Обзор анализатора TOC
Анализатор общего органического углерода (Total Organic Carbon, сокращённо TOC) — это важный промышленный прибор для измерения общего содержания органических веществ в воде. Он выражает комплексный показатель органических веществ в воде через содержание углерода и позволяет наглядно оценить степень органического загрязнения.
Анализатор TOC широко используется в качестве ключевого справочного показателя для оценки степени загрязнения воды органическими веществами и распространён в таких областях, как промышленная вода, поверхностные воды и очистка сточных вод.
Основной принцип работы анализатора TOC
Основной принцип анализатора TOC заключается в следующем: сначала углерод органических веществ в воде окисляется до диоксида углерода, после устранения мешающих факторов измеряется детектором диоксида углерода, а затем с помощью обработки данных содержание газа диоксида углерода преобразуется в концентрацию органических веществ в воде.
В результате непрерывных исследований и экспериментов методы обнаружения TOC постепенно превратились из традиционных сложных технологий в удобные и точные. Ниже приведены десять основных современных методов обнаружения.
Десять основных методов обнаружения анализатора TOC
1. Влажное окисление (персульфат) — недисперсионное инфракрасное детектирование (NDIR)
В этом методе перед окислением анализируемая проба обрабатывается фосфорной кислотой для удаления неорганического углерода, после чего измеряется концентрация TOC. Большинство современных непрерывных анализаторов TOC используют влажное окисление.
Влажное окисление недостаточно полно окисляет сложные водные среды (например, гуминовые кислоты, высокомолекулярные соединения и т. д.), поэтому оно не подходит для вод с высоким содержанием TOC, но хорошо работает для обычных вод, таких как поверхностные воды.
2. Высокотемпературное каталитическое сжигание — недисперсионное инфракрасное детектирование (NDIR)
Высокотемпературное каталитическое сжигание стало применяться значительно позже влажного окисления, однако благодаря относительно полному высокотемпературному сжиганию оно подходит для сильно загрязнённых рек, морской воды и промышленных сточных вод.
3. Ультрафиолетовое окисление — недисперсионное инфракрасное детектирование (NDIR)
Способ аналогичен влажному окислению, но использует принцип облучения ультрафиолетовым светом (185 нм); перед попаданием пробы в ультрафиолетовый реактор удаляется неорганический углерод, что позволяет получить более точные результаты.
Метод ультрафиолетового окисления не подходит для высокого содержания TOC в виде частиц органических веществ, лекарств, белков и т. п., но может применяться для исходной воды, промышленной воды и других вод.
4. Ультрафиолетовое (UV) — влажное (персульфатное) окисление — недисперсионное инфракрасное детектирование (NDIR)
Этот способ представляет собой совместное действие ультрафиолетового и влажного окисления, которые взаимно дополняют и усиливают друг друга; эффект окислительной деградации выше, чем у любого из этих методов по отдельности.
Поскольку ультрафиолетовое окисление не может применяться для вод с высоким содержанием TOC, их сочетание позволяет измерять сильно загрязнённые воды. Благодаря высокой применимости и широкому диапазону измерений этот метод получил широкое распространение и является технически зрелым.
5. Резистивный метод
Этот метод начал применяться в последние годы; его принцип заключается в измерении разности удельных сопротивлений пробы до и после ультрафиолетового окисления при условии температурной компенсации.
Однако этот метод предъявляет довольно строгие требования к источнику измеряемой воды: можно использовать только относительно чистую промышленную воду и чистую воду, поэтому направление применения ограничено.
6. Ультрафиолетовый метод
Использование ультрафиолетовой абсорбционной спектроскопии для анализа TOC восходит к 1972 году, когда Dobbs и другие исследовали линейную зависимость между значением ультрафиолетового поглощения (A) при 254 нм и TOC вторичного effluent городских сточных вод и речной воды.
За несколько десятилетий развития благодаря таким преимуществам, как быстрота, бесконтактное измерение, хорошая воспроизводимость и низкие затраты на обслуживание, применение этого метода получило стремительное развитие.
7. Кондуктометрический метод
Основным компонентом этого метода является кондуктометрическая ячейка, состоящая из электрода сравнения, измерительного электрода, газожидкостного сепаратора, ионообменной смолы, реакционной спирали, раствора NaOH для кондуктометрии и т. д.
Преимуществами кондуктометрической ячейки являются низкая цена и лёгкость распространения, однако стабильность оставляет желать лучшего.
8. Метод озонового окисления
Использование сильной окислительной способности озона в качестве технологии обнаружения TOC обеспечивает высокую скорость реакции, отсутствие вторичного загрязнения и высокую практическую ценность. Поэтому перспективы применения этого метода весьма значительны.
9. Метод ультразвуковой кавитации и сонолюминесценции
Ультразвуковая химия стала бурно развивающейся областью исследований, а исследования сонолюминесценции уже затрагивают сферу охраны окружающей среды. Соответствующие учёные нашей страны проделали большую работу в области фундаментальных и прикладных исследований, и в последние годы этот уникальный метод получил признание специалистов.
Этот метод обладает такими преимуществами, как отсутствие вторичного загрязнения, отсутствие необходимости добавления реагентов и простота оборудования.
10. Метод сверхкритического водного окисления
Подходит для применений с высоким содержанием солей. Технология сверхкритического водного окисления (Supercritical Water Oxidation — SCWO) изначально использовалась для обработки больших объёмов сточных вод, осадка и загрязнённой почвы.
В настоящее время она применяется в коммерческих лабораторных анализаторах TOC: когда температура и давление подаваемой воды повышаются выше критической точки воды (375 °C и 3200 psi), органические отходы быстро и полностью окисляются окислителем, находящимся в воде.
Свойства сверхкритической воды позволяют чрезвычайно эффективно и быстро окислять органический углерод до диоксида углерода, даже при наличии хлоридов и других неорганических веществ, которые при использовании несверхкритических методов окисления вызывали бы отрицательные помехи.
Сравнение методов и рекомендации по выбору
| Метод обнаружения | Применимые воды | Преимущества | Ограничения |
|---|---|---|---|
| Влажное окисление-NDIR | Поверхностные и другие обычные воды | Широкое применение, зрелая технология | Неполное окисление вод с высоким TOC |
| Высокотемпературное каталитическое сжигание-NDIR | Сильно загрязнённые реки, морская вода, промышленные сточные воды | Полное окисление, широкая применимость | Относительно высокое энергопотребление |
| Ультрафиолетовое окисление-NDIR | Исходная вода, промышленная вода | Точные результаты | Не подходит для высокого содержания TOC |
| УФ-влажное окисление-NDIR | Сильно загрязнённые воды | Совместное окисление, высокая применимость, широкий диапазон | Относительно сложная система |
| Резистивный метод | Относительно чистая промышленная и чистая вода | Простой принцип | Ограниченное направление применения |
| Ультрафиолетовый метод | Городские сточные воды, речная вода | Быстрый, бесконтактное измерение, хорошая воспроизводимость, низкие затраты на обслуживание | Зависимость от мутности воды |
| Кондуктометрический метод | Чистая вода, промышленная вода | Низкая цена, лёгкость распространения | Относительно низкая стабильность |
| Метод озонового окисления | Различные воды | Высокая скорость реакции, отсутствие вторичного загрязнения | Высокие требования к обслуживанию озонатора |
| Метод ультразвуковой кавитации и сонолюминесценции | Область охраны окружающей среды | Отсутствие вторичного загрязнения, не требует добавления реагентов, простота оборудования | Относительно новая технология, недостаточная стандартизация |
| Метод сверхкритического водного окисления | Высокосолёные сточные воды | Высокоэффективное и быстрое окисление, устойчивость к помехам от хлоридов | Высокая температура и давление, высокая стоимость оборудования |
Заключение
Методы обнаружения анализатора TOC разнообразны, каждый имеет свои применимые диапазоны вод, преимущества и недостатки. Инженерно-технические специалисты и специалисты по закупкам должны выбирать наиболее подходящий метод обнаружения с учётом фактических характеристик пробы воды, диапазона концентраций TOC, требований к точности и бюджета.
Для обычных поверхностных вод влажное окисление-NDIR или ультрафиолетовое окисление-NDIR являются экономичным и надёжным выбором; для сильно загрязнённых промышленных сточных вод более подходящими являются высокотемпературное каталитическое сжигание-NDIR или УФ-влажное окисление-NDIR; для высокосолёных сточных вод можно рассмотреть метод сверхкритического водного окисления.