ТУРБИДИМЕТРИЧЕСКИЙ И НЕФЕЛОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ОБЪЕКТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙСРЕДЫ
Введение
В аналитической химиичасто приходится сталкиваться с определением малых количеств (следов) веществ.Например, содержание примесей в чистых металлах исчисляется тысячными долямипроцента. Содержание такого количества вещества невозможно определитьхимическими методами, в таких случаях приходится использовать оптические методыанализа. Наибольшее распространение имеет абсорбционный анализ, который можетвыполняться спектрофотомерией, фотоколориметрией и колориметрией.
К оптическим методамотносятся турбодиметрия и нефелометрия — анализ основан на поглощении ирассеянии лучистой энергии взвешенными частицами определяемого вещества, атакже флуорометрия — основан на измерении вторичного излучения, возникающегопри взаимодействии лучистой энергии с анализируемым соединением, и др.
Моя курсовая работапосвящена теоретическим основам турбидиметрии и нефелометрии и их практическомуприменению в анализе объектов окружающей среды.
Глава 1. НЕФЕЛОМЕТРИЯИ ТУРБИДИМЕТРИЯ
Нефелометрическийи турбидиметрический методы применяются для анализа суспензий, эмульсий,различных взвесей и других мутных сред. Интенсивность пучка света, проходящегочерез такую среду, уменьшается за счет рассеивания и поглощения светавзвешенными частицами.
Нефелометрическийметод определения концентрации основан на измерении интенсивности света,рассеянного взвешенными частицами. Интенсивность рассеянного света подчиняетсязакону Релея:
/>
гдеIн и I0 — интенсивности рассеянного и падающего света; n1и n2 — коэффициенты преломления частиц и среды; N — общее количествосветорассеивающих частиц; х — объем одной частицы; л — длина волны падающегосвета; r — расстояние до приемника рассеянного света; в — угол между падающим ирассеянным светом. В условиях нефелометрического определения ряд величиностается постоянным и уравнение (V.1) переходит в
/>
Множитель1/ л4 указывает на быстрое возрастание интенсивности рассеянногосвета с уменьшением длины волны падающего света. Так как красный светрассеивается меньше, чем любой другой при прочих равных условиях, различныесигнальные огни (стоп-сигналы, огни маяка и т. д.) бывают красные.
Серьезноезатруднение в практике нефелометрии состоит в том, что интенсивностьрассеянного света зависит от объема частиц. Большое значение в связи с этимприобретает унификация методики приготовления взвеси — строгое соблюдениеконцентрационных и температурных условий, порядка и скорости смешениярастворов, введение защитных коллоидов и т. д. При строгом соблюдении этихусловий объемы частиц суспензии получаются примерно одинаковые, и их размервполне удовлетворительно воспроизводится от опыта к опыту.
Концентрациюможно выразить числом частиц в единице объема:
/>
гдеV — объем суспензии; NA — постоянная Авогадро.
Подставляя(V.3) в (V.2), получаем:
/>
Припостоянных V, х, l уравнение (V.4) принимает вид:
/>
Или
/>
Уравнение(V.6) показывает, что отношение интенсивности рассеянного света к интенсивностипадающего пропорционально концентрации взвешенных частиц. Калибровочный графикв координатах Iн/I0как функция С будет линеен. Тем неменее иногда можно встретить рекомендацию строить калибровочный график вкоординатах Dкаж — С, где Dкаж — так называемая относительная иликажущаяся оптическая плотность, рассчитываемая как Dкаж=-lg(Iн/I0)Такая рекомендация дается, например, в заводских описаниях некоторыхнефелометров (НФМ и др.).
Из(V.6) следует, что
/>
т.е.Dкаж уменьшается с ростом концентрации, что вполне понятно, так какс увеличением концентрации увеличивается число рассеивающих частиц иинтенсивность рассеянного света возрастает.
Всоответствии с уравнением (V.7) график в координатах Dкаж — lg Сбудет линеен в противоположность графику в координатах Dкаж — С.
Турбидиметрическиеметоды основаны на измерении интенсивности света It прошедшего черезанализируемую суспензию. При достаточном разбавлении интенсивность прошедшегосвета подчиняется уравнению
/>
гдеl — толщина слоя, a k — иногда называют молярным коэффициентом мутностираствора.
Втурбидиметрии применяются приемы работы и приборы, обычно используемые вфотометрии растворов, чаще всего метод калибровочного графика. Известен такжеряд методик турбидиметрического титрования. Турбидиметрические определенияобычно выполняют с помощью фотоэлектрических колориметров-нефелометров(ФЭК-56-2, ФЭК-60 и др.).
Основнымдостоинством нефелометрических и турбидиметрических методов является их высокаячувствительность, что особенно ценно по отношению к элементам или ионам, длякоторых отсутствуют цветные реакции. В практике широко применяется, например,нефелометрическое определение хлорида и сульфата в природных водах ианалогичных объектах. По точности турбидиметрия и нефелометрия уступают фотометрическимметодам, что связано, главным образом, с трудностями получения суспензий,обладающих одинаковыми размерами частиц, стабильностью во времени и т. д. Кобычным сравнительно небольшим погрешностям фотометрического определениядобавляются ошибки, связанные с недостаточной воспроизводимостьюхимико-аналитических свойств суспензий.
/>Глава 2.Теория и практика измерения мутности. Турбидиметрия и нефелометрия
/>
2.1 Из историиизмерения мутности
Практические попыткиколичественно измерить мутность относятся к 1900 году, когда Уиппл и Джексонразработали стандарт суспензии, содержащей 1000 миллионных долей (ppm)кизельгура (диатомитовой земли) в дистиллированной воде. Разбавление этойсуспензии позволило создать так называемую «кремнеземную» шкалу мутностина основе ряда стандартных суспензий для калибровки турбидиметров того времени.
Джексон воспользовалсяэтой шкалой для работы с существовавшим тогда прибором диафанометром и создалто, что известно под названием «свечной турбидиметр Джексона».Он состоял из специальной свечи и плоскодонной колбы. Джексон откалибровал егов единицах ppm по мутности взешенного кремнезема. Для определения мутностиобразец медленно наливали в колбу до тех пор, пока изображение пламени,наблюдаемое сверху не превращалось в бесформенное свечение (Рис. 1).
/>
Рис. 1. Свечнойтурбидиметр Джексона
Погасание образапроисходило, когда сравнивались интенсивность рассеянного света синтенсивностью света проходящего. Высота жидкости в колбе затем переводилась вединицы кремнеземной шкалы, а мутность определялась в джексоновских единицахмутности (JTU). Тем не менее, устойчивого состава стандартов достичь былотрудно, поскольку их готовили из различных природных материалов — сукновальнойглины, каолина, донных отложений.
/>
2.2 Нефелометрия какметод измерения мутности
Со временем потребность впрецизионном определении низких значений мутности в образцах, содержащих взвесиочень мелких частиц, потребовала улучшения характеристик турбидиметров.Факельный турбидиметр Джексона имел серьезные ограничения в применении,поскольку не мог использоваться для определения мутности ниже 25 JTU. Точноопределить мутность было весьма затруднительно и определение точки погасаниясильно зависело от человека. Кроме того, поскольку источником света в прибореДжексона было пламя свечи, падающий свет находился большей частью вдлинноволновой области спектра, где рассеяние на мелких частицах не эффективно.По этой причине прибор был нечувствителен к суспензиям очень мелких частиц.(Мелкие частицы кремнезема не приводили к погасанию образа пламени в факельномтурбидиметре Джексона.) С помощью факельного турбидиметра невозможно такжеопределить мутность, вызванную черными частицами, например сажи, посколькупоглощение света такими частицами настолько больше рассеяния, что поле зрениястановилось черным до того, как достигалась точка погасания.
Было разработанонесколько турбидиметров, работающих на определении погасания, сусовершенствованными источниками света и методиками сравнения, но погрешностьопределения человеком приводила к недостатку точности. Фотодетекторычувствительны к малейшему изменению интенстивности освещения. Они стали широкоиспользоваться для измерения ослабления света, проходящего через образецфиксированного объема. Приборы обеспечивали при определенных условиях гораздобольшую точность, но попрежнему не могли определть высокую или предельно низкуюмутность. При низкой степени рассеяния изменение в интенсивности проходящегосвета, измеряемое в одной точке, настолько мало, что практически недетектируется ничем. Обычно сигнал просто терялся в шуме электронныхкомпонентов. На больших концентрациях множественное рассеяние взаимодействовалос простым рассеянием.
Решение проблемызаключается в том, чтобы определять количество света, рассеянного под углом кпадающему свету и затем соотносить количество рассеянного под углом света среальной мутностью образца. Считается, что угол в 90° позволяетобеспечить наибольшую чувствительность к рассеянию на частицах. Большинствосовременных приборов определяют рассеяние под углом 90° (рис. 2).Такие приборы называются нефелометрами или нефелометрическими турбидиметрами,чтобы показать их отличие от обычных турбидиметров, которые определяютсоотношение между количеством прошедшего и поглощенного света.
/>
Рис. 2. Внефелометрических измерениях мутность определяется по свету рассеянному подуглом 90°
Благодаря своейчувствительности, точности и применимости в широком диапазоне размеров иконцентраций частиц, нефелометр был признан в Стандартных методах какпредпочтительный прибор для определения мутности. Также предпочтительнымиединицами выражения мутностистали нефелометрические единицы мутности NTU. Вопубликованных американским Управлением по охране окружающей среды Методаххимического анализа воды и стоков нефелометрический метод также определяетнефелометрию как метод определения мутности.
2.3 Современныемутномеры
Хотя к настоящему времениразработано множество методов для определения загрязнений в воде, определениемутности по-прежнему важно, поскольку мутность — это простой и неопровержимыйпоказатель изменения качества воды. Внезапное изменение мутности можетуказывать на дополнительный источник загрязнения (биологический, органическийили неорганический) или сигнализировать о проблемах в процессе обработки воды.
Современные инструментыдолжны определять мутность от предельно высоких до предельно низких значений вшироком диапазоне образцов с частицами различного размера и состава.Возможность прибора определять мутность в широких пределах зависит отконструкции прибора. В данном разделе обсуждаются три основных узла нефелометра(источник света, детектор рассеянного света и оптическую геометрию), и какразличия в этих узлах влияют на определение мутности прибором. Большинствоизмерений проводятся в диапазоне 1NTU и ниже. Для этого берется стабильнаяработа прибора, малое количество постороннего света и отличнаячувствительность.
Источники света внефелометрах
В настоящее время вмутномерах применяются различные источники света, но самый распространенный — лампа накаливания. Такие лампа имеют широкий спектр, они просты, недороги инадежны. Свет от лампы количественно характеризуется цветовой температурой — температурой, которую должно иметь идеально черное тело, чтобы светиться такимже цветом. Цветовая температура белого каления и, следовательно, спектрсвечения лампы зависят от приложенного к лампе напряжения. Для стабильногобелого свечения лампы требуется хорошо регулируемый источник питания.
В случаях, когда вобразце присутствуют частицы одного типа, или если требуется источник света сизвестными характеристиками, для нефелометрии можно использоватьмонохроматический источник света. Такой свет излучает, например, светодиод.Светодиоид излучает в очень узкой области спектра по сравнению с нагретой добеланитью накаливания. Поскольку в видимой области светодиоды более эффективны посравнению с лампами накаливания, им требуется меньшая мощность для получениясвета той же интенсивности. Применение источников света с узкой спектральнойхарактеристикой расширяется. Другие источники света, такие как лазеры, ртутныелампы и комбинации лампа + фильтр, в нефелометрии применяются редко.
/>Детекторы
После того, как свет стребуемыми характеристиками взаимодействует с образцом, результат должен бытьзафиксирован с помощью детектора. В современных нефелометрах применяется четыретипа детекторов: фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), вакуумный фотодиод,кремниевый фотодиод и фотоэлемент (фоторезистор) на основе сульфида кадмия.
Чувствительностьдетекторов отличается в различных диапазонах длин волн. Фотоэлектронныеумножители, применяемые в нефелометрах, имеют пик спектральной чувствительностив синей области спектра иближнем ультрафиолете.
Чтобы обеспечить хорошуюстабильность им требуется стабилизированный источник высокого напряжения.Вакуумный фотодиод обладает сходной спектральной характеристикой, но болеестабилен, нежели фотоэлектронный умножитель.
2.4 Оптическаягеометрия нефелометров
Третий компонент,влияющий на качество показаний нефелометров — это оптическая геометрия, котораявключает в себя параметры конструкции прибора, такие как, например, уголдетектирования рассеянного света. Как пояснялось в разделе, посвященном теориирассеяния, различия в строении частиц вызывает различную угловую интенсивностьрассеяния.
Почти все нефелометры,используемые в анализе воды и стоков, имеют угол анализа равный 90°.
Кроме того, что такойугол обеспечивает меньшую чувствительность к изменению размера частиц, прямойугол дает простую оптическую систему с малым количеством постороннего света.
Конструктивнымпараметром, определяющим, как чувствительность, так и линейность прибора,является длина оптического пути.
С ростом оптического путирастет чувствительность, но в ущерб линейности показаний из-за множественногорассеяния и поглощения.
И наоборот, с уменьшениемдлины оптического пути растет линейность, но падает чувствительность прибора вобласти низких концентраций (проблему можно решить, применив изменяемую длинуоптического пути).
Короткий оптический путьтакже увеличивает воздействие постороннего света. USEPA и ИСО требуют, чтобыдлина оптического пути не превышала 10 см (от нити накала до детектора).
Производимые HACHтурбидиметры ratio™ для достижения максимальной стабильностииспользуют комбинацию оптических устройств: детектор, расположенный под углом90°, комбинацию детекторов проходящего света, прямого и обратногорассеяния и зеркала, отражающие только ИК излучение.
Дополнительная информацияпредставлена в разделе данонй статьи, посвященном турбидиметрам ratio™
2.5 Практическиеаспекты определения мутности
2.5.1 Калибровка ипроверка калибровки мутномеров
Процесс калибровки ипроверки калибровки мутномера (нефелометра) в области низких значений мутностиочень чувствителен как к методике, так и к окружающим условиям. Когдаизмеряемый уровень мутности падает до 1 NTU, помехи от пузырьков и загрязнений,мало влияющие при высоких уровнях мутности, могут приводить к показаниям сположительными ошибками и неверным результатам проверки прибора.
Корреляция междумутностью и нефелометрическим рассеянием света хорошо описывается линейнойзависимостью в диапазоне от 0,012 до 40,0 NTU. Эта зависимость включает в себяи область предельно низких значений мутмутности от 0,012 до 1,0 NTU. Чистаявода имеет мутность порядка 0,012 NTU, что делает достижений более низкихзначений м использованием водных растворов невозможным. Линейная зависимостьпозволяет использовать для калибровки одну точку на весь диапазон от 0,012 до40,0 NTU. При этом обязательно, чтобы стандарты были приготовлены с высокойточностью.
Чтобы добиться высокойточности калибровки в данном линейном диапазоне, большинство турбидиметров HACHиспользуют формазиновый стандарт 20,0 NTU. Эта концентрация выбрана, поскольку:
1. Такой стандартлегко точно приготовить из промышленного концентрированного стандарта;
2. Такой стандартостается стабильным достаточно долго, чтобы обеспечить точность при калибровке;
3. Концентрацияэтого стандарта находится в середине линейного диапазона;
4. Ошибки отзагрязнений и пузырьков оказывают меньшее влияние на точность калибровки при 20NTU, чем при низких значениях мутности калибровочного стандарта. Калибровкатубидиметра с использованием стандартов со сверхнизкой мутностью необязательна,но важно подтвердить точность и линейность показаний в области предельно низкихзначений. Стандарты для проверки калибровки со сверхнизкой мутностью используютдля проверки характеристик приборов в нижней части диапазона измерений.
Стабилизированныестандарты мутности по формазину StabCal™приготовлены с низкоймутностью чтобы использоваться для проверки калибровки в нижней части диапазонаизмерений. Данные стандарты приготовлены и упакованы в тщательно контролируемыхусловиях, чтобы обеспечить максимальную точность, какая только возможна. Крометого, стандарты тщательно упакованы, чтобы сделать минимальным загрязнение отпосторонних источников.
Такие исключительные мерынеобходимы, чтобы достичь возможность наиболее точной проверки калибровки вдиапазоне малых значений мутности. Единичная частица пыли может вызвать пикболее, чем 0,030 NTU. Это может привести к ошибке более, чем в 10 процентов.
/>
2.5.2 Проблемапостороннего светорассеяния при определении мутности
Посторонний свет –источник значительных ошибок в при определении низкой мутности. Постороннийсвет попадает в оптическую систему, но происходит не от образца. Прибор жеодинаково реагирует на свет, рассеянный образцом и на свет от постороннихисточников.
Посторонний светпроисходит от разных источников: от измерительных ячеек с поцарапанными илинесовершенными стенками, от отражений внутри рабочей камеры, от лампы, котораядает расходящийся свет, от линз, и в малой степени от электроники. Вконструкции прибора используются линзы, щели, зеркала, отражающие только ИКзлучение и различные световые ловушки для того, чтобы уменьшить влияниепостороннего света. Тем не менее, существует источник постороннего света,который невозможно устранить конструктивно – это пыль, попадающая визмерительную ячейку, в рабочую камеру прибора. Со временем количествопостороннего света в турбидиметре возрастает, поскольку загрязнение пыльюувеличивает рассеяние света. В общем случае, в промышленных турбидиметрахпостороннего света меньше, поскольку в их конструкции нет измерительной ячейки.
В отличие отспектрофотометрии, воздействие постороннего света нельзя обнулить. Некоторыепроизводители предлагают пользователю поместить в измерительную камеру образецводы «с нулевой мутностью» и обнулить прибор, подстроив показания. Выполнениеэтой процедуры оставит без внимания несколько важных при определении мутностиаспектов. Во-первых, в воде, даже отфильтрованной через лучшие фильтры, всегдаприсутствуют частицы. Далее, молекулы вода сами по себе рассеивают свет.Молекулярное рассеяние и присутствие мельчайших частиц вносят вклад в мутностьлюбого водного образца. Если поместить образец в круглую 1-дюймовую ячейку, тонаименьшее измеренное значение мутности составит от 0,010 до 0,015 NTU, в зависимостиот используемой оптической системы. Сама измерительная ячейка играет довольносложную роль, рассеивая свет на царапинах и несовершенствах поверхности и влияяна падающий луч. Измерительная ячейка может также и способствоватьфокусированию луча, что в свою очередь, снижает количество постороннего света.Другой важный фактор – это ряд переменных, которые вводятся, при использованиинескольких ячеек. Вторая измерительная ячейка может (и скорее всего будет)обладать совершенно иным рассеянием, нежели та, которая использовалась дляобнуления показаний прибора. Все эти соображения игнорируются при обнуленииприбора. Значительная часть измеренного значения не учитывается впредположении, что относится к чистой воде, хотя на самом деле, картина кудасложнее. В этом случае произойдет избыточная коррекция и показания приборабудут ошибочно занижены.
Определить постороннийсвет в турбидиметре количественно очень трудно. Один из методов заключается втом, чтобы приготовить суспензию формазина известной концентрации с низкоймутностью. Образец аккуратно добавляют концентрируют несколько раз, определяямутность после каждой добавки. Посредством метода стандартных добавокопределяют истинное значение мутности в исходном стандарте. Разница междуизмеренным значением и найденным теоретически практически соответствуетколичеству постороннего света. Данный метод определения постороннего светакрайне сложен и требует максимальной чистоты и скрупулезной точности измерений.Тем не менее, это эффективный способ определения постороннего света. Еслинизкие значения мутности важны, то посторонний свет должен учитываться в ходеопределения. Пользуясь данным методом, можно устранить влияние постороннегосвета на измерения. В таблице 1 приведены вычисленные значения постороннегосвета в турбидиметрах HACH.
Есть несколько способовуменьшить количество постороннего света. Первый – сохранять прибор иизмерительные ячейки в чистоте. Чтобы уменьшить загрязнения прибор надлежитхранить в чистом помещении без пыли. Прибор необходимо регулярно аккуратночистить. Ячейки необходимо тщательно чистить как снаружи, так и изнутри. Когдаячейки не используются, они должны быть закрыты, чтобы предотвратить попаданияпыли. Кроме того, снаружи их нужно покрывать силиконовым маслом, котороезаполнит мелкие царапины, также вызывающие рассеяние света.
Таблица 1. Характеристикапостороннего светорассеяния в мутномерах HACH
Прибор
Диапазон
Значение 2100A 0 to 10 NTU SS6/SS6SE 0 to 10000 NTU
Ratio™, Ratio™ XR 0 to 200, 0 to 2000 NTU 1720D 0 to 100 NTU
2100P 0 to 1000 NTU 2100N/AN 0 to 10000 NTU 2100 AN IS 0 to 10000 NTU 2100 N IS 0 to 10000 NTU/FNU Pocket Turbidimeter™ 0 to 400 NTU
2.5.3 Определениепредельно низких значений
Основная задачанефелометрии – это определение предельно низких значений мутности. Обычно этоопределение мутности менее 1 NTU в пробах чистой воды. В таких пробах примесине видны невооруженным глазом. Такова, например, питьевая вода или вода,используемая при производстве полупроводников или на электростанциях.
При определении низкихзначений мутности существуют два источника ошибок: посторонний свет (см. выше)и загрязнение пробы частицами. Загрязнение посторонними частицами вноситбольшую погрешность в измерения. Меры, помогающие уменьшить ошибку отзагрязнений таковы:
1. Измерительныеячейки должны быть тщательнейшим образом очищены.
а) Вымыть ячейку с мыломи деионизированной водой.
б) Немедленно погрузить враствор 1:1 соляной кислоты и выдержать как минимум час. Также можно поместитьячейки в ультразвуковую ванну, чтобы легче было удалить частицы с поверхностистекла.
в) Затем немедленноополоснуть ультрафильтрованной деионизированной водой (фильтрование обратнымосмосом, либо через фильтр 0,2 мкм). Промыть не менее 15 раз.
г) Сразу после того, какячейки промыты, закупорить их, чтобы предотвратить попадание пыли и высыханиевнутренней поверхности ячеек.
Для оценки чистотыизмерительных ячеек поведите простой тест. Заполните ячейку ультрафольтрованнойдеионизированной водой. Дайте постоять несколько минут. Отполируйте ячейкусиликоновым маслом и определите мутность. После этого, поместите ячейку вультразвуковую ванну на 5 секунд. Снова отполируйте и определите мутность. Еслиизменений нет, то ячейку можно считать чистой. Если после воздействияультразвуком мутность увеличилась, значит внутреззие стенки содержатзагрязнения, которые могут попасть в образец. Другой способ оценки – уровеньшума. Сверхчистые ячейки, заполненные сверхчистой водой дают очень ровныйуровень мутности менее 0,03 NTU.
2. Ячейки должны бытьпомечены.
Очистив ячейки, заполнитеих ультрафильтрованной водой. Дайте постоять. Чтобы вышли пузырьки. Затемотполируйте силиконовым маслом ячейки и определите значения мутности при различнойориентации ячейки. Найдите ориентацию, при которой мутность минимальна, ипометьте его. Для выполнения измерений придерживайтесь данной ориентации.
3. Удаление пузырьков.
Микропузырьки могут бытьисточниками положительных ошибок при определении мутность. Лучший способизбавиться от них это дать образцу выстоять несколько минут, чтобы пузырькивсплыли. Если образец необходимо перемешать – аккуратно медленно перевернитенесколько раз. Это позволит перемешать образец, но не внести в него пузырькивоздуха, которые скажутся на измерениях.
Также эффективновакуумирование образцов. Однако, необходимо следить, чтобы в пробу не попализагрязнения от вакуумного насоса. Для устранения пузырьков можон использоватьультразвуковую ванну, однако необходимо предварительно убедиться, что ячейкаидеально чиста. Также ультразвуковая ванна может вызывать изменение размеров иформы частиц или отрывать их от стенок, увеличивая мутность образца.
4. Хранить ячейкиотполированными.
Полировка внешнейповерхности силиконовым маслом поможет предотвратить прилипание частиц.Силиконовое масло поможет также уменьшить посторонний свет, поскольку онозаполнит мелкие царапины, на которых иначе происходило бы рассеяние света.
5. По возможности,использовать только одну ячейку.
Идеально чистую ячейкужелательно использовать для работы со всеми образцами. При установки ячейки водинаковой ориентации влияние самой ячейки исключается, и можно точносравнивать мутность различных образцов. Если необходимо несколько ячеек,следует ввести поправки. Для получения поправок используйте лучшую ячейку.Сохраняйте ее для работы с образцами самой низкой мутности.
/>
2.5.4 Точностьтурбидиметра (нефелометра) в области низких значений
При работе в областинизких значений мутности крайне важно проверить точность анализатора мутности.Традиционные стандарты с такими значениями мутности сложно приготовить и онистабильны очень короткое время.
В настоящее времясуществует два метода проверки точности прибора в области низких значений.Простой предполагает использование стабилизированных проверочных стандартов наоснове формазина. Существуют стандарты в диапазоне 0, от 10 до 1,00 NTU. Ониготовятся и упаковываются в строжайших условиях, чтобы добиться максимальновозможной точности. Подробные инструкции поясняют, как обращаться состандартом, чтобы правильно и точно определить характеристики прибора иметодики в области низких значений. Второй способ оценки характеристик приборапри работе в области низких значений мутности – разбавить исследуемый образецизвестным количеством стабильного стандарта. Чтобы провести такой тест нужноследующее:
· вода сверхнизкоймутности, предпочтительно очищенная обратным осмосом или фильтрованием черезмембрану 0,2 мкм
· очень чистаястеклянная посуда, в том числе одна измерительная ячейка высокого оптическогокачества
· свежеприготовленныйстандарт мутности по формазину 20,0 NTU
· точнаяавтоматическая пипетка типа TenSette® Pipet® илианалогичная
Используя перечисленноеоборудование, пользователь может определить, как прибор реагирует на добавкистандарта. Ниже приведен пример того, как проводить тест:
1. С помощью пипеткипоместить 25 мл очищенной обратным осмосом воды в чистую измерительную ячейку.Ячейка должна быть сухой. Немедленно закрыть ячейку.
2. Отполироватьячейку и аккуратно поместить в турбидиметр, соблюдая ориентацию.
3. Дождаться, покапоказания станут стабильными. Обычно на то, чтобы пузырьки всплыли, требуетсяот 1 до 5 минут
4. Записатьпоказания
5. С помощью пипетки0 – 1,0 мл TenSette® или аналога и чистого носика добавить 0,5 млстандарта 20,0 NTU. Перед использованием стандарт нужно тщательно перемешать.Приращение мутности должно составлять 0,39 NTU.
6. Закрыть ячейку иаккуратно перевернуть 10 раз, чтобы размешать содержимое.
7. Сноваотполировать ячейку. Поместить в турбидиметр, соблюдая ориентацию.
8. Снова подождать 1– 5 минут, пока стабилизируются показания.
9. Записатьпоказания.
Разница между значением,полученным в п. 9 и значением мутности чистой воды, полученным в п. 4составляет отклик прибора на добавку стандарта формазина 20,0 NTU. Теоретическимутность должна измениться (в данном образце) на 0,39 NTU.Розница междуоткликом прибора и теоретическим значением составляет ошибку прибора при работев данной области. Большую часть этой ошибки составляет посторонний свет отприбора и измерительной ячейки. Величину ошибки можно вычитать при определениимутности. Данная процедура работает до тех пор, пока: 1) используемаястеклянная посуда тщательнейшим образом отмыта; 2) добавляемый образец свежий(не более 30 минут); 3) добавка производится точно; 4) каждый раз используетсяодна и та же ячейка в одном и том же положении; 5) оптика прибора чистая,прибор содержится в чистом помещении; и 6) для работы с образцами используетсята же ячейка.
/>
2.5.6 Определениебольших значений мутности
Определение сверх высокоймутности – это обычно такое измерение, при котором невозможно определитьконцентрацию частиц нефелометрическим способом. В приборах с длиной пути светав образце 1 дюйм сигнал нефелометрического датчика начинает уменьшаться придостижении мутности порядка 2000 NTU. Начиная такого уровня, увеличениемутности будет приводить к уменьшению сигнала нефелометрического детектора.
Но для определениямутности в таких образцах существуют другие способы: по проходящему свету, попрямому рассеянию и по обратному рассеянию. Количество проходящего света ирассеянного вперед обратно пропорциональны возрастанию мутности и дают хорошиерезультаты до значений порядка 4000 NTU. При значениях мутности более 4000 NTU(с использованием стандартной 1 дюймовой ячейки) сигнал от проходящего или отрассеянного вперед света настолько мал, что сравним с уровнем шума, т.е. шумприбора становится основным источником помех. С другой стороны сигнал датчикаобратного рассеяния возрастает пропорционально возрастанию мутности. Показано,что детектирование обратного рассеяния эффективно для определения мутности вдиапазоне от 1000 до 1000 NTU (и выше). Ниже 1000 NTU сигнал датчика обратногорассеяния очень мал и теряется в шуме прибора. С помощью комбинации детекторовможно определять мутность от минимальных до сверхвысоких значений.
Определение сверхвысокоймутности широко применяется, например, для контроля содержания жира в молоке,содержания таких компонентов, как диоксид титана в красках, шлама в горныхпородах, воды в обратном иле очистных сооружений.
При определениисверхвысокой мутности измерительная ячейка сильно влияет на точность. Ячейка неявляется идеально круглой, а толщина стенки непостоянна. Эти два фактораоказывают значительное влияние на определение мутности и особенно наопределение по обратному рассеянию. Чтобы уменьшить влияние ячейки, необходимовыполнять несколько измерений при различной ориентации ячейки. Рекомендуютсяположения 0, 90, 180 и 270 градусов относительно метки. Измерения необходимовыполнять, используя одинаковую методику подготовки пробы. Измерения следуетпроводить через одинаковые интервалы времени после перемешивания пробы, чтобыдостичь максимальной воспроизводимости измерений. Полученные значениянеобходимо усреднять, и принимать за истинное значение усредненную величину.
Определение сверхвысокоймутности обычно используется для контроля за управлением производственнымпроцессом. Пользователь сперва должен установить взаимосвязь между мутностью иразличными условиями протекания процесса.
Для определениязависимости пробу разбавляют и определяют мутность при каждом разбавлении.Строят график зависимости мутности от разбавления. Наклон аппроксимирующейпрямой показывает природу зависимости. Если наклон большой (больше 1), значитсоответствие хорошее и потенциальные помехи измерениям минимальны. Если наклонмаленький (меньше 0,1), значит существуют помехи, влияющие на измерения. В этомслучае образец следует разбавлять до тех пор, пока наклон не начнет возрастать.
Если же наклон близок кнулю или отрицательный, значит мутность слишком велика, либо помехи слишкомсильны. Образец опять же следует разбавить.
При определениисверхвысокой мутности цвет может быть основной помехой. Возможное решение вслучает цветовых помех – это значительно разбавить пробу. Альтернативный способсостоит в том, чтобы выявить спектр поглощения образцов и проводить определениемутности на тех длинах волн, которые образец не поглощает. Использование длиныволны 800..860 нм эффективно, потому что большинство окрашенных соединений,встречающихся в природе, незначительно поглощают свет с такой длиной волны.
Возможность производитьопределение мутности в диапазоне сверхвысоких значений дает простую физическуюхарактеристику для большого количества образцов и процессов.
В целом, каждый процессуникален, и требуются некоторые усилия, для того чтобы точно характеризоватьобразец и его свойства посредством турбидиметрических (нефелометрических) измерений.
2.5.7 Мутность исодержание взвешенных веществ (твердых частиц)
Традиционный анализсодержания взвешенных веществ обычно заканчивается гравиметрией, котораятребует много времени и чувствительна к методике эксперимента. Обычно, длязавершения анализа требуется от двух до четырех часов. Таким образом, даже еслипроблема и найдена, время для ее решения зачастую уже упущено. Это приводит кдорогостоящему простою и ремонту. При этом мутность можно использовать какзамену продолжительным гравиметрическим анализам. Необходимо установитьвзаимосвязь между мутностью и общим количеством твердых частиц (содержаниемвзвешенных веществ) в пробе. Если зависимость существует, то турбидиметр(мутномер) можно использовать для контроля за содержанием взвешенных веществ иполучать быстрый результат. Использование турбидиметра позволяет сократитьвремя ожидания результата с часов до секунд. Для определения зависимостимутности от общего содержания твердых частиц разработана соответствующаяпроцедура. При определении данной зависимости делаются некоторые предположения.
· Образец несодержит плавучих частиц.
· Образец долженбыть текучим настолько, что при перемешивании станет однородным и может бытьаккуратно разбавлен.
· Образец содержиттвердые частицы такие же, как в образцах, работа с которыми планируется.
· Состав образцадолжен быть хорошо известен.
· Процедураопределения зависимости должна быть как можно короче.
· Образецнеобходимо тщательно перемешивать при любом разбавлении или измерении.
· Методика подготовкипробы и выполнения измерений должна быть одинакова при изучении зависимости ипри изучении образцов во время контроля технологического процесса.
· Температураобразца должна совпадать с температурой интересующего процесса. В дальнейшемтемпературы всех образцов должны быть одинаковы, как при определении мутности,так и пир фильтровании образцов для гравиметрического анализа.
Процедура определениязависимости разделена на четыре стадии. Ниже приведено краткое описание каждойиз них.
1. Разбавление образца
Для того, чтобы покрытьвесь возможный диапазон содержания твердых частиц, необходимо несколькоступеней разбавления образца. Для разбавления образцов необходимо использоватьводу с «нулевой мутностью». Неводные растворители должны быть бесцветными, безчастиц, растворитель должен соответствовать химическим и физическим свойствамобразцов.
2. Определение общегосодержания твердых частиц в образце при каждом разбавлении.
Содержание твердых частицпри каждом разбавлении определяют гравиметрическим способом. Необходимопозаботиться о соблюдении методики на протяжении всего ряда измерений.
3.Определение мутностипри каждом разбавлении
Определяют мутностькаждого образца. Необходимо придерживаться одинаковой методики для определениймутности всех образцов. Например, каждый образец переворачивать одинаковоеколичество раз, выдерживать интервал между смешиванием и снятием показаний ит.д.
4.Определениезависимости между мутностью и результатами гравиметрического анализа
Строят график зависимостимежду общим содержанием твердых частиц и мутностью. Для нахождения корреляциипользуются методом наименьших квадратов (МНК). МНК – это статистический методдля определения зависимостей. Коэффициент корреляции 0,9 или болеесвидетельствует о применимости найденной зависимости между мутностью и общимсодержанием твердых частиц. Построив график, можно определить чувствительностьнайденной корреляции. Чем круче наклон, тем выше чувствительность турбидиметриии тем лучше зависимость будет описывать реальный образец. Копию описаннойпроцедуры (Method 8366) можно пролучить в компании Hach.
Глава 3. Современноеоборудование. />передовые методики определения мутности: приборыRatio™. мутномеры HACH
/>
Рис. 3. Оптическая схематурбидиметров Hach, работающих на соотношении сигналов.
/>
Оптическая схемамутномеров HACH
Оптическая схематурбидиметров, работающих на соотношении сигналов, является ключевым элементовк нескольким техническим характеристикам. Среди них хорошая стабильность,линейность показаний, чувствительность, низкое значение постороннего света инечувствительность к окраске. На рисунке 11 представлена оптическая схема,примененная в лабораторных турбидиметрах 2100N, 2100AN, 2100AN IS, и2100N IS (в 2100N отсутствует детектор обратного рассеяния). Прибор2100P имеет только детектор 90° и детектор света. 2100N ISимеет только детектор 90°.
В основе принципа работытурбидиметров 2100N и 2100AN лежит принцип пропорциональной зависимостимежду количеством рассеянного света и количеством взвешенных частиц в веществе.Свет от галогеновой лампы, работающей при температуре 2700 К, собирается тремяполикарбонатными линзами. Поликарбонат устойчив к температурному воздействию,создаваемуму этой лампой. Линзы разработаны таким образом. Чтобы собрать какможно больше света и спроецировать изображение нити на измерительную ячейку.Синий инфракрасный фильтр сдвигает пик чувствительности детектора в область 400- 600 нм в соответствии с требованиями EPA. В 2100AN вместо синего ИКфильтра можно использовать интерференционную решетку, чтобы проводитьопределение мутности в квазимонохроматическом свете. Ряд перегородок междулинзами и ячейкой задерживает свет, рассеянных на поверхности линз, ипрепятствует попаданию постороннего света на детектор. Каждая следующаяперегородка (кроме последней) имеет щель меньше, чем у предыдущей. Последняяперегородка имеет большое отверстие, чтобы луч не мог высветить край отверстияи не появлялось постороннего света.
/>
Рис. 4. Зависимость междурассеянием света и мутностью.
Кремниевые фотодиодыдетектируют изменение количества света, проходящего через образец и рассеянногообразцом. Большой детектор проходящего света определяет количество света,проходящее сквозь образец. Фильтр с оптически нейтральной плотностью ослабляетсвет, падающий на детектор. Фильтр и детектор повернуты на угол 45°кпадающему свету, чтобы отражения от поверхности фильтра и детектора не попадалив ячейку. Детектор прямого рассеяния определяет интенсивность рассеянногосвета, выходящего под углом 30° от направления падающего луча.
Детектор, расположенныйпод углом 90° к направлению прохождения луча, определяет рассеяниесвета по нормали к падающему. Данный детектор установлен вне плоскости, которуюобразуют падающий луч и детекторы. Установка под углом и дополнительный экранзадерживают свет, рассеиваемый на стенках ячейки, но позволяют проходить свету,рассеянного образцом. Сигналы детекторов математически обрабатываются и изсоотношения выводится величина мутности. В 2100AN установлен четвертыйдетектор обратного рассеяния, который определяет интенсивность света,рассеянного под углом 138° к номинальному направлению.
Этот детектор чувствуетсвет, рассеиваемый очень мутными образцами, когда прочие детекторы уже не даютлинейного сигнала. Применение данного детектора расширяет диапазон измерений до10 000 NTU. На рис. 4показано соотношение между рассеянием света и мутностью,определяемое различными детекторами в турбидиметрах Hach.
В традиционныхнефелометрах и других оптических приборах лампы и детекторы зачастую являютсяосновным источником шума и дрейфа. Применение детекторов улучшенной конструкцииустраняет часть проблем, а использование соотношения сигналов компенсируетвлияние лампы. Значение мутности выводится из соотношения значения сигналанефелометрического детектора к взвешенной сумме сигналов детекторов проходящегосвета и прямого рассеяния.
(При низких и среднихуровнях мутности сигнал детектора прямого рассеяния пренебрежимо мал ирезультат вычисляется как отношение сигнала нефелометрического детектора ксигналу детектора проходящего света.)
Соотношение сигналов (откоторого происходит название серии — ratio)является ключевым элементом,придающим приборам превосходную стабильность на протяжении длительного времени.
Кроме колебаний яркостилампы принцип соотношений компенсирует загрязнение и помутнение оптики, а такжетемпературные коэффициенты детекторов и усилителей.
Прибор, работающий насоотношении сигналов настолько стабилен, что постоянная стандартизация приборане требуется.
/>
Рис. 5. Зависимостьсигнала прибора от концентрации частиц при различной оптической геометрии
При высоких уровняхмутности общая характеристика однолучевых нефелометров становится нелинейной, иприбор «слепнет», поскольку затухание света преобладает надрассеянием. Такой ситуации соответствует кривая C на рис. 13. Можно предположить,что использование простого соотношения рассеянного и проходящего света расширитобласть линейной зависимости, поскольку свет проходит болееменее одинаковоерасстояние внутри образца и должен затухать одинаково, к в случае с окрашеннымобразцом. Однако, при высоком значении мутности, свет претерпеваетмножественное рассеяние. Множественное рассеяние сокращает расстояние,проходимое светом, который улавливает нефелометрический датчик, и увеличиваетрасстояние дистанцию внутри образца для проходящего насквозь света. Врезультате свет, проходящий насквозь, оказывается более ослаблен, чемрассеянный в стороны. В результате, прибор завышает показания (линия A на рис.5).
/>
Рис. 6. источникипостороннего света в турбидиметре
В турбидиметрах 2100N,2100AN и 2100AN IS для линеаризации показаний при высокой мутностиприменен детектор прямого рассеяния. Значение сигнала этого детектора стоит взнаменателе отношения. При малых значениях мутности его сигнал мал и не влияетна результат. При высоких значениях мутности сигнал детектора прямого рассеяниявозрастает и компенсирует затухание проходящего света, в результате показанияприбора соответствуют прямой линии B на рис. 13. При верном выборе углаустановки детектора прямого рассеяния и величины поправки показания приборабудут линейны в широком диапазоне, что и требуется для вывода показаний сразу вединицах NTU.
/>
Рисунок 7. Расположениедетектора вне плоскости в турбидиметрах ratio™ уменьшает воздействиепостороннего света.
/>
Алгоритмы работымутномеров HACH
В мутномерах HACHзаложены различные алгоритмы вычисления результата: с использованиемсоотношения сигналов и без использования соотношения (приведены алгоритмыпоследних моделей). Алгоритмы описаны в следующих разделах.
Алгоритм, использующийсоотношение сигналов — Ratio™ Turbidity (Four Point Ratio™ Turbidity*)
Величина мутностивычисляется по формуле:
T=I90/ (d0* It+ d1* Ifs+ d2*Ibs+ d3* I90),
Где T — мутность вединицах NT d1,d2,d3,d4 — калибровочные коэффициенты I90 — ток нефелометрического детектора It — ток детектора проходящего света Ifs — ток детектора переднегорассеяния Ibs — ток детектора заднего рассеяния * U.S.Patent 5,506,679.
Оптическая схема исистема соотношения сигналов обладают рядом преимуществ.
1. В обычныхнефелометрах, как и в прочих оптических приборах, лампы и детекторы являютсяосновными источниками шума и дрейфа. Применение улучшенных кремниевыхфотодетекторов исключает проблемы с детектором. Работа на соотношенияхкомпенсирует такие эффекты, как помутнение стекла и запыленность оптики,температурную зависимость детекторов и усилителей. Благодаря тому, что приборстабилен долгое время, регулярная калибровка прибора не требуется.
2. Система экрановобеспечивает превосходную изоляцию нефелометрического детектора от постороннегосвета, что позволяет добиться большей точности при работе с пробами малоймутности.
3. Детектор переднегорассеяния позволяет обеспечить линейность показаний в широком диапазоне безущерба чувствительности прибора в области малых значений. Линейнаяхарактеристика позволяет представлять результаты в цифровом виде со всемивытекающими преимуществами — легкостью работы, отсутствием ошибок при снятиипоказаний, боле высоким разрешением и возможностью оценки шумов.
4. Работа на соотношениисигналов обусловливает нечувствительность приборов к окраске. Посколькупроходящий свет и рассеянный проходят примерно одинаковое расстояние черезпробу, то их ослабление вызванное окраской раствора или частиц, одинаково. Приработе по соотношению сигналов воздействие ок раски сильно уменьшается.
5. Детектор обратногорассеяния имеет линейную характеристику при очень высоких уровнях мутности, чтопозволяет работать в диапазоне 4000 — 10000 NTU.
/>Новейшиеподходы к определению мутности в промышленных процессах. Промышленныемутномеры.
/>Промышленныетурбидиметры
В настоящее время вподходах к измерению мутности в условиях промышленного производства происходятзначительные изменения. Процесс измерений мутности должен быть непрерывным.Результаты должны выдаваться немедленно, и на их основе должны вырабатыватьсяуправляющие сигналы, обеспечивающие обратную связь. Инженеры Hach подошли кпроблеме с нескольких сторон. Один из главных — это отказ от измерительнойячейки и уменьшение или полное устранение контакта между пробой и оптическимикомпонентами мутномеров
. /> Рис. 11. Схема промышленного турбидиметра 1720D
/>Приборы для работы в области малых значений мутности
На рисунке 11 представлен турбидиметр 1720Е, сконструированный для работы в области малых значений. В данном приборе эффективно удаляются пузырьки и достигается высокая точность показаний. В турбидиметре 1720Е пузырьки удаляются до того, как попадут в рабочий объем. Перед тем, как попасть в основную полость, поток омывает ряд перегородок, которые направляют его в камеры, сообщающиеся а атмосферой. Чем длиннее дистанция между экранами и измерительной полостью — тем менее вероятно, что пузырек попадет в измерительную полость и вызовет отклонение показаний
. />
Рис. 12 Схема промышленного турбидиметра Hach Surface Scatter® /> /> />
/>
Приборы для работ вшироком диапазоне значений мутности Приборы для работ в широком диапазонезначений мутностиРисунок 12 иллюстрирует еще один подход к промышленной турбидиметрии. Методповерхностного рассеяния — Surface Scatter® — использован в приборахSurface Scatter® и Surface Scatter SE (для агрессивных сред),разработанных для работы в широком диапазоне. Патентованная конструкцияполностью исключает контакт между пробой и оптическими узлами прибора.
Источник света и детекторсмонтированы над корпусом турбидиметра и, таким образом, изолированы от пробы.При таком расположении оптических узлов им практически не требуетсяобслуживание. Проба попадает в центр корпуса, поднимается вверх и, переливаясьчерез стенки, уходит в сток. Скорость потока контролируется, и перетекающаяжидкость образует оптически ровную поверхность.
Луч света падает наповерхность под острым углом. Попадая на частицы, свет частично рассеивается,преломляется и отражается. Не рассеявшийся свет преломляется и уходит вниз, гдепоглощается, или отражается от поверхности и поглощается стенками корпуса.Рассеянный свет регистрируется фотодетектором, а сигнал детектора поступает вуправляющий модуль. С ростом мутности уменьшается количество пробы, освещаемоепадающим светом, что изменяет длину оптического пути, компенсируя высокуюмутность и позволяя прибору работать в диапазоне в почти шесть порядков — от0,01 до 9999 NTU.
В дополнение кпреимуществам изолированной оптики, для того чтобы уменьшить потребность вобслуживании, применены трубки большиого диаметра, чтобы предотвратитьзасорение при работе с мутными образцами. Наклоненный корпус турбидиметраслужит ловушкой для оседающих частиц, которые могли бы вносить ошибку визмерения, а слив внизу позволяет периодически очищать прибор от скопившегосяосадка. Если твердых частиц очень много, то слив можно оставить открытым,увеличив расход жидкости, чтобы постоянно вымывать осадок из прибора.
Турбидиметр для промывныхводИзбыточная промывка фильтров приводит к огромным потерям воды. Специально для контроля воды, которой промываются фильтры, разработан Турбидиметр Back-Wash (рис. 13). Прибор может работать в широком диапазоне значений мутности.
/>
Рисунок. 13 Турбидиметр BackWash
Специальный датчикпогружается в емкость с водой, что обеспечивает быстрое получение данных опрозрачности промывной воды. Для измерений луч светодиода проходит черезнепрерывный поток жидкости, текущий через центр детектора. Проходящий светпопадает на регистрирующий фотоэлемент. Взвешенные частицы поглощают ирассеивают свет, уменьшая количество света, попадающего на детектор. В началецикла количество проходящего света принимается за 100%, что соответствуетчистой воде, используемой для промывки фильтров. Когда вода загрязняетсясмытыми с фильтра частицами, пропускание света резко падает. Когда осадок смытс фильтр, вода становится чистой и пропускание света возрастает. Сравниваяколичество проходящего света со значением, полученным для чистой воды, можноопределить, когда фильтр промыт. Таким образом, можно значительно сократитьвремя, затрачиваемое на промывку фильтра и снизить потребление воды доминимума, достигнув максимальной эффективности промывки фильтра.
Принципы работымутномеров
Для регистрациирассеянного света используются турбидиметрические системы, работающиепо различному принципу:
1. При высокоми среднем содержании взвешенных частиц (от 1 г/л до 4000FTU или 250 г/л)используются датчики InPro 8050, InPro 8100, InPro 8200, соединительныйоптоволоконный кабель и трансмиттер Trb 8300. Источник света установленнепосредственно в трансмиттер и излучает свет с длиной волны, лежащейв ближней ИК области — 880 нм. Использование света такойдлины волны позволяет пренебречь окраской среды. Данный светпо оптоволоконному кабелю через турбидиметрический датчик проецируетсяв измеряемую среду и рассеивается во всех направлениях взвешеннымичастицами.
Отраженный под углом 180°свет регистрируется датчиком (InPro 8050 или InPro 8100)и по тому же оптоволоконному кабелю от датчиков поступаетв трансмиттер, в котором установлен фотодиод, преобразующий световойпоток в электрический ток. Величина тока пропорциональна концентрациичастиц в среде и отображается на ЖК дисплее в заданныхединицах.
/>
Преимущества метода измерения по отражению света
Для работы в среднемдиапазоне определения используется двухволоконная система (InPro 8200).По одному волокну происходит проецирование света в среду,по другому — регистрация отраженного света. Для минимизации ошибокрезультатов измерений рекомендуется устанавливать датчик на расстояниине менее 10 см от стенок трубопровода или реактора.
Этот метод позволяетполучать линейную зависимость сигнала от концентрации взвешенных частиц,по сравнению, например, с абсорбционным методом. Использованиеспециальной калибровочной насадки CaliCap дает возможность проводить настройкусистемы с использованием специальных стандартов в сосудах небольшогоразмера.
2. Для работыв нижнем и среднем диапазоне концентрации (до 400 FTU или1,0 г/л) используются мутномеры, состоящие из датчиков InPro 8400,InPro 8500 и трансмиттера Trb 8300 F/S.
Конструктивно эти датчикисостоят из источника света и одного или двух приемников света. Светпроходит через специальные сапфировые окна, расположенные у источника иприемников света.
/>
Принцип работы датчика 8400
В основе методалежит «принцип компенсации измерения» — определение отношения величинсветового потока, рассеянного частицами под углом 12°, к потокунерассеянного света, прошедшего через раствор (см. рисунок выше). Дляразделения этих световых потоков и их раздельной регистрации служатдва фотодатчика и специальная линза. Чем выше концентрация взвешенных частиц,тем больше поток рассеянного света по сравнению с нерассеянным.По отношению этих потоков судят о концентрации взвешенных частиц.На этом принципе основано действие датчика 8400.
/>
Принцип работы датчика 8500
Кроме того, данный методизмерений позволяет оценить распределение взвешенных частиц по размерам.Обнаружено, что для частиц размером более 0,3 мкм наибольшая интенсивностьрассеянного света регистрируется под углом 12°. Для частиц размером менее0,3 мкм интенсивность рассеяния света одинакова практически во всехнаправлениях. Если при помощи второго приемника света регистрировать свет,рассеянный под углом 90°, и сравнивать его с потоком, рассеянным под углом12°, то можно оценить и распределение частиц по размерамв анализируемом растворе (см. рисунок ниже). Максимум информацииможно получить, наблюдая за процессом в динамике и контролируяувеличение или уменьшение размеров частиц во времени. Возможностьодновременного контроля за количеством и размером дисперсных частицреализована в устройстве датчика InPro 8500.
Глава 4. Применение турбидиметрии для анализа объектовокружающей среды ГОСТ 4389-72 Вода питьевая. Методы определения содержаниясульфатов
ТУРБИДИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД
Сущностьметода-
Метод основан на определении сульфат-иона в видесульфата бария солянокислой среде с помощью гликолевого реагента. Гликольвведенный в реакционную смесь при осаждении сульфата бариястабилизуетобразующуюся суспензию BaSO4 и делаетвозможнымтурбидиметрическое микроопределение сульфатов.Чувствительность метода 2 мг/л SO42-
Аппаратура,материалы и реактивы
1.КФК-2
2.Этиленгликоль
Подготовкак анализу
Приготовление основного стандартного растворасернокислого калия Приготовление гликолевого реагента
Гликолевый реагент—раствор хлористого бария в смесигликоля и этанола. Для приготовления этого раствора смешивают один объем 5%-вогораствора хлористого бария с тремя объемами гликоля и тремя объемами 96%-ногоэтанола. Величину рН раствора регулируют соляной кислотой (1:1) в пределах 2?5—2,8и оставляют на на 1—2 суток. Раствор устойчив в течение 3—6 месяцев.
Проведениеанализа
К 5 мл исследуемой пробы или концентрата воды, отобранной в мерный цилиндр вместимостью 10 мл,прибавляют 1—2 мл соляной кислоты (1:1) и 5 мл гликолевого реагента, тщательно перемешивают.После 30 мин экспозиции измеряют оптическую плотность растворафотоэлектроколориметром, в кюветах l=20мм и светофильтромс длиной волны 364 нм. Исследуемая проба водыс добавлениемгликолевого реагента, приготовленного без хлорида бария, являетсяраствором сравнения. Содержание сульфатов находят покалибровочной кривой.
Для построения калибровочной кривой в ряд мерных колб. вместимостью 50мл вносят 0,0; 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0 мл основногостандартного раствора сульфата калия (0,5 мг SO42- в 1 мл) и доводят объем до метки дистиллированной водой, Приготовленныерастворы содержат; 0,0; 1,0; 2,0; 4,0; 6,0; 8,0; 10; 12; И; 16; 18; 20 мг/л S042-.Отмеривают по 5 мл из каждого раствора в мерные цилиндры вместимостью 10 мл(или в мерные колориметрические пробирки с отметкой 10 мл).
В каждыйцилиндр с образцовым раствором прибавляют 1—2 капли НС1 (1:1) и 5 млгликолевого реагента, тщательно перемешивают, через 30 мин измеряют оптическуюплотность. Затем строят калибровочный график.
Другимпримеромявляется турбодиметрическое определение мутности по ГОСТ 3351-74,где основной стандартный раствор суспензии готовят из каолина или из трепела.Измерение проводят при длине волны 530нм. Стандартные растворы содержат от 0,1до 5,0 мг/л. Анализ пробы осуществляют не позднее чем через 24ч. После отборапробы. Проба консервируется добавлением 2-4 мл хлороформа на 1 л воды. Мутность не должна превышать 1,5 мг/л (в паводковый период 2 мг/л).
ЛИТЕРАТУРА
1. БулатовМ.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа-5-е изд., перераб.- Л.: Химия, 1986. — 432 с.
2. БулатовМ.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотоколориметрическим испектрофотометрическим методам анализа, изд. 4-е, пер. и доп., Л., «Хиимя»,1976. -376с.
3. ПилипенкоА.Т., Пятницкий И.В. Аналитическая химия. В двух книгах: кн..1 – М.: Химия,1990. -480с.
4. ПилипенкоА.Т., Пятницкий И.В. Аналитическая химия. В двух книгах: кн..2 – М.: Химия,1990. -480с.
5. ВасильєвВ.П. Аналитическая химия. В 2 ч. Ч. 2. Физико – химические методы анализа:Учеб. для Химко – технол. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1989. – 384с.
6. ТопорецА.С. Монохроматоры. М.: Гостехтеориздат, 1955. — 264 с.
7. ШишловскийА. А. Прикладная физическая оптика. М.: Физматгиз, 1961. — 811 с.
8. Оптическиеспектральные приборы. Л.: Энергия, 1975. — 136 с.
9. ТолмачевЮ.А. Новые спектральные приборы. Принципы работы. Л.: ЛГУ, 1976. — 126 с.
10. ЛандсбергГ.С. Оптика. М.: Наука, 1976. — 928 с.
11. Жиглинский А. Г., Куч и иски и В. В. Реальный интерферометр Фабри -Перо. Л.:Машиностроение, 1983. — 176 с.