Tổng lượng cacbon hữu cơ TOC là gì – Phương pháp làm giảm tổng lượng cacbon hữu cơ TOC
Tổng lượng cacbon hữu cơ TOC là tên viết tắt của total organic carbon, nó bao gồm tất cả các chất hữu cơ có chứa cacbon ngoại trừ CO2, bicarbonate và carbonate. Đo tổng lượng cacbon hữu cơ TOC trong nước cho thấy mức độ của các chất gây ô nhiễm hoặc các phân tử hữu cơ có mặt.
Đo TOC không xác định hợp chất nào có mặt mà chỉ xác định số lượng hợp chất.
Tại sao phải đo lường tổng lượng cacbon hữu cơ TOC
Trong một số ngành việc đo lượng TOC là bắt buộc quy định hoặc để kiểm soát toàn bộ quá trình. Các ngành đo tổng lượng cacbon hữu cơ TOC phổ biến nhất bao gồm:
Xử lý nước sinh hoạt ăn uống: Cacbon hữu cơ phản ứng với các hóa chất khử trùng như clo thành các sản phẩm phụ khử trùng DBP có thể gây ung thư. Vì vậy đo lường tổng lượng cacbon hữu cơ TOC từ đó có phương pháp làm giảm lượng này trước khi khử trùng có thể làm giảm đáng kể tình trạng phơi nhiễm DBP có hại cho sức khỏe người sử dụng nước.
Xử lý nước thải: Giám sát chỉ tiêu tổng cacbon hữu cơ tạo điều kiện cho quá trình tối đa hóa hiệu quả trong khi giám sát nước thải là một yêu cầu để xả vào nước mặt. Đối với nước thải công nghiệp, các ngành công nghiệp xả nước thải vào nước mặt bắt buộc phải giám sát TOC
Nhà máy điện: Hạn chế các nguồn hợp chất ăn mòn tiềm năng có thể ngăn ngừa thiệt hại tốn kém.
Sản xuất dược phẩm: Nước có độ tinh khiết cao là thành phần được sử dụng phổ biến nhất để sản xuất thuốc. Vì vậy cần đảm bảo rằng độ tinh khiết của nước giúp loại bỏ tác động mà vi khuẩn và các hợp chất hữu cơ khác có thể có đối với chất lượng sản phẩm. Các hợp chất hữu cơ kết hợp với các yếu tố khác để tạo ra các phân tử có thể chứng minh có hại cho sản phẩm và môi trường sau khi nước thải ra. Quy định giới hạn nồng độ cacbon hữu cơ để ngăn chặn vi khuẩn có hại phát triển
Sản xuất điện tử: Nước siêu tinh khiết được sử dụng trong sản xuất vi xử lý và máy tính. Khi bộ vi xử và mạch trở nên nhỏ hơn, nước phải được giữ sạch ở mức tối đa để ngăn chặn thiệt hại cho các mạch thu nhỏ này.
Phương pháp đo lường tổng lượng cacbon hữu cơ TOC
Có một số phương pháp để đo lường tổng lượng cacbon hữu cơ TOC, tuy nhiên mỗi phương pháp đều có 2 mục tiêu chung:
- Oxy hóa cacbon hữu cơ thành cacbon dioxide
- Đo lượng cacbon dioxide được tạo ra.
Các phương pháp oxy hóa phổ biến bao gồm:
- Sử dụng các tác nhân hóa học (như persulfate)
- Đốt cháy (thường được hỗ trợ bởi một chất xúc tác)
- Tiếp xúc với bức xạ ion hóa (ánh sáng tia cực tím UV)
- Tiếp xúc với nhiệt hoặc một số kết hợp những phương pháp này.
Phương pháp phát hiện cacbon dioxide là dẫn điện và hồng ngoại không phân tán NDIR.
Phương pháp phát hiện dựa trên độ dẫn điện hoạt cách đo lượng sự gia tăng của các ion. Nồng độ tăng lên được cho là do sự hiện diện gia tăng của các ion bicacbonate và cacbonate được tạo ra từ quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ.
Máy dò hồng ngoại không phân tán đo cacbon dioxide bằng cách xác định lượng ánh sáng hồng ngoại hấp thụ trên một khoảng cách đã biết.
Phương pháp tính toán tổng lượng cacbon hữu cơ TOC
Cacbon vô cơ chỉ liên kết với oxy như cacbon dioxide, bicarbonate hoặc carbonate trong khi cacbon hữu cơ có thể liên kết với nhiều loại nguyên tố khác như hydro, nito hoặc các nguyên tử cacbon khác.
Các dạng khác của cacbon bao gồm cacbon có thể tẩy được và không thể tẩy được. Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi có điểm sôi thấp và có thể tẩy được từ dung dịch bằng cách sục khí qua mẫu.
Các dạng cacbon khác nhau khi đo TOC
- TC: Tổng cacbon
- TOC: Tổng lượng cacbon hữu cơ
- TIC: Tổng lượng cacbon vô cơ
- POC: Cacbon hữu cơ có thể tẩy được (còn gọi là VOC hoặc cacbon hữu cơ dễ bay hơi.
- NPOC: Cacbon hữu cơ không thể tẩy.
Tổng lượng cacbon hữu cơ có thể được tính bằng công thức:
TOC = TC – TIC
Phương pháp này là tốt khi có sự khác biệt lớn giữa TC và TIC. Tuy nhiên khi giá trị TIC là cao, phương pháp khác biệt có thể tạo ra kết quả rất thất thường vì biên sai số cho cả phép đo TC và phép đo TIC phải được thêm vào với nhau.
Trong nhiều ứng dụng đo TOC, thật hợp lý khi cho rằng sự đóng góp của POC cho giá trị TOC tổng thể là không đáng kể, do đó sử dụng: NPOC ≈TOC
Sự gần đúng này tốt cho nước uống, nơi đóng góp lớn nhất của cacbon hữu cơ đến từ axit humic không bay hơi, hợp chất phân tử cao. Các ứng dụng nước siêu tinh khiết như sản xuất dược phẩm, năng lượng và bán dẫn sẽ có nồng độ POC không đáng kể có trong mẫu.
Phương pháp loại bỏ hoặc làm giảm tổng lượng cacbon hữu cơ TOC trong nước
Một số phương pháp làm giảm hoặc loại bỏ tổng lượng cacbon hữu cơ TOC trong nước như:
- Keo tụ, tạo bông
- Sử dụng than hoạt tính
- Oxy hóa nâng cao
- Trao đổi ion
- Sử dụng các màng lọc
Keo tụ tạo bông: Là phương pháp xử lý hóa học được sử dụng trước khi lắng và lọc. Phương pháp này giúp loại bỏ các hạt keo lơ lửng trong nước
Than hoạt tính: Sử dụng than hoạt tính với cơ chế hấp phụ hóa học để loại bỏ các chất gây ô nhiễm và tạp chất. Cấu trúc diện tích bề mặt dược cung cấp bởi cacbon cho phép loại bỏ vị trí hoạt động cao nhất đối với các chất gây ô nhiễm.
Oxy hóa nâng cao: Quá trình oxy hóa nâng cao đòi hỏi các gốc hydroxyl tỷ lệ với các chất gây ô nhiễm được loại bỏ. Gốc hydroxyl là một trong những chất chống oxy hóa mạnh nhất. Chúng được tạo ra bằng cách đưa hydrogen peroxide, ozone hoặc oxy vào quy trình xử lý nước. Quá trình này có khả năng loại bỏ một số hợp chất hữu cơ thay vì chuyển chúng sang pha khác. Trong điều kiện lý tưởng, mức độ ô nhiễm được giảm từ hàng trăm ppb xuống dưới 5 ppb
Giảm tổng lượng cacbon hữu cơ TOC bằng tia cực tím
Ánh sáng tia cực tím từ đèn UV diệt khuẩn thúc đẩy sự hình thành gốc tự do, dẫn đến quá trình oxy hóa chất hữu cơ thành nước và cacbon dioxide. Ánh sáng tia cực tím có bước sóng 254 nanomet thường được sử dụng trong xử lý. Sức mạnh của quá trình oxy hóa có thể được khuếch đại thông qua việc bổ sung các hợp chất persulfate.
Đèn UV làm tổng lượng cacbon hữu cơ TOC như thế nào
Sử dụng màng lọc
Màng lọc thẩm thấu ngược loại bỏ chất rắn hữu cơ hòa tan, loại bỏ vi khuẩn, ion và các hạt lớn.
Lọc nano: được sử dụng cho nước có tổng chất rắn hòa tan thấp.
Đối với mức tổng lượng cacbon hữu cơ thấp, sử dụng màng lọc thẩm thấu ngược RO và màng lọc nano là lý tưởng kết hợp với sử dụng đèn UV diệt khuẩn.
Trao đổi ion: Loại bỏ TOC cũng có thể được thực hiện thông qua việc giới thiệu các loại nhựa anion bazo mạnh styrenic và acrylic. Mạng lưới của các loại nhựa này thu được các phân tử hữu cơ lớn. Sau đó tái sinh bằng dung dịch muối có thể loại bỏ các hợp chất hữu cơ ra khỏi nhựa.
