad.

Un detector NDIR tradicional confía en la tecnología del flujo a través de la célula, los flujos del producto de la oxidación en y del detector continuamente. Una región de adsorción de la luz infrarroja específica para CO, por lo general aproximadamente 4.26 µm (2350 cm), se mide con el tiempo cuando el gas fluye a través del detector. Los espectros de absorción infrarrojos de CO y otros gases se muestran en la Figura 3. Una segunda medida de la referencia que es no específica para CO también se toma y los correlatos del resultado diferenciales a la concentración CO en el detector en ese momento. Mientras que el gas sigue fluyendo en y de la célula del detector la suma de las medidas causa un pico que se integra y se correlaciona a la concentración de CO total en la parte alícuota de la muestra.

Un nuevo avance de la tecnología NDIR es Static Pressurized Concentration (SPC). La válvula de la salida del NDIR se cierra para permitir que el detector se haga presurizado. Una vez que los gases en el detector han alcanzado el equilibrio, la concentración del CO se analiza. Esta presurización de la corriente de gas de la muestra en el NDIR, una técnica evidente y pendiente, tiene en cuenta la sensibilidad aumentada y la precisión midiendo la totalidad de los productos de la oxidación de la muestra en una lectura, comparado con el flujo - a través de la tecnología de la célula. La señal de la salida es proporcional a la concentración de CO en el gas del transportista, de la oxidación de la parte alícuota de la muestra. El UV/Persulfate oxidación combinada con el descubrimiento NDIR proporciona la oxidación buena de organics, mantenimiento del instrumento bajo, precisión buena a niveles ppb, tiempo de análisis de la muestra relativamente rápido y fácilmente acomoda aplicaciones múltiples, incluso agua purificada (PW), agua para inyección (WFI), CIP, agua potable y análisis acuáticos ultrapuros.

Analizadores

Prácticamente todos los analizadores TOC miden el CO formado cuando el carbón orgánico se oxida y/o cuando el carbón inorgánico se acidifica. La oxidación se realiza a través de la combustión catalizada por el Punto, por persulfate acalorado, o con un reactor UV/persulfate. Una vez que el CO se forma, es medido por un detector: cualquiera una célula de la conductividad (si el CO es acuoso) o una célula infrarroja no dispersiva (después purgar CO acuoso en la fase gaseosa). El descubrimiento de la conductividad sólo es deseable en el más abajo variedades de TOC en aguas deionized, mientras que el descubrimiento NDIR sobresale en todas las variedades de TOC. Una variación descrita como el Descubrimiento de la Conductividad de la Membrana puede tener la medida en cuenta de TOC a través de una amplia variedad analítica tanto en deionized como en muestras acuáticas non-deionized. Los instrumentos TOC de alto rendimiento modernos son capaces de descubrir concentraciones de carbón bajo de 1 µg/L (1 parte por mil millones o ppb).

Un carbón orgánico total analizador determina la cantidad de carbón en una muestra acuática. Acidificando la muestra y enrojeciendo con nitrógeno o helio la muestra quita el carbón inorgánico, abandonando fuentes de carbón sólo orgánicas para la medida. Hay dos tipos de analizadores. Uno usa la combustión y la otra oxidación química. Esto se usa como una prueba de la pureza acuática, ya que la presencia de bacterias introduce el carbón orgánico.

Prueba sobre el terreno del analizador e Informes

Una organización de pruebas e investigación no lucrativa, Instrumentation Testing Association (ITA) ofrece un informe que proporciona resultados de la prueba sobre el terreno analizadores TOC en línea en una aplicación wastewater industrial. Gulf Coast Waste Disposal Authority (GCWDA), Bayport Planta de tratamiento Wastewater Industrial en Pasadena, Texas patrocinó y condujo esta prueba en 2011. El GCWDA Bayport instalación trata aproximadamente 30 mgd de residuos industriales recibidos de aproximadamente 65 clientes (principalmente petroquímico). Los exámenes prácticos consistieron en hacer funcionar analizadores TOC en línea en el influent de la instalación de Bayport en la cual las concentraciones TOC se pueden extender de 490 a 1020 mg/L con un promedio de 870 mg/L. GCWDA conduce aproximadamente 102 análisis de TOC en su laboratorio por día en su instalación de tratamiento de Bayport y uso medidas de TOC con objetivos de facturación y control del proceso de producción. GCWDA planea usar analizadores TOC en línea para el control del proceso de producción, descubriendo influent cargas de la babosa de industrias y usar potencialmente analizadores TOC en línea para descubrir y supervisar volatiles de la corriente de entrada. Los exámenes prácticos se condujeron para el periodo de 90 días y usaron medidas de la conformidad de laboratorio una vez por día para compararse con la salida del analizador para demostrar la exactitud total del instrumento cuando sujetado a muchos parámetros que cambian simultáneamente como experimentado en tiempo real escucha de condiciones. Los resultados del examen práctico pueden proporcionar la información en cuanto a diseño del instrumento, operación y requisitos de mantenimiento que influyen en el rendimiento de los instrumentos en aplicaciones de campaña. El informe del examen práctico incluye evaluaciones de analizadores TOC en línea que utilizan las tecnologías siguientes: High Temperature Combustion (HTC), Alta temperatura Oxidación Catalítica / Oxidación de la Combustión (HTCO), Oxidación Acuática Supercrítica (SCWO) y Two-Stage Advanced Oxidation (TSAO).

Combustión

En una combustión analizador, la mitad de la muestra se inyecta en una cámara donde se acidifica, por lo general con el ácido fosfórico, para convertir todo el carbón inorgánico en el dióxido de carbono según la reacción siguiente:

: CO + HO ↔ HCO ↔ H + HCO ↔ 2H + CO

Esto se envía entonces a un detector para la medida. La otra mitad de la muestra se inyecta en una cámara de combustión que se levanta a entre el 600-700°C, unos hasta hasta 1200°C. Aquí, todo el carbón reacciona con el oxígeno, formando el dióxido de carbono. Se limpia con agua entonces en una cámara refrescante, y finalmente en el detector. Por lo general, el detector usado es spectrophotometer infrarrojo no dispersivo. Encontrando el carbón inorgánico total y restándolo del contenido de carbón total, la cantidad de carbón orgánico se determina.

Oxidación química

La oxidación química analizadores inyecta la muestra en una cámara con el ácido fosfórico seguido de persulfate. El análisis se separa en dos pasos. Uno quita el carbón inorgánico por acidification y purgar. Después del retiro de carbón inorgánico el persulfate se añade y la muestra o se calienta o se bombardea con la luz UV de una lámpara del vapor de mercurio. Los radicales libres se forman del persulfate y reaccionan con cualquier carbón disponible para formar el dióxido de carbono. El carbón de amba determinación (pasos) o se dirige a través de membranas que miden los cambios de la conductividad que resultan de la presencia de cantidades variadas del dióxido de carbono, o purgado en y descubierto por un detector NDIR sensible. Lo mismo como la combustión analizador, el carbón total formado menos el carbón inorgánico da una estimación buena del carbón orgánico total en la muestra.

Este método a menudo se usa en aplicaciones en línea debido a sus requisitos de gastos de explotación bajos.

Por ejemplo Biotector en línea que es la aplicación más moderna de este método.

Aplicaciones

TOC es el primer análisis químico para realizarse en la roca de la fuente de petróleo potencial en la exploración de petróleo. Es muy importante en el descubrimiento de contaminantes en el agua potable, refrescando el agua, agua usada en fabricación de semiconductor y agua para el uso farmacéutico. El análisis se puede hacer como una medida continua en línea o como una medida basada en el laboratorio.

El descubrimiento de TOC es una medida importante debido a los efectos que puede tener en el ambiente, salud humana y procesos de fabricación. TOC es una medida muy sensible, no específica de todo organics presente en una muestra. Por lo tanto, puede ser usado para regular la descarga química orgánica al ambiente en una planta de fabricación. Además, TOC bajo puede confirmar que la ausencia de productos químicos orgánicos potencialmente dañinos en el agua solía fabricar productos farmacéuticos. TOC también es del interés al campo de la purificación acuática potable debido a la desinfección de subproductos. El carbón inorgánico no posa poco a ninguna amenaza.



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