Wie man den Gesamtkohlenstoffgehalt (TOC) in der Wasseraufbereitung reduziert
27 Februar 2023TOC ist die Abkürzung für Total Organic Carbon (Gesamter organischer Kohlenstoff), der sich im Bereich der Wasseraufbereitung auf die gesamte Menge an organischem Kohlenstoff im Wasser bezieht.
Die Reduzierung von Total Organic Carbon (TOC) im Wasser ist entscheidend in Anwendungen wie Mikroelektronik und Halbleiterindustrie, Pharmazie, Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie in der Abwasseraufbereitung, um die Erfüllung der Anforderungen an ultrapures Wasser sicherzustellen.
Die Risiken bei der Nicht-Reduzierung von TOC in reinem Wasser
Das Nichterfüllen der hohen Standards für konstante Wasserreinheit in den oben genannten Anwendungen kann erhebliche Folgen haben. Um diesen hohen Anforderungen an die Wasserqualität gerecht zu werden, ist ein wesentlicher Bestandteil des Prozesses, die Gesamtmenge an organischem Kohlenstoff im Wasser zu untersuchen.
Dies ist beispielsweise in der Lebensmittel- und Getränkeproduktion von Bedeutung, wo ultrapures Wasser eine entscheidende Rolle für die Haltbarkeit und die Gesamtqualität der Produkte spielt. In solchen Umgebungen können selbst kleinste Verunreinigungen erhebliche negative Auswirkungen haben, die zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten führen. Daher ist die kontinuierliche Verfügbarkeit von hochwertigem Wasser unerlässlich, um eine gleichbleibende Produktqualität und Zuverlässigkeit sicherzustellen. Es ist somit von grundlegender Bedeutung, die Menge an organischem Kohlenstoff im Wasser in diesen Anwendungen zu messen, um zu bewerten, ob das Wasser sicher verwendet werden kann.
Ein weiteres Beispiel ist die Pharmaindustrie, die außergewöhnlich hohe Anforderungen an die Hygiene stellt und daher eine vertrauenswürdige und konsistente Quelle für ultrapures Wasser benötigt.
Dies erfordert Lösungen, die eine effektive Reduzierung von TOC gewährleisten können – ein Problem, das durch den Einsatz von UV-Technologie gelöst werden kann.
„Im Gegensatz zu Europa spielen die Elektronik- und Halbleiterindustrien eine wichtige Rolle in der wirtschaftlichen Entwicklung der ASEAN-Region. Kunden in solchen Industrien fordern stets ultrapures Wasser (UPW), um die Produktion ihrer hochwertigen Produkte zu ermöglichen. UV-Technologie wird nicht nur für eine effektive Desinfektion benötigt, sondern auch für die TOC-Entfernung. ULTRAAQUA hat sich schnell auf dem asiatischen Markt als wettbewerbsfähiger Hersteller effektiver TOC-Entfernungslösungen im Hinblick auf die Lebenszykluskosten etabliert.“
Wachira Pintong, Nam Solutions and Technologies Co., LTD.
Reduzierung von Total Organic Carbon (TOC) im Wasser
Die Reduzierung von TOC im Wasser erfordert den Einsatz einer höheren UV-Energie, die bei einer Wellenlänge von 185 nm erzeugt wird. Die TOC-Reduktionssysteme von ULTRAAQUA verwenden UV-Lampen, die Licht bei dieser Wellenlänge aussenden. Die Lichtenergie fördert die Bildung von OH-Radikalen durch die Photolyse von Wasser. Die OH-Radikale reagieren mit der organischen Substanz im Wasser, was zur Oxidation in CO2 (Kohlendioxid) und H2O (Wasser) führt und somit eine effektive Entfernung von TOC bewirkt.
Diese UV-TOC-Reaktoren sind durch einen kombinierten chemischen Prozess und CFD-Modellierungsansatz optimiert und erreichen branchenführende Standards. Sehen Sie sich die TOC-UV-Systemserie hier an.
Für zusätzliche Effizienzsteigerung können die ULTRAAQUA UV TOC-Systeme mit der Zugabe anderer Oxidationsmittel wie Wasserstoffperoxid und Ozon kombiniert werden.
TOC-Entfernungsfall in der Wasseraufbereitung
Im Rahmen eines F&E-Projekts zur Herstellung von ultrapurem Wasser aus Leitungswasser hat ULTRAAQUA eine komplette Wasseraufbereitungsanlage für die Produktion von hochreinem Wasser für ein kleines Pharmaunternehmen in Dänemark gebaut.
Die Konstruktionsparameter sind wie folgt:
- Durchflussrate: 0,5 m³/h
- UVT: >98%
- Eingang TOC: 200-800 µg/L
Die vorgegebenen Anforderungen bestehen darin, den TOC unter 500 µg/L zu halten, gemäß der US Pharmacopeia.
Die Wasseraufbereitungsanlage umfasst Enthärtung, Umkehrosmose, ein kleines neues TOC-System sowie Mischbett-Ionenaustausch. Das TOC-UV-System ist in einem Umlaufkreislauf installiert, in dem das Wasser kontinuierlich aus einem Puffertank durch das UV-System zu den Verbrauchsstellen im Produkt und zurück zum Tank zirkuliert. Die TOC-Einheit liefert eine 185-nm-Dosis von 10 mJ/cm² mit einer TOC-Entfernung pro Durchlauf von etwa 20%.
Mehrere TOC-Abbauversuche wurden mit Online-TOC-Überwachung unter Verwendung der UV/Persulfat-Technik durchgeführt, wobei der Rückgang des TOC im Puffertank gemessen wurde. Um den beobachteten Abbau zu verstehen, wurde ein umfassendes TOC-Abbaumodell in COMSOL Multiphysics erstellt, bei dem das System als zwei Kompartimente modelliert wird: Der Abbau in der TOC-UV-Einheit wird in einem Kompartment beschrieben, und die Verdünnung im Tank in einem anderen, wobei das Wasser zwischen den beiden Kompartimenten zirkuliert.
Sie können sich auch diesen TOC-Reduktionsfall ansehen, der für eine Halbleiterfabrik in Israel durchgeführt wurde.
Wie man den gewünschten TOC-Reduktionsgrad erreicht
Durch die Messung des organischen Gesamtkohlenstoffs in einer bestimmten Wasserprobe und den Vergleich mit dem gewünschten TOC-Verbesserungsgrad können wir das optimale UV-System finden, um den gewünschten TOC-Reduktionsgrad zu erreichen.
Versand der TOC-Wasserprobe an das ULTRAAQUA-Labor
Zunächst benötigen wir eine TOC-Wasserprobe, die von unseren Labortechnikern analysiert wird. Die Wasserprobe wird während des gesamten Testprozesses sorgfältig von unseren Spezialisten behandelt.
Wenn Kunststoffbehälter für den Versand verwendet werden, sollten diese aus HDPE (High Density Polyethylen) bestehen und während der Lagerung und des Transports möglichst kühl gehalten werden. Wir empfehlen außerdem, vor dem Versand eine TOC-Analyse der entnommenen Wasserprobe durchzuführen, um etwaige Änderungen vor dem Labortest zu bewerten.
Die analytischen Methoden zur TOC-Analyse
In unserem Labor verwenden wir zwei verschiedene Analysegeräte zur Messung des Gesamtkohlenstoffs in den Wasserproben. Diese basieren auf den folgenden Prinzipien:
Gerät #1
Das erste Gerät basiert auf der nasschemischen UV-Persulfat-Oxidation mit Leitfähigkeitsdetektion. Die nasschemische Oxidation mit UV-Licht und Persulfat wird insbesondere bei gereinigtem Wasser und Anwendungen mit ultrapurem Wasser verwendet und ist weit verbreitet und als „Standard“ anerkannt. Organischer Kohlenstoff wird in Anwesenheit von UV-Licht durch Persulfat zu CO2 oxidiert, wobei OH-Radikale gebildet werden.
Das erzeugte CO2 wird durch eine Membran, die den spezifischen Durchtritt von CO2 ermöglicht, von der Flüssigkeit getrennt und in hochreines Wasser überführt, wo eine Änderung der Leitfähigkeit gemessen und mit dem durch die Membran tretenden CO2 korreliert wird. Die chemische UV-Persulfat-Oxidationsmethode bietet eine relativ wartungsarme, hochsensible Methode für eine Vielzahl von Anwendungen aufgrund des großen Betriebsbereichs von weniger als 1 Teil pro Milliarde (ppb) bis zu mehr als 100 Teilen pro Million (ppm) mit hoher Genauigkeit.
Gerät #2
Das zweite Gerät basiert auf thermischer Zersetzung mit NDIR-Detektion. Bei der TOC-Messung mittels thermischer Zersetzung wird die organische Substanz bei sehr hohen Temperaturen (650-950°C) und unter Verwendung eines Katalysators zu Kohlendioxid oxidiert. Auf diese Weise werden auch ungelöste Komponenten (Schwebstoffe oder Abrieb) vollständig zersetzt.
Dies ist eine gängige Methode, insbesondere bei hoher TOC-Belastung (z. B. kommunales Abwasser). Die Detektion erfolgt mittels eines nichtdispersiven Infrarotdetektors, wobei das erzeugte CO2 durch ein CO2-freies Trägergas in den Detektor geleitet wird.
Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie wir bei der TOC-Entfernung helfen können, wenden Sie sich gerne an unsere Vertriebsingenieure unter sales@ultraaqua.com – oder nutzen Sie das untenstehende Kontaktformular.
