Turbidita

Turbidita, miera zákalu v kvapalinách, bola uznaná ako jednoduchý a základný indikátor kvality vody. Po celé desaťročia sa používa na monitorovanie pitnej vody vrátane vody vyrábanej filtráciou. Meranie turbidity využíva svetelný lúč s definovanými charakteristikami na semikvantitatívne stanovenie prítomnosti častíc vo vzorke vody alebo inej kvapaliny. Svetelný lúč sa označuje ako dopadajúci svetelný lúč. Materiál prítomný vo vode spôsobuje rozptýlenie dopadajúceho svetelného lúča a toto rozptýlené svetlo sa deteguje a kvantifikuje voči kalibračnému štandardu s nadväznosťou. Čím vyššie je množstvo častíc vo vzorke, tým väčší je rozptyl dopadajúceho svetelného lúča, a tým vyššia je výsledná turbidita.

K celkovej turbidite vzorky môže prispievať akákoľvek častica vo vzorke, ktorá prechádza definovaným zdrojom dopadajúceho svetla (často žiarovka, dióda vyžarujúca svetlo (LED) alebo laserová dióda). Cieľom filtrácie je odstrániť častice zo vzorky. Ak filtračné systémy správne fungujú a sú monitorované turbidimetrom, bude hodnota turbidity na odtoku nízka a stabilná. Niektoré turbidimetre sú menej účinné v prípade ultra čistých vôd, kde sú veľkosti a počty častíc veľmi nízke. V prípade tých turbidimetrov, u ktorých chýba citlivosť na tieto nízke koncentrácie, môžu byť zmeny turbidity, ktoré sú výsledkom narušenia filtra, také malé, že sa stávajú nerozoznateľnými od šumu základnej čiary prístroja.

Tento šum má niekoľko zdrojov vrátane inherentného šumu prístroja (elektronický šum), rušivého svetla prístroja, šumu vzorky a šumu v samotnom zdroji svetla. Tieto interferencie sa sčítavajú a stávajú sa primárnym zdrojom falošne pozitívnych odoziev turbidity a môžu nepriaznivo ovplyvniť limit detekcie prístroja.

V priebehu posledného desaťročia sa v analýze turbidity objavili novšie laserové techniky, ktoré sa preukázali ako citlivejšia metóda na monitorovanie účinnosti filtra. Tieto laserové technológie dokážu identifikovať problémy s integritou filtrácie skôr a s lepšími úrovňami detekcie. Laserové turbidimetre sú účinnejšie v prípade potreby stanovenia nízkej turbidity vo vzorkách čistejšej vody, pretože majú vylepšené optické prvky, ktoré poskytujú vyššiu citlivosť a stabilitu.

Laserový turbidimeter využíva vysoko kolimovaný laserový zdroj svetla (ide o svetlo, ktorého lúče sú rovnobežné), ktorý je primárne monochromatický. Vlastnosti tohto zdroja svetla umožňujú koncentráciu svetelnej energie a jej zameranie na veľmi malý objem v cele na vzorku v každom prístroji. Vďaka tejto kombinácii je k dispozícii dopadajúci lúč s vysokou kapacitou, ktorý je účinne rozptýlený časticami vo vzorke. Detektor má tiež vyššiu citlivosť a poskytuje lepšiu odozvu na rozptýlené svetlo. Podľa možnosti by sa vrchol spektra odozvy detektora mal úplne prekrývať so spektrom emitovaným zdrojom dopadajúceho svetla, aby sa generovala maximálna optická citlivosť. Táto kombinácia citlivosti detektora, zdroja kolimovaného svetla a vysokej kapacity dopadajúceho svetla poskytuje laserovému turbidimetru veľmi vysoký pomer signálu a šumu. Tento pomer signálu a šumu zvyšuje citlivosť detekcie veľmi malých zmien turbidity, ktoré je možné odlíšiť od základnej čiary merania. Inými slovami, vysoký pomer signálu a šumu je indikátorom citlivého turbidimetra.

Laserové turbidimetre a ďalšie prístroje, ktoré majú vysoký pomer signálu a šumu, poskytnú extrémne stabilné základné úrovne merania v porovnaní s tradičnými turbidimetrami. Stabilné základné úrovne umožňujú detekciu veľmi jemných zmien turbidity vo vzorke, ktoré by inak boli na nerozoznanie pri meraní pomocou bežných turbidimetrov. Okrem toho je možné túto základnú úroveň charakterizovať z hľadiska stability, pričom potom môže slúžiť ako ďalší parameter analýzy. Tento parameter by dopĺňal smerový trend samotnej hodnoty merania turbidity.

Nástup laserových turbidimetrov zlepšil detekciu nedostatkov integrity filtrácie. Tieto prístroje majú výrazne vylepšené optické vlastnosti, aby sa poskytol mimoriadne stabilný systém procesného merania. Táto vylepšená stabilita poskytuje ďalšie informácie, ktoré je možné získať z laserového merania turbidity. Je dôležité pochopiť, že meranie turbidity je meranie založené na metóde a iba merania odvodené z tej istej metodiky by sa mali kvantitatívne porovnávať pomocou presnosti. Rozdiel v absolútnych hodnotách turbidity môže naznačovať posun medzi týmito dvoma metódami, ktoré sa tiež môžu líšiť v závislosti od kalibrácie. Tento stav musí byť vždy zohľadnený, keď sa vykonáva porovnanie medzi meraniami turbidity. Pri meraniach turbidity tiež nemožno preceňovať hodnotu kalibrácie a overenia kalibrácie. Kvalita kalibrácie závisí od kvality štandardov, ktoré zohrávajú rozhodujúcu úlohu pri stanovovaní a overovaní kvality merania turbidity.

Téma týkajúca sa štandardov v oblasti turbidimetrického merania je komplikovaná čiastočne rôznymi typmi štandardov, ktoré sa bežne používajú a sú prijateľné na účely hlásení organizáciami, ako je USEPA, a štandardnými metódami a čiastočne terminológiou alebo definíciou, ktorá sa na ne vzťahuje. V 19. vydaní štandardných metód analýzy vôd a odpadových vôd sa objasnilo definovanie primárnych verzus sekundárnych štandardov. Štandardné metódy definujú primárny štandard ako taký, ktorý si používateľ pripraví z nadviazaných chemikálií pomocou presných metodík a za kontrolovaných podmienok prostredia. Pokiaľ ide o turbiditu, formazín je jediným uznávaným skutočným primárnym štandardom a všetky ostatné štandardy pochádzajú z formazínu. Okrem tohto prístrojové algoritmy a špecifikácie pre turbidimetre by sa mali navrhnúť na základe tohto primárneho štandardu.

Štandardné metódy teraz definujú sekundárne štandardy ako tie štandardy, ktoré výrobca (alebo nezávislá testovacia organizácia) certifikoval, aby výsledky kalibrácie prístroja boli ekvivalentné (v rámci určitých limitov) s výsledkami získanými pri kalibrácii prístroja štandardmi formazínu (primárne štandardy) pripravenými používateľom. K dispozícii sú rôzne štandardy, ktoré sú vhodné na kalibráciu, vrátane komerčných zásobných suspenzií 4000 NTU formazínu, stabilizovaných suspenzií formazínu (stabilizované formazínové štandardy StablCal™, ktoré sa tiež označujú ako štandardy StablCal, roztoky StablCal alebo StablCal) a komerčných suspenzií mikroguľôčok kopolyméru styrén-divinylbenzénu.

V čase písania tohto dokumentu sa na overenie kalibrácie používajú položky na overenie kalibrácie dodané výrobcami prístrojov, ako sú zatavené kyvety naplnené latexovou suspenziou alebo časticami oxidu kovu v polymérnom géli, pričom sa nepoužívajú pri kalibrácii prístroja. Ak dôjde k nezrovnalosti v presnosti štandardu alebo prístroja, ako rozhodujúce sa použijú primárne štandardy (t. j. formazín pripravený používateľom).

Primárne štandardy sa tiež používajú na meranie a stanovenie hodnoty všetkých ostatných štandardov. Podľa definície USEPA sa na overenie kalibrácie turbidimetra používajú sekundárne štandardy. Na kalibráciu prístrojov by sa však nemali používať sekundárne štandardy. Príklady týchto štandardov zahŕňajú gély z oxidov kovov, latex a akékoľvek iné ako vodné štandardy, ktoré sú definované na každodenné monitorovanie kalibrácií. Toto použitie závisí od charakteru štandardu. Na druhej strane sú na kalibráciu prístrojov určené štandardy formazín, StablCal a alternatívne štandardy Amco AEPA-1.

Na kalibráciu alebo overenie výkonu akéhokoľvek turbidimetra bol vyvinutý nový štandard turbidity. Stabilizované formazínové štandardy StablCal obsahujú rovnaký polymér rozptyľujúci svetlo ako tradičné primárne formazínové štandardy turbidity. Použitím inej matice sa polymér v štandardoch StablCal časom neznehodnotí, ako je to v prípade formazínových štandardov s nízkou turbiditou. Vďaka tejto vylepšenej stabilite je možné vyrábať a baliť štandardy StablCal akejkoľvek koncentrácie do 4000 NTU do foriem pripravených na použitie. Takto sa šetrí čas a minimalizuje sa priama expozícia štandardu.

Preukázalo sa, že stabilizované formazínové štandardy StablCal sú stabilné a sú porovnateľné s tradičnými, čerstvo pripravenými formazínovými štandardmi. Preukázalo sa, že štandardy v rozmedzí od 0,30 do 4000 NTU zostávajú v rozmedzí 5 percent hodnôt pôvodne pripravených štandardov minimálne dva roky. Z hľadiska porovnateľnosti môžu byť štandardy StablCal zameniteľné použité ako kalibračné štandardy na akomkoľvek turbidimetri len s minimálnymi rozdielmi v odozve prístroja. Stabilizácia formazínu vyústila do vývoja štandardov StablCal. Tieto štandardy slúžia ako riešenia problémov, ktoré súviseli s tradičnými formazínovými štandardmi. Táto stabilizácia umožňuje, aby boli tieto štandardy zabalené do štruktúr, ktoré výrazne znižujú akýkoľvek druh potenciálnej expozície používateľa štandardu. Okrem toho pri porovnaní štandardov StablCal s tradičnými formazínovými štandardmi rovnakej koncentrácie štúdie preukázali, že obsah zvyškového hydrazínsulfátu v štandardoch StablCal je znížený o dva až tri rády. Stabilizácia formazínu v štandardoch StablCal poskytuje používateľovi štandardy pripravené na použitie, pričom sa eliminuje veľké množstvo času potrebného na prípravu tradičných formazínových štandardov s nízkou turbiditou. Používatelia môžu použiť tieto stabilizované štandardy v teréne. Zároveň si môžu byť istí, že štandardy sú presné a merania opakovateľné aj v podmienkach iných ako v laboratóriu.

Merania ultravysokej turbidity sú vo všeobecnosti merania turbidity, pri ktorých už nie je možné na stanovenie koncentrácie častíc vo vzorkách použiť nefelometrický rozptyl svetla. Vo vzorke s dĺžkou dráhy merania 2,54 cm (1 palec) začnú nefelometrické signály rozptylu svetla klesať pri hodnotách turbidity vyšších ako 2000 NTU. V tomto okamihu bude mať zvýšenie turbidity za následok zníženie nefelometrického signálu.

Okrem toho môže byť pri meraniach ultravysokej turbidity hlavnou interferenciou zafarbenie. Z dôvodu vplyvu zafarbenia vzorky bolo použitie striktnej nefelometrickej turbidity obmedzené, a to najmä pri priemyselných procesoch, ktoré zahŕňajú nápoje, potravinárske výrobky, bunkové kultúry a dispergovaný olej vo vode.

Na stanovenie turbidity takýchto vzoriek sa však môžu použiť iné merania. Príklady troch týchto metód meranie prechodu svetla, rozptylu svetla vpred a spätného rozptylu svetla. Signály prechodu a signály rozptylu vpred sú nepriamo úmerné zvýšenej turbidite a poskytujú dobrú odozvu pri hodnote do 4000 NTU. V prípade hodnôt vyšších ako 4000 NTU (pri použití štandardnej dráhy 2,54 cm (1 palec)) sú signály prechodu a signály rozptylu vpred také nízke, že šum prístroja sa stáva hlavným rušivým faktorom. Na druhej strane, signály spätného rozptylu budú úmerne stúpať so zvyšovaním turbidity. Zistilo sa, že merania spätného rozptylu sú vysoko účinné pri určovaní turbidity, a to konkrétne v rozmedzí hodnôt od 1000 do 10 000 NTU (a vyšších). V prípade hodnôt nižších ako 1000 NTU sú úrovne signálu spätného rozptylu veľmi nízke a šum prístroja začne interferovať s meraniami. Pomocou kombinácie detektorov možno teraz merať turbiditu od ultranízkej po veľmi vysokú úroveň.

Tento typ merania je známy ako pomerové meranie. Optická konfigurácia pomerového turbidimetra je kľúčom k viacerým charakteristikám výkonu. Medzi tieto charakteristiky patria dobrá stabilita, linearita, citlivosť, slabé rozptýlené svetlo a potlačenie zafarbenia. V prípade pomerového prístroja veľký detektor prechádzajúceho svetla meria svetlo, ktoré prechádza vzorkou. Filter s neutrálnou hustotou tlmí svetlo dopadajúce na tento detektor a ich kombinácia je naklonená o 45 stupňov voči dopadajúcemu svetlu, takže odrazy od povrchu filtra a detektora nevstupujú do oblasti kyvety na vzorky. Detektor rozptylu vpred meria svetlo rozptýlené pri 30 stupňoch od vysielaného smeru. Detektor pri 90 stupňoch meria svetlo rozptýlené od vzorky kolmo voči dopadajúcemu lúču. A štvrtý detektor spätného rozptylu meria svetlo rozptýlené pri 138 stupňoch od vysielaného smeru. Tento detektor „vidí“ svetlo rozptýlené veľmi zakalenými vzorkami, keď ostatné detektory už nevytvárajú lineárny signál. Signály z každého z týchto detektorov sa potom matematicky skombinujú na výpočet turbidity vzorky.

Meranie ultra vysokej turbidity sa dá použiť vo viacerých oblastiach. Používa sa na monitorovanie obsahu tuku v mlieku, zložiek živice, ako je oxid titaničitý, roztokov louhov v celulózkach a papierňach a rudných kalov pri drvení.

Merania ultravysokej turbidity sa vo všeobecnosti používajú ako mechanizmus na monitorovanie riadenia procesov buď priamo, alebo ako náhrada za zdĺhavú gravimetrickú analýzu celkového obsahu nerozpustených látok. Je potrebné stanoviť koreláciu medzi turbiditou a obsahom nerozpustených látok vo vzorke. Ak takáto korelácia existuje, potom je možné na monitorovanie zmien nerozpustených látok vo vzorke použiť turbidimeter, čo vedie k rýchlej analýze. Používateľ musí najprv určiť vzťah turbidity voči meniacim sa podmienkam v procesnom prúde. Pri určovaní tohto vzťahu sa vzorky riedia a merajú sa turbidita a obsah nerozpustených látok každého riedenia. Potom sa vytvorí graf turbidity (os y) vo vzťahu k jednotlivým riedeniam (os x). Smernica krivky, ktorá najlepšie vyhovuje, bude naznačovať povahu tohto vzťahu. Doba odozvy na zmenu obsahu nerozpustených látok v procese sa dá pomocou turbidimetra znížiť z hodín na sekundy.