用于探测任务的总有机碳分析仪系统的选择

用于探测任务的总有机碳分析仪系统的选择

在太空探索任务中，总有机碳分析仪（TOCA）系统是监测和分析水样中有机碳含量的关键设备。本文详细介绍了为满足太空探索需求而开发的多种试验板系统，重点描述了BB.1c和BB.2a系统的架构、工作原理和测试结果。这些系统采用了紫外线氧化、膜转移和电导率检测等先进技术，为未来太空探索任务提供了可靠的有机碳分析解决方案。

【摘要】

与商业TOC工艺的主要区别在于需要在UV氧化回路中再循环，以及在使用电解工艺的氧化工艺期间提供补充氧气。通过缩小候选范围来选择最适合勘探任务的TOCA系统。基于正在进行的研究和开发，将最有利的技术组织成适当的系统架构，并开发成试验板系统。试验板单元的开发允许展示综合技术、开发操作方法和概念以及收集系统级性能数据。

在试验板配置和开发工作之后，使用已知的TOC标准评估系统的性能。总共有九个试验板架构构思、建造和测试。在这九种技术中，有四种系统被认为符合要求和/或有足够的数据可纳入随后的贸易评估。

第一个试验板系统BB.1c结合了紫外线氧化、CO2液-液膜转移和碳酸氢盐电导率测量（图1）。该体系结构借鉴了Sievers Instruments和ISS TOCA在1999-2002年最初商业化的原则[1]。

与商业TOC工艺的主要区别在于需要在UV氧化回路中再循环，以及在使用电解工艺的氧化工艺期间提供补充氧气。这些变化是为了实现足够的有机碳氧化，同时避免使用过硫酸盐等危险、易耗和寿命有限的化学氧化剂。

无论是通过化学过程还是电解过程，紫外线氧化都需要补充氧气，因为在环境条件下的样品在化学计量上不含有足够的溶解氧，无法达到为勘探级TOCA设定的10 mg/L TOC限值。

作为用危险和消耗性化学品补充氧化过程的替代品，选择并演示了一个低功率环境温度电解槽，作为BB.1c架构的一部分。电解槽可以在低电流（例如0.2mA）下操作，并向UV反应器提供补充氧气，同时仍保持本体流体中的氧气溶解。

此外，所选择的电解槽技术采用质子交换膜阴极，有助于将氢气从水样中输送到舱内空气中，从而消除水流中残留的夹带H2气体/气泡的可能性。

在这种情况下电解槽的操作需要再循环，因为与使用化学氧化剂相比，电解槽仅提供额外的氧气来补充UV氧化，化学氧化剂也在有机物直接转化为CO2中发挥作用。

在方法开发测试中，7mL的样品需要少于20分钟的样品再循环，以实现10mg/L TOC样品的完全氧化；因此，该方法选择了固定的20分钟氧化时间。

这里，再循环所需的时间主要取决于样品大小、反应器配置和流速。计划对这些参数进行进一步优化，以提高反应器性能。

图1 Breadboard图紫外线氧化，膜转移到液体的导电性

使用与BB.1c相同的紫外线氧化方法测试开发的第二个试验板系统BB.2a，但使用液-液膜转移和电导率检测，而不是使用液-气膜转移和通过气相可调谐激光光谱仪（TLS）检测CO2。

该方法也是对许多商业系统以及现有ISS TOCA4的改编。对于这些系统，通常使用气相非色散红外（NDIR）检测器。NDIR和激光光谱法在相同的光度原理下工作，并基于CO2分子的直接红外吸收。

可调谐激光光谱学之所以被选择用于试验板的实施，是因为它在尺寸上有好处，不依赖反射电池室设计，对水蒸气干扰不敏感，并且在最近的NASA项目中成功实施，如火星好奇号火星车、猎户座激光空气监测器和猎户座异常气体分析仪[2]。

该系统中的Breadboard操作与上述用于样品氧化的BB.1c系统相同。

然而，一旦样品被氧化成CO2，则使用以下操作进行检测。

（a） 氧化的水样品穿过透气膜，其中CO2通过扩散转移到氮气吹扫气中；

（b） 吹扫气体携带CO2通过TLS检测器，在TLS检测器中通过激光光谱测量CO2浓度。

在试验板测试中，氮气流速为7ml/min，水样流速为0.4ml/min。在膜的每一侧都有逆流稳定流，一侧是含液体的CO2，另一侧是不含CO2的N2气体，TLS系统报告了CO2稳态浓度，直到氧化的水样被推到废物中，并通过系统抽取新的水，为后续分析做准备。

图2 Breadboard图紫外线氧化，膜通过载气系统转移到TLS

[1] Morrison, C., S. Schumacher, C. McPhail, M. Callahan, and S. Pensinger, “Considerations on Development of an Exploration Total Organic Carbon Analyzer (TOCA),” International Conference on Environmental Systems, Albuquerque, NM., 2018.

[2] Mudgett, P., M. Skow, T. Limero, S. Beck, and J. Pilgrim, “Seeking the Tricorder: Evolution of the NASA Anomaly Gas Analyzer,” International Conference on Environmental Systems, Boston, MA., 2019.