TOC-Analytik Was ist bei der TOC-Analyse zu beachten?

Autor / Redakteur: Sascha Hupach / Dr. Jörg Kempf

Die Anzahl der bekannten organischen Verbindungen wird auf 40 Millionen geschätzt. Um in der Praxis die organische Belastung eines Kompartiments zu bestimmen, ist eine Einzelstoffanalytik kaum zu bewältigen. Der Summenparameter TOC jedoch stellt die Gesamtheit der Verunreinigung durch organische Substanzen fest. Erfahren Sie, was bei der TOC-Analyse zu beachten ist

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Hochmoderne Laboratorien bieten mit unterschiedlichsten Analysensystemen die Möglichkeit einer umfassenden Analytik mit höchster Richtigkeit.
Hochmoderne Laboratorien bieten mit unterschiedlichsten Analysensystemen die Möglichkeit einer umfassenden Analytik mit höchster Richtigkeit.
(Bild: © Dirk Matull Fotografie / Shimadzu)

Um den TOC (Total Organic Carbon = gesamter organischer Kohlenstoff) zu bestimmen, gibt es verschiedene Methoden. Die am häufigsten genutzte ist die Direkt- oder NPOC-Methode (Non Purgeable Organic Carbon = nicht ausblasbarer organischer Kohlenstoff). Bei dieser Bestimmung werden zunächst die anorganischen Kohlenstoffverbindungen eliminiert, wie Carbonate, Hydrogencarbonate und Kohlendioxid. Dazu wird die Wasserprobe mit einer Mineralsäure versetzt, z.B. Salzsäure, die Carbonate und die Hydrogencarbonate werden zu Kohlendioxid und Wasser umgesetzt, und das Kohlendioxid mittels eines Spülgases aus der Probe vollständig entfernt. Anschließend wird ein Aliquot der vorbereiteten Probe auf einen heißen Katalysator injiziert. Auf diesem werden die organischen Verbindungen zu Kohlendioxid oxidiert und von einem Trägergas zu einem NDIR-Detektor geführt und detektiert.

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TOC-Offline-Laboranalytik

Ein Großteil der Analytik findet immer noch im Labor statt. Hier werden die Proben vorbereitet und auf verschiedene Parameter hin untersucht. Zahlreiche Analysatoren und Messgeräte ermöglichen einen flexiblen Einsatz von verschiedenen Analyse-Verfahren. Ein wichtiger, nicht zu unterschätzender Arbeitsbereich ist die Probennahme. Hierbei muss vieles bedacht werden: von der Auswahl des richtigen Probenflaschenmaterials bis hin zur richtigen Lagerung während des Transports ins Labor.

Oft wird so viel Probe für die Laboranalytik entnommen, dass Rückstellmuster für spätere Analysen aufbewahrt werden können. Um die Stabilität der Proben zu gewährleisten, müssen sie in der Regel schon bei der Probennahme stabilisiert bzw. konserviert werden. Dies geschieht je nach Parameter z.B. mit Säuren oder Lösemitteln.

Auch bei der TOC-Analyse ist schon bei der Probennahme einiges zu beachten. So auch die Konservierung: Laut der geltenden Norm (EN 1484) wird die Probe unmittelbar nach der Probenahme mit einer Mineralsäure auf einen pH<2 gebracht, um die biologische Aktivität der Probe zu hemmen. Der Probentransport erfolgt bestenfalls in der Kühlbox bei 2 bis 5 °C. Kann die Analyse nicht sofort erfolgen, werden die Proben kühl gelagert oder sogar bis zur Analyse bei Temperaturen von -15 bis -20 °C eingefroren. Soll das Messergebnis nur die gelösten TOC-Anteile widerspiegeln, muss vor dem Ansäuern filtriert werden.

Die meisten Laboratorien verfügen über umfassende Maßnahmen, die die Qualität und die Güte der Analysenverfahren sichern. Dazu werden z.B. Kontrollkarten über Mittelwerte, Wiederfindungen oder Spannweiten geführt, sowie Mehrpunktkalibrationen zur Berechnung der Verfahrenskonstanten wie Nachweisgrenze und Bestimmungsgrenze durchgeführt.

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Bei der Laboranalytik kommt die Probe ins Labor zum Analysator und wird gleich mehrfach gemessen, um eine statistische Sicherheit zu erreichen. Das Ergebnis ist mit umfangreichen Maßnahmen abgesichert und in der Regel von hoher Richtigkeit; jedoch beschreibt es eine Probe, die in dieser Form möglicherweise nicht mehr existiert, denn zwischen Probenahme und Analysenergebnis liegt eine gewisse Zeitspanne von etwa einer Stunde bis hin zu ein paar Tagen.

TOC bis in den Spurenbereich

Für die Analyse im Labor bietet Shimadzu die Geräte der TOC-L-Serie an. Die Systeme oxidieren die Kohlenstoffkomponenten mit einem hocheffizienten Platinkatalysator bei einer Temperatur von 680 °C. Die geringe Temperatur liegt unterhalb der Schmelzpunkte der gängigen Salze und vereinfacht damit die Analyse salzhaltiger Proben und erhöht die Standzeit des Systems.

Die Probenvorbereitung können die TOC-L-Geräte automatisch durchführen. Eine automatische Verdünnungsfunktion ermöglicht die Erstellung von Mehrpunktkalibrierungen aus einer Standardlösung (auch in äquidistanten Abständen). Zudem kann die Probe bei zu hoher TOC-Fracht automatisch verdünnt werden. Die Software beinhaltet Tools zur Qualitätssicherung, von der Definition von verschiedenen Kontrollproben bis hin zur automatischen Führung von Kontrollkarten.

Zeitnah mit TOC-Online-Analysen

Im Gegensatz zu Laboranalysen liefern Online-Analysen zeitnahe Ergebnisse. Hierzu werden spezielle Analysatoren möglichst nah an den zu untersuchenden Probenstrom gebracht und mit ihm verbunden. Der Summenparameter TOC lässt sich einfach und robust als Online-Messung umsetzen. Ein Probennahme-System entnimmt in kurzen Zeitintervallen aus dem Probenstrom eine Probe, um sie anschließend zu analysieren.

Moderne Analysatoren, wie etwa der TOC-4200 von Shimadzu, übernehmen die komplette Probenvorbereitung (Ansäuern und Ausgasen) automatisch und analysieren den TOC-Gehalt der Probe. Sie wird beispielsweise in einem Intervall von vier Minuten gemessen. Dabei wird der TOC-Gehalt lediglich aus einer Injektion berechnet. Denn nach vier Minuten wird schon das nächste Ergebnis ermittelt.

Der TOC-4200 kann bis zu sechs Probenströme analysieren. Daher wird der Analysator speziell auf die zu erwartenden Proben parametriert. So kann ein Probenstrom sehr engmaschig kontrolliert werden. Die Probe kann hier zwar nicht so umfassend analysiert werden wie in der Laboranalyse, jedoch liegt das Messergebnis als Ist-Wert schnell vor. Dadurch erkennt man rasch Konzentrationsänderungen im Probenstrom, was eine kontinuierliche Prozesssteuerung möglich macht, die mit Offline-Messungen nicht oder nur sehr träge möglich ist.

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Der TOC-4200 verfügt über eine automatische Verdünnungsfunktion, die Mehrpunktkalibrationen aus einer Standardlösung erstellen erlaubt sowie die Verdünnung von Proben. Das ist vor allem dann hilfreich, wenn mehrere sehr unterschiedliche Konzentrationsniveaus mit einem Gerät gemessen werden.

Um schnell auf den Prozess reagieren zu können, verfügen Online-Analysatoren über unterschiedliche Kommunikationsmittel, die den Analysenwert direkt in ein Prozessleitsystem einspielen. Der TOC-4200 nutzt neben der klassischen 4-20 mA-Schnittstelle, auch moderne Kommunikationsmittel wie Modbus oder eine Web-Anbindung, mit der die Anwender von jedem vernetzten PC Einsicht in das System bekommen können.

Praxis-Beispiel

Ob Laboranalysen oder Online-Analytik – beide Varianten haben ihre Vorzüge. Während die Laboranalyse mitunter umfangreicher und von hoher Richtigkeit ist, sind die Ergebnisse der Online-Analyse schnell verfügbar. Es gibt Anwendungen, bei denen eine rasche Veränderung der Probe große Schäden anrichten könnte, etwa bei Produktqualität und Anlagenschutz oder beim Umweltschutz. Ein Beispiel:

Die Kläranlage in einem Chemiepark reinigt kontinuierlich die Abwässer verschiedener Anlagen, bevor sie in ein Fließgewässer geleitet werden. Würde ein solcher Auslauf im Laborbetrieb analysiert, könnte ein Störfall unter Umständen erst Stunden später bemerkt werden und einen hohen Schaden in der Umwelt anrichten. Ein Online-Analysator würde die Störung nach wenigen Minuten an die Leitwarte melden oder direkt den Auslauf der Kläranlage über ein Relais schließen.

Fazit

In der Praxis bietet sich oft ein Mix beider Analysenmöglichkeiten an: Während spezielle, zum Teil aufwändig zu messende Parameter im Labor bestimmt werden, können andere Parameter kontinuierlich und engmaschig zum Schutz der Anlage oder der Umwelt online durchgeführt werden. Aufgrund seiner großen Aussagekraft ist der TOC ein vielseitig einsetzbarer Parameter in der Online-Analytik.

* Der Autor ist Produktspezialist TOC/Summenparameter, Shimadzu Deutschland GmbH, Duisburg.

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