Organischer Kohlenstoff insgesamt - Wikipedia

Gesamter organischer Kohlenstoff ( TOC ) ist die Menge an Kohlenstoff, die in einer organischen Verbindung gefunden wird, und wird häufig als unspezifischer Indikator für die Wasserqualität oder Reinheit von pharmazeutischen Produktionsanlagen verwendet. TOC kann sich auch auf die Menge an organischem Kohlenstoff im Boden oder in einer geologischen Formation beziehen, insbesondere auf das Quellgestein für ein Erdölspiel; 2% stellt ein ungefähres Minimum dar. ^[1] Bei Sedimenten der Meeresoberflächen liegt der durchschnittliche TOC-Gehalt im tiefen Ozean bei 0,5% und am östlichen Rand bei 2%. ^[2]

Eine typische Analyse des Gesamtkohlenstoffgehalts (TC) misst beide Werte vorhandener Kohlenstoff und der sogenannte "anorganische Kohlenstoff" (IC), wobei letzterer den Gehalt an gelöstem Kohlendioxid und Kohlensäuresalzen darstellt. Das Abziehen des anorganischen Kohlenstoffs vom Gesamtkohlenstoff ergibt TOC. Eine andere übliche Variante der TOC-Analyse besteht darin, zuerst den IC-Anteil zu entfernen und dann den verbleibenden Kohlenstoff zu messen. Bei diesem Verfahren wird eine angesäuerte Probe vor der Messung mit kohlenstofffreier Luft oder Stickstoff gespült, und wird daher als nicht reinigbarer organischer Kohlenstoff (NPOC) bezeichnet. ^[3]

Analysis [] ]. 19659006] Environmental [ edit ]

Seit den frühen 70er Jahren ist TOC eine Analysetechnik, mit der die Wasserqualität während des Trinkwasseraufbereitungsprozesses gemessen wird. TOC in Quellwässern stammt sowohl aus zerfallenden natürlichen organischen Stoffen (NOM) als auch aus synthetischen Quellen. Huminsäure, Fulvosäure, Amine und Harnstoff sind Beispiele für NOM. Beispiele für synthetische Quellen sind einige Detergenzien, Pestizide, Düngemittel, Herbizide, Industriechemikalien und chlorierte organische Stoffe. ^[4] Bevor Quellwasser zur Desinfektion behandelt wird, gibt TOC eine Abschätzung der Menge an NOM in der Wasserquelle an. In Wasseraufbereitungsanlagen reagiert das Quellwasser mit chlorhaltigen Desinfektionsmitteln. Wenn das Rohwasser chloriert ist, reagieren aktive Chlorverbindungen (Cl ₂ HOCl, ClO ^- ) mit NOM unter Bildung chlorierter Desinfektionsnebenprodukte (DBPs). Forscher haben festgestellt, dass höhere Mengen an NOM im Quellwasser während des Desinfektionsprozesses die Menge an Karzinogenen im aufbereiteten Trinkwasser erhöhen werden. ^{[ Zitat erforderlich}

Mit Durchgang des US-amerikanischen „Safe Drinking“ Das Water Act von 2001 stellte die TOC-Analyse als schnelle und genaue Alternative zu den klassischen, aber längeren biologischen Sauerstoffanforderungen (BOD) und chemischen Sauerstoffanforderungen (COD) dar, die traditionell der Bewertung des Verschmutzungspotenzials von Abwässern vorbehalten sind. Heute regeln Umweltbehörden die Grenzwerte von DBPs im Trinkwasser. Kürzlich veröffentlichte Analysemethoden, wie die United States Environmental Protection Agency (EPA) -Methode 415.3, ^[5] unterstützen die Desinfektionsmittel- und Desinfektionsnebenproduktregeln der Agentur, die die Menge an NOM regulieren, um die Bildung von DBPs zu verhindern Gewässer. ^{[6] [7]}

Der Inhalt von TOC ist auch ein wichtiger Parameter zur Beurteilung der Qualität organischer Schieferressourcen, die zu den wichtigsten unkonventionellen Brennstoffen zählen. Zahlreiche Auswertungsmethoden wurden eingeführt, darunter auch solche, die auf Wireline-Protokollen und In-situ-Techniken basierten. ^[8]

Pharmaceutical [ edit ]

Die Einführung organischer Stoffe in Wassersysteme erfolgt nicht nur von lebenden Organismen und von Fäulnis im Quellwasser, aber auch aus Materialien für das Reinigungs- und Verteilungssystem. Es kann eine Beziehung zwischen Endotoxinen, mikrobiellem Wachstum und der Entwicklung von Biofilmen an Pipelinewänden und dem Wachstum von Biofilm in pharmazeutischen Vertriebssystemen bestehen. Es wird angenommen, dass eine Korrelation zwischen den TOC-Konzentrationen und den Mengen an Endotoxinen und Mikroben besteht. Die Aufrechterhaltung niedriger TOC-Konzentrationen hilft dabei, die Konzentration von Endotoxinen und Mikroben und damit das Wachstum von Biofilm zu kontrollieren. Das United States Pharmacopoeia (USP), das European Pharmacopoeia (EP) und das Japanese Pharmacopoeia (JP) erkennen TOC als erforderlichen Test für gereinigtes Wasser und Wasser für Injektionszwecke (WFI) an. Aus diesem Grund hat sich TOC in der Biotechnologiebranche als Prozesssteuerungsmerkmal durchgesetzt, um die Leistung von Einheitsvorgängen, die Reinigungs- und Verteilungssysteme umfassen, zu überwachen. Da viele dieser biotechnologischen Vorgänge die Herstellung von Medikamenten umfassen, erlässt die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) zahlreiche Vorschriften, um die Gesundheit der Bevölkerung zu schützen und sicherzustellen, dass die Produktqualität erhalten bleibt. Um sicherzustellen, dass keine Kreuzkontamination zwischen den Produktläufen verschiedener Arzneimittel besteht, werden verschiedene Reinigungsverfahren durchgeführt. TOC-Konzentrationsniveaus werden verwendet, um den Erfolg dieser Reinigungsvalidierungsverfahren zu ermitteln, insbesondere Clean-In-Place (CIP).

Messung [ edit ]

Beziehung der Kategorien des Kohlenstoffgehalts

Eine Vielzahl unterschiedlicher Begriffe wird verwendet, um die verschiedenen Arten von Kohlenstoff auf verschiedenen Detailebenen zu identifizieren.

• Total Carbon (TC) - sämtlicher Kohlenstoff in der Probe, einschließlich anorganischer und organischer Kohle
• Total Inorganic Carbon (TIC) - oft als anorganischer Kohlenstoff (IC) bezeichnet, Carbonat, Bicarbonat und gelöstes Kohlendioxid (CO ₂ ).
• Total Organic Carbon (TOC) - Material, das aus verrottendem Pflanzenwuchs, bakteriellem Wachstum und Stoffwechselaktivitäten lebender Organismen oder chemischer Stoffe stammt. [19659023] Elemental Carbon (EC) - Kohle, Kohle und Ruß. Beständig gegen analytischen Aufschluss und Extraktion kann EC je nach analytischem Ansatz eine Fraktion von entweder TIC oder TOC sein. ^[9]
• Nicht reinigbarer organischer Kohlenstoff (NPOC) - allgemein als bezeichnet TOC; organischer Kohlenstoff, der in einer angesäuerten Probe nach dem Spülen der Probe mit Gas verbleibt.
• Reinigungsfähige (flüchtige) organische Verbindung (VOC) - organischer Kohlenstoff, der aus einer neutralen Probe entfernt wurde, oder angesäuerte Probe durch Spülen mit einem Inertgas. Dies sind die gleichen Verbindungen, die als flüchtige organische Verbindungen (Volatile Organic Compounds, VOC) bezeichnet werden und üblicherweise durch Purge- und Trap-Gaschromatographie bestimmt werden.
• Gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) - organischer Kohlenstoff, der nach dem Filtern der Probe in der Probe verbleibt, typischerweise unter Verwendung von ein 0,45-Mikrometer-Filter.
• Suspendierter organischer Kohlenstoff - auch partikulärer organischer Kohlenstoff (POC) genannt; der Kohlenstoff in Partikelform, der zu groß ist, um durch einen Filter zu gelangen.

2011 organischer Kohlenstoff aus dem MODIS-aqua.

Da alle TOC-Analysegeräte tatsächlich nur den Gesamtkohlenstoff messen, muss bei der TOC-Analyse immer eine Rechnung gestellt werden der anorganische Kohlenstoff, der immer vorhanden ist. Eine Analysetechnik umfasst einen zweistufigen Prozess, der üblicherweise als TC-IC bezeichnet wird. Es misst die Menge an anorganischem Kohlenstoff (IC), die aus einem angesäuerten Aliquot einer Probe entwickelt wurde, und auch die Menge des in der Probe vorhandenen Gesamtkohlenstoffs (TC). Die TOC wird durch Subtraktion des IC-Werts von der Probe der Probe berechnet. Bei einer anderen Variante wird die Probe angesäuert, um Kohlendioxid zu entwickeln und als anorganischer Kohlenstoff (IC) zu messen. Anschließend wird der verbleibende nicht reinigbare organische Kohlenstoff (NPOC) oxidiert und gemessen. Dies wird als TIC-NPOC-Analyse bezeichnet. Bei einer gebräuchlicheren Methode wird der TOC in der Probe direkt gemessen, indem die Probe erneut auf einen pH-Wert von zwei oder weniger angesäuert wird, um das IC-Gas freizusetzen, aber in diesem Fall nicht zur Messung an Luft. Das verbleibende, nicht reinigbare CO ₂ -Gas (NPOC), das in dem flüssigen Aliquot enthalten ist, wird dann oxidiert, wobei die Gase freigesetzt werden. Diese Gase werden dann zur Messung an den Detektor geschickt.

Unabhängig davon, ob die TOC-Analyse mit TC-IC- oder NPOC-Methoden durchgeführt wird, kann sie in drei Hauptstufen unterteilt werden:

1. Ansäuerung Oxidation
2. Nachweis und Quantifizierung

Die erste Stufe ist die Ansäuerung der Probe zur Entfernung der IC- und POC-Gase. Die Freisetzung dieser Gase in den Detektor zur Messung oder in die Luft hängt davon ab, welche Art von Analyse von Interesse ist, erstere für TC-IC und letztere für TOC (NPOC).

Versauerung [ edit ]

Durch Zugabe von Säure und Inertgas können alle Bicarbonat- und Carbonat-Ionen in Kohlendioxid umgewandelt werden, und dieses IC-Produkt wird zusammen mit einer beliebigen POC entlüftet war anwesend.

Oxidation [ edit ]

Die zweite Stufe ist die Oxidation des Kohlenstoffs in der verbleibenden Probe in Form von Kohlendioxid (CO ₂ ) und anderen Gase. Moderne TOC-Analysatoren führen diesen Oxidationsschritt durch mehrere Prozesse aus:

1. Hochtemperaturverbrennung
2. Katalytische Hochtemperaturoxidation (HTCO)
3. Photooxidation allein
4. Thermochemische Oxidation
5. Photochemische Oxidation
6. Elektrolytische Oxidation

Hochtemperaturverbrennung ] [ edit ]

Vorbereitete Proben werden bei 1200 ° C in einer sauerstoffreichen Atmosphäre verbrannt. Der gesamte vorhandene Kohlenstoff wandelt sich in Kohlendioxid um, fließt durch Waschröhrchen, um Interferenzen wie Chlorgas und Wasserdampf zu entfernen, und das Kohlendioxid wird entweder durch Absorption in eine dann gewogene, starke Base oder mit einem Infrarotdetektor gemessen. ^[10] Most Moderne Analysegeräte verwenden nichtdispersives Infrarot (NDIR) zum Nachweis des Kohlendioxids. Im Vergleich zur konventionellen katalytischen Hochtemperatur-Oxidation ist der große Vorteil der Verbrennungsmethode die hohe Oxidationskraft, so dass oxidationsfördernde Katalysatoren überflüssig sind. ^[11]

Katalytische Hochtemperatur-Oxidation [ edit ]

Ein mit Platinkatalysator gefülltes HTCO-Verbrennungsrohr

Bei einem manuellen oder automatisierten Prozess wird die Probe bei 680 ° C in einer sauerstoffreichen Atmosphäre auf einen Platinkatalysator gespritzt. Die erzeugte Kohlendioxidkonzentration wird mit einem nichtdispersiven Infrarot (NDIR) -Detektor gemessen. ^[12]

Die Oxidation der Probe ist nach der Injektion in den Ofen abgeschlossen, wodurch oxidierbares Material in der Probe in gasförmige Form gebracht wird. Ein kohlenstofffreies Trägergas transportiert das CO ₂ durch eine Feuchtigkeitsfalle und Halogenidwäscher, um Wasserdampf und Halogenide aus dem Gasstrom zu entfernen, bevor es den Detektor erreicht. Diese Substanzen können den Nachweis des Gases CO ₂ stören. Das HTCO-Verfahren kann bei solchen Anwendungen nützlich sein, bei denen schwer zu oxidierende Verbindungen oder organische Stoffe mit hohem Molekulargewicht vorhanden sind, da sie eine fast vollständige Oxidation organischer Stoffe einschließlich Feststoffen und Teilchen ermöglichen, die klein genug sind, um in den Ofen eingespritzt zu werden. Der Hauptnachteil der HTCO-Analyse ist die instabile Grundlinie, die sich aus der allmählichen Anhäufung nichtflüchtiger Rückstände im Verbrennungsrohr ergibt. Diese Rückstände ändern kontinuierlich die TOC-Hintergrundwerte, was eine kontinuierliche Hintergrundkorrektur erfordert. Da wässrige Proben direkt in einen sehr heißen, üblicherweise Quarz, eingespritzt werden, können nur kleine Aliquots (weniger als 2 Milliliter und normalerweise weniger als 400 Mikroliter) der Probe gehandhabt werden, wodurch die Verfahren unempfindlicher werden als chemische Aufschlussverfahren, die zur Verdauung befähigt sind 10 mal mehr Probe. Außerdem verbrennt der Salzgehalt der Proben nicht und bildet daher allmählich einen Rückstand in dem Verbrennungsrohr, der schließlich den Katalysator verstopft, was zu schlechten Peakformen und verminderter Genauigkeit oder Präzision führt, es sei denn, es werden geeignete Wartungsverfahren befolgt. Der Katalysator sollte nach Bedarf regeneriert oder ersetzt werden. Um dieses Problem zu vermeiden, hat die Fertigungsindustrie verschiedene Konzepte entwickelt, wie z. B. Matrixtrennung, ^[13] Keramikreaktoren, ^[14] bessere Prozesskontrolle oder Methoden ohne Katalysatoren. ^[15][11]

Photooxidation (ultraviolettes Licht) edit ]

Bei diesem Oxidationsschema oxidiert ultraviolettes Licht allein den Kohlenstoff in der Probe, um CO zu erzeugen ₂ . Die UV-Oxidationsmethode bietet die zuverlässigste und wartungsarmste Methode zur Analyse der TOC in Reinstwasser.

Ultraviolett / Persulfat-Oxidation [ edit ]

Wie die Photooxidationsmethode ist UV-Licht das Oxidationsmittel, aber die Oxidationskraft der Reaktion wird durch die Zugabe eines chemischen Oxidationsmittels verstärkt , die normalerweise eine Persulfatverbindung ist. Die Mechanismen der Reaktionen sind wie folgt:

Radikalische Oxidationsmittel gebildet:

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