Turbidimetrie
Turbidimetria este o metodă de analiză optică care permite determinarea, ca parametru nespecific și specific, a nivelului de turbiditate al unui lichid prin exploatarea absorbției și reflectării razelor de lumină de o anumită lungime de undă. [1]
Diferențe între turbidimetrie și nefelometrie
Turbidimetria se aplică atunci când dimensiunea particulelor care provoacă turbiditate este de ordinul sau mai mare decât un micrometru , o condiție în care absorbția predomină asupra difuziei . În cazul particulelor mai mici, de ordinul a zeci sau sute de nanometri, prevalează efectul difuziv și, prin urmare, este utilizată o metodă diferită, numită nefelometrie . [1]
Principii teoretice
Cele mai cunoscute metode de analiză a lichidului, cum ar fi măsurarea pH-ului sau a oxigenului dizolvat, sunt utilizate pentru a detecta și exprima cantitativ diverși parametri care determină starea chimico-fizică a soluțiilor . Aceste metode detectează prezența și permit măsurarea concentrației de substanțe dizolvate, adică substanțe care sunt distribuite în solvent sub formă de ioni .
Cu toate acestea, pentru a descrie pe deplin compoziția unui lichid, nu se pot ignora substanțele suspendate , a căror concentrare și natură se încearcă să le cunoască.
Aceste substanțe, care se găsesc în suspensie, sunt , în esență substanțe solide insolubile, cum ar fi din metal oxizi , grăsimi , alge și microorganisme. În general, acestea sunt particule de ordinul a 10 −6 ... 10 −7 m care, nefiind disociate în ioni, nu influențează caracteristicile chimice ale lichidului, dar îi modifică considerabil și caracteristicile fizice. Cea mai izbitoare, chiar și la o simplă examinare vizuală, este turbiditatea. Este o caracteristică optică, adică bazată pe propagarea luminii .
Turbiditatea apelor
Turbiditatea excesivă în apa potabilă denotă prezența agenților patogeni, deci turbidimetria are o mare importanță pentru prevenirea epidemiilor . Înnorarea apei este mai presus de toate o perturbare optică care, totuși, poate duce la consecințe destul de relevante, cum ar fi încălzirea râului datorită absorbției căldurii de către particulele de la suprafață. Această încălzire determină o reducere a nivelului de oxigen dizolvat. Deoarece lumina este un ingredient primar pentru fotosinteza clorofilei, o posibilă reducere a acesteia poate afecta viața plantelor acvatice sau chiar le poate ucide: în plus, reducerea sintezei clorofilei determină o reducere suplimentară a oxigenului dizolvat. Combinația de ape mai calde, mai puțină lumină și mai puțin oxigen dizolvat face imposibilă viața faunei peștilor, în special:
- prevenind dezvoltarea larvelor și a ouălor
- modificarea mișcărilor și migrațiilor naturale
- reducerea cantității de alimente disponibile
- provocând deteriorarea mecanică a structurii branhiale
Deși turbiditatea nu este o proprietate inerentă a apei, la fel ca temperatura și pH-ul, recunoașterea acestuia ca indicator nespecific al calității s-a dezvoltat în ultimul deceniu, împreună cu cererea de măsurători din ce în ce mai precise și obiective ale turbidității.
Măsurători turbidimetrice
O rază de lumină care trece printr-un fluid suferă efecte datorită interacțiunii dintre raza însăși și substanțele dizolvate. Această interacțiune are ca rezultat o parte foarte mică în transferul de energie de către lumină către materia dizolvată, cu încălzirea consecventă a acesteia din urmă și, în cea mai mare parte, printr-o abatere a razei de lumină, adică o modificare a traiectoriei sale. Abaterea este cauzată nu numai de prezența particulelor opace, adică nu transparente la lumină, ci și de neomogenitatea optică cauzată de particulele care, deși transparente, au un indice de refracție diferit de cel al lichidului în care sunt suspendate.
Pentru un set de fenomene de refracție , reflexie și difracție , o parte din energia luminii este difuzată în direcții diferite de cea a razei incidente. Această difuzie a luminii (în engleză light scattering) este definită ca un proces din cauza căruia un fascicul de lumină, care se ciocnește cu o particulă, își schimbă direcția (dar nu lungimea de undă). Drept urmare, intensitatea razei care continuă în direcția inițială este atenuată.
În cele din urmă, turbiditatea, adică prezența particulelor în suspensie, produce două efecte:
- absorbția energiei luminii,
- difuzia energiei luminii.
Intensitatea luminoasă a unei raze care trece printr-un fluid tulbure (fără a se abate de la direcția sa) suferă o slăbire progresivă, care poate fi exprimată prin intermediul unei funcții exponențiale :
unde I u este intensitatea luminoasă care iese din fluid, I i este intensitatea luminoasă care intră în fluid, d este distanța parcursă de raza de lumină și a este coeficientul de absorbție.
După cum se poate observa atunci când turbiditatea este zero sau când traiectoria razei de lumină din fluid este foarte scurtă, rezultatul este I u = I i . Având în vedere o distanță determinată d (predeterminată constructiv în turbidimetru), cu turbiditatea maximă, adică cu valoarea maximă a, se obține intensitatea minimă I u la ieșire.
Grafic, ecuația exponențială văzută anterior este exprimată ca o linie dreaptă dacă este reprezentată pe o scară logaritmică . Este clar că, dacă se presupune, după cum este logic, că coeficientul de absorbție este proporțional cu turbiditatea, sunt necesare precauții speciale în partea electronică a echipamentului de măsurare, pentru a obține un semnal liniar, adică o indicație proporțională cu turbiditatea. în sine.
Dacă intensitatea luminoasă a razei emise este măsurată într-o direcție transversală în raport cu direcția de incidență, se observă că aceasta crește odată cu turbiditatea fluidului, în timp ce este egală cu zero cu turbiditate zero. Pentru turbidități mici, intensitatea luminii împrăștiate este practic proporțională cu turbiditatea în sine. Pe măsură ce turbiditatea crește, apare un fenomen de absorbție a aceleiași raze difuze, astfel încât, după atingerea valorii maxime M, intensitatea începe să scadă progresiv. Totuși, alegând în mod adecvat lungimea traiectoriei razei difuzate în lichidul examinat, este posibil să ne asigurăm că maximul curbei corespunde unei valori de turbiditate mai mari decât valoarea dorită a întregii scale.
Este clar că turbiditatea crește odată cu creșterea concentrației de substanțe în suspensie, dar că există o relație de proporționalitate între cele două cantități.
În primul rând putem face o considerație preliminară și este că, pe baza teoriei undelor luminii, pe care se bazează legile care descriu atât absorbția, cât și difuzia, aceste fenomene capătă un grad deosebit de relevant atunci când dimensiunea particulele găsite în suspensie au același ordin de mărime ca lungimea de undă a fasciculului de lumină utilizat în turbidimetru.
Factori care influențează măsurarea turbidimetrică
Din cele spuse, se poate deduce că măsurătorile turbidității sunt influențate, pe lângă concentrația (exprimată în mg / litru) a substanțelor suspendate, de diverși factori, cum ar fi:
- dimensiunea particulelor, adică dimensiunea particulelor;
- lungimea de undă a luminii incidente;
- culoarea și forma particulelor;
- culoarea lichidă;
- indicele de refracție al particulelor și lichidului;
- greutatea specifică a particulelor;
precum și caracteristici instrumentale, cum ar fi:
- lungimea traseului fasciculului de lumină în lichidul examinat;
- emisie spectrală caracteristică sursei de lumină;
- sensibilitatea spectrală caracteristică fotodiodei ;
- lățimea unghiulară a fasciculului, adică gradul de focalizare al oricărui sistem optic.
Toate aceste variabile fac imposibilă corelarea în mod unic a concentrației substanțelor în suspensie cu turbiditatea măsurată.
Determinarea turbidimetrică a parametrilor specifici
Absorbția radiațiilor datorată turbidității, pentru concentrații mai mici de 10 -5 M , urmează legea Lambert-Beer . [2] Coeficientul clasic de extincție este în acest caz înlocuit cu un alt coeficient care ia în considerare factorii care influențează măsurarea turbidimetrică, legat de particulele lichide și suspendate, enumerate mai sus. Mai mult, trebuie avut în vedere că chiar și la valoarea concentrației 10 -5 M poate începe să existe o pierdere de sensibilitate și liniaritate.
În plus față de determinarea parametrilor nespecifici deja considerați, turbidimetria este exploatată în câmpul chimic pentru a efectua determinări ale anionilor, cum ar fi SO 4 2- și PO 4 3-, după ce a exploatat formarea compusului lor insolubil cu bariu , cationi precum Ni 2 + (cu dimetilglioximă ), Cu 2+ (cu ferocianură de potasiu ) și Cd 2+ ca sulfură . În chimia clinică, determinările turbidimetrice se referă la fibrinogen , ser și proteine urinare , enzime precum amilaza și lizozima .
Din punct de vedere instrumental, măsurătorile turbidimetrice se efectuează în mod obișnuit prin utilizarea colorimetrelor și spectrofotometrelor normale.
Pentru a asigura o reproductibilitate ridicată este necesară stabilizarea suspensiei prin adăugarea de coloizi de protecție sau substanțe precum glicerina sau etilen glicolul , care acționează atât prin creșterea densității și vâscozității fazei lichide , cât și prin influențarea interacțiunilor electrostatice.
Unitate de măsură
Următoarele sunt cele mai comune unități de măsură pentru turbiditate:
- adâncime vizuală (metri): exprimă adâncimea la care discul de testare a transparenței poate fi încă văzut. Este utilizat în principal pentru a defini turbiditatea apei din bazinele hidrografice, lacuri sau mare . Măsurarea este invers proporțională cu turbiditatea și este influențată nu numai de factorii menționați mai sus, ci și de factori subiectivi;
- FAU (unitate de atenuare a formazinului ): această unitate de măsură a devenit acum stabilită universal. Se bazează pe utilizarea unei suspensii standard de formazină, cu caracteristici ideale de reproductibilitate;
- FNU (unități nefelometrice ale formazinei): având în vedere că se obțin rezultate diferite dacă se utilizează un sistem de măsurare a difuziei (90º), a fost introdusă această unitate de măsură.
Surse de zgomot
Există multe surse de „ zgomot ” care pot perturba măsurătorile senzorului de turbiditate. Acestea includ bule de gaz, expunere directă la lumina soarelui, reflexii la suprafață, zgomot hidrodinamic și interferențe electrice.
Orice bule de gaz din coloana de apă, având un indice de refracție diferit de cel al mediului, pot reflecta lumina emisă de sondă comportându-se ca particule suspendate, provocând o creștere a datelor de ieșire ale senzorului. Acțiunile care trebuie luate pentru a minimiza influența acestuia includ creșterea adâncimii senzorului, deoarece prezența bulelor este mai mare la suprafață și poziționarea sondei departe de obstacolele care le pot determina formarea.
Lumina directă a soarelui poate determina creșterea ieșirii receptorului foto - acesta se numește vârf de lumină directă și este cel mai mare în jurul prânzului. Pentru a reduce impactul razelor solare, este recomandabil să nu amplasați instrumentul direct la soare și să respectați o anumită adâncime minimă.
Lumina emisă de turbidimetru poate fi reflectată de la suprafața apei și acest lucru poate determina o creștere a puterii instrumentului. Din nou, o modalitate bună de a reduce acest efect este de a plasa sonda sub o adâncime minimă.
Zgomotul hidrodinamic este rezultatul mișcării turbulente a sedimentelor din jurul senzorului care poate provoca o concentrație de particule mai mare decât concentrația efectivă a lichidului. Deoarece volumul eșantionat de senzor depinde de cât de adânc fasciculul de lumină pătrunde în apă, creșterile și fluctuațiile concentrației de sedimente determină variații ale volumului eșantionat și acest lucru duce la erori în măsurare. Pentru a compensa acest efect, semnalul de turbiditate trebuie raportat ca valoare medie, raportând apoi o valoare estimată a variației.
Notă
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre turbidimetrie
linkuri externe
- Metode analitice pentru ape ( PDF ) [ link rupt ] , pe apat.gov.it.
- Ce este un turbidimetru ( PDF ) [ link rupt ] , pe processinstruments.it .
| Controlul autorității | LCCN (EN) sh85138713 · GND (DE) 4471444-0 |
|---|
