TOC (Total Organic Carbon)
Was ist TOC?
Der TOC-Wert (Total Organic Carbon) bezieht sich auf die Gesamtmenge an Kohlenstoffverbindungen, die sich in einer Probe befindet und auf organische Substanzen zurückzuführen ist. Anorganische Kohlenstoffe (TIC - Total Inorganic Carbon), wie zum Beispiel Carbonate, sind von diesem Maß ausgeschlossen. Konkret versteht man unter TOC die Summe aus dem DOC (Dissolved Organic Carbon) und POC (Particulate Organic Carbon). Dabei gibt der DOC-Wert Auskunft über den gelösten, organischen Kohlenstoff und der POC-Wert über den partikulär, organisch gebundenen Kohlenstoff in einer Probe. Organische Verbindungen können unterschiedliche Strukturen und Eigenschaften aufweisen, die ihre Reaktivität und ihr Verhalten im System beeinflussen. TOC ist als Summenparameter nicht spezifisch für eine bestimmte organische Verbindung und enthält somit keine Informationen über die Art oder den Ursprung der organischen Substanzen. Durch den TOC-Wert können jedoch Rückschlüsse über die Wasserqualität gezogen werden.
Welche Rolle spielt der TOC-Wert bei der Elektrolyse?
Die Wasserelektrolyse ist eine elektrochemische Redoxreaktion, bei der Wasserstoffmoleküle durch das Anlegen einer Gleichspannung und dem durchfließenden Strom zersetzt werden. Die Produkte dieses Verfahrens sind Wasser- und Sauerstoffgas. Hierbei sind, neben weiteren Faktoren wie beispielsweise die Bildung von Wasserstoffperoxid, insbesondere der TOC-Wert im Prozesswasserkreislauf für Effizienz und Lebensdauer einer Membran wichtig. Denn in der Elektrolysezelle kann das Vorhandensein von organischen Verunreinigungen im Wasser unerwünschte Auswirkungen haben. Diese Verunreinigungen können den Vorgang der Elektrolyse beeinträchtigen, indem sie Reaktionen stören oder unerwünschte Produkte erzeugen.
Welche Quellen für TOC gibt es?
In aquatischen Systemen entstehen durch natürliche Stoffwechselprodukte und Produkte aus Zersetzungs- und Umwandlungsprozessen organische Inhaltsstoffe. Außerdem sind natürliche und anthropogene Auswaschungen aus Böden entscheidend für einen Eintrag organischer Substanzen in Wassersysteme. In erster Linie tritt demnach das Zulaufwasser des Elektrolyseurs als Quelle für organische Verbindungen auf. Darüber hinaus kommt es aufgrund der Betriebsbedingungen der Elektrolyse zu Materialermüdungen und Verschleiß von Bauteilen. Dies ist beispielsweise der Fall im Bereich der Membranen, Bipolarplatten, Elektroden, Beschichtungen, Verbindungselementen, Rohren, Harzen oder Kunststoffen, welche eine weitere mögliche Quelle organischer Verunreinigungen darstellen, die sich mit der Zeit im System akkumulieren.
Wie wird der TOC-Gehalt in einer Probe gemessen?
Insgesamt gibt es drei verschiedene Arten, um den TOC-Gehalt in Proben zu bestimmen. Neben der Differenzmethode gibt es die Additions- und die Direktmethode. Dabei haben alle Methoden gemeinsam, dass zuerst die organischen Verbindungen zu CO₂ oxidiert und anschließend mit einem geeigneten Detektor erfasst und analysiert werden. Hierbei gibt es zwei Arten der Oxidation: a) eine katalytische Verbrennungsoxidation und b) die nasschemische UV-Oxidation.
Die einfachste und schnellste Messung ist mittels eines NDIR (Nichtdispersiver Infrarotsensor). Das Gas durchströmt konstant das NDIR und ein Detektor misst die Konzentrationen und gibt sie als unterschiedliche Peaks in einem Diagramm aus. Eine andere Möglichkeit der Messung ist die Verbrennungsmethode. Bei der katalytischen Verbrennungsoxidation wird das zu untersuchende Wasser unter hoher Hitze (650 bis 1200°C) in einem sauerstoffhaltigen Gasstrom verbrannt. Hierbei werden alle organischen Substanzen in CO₂ umgesetzt, welches ebenfalls mittels eines NDIR-Detektors analysiert und quantifiziert werden kann.
Auch mit UV-Strahlung kann der TOC-Gehalt gemessen werden. Diese wird als Nasschemische Methode bezeichnet. Es wird aber zuerst in einem beheizten Aufschlussgerät, mithilfe einer Säure, der anorganische Kohlenstoff (TIC) zu Kohlenstoffdioxid umgewandelt. Mit Stickstoff wird das Kohlenstoffdioxid ausgetrieben und der TIC bestimmt. Um anschließend den organischen Kohlenstoff zu messen, wird Persulfat zugegeben und mit UV-Licht bestrahlt. Im beheizten Reaktor wird dann der organische Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid umgewandelt. Die Austreibung erfolgt auch mit Stickstoff und anschließender Messung des TOC-Gehalt.
Shimadzu (https://www.shimadzu.de/toc-bestimmung-reinstwasser) schlussfolgert in der Methoden-Analyse: „Beide Gerätetypen mit ihren unterschiedlichen Oxidationsmethoden eignen sich für die TOC-Bestimmung […]. Der Vorteil der Verbrennungsmethode liegt in dem hohen Oxidationspotenzial, besonders wenn sich Partikel in der Probe befinden. Außerdem können simultane TOC/TNb-Messungen durchgeführt werden, womit sich der Informationsgehalt der Analytik erhöht. Der Vorteil der nass-chemischen Oxidation liegt in dem sehr hohen Injektionsvolumen, welches den empfindlicheren Messbereich und die hohe Genauigkeit im unteren ppb-Bereich bewirkt.“
TOC-Werte im Wasser
Die Messung der TOC-Werte ist vergleichsweise aufwendig und teuer. Aus diesem Grund ist der TOC-Gehalt bei der Auslegung der Wasseraufbereitungsanlage zwar wichtig und wird im späteren Betrieb nur selten gemessen. Hier finden Sie einige ausgewählte TOC-Werte:
- Quellwasser 1 – 2 mg/l
- Schwach belastete Flüsse und Bäche 2 – 5 mg/l
- Stark verschmutzte Gewässer > 10 mg/l
Wie kann der TOC-Wert effektiv und dauerhaft gesenkt werden?
Durch physikalische Methoden wie Filtration und Adsorption können organische Partikel bereits in der Vorbehandlung aus dem Wasser entfernt werden. Nach einer erfolgreichen Vorbehandlung wird durch die Umkehrosmose, bei der Wasser unter hohem Druck durch eine semipermeable Membran gepresst wird, der Großteil der gelösten organischen Verbindungen entfernt. Anschließend kann durch ein chemisches Oxidationsverfahren, beispielsweise durch UV-Licht, organische Verbindungen oxidiert werden, sodass am Ende CO₂ und Wasser vorliegen.
Durch die UV-Strahlung wird Wasser „gespalten“, wodurch Hydroxyl-Radikale erzeugt werden. Diese greifen die im Wasser vorhandenen organischen Verbindungen an. Je nach Größe werden diese Verbindungen in einer oder mehreren Kettenreaktionen durch die Bildung reaktiver Verbindungen (Atome und Radikale) oxidiert, bis sie schließlich vollständig oxidiert als CO₂ (bzw. aufgrund der geringen Leitfähigkeit als Hydrogencarbonat (CO₂ oder HCO3- ist pH-abhängig, nicht LF-abhängig) und Wasser vorliegen. Durch die Kombination von physikalischen und chemischen Verfahren kann somit eine höhere Effizienz und eine umfassendere Eliminierung von TOC erreicht werden.