| von Bettina Gierszewski, Produktmanagerin TOC/TN Shimadzu Europa

Die Laboranalytik liefert zwar ein umfassendes und detailliertes Ergebnis, benötigt dafür jedoch unter Umständen sehr viel Zeit. Zeit, die im laufenden Anlagenbetrieb häufig nicht zur Verfügung steht. Daher nutzen Betreiber mehr und mehr Summenparameter, die sich auch prozessbegleitend bestimmen lassen. Im Gegensatz zur klassischen Laboranalyse wird hier nicht ein einzelner Inhaltsstoff ermittelt, sondern eine gesamte Stoffgruppe erfasst. In Prozesswässern der chemischen Industrie dienen sie als Indikator, um Kontaminationen oder Substanzfrachten aller Art zu interpretieren.

Einer der wichtigsten chemischen summarischen Kenngrößen ist der Total Organic Carbon (TOC, Gesamter organischer Kohlenstoff). Er ist das Maß für die organische Verunreinigung bzw. organischen Bestandteilen im Medium. Gerade in der Prozessüberwachung ist es wichtig, schnelle, kontinuierliche und aussagekräftige Informationen über die organische Belastung von Wässern zu erhalten. Die Online-TOC-Analytik bietet hierfür eine Möglichkeit. Die Probe wird kontinuierlich dem Messgerät zugeführt und gemessen. Das Gerät sendet die Analysenergebnisse an die Messwarte, die dann schnell auf eventuelle Prozessänderungen reagieren kann.

Anwendungsbeispiele

Mit der Online-TOC-Analytik lassen sich unterschiedliche Anlagen überwachen, darunter Flughäfen-Abwassersysteme, Kühlwasser von Kraftwerken oder Kläranlagen in großen chemischen Betrieben. Auf Flughäfen wird im Winter häufig Enteisungsmittel eingesetzt, um die Tragflächen oder das Leitwerk von Flugzeugen vom Eis zu befreien. Dabei entstehen Abwässer mit teilweise hohen organischen Belastungen. Um die Umwelt vor zu hohem Eintrag von organischen Belastungen zu schützen, verfügen Flughäfen daher über Abwassersysteme, die Regenwasser und Abwasser auffangen. Vor der Einleitung in das öffentliche Netz ist es daher erforderlich, diese Wässer mittels Online-TOC kontinuierlich zu überprüfen. Auch das Wasser von Kraftwerken ist mit organischen Bestandteilen belastet, und Bauteile in Turbinen, Kessel und Kondensator reagieren empfindlich darauf. So können sich beispielsweise aus halogenierten Kohlenwasserstoffen durch Spaltung angreifende Säuren bilden. Zum Schutz dieser Anlagen ist es unumgänglich, stets die organische Belastung dieses Wasserkreislaufs online zu kontrollieren. In Anlagen der chemischen Industrie müssen die Abwässer ebenfalls streng kontrolliert werden, um den sicheren und kontinuierlichen Betrieb der Werkskläranlagen und die Ableitung in das öffentliche Netz zu gewährleisten.

Homogene Probe vorausgesetzt

Nur ein gut konzipiertes Probennahmesystem kann eine zuverlässige Online-TOC-Analyse sicherstellen. Gerade partikelhaltige Probenströme von Abwässern benötigen eine Homogenisierungseinheit, um reproduzierbare Ergebnisse gewinnen zu können. Für diese Anwendungen stehen Geräte mit Probenstromwechsler (bei mehreren Probeströmen), Homogenisierungseinheiten und Spülfunktionen zur Verfügung. Der Probenstrom wird über Probeneinlass und Probenauslass durch eine Kammer geführt. Während der Probennahme wird eine repräsentative Teilprobe aus dem Strom in den Homogenisator gebracht. Um zu große Partikel aus der Probe zu entfernen, wird die Probe über einen Filter gespült. Anschließend wird sie mittels Schneid- und Rührwerkzeug homogenisiert und gelangt von dort zur Messung in den Analysator. Um Querkontaminationen zu vermeiden, verfügt das Probennahmesystem über eine Rückspülautomatik, die den Probennahmeraum reinigt. Dies ist vor allem dann wichtig, wenn mehrere Probenströme mit einem Analysengerät gemessen werden.

TOC bestimmen über Differenz- oder Direktmethode

Um den TOC zu bestimmen, stehen zwei Verfahren zur Verfügung: Die Differenzmethode und die Direktmethode. Bei der Differenzmethode werden der Total Carbon (TC) über die oxidative Verbrennung und der anorganische Kohlenstoff (IC) über Säurezugabe jeweils einzeln quantifiziert. Die Differenz aus TC und IC ergibt den TOC. Ist jedoch der Anteil von IC sehr hoch, liefert die Differenzmethode kein zuverlässiges Ergebnis, so dass der TOC direkt bestimmt wird. Bei der Direktmethode werden vor der TC-Messung die anorganischen Carbonate ausgetrieben. Gemessen wird aus der nun IC-freien Probe der so genannte Non Purgeable Organic Carbon,(NPOC, nicht ausblasbarer organischer Kohlenstoff). Oft spielen leichtflüchtige Substanzen in den Abwässern keine Rolle, so dass der NPOC dem TOC gleichgesetzt werden kann.

Anorganisch und organisch gebundener Kohlenstoff

Um den organisch gebundenen Kohlenstoff zu analysieren, wird dieser zunächst oxidiert. Dafür haben sich zwei Verfahren durchgesetzt, die auch normativ festgesetzt wurden. Zum einen die oxidative Verbrennung der Kohlenstoffverbindungen und die nass-chemische Oxidation mit Persulfat-Lösung und gleichzeitiger UV-Bestrahlung. In der Umwelt-Analytik des TOC wird die Methode der oxidativen Verbrennung favorisiert, damit bei partikelhaltigen Abwässern eine vollständige Umsetzung sichergestellt ist. Als hochleistungsfähiger Analysator arbeitet hier der TOC-4110 mit einer katalytischen Verbrennung bei 680°C. Die Temperatur liegt damit unterhalb des Schmelzpunkts von Natriumchlorid. Dadurch wird verhindert, dass eine Schmelze die aktiven Zentren des Katalysators deaktiviert. Der Einsatz des Platinkatalysators sichert die vollständige Umsetzung der organischen Kohlenstoffverbindung zu CO2. Der anorganische Kohlenstoff (IC, Carbonat) wird entweder nach Zersetzung mit einer Mineralsäure direkt bestimmt oder vor der TC-Messung ausgetrieben. Dabei säuert das Gerät die Probe automatisch an und ein Spülgas treibt das entstehende CO2 aus.

Prozesssteuerung

Die Detektion des entstandenen CO2 erfolgt über einen hochsensitiven NDIR (Non-Dispersive Infrarot)-Detektor. Anschließend leitet der Analysator die Ergebnisse über eine analoge Schnittstelle an eine Messleitstelle, von wo aus die Prozesse gesteuert werden. Kommt es zu Grenzwertüberschreitungen oder anderen Unregelmäßigkeiten, kann der Anwender entsprechende regulierende Maßnahmen einleiten.

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