化肥生产过程和产品的总有机碳（TOC） 含量评估

简介 

化肥生产厂将空气和岩石等原料转化为高品质养料供给植物。长期以来，化肥生产的流程未变，但生产技术和 技巧已经有了显着变化。1

化肥生产厂致力于改进工艺、限制排放、节约成本、提高产品质量，同时确保工作环境的安全 1。要想实现以上目标，至关重要的一点就是控制生产过程中的有机碳水平。

挑战 

原料质量不稳： 化肥厂使用各种来源的无机原料，包括硝酸、盐酸或磷酸盐，其质量和有机污染物常有差别。如果原料中的有 机污染物含量过高，就会严重影响Z终产品的质量。如 果能够尽快、尽早确定进料的质量，就能控制生产工艺和产品质量，从而节省时间、资金、材料。

硝酸类化肥的含碳量： 当可燃性物质（即有机物）的含量超过一定水平时，硝 酸化肥的燃烧和爆炸风险就会增加。在造粒过程中，脂 族长链等有机化合物是不可或缺的，它们能提供颗粒强 度和支持。出于运输和储存目的，规则要求硝酸化肥的 总碳含量不超过 0.2％。2,3

颗粒的抗结块性： 控制硝酸化肥的抗结块性也有助于确保Z终产品的质量。 抗结块剂是长烃链，加入化肥颗粒中使其分子稳定。控 制颗粒结块的关键是评估喷洒工艺质量的能力。

测定尿素硝酸液态化肥中的酰胺氮： 尿素硝酸（UAN，Urea Ammonium Nitrate）溶液被称 为 21 世纪的化肥。该化肥含有氮的所有形式，即使在 植物休眠期，也能满足植物对氮元素的需求。必须分别 量化 UAN 液体化肥中三种形式的氮 [即铵离子 NH4+、硝酸根离子NO3-、酰胺 NH2（来自尿素 CO(NH2)2]，以确 定该化肥的强度。目前这种量化是通过人力和时间密 集型的实验室工作来完成的 4。只有快速测出数据才能及时有效地批准放行产品批次。6

在尿素生产中损失的尿素： 尿素越来越多地用作化肥生产的重要原料，每个硝酸 生产厂都有尿素生产车间。尿素是由氨和一氧化碳在 需要多个热循环的过程中产生的。尿素生产中有一项 非常重要的工作，就是精确测量生产中损失的尿素， 或随废水、冷却水、冷凝物一起被排放掉的尿素。但 尿素是一种难以氧化的化合物，因此很难测量。目前 人们用复杂的滴定方法来测量尿素，通常需要 1-3 天 才能完成，这对实验室和生产管理人员提出了挑战。 只有找到快速定量分析排放物中的有机氮的方法，才 能将尿素含量同其它形式氮（硝酸盐和氨）的含量区 分开来，从而使GX生产所需的实时决策成为可能。

解决方案

生产运营、质量控制、实验室等部门的管理人员需要快速可靠的分析方法。总有机碳（TOC，Total

Organic Carbon）分析是一种兼有包容性和非专属性的测试方法，能够测量所有的有机碳分子的浓度5。同欧盟条例4所述的方法相比，以实时（在线）或抓样（实验室）模式进行的有机化合物监测，能够及时提供化肥生产和产品的宝贵和准确的信息。

Sievers*InnovOx TOC分析仪用超临界水氧化技术（SCWO,Super Critical Water Oxidation），将有机碳分子氧化成二氧化碳，然后用非分散红外（NDIR,Nondispersive Infrared）检测法对其进行定量分析。

在用SCWO技术时，有机物高度可溶，而无机盐即使浓度很高也不可溶，这就提高了氧化效率，以及测量侵蚀性和复杂基质中的TOC的能力。Sievers InnovOx分析仪能够测量含有悬浮、胶状、溶解化合物的样品中的TOC颗粒（<800μm）和溶解的TOC。

优势

TOC分析是快速而简便的分析方法：

可以在几分钟内（5-20分钟，取决于具体方法）完成TOC测量。

TOC分析是可重复的和准确的分析方法：

TOC分析只需有限的人为干预和实验室操作，分析的准确性和重复性高。TOC分析仪能测量复杂基质中的TOC（Z 低浓度甚至在2 ppm以下），能充分氧化样品中的有机分子。分析仪能够精确分析含有微粒、高浓度多种离子、低pH或高pH等各种样品。

TOC分析是工作安全的技术：

TOC分析不使用或产生有毒或对环境有害的物质。分析仪只用环境空气、去矿物质水和简单试剂进行分析。可以将仪器产生的废液排放到普通废液排放处。

结论

在化肥生产过程中进行严格的分析控制，对工艺优化和Z终产品质量保障来说至关重要。TOC分析法允许工厂在质量控制实验室内或生产流程中测量和监测有机物。6

Sievers InnovOx分析仪提供化肥生产厂所需的准确、快速、可靠的分析。分析仪有理想的稳健性和样品处理能力，能够对复杂基质进行准确的TOC测量，甚至可以应用于难氧化分子（如尿素）。

挑战 

很多工艺使用无机酸作为重要原料。在确定特定应用的 适用性时，尤其是在确定该应用对工艺和产品的影响时， 准确评估酸的质量是至关重要的。 

酸中的可溶性杂质会影响生产工艺和产品质量。过量的有机污染物带来以下问题：

- 生产工艺效率低下 

- 产品被污染 

- 生产批次不合格 

- 工艺和产品偏差

化工行业都需要确定和控制无机酸的质量。这些行业包 括：原料药物（ API ， Active Pharmaceutical  Ingredient）、化肥、半导体加工、化学衍生物。酸用 于离子交换树脂再生，也可以是产品配方的原料。

在半导体行业中，硫酸用于晶圆蚀刻工艺。酸的纯度和 洁净度对生产至关重要，这就要求硫酸供应商对产品批 次进行污染控制，以满足工艺要求。很多行业在电镀工 艺中使用硫酸铜。为了提高化学品的性能，生产商添加 有机基体的匀染剂和增白剂。了解添加剂的用量及其潜 在的分解物，有助于控制产品质量和工艺。

解决方案

由于有机污染物的种类繁多，用总有机碳（TOC，Total  Organic Carbon）作为评估酸质量的参数不失为测量样 品杂质的有效方法。但是，分析仪器必须具有酸基体的 化学耐受性，并能在低 pH 值下有效氧化有机碳，这样才能得到正确的测量结果。

Sievers InnovOx ES 实验室型 TOC 分析仪采用超临界水 氧化（SCWO，Supercritical Water Oxidation）技术来 测量酸溶液中的 TOC 的 ppm 和 ppb 含量。事实证明，SCWO 技术能够对磷酸、盐酸、硝酸、硫酸进行精 准 的 TOC 定量分析。

技术

Sievers InnovOx 实验室型分析仪采用 SCWO 技术， 将有机碳分子氧化成CO2，然后用非分散红外 （NDIR，Non-dispersive Infrared）检测技术进行精 确定量。在使用 SCWO 技术时，先在水的临界点以上 对样品进行加热和加压。在一定条件下（375˚C 和 220 巴），水成为超临界流体，水中的有机物高度可 溶，而无机盐不溶。这就提高了氧化效率，能够精确 测量腐蚀性和复杂基质中的 TOC，甚至浓酸中的 TOC。

硫酸中含有来自其自身生产过程的各种杂质，包括有 机污染物。这些污染物即使含量极低，也会给要求使 用高纯度原料的工艺带来风险，尤其是给半导体和电 化学沉积工艺带来风险。因此，为了优化工艺操作、 提供产量，必须对酸的质量进行定量分析。

硫酸（H2SO4）

在测试中，向 H2SO4 中加入不同浓度的邻苯二甲酸氢 钾（KHP），以此来评估 Sievers InnovOx 实验室型 分析仪的分析硫酸中 TOC 的能力。将 96%浓度的 ACS 级硫酸稀释到 24%，然后分别加入 0.2、0.5 和 2  ppm TOC 的 KHP，进而证明了分析仪的分析能力。

分析在 0 - 100 ppm 范围内进行，由于样品的 pH 值 适用于 TOC 分析，故无需使用酸剂。10%过硫酸钠氧 化剂足以分析此范围的 TOC。

表 1 中的分析数据包括加标浓度、测自空白 24%硫酸 溶液的 TOC、实测 TOC、以及回收 TOC 的含量和百分比。回收的 TOC 值等于实测 TOC 减去空白 TOC。

表中的数据证明了分析仪能够定量分析浓酸溶液中的 低浓度 TOC。当 TOC 从 2 ppm 降至 0.2 ppm 时，回收率百分比就会从 偏离，这主要是因为加标浓度（200 ppb）接近空白浓度（180 ppb）。在这种低浓 度下，空白浓度或仪器基线的波动会导致结果的波动。

表 1：在 24% H2SO4中的 TOC 分析

第二项测试分析了各种浓度硫酸的 TOC 回收率。将 1  ppm TOC 的 KHP 分别加到 1、5、10 和 24%的 H2SO4中， 测量数据如表 2 所示。回收的 TOC 值等于实测 TOC 减 去空白 TOC。

表 2：1 - 24% H2SO4的 KHP 回收率

5 - 24% H2SO4的 1 ppm TOC 回收率非常好， 但 1%  H2SO4的 TOC 回收率就偏离了 45%。 当 TOC 浓度接近 空白 TOC 浓度时，空白测量值的波动会显著影响到计 算的 TOC 结果。

测试还评估了 Sievers InnovOx 实验室型分析仪分析 24% ACS 级硫酸中 0.1 - 0.5 ppm 范围 TOC 的能力。分 别将 100、200、300 ppb KHP 加到 ACS 级硫酸中，测 量结果如表 3 所示。

表 3：24% H2SO4的低于 500 ppb 的 KHP 回收率

测量结果显示了预期的增长趋势。100 ppb 加标显示 了 50 ppb 的增长，200 ppb 加标显示了 120 ppb 的增 长，300 ppb 加标显示了 230 ppb 的增长。显然，分 析仪能够检测出 410 ppb 基线上的 50 ppb 的增长， 这表明分析仪的灵敏度完全适用于分析如此低的浓度。 对硫酸进行高灵敏度分析的限制因素是基体中的基线 TOC。同任何其它分析一样，基线值附近的结果容易 变化。人们都知道，H2SO4的纯度低于同样浓度的其 它无机酸（如 HCl、HNO3等）的纯度，因此不难预料， 纯品 H2SO4中含有一定量的有机杂质。

结论 

Sievers InnovOx 实验室型分析仪能够精 准地测量出浓度Z 高为 24%的硫酸中的 TOC。 Z 高 2 ppm KHP 的 实测回收率具有出色的精确性和准确性。空白测量值 的大小和稳定性是对 H2SO4进行高灵敏度 TOC 分析的 限制因素。分析仪的灵敏度（检测限 LOD = 水中的 50 ppb）足以区分 100、200 和 300 ppb TOC。分析仪 在整个测试过程中表现出极 佳的耐用性，且能耐受 H2SO4基质，无降解迹象。

挑战 

哥伦比亚的知名制糖企业 Ingenio Pichichi 的主要生产活动是加工甘蔗，为国内外客户提供各种各样的糖产品。糖厂重视环保和GX运营，追求高盈利。 糖厂每天加工约 4300 吨甘蔗，出产蜂蜜制品、原 糖、白糖、红糖等多种糖产品。由于产量巨大，优化生产并防止昂贵的产品泄漏到生产工艺之中就变得至关重要。糖厂的现场实验室收集数据，帮助糖厂做出可提高生产效率和节省成本的决策。

将甘蔗加工成可出售的商品，需要涉及到一系列工 艺步骤，包括粉碎、澄清、过滤、蒸发、结晶、离心。在蒸发阶段，需要用多级蒸馏系统来浓缩糖汁。 锅炉为第 一阶段供应清洁蒸汽源，第 一阶段产生的蒸汽进入下一阶段，然后继续进行其他步骤。Z 后阶段产生的蒸汽被压力冷凝器冷凝成冷凝水后，被收集到冷却罐中。每个阶段的冷凝水都会被收集到冷却罐中，以后用作冷却水。

为了保护锅炉和冷凝器等设备，冷凝水不可含有糖或糖汁，以免造成产品损失、降低工厂利润。因此， 快速有效地监控产品泄漏或运行故障就变得非常重 要。及早发现产品泄漏，能够帮助操作员及时停止、 改变、或改进操作，避免损坏设备或增加成本。

图 1. Sievers* InnovOx 实验室型 TOC 分析仪用于泄漏检测

解决方案 

从前，糖厂是用 pH 值、电导率、碱度、白利糖 度（Brix Degree）、HPLC 分析等方法来检测产品泄漏。在正常环境下，糖分子不会电离，其 pH 值为中性，因此上述大多数方法都不适用于检测糖泄漏。在高温高压的生产过程中，糖分子会分解，成为能够导致沉积、腐蚀、结垢的破坏性化合物。此外，当糖分子分解时，会失去原有的 HPLC 特征峰。这就使得工厂需要一种快速、 可靠、准确的方法来监测糖。

糖是由碳、氢、氧组成的碳水化合物。通过测量 TOC 总参数，精确量化溶液中的所有有机化合物， 就能很容易检测出糖。TOC 分析仪的工作原理是， 将有机分子氧化成二氧化碳（CO2），然后检测逸 出 的 二氧 化碳 。 Ingenio Pichichi 糖厂 购买 了 Sievers* InnovOx 实验室型 TOC 分析仪（见图 1）， 用来表征和分析系统。这帮助糖厂建立了蒸汽、冷 凝水、冷却水的控制限，从而帮助糖厂优化生产工 艺、提高生产利润。应当在以下几个地点监测 TOC：

• 第 一台锅炉的进水 

• 每个阶段产生的冷凝水 

• 冷却罐的进水和出水

Sievers InnovOx 实验室型分析仪采用超临界水氧化（SCWO，Super Critical Water Oxidation）和 非色散红外（NDIR，Non-Dispersive Infrared）检测技术，能够监测 50 ppb（µg/L）至 50,000 ppm （mg/L）碳浓度范围。糖厂预期的常规 TOC 值大概在 200 至 500 ppm 范围内，但如果发生运行故障或产品泄漏，碳浓度会达到 5,000 至 20,000  ppm TOC 峰值。

结论 

TOC 分析是简便而准确的分析方法，能够检测出导致代价昂贵的设备损坏和生产损失的产品泄漏事件。哥伦比亚的知名制糖企业 Ingenio Pichichi 需要改进水系统的监测和性能。粉碎过程的蒸发阶段， 包括不间断的蒸汽和冷凝水的反复加热和冷却阶段， 是糖泄漏的多发阶段。Ingenio Pichichi 糖厂使用 Sievers InnovOx 实验室型 TOC 分析仪对上述关键阶段进行 TOC 监测，实现了利润目标，同时达到了环保和运营目标。

简介 

       Sievers InnovOx ES 总有机碳TOC分析仪用于分析复杂水溶液中的浓度范围 为 50 ppb 至 50,000 ppm 的总有机碳（TOC）。通过精 确校准和控制仪器使用条件，仪器可以对低于 5 ppm 的 TOC 进行可靠的定量分析。在快速、精确分析低于 5  ppm TOC 时，建议仪器专用于分析低于 100 ppm TOC 的样品。下面列出了低范围 TOC 定量分析及实例的方法和Z佳操作。这种复杂溶液的低浓度定量分析对于化 学品生产质量控制、海水淡化优化、工业废水法规达标 等应用来说极为重要。

仪器条件 

       仪器的碳基线需满足以下两个要求，才能保证低浓度范围定量分析的高精确度和准确度： 

       • 碳基线的质量响应必须比样品的质量响应至少低 3 倍。理想的碳基线为 0.3-0.5 µg 碳。 

       • 在校准时，基线碳信号的变化量不可超过基线 的±5％。校准基线的变化会使分析结果偏离实 际值，产生正、负偏差。

       表 1 列明了典型的偏差结果和修正。

表 1：常见的低 TOC 定量分析误差

仪器校准的建议： 

       • 仪器操作范围：0-100 ppm 

       • 漂洗使碳基线降至 0.3-0.5 µg 后立即进行校准 

       • 开始校准后应完成校准。在校准过程中不要终止或暂停校准 

       • 校准后用去离子水漂洗仪器，重复操作至少 3 次

校准参数： 

       • 线性校准 

       • 操作模式：NPOC 

       • 碳基线：0.3-0.5 µg  

       • 校准点：试剂水、300 ppb、500 ppb、750 ppb、 1000 ppb 

       • 4 次重复校准，1 次舍弃校准

校准示例：0-1 ppm 

       在 0-1 ppm TOC 范围内进行校准时，首先漂洗仪器使 基线碳响应降至 0.35 µg 碳。应在 NPOC 模式下完成 校准，进行 4 次重复和 1 次舍弃。校准数据如表 2 所 示。重复校准的变量应在可接受的范围内（通过标准 <7％）。R² 值为 0.99，表示仪器在该浓度范围内具有 较强的线性响应。

表 2：0 - 1 ppm 的校准数据

       通过分析两个已知 TOC 的标样来确认校准，分析浓度 应不同于所使用的校准点浓度。漂洗仪器使基线降至 0.35 µg。在 NPOC 模式下分析 KHP 核查标样，分析浓 度为 400 ppb 和 600 ppb。表 3 中的数据表明，经过恰 当的准备、配置、校准，Sievers InnovOx ES 在分析低 于 1 ppm 浓度时的相对精确度和准确度均优于 10％， 其中 σ 为标准偏差，RSD 为相对标准偏差。

表 3：0 - 1 ppm 校准的确认数据

样品分析示例：海水中 1 ppm TOC 定量分析

       用 Sievers InnovOx ES 来定量分析脱盐进水及后续工艺 步骤中的 TOC，方法参数如表 4 所列。先进行 0-1 ppm 范围的校准，仪器在 670 ppb 至 1.05 ppm 范围内分析 TOC，具有足够的灵敏度来分辨出表 5 所列的工艺步骤 中渐降的 TOC。测量的相对精确度优于 6％。

表 4：海水应用中的分析方法参数

表 5：工业海水应用的数据

结论 

       事实证明，Sievers InnovOx ES 能够分析多种水性基体中的大范围浓度的 TOC。当采用本说明所述的校准和Z佳操作方法时，仪器的成熟分析能力就会进一步提高，能够分析 1 ppm 以下的浓度。这就使用户能以高精确度和准确度来定量分析海水等基体中的有机碳。 TOC 分析在海水淡化应用中极为重要，它有助于监测膜是否完好无损，有助于将消毒副产物降至Z低。本仪器具有稳健的分析能力，能够确保水质适用于冷却 水、化学品生产、饮用水等各种应用。

挑战 

       许多行业都需要掌握盐水或卤水溶液中的有机杂质的含量，以保证产品质量、过程控制、资产保护。能够准确 评估这些溶液的质量，是决定应用适用性的关键。上述 行业包括海水淡化、石油和天然气、氯碱和制药/生物 制药等。 

       典型的卤水溶液是水基样品，含有微粒和溶解的碳氢化 合物，以及溶解的氯化钠（NaCl）或其它盐。海水一般 是 3.5 - 4.5％的卤水溶液，氯碱样品是高达 28％的卤水 溶液。 

       选择总有机碳（TOC，Total Organic Carbon）作为衡量 卤水质量的参数，是评估有机杂质的有效方法。所选的 分析仪器必须满足化学兼容性，而且必须确定氧化效率。 

       在测量 TOC 时，盐基质给分析仪器带来了挑战。在 UVNDIR 类系统中，侵蚀性的样品基质会损害红外源，大幅降低其工作效率。在燃烧类技术中，会发生催化剂中 毒及燃烧管变得不透明。设备一旦遭受卤水溶液的侵害， 就需要进行彻底的维护和修理。

解决方案 

       Sievers InnovOx 分析仪采用超临界水氧化（SCWO， Supercritical Water Oxidation）技术，能够定量分析高 浓度盐基质中的 TOC，具有高准确度、精确度和灵敏度。 超临界水氧化技术通过去除无机干扰物来使氧化率Z大 化。例如，分析仪通过增加分析量，达到饱和 NaCl （6M）溶液的 50 μg/L（ppb）碳的检测限（LOD， Limit of Detection）。分析仪能够耐受溶解的和悬浮的 固体颗粒，能够抵抗分析过程中产生的盐酸的腐蚀。分 析仪还具有其他优势，其中包括：

-无需催化剂，无燃烧管结垢或退化 

-低耗材成本，只需更换管子、密封件、卤素捕集器 

-无需气泵，分析仪可以使用环境空气来操作

-可以用 Sievers InnovOx Online 在线型分析仪来 实时产生过程数据，或用 Sievers InnovOx ES 实 验室型分析仪来产生离线数据组

       在以下的卤水分析中，Sievers InnovOx（实验室型或在线型 ）用邻苯二甲酸氢钾（ KHP， Potassium  Hydrogen Phthalate）来校准。分析仪在不可去除有 机碳（NPOC，Non-purgeable Organic Carbon）的 模式下运行样品。 

1.在氯碱膜电解过程中使用 28％ NaCl，TOC 限值 小于 10 ppm  

2.在制药/生物制药浸出和提取物应用中，用 6M  NaCl 溶液，其中 TOC 污染必须极小 

3.海水处理

结果 

1.在氯碱膜电解过程中，用 28％ NaCl 用自动进样器在无人操作的情况下对含有 5 ppm TOC 的氯碱卤水样品进行 140 次分析，运行时间约为 12 小时。表 1 是数据总结，其中 σ 是标准偏差，RSD 是 相对标准偏差。

表 1：Sievers InnovOx 饱和 NaCl 的 TOC 结果

       表 1 中的结果显示，仪器的相对精确度优于 4％。在 如此长时间的运行中，分析不受干预，分析仪无需维护，这进一步说明 Sievers InnovOx 不受 28％NaCl 基质的影响。

2. 高纯度卤水（6M NaCl）的低浓度 TOC 定量分析（制 药/生物制药浸出和提取物应用）

       分别将 0.25、0.40、0.60 ppm 的蔗糖加标到 6M NaCl 溶液中，然后用 Sievers InnovOx 进行分析，由此来确 定高纯度卤水中的 TOC 回收率的精确度和准确度。表 2 中的结果显示，相对于加标值，回收率的偏差在 5% 以 内。甚至在低于 0.50 ppm 时，相对精确度也好于 15%。 在 0.25 - 0.60 ppm 范围内的回收性能进一步表明， Sievers InnovOx 适用于分析 6M NaCl 中的小于 1 ppm  的 TOC。 

表 2：Sievers InnovOx 对 6M NaCl 中低于 1 mg/L 的 TOC 结果

3. 海水处理 在海水处理应用中，海水经过几个步骤的处理，在每个处理步骤之后检查有机物含量，以确保Z 佳性能和出水质量。分析结果如表 3 所示。 

表 3：Sievers InnovOx 在海水应用中的 TOC 结果

表3中的结果显示，相对精确度优于6％。有机物含量随工艺步骤而降低，表明有机物被有效去除。这就证明了Sievers InnovOx适用于测量有机物。即使当TOC浓度小于1 ppm时，分析仪都具有良好的适用性。

技术

Sievers InnovOx分析仪采用超临界水氧化（SCWO，SupercriticalWater Oxidation）技术，将有机碳分子氧化成二氧化碳，然后用非色散红外（NDIR，Non-Dispersive Infrared）检测技术对其进行定量分析。在超临界水氧化过程中，样品在水的热力学临界点以上被加热加压。在此条件（375˚C和220 bar）下，水成为超临界液体，有机物高度可溶，而无机盐不可溶。这些条件能够提高氧化效率，使分析仪能够有效

测量侵蚀性和复杂基质中的TOC。

Sievers InnovOx除了测量溶解的TOC外，还能测量含有悬浮物质的样品中的TOC微粒（<800µm）。

建议

在用吸样来监测多个位置时，可以使用SieversInnovOx ES实验室型分析仪，此款仪器可以配置可选的空气过滤器。此选项可以使用环境空气作为分析仪的载气，无需加压的氮气或仪器气体。自动进样器Z多可以配置120个35mL样品管，或者63个40mL或60mL样品瓶。此外，在应用中还可以使用可选的搅拌台和清洗台。我们建议使用上述选项来保持样品的均匀性，而且便于日常清洁自动进样器的针，以及防止卤水腐蚀设备。

当需要连续的实时数据时，可以使用Sievers InnovOx在线型分析仪来分析卤水。我们建议配置PTFE样品阀来防止卤水腐蚀。此外，应在防护罩内安装吹扫空气加湿器，以防腐蚀性环境气体和水溅起。

结论 

Sievers InnovOx 分析仪用于有效地、GX地分析复杂 水性基质中的有机碳含量，包括含有高浓度无机盐的 溶液中的有机碳。分析仪结合了 SCWO 氧化法与 NDIR 检测法，可以定量分析饱和盐溶液中的低 ppm  TOC。

挑战 

许多行业都需要掌握盐水或卤水溶液中的有机杂质的含 量，以保证产品质量、过程控制、资产保护。能够准确 评估这些溶液的质量，是决定应用适用性的关键。上述行业包括海水淡化、石油和天然气、氯碱和制药/生物制药等。 

典型的卤水溶液是水基样品，含有微粒和溶解的碳氢化 合物，以及溶解的氯化钠（NaCl）或其它盐。海水一般 是 3.5 - 4.5％的卤水溶液，氯碱样品是高达 28％的卤水 溶液。 

选择总有机碳（TOC，Total Organic Carbon）作为衡量卤水质量的参数，是评估有机杂质的有效方法。所选的分析仪器必须满足化学兼容性，而且必须确定氧化效率。 

在测量 TOC 时，盐基质给分析仪器带来了挑战。在 UV-NDIR 类系统中，侵蚀性的样品基质会损害红外源，大幅降低其工作效率。在燃烧类技术中，会发生催化剂中 毒及燃烧管变得不透明。设备一旦遭受卤水溶液的侵害， 就需要进行彻底的维护和修理。

解决方案 

Sievers InnovOx 分析仪采用超临界水氧化（SCWO， Supercritical Water Oxidation）技术，能够定量分析高 浓度盐基质中的 TOC，具有高准确度、精确度和灵敏度。超临界水氧化技术通过去除无机干扰物来使氧化率Z大 化。例如，分析仪通过增加分析量，达到饱和 NaCl （6M）溶液的 50 μg/L（ppb）碳的检测限（LOD， Limit of Detection）。分析仪能够耐受溶解的和悬浮的 固体颗粒，能够抵抗分析过程中产生的盐酸的腐蚀。分析仪还具有其他优势，其中包括：

- 无需催化剂，无燃烧管结垢或退化 

- 低耗材成本，只需更换管子、密封件、卤素捕集器 

- 无需气泵，分析仪可以使用环境空气来操作

-可以用 Sievers InnovOx Online 在线型分析仪来 实时产生过程数据，或用 Sievers InnovOx ES 实 验室型分析仪来产生离线数据组

在以下的卤水分析中，Sievers InnovOx（实验室型或 在 线 型 ）用邻苯二甲酸氢钾（ KHP， Potassium  Hydrogen Phthalate）来校准。分析仪在不可去除有 机碳（NPOC，Non-purgeable Organic Carbon）的 模式下运行样品。

1.在氯碱膜电解过程中使用 28％ NaCl，TOC 限值 小于 10 ppm  

2. 在制药/生物制药浸出和提取物应用中，用 6M  NaCl 溶液，其中 TOC 污染必须极小 

3. 海水处理

结果

1.在氯碱膜电解过程中，用 28％ NaCl 用自动进样器在无人操作的情况下对含有 5 ppm TOC 的氯碱卤水样品进行 140 次分析，运行时间约为 12 小时。表 1 是数据总结，其中 σ 是标准偏差，RSD 是 相对标准偏差。

表 1：Sievers InnovOx 饱和 NaCl 的 TOC 结果

表 1 中的结果显示，仪器的相对精确度优于 4％。在 如此长时间的运行中，分析不受干预，分析仪无需维 护，这进一步说明 Sievers InnovOx 不受 28％NaCl 基 质的影响。

2. 高纯度卤水（6M NaCl）的低浓度 TOC 定量分析（制 药/生物制药浸出和提取物应用）

分别将 0.25、0.40、0.60 ppm 的蔗糖加标到 6M NaCl 溶液中，然后用 Sievers InnovOx 进行分析，由此来确 定高纯度卤水中的 TOC 回收率的精确度和准确度。表 2 中的结果显示，相对于加标值，回收率的偏差在 5% 以 内。甚至在低于 0.50 ppm 时，相对精确度也好于 15%。 在 0.25 - 0.60 ppm 范围内的回收性能进一步表明， Sievers InnovOx 适用于分析 6M NaCl 中的小于 1 ppm  的 TOC。

表 2：Sievers InnovOx 对 6M NaCl 中低于 1 mg/L 的 TOC 结果

3. 海水处理 在海水处理应用中，海水经过几个步骤的处理，在每个 处理步骤之后检查有机物含量，以确保Z 佳性能和出水 质量。分析结果如表 3 所示。

表 3：Sievers InnovOx 在海水应用中 的 TOC 结果

表 3 中的结果显示，相对精确度优于 6％。有机物含量 随工艺步骤而降低，表明有机物被有效去除。这就证明 了 Sievers InnovOx 适用于测量有机物。即使当 TOC 浓 度小于 1 ppm 时，分析仪都具有良好的适用性。

技术 

Sievers InnovOx 分析仪采用超临界水氧化（SCWO， Supercritical Water Oxidation）技术，将有机碳分子 氧化成二氧化碳，然后用非色散红外（NDIR，Non-Dispersive Infrared）检测技术对其进行定量分析。 

在超临界水氧化过程中，样品在水的热力学临界点以 上被加热加压。在此条件（375˚C 和 220 bar）下， 水成为超临界液体，有机物高度可溶，而无机盐不可 溶。这些条件能够提高氧化效率，使分析仪能够有效 测量侵蚀性和复杂基质中的 TOC。 

Sievers InnovOx 除了测量溶解的 TOC 外，还能测量 含有悬浮物质的样品中的 TOC 微粒（<800 µm）。

建议 

在用吸样来监测多个位置时，可以使用 Sievers  InnovOx ES 实验室型分析仪，此款仪器可以配置可选 的空气过滤器。此选项可以使用环境空气作为分析仪 的载气，无需加压的氮气或仪器气体。自动进样器Z 多可以配置 120 个 35 mL 样品管，或者 63 个 40 mL 或 60 mL 样品瓶。此外，在应用中还可以使用可选的 搅拌台和清洗台。我们建议使用上述选项来保持样品 的均匀性，而且便于日常清洁自动进样器的针，以及 防止卤水腐蚀设备。 

当需要连续的实时数据时，可以使用 Sievers InnovOx 在线型分析仪来分析卤水。我们建议配置 PTFE 样品阀来防止卤水腐蚀。此外，应在防护罩内安装吹扫空 气加湿器，以防腐蚀性环境气体和水溅起。

结论 

Sievers InnovOx 分析仪用于有效地、GX地分析复杂 水性基质中的有机碳含量，包括含有高浓度无机盐的 溶液中的有机碳。分析仪结合了 SCWO 氧化法与 NDIR 检测法，可以定量分析饱和盐溶液中的低 ppm  TOC。

近年来，水质监测方法形成的种类繁多，但总的来说分为试纸检测和传感器监测两类，传统的试纸监测方法，面临着操作过程复杂、试纸易受污染、监测不准确等问题，而探头法水质检测仪和国标法水质检测仪虽然克服了上述问题，但也面临着检测数据不易区分、价格昂贵以及占用空间大等缺陷，那么如何才能在保持检测过程简便、检测结果准确这两个关键优势的同时，减少检测仪的价格和占用空间，并提升其进一步区分能力呢？

经过多年努力，山东霍尔德电子自主研发的高精度总有机碳toc分析仪采用便携设计，使用电导率差值检测技术，检测精度高，响应时间短且配备大量的储存空间，能够存储大量的测试数据。产品符合国家法规和标准，可满足制药用水、注射用水、超纯水和去离子水的在线及离线的检测要求。

目的 

       建议的美国药典USP23要求，对于纯化水（PW） 和注射用水（WFI），应使用总有机碳含量（TOC） 测定替代当前的易氧化物测试。为支持使用自动进 样器在实验室测量TOC的建议要求，Z小化并去除 来自试管及样品准备过程的背景碳，是非常关键的。 

适用范围 

       本文设计用于协助制药公司遵循水质量的建议规格。 本文检验了几种不同的试管和玻璃器皿清洗方法。 

       在试管中进行总碳分析时，背景污染可有多种不同 的来源。Z大的潜在背景碳含量来源之一，可以直 接来自用于试管漂洗和样品制备的水源。为了进行 此测定，可使用诸如本研究所用的Sievers* 800型 等在线TOC分析仪直接测量水源中的总有机碳 （TOC）含量。如果水源是商品瓶装水，则应从容 器直接取样进行该分析。如果水源为实验室水系统， 充注1升干净的玻璃烧瓶并从该烧瓶取样进行分析。 表1显示了使用这些技术在Sievers分析仪得到的结果。

表1 不同低TOC水及取样方法比较

**Sievers分析仪

       当水转移到烧瓶和试管内时很容易被污染，正如以 上所示，Sievers分析仪的水转移到烧瓶中的TOC含 量更高。如果可能的话，检验所选水源类型，以显示其具有稳定的低TOC。 

       污染的第二个主要来源可来自试管和清洗步骤。为了测定TOC背景污染的初始程度，请使用强烈的清 洗步骤。在科学界广泛使用的清洗实验室玻璃器皿的方法是铬酸溶液（Sievers分析仪技术方案914- 80005），已经被从美国药典的实验室玻璃器皿清 洗<1051>章中去除。使用该步骤清洗的试管和其他 玻璃器皿将获得较低的TOC背景污染。在获得较低 的背景污染之后，需要慎重检验更温和的清洗步骤 以获得同样的结果。这里所检验的腐蚀性Z小的化 学清洗步骤是CIP-100洗涤剂。作为清洗剂的替代 方案，可使用马弗炉清洗玻璃器皿。马弗炉工艺需 要的人工更少，但初始设备成本巨大。如表2所示， 硫酸清洗、马弗炉和CIP-100洗涤剂清洗过程与铬 酸清洗过程的结果相当。CIP-100洗涤剂的一个优 点是只需要10次漂洗，而与之相比，其他清洗剂需 要15或20次漂洗。Alconox实验室洗涤剂不建议作为低TOC工作的清洗剂。

       当表 2 中所使用的试管 ， 加入足够的苯醇醚 （Octoxynol）（Triton X-100），形成当充满去离 子水时50 ppm（以碳计）的溶液，这时的清洗是有 挑战性的。使这些标准添加溶液在各试管中干燥， 然后进行各种清洗步骤。

       当细菌污染成为问题时，微生物群落存在类似的情 况。在这里开发了无菌化技术，以应对微生物工作 中遇到的交叉污染问题。 此概念可部分适用于碳样品的制备。

例如，适合碳 样品制备的无菌化概念为：

1) 避免直接触摸垫片、移液管、自动取样器针和其 他与样品直接接触的设备， 

2) 制备样品时时避免对着它们呼吸， 

3) 避免采集前几毫升的样品流，采集样品前等待， 直到一些体积经过并净化管道后，并且 

4) 当将试管载入自动取样器时避免接触覆盖试管的隔膜。

       第二种意见是仅使用新试管进行 TOC 分析。这种做 法费钱费力，因为这些新试管需要进行 15 次漂洗 的准备步骤。使用此方法获得的 TOC 值列在表 3 中。

       而另一种方法是购买制造商预清洗的试管。然而此 处列出的试管，供应商没有直接测试其 TOC，而是 测试其挥发性有机化合物。因此，没有保证其Z大 TOC 含量。这些预清洗的试管充注 Sievers 低有机 物去离子水，并在仪器上进行分析。结果如图 4 所 示。   

       减小背景碳污染的第三步是遵守严格的制备技术。 特别小心地处理与样品接触的试剂和设备，因为碳 污染无处不在。 

     例如，储存在塑料袋中的垫片，如果手伸入内部时， 可能受到残留的手纹油的污染。表 5 显示了使用故意被手纹直接污染的隔膜时更高的 TOC 含量。右列 显示了在样品制备时上下表面皆有触摸的隔膜。碳污染量是样品制备时与脏手或表面接触程度的反映。

结论 

在样品制备的三个方面叙述了背景碳的潜在原 因。要在低碳背景污染下获得稳定的 TOC 结果， 水、试管和样品制备方法都必须仔细地监控。

表2 试管清洗的不同清洗方案比较

表3 新试管的漂洗与测试

表4 预清洁试管充满并测试

表5 样品制备时无菌相对非无菌化垫片触摸

简介和挑战 

       制药行业严重依赖于塑料包装材料，以将产品推向市场。药品的包装材料包括瓶子、一次性使用的袋 子（例如静脉输液、血液或其组分的输液袋）、预 充式注射器等，包装材料中可能含有多种成分（各 种聚合物和添加剂）。必须证明这些包装材料（及 其结构材料）不会与药品发生反应，从而影响药品的适用性。 近来，USP <661>章经过修订，适用范围更加全面， 能够用于验证各种包装材料和包含多种材料的包装 系统。 

USP 的总有机碳（TOC）法规 

       USP 要求对纯化水（Purified Water ，PW）和注射用水（Water for Injection ，WFI）进行 TOC 测试， USP <643>章对此有完整的说明。纯化水和注射用水的 TOC 限值设定为 0.5 ppm。 

       2016 年 5 月 1 日， USP <661>总章有了重大修订， 此章标题重定为“塑料包装系统及其结构材料 （ PLASTIC PACKAGING SYSTEMS AND THEIR  MATERIALS OF CONSTRUCTION）”。另外，总章 的 2 个分节为：

• <661.1>塑料结构材料（Plastic Materials of  Construction） 

• <661.2> 制 药 用 塑 料 包 装 系 统 （ Plastic  Packaging Systems for Pharmaceutical Use） 

法规除了描述材料和系统之外，还提出了更广泛的测试方法和技术，其中包括 TOC 测试。 

       如上所述，这是为了使用户了解包装系统和包装本 身所使用的材料。因此，修订的法规对行业运营产生了深远影响，目前适用于：

• 成品药制造商 

• 塑料袋、瓶、输液器具等的制造商包装药品的监管批准者负有达到本法规要求的主要职责。

USP <661>分节 

<661>有两个分节： 

<661.1>塑料结构材料。本节旨在确保各种材料符 合适用性。本节专用于各种塑料材料。 

<661.2>药品用塑料包装系统。本节旨在确保含有 一种或多种材料的整个包装系统符合适用性。

661 的预期评估 

材料筛选 

• 评估可能的可萃取物和潜在的可浸出物的成分 控制条件下的萃取研究 

• 进行Z坏情况的受控的萃取（模拟）研究，确定萃取物变成可能的可浸出物的程度 

产品评估 

• 对于将要推向市场的包装/输送系统中的药品， 对已确认的可浸出物进行实际测量

661 的 TOC 限值

满足 USP <661>法规的其他 TOC 要求 

进行的 TOC 分析： 

• 应有 0.2 ppm 检测限 

• 应有 0.2 - 20 ppm 线性动态范围

Sievers M9 TOC 分析仪与满足 USP <661>的要求

       Sievers M9 总有机碳（TOC）分析仪提供良好的可 靠性和快速分析性能，此优越性已经过时间的检验。 分析仪能够将 TOC 结果的报告时间缩短 50％，从 而提高了生产效率。 

       Sievers TOC 分析仪能够帮助在严格监管的环境下 运营的企业达标，仪器的性能超过了法规和分析要 求。分析仪的线性范围广，对超纯水样品的低浓度 具有高灵敏度，对清洁验证样品的高浓度检测能力也很强。

       M9 分析仪的线性范围为 0.03 ppb - 50 ppm，有效 地达到了 USP <661>对检测限和动态线性范围的要求。所有的 Sievers TOC 分析仪都符合纯化水和注 射用水的 USP <643>要求。

为了支持分析仪和 USP <661>合规性，我们提供 NIST 可追溯标样和 ISO Guide 34 与 ISO/IEC 17025 的认证标样：

• 准确度/精确度标样组，8 ppm (STD 770131) 

• 准确度/精确度标样组，5 ppm (STD 99011) 

• USP <661>线性标样组 (STD 99012) 如有要求，我们还提供线性协议和电子表格以供参考。 

       上述标样，结合 Sievers 的故障调查分析报告 （Failure Analysis Report，FAR），提供了可追溯 性和快速“不合规（Out of Specification ，OOS）” 调查。 

       M9 分析仪有实验室型和便携式两种，便于使用。分析仪符合 USP <643>、USP <645>、USP <661>、 USP <1225>、21 CFR Part 11 等法规要求，包括国际同类标准要求。

参考文献 

1.USP <661>总章 

2. USP <661.1>和<661.2>分节 

3. USP 661 简报： http://www.usp.org/sites/default/files/usp_pd f/EN/meetings.pdf