09.06.2016
ForschungUmwelt

TOC – Organischer Gesamtkohlenstoff

Teil 3: TOC – der Umweltparameter

Der Summenparameter TOC wird in Umweltanalysen eingesetzt, aber auch zum Schutz von Anlagen, zum Beispiel Klärwerken. Der TOC ist ebenso geeignet, die Konzentration organischer Komponenten in Feststoffen zu bestimmen. Das ist für Deponien bedeutend, um etwa den Abfall in entsprechende Deponieklassen einzustufen. Der TOC macht abnormale Veränderungen von Wässern schnell sichtbar. Die zusätzliche Bestimmung des Stickstoffanteils erweitert die Information, wie sich eine Probe zusammensetzt.

Um den Anforderungen an den Schutz der Umwelt gerecht zu werden, ist die Umweltanalytik ein unverzichtbares Mittel. Um die Umweltkompartimente Wasser, Boden und Luft zu beurteilen, werden zahlreiche Parameter ermittelt. Neben physikalischen Kenngrößen werden Einzelstoffanalysen bestimmter Schadstoffe oder Gesamtgehalte verschiedener Elemente bestimmt. Da die Anzahl an möglichen Stoffen, die die Umwelt verunreinigen können, außerordentlich groß ist, werden auch Summenparameter eingesetzt, die eine Vielzahl an Substanzen in einem Analysenwert erfassen.

Um bei der Untersuchung und der Bewertung von Umweltproben ein einheitliches Bild zu erhalten, gibt es unterschiedliche Richtlinien, die entsprechende Parameterkataloge und die dazugehörigen Grenzwerte enthalten. Der Summenparameter TOC (total organic carbon) gilt als Maß für die Verunreinigungen organischer Komponenten in seiner jeweiligen Matrix. Auch er wird in der Umweltanalytik häufig angewendet.

Trinkwasseranalyse mit TOC

Die Anforderungen an die Beschaffenheit von Trinkwasser sind in der DIN 2000 sowie in der Trinkwasserverordnung (TrinkwV) festgeschrieben. Es soll für den menschlichen Gebrauch frei von gesundheitsschädlichen Substanzen und gesundheitsgefährdenden Keimen sein. Da Trinkwasser zumeist ein regionales Lebensmittel ist, gibt es geologische und geographische Einflüsse auf seine Beschaffenheit.

Auch die Jahreszeiten beeinflussen die Konzentrationen mancher Inhaltsstoffe. So sind die  Anteile an gelösten Mineralien, wie Natrium, Magnesium, Chloride usw. von Region zu Region verschieden, ebenso wie die Gehalte der Carbonate und Hydrogencarbonate und der Menge organischer Verbindungen.

Daher gibt es in der TrinkwV auch keinen verbindlich einzuhaltenden Grenzwert für die TOC-Konzentration.

Der Summenparameter dient als Indikator, der abnormale Veränderungen schnell sichtbar machen soll. Grund- und Brunnenwässer können, um Veränderungen in der Zusammensetzung zu erkennen, in gleicher Weise einem TOC-Monitoring unterzogen werden.

TOC in der Analyse von Oberflächenwässern

Oberflächenwässer, wie Seen oder Flüsse, werden ebenfalls überwacht. Besonders angrenzende Industrien, die ihre gereinigten Abwässer einleiten, können einen übermäßigen Eintrag an organischen Substanzen mit sich bringen. Bei Havarien oder Unfällen in den Industrie-Betrieben kann großer Umweltschaden entstehen, der u.a. durch die TOC-Konzentration abgebildet werden kann. Gleiches gilt bei der Überwachung der Meerwasserverschmutzung; auch hierbei ist der TOC ein hilfreicher Parameter.

Abwässer können große Mengen an organischen Substanzen enthalten. Zu hohe TOC-Konzentrationen können den Mikroorganismen einer Kläranlage erheblichen Schaden zuführen. Um die Biologie der Kläranlagen zu schützen, wird der TOC ebenfalls eingesetzt. Aber auch der Auslauf einer Kläranlage kann hinsichtlich seines TOC-Gehaltes überwacht werden. So kann der Wirkungsgrad einer Anlage ermittelt und das Einleiten von ungenügend gereinigtem Wasser verhindert werden.

Partikelgängigkeit des Analysators

Bei der Bestimmung des TOC in Wasserproben sind verschiedene Aspekte zu beachten. Zum einen enthalten Wasserproben, wie Oberflächenwässer oder Abwässer, oftmals Partikel. Die eingesetzten Analysatoren müssen daher eine entsprechende Partikelgängigkeit besitzen. Die Norm (EN 1484) zur Bestimmung des TOC beinhaltet einen entsprechenden Test, der die Partikelgängigkeit des Analysators belegen soll. Dafür wird eine Suspension aus Mikrocellulose (Partikelgröße 20 – 100 µm – Konzentration der Cellulose = 225 mg/l) hergestellt und analysiert. Die Wiederfindung der erwarteten TOC-Konzentration (100 mg/l) muss zwischen 90 und 110 % liegen. TOC-Analysatoren, wie der TOC-L von Shimadzu, verfügen über eine Partikelgängigkeit von bis zu 500 µm; sie kann auf 800µm erweitert werden.

Achtung, Salzgehalt

Ein weiterer Aspekt bei der TOC-Analyse ist der Salzgehalt. Während organische Substanzen zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt werden, bleiben Salze, wie Chloride oder Sulfate, auf dem Katalysator zurück und reichern sich mit jeder Injektion an. Um Salzschmelzen zu vermeiden, die die aktiven Zentren des Katalysators zusetzen können, ist es wichtig, Verbrennungstemperaturen unterhalb der Schmelzpunkte der gängigen Salze zu nutzen. Shimadzu hat dafür die 680°C-Verbrennungsmethode in Verbindung mit einem hochsensitiven Katalysator entwickelt.

Bei der katalytischen Verbrennungsmethode zur Bestimmung des TOC wird nicht nur organischer Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Stickstoffverbindungen, wie Nitrate, Nitrite, Ammoniumverbindungen und organische Stickstoffverbindungen, werden gleichermaßen zu Stickstoffmonoxid umgesetzt. Ein zusätzlicher Detektor ermöglicht an einem solchen TOC-System, den TNb (Total Nitrogen bounded = gesamter gebundener Stickstoff) simultan zu bestimmen.

Überdüngungen von Ackerböden können die Stickstoffkonzentrationen in Grund- und Oberflächenwässern erhöhen. Zudem spielt der Abbau von Stickstoffkomponenten in Kläranlagen eine wichtige Rolle. Hier kann neben der Bestimmung des TOC die TNb-Konzentration ermittelt werden.

TOC auch für Feststoffe geeignet

Aber nicht nur Wässer werden hinsichtlich ihres TOC-Gehalts untersucht. Die Konzentration organischer Komponenten ist auch in Feststoffen von großer Bedeutung. Organische Substanzen werden im Laufe der Zeit von Mikroorganismen „abgebaut“, d.h. verstoffwechselt. Bei diesen biochemischen Vorgängen entstehen verschiedene anderen Substanzen, vor allem aber Methan und Kohlendioxid.

Deponien werden daher in unterschiedliche Klassen eingeteilt, auf denen je nach Einstufung bestimmte Abfälle abgelagert werden dürfen. Der Abfall wird dazu durch festgeschriebene Analysenparameter charakterisiert. Grenzwerte helfen in die Deponieklassen einzustufen. Auch hier ist der TOC ein fester Bestandteil des Analysenumfangs.

Fazit

Der TOC ist in weiten Teilen der Umweltanalytik ein wichtiger Bestandteil, denn er zeigt das Maß von Verunreinigungen durch organische Komponenten auf. In Kläranlagen kann der Einlauf überwacht werden, um die Biologische Reinigungsstufe zu schützen.

Organik ist aber auch natürlicher Bestandteil verschiedener Wässer. Hier kann der TOC genutzt werden, um abnormale Veränderungen schnell sichtbar zu machen. Die Bestimmung der gebundenen Stickstoffkomponenten erhöht den Informationsgehalt über die Zusammensetzung der Probe.

KONTAKT
Sascha Hupach

Shimadzu Deutschland GmbH
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