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总有机碳TOC的在线监测

发布日期:2020-11-06 16:13:08 发布人员: 浏览次数:359

       总有机碳TOC(Total Organic Carbon),是反映水中有机污染物总量的指标,越来越受到人们的关注。相比于传统化学需氧量(COD)的测定,TOC技术简单、快速。TOC分析仪的分析时间一般为4-6分钟,TOC传感器,比如苏伊士Sievers的CheckPoint型号,可快至15秒。快速的检测速度,使TOC的在线监测得到广泛应用。选择合适的在线型TOC分析仪,能及时报告水质异常,尽早发现制水系统或污水处理系统的问题。

       由于当前工业水处理绝大部分采用膜法工艺,工艺过程中的有机物含量是决定水处理系统成功和稳定运行的关键因素之一。检测和控制水处理工艺过程的TOC可以监控活性炭等工艺设备对有机物的去除率,降低膜清洗频率,优化水处理运行工艺,从而降低水处理系统的操作成本。

       TOC的在线监测,目前主要用于纯水的制水系统,以及环境监测的污水处理排放。应用行业主要为制药、电子、自来水、环境监测、污水处理、化工、石化等领域。这里,分别就各行业的水系统TOC在线监测,进行论述。

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制药用水

       我国制药行业对制药用水TOC检测的强制要求,Z早来自于2010年版《中国药典》。其对注射用水的TOC检测为强制项目,纯化水的TOC检测为可选项目(易氧化物或TOC任选其一),注射用水与纯化水的TOC合格限为500ppb(μg/L)。

       广大制药企业积极应对,纷纷加强对制水系统的产水质量的关注。但对于TOC的检测方式,是采用离线实验室测定,还是在线测定?

       按照2015年版《中国药典》四部<0682>章节《制药用水中总有机碳测定法》,在线监测与离线实验室测定,都是允许的,并明确指明了离线检测可能带来的污染,及在线检测的优越性,原文见以下:

     “在线监测可方便地对水的质量进行实时测定并对水系统进行实时流程控制;而离线测定则有可能带来许多问题,例如被采样、采样容器以及未受控的环境因素(如有机物的蒸气)等污染。由于水的生产是批量进行或连续操作的,所以在选择采用离线测定还是在线测定时,应由水生产的条件和具体情况决定。”

       虽然离线实验室测定是被接受的方式,但在线测定将取样污染的风险降到Zdi,是更有效、实时、可靠的方式。有前瞻性的制药企业,在实验室配备TOC分析仪之后,开始关注对制水系统,采用一点或多点的TOC在线监测。TOC在线监测正在成为制药水系统有机污染监测的趋势。

Sievers 500RL TOC分析仪器安装于制药水系统中.png

Sievers 500RL TOC分析仪器安装于制药水系统中

       对浓度很低的这类超纯水的TOC检测,Sievers分析仪积累了丰富的经验。TOC分析仪的检测器,采用专利的二氧化碳选择性膜电导率测定技术,有效防止有机物中的其他杂原子,如N、P、S、Cl等,离子化后对电导率测定的干扰。克服了传统的直接电导率检测法,受杂原子影响造成的测定值的正的或负的偏差。

       对于在线使用中的TOC仪,如何才能方便的校准呢?针对在线监测的特点,苏伊士Sievers专门开发了专利的集成在线取样系统iOS。不需要从连续的水源移开仪器,可直接在iOS上插入外部的标准品或样品。轻松完成仪器的验证与定期校准。

电子级水

       电子行业对生产用水的TOC,有更严格的要求。1994年我国机械工业部发布《电力半导体器件工艺用高纯水》(JB/T 7621-1994),规定特级电子级高纯水EH-T与一级电子级高纯水EH-I的TOC限值分别为50与100ppb。《电子级水》(GB/T11446-1997)中EW-Ⅰ级水要求TOC限值为20ppb。

       在美国ASTM标准《D 5127-99 电子与半导体工业所用超纯水标准指南(Standard Guide for Ultra Pure Water Used in the Electronics and Semiconductor Industry)》中,规定E-1、E-1.1、E-1.2级别的电子超纯水,TOC限值分别为5、2、1 ppb。

       在电子器件的生产中,任何一步湿式处理中使用的超纯水,如电镀液、蚀刻液、回收水或清洗用水等,如果水中的有机物含量高,则会在产品中引入有机污染,造成电子器件的质量问题。微电子与半导体行业,提高工艺水品质,严格控制TOC,可以提高产品的质量和产品的合格率。

      需要严密监控水质TOC的电子制造业有:半导体/芯片、TFT-LCD(Thin Film Transistor – Liquid Crystal Display,薄膜场效应管显示器,即液晶板)、HDD(Hard Disk Drive,硬盘)等。其他相关产品,如电子级化学材料(Microelectronics Materials),硅外延片(Wafer)等。

       一般来说,电子企业配备有Z高 级的超纯水生产系统,产品水中的TOC可降至几个ppb的级别。

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       Sievers分析仪为电子企业的制水系统开发了专用的型号。采用苏伊士Sievers专利的二氧化碳选择性膜电导率测定技术,对一些关键电子工艺的用水,如沉浸式光刻工艺,能够准确地测定水中有机氮化合物的存在,如尿素、三甲基胺(TMA)等,避免其在激光照射时分解,破坏晶片表面光阻材料的pH环境,使光致酸不能正常地离子化。这种有机污染改变了光刻工艺的控制条件设置。而传统的采用直接电导率法检测的TOC仪,往往检测不到水中存在的有机氮化合物或有机酸(如乙酸)。

       此外,苏伊士Sievers专为半导体和工业回用水设计,开发了Turbo模式。在此模式下,测定时间可缩短至4秒钟,测定范围为0.2ppb-10ppm,即时捕获瞬间的漂移。

市政自来水

       由国家卫生部制定的《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006),在[附录A]中规定,自来水中TOC的合格限为5ppm(mg/L)。自来水的质量控制,关系到人民的饮水安全与身体健康,至关重要。

       Sievers分析仪为自来水生产企业的制水系统专门设计了用于在线监测的TOC分析仪。采用苏伊士Sievers专利的二氧化碳选择性膜电导率测定技术,有效防止有机物中的其他杂原子对电导率测定的干扰。自来水厂使用氯气消毒后,在降低微生物风险的同时,会产生消毒副产物(DBP,Desinfection-by-product),如三卤甲烷(THM)与卤乙酸(HAA)等。这些化合物在使用传统的直接电导率检测的TOC仪时,由于卤素原子在仪器中被氧化后成为相应的离子,将干扰二氧化碳的测定。Sievers分析仪使用膜电导率测定技术,排除了卤素离子对电导率测定的干扰,准确测定TOC。而采用直接电导率法检测的TOC仪,测定结果会受到此类有机物(如氯仿)严重的“假正”干扰,报告异常高的TOC数据。

污水

       随着国家“十三五”计划的出台,环境监测得到了进一步的重视。2015年4月,国务院于公布了《水污染防治行动计划》,共计十条,简称“水十条”,其中工业废水处理是《水污染防治行动计划》的核心内容。

       我国目前的污水标准主要执行的是《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)8和《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)。在《污水综合排放标准》中,Z高允许排放浓度(即一级标准)TOC为20ppm(mg/L)。环保部门重点控制污水排放的行业很多,包括制药、造纸、印染、食品、饮料、化工、石化、纺织、矿山等。

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Sievers InnovOx在线TOC分析仪

       Sievers分析仪为污水监测,设计了专用的在线监测的TOC分析仪,型号为InnovOx在线。此分析仪使用苏伊士Sievers专利的超临界水氧化(SCWO,Super Critical Water Oxidation)技术。使水在超临界状态下(375℃与3200psi),高效的氧化传统测定困难的样品基体,包括盐水、纤维素与腐殖酸等。在实现氧化能力的同时,没有传统的燃烧法仪器所需要的催化剂与燃烧管的消耗与定期更换问题。在仪器的整个使用寿命中,氧化室免维护。

       测定盐水的含量Z高可达到28%(NaCl)。解决了海水、化工高盐水、地表水、污水及科研水样测定的高盐问题、颗粒物问题。

总结

       以上对TOC在线监测的应用,重点在制药、电子、市政及污水行业,介绍了行业背景及相关的国内及国际标准。针对各个行业,Sievers分析仪提供专门的TOC分析仪型号,帮助用户轻松满足其行业应用要求。我们看到,随着中国经济的发展,各行业开始有能力投入并开展在线监测,这必将在用药安全、饮用水安全、及环境保护方面,起到积极的促进作用。


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