Von der Prozesswassergewinnung bis zum Ableiten gereinigten Abwassers muss die Wasserqualität in Industrieanlagen an vielen Stellen kontrolliert werden. Dies übernehmen Online-TOC-Analysatoren. (Bild: TTstudio – stock.adobe.com)
- Der TOC ist ein hervorragender Überwachungsparameter, um Veränderungen in Wasserströmen schnell zu erfassen.
- Heute werden autarke und wartungsarme Prozessanalysensysteme zur TOC-Messung genutzt.
- Selbstüberprüfung, Selbstkalibrierung oder eine automatische Verdünnungsfunktion sorgen für lange Standzeiten.
Der Summenparameter TOC (Total Organic Carbon = gesamter organischer Kohlenstoff) beschreibt in nur einem Analysenwert die gesamte Verunreinigung durch organische Komponenten in seiner Matrix. Er lässt sich nicht nur im Labor analysieren, sondern auch im Prozess „online“ bestimmen. Das macht den TOC zu einem vielseitigen und universellen Überwachungsparameter.
Um den TOC zu bestimmen, stehen verschiedene Bestimmungsmethoden zur Wahl – die meistgenutzte Bestimmungsweise ist die sogenannte NPOC-Methode. Das Kürzel steht für Non Purgeable Organic Carbon und meint nicht ausblasbaren organischen Kohlenstoff. Dabei wird die Wasserprobe zunächst mit einer Mineralsäure versetzt, um die anorganischen Kohlenstoffverbindungen wie Carbonate und Hydrogencarbonate zu entfernen. Diese setzen sich nach der Säurezugabe zu Kohlenstoffdioxid um und werden durch einen Luftstrom aus der Probe getrieben.
Ein Teil der vorbereiteten Probe (Aliquot) wird anschließend auf einen heißen Platinkatalysator injiziert. Die organischen Verbindungen der Probe werden zu CO2 oxidiert und durch ein Trägergas zu einem NDIR-Detektor transportiert und gemessen.
Die Vorteile des TOC sind mannigfaltig. Zunächst erfasst er die größte mögliche Verbindungsklasse überhaupt: Die Anzahl der organischen Verbindungen bewegt sich um die 40 Mio. (Wikipedia). Damit wird der TOC zum Maß der Verunreinigung durch organische Komponenten.
Weitere Vorteile liegen in seiner Einfachheit begründet: Die Methode ist matrixunempfindlich und hinreichend sensitiv. Für die Bestimmung sind nur wenige Betriebsmittel nötig (1M Salzsäure, synthetische Luft, Wasser), und sie kommt ganz ohne den Einsatz von gefährlichen Chemikalien aus. Eine Analyse dauert nur etwa 4 min, somit ist die Bestimmung des TOC sehr schnell. Nicht zuletzt lässt sich die Bestimmung einfach und sicher automatisieren und „online“ messen.
Verschiedene Einsatzgebiete in Industrieanlagen
Beispiele für die TOC-Messung in Industrieanlagen finden sich an vielen Stellen. So wird in kommunalen und industriellen Kläranlagen der TOC im Einlauf der Abwasserreinigungsanlagen (ARA) kontrolliert. Das dient zum einen dem Schutz der gesamten Anlage: Zu hohe Frachten können die Mikroorganismen der biologischen Reinigungsstufe derart stören, dass sie umzukippen droht. Zum anderen werden in industriellen Anlagen die Abwassergebühren der einzelnen Einleiter oftmals nach den organischen Schadstofffrachten ermittelt.
Trendgraph einer Zuleitung zu einer Industriekläranlage über einen Zeitraum von fast 4 Monaten. Hier wurde im Takt von etwa 5 min der TOC-Gehalt gemessen. Insgesamt enthält der Trendgraph ca. 27.000 einzelne TOC-Messungen. Man erkennt hier deutlich die zahlreichen Konzentrationsspitzen im Einleiterstrom. Bilder: Shimadzu Deutschland
Aber auch die Effizienz einer Abwasserreinigungsanlage kann durch die TOC-Kontrolle des Kläranlagenablaufs überwacht werden. Diese Überwachung ist besonders dann wichtig, wenn industrielle Abwässer in Fließgewässer münden. Bei der Energieerzeugung in Kraftwerken muss die Wasserqualität ebenfalls überwacht werden. Bauteile in Turbinen, Kessel und Kondensator reagieren empfindlich auf organische Verunreinigungen im Speisewasser. So können sich beispielsweise aus halogenierten Kohlenwasserstoffen durch Spaltung angreifende Säuren bilden.
Ein weiterer Wasserkreislauf in einem Kraftwerk ist der Kühlkreislauf. Dieser ist kein geschlossenes, sondern ein offenes System. Beim Abkühlen des Wassers im Turm wird u. a. die Luft „gewaschen“. Staub und Schmutz aus der Luft gelangen ungehindert in den Kühlkreislauf. Aber auch andere Umwelteinflüsse, die zur erheblichen Verschmutzung des Kühlwassers beitragen, können in den Kühlwasserkreislauf gelangen – etwa durch Niederschlag. Diese ungewollte Verschmutzung muss ebenso penibel im Auge behalten werden wie im „Wasser-Dampf-Kreislauf“.
Das sind nur einige Beispiele für den Einsatz von Prozess-TOC-Systemen. Im Grunde kommt der TOC überall zum Einsatz, wo große Mengen an Wasser engmaschig kontrolliert werden müssen.
Online-Analysator muss autark und wartungsarm arbeiten
Um diese Online-Messungen durchzuführen, werden verschiedene Anforderungen an den entsprechenden Analysator gestellt. Zunächst muss er an den jeweiligen Wasserstrom angeschlossen werden. Jede Messstelle ist anders, daher muss die Probenanbindung individuell sein. Außerdem ist jedes Wasser anders, deshalb sollte die Probenentnahme zuverlässig sein. Das Analysensystem wird in der Regel an eine Fernwarte angeschlossen, um die Messwerte, aber auch um Status- und Alarmsignale schnellstmöglich zu erfassen. Daher muss es über geeignete Kommunikationsmittel verfügen. Ein Online-Analysator analysiert zumeist rund um die Uhr, daher soll er möglichst autark und wartungsarm arbeiten.
Der TOC-4200 erfüllt genau diese Anforderungen. Es stehen unterschiedliche Probennehmer zur Verfügung, die sich individuell an die Messstelle anpassen lassen. Das System erledigt die Probenvorbereitung (ansäuern und ausgasen) sowie die Analyse völlig automatisch. Das Gerät arbeitet mit einem Platinkatalysator bei einer Temperatur von 680 °C. Damit liegt die Verbrennungstemperatur unterhalb der Schmelzpunkte der gängigen Salze wie Natriumchlorid.
In der Software kann eine Kontrollprobe definiert werden, um das System und die Kalibrierung zu überprüfen. Zudem kann das Gerät bei Abweichungen automatisch eine Kalibrierung durchführen. Nicht zuletzt verfügt der Analysator über eine automatische Verdünnungsfunktion für Proben. All diese Funktionen erhöhen die Verfügbarkeit des Systems und verringern den Wartungsaufwand.
Um die Verfügbarkeit von Prozessanalysatoren zu belegen, hat die Umweltagentur von England und Wales (UK) ein Zertifizierungssystem für Messeinrichtungen entwickelt – die sogenannte MCERTS-Akkreditierung (MCERTS – Monitoring Certification Scheme). Der TOC-4200 verfügt über eine MCERTS-Akkreditierung und erzielte in den dort definierten Feldversuchen eine Verfügbarkeit von 100 %, ein Beleg für seine Robustheit und seine Zuverlässigkeit. Zur Datenübertragung an die Leitwarte können unterschiedliche Kommunikationsmittel (z. B. 4 – 20 mA, Modbus o. Ä.) genutzt werden.
