Analizzatore TOC ed analisi del carbonio organico totale

Caratteristiche generali

La concentrazione di carbonio organico totale (TOC) nei campioni liquidi e solidi è uno dei parametri di screening più importanti nell’analisi dell’acqua e dell’ambiente. Che si guardi alla valutazione della qualità dell’acqua, allo smaltimento dei rifiuti o alla cleaning validation, la valutazione dell’inquinamento organico è sempre necessaria e può essere effettuata attraverso l’analizzatore TOC.

*Figura 1 – matrici acquose differenti e tipici range di TOC – credit: https://www.elgalabwater.com/blog/total-organic-carbon-toc*

Il TOC, oltre o in abbinamento al COD e al BOD5, rappresenta un parametro importante per la valutazione dell’inquinamento organico dell’acqua. Dal momento che tutti i composti organici vengono rilevati e specificati in termini di massa di carbonio, il TOC costituisce una grandezza assoluta definibile con precisione e misurabile direttamente nell’unità di misura del mg/L. Tuttavia, il TOC non dà indicazioni sull’ossidabilità del carbonio rilevato e sul fabbisogno di ossigeno necessario per il suo abbattimento. In compenso, il rapporto COD/TOC fornisce informazioni importanti su determinati composti organici (per es. alcol, albumina, ecc.).

*Figura 2 – differenze tra TOC e TIC – credit: http://maineenvironmentallaboratory.com/?p=1095*

Analisi in linea e in laboratorio

La grande maggioranza dei campioni per il TOC viene prelevata e analizzata in laboratorio. Laddove sono necessarie suddivisioni del TOC, come NDOC, i campioni vengono preparati prima dell’analisi.

Le analisi in linea vengono utilizzate per analisi TOC di livello superiore quando la frequenza o la velocità di analisi richieste lo rendono preferibile. Le misurazioni in linea sono essenziali anche per la misurazione dei livelli di TOC inferiori a 50 ppm per evitare la contaminazione.

Applicazioni strumentali

In laboratorio l’analisi del TOC attraverso l’utilizzo dell’analizzatore TOC può servire per valutare processi di contaminazione industriale delle acque, determinabile sia da processi abiotici sia da processi biologici, come la contaminazione microbiologica o la crescita e la persistenza di biofilm o biofouling, ossia l’accumulo di microrganismi, piante, alghe o piccoli animali su dispositivi come prese d’acqua, tubazioni, grate, stagni e fiumi che causano il degrado di quell’elemento.

L’analizzatore TOC può essere utilizzato anche per la verifica dei fumi risultanti dai processi di combustione in modo da poter determinare il livello di completezza della combustione stessa. Nel caso di combustione incompleta, vi sarà una rilevante presenza di idrocarburi tale da poter portare ad un certo livello di nocività.

Le analisi di TOC vengono utilizzate anche nel campo della ricerca di petrolio per compiere analisi sulle rocce delle zone in cui si sospetta esserci un giacimento petrolifero.

Il TOC si misura inoltre:

Dopo l’osmosi inversa per monitorare l’efficienza della membrana, in particolare dove vengono utilizzate membrane Thin Film Composite (TFC).
Dopo la deionizzazione (DI) per monitorare l’efficienza e la vita utile della resina, nonché il versamento di nuove resine.
Dopo la pulizia finale per garantire il mantenimento di bassi livelli di sostanze organiche dopo lo stoccaggio di acqua pura nei serbatoi.
Sulle linee di riciclo e recupero dell’acqua per garantire bassi livelli di sostanze organiche prima del rientro in circolo nel sistema idrico.
Dopo le lampade UV per monitorare l’efficienza della luce.
Prima delle linee di distribuzione presso il punto di utilizzo per garantire la qualità dell’acqua finale.
Monitoraggio dell’acqua di alimentazione delle caldaie per evitare danni a turbine e altri sistemi.
Per soddisfare i requisiti UPS <643> ed EP 2.2.44. Il TOC è una misura necessaria nella produzione di acque farmaceutiche purificate secondo USP, acque per preparazioni iniettabili (WFI) e acque ultrapure (HPW).

Normative

Il 15 novembre 1996 la USP ha autorizzato le misure di TOC in linea come metodo di verifica alternativo alle misure offline esistenti per i metalli pesanti. Il 15 maggio 1998 la USP ha reso obbligatorie le misure di TOC come nuovo componente delle metodologie di verifica stabilite nel capitolo generale <643> della USP 23.

L’uso di misure quantitative di TOC previste dal capitolo generale <643> della USP 23 ha sostituito la procedura di test precedente in laboratorio, fornendo così un metodo di verifica qualitativo. Le misure di TOC vengono utilizzate per monitorare i circuiti di ritorno dalle linee del punto di utilizzo ai serbatoi di stoccaggio, nonché in altre aree del sistema di purificazione dell’acqua.

Funzionamento

L’analizzatore TOC ossida le sostanze organiche per formare diossido di carbonio (CO₂) usando radiazioni UV e un agente chimico ossidante (persolfato di ammonio). Il diossido di carbonio viene misurato usando una tecnica di rilevamento conduttimetrica basata su una membrana selettiva e sensibile.

Per ogni misurazione di TOC, viene determinata la concentrazione di specie di carbonio inorganico (CO₂, HCO₃^– e CO₃^-2), in seguito all’ossidazione dei composti organici, e viene misurato il contenuto di carbonio totale (TC) nel campione. La concentrazione di composti organici viene calcolata dalla differenza tra le concentrazioni di TC e il carbonio inorganico totale (TIC), generalmente chiamato carbonio inorganico (IC) (TOC = TC – IC).

È possibile usare l’analizzatore per monitorare i campioni di acqua che vanno dall’acqua ad elevata purezza contenente 0,03 parti per miliardo (ppb) di TOC a campioni di acqua contenenti fino a 50 parti per milione (ppm) di TOC.

*Figura 3 – esempio di un analizzatore TOC portatile*

Limiti dello strumento

L’analizzatore TOC richiede costanti manutenzioni:

È necessario sostituire la lampada UV dopo un tempo variabile all’utilizzo;
Si consiglia di effettuare una taratura dopo ogni sostituzione della lampada;
Si consiglia anche di effettuare una taratura annuale di tutto il sistema, compresa la taratura di flusso, temperatura, conducibilità e TOC;

Le analisi TOC hanno un intervallo di misura che oscilla in genere tra i 0,05 mg/L ed un valore di circa 1000/2000 ppb (in base allo strumento), al di sotto e al di sopra dei quali valori l’analizzatore non è capace di leggere valori di TOC nel dettaglio.