德國elementar / 2023年12月份電子報 –-使用 soliTOC cube測定礦質土壤中的 TOC

前言

使用高於 900°C 的溫度並預先酸化透過燃燒測定總有機碳 (TOC) 是許多標準方法中包含的既定技術，例如 EN 15936。它在全球範圍內用於土壤和廢物分析，因為 TOC 含量表明有機材料和腐殖質的量。

準確可靠地測定礦質土壤或沉積物中的 TOC 濃度提出了一些改進的挑戰和機會。必須確保樣品製備不會顯著改變樣品成分。 這並不是一件小事，因為必須從樣品中除去菱鎂礦、白雲石或菱鐵礦等礦物中的一些含有無機碳的化合物（例如碳酸鹽）才能確定 TOC 含量。這需要在約 50°C 下用 10% 鹽酸處理才能完全分解。然而，在 50°C 時可能會發生有機碳損失，導致低估樣品中的有機碳濃度。 如果使用 H₂SO₄ 等其他酸，有機物的損失可能高達 80%。 消除預酸化步驟有利於獲得一致的結果。

預酸化也是一個耗時的手作過程，會讓操作者工作流程中造成瓶頸。此外，使用者和儀器暴露於危險的酸中，具有明顯的影響。除此之外，酸的添加還會增加背景值，進而影響檢測極限和重現性。

在600°C分析的TOC

預酸化方法的替代方法，即使用溫度依賴性 TOC 測定，已經討論了一段時間。 大多數無機碳化合物需要> 600°C 的燃燒溫度才能完全分解，而有機化合物則在較低溫度下燃燒。 事實上，許多文獻都比較了不同的方法，並表明 515°C 和 650°C 之間的燃燒溫度可提供 對於不同樣品，TOC 結果與預酸化的直接方法具有可比性，例如 Pitt et al., 2003; VDLUFA, 1991; Bisutti et al., 2007.

本應用說明介紹了一種使用 soli TOC cube無需預酸化即可分析 TOC 的方法。 該儀器使用動態溫度程序來區分不同的碳組分。

動態升溫方法從大約 100°C 開始。 導入樣品後，溫度以 120°C/分鐘的速率升高至 600°C 以進行 TOC 測定。溫度在 600°C 下保持 230 秒，足以燃燒樣品中的所有有機碳，即使在高碳濃度下也是如此。然後將樣品加熱至 900°C，以相同的加熱速率進行 TIC 測定（見圖 1）。

總碳 (TC) 含量是透過將有機碳和無機碳濃度相加計算得出：

TOC + TIC = TC.

如果僅需要 TOC 分析，則可以省略 TIC 步驟以節省時間。

分析方法

為了驗證動態溫度程序（動態升溫法）的應用，使用動態溫度程序對五種不同的土壤樣品進行了碳測量，這些土壤經過酸預處理並在900°C 下固定溫度(等溫法)燃燒，以及在600°C 下燃燒而無需預酸化。溫度程序。此外，對於反應性較強的樣品，顯示了動態升溫法與等溫法相比的優點。

所有分析均使用相同的 soli TOC cube儀器進行，以避免任何校準或儀器影響。

傳統 TOC 方法的樣品預酸化使用 10% HCl 和 1 滴濃 HCl，以確保從樣品中去除所有碳酸鹽。 當樣品停止起泡時表示總無機碳去除完畢。酸化過程中不加熱樣品。

圖 1. 動態溫度程序，目標溫度為 600°C 和 900°C，代表 TOC 和 TIC 濃度。

分析結果

與等溫方法相比，溫度梯度程序的優點是燃燒反應更容易控制，從而提供更一致的結果。當分析反應性非常強的樣品（例如含有煤炭的樣品）時，這一點尤其重要。這些樣品在強烈放熱的情況下燃燒，並透過燃燒過程中釋放的能量來提高坩堝中的溫度。

表 1 顯示，與等溫法的樣品相比，採用升溫方法可以更好地將總無機碳 (TIC) 與元素/有機碳分離。較低的標準差表明，與預酸化的傳統方法相比，溫度梯度會產生更具可重複性的結果。請注意，總碳 (TC) 量始終相同，與方法無關。

表 1. 溫度升至 600°C 後反應性煙灰樣品的碳濃度與直接引入預酸化樣品並在 600°C 下等溫燃燒進行比較。

對於不同的土壤樣品，溫度梯度法所得的結果與預酸化方法的結果相關（表 2）。 因此，透過升溫至 600°C 進行的碳測定可以被認為等同於在 900°C 下分析酸化土壤樣品，因為它可以提供非常相似的結果，而無需預酸化的負擔。 預酸化方法的 TOC 濃度稍高可以解釋為酸化過程中缺少加熱，因此一些碳酸鹽沒有被破壞。

表 2. 使用動態升溫法在 600°C 測定的不同土壤的有機碳濃度與在 900°C 分析的預酸化土壤樣品的有機碳濃度的比較

雖然與預酸化等溫法相比，溫度梯度法的儀器分析時間較長，但整體工作流程時間顯著縮短。這是因為預酸化是一個耗時的過程。必須手動完成酸化後，樣品必須乾燥幾個小時。

結論

Soli TOC cube上的 89 位自動進樣器和簡單的樣品製備可縮短分析時間，並允許執行例行性的無人看守隔夜操作。這消除了工作流程中的主要瓶頸，並最大限度地增加了 24 小時內可分析的樣本數。

此外，在任何時候，soli TOC cube都可用於在一次樣品分析中區分TOC400 和生物非活性元素碳(EC) 或殘留可氧化碳(ROC) 和TIC，這是廢物掩埋場處置的一項重要措施。該標準已包含在新的德國標準 DIN 19539 中，並且隨著該標準在未來幾年得到更廣泛的採用，其重要性可能會增加。

由於其靈活性，soli TOC cube是測定固體樣品中不同碳組分（TOC、TIC 和 EC/ROC）的完美解決方案。 由於最佳化了燃燒條件，使用了背景值非常低的坩堝並且不添加酸，所以 soli TOC cube覆蓋了較低的測量範圍。 由於每個樣品都會自動從系統中去除灰分，因此樣品中所含的任何鹽都會被去除，從而保護系統免受腐蝕。

參考資料

Bisutti, I., I. Hilke, J. Schumacher and M. Ressler (2007): A novel single-run dual temperature combustion (SRDTC) method

for the determination of organic, in-organic and total carbon in soil samples. Talanta 71, 521-528.

DIN EN 15936 - Sludge, treated biowaste, soil and waste – Determination of total organic carbon (TOC) by dry combustion.

DIN 19539 - Investigation of solids — Temperature-dependent differentiation of total carbon.

VDLUFA Methodenbuch (1991): Band I- Die Untersuchung von Boden, A 4.1.3.2, 7. Teillfg. 2016.

Pitt, J.L., T.L. Provin, F.M. Hons, F. Dou, and J.S. Waskom (2003): Use of a total carbon/nitrogen analyzer for the determination

of organic and inorganic carbon in soils, manure, and composts. Abstracts, 2003 Meeting of ASA, Denver, CO.

資料來源:elementar官網