Online-Analytik

TOC – Tausendsassa der Online- Prozesskontrolle

Kaum ein industrielles Verfahren, das ohne Wasser auskommt. Deshalb muss es stets überwacht werden. Das ist mit Laboranalysen möglich, aber auch online als integraler Teil des Produktionsablaufs, wie in diesem Fachbeitrag gezeigt wird.

Für viele industrielle Prozesse werden große Mengen von Wasser benötigt. Um Produktqualität und Schutz der Anlagen und der Umwelt zu gewährleisten, ist es notwendig, diese Wässer zu kontrollieren. Dafür stehen verschiedenste chemische und physikalische Kenngrößen und Paramater zur Verfügung. Dabei spielen Laboranalysen eine große Rolle. Die Proben werden nach einem gut durchdachten Probennahmeplan entnommen und ins Labor transportiert. Hier werden sie auf ihren Gehalt verschiedenster Verbindungen und Elemente untersucht oder auf chemische und physikalische Kenngrößen. Durch die große Anzahl an unterschiedlichen Substanzen werden oft ganze Stoffgruppen als Summenparameter analysiert, d.h. Stoffe gleicher Bestandteile oder mit gleichen Eigenschaften werden als Summe bestimmt. Ein einzelner Konzentrationsgehalt gibt die Massenkonzentration vieler Verbindungen an.

Ein wichtiger Summenparameter in der Wasseranalytik ist der TOC (Total Organic Carbon). Er beschreibt in einem Analysewert die Gesamtheit des Kohlenstoffs aus allen organischen Verbindungen.

Oft verwendet: die Direktmethode (NPOC)

Die meistverwendete Methode zur Bestimmung des TOC ist die sogenannte Direktmethode oder NPOC-Methode (Non-Purgeable Organic Carbon – nicht ausblasbarer organischer Kohlenstoff) in Verbindung mit der katalytischen Verbrennungsoxidation.

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Bei dieser Methode wird die Wasserprobe zunächst angesäuert. Dabei werden die Carbonate und Hydrogencarbonate zu Kohlendioxid umgesetzt; ein Trägergas strippt das Gas aus der Probe heraus. Anschließend wird ein Aliquot der vorbereiteten Probe auf einen heißen Katalysator injiziert. Dabei oxidieren alle organischen Verbindungen zu Kohlendioxid. Ein Trägergas transportiert das entstehende Kohlendioxid zu einem NDIR-Detektor, der es quantitativ erfasst.

Online-Analysatoren für schnelle Prozesssteuerung

Die TOC-Bestimmung lässt sich aber nicht nur einfach und sicher im Labor durchführen, sie ist auch online umsetzbar. Dazu werden autark arbeitende Online-Analysatoren eingesetzt, die direkt mit dem Produktionsprozess verbunden sind. Je nach Parametrierung entnimmt der Analysator alle paar Minuten eine Probe, bereitet sie vor, analysiert sie und sendet den Analysenwert an eine Leitwarte, die den Prozess steuert. Hier kann man nun direkt auf den Analysenwert reagieren.

Die Vorteile der Prozess-Analytik sind vielfältig: Zum einen ist ein Analysenwert bereits nach wenigen Minuten verfügbar. So kann der Betreiber einer Anlage direkt reagieren, um Schaden von Anlage und Prozess abzuwenden. Eine Laboranalyse würde hierfür erheblich längere Zeit benötigen. Zudem kann das Wasser sehr engmaschig kontrolliert werden. Gerade für fließende Probenströme ist das ein entscheidender Vorteil.

Derzeit wird die Anzahl an organischen Verbindungen auf etwa 40 Millionen geschätzt. Diese große Zahl verdeutlicht die Wichtigkeit eines Parameters, mit dem man diese gesamte Stoffgruppe quantitativ erfassen kann. Denn in vielen Wässern stellen organische Substanzen eine Verunreinigung dar. Der TOC gilt somit als Maß für organische Verunreinigungen in seiner jeweiligen Matrix und wird damit zu einem universellen Überwachungsparameter, der unzählige Verbindungen erfasst. Dies spiegelt sich vor allem in den vielen unterschiedlichen Einsatzgebieten wider:

Abwasserreinigung

Gelangt Wasser mit zu hohen Belastungen in eine Kläranlage, kann die biologische Reinigungsstufe der Anlage empfindlich geschädigt werden. Daher werden Kläranlageneinläufe häufig hinsichtlich ihres TOC-Gehalts überwacht. Die biologische Reinigung von Abwässern beruht auf der Umsetzung von organischen Substanzen durch Mikroorganismen. Um den Wirkungsgrad einer Kläranlage zu beurteilen und zu überwachen, kann ebenfalls der TOC herangezogen werden.

Bei der Abwasserreinigung entspricht der TOC dem Verschmutzungsgrad an organischen Substanzen. In vielen industriellen Bereichen wird er zur Berechnung der Abwassergebühren genutzt.

Pharmazeutische Industrie

Zur Herstellung von pharmazeutischen Produkten benötigt man reinstes Wasser. Die entsprechenden Arzneibücher (wie etwa die europäische Pharmakopöe) beschreiben die einsetzbaren Wässer durch die Einhaltung entsprechender Grenzwerte. Auch hier kommt der TOC zur Anwendung.

Kraftwerke

Auch in anderen industriellen Bereichen wird reinstes Wasser verwendet, etwa in Kraftwerken. Zum einen durchläuft es den „Wasser-Dampf-Kreislauf“. Hier wird das Wasser im Kessel erhitzt, das als Dampf die stromgewinnenden Turbinen antreibt. In den Turbinen entspannt sich der Wasserdampf wieder und gelangt von dort in den Kondensator. Das Wasser kühlt sich ab und wird erneut in den Kessel gepumpt. Bauteile in Turbinen, Kessel und Kondensator reagieren empfindlich auf organische Verunreinigungen im Wasser. Durch den stetigen Kreislauf von Verdampfen und Kondensieren können sich organische Verunreinigungen im Wasser anreichern. Zum Schutz dieser Anlagen ist es unumgänglich, stets die organische Belastung dieses Wasserkreislaufs zu kontrollieren.

Kühlwässer

Um Prozesse zu kühlen, nutzt die Industrie oftmals Fließgewässer. Nach dem Kühlen wird das Wasser wieder in das Gewässer zurückgeführt. Durch Leckagen im Prozess kann Wasser in den Prozess eindringen, und verschiedenste Produkte können aus dem Prozess in das Wasser gelangen. Dies schadet dem Prozess und unter Umständen der Umwelt, weil umweltgefährliche Substanzen in die Umwelt gelangen können. Da die meisten Substanzen organisch sind, eignet sich der TOC hier ebenfalls zur Kontrolle solcher Kühlwässer.

Prozesswasser

Dies gilt gleichermaßen, wenn das Wasser nicht nur zum Kühlen verwendet wird, sondern als Prozesswasser Bestandteil des Verfahrens ist. Bevor benutztes und evtl. gereinigtes Wasser zurück in natürliche Gewässer geleitet wird, sollte es auf seinen Verschmutzungsgrad untersucht werden.

Flughäfen

Eis auf den Tragflächen oder auf dem Leitwerk von Luftfahrzeugen beeinflusst den Strömungsverlauf der Luft und bewirkt eine Gewichtszunahme der Flugzeuge. Gelangen abbrechende Eisstücke in das Triebwerk oder in das Leitwerk, können diese beschädigt werden und gefährden somit die Sicherheit von Flugzeug und Passagieren. Daher werden die Tragflächen von Flugzeugen in der Kälteperiode mit Enteisungsmitteln enteist, zumeist mit Glycolen. Diese findet man je nach Niederschlag in teilweise sehr hohen Konzentrationen in den Flughafenabwässern wieder. Um diese Abwässer zu kontrollieren, wird ebenfalls der TOC untersucht – zumeist online, da die meisten Flughäfen keine eigenen Labore haben.

Flexible Systeme für vielfältige Anwendungen

Für die Vielzahl der unterschiedlichen Einsatzgebiete benötigt man flexible Systeme, die sich den jeweiligen Gegebenheiten und Anforderungen anpassen wie etwa der Prozess-Analysator TOC-4200 von Shimadzu. Diese Geräteserie arbeitet mit einem hocheffektiven Platinkatalysator in Verbindung mit einer Verbrennungstemperatur von 680 °C. Der Vorteil dieser Oxidationsmethode liegt in der relativ geringen Verbrennungstemperatur, die unterhalb der Schmelzpunkte der gängigen Salze, wie Natriumchlorid, liegt. Das erhöht die Standzeit des Analysators und verringert den Wartungsaufwand. Um den unterschiedlichen Messbereichen, vom Reinstwasser bis zum Abwasser, gerecht zu werden, stehen insgesamt drei verschiedene Katalysatoren zur Verfügung.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Probennahme. Eine Probe mit Partikeln benötigt eine andere Probennahme als partikelfreies Wasser. Deshalb gibt es unterschiedlichste Systeme für die verschiedenen Anwendungen.

Die Systeme der TOC-4200-Serie übernehmen nicht nur die Probenvorbereitung automatisch, sie können bei Bedarf auch automatische Verdünnungen durchführen. Nach der Analyse wird der Analysenwert an die Prozessleitwarte weitergegeben, zumeist über eine herkömmliche 4...20-mA-Leitung. Der TOC-4200 setzt zudem auf moderne Kommunikationsmittel, wie Modbus oder eine optionale webbasierte Kommunikation, die die Einsicht in die Ergebnisse von jedem PC im Netzwerk ermöglicht.

Fazit

Für viele Wässer stellen organische Verbindungen eine Verunreinigung dar. Der TOC erfasst die Gesamtheit an organischen Verbindungen und wird somit zu einem universellen Überwachungsparameter, der in vielen Industriesegmenten Anwendung findet und sich zudem auch online erfassen lässt.

Ein Online-Analysator wie der TOC-4200 von Shimadzu passt sich durch vielfältiges Zubehör, Optionen und verschiedene Kits den unterschiedlichsten Anwendungen an.

Sascha Hupach
Shimadzu Deutschland GmbH
Albert-Hahn-Straße 6-10
47269 Duisburg
E-Mail: info@shimadzu.de

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