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2024

• Die häufigsten Fragen zum TOC beantwortet

Die häufigsten Fragen zum TOC beantwortet

Shimadzu-laborwelt: Die häufigsten Fragen zum TOC beantwortet
Was ist der TOC?
Der TOC ist ein Summenparameter in der chemischen Analyse. In einem Analysenwert wird die gesamte Konzentration des aus organischen Verbindungen stammenden Kohlenstoffs angegeben. „TOC“ ist die Abkürzung für „total organic carbon“ (gesamt organischer Kohlenstoff).

Was ist ein Summenparameter?
In einem Summenparameter werden verschiedene Verbindungen einer Stoffgruppe oder Verbindungen mit gleichen Eigenschaften als Summe (ein Analysenwert) gemeinsam erfasst.

Worin wird der TOC bestimmt?
Der TOC wird in Flüssigkeiten, vornehmlich im Wasser bestimmt, aber auch in verschiedenen Feststoffen, wie Böden oder Abfällen. Er gilt als Maß der Verunreinigung durch organische Komponenten in der jeweiligen Matrix.

Wie wird der TOC bestimmt?
Grundsätzlich gilt: die organischen Verbindungen werden zu Kohlenstoffdioxid oxidiert und das entstehende CO2 mit einem geeigneten Detektor erfasst. Es haben sich zwei verschiedene Oxidationstechniken durchgesetzt: die nasschemische UV-Oxidation und die katalytische Verbrennungsoxidation. Neben den unterschiedlichen Oxidationstechniken gibt es 3 verschiedene TOC-Bestimmungsmethoden: Differenzmethode, Additionsmethode und die Direktmethode (auch NPOC-Methode genannt).

Wie funktioniert die nasschemische UV-Oxidation?
Bei der nasschemischen UV-Oxidation wird die Probe in einem Reaktor in Anwesenheit von Persulfat-Ionen bei einer erhöhten Temperatur (z.B. 80°C) mit UV-Licht bestrahlt. Dabei entstehen OH-Radikale, die die organischen Substanzen zu CO2 umsetzten.

Wie funktioniert die katalytische Verbrennungsoxidation?
Bei der katalytischen Verbrennungsoxidation wird die Probe in sauerstoffhaltiger Atmosphäre bei hohen Temperaturen (z.B. 680°C) auf einem Katalysator (z.B. Platin-Katalysator) verbrannt und zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt.

Wie wird das CO2 bei der TOC-Analyse detektiert?
Die zumeist verwendete Detektionsart, um in TOC-Analysatoren das CO2 zu detektieren ist die NDIR-Technik (non dispersiv infrared). Ein NDIR-Detektor besteht u.a. aus drei wichtigen Komponenten:
a.) Die Lichtquelle dir IR-Licht emittiert.
b.) Die Mess-Zelle durch die das Mess-Gas strömt
c.) Der Messsensor

Warum gibt es verschiedene TOC-Bestimmungsmethoden?
Bei der Bestimmung des organischen Kohlenstoffs (TOC) muss der anorganische Kohlenstoffanteil entweder (rechnerisch) berücksichtigt oder vor der Bestimmung eliminiert werden. Wenn er eliminiert wird, z.B. durch ansäuern der Probe und anschließendem Ausgasen (Carbonate und Hydrogencarbonate werden als CO2 ausgetrieben), muss dem Umstand Rechnung getragen werden, dass es auch leichtausblasbare organische Substanzen gibt, die bei der Probenvorbereitung entweichen können. Was bedeuten die Abkürzungen der Parameter im TOC-Kohlenstoff-Modell?
TC (total carbon): Die Summe aus organisch und anorganisch gebundenen Kohlenstoff sowie elementarem Kohlenstoff.
IC (inorganic carbon ) oder auch TIC (total inorganic carbon): Die Gesamtmenge an Kohlenstoff aus Kohlendioxyd, Kohlenmonooxid, Cyaniden, Cyanaten und Thiocyanaten. TOC-Analysatoren erfassen beim TIC in der Regel nur die Salze der Kohlensäure (Carbonate und Hydrogencarbonaten) sowie gelöstes CO2.
TOC (total organic carbon): Die Gesamtmenge an organischem Kohlenstoff in gelöster oder suspendierter Matrix. Ebenso elementarer Kohlenstoff, Cyanate und Thiocyanate.
NPOC (non purgeable organic carbon): nicht ausblasbarer organischer Kohlenstoff
POC (purgeable organic carbon): ausblasbarer organischer Kohlenstoff

Wie funktioniert die Differenzmethode zur Bestimmung des TOC?
Bei der Differenzmethode werden die zwei verschiedene Parameter TC und IC einzeln bestimmt. Der TOC wird durch Differenzbildung berechnet. TOC = TC – TIC
TC: Die Bestimmung des Gesamtkohlenstoffanteils erfolgt durch Oxidation (thermisch oder nass-chemisch) und anschließender Detektion des entstandenen Kohlendioxids.
TIC: Die Bestimmung des anorganischen Kohlenstoffanteils durch Ansäuern der Probe mit einer Mineralsäure bei Raumtemperatur und anschließender Detektion des ausgetriebenen Kohlendioxids.

Wo liegen die Grenzen der TOC-Differenzmethode?
Der Anteil des anorganischen Kohlenstoffs (TIC) darf im Vergleich zum TOC nicht zu hoch sein. Durch die Fehlerfortpflanzung kann sich für den errechneten TOC-Wert eine zu hohe Unsicherheit ergeben. Die EN 1484 empfiehlt, dass der TOC-Wert bei Anwendung der Differenzmethode größer oder gleich dem IC-Wert sein soll (TOC ≥ TIC).
Beispiel:
TC – Gehalt = 100 mg/l (RSD = 2%) ± 2 mg/l (98 – 102 mg/l)
TIC – Gehalt = 98 mg/l (RSD= 2%) ± 1,96 mg/l (96,04 – 99,96mg/l)
TOC = 2 mg/l ± 3,96mg/l (- 1,96 – 5,96 mg/l)
Durch die Fehler-Fortpflanzung beträgt der Gesamt-Fehler in diesem Beispiel ± 3,96 mg/l. Nach der Differenzmethode ist hier der Fehler des Gesamtergebnisses größer als der errechnete TOC – Gehalt.

Wie funktioniert die Additionsmethode zur Bestimmung des TOC?
Bei der Additionsmethode werden die beiden Parameter POC und NPOC einzeln – hintereinander -bestimmt. Der TOC wird durch Addition beider Ergebnisse berechnet: TOC = POC + NPOC
Zur POC-Bestimmung wird die Probe angesäuert und anschließend mit einem Trägergas ausgeblasen. In diesem Schritt werden sowohl das CO2 aus den Carbonaten und Hydrogencarbonaten wie auch die ausblasbaren organischen Substanzen (POC) ausgetrieben. Eine CO2-Falle (z.B. mit LiOH gefüllt) bindet das CO2 aus dem Gasgemisch (aus dem TIC stammend), die flüchtigen organischen Substanzen passieren die Falle und gelangen auf den Katalysator, werden dort zu Kohlenstoffdioxid oxidiert und anschließend detektiert (= POC). Im nächsten Schritt wird ein Aliquot der angesäuerten und ausgeblasenen Probe auf den Katalysator injiziert. Das hieraus entstehende CO2 entspricht dem NPOC. Die Summer beider Konzentrationswerte ergeben den TOC.

Wie funktioniert die Direktmethode oder NPOC-Methode zur Bestimmung des TOC?
Bei der Verwendung der Direkt- oder NPOC-Methode gilt die Annahme, dass keine bzw. keine nennenswerten Mengen an flüchtigen bzw. ausblasbaren organischen Verbindungen in der Probe enthalten sind. Der TOC wird in dieser Annahme als NPOC direkt bestimmt. Dazu wird die Probe mit einer Mineralsäure angesäuert und ausgegast. Dabei werden Carbonate und Hydrogencarbonate vollständig zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt. Dann wird Kohlenstoffdioxids aus der Probenlösung durch ein Spülgas ausgetrieben. Es erfolgt die direkte Messung des NPOC (wie des TC) durch Oxidation zu CO2 und anschließender Detektion. Der TOC entspricht dem NPOC. TOC = NPOC

Was ist der TNb?
Der TNb ist ein Summenparameter aus der chemischen Analyse. Er vereint in einem Analysenwert den gebundenen Stickstoff, d.h. aus Nitrat, Nitrit, Ammonium und organischen stickstoffhaltigen Verbindungen. Die Abkürzung bedeutet „total bound nitrogen“ (gesamt gebundener Stickstoff). Elementarer Stickstoff (N2) wird dabei nicht erfasst.

Worin wird der TNb bestimmt?
Der TNb ist ein Parameter der vornehmlich im Wasser untersucht wird. Er gilt als Maß für die Verunreinigung von Wasser durch Stickstoffverbindungen. Am häufigsten wird er in der Abwasser -Analytik eingesetzt.

Wie funktioniert die Bestimmung des TNb?
Die Bestimmung des TNb kann simultan zur TOC-Bestimmung erfolgen – und zwar unter Verwendung der katalytischen Verbrennungsoxidation. Bei der Verbrennung der Wasserprobe entsteht aus den Stickstoffverbindungen bei Temperaturen von mehr als 700°C (z.B. 720°C) NO, das zur Quantifizierung detektiert wird. Moderne TOC-Analysatoren werden dafür mit speziellen TN-Modulen zur Bestimmung des TNb ausgestattet.

Wie wird der TNb detektiert?
Bei der Verbrennung der Stickstoffkomponenten entsteht NO. Dieses kann auf unterschiedliche Art und Weise detektiert werden. Es hat sich aber ein Detektions-Verfahren durchgesetzt, das auch in den entsprechenden Normen (EN 12260 und ISO 20236) beschrieben wird: die Chemilumineszenz-Detektion. Dabei wird das im Mess-Gas enthaltene NO mit Ozon vermengt; es entsteht NO2. Bei dieser Reaktion werden Lichtquanten freigesetzt (Chemilumineszenz) die am CLM-Detektor erfasst werden.
Quelle: https://shimadzu-laborwelt.de/die-haeufigsten-fragen-zum-toc-beantwortet/

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