Motnost

Motnost kot merilo za izražanje kalnosti tekočin je priznan kot preprost in osnovni pokazatelj kakovosti vode. Uporablja se za spremljanje pitne vode, tudi tiste, ki se že desetletja proizvaja s filtriranjem. Pri meritvi motnosti se uporablja svetlobni žarek z določenimi značilnostmi, da se določi semikvantitativna vsebnost materialov v vodi ali drugem tekočinskem vzorcu. Svetlobni žarek se imenuje vpadni svetlobni žarek. Snovi, ki so prisotne v vodi, povzročijo, da se svetlobni žarek razprši, ta razpršena svetloba pa se zazna in oceni v skladu s sledljivim standardom umerjanja. Večja kot je vsebnost delcev v vzorcu, bolj razpršen je vpadni svetlobni žarek in večja je zato motnost.

Vsi delci v vzorcu, ki prehajajo skozi določen vir vpadne svetlobe (pogosto je to svetilka z žarilno nitko, svetleča dioda (LED) ali laserska dioda), lahko prispevajo k splošni motnosti vzorca. Cilj filtriranja je, da se iz danega vzorca odstranijo delci. Ko sistemi za filtriranje pravilno delujejo in se spremljajo s turbidimetrom, so za motnost iztoka značilne nizke in stabilne meritve. Nekateri turbidimetri postanejo manj učinkoviti v izredno čistih vodah, v katerih so delci zelo majhni in tudi maloštevilni. Pri turbidimetrih, ki za tako nizke ravni niso dovolj občutljivi, so lahko spremembe v motnosti zaradi poškodbe filtra tako majhne, da izhodiščne motnosti ni mogoče ločiti od šuma v instrumentu.

Ta izhodiščna motnost ima več virov, vključno z inherentnim šumom v instrumentu (elektronski šum), sipanje svetlobe v instrumentu, šum v instrumentu in šum v samem viru svetlobe. Te motnje so dodatne in postanejo osnovi vir lažno pozitivnih odzivov motnosti ter lahko negativno vplivajo na mejo zaznave instrumenta.

V zadnjem desetletju so se pojavile novejše laserske tehnike analize motnosti in so se izkazale kot občutljivejše pri spremljanju učinkovitosti filtrov. In te tehnologije, ki delujejo na osnovi laserjev, težave z neoporečnostjo filtriranja prepoznajo prej in tudi z boljšimi stopnjami zaznavanja. Laserski turbidimetri bolje obravnavajo potrebo po analizi nizke stopnje motnosti v vzorcih s čistejšo vodo, saj imajo izboljšane optične zasnove, ki zagotavljajo večjo občutljivost in izhodiščno stabilnost.

Laserski turbidimeter uporablja visoko kolinearno svetlobo (svetlobo z vzporednimi žarki), laserski svetlobni vir, ki je v osnovi enobarven. Zaradi lastnosti tega vira svetlobe se lahko svetlobna energija skoncentrira in usmeri v zelo majhno prostornini v komori za vzorčenje v vsakem instrumentu. Ta kombinacija zagotavlja vpadni žarek z visoko gostoto moči, ki se učinkovito razprši med delci v vzorcu. Tudi detektor je občutljivejši in zagotavlja večji odziv na razpršeno svetlobo. Zaželeno je, da se vrh odzivnega spektra detektorja popolnoma prekriva s spektrom, ki ga oddaja vir vpadne svetlobe, da se ustvari največja optična občutljivost. Ta kombinacija občutljivosti detektorja vira kolinearne svetlobe in visoke gostote moči vpadne svetlobe laserskemu turbidimetru zagotavlja zelo visoko razmerje med signalom in šumom. To razmerje med signalom in šumom poveča občutljivost za zaznavanje zelo majhnih sprememb v motnosti, ki jih je mogoče razlikovati od izhodiščne vrednosti meritve. Povedano z drugimi besedami, visoko razmerje med signalom in šumom kaže večjo občutljivost turbidimetra.

Laserski turbidimetri in drugi instrumenti, ki zagotavljajo visoko razmerje med signalom in šumom, bodo zagotovili zelo stabilne osnovne meritve v primerjavi s tradicionalnimi turbidimetri. Stabilne izhodiščne vrednosti omogočajo odkrivanje zelo majhnih sprememb motnosti v vzorcu, ki jih sicer s klasičnimi turbidimetri ne bi bilo mogoče zaznati. Poleg tega je to izhodiščno vrednost mogoče opredeliti tudi v smislu stabilnosti in nato uporabiti kot dodaten analitični parameter. Ta parameter bi dopolnil smerno gibanje same vrednosti merjenja motnosti.

S pojavom laserskih turbidimetrov se je izboljšalo tudi odkrivanje težav z neoporečnostjo filtriranja. Ti instrumenti se ponašajo z močno izboljšanimi optičnimi lastnostmi, ki poskrbijo za zelo stabilen sistem za procesno merjenje. Ta izboljšana stabilnost zagotavlja dodatne informacije, ki jih je mogoče dešifrirati na podlagi laserskih meritev motnosti. Pomembno je razumeti, da je motnost meritev, ki se izvaja na podlagi metod in se lahko na podlagi navedenih točnosti količinsko primerjajo samo meritve motnosti, opravljene z isto metodologijo. Razlika v vrednostih absolutne motnosti lahko kaže na odmik med dvema metodama, ki se lahko razlikuje tudi glede na umerjanje. Pri primerjavi med meritvami motnosti je ta pogoj vedno treba upoštevati. Pri meritvah motnosti prav tako ne smemo preceniti vrednosti umerjanja in preverjanja umerjenosti. Kakovost umerjenosti je odvisna od kakovosti standardov, ki imajo ključno vlogo pri določanju in preverjanju kakovosti meritev motnosti.

Predmet standardov pri merjenju motnosti je deloma zapleten zaradi različnih vrst standardov, ki so v splošni uporabi in so sprejemljivi za mene poročanja s strani organizacij, kot sta ameriška agencija za varstvo okolja (USEPA) in publikacija Standard Methods, deloma pa zaradi terminologije in opredelitve, ki se zanje uporablja. V 19. izdaji publikacije Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (Standardne metode za pregledovanje vode in odpadne vode) je pojasnjena opredelitev primarnih in sekundarnih standardov. Publikacija Standard Methods primarni standard opredeljuje kot standard, ki ga uporabnik pripravi iz sledljivih surovin z uporabo natančnih metodologij in v nadzorovanih okoljskih pogojih. Pri motnosti je formazin edini priznani pravi primarni standard, vsi ostali standardi pa vodijo do formazina. Poleg tega morajo biti v zvezi s tem primarnim standardom zasnovani algoritmi instrumentov in specifikacije za turbidimetre.

V publikaciji Standard Methods so sekundarni standardi zdaj opredeljeni tisti standardi, pri katerih je proizvajalec (ali neodvisna organizacija za preskušanje) potrdil, da so rezultati umerjanja instrumenta (znotraj določenih omejitev) enakovredni rezultatom, ki so pridobljeni, ko je instrument umerjen na podlagi uporabniško pripravljenih standardov formazina (primarni standardi). Na voljo so različni standardi, ki so primerni za umerjanje, vključno s suspenzijami v prosti prodaji, ki vsebujejo 4.000 NTU formazina, stabiliziranimi suspenzijami formazina (stabilizirani standardi formazina StablCal™, ki so znani tudi pod imeni standardi StablCal, raztopine StablCal Solutions ali StablCal) in suspenzijami, ki vsebujejo mikrokroglice kopolimera stirena in divinilbenzena, ki so na voljo v prosti prodaji.

V času pisanja tega dela se za preverjanje umerjanja uporabljajo elementi za preverjanje umerjanja, ki jih dobavljajo proizvajalci instrumentov, kot so zaprte vzorčne kivete, napolnjene s suspenzijo lateksa ali delci s kisikovimi oksidi v polimernem gelu, in se ne uporabljajo pri umerjanju instrumentov. Če obstaja neskladje glede natančnosti standarda ali instrumenta, je treba za določitev veljavnosti izdaje uporabiti primarne standarde (tj. uporabniško pripravljen formazin).

Primarni standardi se uporabljajo tudi za merjenje in določanje vrednosti vseh drugih standardov. V skladu z opredelitvijo ameriške agencije EPA se za preverjanje umerjanja turbidimetra uporabljajo sekundarni standardi. Vendar se ti sekundarni standardi ne smejo uporabljati za umerjanje instrumentov. Primeri teh standardov vključujejo gele s kovinskimi oksidi, lateks in vse druge standarde na nevodni osnovi, ki so določeni za vsakodnevno spremljanje umerjanj. Ta uporaba je odvisna od zasnove standarda. Po drugi strani so formazin, standardi StablCal in alternativni standardi Amco AEPA-1 zasnovani za umerjanje instrumentov.

Razvit je bil nov standard motnosti za uporabo pri umerjanju ali preverjanju učinkovitosti turbidimetrov. Stabilizirani standardi formazina StablCal vsebujejo isti polimer, od katerega se sipa svetloba, kot tradicionalni primarni standardi formazina za merjenje motnosti. Z uporabo drugačne matrike se kakovost polimera v standardih StablCal sčasoma ne bo zmanjšala, kar se dogaja pri standardih formazina pri nizki stopnji motnosti. Zaradi te izboljšane mobilnosti se lahko standardi StablCal s katero koli koncentracijo v razponu do 4.000 NTU proizvajajo in pakirajo v oblikah, pripravljenih za uporabo. S tem se zagotovi časovni prihranek in zmanjša neposredna izpostavljenost standardu.

Stabilizirani standardi formazina StablCal so se izkazali za stabilne in primerljive s klasičnimi, sveže pripravljenimi standardi formazina. Za standarde v razponu od 0,30 do 4.000 NTU se je izkazalo, da svoje prvotne vrednosti, kot so jih imeli pri pripravi, z odstopanjem do 5 % ohranijo še najmanj dve leti. Z vidika primerljivosti se standardi StablCal lahko uporabljajo kot umeritveni standardi pri katerem koli turbidimetru z zelo majhnimi razlikami v odzivu instrumenta. Zaradi stabilizacije formazina so bili razviti standardi StablCal. Ti standardi služijo kot rešitve pri težavah, povezanih s klasičnimi standardi formazina. Ta stabilizacija omogoča, da se ti standardi zapakirajo v strukture, ki močno zmanjšajo kakršno koli možno izpostavljenost uporabniku standarda. Poleg tega so študije primerjave standardov StablCal in klasičnih standardov formazina v enakih koncentracijah pokazale, da je ostanek hidrazin sulfata v standardu StablCal za dva do tri stopnje manjši. Stabilizacija formazina v standardih StablCal uporabniku zagotavlja za uporabo pripravljene standarde, kar omogoča velik časovni prihranek, ker časovno potratna priprava klasičnih standardov formazina nizke motnosti ni več potrebna. Uporabniki lahko vzamejo te stabilizirane standarde in jih uporabijo na terenu, pri tem pa so prepričani, da so standardi natančni v nelaboratorijskem okolju zagotavljajo ponovljivost.

Meritve pri zelo veliki motnosti so navadno meritve motnosti, pri katerih nefelometrično razpršene svetlobe ni mogoče več uporabiti za določanje koncentracije delcev v vzorcih. Pri vzorcu z s potjo merjenja dolžine 1 palca, signal z nefelometrično razpršeno svetlobo se začne slabeti pri motnosti, ki presega 2.000 NTU. Na tej točki se bo zaradi povečane motnosti nefelometrični signal oslabil.

Poleg tega pri meritvah pri zelo veliki motnosti lahko barva predstavlja izjemno veliko motnjo. Zaradi vpliva barve vzorca je uporaba izključno nefelometrične motnosti omejena, zlasti pri industrijskih procesih, kjer so prisotni pijače, živilski izdelki, celične kulture in dispergirano olje v vodi.

Za določanje motnosti pri takih vzorcih se lahko uporabijo drugi načini meritev. Med temi načini so možne metoda za prepuščanje, metoda za prednje sipanje in metoda za povratno sipanje svetlobe. Signala pri prepuščanju in prednjem sipanju svetlobe sta obratno sorazmerna s povečano motnostjo in zagotavlja dober odziv pri 4.000 NTU. Pri vrednostih, ki presegajo 4.000 NTU (pri uporabi standardne dolžine 1 palca), sta signala pripri prepuščanju in prednjem sipanju svetlobe tako slaba, da šum postane največji moteči dejavnik. Po drugi strani se bodo signali pri povratnem sipanju svetlobe ojačali sorazmerno z motnostjo. Meritve s povratnim sipanjem svetlobe so se izkazale za izjemno učinkovite pri določanju motnosti zlasti v razponu od 1.000 do 10.000 NTU (in višje). Ravni signalov pri povratnem sipanju svetlobe pri motnosti z manj kot 1.000 NTU in šum instrumenta začneta motiti meritve. S kombinacijo detektorjev je zdaj mogoče izvajati meritve tako pri zelo majhni kot tudi zelo veliki motnosti.

Ta vrsta meritve je znana kot turbidimetrija, ki uporablja metodologijo razmerij (angl. ratio turbidimetry). Optična konfiguracija pri turbidimetru, ki uporablja metodologijo razmerij, je ključnega pomena za več značilnosti delovanja. Med njimi so dobra stabilnost, linearnost, občutljivost, majhen obseg sipanja svetlobe in zavrnitev barve. Pri instrumentu, ki uporablja metodologijo razmerij, velik detektor prepuščanja svetlobe izmeri svetlobo, ki prehaja skozi vzorec. Filter z nevtralno gostoto zmanjša vpad svetlobe na tem detektorju, skupaj pa se nastavita pod kotom 45° na vpadno svetlobo, tako da odboji s površine filtra in detektorja ne vstopijo v območje vzročne kivete. Detektor s prednjim sipanjem svetlobe izmeri svetlobo, ki je bila razpršena pod kotom 30° od smeri prepuščanja. Detektor pod kotom 90° glede na smer meri svetlobo, ki je bila razpršena od vzorca do vpadnega žarka. Četrti detektor z zadnjim sipanjem svetlobe pa izmeri svetlobo, ki je bila razpršena pod kotom 138° glede na smer razpršene svetlobe. Ta detektor »zazna« razpršeno svetlobo v zelo motnih vzorcih tudi takrat, ko drugi detektorji ne oddajajo več linearnega signala. Signali iz vsakega od teh detektorjev se nato matematično združijo in izračuna se motnost vzorca.

Meritev pri zelo veliki motnosti se uporablja na številnih področjih. Uporablja se pri spremljanju vsebnosti maščobe v mleku, sestavin barve s smolo, kot so titanov dioksid, raztopine tekočin in napravah za predelavo celuloze in papirja ter gnojevka rude pri postopkih mletja.

Meritve pri zelo veliki motnosti se na navadno uporabljajo kot mehanizem za neposredno spremljanje nadzora procesa ali kot nadomestek za dolgotrajno gravimetrično analizo skupnih suspendiranih trdnih snovi (TSS). Ugotoviti je treba korelacijo med motnostjo in TSS vzorca. Če taka korelacija obstaja, se lahko za spremljanje sprememb TSS uporabi turbidimeter in zagotovi takojšnjo analizo. Uporabnik mora najprej določiti razmerje motnosti glede na različne pogoje v procesnem toku. Pri določanju tega razmerja se delajo razredčine vzorca in izmerita se motnost in TSS vsake razredčine. Nato se izvede prikaz motnosti (y-os) v primerjavi z vsako ustrezno razredčino (x-os). Naklon najprimernejše krivulje kaže naravo tega razmerja. Odzivni čas za spremembo TSS pri procesu se lahko z uporabo turbidimetra skrajša iz ur na sekunde.