Teljes szerves széntartalom (TOC) meghatározása talajban

1. Teljes szerves széntartalom (TOC) meghatározása talajban Készítette : Zemplényi Zalán

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. TOC mérés elve • A TOC (Total OrganicCarbon = 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

6. TOC készülék egyszerűsített elvi vázlata NDIR áramlásmérő számítógép oxigén Szárító adszorbens TIC kondenzáló edény és spirál kemence halogéncsapda Sav pumpa Hulladékvíz elvezető

7. 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.

8. 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 as2349cm-1 ,azaz a C=O kötésnek asszimetrikus vegyértékrezgése van 2349 cm-1 hullámszámnál.

9. A NDIR analizátor felépítése

10. 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

11. 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.

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

13. 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.

14. 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)

15. 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

16. 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.