TOC/TNb Analyse

Unsere Geräte setzen Standards, wenn es um Effizienz, Matrixtoleranz und Nutzerfreundlichkeit in der TOC/TN_b-Analyse geht. Ein cleveres Design, ausgeklügelte Technologien, ein modernes Softwareinterface und vielfältige Automatisierungsoptionen sorgen für reibungslose Workflows, präzise Ergebnisse und geringe Gesamtbetriebskosten. Ob sehr partikelreiche Abwasserproben oder Reinstwasser, Hochdurchsatz oder Spezialanwendung, Feststoff- oder Flüssigproben – in unserem Portfolio finden Sie das geeignete Gerät. Modular aufgebaut, kann Ihr Gerät individuell konfiguriert werden.

Katalytische Hochtemperaturverbrennung oder UV-Aufschluss?

Geräte mit katalytischer Hochtemperaturverbrennung zeichnen sich durch exzellentes Partikelhandling und ausgezeichnete Nachweisstärke aus. Unsere UV-Geräte überzeugen mit Präzision und persulfatfreiem Aufschluss im Ultraspurenbereich sowie schneller und vollständiger Probenoxidation auch in komplizierten Matrizes.

Mit jahrzehntelanger Erfahrung in der Entwicklung analytischer Geräte und dem weltweiten Support unserer erfolgreichen Kunden sind wir mit den Anforderungen der TOC/TN_b-Analyse bestens vertraut. Finden auch Sie mit uns den richtigen Analysator, der Ihren Laboralltag wirklich erleichtert.

Unsere Lösungen für die TOC-Analyse / TN_b-Analyse

Summenparameter und ihre Bedeutung in der chemischen Analytik

Die TOC/TN_b-Analyse gehört zu den Verfahren der Summenparameteranalytik. Dabei werden unter definierten Analysebedingungen Stoffgruppen summarisch quantitativ erfasst, ohne die enthaltenen Einzelparameter messtechnisch aufzuschlüsseln. Der Vorteil dieses Messverfahrens im Vergleich zur Einzelstoffanalytik liegt vor allem in der geringen Dauer der Analyse: Statt unter hohem Aufwand die jeweiligen Einzelstoffe quantitativ nachzuweisen, erfasst die TOC/TN_b-Analyse lediglich die Gesamtmenge von organischem Kohlenstoff und gebundenem Stickstoff. So kann Wasser beispielsweise mehrere Millionen Arten organischer Moleküle enthalten. Statt diese einzeln zu identifizieren und zu quantifizieren, können sie gesammelt mithilfe der TOC/TN_b-Analyse bestimmt werden. Die zuverlässige Beurteilung der Wasserqualität in der Umweltanalytik kann dadurch innerhalb weniger Minuten durchgeführt werden.

Der Summenparameter TOC

Der TOC (Total Organic Carbon) bzw. DOC (Dissolved Organic Carbon) spielt in der Umweltanalytik eine maßgebliche Rolle bei der Beurteilung von Qualitätsstandards beziehungsweise bei der Identifizierung von unerwünschten Fremdstoffen in Proben. Der Summenparameter gibt die Summe des gesamten organischen Kohlenstoffs an. Anorganisch gebundener Kohlenstoff ist kein Bestandteil des TOC-Summenparameters. Der TOC kann sowohl für flüssige Proben aus Trinkwasser, Grundwasser, Abwasser oder Oberflächenwasser als auch für feste Proben aus Böden, Sedimenten oder Abfällen erfasst werden.

Die analytische Bestimmung des TOC-Wertes folgt bestimmten technischen Normen, die einen verfahrenstechnischen Leitfaden vorgeben. In der Wasseranalytik ist hier vor allem die Norm DIN EN 1484 zu berücksichtigen, die eine Anleitung zur TOC-Bestimmung in Trink-, Grund-, Oberflächen-, See- und Abwasser im Messbereich von 0,3 mg/l bis 1.000 mg/l enthält. Die Norm macht unter anderem Aussagen zur Probenvorbehandlung und Messdurchführung bei Wasserproben. Im internationalen Kontext ist zudem die Norm DIN EN ISO 20236 relevant, diese zielt ebenfalls auf die Wasseranalytik ab und macht Vorgaben zur Bestimmung des TOC und TN_b sowie des gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) und des gelösten gebundenen Stickstoffs (DN_b) nach katalytischer oxidativer Hochtemperaturverbrennung. Für die Analyse des TOC-Summenparameters in Schlamm, behandeltem Bioabfall, Boden und Abfall ist hingegen die Norm DIN EN 15936 ausschlaggebend.

Verfahren zur Oxidation bei der TOC-Bestimmung

In der analytischen Chemie haben sich verschiedenen Verfahren zur Bestimmung des TOC-Wertes etabliert. Diese haben jeweils gemeinsam, dass die organischen Verbindungen der Probe zu Kohlenstoffdioxid oxidiert werden und das entstehende CO₂ messtechnisch erfasst und quantifiziert wird. Bei den Messverfahren zur TOC-Bestimmung wird unterschieden zwischen:

• Nasschemische UV-Oxidation: Die Probe wird mit einem Oxidationsmittel versetzt und in einem Reaktor bei rund 80 °C bei Durchleiten eines Trägergases oxidiert. Alternativ kann die Probe auch mit UV-Licht bestrahlt werden, wobei OH-Radikale entstehen. Diese sorgen dafür, dass organische Substanzen zu CO₂ umgesetzt werden. In vielen modernen TOC-Analysatoren werden die beiden Verfahren kombiniert, um eine höhere Oxidationsleistung auch für matrixreiche Proben zu erzielen.
• Katalytische Verbrennungsoxidation: Die Probe wird in sauerstoffhaltiger Atmosphäre bei hohen Temperaturen verbrannt und so zu CO₂ umgesetzt. Bei dem Verfahren werden Temperaturen zwischen 800°C bis ca. 1000°C unter Verwendung geeigneter Katalysatoren eingesetzt. Die Aufgabe der Probe erfolgt bei diesem Verfahren wahlweise per Direktinjektion oder per Fließinjektion. Bei der Direktinjektion wird die Probe direkt ohne weitere Ventile in das Verbrennungssystem dosiert. Bei der Fließinjektion erfolgt die Injektion über eine Spritzenpumpe, Dosierventil und Schläuche.

Die beiden Verfahren kommen aufgrund ihrer charakteristischen Vor- und Nachteile bei verschiedenen Anwendungen zum Einsatz. Die folgende Übersicht zeigt typische Anwendungen und Eigenschaften der Verfahren im Überblick:

Detektion des CO₂-Gehalts und TOC-Bestimmungsmethoden

Im Anschluss an die Oxidation gilt es, den CO₂-Gehalt der Probe zu quantifizieren und auf dieser Basis den TOC-Wert zu bestimmen. Dabei wird bevorzugt die Infrarot-Spektrometrie eingesetzt, die sich durch eine hohe Selektivität und Sensitivität auszeichnet. Dabei wird das bei der Oxidation entstehende CO₂ mit einem Trägergasstrom konstant durch einen nicht dispersiven IR-Detektor (NDIR-Detektor) transportiert. Die gemessene CO₂-Konzentration wird zeitabhängig erfasst und das resultierende Flächenintegral erlaubt schließlich die Quantifizierung des gesamten aus der Probe freigesetzten Kohlendioxids.

Bei der Quantifizierung wird wiederum zwischen drei verschiedenen Rechenverfahren unterschieden:

• Differenzverfahren (TOC = TC – TIC): Das Differenzverfahren eignet sich vor allem für große TOC-Konzentrationen, etwa bei der Abwasseranalyse. Es werden zwei Messungen durchgeführt: Bei der ersten werden alle Kohlenstoffverbindungen gemessen (Total Carbon = TC) und bei der zweiten nur der anorganische Kohlenstoff (Total Inorganic Carbon = TIC). Die Differenz beider Wert ergibt die TOC-Konzentration.
• Direktverfahren: Bei der Direktmethode werden zunächst anorganische Kohlenstoffverbindungen durch Ansäuern aus der Probe entfernt. Im Anschluss wird ausschließlich der organische Anteil aufgeschlossen und quantifiziert. Diese Methode hat sich aufgrund ihrer einfachen Durchführbarkeit, der Schnelligkeit und der Zuverlässigkeit in weiten Teilen der TOC-Analytik durchgesetzt. Zu berücksichtigen ist, dass leicht flüchtige organische Verbindungen während der TIC-Entfernung aus der Probe entweichen können, der resultierende Messwert wird daher als Non Purgeable Organic Carbon (NPOC) bezeichnet. Da solche Verbindungen bei den meisten Wasserproben allerdings nicht auftreten, ist der NPOC hier gleich dem TOC zu setzen.
• Additionsverfahren: Wenn die oben beschriebenen leicht flüchtigen Verbindungen in der Probe auftreten, so können diese separat quantifiziert werden (POC = Purgeable Organic Carbon). Die Addition aus POC und NPOC ergibt dann den TOC-Wert. Dieses Verfahren ist eher theoretischer Natur und findet kaum praktische Anwendung.

Der Summenparameter TN_b

TN_b steht für total bound nitrogen, also für den gesamten gebundenen Stickstoff. Der Summenparameter umfasst Nitrat, Nitrit, Ammonium sowie organische stickstoffhaltige Verbindungen. Dabei wird elementarer Stickstoff (N₂) nicht erfasst.

Ähnlich wie bei der TOC-Analyse erfolgt die Bestimmung des TN_b-Wertes in einem einzigen Analysedurchgang ohne Bestimmung der einzelnen Bestandteile. Das Analyseverfahren ist genormt, wobei vor allem die internationale Norm DIN EN ISO 20236 zu berücksichtigen ist, welche die ältere DIN EN 12260 ersetzt. Diese beschreibt die Bestimmung des gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC), des gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC), des gebundenen Stickstoffs (TN_b) und des gelösten gebundenen Stickstoffs (DN_b) nach katalytischer oxidativer Hochtemperaturverbrennung.

Katalytische Verbrennungsoxidation und Detektion zur TN_b-Bestimmung

Ähnlich wie bei der TOC-Bestimmung macht sich die chemische Analytik auch bei der TN_b-Bestimmung einen Verbrennungsprozess zunutze. Dabei werden die stickstoffhaltigen Inhaltsstoffe in der Probe bei einer Temperatur von mehr als 720 °C zu Stickstoffmonoxid umgesetzt. Dieses kann anschließend detektiert und quantitativ erfasst werden.

Zur Detektion des gebundenen Stickstoffs hat sich in der chemischen Analytik vor allem das Verfahren der Chemilumineszenz durchgesetzt. Bei diesem Verfahren wird das bei der Verbrennung entstehende Stickstoffmonoxid (NO) mit Ozon oxidiert. Das dabei entstehende NO₂ ist zunächst energetisch angeregt und fällt anschließend in seinen Grundzustand zurück, wobei Lichtquanten ausgesendet werden. Die Lichtquanten lassen sich in einem Photomultiplier erfassen, wobei die gemessene Strahlungsintensität proportional zur NO-Konzentration im Messgas und damit zur Stickstoffkonzentration in der Probe ist. Neben diesem Verfahren kommt verbreitet auch die elektrochemische Detektion zum Einsatz, wobei sich das gebildete NO in einem Festphasen-Elektrolyten löst. Das sich hierbei verändernde Zell-Potential wird durch die Bildung von Elektronen auf seinen Ausgangszustand „zurück titriert“. Der dabei fließende Strom ist ebenfalls proportional zur Stickstoffkonzentration in der Probe. Dieses Verfahren zeichnet sich durch vor allem durch geringere Betriebskosten im Vergleich zur CLD-Detektion aus.

Vorteile und Grenzen der TOC/TNb-Analyse

Die beschriebene TOC/TN_b-Analyse lässt sich in der modernen chemischen Analytik hervorragend zu einer vielseitig einsetzbaren und wirtschaftlichen Analysemethode kombinieren. Moderne Geräte wie die multi N/C Serie sind in der Lage, Summenparameter nachweisstark und normkonform in kürzester Zeit zuverlässig zu ermitteln. Neben den beschriebenen Parametern TOC und TN_b können dabei auch weitere aussagekräftiger Parameter wie NPOC, DOC, POC, TC und TIC gemessen werden.

Im Vergleich zur komplexen Einzelstoffanalyse bietet die Summenparameteranalytik gleich mehrere Vorteile. So ermöglicht das Verfahren nicht nur eine signifikante Zeit- und Kostenersparnis, sondern punktet auch durch eine einfache Handhabung und einen hohen Grad an Vergleichbarkeit der erzielten Messwerte.

Die Summenparameteranalyse stellt in der Praxis häufig die Vorstufe zu weiterführenden, spezifischen Analysemethoden dar. Das Verfahren erlaubt die schnelle Identifizierung von Gefahrenpotenzialen und dient daher auch als Frühwarnfunktion, etwa bei Gefährdungen durch verunreinigtes Wasser.

Die Grenzen der TOC/TN_b-Analyse ergeben sich vor allem daraus, dass es sich bei beiden Parametern um Konventionsparameter handelt. Das bedeutet in der Praxis, dass die fehlende Aufschlüsselung der Einzelstoffe zu irreführenden Schlussfolgerungen in Bezug auf die Zusammensetzung und das Gefährdungspotenzial von Stoffen führen kann. Die Einzelstoffanalyse ist als weiterführende, spezifische Analysemethode je nach Anwendung daher ebenfalls mit einzubeziehen.

Anwendungsgebiete und Industrien

Die TOC/TN_b-Analyse hat sich in verschiedenen Anwendungsgebieten und Industrien als schnelles, zuverlässiges und wirtschaftliches Verfahren fest etabliert. Einige typische Einsatzfelder dieser Summenparameteranalyse mit ausgewählten Beispielen:

• Chemie & Materialien: TOC-Bestimmung in verschiedenen Stoffströmen wie Nickel-, Cobalt-, Mangan- und Lithiumsalzen zur Herstellung von Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Akkus oder bei der Produktqualitätsüberwachung von Wasserstoffperoxid oder Phosphorsäure.
• Geologie, Bergbau & Metalle: TOC-Bestimmung in Ölschiefer als relevanter Qualitätsparameter zur Bewertung des Ausgangsgesteins bei der Öl- und Gasförderung.
• Kraftwerke und Energietechnik: TOC-Bestimmung in Asche, Schlack und Filterstaub bei der Kohleverbrennung oder in Kesselspeise- und Kühlwasser bei thermischen Kraftwerken.
• Lebensmittel & Landwirtschaft: TOC-Bestimmung in landwirtschaftlichen Böden, getrocknetem Dung und Sedimenten sowie TOC-Bestimmung zur Qualitätsbewertung von Trinkwasser.
• Umwelt: TOC/TN_b-Bestimmung in kommunalen Kläranlagen oder in industriellen Abwässern (z.B. Zellstoff- und Papierindustrie), Bestimmung des TOC/TN_b und des DOC/DN_b in Oberflächenwässern, Charakterisierung von Abfällen zur Deponieklassenzuordnung.
• Öl & Gas: TOC/TN_b-Bestimmung in Raffinerieabwässern, TOC-Bestimmung in Soleproben aus dem Entsalzungsprozess von Rohöl.

Grundsätzlich eignet sich die TOC/TN_b-Analyse für eine Vielzahl an flüssigen und festen Stoffen. In der Umwelttechnik beziehungsweise Wasserwirtschaft lässt sich das Verfahren beispielsweise auf Trinkwasser, Grundwasser, Oberflächenwasser, Sickerwasser und Abwasser anwenden. Bei Prozessapplikationen ergeben sich bei der Analyse von Kühl- und Kesselspeisewasser, bei Reinwasser in der Halbleiterindustrie sowie bei galvanischen Bädern verschiedene Anwendungsgebiete.

Im Bereich der Feststoffanalyse hat sich das Verfahren vor allem bei der Abfallverwertung und der sogenannten Altlastenuntersuchung bewährt, dabei werden etwa Böden, Sedimente, Bauschutt, Schlämme, Filterkuchen, Aschen oder Hausmüll untersucht.