在线TOC分析仪的监测原理与过程监控

李海英

摘 要：水体质量的总有机碳指标监测越来越引发人们关注。在线TOC分析仪凭借自身的分析精度与性能，可在诸多领域有效实施总有机碳的连续监测。本文将以Sievers*500RL联机总有机碳分析仪为例，首先概述该仪器的构成与特点，并对其在线分析监测原理进行阐述，同时就监测过程出现异常的处理措施进行分析。

关键词：在线TOC分析仪 Sievers*500RL 实时监测

如今，人们对工业和生活用水的质量要求越来越高，不同水体中的有机物监测引发人们的广泛重视。特别是在生化制药、微电子以及电力等行业领域中，高纯度用水要求使得人们加强了对各类有机物的积极监测与分析。碳是由无机碳和有机碳组成，是构成有机物的骨架元素，也是生物体最基本的元素。水中所含有机碳含量越高，表明水的微生物浓度就越大，水的纯度就越低。水体中各类悬浮或溶解类有机物的含碳总量称之为总有机碳，简称TOC，作为一项快速检定综合指标，TOC将以含碳量表示水中有机物的总含量。当前市面上存在很多在线TOC分析仪器，其中尤以美国GE集团的分析仪器公司开发设计的仪器为代表，Sievers总有机碳分析仪可提供优异的分析精度与性能，可为不同用户的特定用途需求提供更加专业的服务，展现出良好的实时监测分析能力，具有典型的过程监控功能。本文将重点以Sievers*500RL联机总有机碳分析仪为代表，探讨其在线分析TOC工作的监测原理与过程监控技术要点。

1 Sievers*500RL联机总有机碳分析仪概述

1.1 仪器构成及工作路径

Sievers*500RL联机总有机碳分析仪在接收待测水样后，首先经过在线式过滤器，进行初期检测过滤水体，内含流速传感器以根据过滤速率实施智能化控制进水流速。分析仪配置了全新的超级进样IOS系统，内部设置有样品组合盒装置，自动完成主机传输，自动完成验证、校正、适用适配等工作，主动排出部分废水。下一路径将直接按两个机制展开，待测水样需要经过氧化处理的则进入氧化反应器，并经测量模块中的适度转换，将水样中的有机化合物经温度电导率测定单元操作及电磁阀的控制后，经由去离子水泵与离子交换树脂的联合作用，经过二氧化碳输送模块可测得有关碳元素浓度。另一机制下，待测水样不需要进行氧化处理的则直接通过样品电导率测定单位，经延迟线圈到达测量模块中，同上所述，经测量模块中的适度转换，将水样中的有机化合物经温度电导率测定单元操作及电磁阀的控制后，经由去离子水泵与离子交换树脂的联合作用，经过二氧化碳输送模块可测得有关碳元素浓度。测量单元中设定有循环泵装置，可在不同水体之间进行必要的，具有可在仪器的总有机碳分析结束后，检测水样可经样品泵的抽离作用排出仪器。

1.2 仪器的主要优势与特点

（1）仪器量身定做中文版，所有硬件、软件以及技术资料、文档手册等均支持中文，可有效指导完成仪器安装、应用与维护。

（2）Sievers 薄膜电导率测量设计属技术专利，可放大选择性膜电导效应，有效降低测量TOC中的错误读数，提高精确重现性。

（3）技术应用上完全匹配和满足医药、微电子、电力等典型行业的标准规范，集成诸多系统性验证及校正程序，可对不同行业需求完成各类验证。

（4）一机两用，可同步测定纯水电导和 TOC，且能够直接完成软件与硬件的实时在线配置与升级，方便不同客户的配置应用需求，有效节省投资。

（5）仪器具有强大数据安全性，提供分析仪的整体数据保护功能，特别是对输出文件资料进行加密处理，把加密系统协议结果输出到 USB 闪存或者串行端口，且只能在 Sievers DataShare* 500 的程序中打开，以特定加密方式处理后文件不能随意修改。

2 Sievers*500RL聯机总有机碳分析仪监测原理

Sievers*500RL联机总有机碳分析仪在中国地区的发行应用，完全基于解读美国以及中国地区的药典法规要求，能够在生产和检测制药工业回用水等方面实时放行检测和过程控制，亦用于在线清洁验证。

TOC分析仪的监测原理是将水样中的有机化合物经紫外线辐射氧化成二氧化碳，然后测定水样中的无机碳浓度，再测量水样中总碳含量，根据总碳与无机碳的浓度之差即可计算出有机碳浓度（TOC浓度）。TOC分析仪最主要的检测项目是水样中的TOC浓度和电导率。TOC分析仪的在线检测，可以直观地、快速地对水质进行实时测定、及时显示结果，有效地避免离线检测可能带来的诸多问题，如采样过程、采样容器、采样环境等因素影响，从而使检测数据更准确、更真实、更合理。

3 分析仪监测电导率过程中的影响因素

电导率是表征物体导电能力的物理量。空气中的二氧化碳等气体溶于水并与水相互作用后，可生成相应的离子，而游离在水中的其它杂质如金属和非金属也会贡献金属离子和非金属离子，这些离子都会推高水的电导率。因此，水的纯度与水的电导率密切相关，纯度越高，其电导率越小，反之亦然。一般情况下，水样中的TOC浓度随着水温和电导率的变化而变化，电导率越高，TOC浓度也随之升高。贮罐管道系统冲洗干净后，制备注射用水循环，开启在线TOC分析仪进行监测，分析仪的第一个监测结果是最接近、最能代表蒸馏水机产水的实际质量。在过程监控中，若发现仪器上所提示的监测结果数据偏高时，应考虑直测蒸馏水机出口水样即未进入贮罐之前的注射用水。

影响注射用水TOC和电导率的主要原因除了制水设备的性能和贮罐管道系统的材质之外，还包括以下几个因素：（1）水温。在分析仪流量保持不变的前提下，贮罐管道系统运行水压越高，水样通过分析仪的流速就越快，水温就越高。而水温越高，游离在水里的各种离子运动速度就越快，于是就推高电导率。（2）循环运行时间。水循环运行时间越长，贮罐管道系统里的各种离子被冲刷出来的量就越多，从而其贡献的电导率就越高。（3）高温灭菌。在基本相同的水温和循环运行时间条件下，灭菌当天注射用水的电导率比灭菌前几天或者灭菌后几天的电导率偏高。相同的溶质和溶剂，温度越高，溶解度越大。贮罐管道系统经过高温高压长时间灭菌（121度、30分钟），会有一定数量的金属离子析出，温度越高，压力越大，金属离子析出的数量就越多，如果循环冲洗不充分、不彻底、不干净，残留在贮罐管道系统里的离子就会推高电导率。有甚者认为，用纯蒸汽高温灭菌后，整个贮罐管道会很干净，没有意识到金属贮罐管道在高温灭菌的同时会有金属离子析出，于是存在贮罐管道灭菌后忽略冲洗或者随意冲洗的现象，应当引起足够的重视。（4）贮罐水位。在基本相同温度和循环运行时间情况下，贮罐管道系统被冲刷的金属离子数量基本相等，但是贮罐水位越低，水的总体积就越小，游离在水里的金属离子浓度就越大，电导率也就越高。

4 在线TOC分析仪的过程监控异常处理措施

在生产监控过程中，当在线TOC分析仪的监测结果TOC数值或者电导率数值偏高时，操作人员和监控人员应密切关注监测结果的变化。当测量结果逼近警戒线时，在及时上报主管领导的同时注重通过技术手段来加强分析和查找原因，商讨对策，尽快拟订和采取补救措施，有效地将TOC浓度和电导率控制在规定范围之内，确保贮罐管道系统里面注射用水的质量不受影响，以下有两种措施可供参考：

（1）降低进样水温。具体操作是调小循环泵出水阀门流量，降低循环系统水压，减小流速，从而降低水样温度，水温降低，其电导率也随之降低。不过此措施只能治标不治本，表面上看水的电导率降低了，但是水的质量并没有改变，也就是水的纯度没有改善。

（2）置换系统旧有水体。这种方法是唯一可行的、合理的补救措施。那就是先将贮罐管道系统里的旧水排掉一部分，再制备新鲜水补充，不断稀释贮罐管道里电导率偏高的旧水。这样既能控制电导率数值处于合格范围之内，又能保证水的质量，进而确保生产不受影响。

结束语

随着技术的发展，以Sievers*500RL联机总有机碳分析仪为代表的在线TOC分析仪的功能与性能将大大提升，在监测原理保持不变或适度改进的情况下，能够保持更高精度加强水体的有机物监测，从而提升纯水使用效率。

参考文献：

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[2] Sascha， Hupach. 监控水质需要它——TOC水质分析仪如何在工业设备审完成水质监控[J]. 流程工业， 2013（20）：38-39.

[3] Sascha， Hupach. 量身定做的总有机碳TOC分析仪[J]. 流程工业， 2013（9）：32-33.