Teljes szerves széntartalom (TOC)

meghatározása talajban

Készítette : Zemplényi Zalán

Szerves anyagok és a szerves széntartalom szerepe a talajban

• A talaj szerves anyagai magukban foglalnak a talajban élő minden organizmust az elpusztult organizmusok maradványaival együtt, azok különböző bomlási fázisában.

• A talaj szerves széntartalmának a két legfontosabb szerepe:

A talaj szerves anyagai táplálékforrásként szolgálnak a talaj állatvilága számára.

Alapvetően befolyásolja a talaj szerkezetét, fizikai tulajdonságait és vízmegkötő képességét.

Szerves anyagok és a szerves széntartalom szerepe a talajban

• A talajok szerves széntartalma a humusztartalommal, azaz a talaj szervesanyag-tartalmával arányos, így a szerves anyagok az egészséges talaj létfontosságú összetevői; azok csökkenése leromlott talajhoz vezet.

• Az egyik globális probléma a talajok szerves-anyag tartalmának folyamatos csökkenése.

• Ezt napjainkban sajnálatos módon szervetlen műtrágyák alkalmazásával igyekeznek helyettesíteni.

Szerves anyagok és a szerves széntartalom szerepe a talajban

• A szerves szén döntően befolyásolja a talaj szerkezetét, javítja a fizikai közeget, amelyen a gyökerek áthatolnak.

• A szerves anyagok felszívják a vizet – a tömegük hatszorosának megfelelő mennyiségű vizet képesek megkötni – jelenlétük ezért elengedhetetlen a növényzet számára a természetesen száraz és homokos talajokban.

• A szerves anyagokat tartalmazó talajnak jobb a szerkezete, ami elősegíti a víz beszivárgását, valamint csökkenti a talaj tömörödésre, erózióra, elsivatagosodásra és csuszamlásra való hajlamát.

TOC mérés elve• A TOC (Total Organic Carbon = Teljes Szerves

Széntartalom ) mérésekhez a minta elégetésével teljes oxidációt érnek el és

széntartalmának oxidálása során keletkezett szén-dioxid gáz mennyiségét mérik. • A talajban lévő széntartalom két részből áll: szerves szénből (TOC) és szervetlen szénből (TIC)• A legtöbb TOC készülék esetében a szerves szántartalmat 2 lépésben határozzuk meg:• Első lépésben meghatározzuk a teljes széntartalmat (TC),

majd második lépésben a szervetlen széntartalmat.• Végül képezzük az alábbi különbséget: TOC=TC-TIC

TOC készülék egyszerűsített elvi vázlata

NDIR áramlásmérő számítógép

halogéncsapda

Szárító adszorbens

Sav pumpa

Hulladékvíz elvezető

TIC kondenzáló

edény és spirál

kemence

oxigén

A TC meghatározása

• A minta bejuttatása a vivőgáz áramba, amely tiszta oxigén vagy levegő.

• A vivőgáz áram a mintát egy nagyhőmérsékletre (680-900 °C-ra) fűtött katalizátorral töltött csőbe juttatja (katalizátor pl. alumínium-oxid hordozóra felvitt platina).

• A mintában lévő összes szén az égési térben CO2 formájában jelenik meg.

• A vivőgáz a benne lévő szén-dioxiddal és egyéb égéstermékekkel együtt az elektromos szárító berendezésbe kerül, ahol lehül és dehidratálódik.

• Dehidratáció: A minták égetése során keletkező ill. elpárolgó víz egy Peltier hűtővel ellátott csőkígyóban kondenzálódik, a maradék vizet a gázáramból ezután adszorbens köti meg.

A TC meghatározása• Ezután a gázelegy áthalad egy halogén gázmosó

berendezésen.• Végül a gázáram az nem diszperzív infravörös

analizátorba (NDIR) jut , ahol a CO2 detektálása történik.

• Infravörös detektálhatóság oka: A CO2 IR aktív vegyértékrezgése:

O=C=O as 2349 cm-1 ,azaz a C=O kötésnek asszimetrikus vegyértékrezgése van

2349 cm-1 hullámszámnál.

A NDIR analizátor felépítése

A TIC és a TOC meghatározása

• Második lépésben a minta szervetlen szén tartalmat határozzuk meg:

• A készülék a bejuttatott mintából a szervetlen szenet szén-dioxid formájában savval (pl. foszforsav) felszabadítja, amelyet aztán a NDIR detektor jelezni tud. Azaz a TIC-t szén-dioxid formában határoztuk meg.

• A két eredmény alapján megadható a minta szervetlen, szerves és összes széntartalma:

• TOC=TC-TIC

Egyéb mérési lehetőségek

• Ha széndioxidot a mérés előtt metánná redukálják a meghatározásra a gázkromatográfiában elterjedten alkalmazott lángionizációs detektor (FID) alkalmazható.

• Ha a CO2 nagyobb mennyiségben keletkezik, elnyeletést és a klasszikus kémiai titrálást is alkalmazhatjuk.

TOC analizátor

• A TOC mérés előnye, hogy gyors mérés.• Egy példa a piacról: A Shimadzu TOC 5000A ára : $7900~ 1580000 ft (www.labx.com)

A TOC mérés bizonytalansága

• Bár a TOC ismertetett differenciális meghatározása sokféle hibát kiküszöböl, mégis befolyásolhatja a mért TOC értéket, hogy a szén tartalmú komponensek kémiai formában voltak jelen .

• A mintánkban ugyanis lehetnek olyan egyéb szenet tartalmazó ionok, amelyek nem CO2 formában távoznak el a rendszerből,

pl. CN-, OCN-, SCN-. Savazáskor ezekből HCN, HOCN, HSCN keletkezik.

A TOC mérés bizonytalansága

• A HCN, HOCN, HSCN molekulák nem abszorbeálnak fényt abban az infravörös hullámhossz tartományban ahol a CO2 –t mérjük, így nem lesznek belemérve a szervetlen szén (IC) értékébe, emiatt nem is kerülnek levonásra.

• Ha ezek az ionok jelen vannak, mennyiségük a teljes szerves széntartalom (TOC) értékében jelentkezik. A mért TOC ekkor nagyobb a ténylegesnél. (pozitív fals)

Irodalomjegyzék

• http://enfo.agt.bme.hu/drupal/node/5935• http://eki.sze.hu/ejegyzet/ejegyzet/kornymer/

3fejezet.htm#3.4• Nagy szerves anyag tartalmú szennyvizek KOI és

TOC értékeinek meghatározás - mérési leirat https://lists.ch.bme.hu/pipermail/vegyeszkar2005/.../attachment-0001.doc

• Fenntartható mezőgazdaság és talajmegőrzés : A szervesanyag-tartalom csökkenése, 2009• Dr. Bodnár Ildikó: Vízgazdálkodás és Vízvédelem

II.: Szennyvíztisztítás

Irodalomjegyzék

• Lakatos J.: Analitikai Kémiai Gyakorlatok Anyagmérnök BSc. Hallgatók Számára (2007) :Vízminta kémiailag oxidálható szerves anyag tartalmának meghatározása

• Környezeti minták vegyület-tartalmára jellemző összegparaméterek; TOC, TNb meghatározása: http://www.chem.elte.hu/system/files/TOC_gyakorlat_2011_0.pdf

• OKTATÁSI SEGÉDLET a Vízgazdálkodás- és vízminőségvédelem II. c. tantárgy laboratóriumi gyakorlatához , DE-MK, Környezet- és Vegyészmérnöki Tanszék 2011.