Was ist der gesamte organische Kohlenstoff (TOC)?

Der gesamte organische Kohlenstoff (TOC) ist ein Maß für die Gesamtmenge an Kohlenstoff in organischen Verbindungen in reinem Wasser und wässrigen Systemen. TOC ist eine bewährte analytische Technik, die von Organisationen und Laboren angewendet wird, um zu bestimmen, wie geeignet eine Lösung für ihre Prozesse ist. Sofern es nicht hochrein ist, wird Wasser natürlich einige organische Verbindungen enthalten. Die genaue Menge ist daher entscheidend.

TOC ist zu einem wichtigen Parameter geworden, der zur Überwachung der Gesamtmenge an organischen Verbindungen verwendet wird. Dies ist trotz des Fehlens einer direkten quantitativen Korrelation zwischen dem gesamten organischen Kohlenstoff und der Gesamtkonzentration der vorhandenen organischen Verbindungen geschehen und spiegelt die Bedeutung eines leicht zu messenden, allgemeinen Indikators für das ungefähre Niveau organischer Kontamination wider.

Es spiegelt auch die Attraktivität eines Parameters wider, dessen Name fundamentaler klingt, als er ist! In vielen Fällen wird der TOC zur laufenden Überwachung von Veränderungen oder dem Fehlen von Veränderungen im organischen Gehalt verwendet.

Was wird bei der Berechnung des gesamten organischen Kohlenstoffs gemessen?

Bei der TOC-Analyse wird Folgendes gemessen:

• TC – Total Carbon (Gesamtkohlenstoff)
• TIC – Total Inorganic Carbon (Gesamtanorganischer Kohlenstoff)
• POC – Purgeable Organic Carbon (Ausspülbarer organischer Kohlenstoff)
• NPOC – Non-Purgeable Organic Carbon (Nicht ausspülbarer organischer Kohlenstoff)
• DOC – Dissolved Organic Carbon (Gelöster organischer Kohlenstoff)
• NDOC – Non-Dissolved Organic Carbon (Nicht gelöster organischer Kohlenstoff)
  
  

Um den TOC zu berechnen, können Sie die Gesamtmenge an anorganischem Kohlenstoff vom Gesamtkohlenstoff abziehen. Alternativ können Sie flüchtigen und nicht flüchtigen organischen Kohlenstoff oder gelösten und nicht gelösten organischen Kohlenstoff addieren. Als Summen sehen sie so aus:

• TOC = TC - TIC
• TOC = POC + NPOC
• TOC = DOC + NDOC 

Wie wird der gesamt organische Kohlenstoff gemessen?

Der Gesamtgehalt an organischem Kohlenstoff (TOC) wird in sehr unterschiedlichen Konzentrationen in den unterschiedlichsten Systemen gemessen. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über den Gesamtgehalt an organischem Kohlenstoff (TOC) in verschiedenen Wasserarten. Die Werte variieren stark innerhalb der einzelnen Wasserarten, reichen aber im Allgemeinen von unter ppb-Werten in hochreinem Wasser für Labor- und Mikroelektronikanwendungen bis zu mehreren hundert ppm in Abwässern und Prozessströmen.

Für viele dieser Systeme liefert der TOC alleine nicht genügend Informationen. Die kohlenstoffhaltigen Verbindungen können in unterschiedlichen Formen vorliegen, deren Anteile entscheidend sein können.

Gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) wird allgemein als derjenige betrachtet, der durch einen 0,45um-Filter passiert. TOC mit großer Partikelgröße wird als partikulär oder ungelöst (NDOC) eingestuft. Etwa 50 bis 75% des DOC in natürlichen Gewässern liegen in Form von polymeren organischen Säuren - Fulvin- und Huminsäuren. Etwa 10% des TOC liegen in Kolloiden vor, hauptsächlich Huminsäuren und verschiedene Mineralien. Weitere 10 bis 20% sind kleine Moleküle aus dem Abbau organischer Substanz.

Darstellung des Gesamtgehalts an organischem Kohlenstoff (TOC) in verschiedenen Wasserarten

Analyse des gesamten organischen Kohlenstoffs

TOC wird universell gemessen, indem die vorhandenen organischen Verbindungen zu Formen oxidiert werden, die quantifiziert werden können. 

Je nach Art und Konzentration des zu messenden TOC und den analytischen Anforderungen (z.B. Geschwindigkeit, Empfindlichkeit) werden verschiedene Oxidations- und Detektionsmethoden verwendet.

1. Hochtemperaturverbrennung bei 1.200 °C in einer sauerstoffreichen Atmosphäre. Das entstandene CO₂ wird durch Gaswäscher geleitet, um Störfaktoren zu entfernen und mittels nichtdispersiver Infrarotabsorption (NDIR) gemessen.

2. Hochtemperatur-katalytische Oxidation bei 680 °C in einer sauerstoffreichen Umgebung in mit einem Platin-Katalysator gefüllten Röhren, gefolgt von NDIR.

3. Thermochemische Oxidation mit Wärme und einem chemischen Oxidationsmittel, in der Regel einem Persulfat.

4. Photochemische Oxidation mit UV und einem chemischen Oxidationsmittel, in der Regel einem Persulfat.

5. Photooxidation durch ultraviolettes (UV) Licht allein oder mit einem Katalysator. Die UV-Oxidationsmethode bietet die zuverlässigste, wartungsärmste Methode zur TOC-Bestimmung in Reinstwasser.

Die Verbrennungsmethoden (1 & 2) werden hauptsächlich für höhere (ppm oder mehr) TOC-Konzentrationen oder bei hohen Partikelgehalten verwendet. Persulfat-Oxidation, verstärkt durch UV oder Wärme, wird häufig für die Laborbestimmung von TOC in vielen Arten von Wasser, von Trinkwasser bis hin zu pharmazeutischen und elektronischen Qualitäten, verwendet. Das entstandene CO₂ wird in der Regel durch NDIR oder durch die Änderung der Leitfähigkeit gemessen, die es erzeugt, wenn es in einem separaten Strom reinen Wassers gelöst wird. 

Um den Einfluss anderer Oxidationsprodukte auszuschließen, kann das Gas durch eine Membran geleitet werden. Eine gute Oxidation kann erreicht werden, aber es ist eine Kompensationsmethode erforderlich, um den Blindwert des Reagenz zu berücksichtigen. TOC auf ppb-Ebene kann nachgewiesen werden.

Alle TOC-Analysatoren, die CO₂ messen, enthalten CO₂ aus Bicarbonaten und Carbonaten, es sei denn, dieses anorganische Kohlenstoff (IC) wird berücksichtigt. IC kann entfernt werden, indem die Probe auf einen pH-Wert von zwei oder weniger angesäuert wird, um IC als CO₂ freizusetzen, das gemessen oder abgelassen werden kann. Der verbleibende nicht ausblasbare TOC (NPOC), der in der Flüssigkeit enthalten ist, wird dann oxidiert, wobei CO₂ freigesetzt wird, das zum Detektor zur Messung geschickt wird.

Die Situation ist etwas anders für hochreines Wasser mit einer geringen Leitfähigkeit. Wasser mit einer ausreichend niedrigen Leitfähigkeit (Widerstandsfähigkeit nahe 18,2 Mohm.cm) kann keine signifikanten Konzentrationen von Bicarbonaten oder Carbonaten (oder anderen löslichen Salzen) enthalten und es ist keine Korrektur für IC erforderlich. Wie bereits erwähnt, müssen alle solchen Spurenmessungen online durchgeführt werden.

Eine Reihe von TOC-Monitoren hat sich entwickelt, um den Bedarf an schneller Überwachung von niedrigen (ppb) TOC-Werten in hochreinen Laborwassersystemen zu decken. Eine schnelle Reaktion ist notwendig, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse verfügbar und relevant für die relativ kleinen Wassermengen sind, die abgegeben werden. Diese Monitore messen in der Regel die Leitfähigkeit des Wassers vor und nach der Oxidation; die Veränderung wird gegen den TOC-Gehalt kalibriert. Aufgrund von Zeitbeschränkungen ist die Oxidation nicht immer vollständig, aber ausreichend für Überwachungszwecke.

Online-TOC-Analyse oder im Labor?

Die überwiegende Mehrheit der Proben für TOC wird im Labor entnommen und analysiert. Wo Unterteilungen von TOC benötigt werden, wie NDOC, werden Proben vor der Analyse vorbereitet.

Online-Analysen werden für höhere TOC-Analysen verwendet, wenn die erforderliche Häufigkeit oder Geschwindigkeit der Analyse dies bevorzugt. Online-Messungen sind auch für die Messung von TOC-Werten unter 50ppb unerlässlich, um eine Kontamination zu vermeiden. Diese Kontamination kann von extranem TOC in der Umgebung oder in Behältern stammen, aber ernsterweise von Kohlendioxid in der Luft, das sich schnell in reinem Wasser auflösen wird. Kohlendioxid stört viele der Techniken, die zur Überwachung von Spuren-TOC verwendet werden.

Echtzeit-TOC-Überwachung: ein neuer Fortschritt

Dank neuester Innovationen verfügen einige Wasseraufbereitungssysteme nun über eine integrierte Echtzeit-Überwachung des gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC). Dies ist bei der neuen PURELAB® Chorus Complete der Fall. Es ermöglicht die kontinuierliche Überwachung des TOC-Gehalts direkt im System, ohne dass ein externer TOC-Analyser erforderlich ist.

Diese integrierte Überwachung bietet mehrere wichtige Vorteile:

- Sofortige Überprüfung der organischen Reinheit des Wassers
- Reduziertes Risiko von Verstößen, insbesondere in GxP-regulierten Umgebungen
- Schnellere Reaktion auf potenzielle organische Kontaminationsereignisse

In stark regulierten Umgebungen wie pharmazeutischen Qualitätskontrolllaboren ist die Echtzeit-TOC-Überwachung ein großer Vorteil. Sie trägt dazu bei, die Konsistenz und Rückverfolgbarkeit von Reinstwasser in voller Übereinstimmung mit internationalen Arzneibuchstandards (USP, EP, JP) sicherzustellen.

✅ Moderne Wasseraufbereitungslösungen wie die PURELAB Chorus Complete bieten standardmäßig eine Echtzeit-TOC-Überwachung. So können Labore die Wasserqualität kontinuierlich überwachen, die Datenintegrität verbessern und volles Vertrauen in jeden Tropfen Wasser gewinnen.