Carbonio organico totale

Il carbonio organico totale TOC acronimo di Total Organic Carbon è una misura della quantità totale di carbonio nei composti organici nell’acqua pura e nei sistemi acquosi ed è un parametro utilizzato per monitorare i livelli complessivi dei composti organici presenti.

I composti organici possono trovarsi nell’acqua a causa di varie fonti, tra cui prodotti dei rifiuti animali, rifiuti industriali contenenti sostanze chimiche e, in particolare, composti organici volatili come benzene, toluene, xilene, dicloroetano usato come solvente, 1,1,1-tricloroetano usato nei lavaggi a secco e il tetracloruro di carbonio.

La decomposizione della materia organica naturale come, ad esempio piante e altra vegetazione, l’attività microbiologica e altri processi legati alla vita vegetale e animale possono aumentare il valore del carbonio organico totale.

Il carbonio organico totale non identifica composti specifici contenenti carbonio, ma solo la presenza di composti organici indesiderati nell’acqua pura. La sensibilità del test lo rende importante per valutare l’acqua che potrebbe essere utilizzata nella produzione di farmaci o alimenti per il consumo umano, o per testare la purezza dell’acqua che da utilizzata in processi produttivi sensibili.

Il carbonio organico totale, unitamente alla domanda chimica di ossigeno COD, alla domanda biochimica di ossigeno e all’analisi di oli e grassi O&G, costituisce uno dei test più comuni per determinare l’inquinamento organico nelle acque

Tipi di carbonio e carbonio organico totale

La quantità totale di tutto il carbonio presente in un campione viene definita carbonio totale (TC) che essere ulteriormente distinto in due gruppi principali, carbonio organico totale (TOC) e carbonio inorganico totale (TIC). Il carbonio organico totale si classifica come carbonio organico eliminabile (POC)  e carbonio organico non eliminabile (NPOC) che, a sua volta può essere ulteriormente classificato come carbonio organico disciolto (DOC), carbonio organico sospeso.

Il carbonio organico eliminabile (POC) a volte chiamato carbonio organico volatile è costituito dalla frazione di carbonio organico totale rimossa da una soluzione acquosa tramite strippaggio del gas in condizioni specificate

classificazione
classificazione

Nel carbonio organico non eliminabile (NPOC), costituito dalla frazione di carbonio organico totale non rimossa mediante strippaggio del gas vi è il carbonio presente dopo il campione è stato acidificato e purificato con aria per rimuovere il carbonio inorganico. Si noti che le sostanze organiche volatili come gli acidi grassi volatili (VFA), gli idrocarburi leggeri come la benzina e alcuni solventi come l’acetone vengono persi durante la purificazione.

ll carbonio organico disciolto (DOC) è costituito dalla frazione di carbonio organico totale che passa attraverso un filtro con diametro dei pori di 0.45 μm

Il carbonio organico sospeso chiamato anche carbonio organico particolato costituito dalla frazione di carbonio organico totale trattenuta da un filtro da 0.45 μm

Il carbonio organico totale deve essere determinato misurando o rimuovendo le varie frazioni presenti e può essere eseguito sottraendo il carbonio inorganico (TIC) acronimo di Total Inorganic Carbon dovuto alla presenza di specie inorganiche contenenti carbonio come biossido di carbonio, bicarbonati o carbonati, cianuro e tiocianati.

Misurazione del carbonio inorganico

Il carbonio inorganico, salvo casi particolari, è costituito da ione idrogenocarbonato HCO3, carbonato CO32- e biossido di carbonio. La quantità di biossido di carbonio disciolto, ioni idrogenocarbonato e ioni carbonato presenti in acqua dipende dal pH.

equilibrio
equilibrio

L’equilibrio simultaneo tra le varie specie può essere scritto come:
CO2 + H2O ⇄ H2CO3 ⇄ HCO3 + H+  ⇄ CO32- + 2 H+
Si evince, dal principio di Le Chatelier, che a bassi valori di pH la specie prevalente è il biossido di carbonio.

Dal diagramma si ha che a un pH pari o inferiore a 3, quasi tutto l’IC diventa anidride carbonica disciolta, che è facile da eliminare dall’acqua.

Sulla base di questo principio, il carbonio inorganico viene misurato acidificando il campione a pH < 3 e quindi misurando la CO2 estratta dal campione mediante strippaggio con aria priva di biossido di carbonio.

Metodi di analisi

Tutti i metodi comuni per misurare il carbonio organico totale si basano sull’ossidazione del carbonio in anidride carbonica e quindi sulla sua misurazione. Uno dei metodi di ossidazione più comuni è quello della combustione in cui il campione viene iniettato in un forno a combustione ad una temperatura tra 650 e 1200 °C per incenerire tutto il carbonio presente nel campione e misurarlo come anidride carbonica completamente ossidata.

analizzatore
analizzatore

Tutti gli analizzatori di carbonio organico totale che misurano la CO2 includeranno anche quella proveniente da bicarbonati e carbonati e quindi danno come risultato il carbonio totale. Pertanto è necessario rimuovere il carbonio inorganico operando a bassi valori di pH o determinare preventivamente il carbonio inorganico e sottrarlo a quello totale.

Un altro metodo per ossidare il carbonio consiste nella ossidazione termochimica in presenza di calore e di un ossidante chimico, solitamente un persolfato. Si può inoltre iniettare il campione in una soluzione di biossido di titanio in presenza di luce U.V. La CO2 prodotta dall’ossidazione viene quindi rilevata e quantificata tramite varie tecniche come la spettroscopia a infrarossi non dispersiva (NDIR) o le misurazioni della conduttività.

Applicazioni

L’analisi del carbonio organico totale è importante per comprendere e monitorare il contenuto di carbonio organico e il suo impatto sulla qualità dell’acqua, sulla salute ambientale, sui processi industriali e sulla conformità normativa.

In particolare i dati dell’analisi consentono una valutazione della qualità dell’acqua e sono ampiamente utilizzati nei processi di gestione e trattamento dell’acqua per valutare la qualità e i livelli di inquinamento delle fonti d’acqua. Aiutano inoltre a identificare potenziali fonti di contaminazione e valutare l’efficacia dei metodi di trattamento.

I risultati dell’analisi consentono di determinare la presenza e la concentrazione di inquinanti organici, come idrocarburi, pesticidi e sottoprodotti industriali, che possono avere effetti dannosi sugli ecosistemi e sulla salute umana.

Negli ambienti industriali, l’analisi del carbonio organico totale svolge un ruolo fondamentale nel controllo e nell’ottimizzazione dei processi. Il monitoraggio del contenuto di carbonio organico nelle varie fasi della produzione aiuta a garantire che i processi funzionino in modo efficiente e entro i limiti normativi. Aiuta anche a identificare potenziali problemi, ridurre al minimo gli sprechi e migliorare la produttività complessiva.

L’analisi del carbonio organico totale fornisce un metodo affidabile e standardizzato per quantificare il contenuto di carbonio organico, consentendo alle industrie di garantire la conformità alle normative ambientali.

Nella produzione farmaceutica, l’analisi TOC viene utilizzata per convalidare la pulizia e la qualità di apparecchiature, superfici e prodotti e garantisce che i prodotti farmaceutici soddisfino gli standard richiesti in termini di sicurezza ed efficacia.

L’analisi TOC viene utilizzata nella ricerca scientifica e nello sviluppo per studiare i processi di riciclaggio del carbonio e gli studi biogeochimici e fornisce preziose informazioni sulle fonti e sulle trasformazioni del carbonio in vari sistemi naturali e ingegnerizzati.

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