Mętność

Mętność, miara nieprzezroczystości cieczy, została uznana za prosty i podstawowy wskaźnik jakości wody. Jest to wskaźnik stosowany od dziesięcioleci do monitorowania wody pitnej, w tym wody produkowanej poprzez filtrację. Pomiar mętności polega na wykorzystaniu wiązki światła o określonych właściwościach w celu określenia półilościowej obecności cząstek stałych w próbce wody lub innego płynu. Wiązka światła jest określana jako wiązka światła padającego. Materiał obecny w wodzie powoduje rozproszenie wiązki światła padającego, a światło rozproszone jest wykrywane i określane ilościowo w odniesieniu do identyfikowalnego wzorca kalibracji. Im większa ilość cząstek stałych zawartych w próbce, tym większe rozproszenie wiązki światła padającego i w rezultacie wyższa mętność.

Każda cząstka w próbce przechodząca przez określone źródło światła padającego (często jest to żarówka, dioda elektroluminescencyjna (LED) lub dioda laserowa) może przyczynić się do ogólnego zmętnienia próbki. Celem filtracji jest usunięcie cząstek z danej próbki. Gdy systemy filtracji działają prawidłowo i są monitorowane za pomocą mętnościomierza, mętność na odpływie będzie charakteryzowała się niskim i stabilnym wynikiem pomiaru. Niektóre mętnościomierze stają się mniej skuteczne w przypadku bardzo czystych wód, w których rozmiary cząstek i poziomy zliczania cząstek są bardzo niskie. W przypadku mętnościomierzy, które nie wykazują się czułością przy takich niskich poziomach, zmiany zmętnienia wynikające z przebicia filtra mogą być tak małe, że stają się nieodróżnialne od bazowego szumu mętności urządzenia.

Ten szum bazowy ma kilka źródeł, w tym szum związany z urządzeniem (szum elektroniczny), światło rozproszone urządzenia, szum próbki i szum w samym źródle światła. Zakłócenie te są addytywne i stają się podstawowym źródłem fałszywie dodatnich reakcji zmętnienia, w związku z czym mogą mieć negatywny wpływ na próg wykrywalności urządzenia.

W ciągu ostatniej dekady pojawiły się nowsze, oparte na technologii laserowej techniki analizy mętności, które okazały się bardziej czułą metodą monitorowania zmętnienia. Rozwiązania oparte na technologii laserowej umożliwiają wcześniejsze wykrywanie problemów z integralnością systemów filtracji i zapewniają wyższy poziom wykrywania. Laserowe mętnościomierze sprawdzają się lepiej w analizie mętności w zakresie niskich wartości w próbkach wody oczyszczonej, ponieważ posiadają one udoskonalone konstrukcje optyczne, które zapewniają większą czułość i stabilność bazową.

Laserowe mętnościomierze wykorzystują silnie skolimowane (światło, którego promienie są równoległe) laserowe źródło światła, które jest głównie monochromatyczne. Charakterystyka tego źródła światła pozwala na skupienie światła w bardzo małej objętości w komorze próby każdego przyrządu. Takie połączenie zapewnia wiązkę padającą o dużej gęstości mocy, która jest skutecznie rozpraszana przez cząstki w próbce. Detektor charakteryzuje się także większą czułością i zapewnia lepszą reakcję na rozproszone światło. Zaleca się, aby szczyt widma reakcji detektora pokrywał się całkowicie z widmem emitowanym przez źródło światła padającego, co zapewnia maksymalną czułość optyczną. Takie połączenie czułości detektora, skolimowanego źródła światła i dużej gęstości mocy światła padającego zapewnia bardzo wysoki stosunek sygnału do szumu dla laserowego mętnościomierza. Ten stosunek sygnału do szumu zwiększa czułość wykrywania bardzo małych zmian mętności, które można odróżnić od wartości wyjściowej pomiaru. Innymi słowy, wysoki stosunek sygnału do szumu oznacza, że mętnościomierz jest niezwykle czuły.

Laserowe mętnościomierze i inne urządzenia, które zapewniają wysoki stosunek sygnału do szumu, gwarantują wyjątkowo stabilne poziomy szumu bazowego pomiarów w porównaniu z tradycyjnymi mętnościomierzami. Stabilne punkty wyjściowe umożliwiają wykrywanie bardzo drobnych zmian mętności w próbce, które w przeciwnym razie byłyby niemożliwe do odróżnienia za pomocą konwencjonalnych mętnościomierzy. Ponadto tę wartość bazową można określić pod względem stabilności, a następnie wykorzystać ją jako dodatkowy parametr analizy. Parametr ten uzupełniałby trendy kierunkowe w zakresie wartości pomiaru mętności.

Pojawienie się laserowych mętnościomierzy poprawiło wykrywanie nieprawidłowości w zakresie integralności filtracji. Przyrządy te charakteryzują się znacznie lepszą jakością optyczną, co zapewnia bardzo stabilny system pomiaru procesowego. Ta zwiększona stabilność zapewnia dodatkowe informacje, które można odszyfrować na podstawie laserowego pomiaru mętności. Niezwykle ważne jest, aby zrozumieć, że mętność jest pomiarem opartym na metodzie. Jedynie pomiary mętności uzyskane za pomocą tej samej metodologii powinny być porównywane ilościowo przy użyciu specyfikacji dokładności. Różnica w wartościach bezwzględnej mętności może wskazywać przesunięcie pomiędzy tymi dwiema metodami, które również może się różnić w zależności od kalibracji. Ten stan należy zawsze brać pod uwagę w przypadku porównywania pomiarów mętności. Ponadto wartość i weryfikacja kalibracji w pomiarach mętności nie mogą być przeszacowane. Jakość kalibracji zależy od jakości wzorców, które odgrywają kluczową rolę w ustalaniu i weryfikacji jakości pomiaru mętności.

Kwestia wzorców pomiaru mętności jest częściowo skomplikowana przez różnorodność powszechnie stosowanych i akceptowanych wzorców do celów raportowania, które są używane przez poszczególne organizacje, takie jak USEPA i Standard Methods, a częściowo przez dotyczącą ich terminologię lub definicję. W 19 wydaniu publikacji „Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater” wyjaśniono, jak definiować wzorce podstawowe i pomocnicze. Organizacja Standard Methods definiuje pierwszorzędowy wzorzec jako wzorzec przygotowywany przez Użytkownika z identyfikowalnych surowców, przy użyciu precyzyjnych metod i w kontrolowanych warunkach środowiskowych. W przypadku mętności formazyna jest jedynym uznanym wzorcem pierwszorzędowym, a wszystkie inne wzorce powstały na bazie wzorca formazynowego. Oprócz tego algorytmy i specyfikacje mętnościomierzy powinny być opracowywane w oparciu o ten pierwszorzędowy wzorzec.

Obecnie organizacja Standard Methods definiuje wzorce drugorzędowe jako wzorce, które otrzymały certyfikat producenta (lub niezależnej organizacji testującej) potwierdzający, że wyniki kalibracji przyrządu są równoważne (w określonych granicach) z wynikami uzyskanymi w przypadku kalibracji przyrządu za pomocą przygotowanych przez użytkownika wzorców formazynowych (wzorce pierwszorzędowe). Dostępne są różne wzorce odpowiednie do kalibracji, w tym komercyjne zawiesiny formazyny 4000 NTU, stabilizowane zawiesiny formazyny (stabilizowane wzorce formazynowe StablCal™, określane również jako wzorce StablCal, roztwory StablCal lub StablCal) oraz komercyjne zawiesiny w postaci perełek kulistych z kopolimeru diwinylbenzenu i styrenu.

Aktualnie jako element weryfikacji kalibracji dostarczanymi przez producentów przyrządów, są np. uszczelnione kuwety i wypełnione zawiesiną lateksową lub cząstkami tlenku metalu w żelu polimerowym i używane są do weryfikacji kalibracji, lecz nie do przeprowadzania kalibracji przyrządu. W przypadku rozbieżności co do dokładności wzorca lub przyrządu, do rozstrzygnięcia problemu ważności wzorca należy stosować wzorce pierwszorzędowe (tj. przygotowane przez użytkownika roztwory formazyny).

Wzorce pierwszorzędowe są również stosowane do pomiaru i określania wartości wszystkich innych wzorców. Zgodnie z definicją USEPA, do weryfikacji kalibracji mętnościomierza stosowane są wzorce drugorzędowe. Jednakże do kalibracji przyrządów nie należy stosować wzorców drugorzędowych. Przykładami takich wzorców są żele tlenków metali, lateks i wszelkie roztwory niewodne, które są przeznaczone do codziennego monitorowania kalibracji. Takie zastosowanie zależy od składu wzorca. Z kolei do kalibracji przyrządów opracowano wzorce formazynowe StablCal i alternatywne Amco AEPA-1.

Opracowano nowy wzorzec mętności do stosowania w kalibracji lub weryfikacji działania dowolnego mętnościomierza. Stabilizowane wzorce formazynowe StablCal zawierają taki sam polimer rozpraszający światło jak stosowany w tradycyjnych pierwszorzędowych wzorcach formazynowych. Dzięki zastosowaniu innej matrycy jakość polimerów we wzorcach StablCal nie ulega pogorszeniu wraz z upływem czasu, jak to ma miejsce jak w przypadku wzorców formazynowych o niskim stopniu mętności. Zwiększona stabilność umożliwia wytwarzanie i umieszczanie wzorców StablCal o dowolnych stężeniach do 4000 NTU w gotowych do użycia formach. Gwarantuje to oszczędność czasu, a bezpośrednie wystawienie Użytkownika na działanie wzorca jest zminimalizowane.

Okazuje się, że stabilizowane wzorce formazynowe StablCal są trwałe i można je odczytać w sposób porównywalny z tradycyjnymi, świeżo przygotowanymi wzorcami formazynowymi. Wykazano, że zmiany wzorców mieszczących się w zakresie od 0,30 do 4000 NTU nie przekraczają 5% pierwotnych wartości przygotowania przez co najmniej dwa lata. Z punktu widzenia porównywalności wzorce StablCal mogą być zamiennie używane jako wzorce kalibracji na dowolnym mętnościomierzu przy minimalnych różnicach w zakresie reakcji przyrządu. Stabilizacja formazyny doprowadziła do opracowania wzorców StablCal. Wzorce te służą jako rozwiązania problemów związanych z tradycyjnymi wzorcami formazynowymi. Stabilizacja pozwala na umieszczanie tych wzorców w strukturach, które znacznie ograniczają potencjalne narażenie Użytkownika na działanie wzorca. Badania porównawcze wzorców StablCal i standardowych wzorców formazynowych o jednakowym stężeniu wykazały, że resztkowy siarczan hydrazyny we wzorcu StabCal jest redukowany o 2–3 rzędy wielkości. Stabilizacja formazyny we wzorcach StablCal zapewnia Użytkownikowi gotowe do użycia wzorce i wyeliminowano długi czas wymagany do przygotowania tradycyjnych wzorców formazynowych o niskiej mętności. Użytkownicy mogą stosować stabilizowane wzorce w terenie, a jednocześnie mieć pewność, że zapewniają one dokładność i powtarzalność w nielaboratoryjnych warunkach.

Pomiary bardzo wysokiej mętności to zazwyczaj pomiary, w których nie można już wykorzystywać rozpraszania światła nefelometrycznego do oceny stężenia cząstek w próbkach. W przypadku próbki o długości ścieżki pomiarowej wynoszącej 1 cal sygnały rozproszonego światła nefelometycznego zaczynają zmniejszać się przy mętnościach o wartości przekraczającej 2000 NTU. W tym momencie wzrost mętności spowoduje spadek sygnału nefelometrycznego.

Oprócz tego kolor może stanowić poważne zakłócenie w pomiarach bardzo wysokiej mętności. Ze względu na wpływ barwy próbki, stosowanie ścisłej mętności nefelometrycznej było ograniczone, zwłaszcza w procesach przemysłowych obejmujących napoje, produkty spożywcze, hodowle komórkowe i rozproszony olej w wodzie.

Jednakże do określenia mętności takich próbek można użyć innych pomiarów. Trzy z nich to metody transmisji, rozpraszania w przód i rozpraszania wstecznego. Sygnały transmitowane i rozproszone w przód są odwrotnie proporcjonalne do zwiększonej mętności i zapewniają odpowiednią reakcję na wartość 4000 NTU. Powyżej wartości 4000 NTU (przy zastosowaniu standardowej ścieżki wynoszącej 1 cal) transmitowane i rozproszone w przód sygnały są tak niskie, że szum przyrządu staje się głównym czynnikiem zakłócającym. Z kolei sygnały rozpraszania wstecznego będą proporcjonalnie wzrastać wraz ze wzrostem mętności. Pomiary rozpraszania wstecznego zostały określone jako wysoce skuteczne przy określaniu mętności w zakresie od 1000 do 10 000 NTU (i wyższym). Poniżej wartości 1000 NTU poziomy sygnału rozpraszania wstecznego są bardzo niskie, a szum przyrządu zaczyna zakłócać pomiary. Dzięki połączeniu detektorów można teraz mierzyć mętność od bardzo niskiego do bardzo wysokiego poziomu.

Ten typ pomiaru jest znany jako pomiar mętności metodą współczynnikową. Konfiguracja optyczna mętnościomierza współczynnikowego jest kluczowa dla kilku parametrów wydajności. Należą do nich: dobra stabilność, liniowość, czułość, słabe światło rozproszone i odrzucanie kolorów. W przyrządzie do pomiarów metodą współczynnikową duży detektor światła przechodzącego mierzy światło przechodzące przez próbkę. Filtr o neutralnej gęstości tłumi światło padające na detektor i jest ustawiony pod kątem 45 stopni w stosunku do padającego światła, dzięki czemu odbicia od powierzchni filtra i detektora nie wchodzą w obszar kuwety próbki. Detektor rozproszenia w przód mierzy światło rozproszone w zakresie 30 stopni od transmitowanego kierunku. Detektor pod kątem 90 stopni, nominalnie skierowany w przód, mierzy światło rozproszone od próbki w kierunku normalnym do wiązki padającej. Detektor rozproszenia wstecznego mierzy światło rozproszone w kierunku nominalnym pod kątem 138 stopni od kierunku transmitowanego. Detektor „wykrywa” światło rozproszone w bardzo mętnych próbkach, gdy inne detektory nie wytwarzają już sygnału liniowego. Sygnały z każdego z tych detektorów są następnie matematycznie łączone w celu obliczenia mętności próbki.

Pomiar bardzo wysokiej mętności ma wiele zastosowań. Jest on stosowany do monitorowania zawartości tłuszczu w mleku, składników żywicy lakierniczej, takich jak dwutlenek tytanu, roztworów ługu w celulozowniach i papierniach oraz zawiesin rudy w procesach mielenia.

Pomiary o bardzo wysokiej mętności są zazwyczaj stosowane jako mechanizm bezpośredniego monitorowania kontroli procesu lub jako substytut długiej analizy grawimetrycznej dla zawiesiny ogólnej (TSS). Należy ustalić korelację pomiędzy mętnością i wskaźnikiem TSS próbki. Jeśli taka korelacja istnieje, można użyć mętnościomierza do monitorowania zmian wskaźnika TSS w próbce, co umożliwi szybką analizę. Użytkownik musi najpierw określić zależność mętności od zmiennych warunków w strumieniu procesowym. W celu określenia tej zależności dokonuje się rozcieńczenia próbki i mierzy się mętność i TSS każdego rozcieńczenia. Następnie wykonuje się wykres mętności (oś y) względem każdego odpowiedniego rozcieńczenia (oś x). Nachylenie linii najlepszego dopasowania wskazuje na charakter tej relacji. Czas reakcji na zmianę wskaźnika TSS procesu można skrócić z godzin do sekund przy użyciu mętnościomierza.