| 挑戰
總有機碳 (TOC，Total Organic Carbon) 分析技術能夠有效測量樣品中的雜質，提供有機污染物的簡明、非專屬、全面的測量結果，為用戶提供寶貴的工藝監測數據。準確地檢測和量化低 TOC 濃度，對工藝控制、產品質量、資產保護來說至關重要。有機物的污染會影響生產工藝、污染製成品，導致整個產品批次不合格，甚至損壞生產設備。
有機污染物的來源之一是揮發性化合物。揮發性和半揮發性化合物常來源於清潔劑或冷卻劑。揮發性污染物也可能來自源水和化學分解產物。能夠有效檢測揮發性和半揮發性化合物，對於城市用水和工業用水處理工藝的全面檢漏來說非常關鍵，我們可以用 TOC 分析技術來完成這項檢測任務。
先將有機物氧化成 CO2，然後檢測 CO2 的含量，從而完成 TOC 分析。有些常用的 TOC 分析方法會在過程中添加酸劑並進行氣體吹掃。向液體樣品中添加酸劑降低其 pH 值，可以確保將所有以碳酸根或碳酸氫根形式存在的碳轉化為溶解的 CO2。氣體吹掃就是使氣泡通過液體樣品，去除樣品中的其它溶解氣體或揮發性液體的過程。
有些分析方法很難有效檢測揮發性化合物，這是因為揮發性化合物會消失在氣體吹掃過程中，或者需要用特殊方法才能檢測到。這些局限性會造成監測數據不准確，從而導致應對決策延誤甚至錯誤。本應用文獻比較了以下三種 TOC 氧化法對揮發性化合物的回收效率：
- 高溫催化燃燒法
- 兩級先進氧化法
- 紫外 – 過硫酸鹽氧化和膜檢測法 (此技術用於 Sievers* M 系列 TOC 分析儀)
| 實驗
在實驗中，我們用上述幾種 TOC 氧化方法對不同的揮發性化合物進行測試，以了解這些氧化方法的分析性能。我們測量了 TOC 濃度分別為 0.25 ppm、1.0 ppm、5.0 ppm 的標準品的 TOC 值。本次研究根據以下化合物特性，選用 4 種化合物【丙酮、甲醇、甲乙酮 (MEK)、異丙醇 (IPA) /2-丙醇】進行測試：
- 具有揮發性或半揮發性
- 是水系統中常見的污染物
- 能夠影響製成品質量，或長期損壞生產設備
催化燃燒 (CC，Catalytic Combustion) 式分析儀
在本次研究中使用的催化燃燒式分析儀用鉑催化劑和高溫燃燒法進行 TOC 氧化，然後進行非色散紅外 (NDIR，Non-Dispersive Infrared) 檢測。在 TO C或 POC (Purgeable Organic Carbon，可吹除有機碳) 模式下運行分析儀來分析揮發性化合物，工作流程見 圖1 和 圖2 。 POC 模式是分析儀的可選配置，不在本次研究中討論。
圖1：催化燃燒式分析儀的 NPOC (Non-Purgeable Organic Carbon，不可吹除有機碳) 模式
圖2：催化燃燒式分析儀的 TOC 模式
圖1 和 圖2 是催化燃燒式分析儀的兩種常見操作模式。圖1 顯示，在NPOC模式的吹掃過程中，IC (Inorganic Carbon，無機碳) 和 POC 被去除，因而不包含在測量結果中。圖2 顯示了 TOC 分析的兩步過程。在 TC 測量中，由於未吹掃就進行氧化，TC (Total Carbon，總碳) 測量結果中包括了 POC。在 IC 測量中，樣品和酸劑經過吹掃，產生的 CO2 被載氣送到 NDIR 部分進行測量。
兩級先進氧化 (TSAO，Two-Staged Advanced Oxidation) 式分析儀
在本次研究中使用的兩級先進氧化式分析儀用氫氧化鈉和臭氧 (能夠產生羥基自由基) 進行 TOC 氧化，然後進行 NDIR 檢測。在 TC 或 VOC (Volatile Organic Carbon，揮發性有機碳) 模式下操作分析儀來分析揮發性化合物，TC 模式和 VOC 模式均為分析儀的可選配置。本次研究不評估 TC 模式。兩級先進氧化式分析儀的 VOC 模式類似於催化燃燒式分析儀的 POC 模式，這兩個術語可以互換使用。
圖3 是兩級先進氧化式分析儀的標準操作模式【TIC (Total Inorganic Carbon，總無機碳) + TOC 模式】。在這兩步操作模式下，在 NDIR 測量之前先進行 IC 和 POC 吹掃。由於未進行氧化，POC 不包含在測量結果中。此模式的兩個步驟使用同一樣品，TOC 代表樣品中的 NPOC。
圖3：兩級先進氧化式分析儀的 TIC + TOC 模式
圖4 是兩級先進氧化式分析儀的附加 TC 模式。在此模式下，用氫氧化鈉和臭氧來預氧化樣品，以便在吹掃之前氧化全部 POC。分析儀的 VOC 模式是 TC 分析和 TIC + TOC 分析的結合。計算實測的「TC」與實測的「TIC 和 NPOC 之和」之間的差值，即可得到 VOC。 VOC = TC – (TIC + NPOC)。
圖4：兩級先進氧化式分析儀的 TC 模式
Sievers M 系列 TOC 分析儀用紫外 —— 過硫酸鹽進行 TOC 氧化，然後進行膜電導 (MC，Membrane Conductimetric) 檢測。分析儀可以在普通操作模式下檢測揮發性有機物。圖5 是 M 系列分析儀所採用的 TOC 分析方法的流程。
圖5：M 系列分析儀的標準操作
圖5 顯示了 Sievers M 系列 TOC 分析儀的普通分析模式。樣品在被加入酸劑後，分流到分析儀中相互獨立的 TC 通道和 IC 通道中。 TC 通道中的樣品被加入氧化劑，然後在紫外線照射下，樣品中的有機物被氧化。 IC 通道中的樣品則跳過上述過程。各通道中的樣品通過 CO2 滲透膜，將 CO2 分離開。 TOC 等於 TC 減去 IC。
如果需要事先去除 IC 以獲得更準確的 TOC 結果，可以使用無機碳去除器 (ICR，Inorganic Carbon Remover)，而無需進行吹掃。建議當 IC 高於 10 倍的 TOC 時使用無機碳去除器。 IC 通道中的樣品被送進無機碳去除器，通過一圈 CO2 滲透管，即可在不使用載氣的情況下去除 IC。此方法不會在去除 IC 的過程中損失揮發性碳，因而能準確測量 TOC。
同催化燃燒工藝和兩級先進氧化工藝相反，M 系列分析儀內的樣品不接觸空氣，這就能夠確保在受控實驗室環境中測得的揮發性有機物的結果真實反應了在線設置中的實際工藝樣品的 TOC。
| 結果
圖 6 – 圖9 顯示了上述三種 TOC 氧化技術的揮發性化合物回收率的測量數據。 M 系列分析儀在關閉無機碳去除器的普通分析模式下運行，催化燃燒式分析儀在 TOC 模式下運行，兩級先進氧化式分析儀在 VOC 模式下運行。
圖6：丙酮的回收率 圖7：甲醇的回收率 圖8：甲乙酮 (MEK，也稱為丁酮) 的回收率 圖9：異丙醇（IPA）的回收率
CC = 催化燃燒 TSAO = 兩級先進氧化
圖 6 – 圖9 顯示了在本次研究中評估的 4 種化合物的回收率。各圖中的紅線代表 100% 回收率。
| 結論
本次研究使用的所有分析儀都在正確的操作模式下成功完成了對化合物的分析，但 Sievers M 系列分析儀是唯一在標準操作模式下並且在不用載氣的情況下有效檢測揮發性有機物的儀器。表1 列出了所有化合物和所有分析濃度的揮發性有機物的平均回收率。
表1：本次研究中的所有化合物和分析濃度的揮發性有機物的平均回收率
在本次研究中使用的催化燃燒式分析儀只能在 TOC 模式 (或配置可選附件的 POC 模式) 下檢測揮發性化合物。但大多數用戶所採用的標準操作是 NPOC 模式，該模式無法檢測揮發性有機物。在本次研究中使用的兩級先進氧化式分析儀只能在 TC 或 VOC 模式下檢測揮發性有機物，但這兩種模式都是可選配置。
催化燃燒式分析儀和兩級先進氧化式分析儀都需要用載氣進行吹掃和 NDIR 檢測。用載氣進行吹掃時，會損失揮發性和半揮發性有機化合物。用載氣進行 NDIR 檢測時，要求進行精確的氣液分離，這是因為水分會影響測量結果的準確性。 Sievers M 系列分析儀採用膜電導檢測法來測量液體 (而非氣體) 的 CO2，能夠避免上述缺點。
為了應對工藝偏差或洩漏，用戶必須能夠有效地監測有機污染物 (如揮發性化合物)。精準的監測結果幫助用戶正確掌握工藝。 Sievers M 系列分析儀能夠在標準操作模式下準確測量揮發性化合物的 TOC，為用戶提供了理想的監測解決方案。紫外 – 過硫酸鹽氧化結合膜電導檢測技術，無需進行吹掃和使用載氣，避免了揮發性化合物的損失。
在低污染的情況下快速識別工藝洩漏和生產效率過低的原因，可以有效保護生產設備和製成品質量，幫助用戶及時做出應對決策，從而為用戶節省大量的時間和資金。 Sievers M 系列分析儀的檢測限 (LOD，Limit of Detection) 和定量限 (LOQ，Limit of Quantification) 最低，對低濃度揮發性化合物的分析結果最準確，能夠滿足用戶的一切監測需求。 Sievers M 系列 TOC 分析儀具有精準的分析性能、良好的整體易用性、無需另行購買可選附件，是檢測揮發性有機化合物的理想工具。
