TOC分析仪：工作原理、应用与维护指南
TOC分析仪：工作原理、应用与维护指南
TOC分析仪，即总有机碳分析仪，是一种用于测量水体中有机物总量的仪器。它通过检测水体中有机物的碳含量，来评估水体的有机物污染程度。本文将详细介绍TOC分析仪的工作原理、应用领域、分类、选型指南、维护保养、注意事项和故障排除等内容。
TOC分析仪
TOC分析仪以测量制药行业用水中的有机物这一新的USP专论为指南，比较两种总有机碳（TOC）分析仪---湿法氧化分析仪和燃烧法分析仪。TOC分析仪即总有机碳分析仪。
以碳的含量表示水体中有机物质总量的综合指标。
TOC可以很直接地用来表示有机物的总量。因而它被作为评价水体中有机物污染程度的一项重要参考指标。
工作原理
先把水中有机物的碳氧化成二氧化碳，消除干扰因素后由二氧化碳检测器测定，再由数据处理把二氧化碳气体含量转换成水中有机物的浓度。经过不断的研究实验，TOC检测方法从传统的复杂技术渐渐变成便捷准确。
应用
发电厂
核和化石燃料。
冷凝液/循环流、冷却水、锅炉供水和废水中的TOC。
为减少排放到大气的 CO2 量，已经开发出CO2处理技术，例如：从化石燃料发电厂排放的CO2用乙醇胺溶液吸收。化学和石油工业
检查冷却水与设备冷凝回流物中有机溢出。
无机化学药品如H2SO4、H2O2的产品纯度。
废水中的有机负载与产品损失。其他应用
如食品与饮料工业中检查原水质量及中水纯度。
检查输入和再循环回路中的水:
防止成膜（filming）或起雾（hazing）。
快速检查产品损失和过程泄露。
检测微生物的生长。
测定供水中的有机酸，避免设备腐蚀。
监控冷凝水中的油，防止损坏热交换器。
锅炉供水 — TOC值可用于监控油和脂肪的水平。之所以重要，因为油和脂肪可导致泡沫或夹带并变成腐蚀品的粘着核，如：铁锈，从而损坏锅炉。TOC的监控也防止水垢的形成。
测定清洁剂中的油污染。
测定水泥产品中的 CaCO3 。因为水泥是碱，含有大量的Ca，慢慢与大气中的CO2反应形成 CaCO3，导致水泥变质和影响其耐久性。 使用TOC分析仪和固体进样装置可进行测定。
分类
湿法氧化(过硫酸盐)- 非色散红外探测 (NDIR)
该方法是在氧化之前经磷酸处理待测样品 ，去除无机碳，而后测量 TOC的浓度。现代的TOC连续分析仪中，绝大部分都是湿法氧化。湿法氧化对于复杂的水体(例如:腐殖酸、高分子量化合物等)氧化不充分，所以不适用 TOC含量高的水体 ，但是对于常规水体如地表水是可以的。高温催化燃烧氧化 - 非色散红外探测（NDIR)
高温催化燃烧氧化的应用时间远比湿法氧化迟，但是因为高温燃烧相对彻底，可以适用于污染较重的江河、海水以及工业废水等水体。紫外氧化 - 非色散红外探测 (NDIR)
其方式与湿法氧化相同，不过是采用紫外光(185nm)进行照射的原理，在样品进入紫外反应器之前去除无机碳，得到更精确的结果。紫外氧化法，对于颗粒状有机物、药物、蛋白质等高含量 TOC是不适用的，但可以用于原水、工业用水等水体。紫外(UV)- 湿法(过硫酸盐)氧化 - 非色散红外探测(NDIR)
这种方式是紫外氧化和湿法氧化两者协同作用，相互补充，相互促进，氧化降解效果优于其中任何一种方法。针对紫外氧化无法用于高含量TOC水体，两者的协同可以测量污染较重的水体。因其适用性强、可测范围广泛的特点而普及度高，技术成熟。电导法
该法中涉及的主要器件是电导池，它由参比电极、测量电极、气液分离器、离子交换树脂、反应盘管、NaOH电导液等组成。电导池的优点是价格低、易普及 ，但稳定性较差。臭氧氧化法
利用臭氧的强氧化性，采用臭氧氧化作为TOC的检测技术，具有反应速度快，无二次污染 ，以及较高的应用价值。故此方法的应用前景非常可观。电阻法
该法是近年来开始应用的技术 ，其原理是在温度补偿前提下，测量样品在紫外线氧化前后电阻率的差值来实现的。但该方法对被测量的水体来源要求比较苛刻 ，只能用相对洁净的工业用水和纯水，应用方向单一。紫外法
紫外吸收光谱用于 TOC的检测分析最早可追溯到 1972 年 ，Dobbs 等人对于 254nm处紫外吸光度值(A)和城市污水处理二级出水及河水的 TOC之间线性关系进行了研究。经过几十年的发展，由于具有快速、不接触测量、重复性好、维护量少等优点，该方法的应用得到飞速发展。超声空化声致发光法
超声化学已成为一个蓬勃发展的研究领域 ，声致发光的研究已涉及到环境保护领域，我国的相关学者在基础研究和应用研究方面做了大量的工作，近年来 ，这一独特的方法已经得到专家的认可。具有无二次污染、不需添加试剂 ，设备简单等优点。
选型指南
日本岛津TOC采用的是680℃催化燃烧氧化，测量范围较大，但对样品的盐含量要求不宜过大。
德国Elementar TOC分析仪（Vario TOC）所测TOC范围较广，为0-60000 ppm，但其对高盐样品的适用性不详。
美国Sievers 900TOC采用紫外线/过硫酸盐氧化法，是紫外氧化和湿法氧化的协同作用，相互补充，相互促进，两者协同可以测量污染较重的水体，但其测量范围较小，仅0.03 ppb－50 ppm，且对高盐样品的适用性不详。
澳大利亚ANA TOC Ⅱ采用二氧化钛为催化剂的光催化氧化反应，测量范围适中，对含盐量较高的样品的适用性不详。
综合以上考虑，
(1) 德国耶拿Multi N/C系列TOC可精确分析TC、TOC、NPOC（不可吹扫有机碳，相对于可吹扫有机碳而言的。所谓可吹扫有机碳，是TOC的一部分，即样品在室温下用气流吹扫/鼓泡可将其除去的TOC部分）、TIC和TN，可配固体测量模块;
(2) 采用高温催化氧化，最高反应温度1300度，保证了碳的氧化彻底，提高了反应精度；
(3) 测量范围较大，测溶液中总有机碳含量0-30000 ppm，固体最高150mg碳绝对量；
(4) 可耐高盐含量样品，最大含盐量85g/L。 multi N/C 3100系列TOC是Multi N/C系列的升级版，是目前最顶级的TOC/TN同步分析仪，可以测量所有的水质样品。参考标价10-20万左右。
维护保养
每周维护：
- 检查仪器是否正常运行
- 检查反应液、标准液体以及冲洗液是否需要更换
- 查各管路是否有堵塞情况 每月维护： 校正氨氮分析仪。如果校正失败，请参见“校正失败处理规程”。
每6个月维护：
- 检查仪器内部的蠕动泵管、收缩阀管道以及采样管是否要更换
- 检查仪器各电磁阀动作是否正常工作
- 检查氨氮电极是否进行更换
- 检查加热装置加热是否正常。
注意事项
操作环境空间要求：TOC分析仪必须是在室内，或相当于室内条件的遮风挡雨的外围设备将分析仪放在清洁的平面上，此处的空间和承重足以满足该仪器的尺寸和重量要求；仪器固定位置可置于墙面，或其它固定的装置上。（仪器安装尺寸参考下页图片示例显示）。
操作环境温度要求：应该避免阳光直射和高温；如果在温度过高（超过40°C）的环境下操作，可能会导致分析仪无法正常工作；如果在温度过低（10°C）的环境下操作，可能会导致分析仪的测量结果有误或冻坏管路（环境温度要求为10-40°C，零度以下会冻坏仪器内部管路或部件，这种情况违反了操作环境要求，不属于保修范围）。
仪器供电要求：标准220V/50Hz的三线单箱电源线，50/60赫兹，接地必须完备，中间有开关，接仪器方留出三线待用；如果使用环境供电情况不稳定可能造成仪器工作不稳定或电子部件的损坏，建议增配UPS不间断电源；操作人员人体静电可能会对仪器有损伤，操作前必须进行放电处理。
其他要求：【灰尘】环境应该少灰尘，减少灰尘对仪器操作以及仪器内部电路板的影响，避免短路或影响仪器的性能；【挥发性物质】仪器不可以与具有挥发性有机物的分析仪器（例如液相或气相）放于同一个实验室内；【震动】此仪器属于高精密分析仪器，仪器应轻拿轻放，避免剧烈震动。
故障排除
(1)TOC分析仪有时(特别是寒冷的冬天)开机时,主机温度显示会出现Er2标示,仪器无法正常开机,在这种情况下首先要考虑环境温度是否达标。一般进口的分析仪器设备,都要求环境温度在20?左右,湿度在60%以下,否则,就会影响仪器的正常工作。排除此类故障的方法很简单,提高室内环境温度,大约40min也后就可以重新开机。
(2) 样品的进样量的多少,也会直接影响测试结果的准确性,一般进样量越大,曲线的峰值越高,但过多的进样量会导致燃烧效率低下或不完全。另外,样品中如果有悬浮物质,一定要滤去。对于美国Apollo9000型TOC分析仪,如果是手动进样,一般浓度在100mg/L以下可进样50L;浓度在100500mg/L范围,进样量为3040L;5002000mg/L,进样量为2030L;20005000mg/L,进样量为1020L;5000mg/L以上,进样量不要超过15L。
(3) 标准溶液的配制必须准确(准确称量和定容),应该用不含有机物的蒸馏水配制标准溶液。
(4) 载气必须是高纯度的(99.999%),将水样酸化后曝气,将无机碳酸盐分解生成二氧化碳驱除、再注入高温燃烧管中,可直接测定总有机碳量。可见,载气的纯度直接影响测量结果的准确度。
(5) 试剂除另有说明外,均为分析纯试剂,所用水均为无二氧化碳蒸馏水。无二氧化碳蒸馏水:将重蒸馏水在烧杯中煮沸蒸发(蒸发量10%)稍冷,装入插有碱石灰管的下口瓶中备用。
(6) 内因造成的故障主要是实验参数选择不适合。在进行样品分析时,首先打开Apollo9000型TOC分析仪工作站,如果采用船形进样,在参数设置时就必须在主菜单Setup下点击instrument在Preferences栏下Sample introduction处调出 withoutAutosampler,不能选取其他2个参数。否则,就会导致仪器的错误操作。 在实际工作中,按Start后,如果计算机画面始终不出现运行的3个步骤框,主机面板左上角的吸收泵一直上下运动,仪器不能正常运行,此时就要考虑是否是仪器的上述初始参数设置不正确,应将withAutosampler改成withoutAutosampler,仪器很快就会正常运行。流速过快或过慢都不利于反应的完全进行。