總有機碳（TOC，Total Organic Carbon）與消毒副產(chǎn)物 （DBP，Disinfection Byproducts）有一定的關(guān)聯(lián)，因此 TOC 分析已成為飲用水處理廠的重要的水質(zhì)分析工具。TOC 本身無害，但當它與消毒劑反應(yīng)時，會產(chǎn)生有害副產(chǎn)物。但是，TOC 分析應(yīng)用于飲用水處理，不僅是為了達到 DBP 限制標準或滿足 TOC 監(jiān)測要求，TOC 也是優(yōu)化飲用水處理工藝從而降低工藝成本的重要參數(shù)， 還是水源和配水系統(tǒng)中水質(zhì)的健康和安全指標。TOC 分析在飲用水處理廠中有廣泛的應(yīng)用，大中小型水廠都可以在實驗室中測量 TOC，或在水處理過程中在線測量 TOC。

規(guī)則達標 - 消毒副產(chǎn)物 

       美國環(huán)保局（USEPA, United States Environmental  Protection Agency ） 的 “ 安 全 飲 用 水 法 案 （ Safe  Drinking Water Act）”等法規(guī)致力于平衡微生物病原體 的危害和用于殺滅微生物病原體的消毒劑產(chǎn)生的副產(chǎn)物所帶來的風(fēng)險。消毒副產(chǎn)物 DBP 是由飲用水處理廠的水源中天然存在的有機物質(zhì) （ NOM ， Naturally  Occurring Organic Matter）在消毒過程中同消毒劑反應(yīng)而產(chǎn)生的。TOC 被世界公認為可以用來確定水中 NOM 含量的參數(shù)。當水通過水廠的配水系統(tǒng)時，就會不斷產(chǎn) 生鹵代乙酸（HAA，Haloacetic Acids）等 DBP。而包 括 氯 仿 在 內(nèi) 的 等 另 一 類 DBP 三 鹵 甲 烷 （ THM ， Trihalomethanes），是由天然含有溴和氯的 TOC 相互反應(yīng)而產(chǎn)生（見圖 1）。

圖 1：由 TOC、溴化物、氯形成的 THM

       EPA 認為，TOC 是 DBP 的前體，可以在實驗室或在線進行監(jiān)測，以預(yù)測配水系統(tǒng)中的 DBP 含量。在飲用水處理過程中，應(yīng)去除大部分的 TOC 以降低 DBP 含量。 去除 TOC 的方法很多，包括凝結(jié)法、顆?；钚蕴浚℅AC， Granular Activated Carbon）過濾法、陰離子交換法等。

降低成本 - 優(yōu)化處理 

       如今，飲用水處理廠面臨巨大的壓力，不僅需要滿足日 益嚴格的水質(zhì)要求，還要削減生產(chǎn)成本。許多水廠采用 TOC 監(jiān)測法和工藝優(yōu)化來生產(chǎn)高品質(zhì)水，同時大幅降低各個處理工藝的成本。

凝結(jié) 

       凝結(jié)是去除 TOC 的主要處理過程之一。凝結(jié)之后通常 是絮凝沉淀和澄清，這三種預(yù)處理過程合在一起稱為常規(guī)處理。美國的常規(guī)處理設(shè)施必須根據(jù)源水的堿度和 TOC 濃度達到一定的 TOC 去除率。 

       常用的凝結(jié)劑是硫酸鋁（即明礬）、氯化鐵、硫酸鐵、 聚氯化鋁（PACl）。在選擇凝結(jié)劑及其用量時，除了應(yīng)考慮要求達到的水質(zhì)外，還應(yīng)考慮其它因素，如 pH 值、 堿度、溫度、沉淀物產(chǎn)生量等?？梢酝ㄟ^燒杯試驗、試點試驗、或全面優(yōu)化來測試凝結(jié)方案的效率，但上述測試必須包括 TOC 和濁度，才能有效評估方案成功與否。

活性炭 

       活性炭是由木頭、泥炭、煤炭、椰子殼等制成的加工碳。 活性炭非常多孔，有很大的單位表面積來吸附溶解的有機物、有味道或氣味的化合物、以及某些消毒副產(chǎn)物。 飲用水處理廠Z常使用顆?；蚍勰罨钚蕴俊?/p>

粉末活性炭（PAC，Powder Activated Carbon） 

       PAC 是粉末狀活性炭，有極細小的顆粒，用于季節(jié)性或短期性目的?？梢耘抠徺I PAC，通常將 PAC 直接加到水處理流程中。PAC 的入口通常是原水取 水口、快速混合池、澄清池。通常在凝結(jié)和絮凝之前將 PAC 加入水中，然后同沉淀物一起清除掉。PAC 主要用于解決味道和氣味問題，或作為助凝劑為形成 凝結(jié)提供依附核。在使用 PAC 去除 TOC 時，首先必 須知道單位 PAC 能夠去除多少 TOC，這樣才能優(yōu)化 PAC 添加工藝。

顆粒活性炭（GAC，Granular Activated Carbon） 

       與 PAC 相比，GAC 的顆粒較大，因此有較小的單位表 面積。GAC 通常用于代替過濾器中的沙子或無煙煤，是解決水質(zhì)問題的長期方法。GAC 的吸附效率隨著時間的推移而降低，Z終需要更換或恢復(fù)活性。為了確保 GAC 過濾器有效去除原水中的污染物以達到水質(zhì)要求，經(jīng)常 需要進行水質(zhì)監(jiān)測（如 TOC 分析）。在用 GAC 去除溶解的有機物時，如果出現(xiàn) TOC 峰值，則表示需要更換 或再生活性炭。 

離子交換 

       離子交換是指用專用的樹脂通過吸附作用從水中去除帶 電的污染物顆粒。離子交換通常用于去除無機物，但如今開發(fā)出了專門用于去除有機物（如腐殖酸）的陰離子 樹脂。當水通過陰離子樹脂時，樹脂表面上的帶電離子同帶電的污染物發(fā)生交換。通常用鹽水（氯化鈉）來再 生離子交換樹脂。

       無論采用哪種優(yōu)化處理方法或測試優(yōu)化的技術(shù)，成功的關(guān)鍵都在于使用正確的分析工具。圖 2 顯示了 TOC 分析可用于常規(guī)水處理廠的許多水點。

圖2:飲用水系統(tǒng)中的TOC

緊縮您的工藝 – 消毒技術(shù) 

       當水中的鐵或錳的含量較高時，消毒劑的消耗就會高。 TOC 也是一種消耗消毒劑的物質(zhì)。在水處理過程中， TOC 的去除率越小，消毒劑的用量就越大，所需費用也就越多。實際上，消毒劑是 TOC 等物質(zhì)的氧化劑，TOC 能夠消耗本應(yīng)用于消毒的消毒劑，因此在設(shè)計消毒工藝時應(yīng)考慮水中的 TOC 含量。 

       許多水廠為了避免產(chǎn)生較多的 DBP，用氯胺替代氯。這 樣一來就能減少 THM 和 HAA 的產(chǎn)生，卻又可能產(chǎn)生其它尚未規(guī)定的 DBP。人們已知氯胺能形成多種非鹵化 DBP，如碘酸和亞硝胺。碘酸是毒性Z強的 DBP 之一， 能損傷 DNA。而 N-亞硝基二甲胺（NDMA）等亞硝胺的致癌性比 THM 還要高很多倍。         此外，TOC 在氯胺化的過程中起關(guān)鍵作用。當水廠在加氯的下游添加氨時（這是常見的消毒做法），如果水中的 TOC 含量不穩(wěn)定，就會發(fā)生硝化。TOC 是一種能消耗氯的物質(zhì)，因此會改變氯與氨的比例。如果水中的氨過量，就會導(dǎo)致硝化。

保護公共安全 – 配水系統(tǒng)安全監(jiān)測 

       USEPA 發(fā)布了“水安全倡議：污染預(yù)警系統(tǒng)規(guī)劃臨時指南（Water Security Initiative: Interim Guidance on  Planning for Contamination Warning System  Deployment）”，以幫助飲用水處理廠提高檢測有意或無意的配水系統(tǒng)污染的能力 。 USEPA 過 渡 指 南 （USEPA’s Interim Guidance）將 TOC、氯、電導(dǎo)率定為檢測污染物的三項Z重要指標。 

       為了確保公共飲用水的安全，操作人員需要一種能夠監(jiān)測配水系統(tǒng)中 TOC 變化而又無需用戶過多干預(yù)的工具。 

測量差異 – 環(huán)境變化對地表水的影響 

       飲用水中的 TOC 主要來自自然界中腐敗的植物（包括 水中的藻類、沉淀物、顆粒等）。水源中的 TOC 含量因地區(qū)而異。 

結(jié)論 

       TOC 分析是一種操作工具，有廣泛的應(yīng)用。人們普遍認 為 TOC 分析能夠幫助水廠達到 DBP 法規(guī)要求，還有助于優(yōu)化工藝、節(jié)約成本。除了以上兩個應(yīng)用之外，TOC 分析還用于監(jiān)測水源和配水系統(tǒng)的水質(zhì)，并Z大程 度地優(yōu)化消毒工藝。 

       為了充分用好 TOC 分析這個重要工具，必須選用使用便捷的分析儀，該分析儀無需用戶過多干預(yù)，且具有成熟可靠的技術(shù)（例如 Sievers* TOC 分析儀）。Sievers  TOC 分析儀不用外部試劑，無需載氣，有 12 個月的校準穩(wěn)定性，目前在數(shù)百個城市中廣泛使用。Sievers  TOC 分析儀有在線型、實驗室型、便攜式三種配置，可用于任何水應(yīng)用場合。Sievers TOC 分析儀的操作員能 夠靈活選擇在線運行或簡單吸樣檢測，從而確保達到理想的 TOC 去除率和DBP 控制，并節(jié)省成本。

挑戰(zhàn) 

很多工藝使用無機酸作為重要原料。在確定特定應(yīng)用的 適用性時，尤其是在確定該應(yīng)用對工藝和產(chǎn)品的影響時， 準確評估酸的質(zhì)量是至關(guān)重要的。 

酸中的可溶性雜質(zhì)會影響生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量。過量的有機污染物帶來以下問題：

- 生產(chǎn)工藝效率低下 

- 產(chǎn)品被污染 

- 生產(chǎn)批次不合格 

- 工藝和產(chǎn)品偏差

化工行業(yè)都需要確定和控制無機酸的質(zhì)量。這些行業(yè)包 括：原料藥物（ API ， Active Pharmaceutical  Ingredient）、化肥、半導(dǎo)體加工、化學(xué)衍生物。酸用 于離子交換樹脂再生，也可以是產(chǎn)品配方的原料。

在半導(dǎo)體行業(yè)中，硫酸用于晶圓蝕刻工藝。酸的純度和 潔凈度對生產(chǎn)至關(guān)重要，這就要求硫酸供應(yīng)商對產(chǎn)品批 次進行污染控制，以滿足工藝要求。很多行業(yè)在電鍍工 藝中使用硫酸銅。為了提高化學(xué)品的性能，生產(chǎn)商添加 有機基體的勻染劑和增白劑。了解添加劑的用量及其潛 在的分解物，有助于控制產(chǎn)品質(zhì)量和工藝。

解決方案

由于有機污染物的種類繁多，用總有機碳（TOC，Total  Organic Carbon）作為評估酸質(zhì)量的參數(shù)不失為測量樣 品雜質(zhì)的有效方法。但是，分析儀器必須具有酸基體的 化學(xué)耐受性，并能在低 pH 值下有效氧化有機碳，這樣才能得到正確的測量結(jié)果。

Sievers InnovOx ES 實驗室型 TOC 分析儀采用超臨界水 氧化（SCWO，Supercritical Water Oxidation）技術(shù)來 測量酸溶液中的 TOC 的 ppm 和 ppb 含量。事實證明，SCWO 技術(shù)能夠?qū)α姿?、鹽酸、硝酸、硫酸進行精 準 的 TOC 定量分析。

技術(shù)

Sievers InnovOx 實驗室型分析儀采用 SCWO 技術(shù)， 將有機碳分子氧化成CO2，然后用非分散紅外 （NDIR，Non-dispersive Infrared）檢測技術(shù)進行精 確定量。在使用 SCWO 技術(shù)時，先在水的臨界點以上 對樣品進行加熱和加壓。在一定條件下（375?C 和 220 巴），水成為超臨界流體，水中的有機物高度可 溶，而無機鹽不溶。這就提高了氧化效率，能夠精確 測量腐蝕性和復(fù)雜基質(zhì)中的 TOC，甚至濃酸中的 TOC。

硫酸中含有來自其自身生產(chǎn)過程的各種雜質(zhì)，包括有 機污染物。這些污染物即使含量極低，也會給要求使 用高純度原料的工藝帶來風(fēng)險，尤其是給半導(dǎo)體和電 化學(xué)沉積工藝帶來風(fēng)險。因此，為了優(yōu)化工藝操作、 提供產(chǎn)量，必須對酸的質(zhì)量進行定量分析。

硫酸（H2SO4）

在測試中，向 H2SO4 中加入不同濃度的鄰苯二甲酸氫 鉀（KHP），以此來評估 Sievers InnovOx 實驗室型 分析儀的分析硫酸中 TOC 的能力。將 96%濃度的 ACS 級硫酸稀釋到 24%，然后分別加入 0.2、0.5 和 2  ppm TOC 的 KHP，進而證明了分析儀的分析能力。

分析在 0 - 100 ppm 范圍內(nèi)進行，由于樣品的 pH 值 適用于 TOC 分析，故無需使用酸劑。10%過硫酸鈉氧 化劑足以分析此范圍的 TOC。

表 1 中的分析數(shù)據(jù)包括加標濃度、測自空白 24%硫酸 溶液的 TOC、實測 TOC、以及回收 TOC 的含量和百分比?；厥盏?TOC 值等于實測 TOC 減去空白 TOC。

表中的數(shù)據(jù)證明了分析儀能夠定量分析濃酸溶液中的 低濃度 TOC。當 TOC 從 2 ppm 降至 0.2 ppm 時，回收率百分比就會從 偏離，這主要是因為加標濃度（200 ppb）接近空白濃度（180 ppb）。在這種低濃 度下，空白濃度或儀器基線的波動會導(dǎo)致結(jié)果的波動。

表 1：在 24% H2SO4中的 TOC 分析

第二項測試分析了各種濃度硫酸的 TOC 回收率。將 1  ppm TOC 的 KHP 分別加到 1、5、10 和 24%的 H2SO4中， 測量數(shù)據(jù)如表 2 所示?；厥盏?TOC 值等于實測 TOC 減 去空白 TOC。

表 2：1 - 24% H2SO4的 KHP 回收率

5 - 24% H2SO4的 1 ppm TOC 回收率非常好， 但 1%  H2SO4的 TOC 回收率就偏離了 45%。 當 TOC 濃度接近 空白 TOC 濃度時，空白測量值的波動會顯著影響到計 算的 TOC 結(jié)果。

測試還評估了 Sievers InnovOx 實驗室型分析儀分析 24% ACS 級硫酸中 0.1 - 0.5 ppm 范圍 TOC 的能力。分 別將 100、200、300 ppb KHP 加到 ACS 級硫酸中，測 量結(jié)果如表 3 所示。

表 3：24% H2SO4的低于 500 ppb 的 KHP 回收率

測量結(jié)果顯示了預(yù)期的增長趨勢。100 ppb 加標顯示 了 50 ppb 的增長，200 ppb 加標顯示了 120 ppb 的增 長，300 ppb 加標顯示了 230 ppb 的增長。顯然，分 析儀能夠檢測出 410 ppb 基線上的 50 ppb 的增長， 這表明分析儀的靈敏度完全適用于分析如此低的濃度。 對硫酸進行高靈敏度分析的限制因素是基體中的基線 TOC。同任何其它分析一樣，基線值附近的結(jié)果容易 變化。人們都知道，H2SO4的純度低于同樣濃度的其 它無機酸（如 HCl、HNO3等）的純度，因此不難預(yù)料， 純品 H2SO4中含有一定量的有機雜質(zhì)。

結(jié)論 

Sievers InnovOx 實驗室型分析儀能夠精 準地測量出濃度Z 高為 24%的硫酸中的 TOC。 Z 高 2 ppm KHP 的 實測回收率具有出色的精確性和準確性?？瞻诇y量值 的大小和穩(wěn)定性是對 H2SO4進行高靈敏度 TOC 分析的 限制因素。分析儀的靈敏度（檢測限 LOD = 水中的 50 ppb）足以區(qū)分 100、200 和 300 ppb TOC。分析儀 在整個測試過程中表現(xiàn)出極 佳的耐用性，且能耐受 H2SO4基質(zhì)，無降解跡象。