Cos’è il carbonio organico totale (TOC)?

Il carbonio organico totale (TOC) è una misura della quantità totale di carbonio nei composti organici in acqua pura e sistemi acquosi. Il TOC è una tecnica analitica che viene applicata da organizzazioni e laboratori per determinare quanto una soluzione sia adatta ai loro processi. A meno che non sia ultrapura, l'acqua conterrà naturalmente alcuni composti organici, è quindi fondamentale capirne la quantità.

Il TOC è diventato un parametro importante utilizzato per monitorare i livelli complessivi di composti organici presenti nell’acqua. Ciò è avvenuto nonostante la mancanza di una correlazione quantitativa diretta tra carbonio organico totale e concentrazione totale di composti organici presenti e riflette l'importanza di avere un indicatore generale facile da misurare del livello approssimativo di contaminazione organica. 

Riflette anche l'attrattiva di un parametro che ha un nome che suona più fondamentale di quanto non sia! In molti casi, il TOC viene utilizzato come monitor continuo del cambiamento o della mancanza di cambiamento nel contenuto organico.

Cosa si misura quando si calcola il carbonio organico totale?

Quando si completa l'analisi del TOC, vengono misurati i seguenti elementi:

• TC – Carbonio totale
• TIC – Carbonio inorganico totale
• POC – Carbonio organico purgabile
• NPOC – Carbonio organico non purgabile
• DOC – Carbonio organico disciolto

• NDOC – Carbonio organico non disciolto

Per calcolare il TOC, puoi sottrarre la quantità totale di carbonio inorganico dal carbonio totale trovato. In alternativa, puoi aggiungere Carbonio organico purgabile e non purgabile, oppure Carbonio organico disciolto e non disciolto. Come somme, appaiono come:

• TOC = TC - TIC
• TOC = POC + NPOC
• TOC = DOC + NDOC 

Come si misura il carbonio organico totale?

Il TOC viene misurato a concentrazioni molto diverse in una vasta gamma di sistemi. La tabella seguente fornisce un'indicazione dei livelli di carbonio organico totale in vari tipi di acqua. I livelli variano ampiamente all'interno di ogni tipo, ma, in generale, vanno da livelli sub-ppb in acqua ultrapura per applicazioni di laboratorio e microelettroniche fino a centinaia di ppm in effluenti e acque di processo.

Per molti di questi sistemi, il solo TOC non fornisce informazioni sufficienti. I composti contenenti carbonio possono essere presenti in forme diverse e le proporzioni di ciascuno possono essere critiche. Una ripartizione di alcune di queste divisioni è mostrata nel diagramma sopra.

Il carbonio organico disciolto (DOC) è generalmente considerato quello che passerà attraverso un filtro da 0,45 um. Il TOC di grandi dimensioni è classificato come particolato o non disciolto (NDOC). Circa il 50-75% del DOC nelle acque naturali è sotto forma di acidi organici polimerici: acidi fulvici e umici. Circa il 10% del TOC è nei colloidi, principalmente acidi umici e vari minerali. Un ulteriore 10-20% è costituito da piccole molecole derivanti dalla decomposizione di materia organica.

Tabella che mostra i livelli di carbonio organico totale (TOC) in vari tipi di acqua

Analisi del carbonio organico totale

Il TOC viene misurato universalmente ossidando i composti organici presenti in forme che possono essere quantificate.
Vengono utilizzati vari metodi di ossidazione e rilevamento a seconda della natura e della concentrazione del TOC misurato e dei requisiti analitici (ad esempio velocità, sensibilità).

1. Combustione ad alta temperatura a 1.200 °C in un'atmosfera ricca di ossigeno. La CO₂ prodotta viene fatta passare attraverso tubi di lavaggio per rimuovere le interferenze e misurata tramite assorbimento infrarosso non dispersivo (NDIR).

2. Ossidazione catalitica ad alta temperatura a 680 °C in un ambiente ricco di ossigeno all'interno di tubi riempiti con un catalizzatore al platino seguito da NDIR.

3. Ossidazione termochimica con calore e un ossidante chimico, solitamente un persolfato.

4. Ossidazione fotochimica con UV e un ossidante chimico, solitamente un persolfato.

5. Foto-ossidazione tramite luce ultravioletta (UV) da sola o con un catalizzatore. Il metodo di ossidazione UV offre il metodo più affidabile e a bassa manutenzione per determinare il TOC in acque ultra pure.

I metodi di combustione (1 e 2) sono usati principalmente per concentrazioni di TOC più elevate (ppm o superiori) o dove ci sono alti livelli di particolato. L'ossidazione del persolfato, potenziata da UV o calore, è ampiamente usata per la determinazione del TOC in laboratorio in molti tipi di acqua, da quella potabile a quella farmaceutica ed elettronica. La CO₂ prodotta è solitamente misurata tramite NDIR o dal cambiamento di conduttività che produce quando disciolta in un flusso separato di acqua pura. 

Per escludere l'effetto di altri prodotti di ossidazione, il gas può essere fatto passare attraverso una membrana. Si può ottenere una buona ossidazione ma è necessario un metodo di compensazione per tenere conto del bianco del reagente. Il TOC a livelli di ppb può essere rilevato.

Tutti gli analizzatori di TOC che misurano la CO₂ includeranno la CO₂ da bicarbonati e carbonati, a meno che non venga preso in considerazione questo carbonio inorganico (IC). L'IC può essere rimosso acidificando il campione a un valore di pH pari o inferiore a due per rilasciare l'IC come CO₂, che può essere misurata o scaricata nello scarico. Il TOC non spurgabile rimanente (NPOC) contenuto nel liquido viene quindi ossidato, rilasciando CO₂, che viene inviata al rilevatore per la misurazione. 

La situazione è leggermente diversa per le acque ad alta purezza con una bassa conduttività. L'acqua con una conduttività sufficientemente bassa (resistività che si avvicina a 18,2 Mohm.cm) non può contenere concentrazioni significative di bicarbonati o carbonati (o altri sali solubili) e non è necessaria alcuna correzione per l'IC. Come vedremo meglio in seguito, tutte queste misurazioni a livello di traccia devono essere eseguite online.

Diversi monitor TOC si sono evoluti per soddisfare l'esigenza di un rapido monitoraggio di bassi livelli di TOC (ppb) nei sistemi di acqua di laboratorio ad alta purezza. È necessaria una risposta rapida per garantire che i risultati siano disponibili e pertinenti ai volumi relativamente piccoli di acqua erogata. Questi monitor misurano generalmente la conduttività dell'acqua prima e dopo l'ossidazione; la variazione è calibrata rispetto al contenuto di TOC. A causa di limitazioni di tempo, l'ossidazione non è sempre completa ma è sufficiente per scopi di monitoraggio.

Analisi del TOC on-line o in laboratorio?

La maggior parte dei campioni per il TOC viene prelevata e analizzata in laboratorio. Quando sono necessarie suddivisioni del TOC, come NDOC, i campioni vengono preparati prima dell'analisi. 

Le analisi online vengono utilizzate per analisi del TOC di livello superiore quando la frequenza o la velocità di analisi richieste lo rendono preferibile. Le misurazioni online sono inoltre essenziali per la misurazione dei livelli di TOC inferiori a 50 ppb per evitare la contaminazione. Questa contaminazione può essere dovuta a TOC estraneo nell'ambiente o nei contenitori ma, più gravemente, all'anidride carbonica nell'aria che si dissolve rapidamente in acqua pura. L'anidride carbonica interferisce con molte delle tecniche utilizzate per monitorare il TOC in tracce.

Acqua per analizzatori e monitor TOC

Chiaramente, la purezza dell'acqua necessaria per la preparazione di standard e campioni bianchi, per i sistemi di risciacquo e la pulizia dei componenti, dipende molto dalle concentrazioni misurate. Per molte applicazioni di livello superiore eseguite in laboratorio o online, l'acqua di tipo II sarà più che adeguata.

Per la determinazione del TOC in tracce (<50 ppb), che deve essere eseguita online, i requisiti di purezza dell'acqua sono estremamente rigorosi. Poiché il TOC includerà carbonio da tutti i tipi di composti, devono essere tutti virtualmente assenti. PURELAB flex con monitoraggio del TOC integrato è fortemente raccomandato.

In conclusione, la scelta del corretto sistema di purificazione dell'acqua è fondamentale per garantire risultati analitici affidabili e riproducibili. Investire in un sistema appropriato non solo assicura la qualità dei dati, ma contribuisce anche all'efficienza complessiva del laboratorio e alla validità delle analisi effettuate.