德國elementar / 2022年八月份電子報 – 不用酸化即可分析土壤、淤泥和固體廢棄物中的總有機碳

介紹

對於諸多應用而言，總有機碳含量（TOC）都是一項重要指標。在農業科學中，碳是瞭解土壤和沉積物中元素迴圈的重要參數。有機碳通過植物和動物排泄物分解進入土壤，成為微生物和植物的主要養分來源。因此，TOC分析可提供有關微生物活性和有機物質的重要資訊，從而對土壤和沉積物進行定性和評估。

直接測定TOC是一種重要的分析方法。通常先測定總碳含量，然後再減去總無機碳。除了有機碳，在土壤和沉積物中還存在無機碳，通常以碳酸鹽的形式存在。土壤和沉積物中最常見的兩種碳酸鹽來源是礦物方解石和白雲石。對應的宏觀參數 - 總無機碳（TIC），包括這些礦物質以及其它碳酸鹽衍生物，如碳酸和碳酸氫鹽。無機碳與有機碳的差別很明顯，因為無機碳是生物系統無法利用的形式，即不具有生物可利用性。

通常來講，這一點並不足以完全區分TOC和TIC。元素碳（ROC）是另一種常見的碳源，也不具有生物可利用性。特別是在固體廢物中，但在其它應用中也一樣，單獨測量此種第三種類型的碳能夠更準確地測定具有生物可利用性並因此

與環境相關的碳源。

選擇分析方法

可以採用多種方法進行TOC分析。

方法1：樣品酸化處理後在900°C以上燃燒溫度下測定TOC。土壤、淤泥、沉積物和固體廢物中TOC含量的傳統測定方法是在900°C以上高溫狀態下燃燒。在有氧條件下，碳轉化為CO₂，然後通過熱傳導或紅外檢測器進行測量。為去除TIC，樣品在測定前需要進行酸化處理。利用無機酸使樣品中的碳酸鹽轉化為CO2，在數小時的乾燥過程中，隨著溫度的逐步升高而釋放掉。各種相關標準（包括ISO 10694、DIN EN 15936和DIN EN 13137）中都對該測定方法的原理和步驟做了說明。

方法2：在較低燃燒溫度下測定TOC。為了避免去除碳酸鹽進行酸化的時間，可以降低燃燒溫度。通過選擇最適宜的燃燒溫度，在完全回收有機碳的同時將無機碳損失控制在最低水準。實驗表明，燃燒溫度保持在450°C至650°C之間即可（如皮特等人2003年所做的實驗）。

方法3：利用程式升溫法測定不同形式的碳舉例來講，對固體廢物進行評估時，可能需要單獨測定ROC，因為元素碳不具有生物可利用性。為此，採用階梯升溫法：在400°C條件下測定TOC，在400°C至600°C之間測定ROC，在600°C至900°C之間測定TIC。

將樣品以每分鐘70°C的速度加熱至指定溫度，並在設定時間內保持該溫度。在不同溫度下產生的CO₂代表不同的碳組分（見圖1 ）。

還可以利用惰性載氣提高對ROC和TIC的分離效果。在溫度加熱到400°C後，載氣從氧氣切換至氮氣，樣品在900°C下直接被熱解。在此情況下，ROC將繼續保留在樣品容器中，而TIC則轉化為CO₂。當TIC測定完成後，系統可恢復供應氧氣，氧化ROC。在絕大多數情況下，這種技術可以實現對TIC和ROC更好的分離（見圖2）。

兩種方法都符合新版DIN 19539標準。

實驗結果

根據上述方法，已對6種不同固體樣品中的TOC含量進行了測定。

可以說，根據方法1（酸化和900°C燃燒）和方法2（650°C燃燒），在分析材料中測定的TOC含量都處於相同範圍內。而採用方法3（在400°C燃燒條件下：TOC₄₀₀）所測定的TOC含量是全部方法中最低的。由於淤泥和沖積土中的TIC含量最低，因此TOC₄₀₀所測定的TOC含量與其它方法測定的結果相似。而對於含量較高TIC，TOC₄₀₀所測定的結果明顯與其它方法不同。但是，TOC₄₀₀和ROC的總量始終與其它TOC結果相符。有趣的是，在所有樣品中，熔渣和回收建築材料中的TOC₄₀₀和ROC的總量卻與其它兩種方法所測定的TOC含量明顯不同。這是由於這兩種樣品的TIC在總碳含量中的占比最高的緣故（54%和57%）。

綜上所述，不同方法測定的TOC結果的可比性在很大程度上取決於樣品含量較高的碳組分。所以，在選擇測定TOC含量的適當方法時，應充分考慮這一點。

資料來源:elementar官網

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