Gesamter organischer Kohlenstoff

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Der gesamte organische Kohlenstoff oder TOC (engl.: total organic carbon) ist ein Summenparameter in der Wasser- und Abwasseranalytik und spiegelt die Belastung des Wassers mit organischen Stoffen wider.

Der gesamte Gehalt an organischen Kohlenstoffverbindungen im Wasser wird dabei bestimmt.

Der TOC wird in mg/l angegeben und meist in automatisierten Messverfahren ermittelt.

Saubere Gewässer weisen einen TOC-Gehalt von 1-2 mg/l auf. In stark verschmutzten Gewässern kann der Wert auf über 10 mg/l steigen. Der TOC dient neben anderen Summenparametern zur Beurteilung der Wassergüte.

Die Methode beruht auf der Oxidation der im Wasser enthaltenen Kohlenstoffverbindungen und der anschließenden Bestimmung des dabei entstandenen CO₂ (Kohlendioxid). Dies erfolgt üblicherweise durch die thermische Verbrennung, oder alternativ über einen UV-Persulfataufschluss der Wasserprobe und anschließender Detektion des CO₂ mittels Infrarotspektroskopie.

Die Vorteile dieser Methode gegenüber dem chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) liegen in der erhöhten Genauigkeit, dem geringeren erforderlichen Probevolumen und der Automatisierung der Bestimmungsmethode. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine hoch mit Schwermetallen (Hg, Ag, Cr) belasteten schwefelsauren Abwässer anfallen. Nachteil ist der apparative Aufwand (Beschaffung eines TOC-Gerätes).

Die Anwendung des Parameters hat sich vor allem bei der Trinkwasser- und Oberflächenwasseruntersuchung eingebürgert, bei der auch der CSB oftmals zu ungenau wäre. Bei der Abwasseranalytik hat vor allem in Bezug auf die Bemessung von Kläranlagen der CSB und der Biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB₅) als Summenparamter für organische Verbindungen weitere Verbreitung gefunden.

Inzwischen ist auch bei der Abwasserabgabe der TOC als Maß für die organische Belastung (mit einem Umrechungsfaktor bezogen auf den CSB) zulässig.

[Bearbeiten] Analysenmethoden

TOC Analysator nach UV-Persulfatmethode (Naßchemische Methode)

Der anorganische Kohlenstoff (TIC)wird mit Säure und Stickstoff im TIC-Reaktionsgefäß ausgetrieben

Anschließend wird die Probe in das TOC-Reaktionsgefäß verbracht und der organische Kohlenstoff mit UV Licht/Persulfat ausgetrieben

In der Normung (z.B. DIN EN1484) werden drei verschiedene Verfahren beschrieben um den TOC zu ermitteln. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass einerseits alle relevanten Verbindungen erfasst werden sollen, andererseits eine Störung der Messung durch Matrix-Stoffe möglichst vermieden werden soll. Moderne Analysengeräte können nach allen drei Verfahren betrieben werden. Die Auswahl des geeigneten Verfahrens richtet sich dabei nach der Zusammensetzung und Konzentration der TOC-Komponenten und nach den zu erwartenden Störstoffen.

[Bearbeiten] Differenzverfahren (TOC = TC - TIC)

Im Bereich großer TOC-Konzentrationen (z. B. bei kommunalem Abwasser) wird häufig nach dem "Differenzverfahren" gearbeitet. Dabei wird im ersten Schritt die Gesamtheit aller Kohlenstoffverbindungen "TC" bestimmt und anschließend in einer zweiten Messung der Anteil anorganischer Kohlenstoffverbindungen (z. B. Karbonate) "TIC" ermittelt. Durch Subtraktion des TIC vom TC erhält man dann den TOC-Wert.

[Bearbeiten] Direktverfahren (TOC als NPOC)

Da sowohl der TC als auch der TIC mit einer Messungenauigkeit behaftet sind, führt das Differenzverfahren bei Proben mit einem gegenüber dem TIC kleinen TOC-Anteil oft zu ungenauen Ergebnissen. Im Bereich der Trinkwasseranalytik wird deshalb das so genannte „Direktverfahren“ eingesetzt. Dafür wird die Probe vor der Messung angesäuert, um den anorganischen Kohlenstoffanteil „TIC“ über Kohlensäure in Kohlendioxid (CO₂) umzuwandeln. Mit einem Inertgasstrom wird das entstandene CO₂ anschließend aus der Probe ausgeblasen. Der so erhaltene TOC wird auch als „NPOC“ (Non Purgeable Carbon) bezeichnet.

[Bearbeiten] Additionsverfahren

Leicht flüchtige organische Verbindungen werden beim Direktverfahren nicht mit erfasst. Darf ihr Anteil am TOC nicht vernachlässigt werden, setzt man das „Additionsverfahren“ ein. Dazu wird der ausgeblasene Gasstrom vom CO₂ befreit und die enthaltenen flüchtigen Verbindungen anschließend oxidiert und bestimmt. Der so erhaltene „POC“ (Purgeable Organic Carbon) wird dann mit dem NPOC zum TOC addiert.

[Bearbeiten] Verbrennungsmethode (Combustion)

Bei der Verbrennungsmethode wird die Probe in einem beheizten Reaktor zu Kohlendioxid verbrannt. Feste Proben werden bei 900 °C oder höher verbrannt. Im Bereich flüssiger Proben konnte die Verbrennungstemperatur durch Einsatz angepasster Katalysatormaterialien auf materialschonendere Temperaturen von unter 700 °C gesenkt werden. Die Verbrennungsgase werden mit einem Trägergasstrom mitgerissen, entfeuchtet und zum Detektor geführt. Die Bestimmung des Kohlendioxids erfolgt in einem nicht dispersiven Infrarotdetektor (NDIR). Parallel zum TC oder NPOC kann man den TN_b (Gesamter gebundener Stickstoff) mit einem separaten Detektor durch Chemolumineszenz ermitteln.

Um den TIC zu erhalten, wird bei den Verbrennungsgeräten die Probe angesäuert und das frei werdende Kohlendioxid ausgetrieben. Die Bestimmung des Kohlendioxids erfolgt wiederum im NDIR-Detektor.

[Bearbeiten] Nasschemische Methode "UV-Persulfatmethode" (Wet-Chemical)

Die Probe wird in ein beheiztes Aufschlussgefäß eingeleitet. Säure wird zugegeben und der anorganische Kohlenstoff (TIC) in Kohlendioxid umgewandelt. Das Kohlendioxid wird mit Stickstoff ausgetrieben und im NDIR - Detektor als TIC gemessen. Der Probe wird Persulfat und UV-Licht zugegeben und der organische Kohlenstoff (TOC) im beheizten Reaktor in Kohlendioxid umgewandelt. Das Kohlendioxid wird mit Stickstoff ausgetrieben und im NDIR - Detektor als TOC gemessen. Feste Probenbestandteile (auch suspendierte Partikel) können nicht vollständig aufgeschlossen werden. Dieses Verfahren eignet sich für stark salz- und säurehaltige Proben, da es nicht wie beim Hochtemperaturverfahren zu Mineralisierungen des Verbrennungsrohres kommt und zu vorzeitigem Verschleiß eines evtl. Katalysators.

[Bearbeiten] Einsatzbereich der verschiedenen Methoden

Die naßchemische Methode "UV-Persulfatmethode" eignet sich für den Nachweis kleinster TOC Gehalte beispielsweise in Pharmawässern (Reinstwasser, WFI, ...), da eine große Probenmenge (bis ca. 20 ml) eingesetzt werden kann. Für den oberen Meßbereich (Abwasser etc.) wird die Verbrennungsmethode (Injektionsmenge bis ca. 2 ml) eingesetzt.