在工業和環境過程監測的水質分析中，存在各種不同的應用和挑戰——因為水不僅僅是水。水必須滿足的要求因應用領域、成分和檢測數據的用途而異。例如，在半導體制造和芯片生產中，需要超純水并且必須不含污染物。而對于飲用水來說，需要一定量的溶解礦物質，同時不得含有任何細菌或其他致病物質。
這些與應用有關的具體要求還對水處理和各工藝監測產生影響。讓我們通過不同的有機污染監測示例來仔細研究這些影響。
水體中有機成分的污染是一個重要的分析參數。有機化合物可能會破壞工藝過程，或在某些情況下，盡管有機物可以接受，但必須了解其濃度并定期監測，以便正確控制工藝過程。
實驗室分析仍經常使用化學需氧量（COD）和生化需氧量（BOD）來確定有機污染的程度。但是，在線分析對于更精確地實時監測工藝過程以及提高自動化程度來說，變得越來越重要。BOD分析需要5天時間，因此不能用于在線監測。由于COD分析時間需要2-3小時，且使用高毒性試劑，COD分析也不適合。相反，多年來，總有機碳TOC檢測一直處于主導地位，用于快速監測有機污染，尤其是在工業領域。TOC也越來越多地應用于環境分析領域。
與COD相比，TOC監測的優點是使用無毒試劑且檢測時間僅需幾分鐘。此外，取決于所選擇的檢測技術，TOC分析可以在更大的濃度范圍內進行檢測，同時具有更高的精度。所有TOC分析儀的基本原理都是基于有機碳氧化形成二氧化碳。通過檢測CO2，可以直接測定TOC含量。
有多種不同方法來實現這一檢測目標。以下示例展示了與在線TOC監測要求相關的外部因素可能帶來的不同挑戰。通過采用正確的監測技術，就可以應對這些挑戰。
例1. 污水處理廠進水
確定廢水處理廠進水中的有機負荷對TOC分析儀提出了多項挑戰。一方面，污染程度可能差異很大。這種情況主要發生在工業應用中，當批量工藝過程中的廢水被排放或意外發生液體泄漏的時候。同時，這些有機物可能由難以分解的高度復雜的組分組成。此外，進水中可能會出現較高濃度的未溶解顆粒和溶解的無機成分（例如鹽）。
此應用對在線TOC分析儀的要求主要體現在穩健性方面。合適的監測儀表必須能檢測出大跨度濃度波動，其波動范圍可能在遠低于100 ppm至高達數萬ppm之間。同樣，監測儀表還必須足夠穩健，以檢測更高濃度的溶解成分和顆粒成分。
后者很容易導致內徑較小的設備內部管道系統發生堵塞。此外，此類儀表在工藝過程中的安裝條件往往很苛刻，這就需要穩健的設計。
然而，了解有機負荷是優化后續清潔步驟的重要參數。在線TOC監測可以確保在有機負荷發生偏差時，生物處理階段不會過載。過載會殺死分解有機物所需的細菌。在此情況下，由于適當的監測工具可以快速識別高有機負荷，因此可以將相應部分的進水有效地轉移到緩沖池并維持細菌的健康。在負荷較低時，可以將高度污染的水回流。同樣，在厭氧反應器中，要注意確保進水濃度盡可能恒定，以實現最佳的降解結果。反之，如果進水有機負荷過低，可根據TOC檢測添加甲醇等有機物，使細菌有足夠的食物進行高效降解。
例2. 污水處理廠排水
污水處理廠出TOC監測主要用于檢查排水是否符合規定的排放限值。同時，它可以顯示污水處理廠內的降解過程是否正常進行。在這些情況下，可以避免因超過限值而產生的罰款，并實現監管合規。
廢水在經過處理后，出水TOC濃度值明顯低于進水。然而，殘留的有機物通常是那些難以降解的物質。必須對這些物質進行精確檢測，以便發現何時超過限值。因此，分析儀必須提供高度的可靠性，例如，捕獲所有有機碳并具有廣泛的自我監測功能。自動驗證檢測或校準應確保檢測值始終正確。此外，可以使用自診斷功能來檢查設備的整體狀態，并依此開展預防性維護工作。這延長了分析儀的在線時間，并確保對限值進行無縫監測，以滿足法規要求。
例3. 冷凝水回用中的泄漏監測
在工業應用中，蒸汽是較常用的傳熱介質。蒸汽發生用水必須滿足特殊要求，以避免在鍋爐和蒸汽階段出現問題。要求對水進行預處理并添加水處理化學品。主要是抑制沉積物的形成和腐蝕。當水蒸發時會殘留溶解的物質，形成水垢，導致鍋爐中污泥積聚。但是，也會有蒸汽揮發性無機物和有機物進入氣相并會積聚在管道和換熱器中。這不僅減小了蒸汽通過的路徑寬度，而且沉積物還降低了熱傳遞，從而導致能量損失。此外，由于會造成一定的溫度梯度，沉積物產生熱應力，從而導致微小開裂和泄漏。
腐蝕主要是由pH值過低引起。有機雜質在這里起著主要作用，因為在鍋爐和蒸汽高溫條件下，許多有機物分解并形成有機酸。這降低了蒸汽中的pH值，并加劇腐蝕，直至形成泄漏。
除了預處理過程中去除不徹DI外，有機物主要通過小泄漏進入蒸汽循環。由于鍋爐水的處理復雜且昂貴，通常大部分冷凝蒸汽被返回。如果有機物通過熱交換器中的小孔逸出到冷凝水中，它就會返回蒸汽循環。
由于大多數有機物在分解之前并非離子態，因此傳統的電導率測量無法檢測到它們，也無法做到準確記錄。在這里，TOC提供了一個解決方案。
在此應用中，TOC分析儀面臨的挑戰是快速響應。與廢水相比，除檢測范圍更低外，檢測周期也很重要，因為檢測目標是在被污染的冷凝水返回鍋爐給水前就應該檢測到是否發生了泄漏，從而避免花費巨大財力來更換鍋爐給水。因此，更短的檢測周期幾乎可以無縫監測冷凝水，從而在污染成為問題前及時采取糾正措施。
Sievers® TOC-R3是一款在線TOC分析儀，可滿足常見工業工藝監測應用面臨的上述挑戰。1200℃無催化劑高溫消解能夠在較寬的檢測范圍內氧化復雜和顆粒有機碳。分析儀系統采用大內徑管，可防止含顆粒的樣品造成堵塞，該設計專門針對工業應用，使分析儀對環境條件不敏感。TOC-R3強大的自我監測功能為預防性維護提供信息，并提供了泄漏檢測專門選項，可以非常快速地對泄漏進行檢測。遠程診斷和控制有助于增強故障排除，以避免停機。通過這些功能，可以應對有機污染監測所面臨的最重要挑戰——穩健、可靠、快速響應，從而提供實時信息，以更輕松地檢測泄漏，管理工藝并滿足法規要求。
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