Нефелометрия сущность метода аналитический сигнал уравнение рэлея (6 видео)

Нефелометрический метод анализа

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 18 Января 2014 в 19:39, курсовая работа

Содержание

Нефелометрический метод анализа.docx
Нефелометрия и турбидиметрия. Эмиссионный спектральный анализ. Люминесцентный метод
Турбидиметрический и нефелометрический методы анализа объектов окружающей среды
🎦 Видео

Краткое описание

В аналитической химии часто приходится сталкиваться с определением малых количеств веществ. Например, содержание примесей в чистых металлах исчисляется тысячными долями процента. Содержание такого количества вещества невозможно определить химическими методами, в таких случаях приходится использовать оптические методы анализа. Наибольшее распространение имеет абсорбционный анализ, который может выполняться спектрофотомерией, фотоколориметрией и колориметрией.
Курсовая работа посвящена теоретическим основам турбидиметрии и нефелометрии и их практическому применению в анализе объектов.

Содержание

Введение
1. Нефелометрический и турбидиметрический анализ
1.1. Основные законы и формулы
2. Применение нефелометрического и турбидиметрического методов
2.1Достоинства нефелометрического и турбидиметрического методов
3. Теория и практика измерения мутности.
3.1 Из истории измерения мутности
3.2 Нефелометрия как метод измерения мутности
4.Турбидиметрический метод
4.1.Сущность метода
4.2.Аппаратура, материалы и реактивы
5.Охрана труда
Вывод
Литература
Приложение

Вложенные файлы: 1 файл

Видео:Методы абсорбционного оптического анализа. Часть 1.Скачать

Нефелометрический метод анализа.docx

1. Нефелометрический и турбидиметрический анализ

1.1. Основные законы и формулы

2. Применение нефелометрического и турбидиметрического методов

2.1Достоинства нефелометрического и турбидиметрического методов

3. Теория и практика измерения мутности.

3.1 Из истории измерения мутности

3.2 Нефелометрия как метод измерения мутности

4.2.Аппаратура, материалы и реактивы

К оптическим методам относятся турбидиметрия и нефелометрия — анализ основан на поглощении и рассеянии лучистой энергии взвешенными частицами определяемого вещества, а также флуорометрия — основан на измерении вторичного излучения, возникающего при взаимодействии лучистой энергии с анализируемым соединением, и др.

Моя курсовая работа посвящена теоретическим основам турбидиметрии и нефелометрии и их практическому применению в анализе объектов.

1. Нефелометрический и турбидиметрический анализ

1.1. Основные законы и формулы

В нефелометрическом и турбидиметрическом анализе используется явление рассеяния света твердыми частицами, находящимися в растворе во взвешенном состоянии.

Пробу освещают потоком света с интенсивностью I₀, а затем, так же как в молекулярной абсорбционной спектроскопии, измеряют интенсивность прошедшего излучения I_t или определяют интенсивность излучения, рассеянного под определенным углом (например, I₉₀ при 90 о ). С ростом числа частиц суспензии отношение I_t/I₀ уменьшается, а отношения вида I₉₀/I₀ увеличиваются, во всяком случае, до умеренных концентраций.

Для очень разбавленных суспензий измерение под углом гораздо чувствительнее, чем измерения, когда источник и приемник излучения находятся на одной линии, поскольку при этом можно наблюдать слабый рассеянный свет на темном фоне (Приложение 1).

Метод, в котором используют интенсивность прошедшего света I_t, называют турбидиметрией, а метод с измерением под углом 90 о (или каким-либо другим) – нефелометрией. При турбидиметрических измерениях величина, называемая мутностью, соответствует оптической плотности и может быть определена из соотношения, аналогичного основному закону светопоглошения:

где S – мутность; k – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом мутности; b – длина пути; N – число рассеивающих частиц в единице объема.

Для турбидиметрических измерений можно использовать любой фотометр или спектрофотометр. Если растворитель и рассеивающие частицы бесцветны, максимальная чувствительность достигается при использовании излучения голубой или ближней ультрафиолетовой области. Для окрашенных систем оптимальную длину волны необходимо подбирать экспериментально.

Используемое в нефелометрии расчетное соотношение следующее:

где K_a — эмпирическая константа системы (угол, под которым проводят измерения); с – концентрация .

Конструкции приборов для нефелометрических и люминесцентных измерений идентичны, поэтому любой флуориметр можно использовать в качестве нефелометра. Поскольку длина волны при рассеянии не изменяется, необходимость во втором монохроматоре или светофильтре отпадает, но если они имеются в приборе, то их следует настроить на длину волны падающего света. Многие серийные флуориметры снабжены специальными приспособлениями для нефелометрических измерений.

Применение методов, основанных на измерении рассеяния света, достаточно ограничено, прежде всего потому, что на измеряемый сигнал сильно влияет размер частиц. Поэтому необходимо строгое соблюдение идентичности условий построения градуировочного графика и анализа исследуемого раствора. Можно сказать, что и нефелометрия, и турбидиметрия могут быть полезными для селективных аналитических реакций, в результате которых образуется твердое соединение. Описаны методики определения аммиака иодидом ртути (реактив Несслера), фосфата в виде малорастворимого соединения с молибденом и стрихнином, сульфата бария с пределами обнаружения десятые-сотые доли микрограмма в миллилитре и др.

Более интересно применение методов, основанных на рассеянии света, для определения средней молекулярной массы полимеров в растворах.

Еще одно направление практического использования таких методов – это применение лазеров для дистанционного определения частиц, содержащихся в воздушном пространстве.

2. Применение нефелометрического и турбидиметрического методов

Нефелометрический и турбидиметрический методы применяются для анализа суспензий, эмульсий, различных взвесей и других мутных сред. Интенсивность пучка света, проходящего через такую среду, уменьшается за счет рассеивания и поглощения света взвешенными частицами.

Нефелометрический метод определения концентрации основан на измерении интенсивности света, рассеянного взвешенными частицами. Интенсивность рассеянного света подчиняется закону Релея:

где Iн и I0 — интенсивности рассеянного и падающего света; n1 и n2 — коэффициенты преломления частиц и среды; N — общее количество светорассеивающих частиц; х — объем одной частицы; л — длина волны падающего света; r — расстояние до приемника рассеянного света; в — угол между падающим и рассеянным светом. В условиях нефелометрического определения ряд величин остается постоянным и уравнение (V.1) переходит в

Множитель 1/ л4 указывает на быстрое возрастание интенсивности рассеянного света с уменьшением длины волны падающего света. Так как красный свет рассеивается меньше, чем любой другой при прочих равных условиях, различные сигнальные огни (стоп-сигналы, огни маяка и т. д.) бывают красные.

Серьезное затруднение в практике нефелометрии состоит в том, что интенсивность рассеянного света зависит от объема частиц. Большое значение в связи с этим приобретает унификация методики приготовления взвеси — строгое соблюдение концентрационных и температурных условий, порядка и скорости смешения растворов, введение защитных коллоидов и т. д. При строгом соблюдении этих условий объемы частиц суспензии получаются примерно одинаковые, и их размер вполне удовлетворительно воспроизводится от опыта к опыту.

Концентрацию можно выразить числом частиц в единице объема:

где V — объем суспензии; NA — постоянная Авогадро.

Подставляя (V.3) в (V.2), получаем:

При постоянных V, х, l уравнение (V.4) принимает вид:

Уравнение (V.6) показывает, что отношение интенсивности рассеянного света к интенсивности падающего пропорционально концентрации взвешенных частиц. Калибровочный график в координатах Iн/I0 как функция С будет линеен. Тем не менее иногда можно встретить рекомендацию строить калибровочный график в координатах Dкаж — С, где Dкаж — так называемая относительная или кажущаяся оптическая плотность, рассчитываемая как Dкаж=-lg(Iн/I0) Такая рекомендация дается, например, в заводских описаниях некоторых нефелометров (НФМ и др.).

Из (V.6) следует, что

т.е. Dкаж уменьшается с ростом концентрации, что вполне понятно, так как с увеличением концентрации увеличивается число рассеивающих частиц и интенсивность рассеянного света возрастает.

В соответствии с уравнением (V.7) график в координатах Dкаж — lg С будет линеен в противоположность графику в координатах Dкаж — С.

Турбидиметрические методы основаны на измерении интенсивности света It прошедшего через анализируемую суспензию. При достаточном разбавлении интенсивность прошедшего света подчиняется уравнению

где l — толщина слоя, a k — иногда называют молярным коэффициентом мутности раствора.

В турбидиметрии применяются приемы работы и приборы, обычно используемые в фотометрии растворов, чаще всего метод калибровочного графика. Известен также ряд методик турбидиметрического титрования. Турбидиметрические определения обычно выполняют с помощью фотоэлектрических колориметров-нефелометров (ФЭК-56-2, ФЭК-60 и др.).

2.1Достоинства нефелометрического и турбидиметрического методов

Основным достоинством нефелометрических и турбидиметрических методов является их высокая чувствительность, что особенно ценно по отношению к элементам или ионам, для которых отсутствуют цветные реакции. В практике широко применяется, например, нефелометрическое определение хлорида и сульфата в природных водах и аналогичных объектах. По точности турбидиметрия и нефелометрия уступают фотометрическим методам, что связано, главным образом, с трудностями получения суспензий, обладающих одинаковыми размерами частиц, стабильностью во времени и т. д. К обычным сравнительно небольшим погрешностям фотометрического определения добавляются ошибки, связанные с недостаточной воспроизводимостью химико-аналитических свойств суспензий.

3. Теория и практика измерения мутности.

3.1 Из истории измерения мутности

Практические попытки количественно измерить мутность относятся к 1900 году, когда Уиппл и Джексон разработали стандарт суспензии, содержащей 1000 миллионных долей (ppm) кизельгура (диатомитовой земли) в дистиллированной воде. Разбавление этой суспензии позволило создать так называемую «кремнеземную» шкалу мутности на основе ряда стандартных суспензий для калибровки турбидиметров того времени.

Джексон воспользовался этой шкалой для работы с существовавшим тогда прибором диафанометром и создал то, что известно под названием «свечной турбидиметр Джексона». Он состоял из специальной свечи и плоскодонной колбы. Джексон откалибровал его в единицах ppm по мутности взешенного кремнезема. Для определения мутности образец медленно наливали в колбу до тех пор, пока изображение пламени, наблюдаемое сверху не превращалось в бесформенное свечение (Приложение 2).

Погасание образа происходило, когда сравнивались интенсивность рассеянного света с интенсивностью света проходящего. Высота жидкости в колбе затем переводилась в единицы кремнеземной шкалы, а мутность определялась в джексоновских единицах мутности (JTU). Тем не менее, устойчивого состава стандартов достичь было трудно, поскольку их готовили из различных природных материалов — сукновальной глины, каолина, донных отложений.

3.2 Нефелометрия как метод измерения мутности

Со временем потребность в прецизионном определении низких значений мутности в образцах, содержащих взвеси очень мелких частиц, потребовала улучшения характеристик турбидиметров. Факельный турбидиметр Джексона имел серьезные ограничения в применении, поскольку не мог использоваться для определения мутности ниже 25 JTU. Точно определить мутность было весьма затруднительно и определение точки погасания сильно зависело от человека. Кроме того, поскольку источником света в приборе Джексона было пламя свечи, падающий свет находился большей частью в длинноволновой 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 факельном турбидиметре Джексона.) С помощью факельного турбидиметра невозможно также определить мутность, вызванную черными частицами, например сажи, поскольку поглощение света такими частицами настолько больше рассеяния, что поле зрения становилось черным до того, как достигалась точка погасания.

Было разработано несколько турбидиметров, работающих на определении погасания, с усовершенствованными источниками света и методиками сравнения, но погрешность определения человеком приводила к недостатку точности. Фотодетекторы чувствительны к малейшему изменению интенсивности освещения. Они стали широко использоваться для измерения ослабления света, проходящего через образец фиксированного объема. Приборы обеспечивали при определенных условиях гораздо большую точность, но по прежнему не могли определить высокую или предельно низкую мутность. При низкой степени рассеяния изменение в интенсивности проходящего света, измеряемое в одной точке, настолько мало, что практически не детектируется ничем. Обычно сигнал просто терялся в шуме электронных компонентов. На больших концентрациях множественное рассеяние взаимодействовало с простым рассеянием.

Видео:1 Решение задачи графическим и аналитическим методомСкачать

Нефелометрия и турбидиметрия. Эмиссионный спектральный анализ. Люминесцентный метод

Нефелометрия и турбидиметрия. Эмиссионный спектральный анализ. Люминесцентный метод.

1. Нефелометрия и турбидиметрия.

1.1 Теоретические основы метода.

2. Эмиссионный спектральный анализ.

3. Люминесцентный метод.

Теоретические основы метода

При прохождении пучка света через взвесь мельчайших твердых частиц в растворителе (дисперсная система) происходит боковое рассеяние света (визуально наблюдается мутность). Если длина волны меньше линейных размеров частиц, то рассеяние обусловлено «преломлением на границе раздела частица — растворитель и отражением его частицами. Если длина волны больше линейных размеров частиц, то происходит дифракция световой волны, возникает эффект Тиндаля. Интенсивность рассеяния возрастает с увеличением числа рассеивающих частиц. На этом основаны два родственных аналитических метода определения концентрации вещества: нефелометрия и турбидиметрия. При турбидиметрических определениях измеряют мощность света W, выходящего из кюветы в направлении падающего светового пучка.

При нефелометрических определениях измеряют мощность рассеяния света (Wр) в направлении, перпендикулярном направлению первичного пучка, (рис.1).

Рис.1 Схема измерения световых потоков в нефелометрии и турбидиметрии.

Нефелометрической (турбидиметрической) взвесью называют суспензии малорастворимых веществ при их содержании 100 мг на 1 л и менее. Частицы отражают постоянную долю света в течение промежутка времени, достаточного для измерения. Мощность светового потока,- рассеиваемого мельчайшими частицами взвеси, описывается уравнением Релея:

(1)

где k1— коэффициент;

V — средний объем частицы взвеси;

С —концентрация частиц;

d— плотность вещества частицы;

λ— длина волны падающего света;

n1 — показатель преломления частиц взвеси;

п2 — показатель преломления растворителя.

Значения V, d, п зависят для данной взвеси от условий ее получения и измерения: скорости смешивания реагентов, скорости перемешивания, температуры, кислотности среды, присутствия посторонних ионов, длины волны падающего света. При постоянстве условий величины п1 ,п2, λ, d, V постоянны; объединяя все постоянные величины в уравнении (2.1) в одну константу, можем записать:

т. е. мощность рассеянного светового потока прямо пропорциональна концентрации частиц суспензии. Для двух мутных сред с частицами одинаковой формы и размеров отношение мощностей рассеянного света пропорционально отношению концентраций частиц:

(3)

Уравнение (3) используют при нефелометрических определениях. При турбидиметрических измерениях связь между мощностью прошедшего через суспензию света и размером частиц взвеси описывается приближенным уравнением:

(4),

где А-рассеивающая способность (кажущаяся оптическая плотность, аналогичная оптической плотности);

Wo — мощность падающего на суспензию светового потока;

W — мощность прошедшего через суспензию светового потока;

L — толщина поглощающего слоя;

r — средний диаметр частиц;

λ— длина волны падающего света;

k1 — коэффициент пропорциональности, зависящий, от природы суспензии и метода измерения;

а — константа, зависящая только от метода измерения.

Уравнение (4) справедливо только для сильно разбавленных суспензий.

При турбидиметрическом определении пользуются одним и тем же прибором, суспензии готовят строго по определенной прописи, т. е. все измерения проводят при определенных значениях k1, r, а и λ

Объединяя в уравнении (4) все постоянные величины в одну, получим более простое уравнение:

Это отношение аналогично уравнению Бугера — Ламберта — Бера для поглощения света окрашенными растворами. Как следует из уравнений (1) и (4), интенсивность рассеянного и поглощенного света зависит от размера частиц взвеси.

Для предотвращения коагуляции частиц в суспензии часто вводят стабилизирующие-коллоиды (желатина, крахмала и др.).

Нефелометрические и турбидиметрические определения обладают чувствительностью, соизмеримой с фотометрическими определениями. Эти методы в практике, производственных лабораторий применяют ограниченно, так как трудно получить одинаковые по размерам частицы взвеси. Нефелометрические и турбидиметрические определения заменяют, когда это, возможно, другими методами (фотометрическими, электрометрическими).

Методы расчета концентрации

По градуировочному графику находят неизвестную концентрацию вещества. Для этого измерения производят в условиях, в которых был получен градуировочный график.

Для турбидиметрических измерений могут быть использованы фотоэлектроколориметры и спектрофотометры. Порядок измерений совпадает с порядком фотометрических измерений. Градуировочный график строят по серии стандартных взвесей различных концентраций.

Рис. 2. Фототурбидиметрическое титрование молибдата аммония раствором ацетата свинца

Атомно-эмиссионная спектроскопия (спектрометрия), АЭС или атомно-эмиссионный спектральный анализ — совокупность методов элементного анализа, основанных на изучении спектров испускания свободных атомов и ионов в газовой фазе (см. группу методов оптической спектроскопии). Обычно эмиссионные спектры регистрируют в наиболее удобной оптической области длин волн от

1000 нм. (Для регистрации спектров в области 1000 нм требуются специальные инфракрасные или микроволновые детекторы.)

АЭС — способ определения элементного состава вещества по оптическим линейчатым спектрам излучения атомов и ионов анализируемой пробы, возбуждаемым в источниках света. В качестве источников света для атомно-эмиссионного анализа используют пламя горелки или различные виды плазмы, включая плазму электрической искры или дуги, плазму лазерной искры, индуктивно-связанную плазму, тлеющий разряд и др.

АЭС — самый распространённый экспрессный высокочувствительный метод идентификации и количественного определения элементов примесей в газообразных, жидких и твердых веществах, в том числе и в высокочистых. Он широко применяется в различных областях науки и техники для контроля промышленного производства, поисках и переработке полезных ископаемых, в биологических, медицинских и экологических исследованиях и т. д. Важным достоинством АЭС по сравнению с другими оптическими спектральными, а также многими химическими и физико-химическими методами анализа, являются возможности бесконтактного, экспрессного, одновременного количественного определения большого числа элементов в широком интервале концентраций с приемлемой точностью при использовании малой массы пробы.

Процесс атомно-эмиссионного определения состоит из следующих стадий:

Пробоподготовка (подготовка образца) Испарение анализируемой пробы (если она не газообразная); Диссоциация — атомизация её молекул; Возбуждение излучения атомов и ионов элементов пробы; Разложение возбужденного излучения в спектр; Регистрация спектра; Идентификация спектральных линий — с целью установления элементного состава пробы (качественный анализ); Измерение интенсивности аналитических линий элементов пробы, подлежащих количественному определению; Нахождение количественного содержания элементов с помощью установленных предварительно градуировочных зависимостей.

3. Люминесцентный метод.

Люминесценцией называют свойство веществ излучать свет под воздействием различных возбуждающих факторов.

По определению люминесценцией называют избыточное свечение тела над тепловым (температурным) излучением того же тела в данной спектральной области при данной температуре и при условии, что это избыточное свечение обладает длительностью 10-10 с и больше, т. е. превышает период световых колебаний.

Если в основу классификации положен метод возбуждения молекул или атомов ультрафиолетовым излучением (или коротковолновой видимой частью спектра), то свечение называют фотолюминесценцией или флуоресценцией, если возбуждение происходит под действием катодных лучей — катодолюминесценцией, под действием рентгеновских лучей — рентгенолюминесцснцией, за счет энергии, возникающей при механических деформациях вещества — триболюминесценцией, за счет энергии нагревания вещества — кандолюминесценцией, за счет энергии химической реакции — хемилюминесценцией, известны и другие виды люминесценции.

Видео:Окислительно-восстановительные реакции. Метод электронно-ионного баланса.Скачать

Турбидиметрический и нефелометрический методы анализа объектов окружающей среды

ТУРБИДИМЕТРИЧЕСКИЙ И НЕФЕЛОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ОБЪЕКТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

В аналитической химии часто приходится сталкиваться с определением малых количеств (следов) веществ. Например, содержание примесей в чистых металлах исчисляется тысячными долями процента. Содержание такого количества вещества невозможно определить химическими методами, в таких случаях приходится использовать оптические методы анализа. Наибольшее распространение имеет абсорбционный анализ, который может выполняться спектрофотомерией, фотоколориметрией и колориметрией.

К оптическим методам относятся турбодиметрия и нефелометрия — анализ основан на поглощении и рассеянии лучистой энергии взвешенными частицами определяемого вещества, а также флуорометрия — основан на измерении вторичного излучения, возникающего при взаимодействии лучистой энергии с анализируемым соединением, и др.

Моя посвящена теоретическим основам турбидиметрии и нефелометрии и их практическому применению в анализе объектов окружающей среды.

Глава 1. НЕФЕЛОМЕТРИЯ И ТУРБИДИМЕТРИЯ

где I_н и I₀ — интенсивности рассеянного и падающего света; n₁ и n₂ — коэффициенты преломления частиц и среды; N — общее количество светорассеивающих частиц; х — объем одной частицы; л — длина волны падающего света; r — расстояние до приемника рассеянного света; в — угол между падающим и рассеянным светом. В условиях нефелометрического определения ряд величин остается постоянным и уравнение (V.1) переходит в

Множитель 1/ л 4 указывает на быстрое возрастание интенсивности рассеянного света с уменьшением длины волны падающего света. Так как красный свет рассеивается меньше, чем любой другой при прочих равных условиях, различные сигнальные огни (стоп-сигналы, огни маяка и т. д.) бывают красные.

Концентрацию можно выразить числом частиц в единице объема:

где V — объем суспензии; N_A — постоянная Авогадро.

Подставляя (V.3) в (V.2), получаем:

При постоянных V, х, l уравнение (V.4) принимает вид:

Уравнение (V.6) показывает, что отношение интенсивности рассеянного света к интенсивности падающего пропорционально концентрации взвешенных частиц. Калибровочный график в координатах I_н /I₀ как функция С будет линеен. Тем не менее иногда можно встретить рекомендацию строить калибровочный график в координатах Dкаж — С, где D_каж — так называемая относительная или кажущаяся оптическая плотность, рассчитываемая как D_каж =-lg(I_н /I₀ ) Такая рекомендация дается, например, в заводских описаниях некоторых нефелометров (НФМ и др.).

Из (V.6) следует, что

т.е. D_каж уменьшается с ростом концентрации, что вполне понятно, так как с увеличением концентрации увеличивается число рассеивающих частиц и интенсивность рассеянного света возрастает.

В соответствии с уравнением (V.7) график в координатах D_каж — lg С будет линеен в противоположность графику в координатах D_каж — С.

где l — толщина слоя, a k — иногда называют молярным коэффициентом мутности раствора.

Глава 2. Теория и практика измерения мутности. Турбидиметрия и нефелометрия

2.1 Из истории измерения мутности

Джексон воспользовался этой шкалой для работы с существовавшим тогда прибором диафанометром и создал то, что известно под названием «свечной турбидиметр Джексона» . Он состоял из специальной свечи и плоскодонной колбы. Джексон откалибровал его в единицах ppm по мутности взешенного кремнезема. Для определения мутности образец медленно наливали в колбу до тех пор, пока изображение пламени, наблюдаемое сверху не превращалось в бесформенное свечение (Рис. 1).

Рис. 1. Свечной турбидиметр Джексона

2.2 Нефелометрия как метод измерения мутности

Было разработано несколько турбидиметров, работающих на определении погасания, с усовершенствованными источниками света и методиками сравнения, но погрешность определения человеком приводила к недостатку точности. Фотодетекторы чувствительны к малейшему изменению интенстивности освещения. Они стали широко использоваться для измерения ослабления света, проходящего через образец фиксированного объема. Приборы обеспечивали при определенных условиях гораздо большую точность, но попрежнему не могли определть высокую или предельно низкую мутность. При низкой степени рассеяния изменение в интенсивности проходящего света, измеряемое в одной точке, настолько мало, что практически не детектируется ничем. Обычно сигнал просто терялся в шуме электронных компонентов. На больших концентрациях множественное рассеяние взаимодействовало с простым рассеянием.

Решение проблемы заключается в том, чтобы определять количество света, рассеянного под углом к падающему свету и затем соотносить количество рассеянного под углом света с реальной мутностью образца. Считается, что угол в 90 ° позволяет обеспечить наибольшую чувствительность к рассеянию на частицах. Большинство современных приборов определяют рассеяние под углом 90 ° (рис. 2). Такие приборы называются нефелометрами или нефелометрическими турбидиметрами, чтобы показать их отличие от обычных турбидиметров, которые определяют соотношение между количеством прошедшего и поглощенного света.

Рис. 2. В нефелометрических измерениях мутность определяется по свету рассеянному под углом 90 °

Благодаря своей чувствительности, точности и применимости в широком диапазоне размеров и концентраций частиц, нефелометр был признан в Стандартных методах как предпочтительный прибор для определения мутности. Также предпочтительными единицами выражения мутностистали нефелометрические единицы мутности NTU. В опубликованных американским Управлением по охране окружающей среды Методах химического анализа воды и стоков нефелометрический метод также определяет нефелометрию как метод определения мутности.

2.3 Современные мутномеры

Хотя к настоящему времени разработано множество методов для определения загрязнений в воде, определение мутности по-прежнему важно, поскольку мутность — это простой и неопровержимый показатель изменения качества воды. Внезапное изменение мутности может указывать на дополнительный источник загрязнения (биологический, органический или неорганический) или сигнализировать о проблемах в процессе обработки воды.

Современные инструменты должны определять мутность от предельно высоких до предельно низких значений в широком диапазоне образцов с частицами различного размера и состава. Возможность прибора определять мутность в широких пределах зависит от конструкции прибора. В данном разделе обсуждаются три основных узла нефелометра (источник света, детектор рассеянного света и оптическую геометрию), и как различия в этих узлах влияют на определение мутности прибором. Большинство измерений проводятся в диапазоне 1NTU и ниже. Для этого берется стабильная работа прибора, малое количество постороннего света и отличная чувствительность.

Источники света в нефелометрах

В настоящее время в мутномерах применяются различные источники света, но самый распространенный — лампа накаливания. Такие лампа имеют широкий спектр, они просты, недороги и надежны. Свет от лампы количественно характеризуется цветовой температурой — температурой, которую должно иметь идеально черное тело, чтобы светиться таким же цветом. Цветовая температура белого каления и, следовательно, спектр свечения лампы зависят от приложенного к лампе напряжения. Для стабильного белого свечения лампы требуется хорошо регулируемый источник питания.

В случаях, когда в образце присутствуют частицы одного типа, или если требуется источник света с известными характеристиками, для нефелометрии можно использовать монохроматический источник света. Такой свет излучает, например, светодиод. Светодиоид излучает в очень узкой области спектра по сравнению с нагретой добела нитью накаливания. Поскольку в видимой области светодиоды более эффективны по сравнению с лампами накаливания, им требуется меньшая мощность для получения света той же интенсивности. Применение источников света с узкой спектральной характеристикой расширяется. Другие источники света, такие как лазеры, ртутные лампы и комбинации лампа + фильтр, в нефелометрии применяются редко.

После того, как свет с требуемыми характеристиками взаимодействует с образцом, результат должен быть зафиксирован с помощью детектора. В современных нефелометрах применяется четыре типа детекторов: фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), вакуумный фотодиод, кремниевый фотодиод и фотоэлемент (фоторезистор) на основе сульфида кадмия.

Чувствительность детекторов отличается в различных диапазонах длин волн. Фотоэлектронные умножители, применяемые в нефелометрах, имеют пик спектральной чувствительности в синей области спектра иближнем ультрафиолете.

Чтобы обеспечить хорошую стабильность им требуется стабилизированный источник высокого напряжения. Вакуумный фотодиод обладает сходной спектральной характеристикой, но более стабилен, нежели фотоэлектронный умножитель.

2.4 Оптическая геометрия нефелометров

Третий компонент, влияющий на качество показаний нефелометров — это оптическая геометрия, которая включает в себя параметры конструкции прибора, такие как, например, угол детектирования рассеянного света. Как пояснялось в разделе, посвященном теории рассеяния, различия в строении частиц вызывает различную угловую интенсивность рассеяния.

Почти все нефелометры, используемые в анализе воды и стоков, имеют угол анализа равный 90 ° .

Кроме того, что такой угол обеспечивает меньшую чувствительность к изменению размера частиц, прямой угол дает простую оптическую систему с малым количеством постороннего света.

Конструктивным параметром, определяющим, как чувствительность, так и линейность прибора, является длина оптического пути.

С ростом оптического пути растет чувствительность, но в ущерб линейности показаний из-за множественного рассеяния и поглощения.

И наоборот, с уменьшением длины оптического пути растет линейность, но падает чувствительность прибора в области низких концентраций (проблему можно решить, применив изменяемую длину оптического пути).

Короткий оптический путь также увеличивает воздействие постороннего света. USEPA и ИСО требуют, чтобы длина оптического пути не превышала 10 см (от нити накала до детектора).

Производимые HACH турбидиметры ratio ™ для достижения максимальной стабильности используют комбинацию оптических устройств: детектор, расположенный под углом 90 ° , комбинацию детекторов проходящего света, прямого и обратного рассеяния и зеркала, отражающие только ИК излучение.

Дополнительная информация представлена в разделе данонй статьи, посвященном турбидиметрам ratio ™

2.5 Практические аспекты определения мутности

2.5.1 Калибровка и проверка калибровки мутномеров

Процесс калибровки и проверки калибровки мутномера (нефелометра) в области низких значений мутности очень чувствителен как к методике, так и к окружающим условиям. Когда измеряемый уровень мутности падает до 1 NTU, помехи от пузырьков и загрязнений, мало влияющие при высоких уровнях мутности, могут приводить к показаниям с положительными ошибками и неверным результатам проверки прибора.

Корреляция между мутностью и нефелометрическим рассеянием света хорошо описывается линейной зависимостью в диапазоне от 0,012 до 40,0 NTU. Эта зависимость включает в себя и область предельно низких значений мутмутности от 0,012 до 1,0 NTU. Чистая вода имеет мутность порядка 0,012 NTU, что делает достижений более низких значений м использованием водных растворов невозможным. Линейная зависимость позволяет использовать для калибровки одну точку на весь диапазон от 0,012 до 40,0 NTU. При этом обязательно, чтобы стандарты были приготовлены с высокой точностью.

Чтобы добиться высокой точности калибровки в данном линейном диапазоне, большинство турбидиметров HACH используют формазиновый стандарт 20,0 NTU. Эта концентрация выбрана, поскольку:

1. Такой стандарт легко точно приготовить из промышленного концентрированного стандарта;

2. Такой стандарт остается стабильным достаточно долго, чтобы обеспечить точность при калибровке;

3. Концентрация этого стандарта находится в середине линейного диапазона;

4. Ошибки от загрязнений и пузырьков оказывают меньшее влияние на точность калибровки при 20 NTU, чем при низких значениях мутности калибровочного стандарта. Калибровка тубидиметра с использованием стандартов со сверхнизкой мутностью необязательна, но важно подтвердить точность и линейность показаний в области предельно низких значений. Стандарты для проверки калибровки со сверхнизкой мутностью используют для проверки характеристик приборов в нижней части диапазона измерений.

Стабилизированные стандарты мутности по формазину StabCal ™ приготовлены с низкой мутностью чтобы использоваться для проверки калибровки в нижней части диапазона измерений. Данные стандарты приготовлены и упакованы в тщательно контролируемых условиях, чтобы обеспечить максимальную точность, какая только возможна. Кроме того, стандарты тщательно упакованы, чтобы сделать минимальным загрязнение от посторонних источников.

Такие исключительные меры необходимы, чтобы достичь возможность наиболее точной проверки калибровки в диапазоне малых значений мутности. Единичная частица пыли может вызвать пик более, чем 0,030 NTU. Это может привести к ошибке более, чем в 10 процентов.

2.5.2 Проблема постороннего светорассеяния при определении мутности

Посторонний свет – источник значительных ошибок в при определении низкой мутности. Посторонний свет попадает в оптическую систему, но происходит не от образца. Прибор же одинаково реагирует на свет, рассеянный образцом и на свет от посторонних источников.

Посторонний свет происходит от разных источников: от измерительных ячеек с поцарапанными или несовершенными стенками, от отражений внутри рабочей камеры, от лампы, которая дает расходящийся свет, от линз, и в малой степени от электроники. В конструкции прибора используются линзы, щели, зеркала, отражающие только ИК злучение и различные световые ловушки для того, чтобы уменьшить влияние постороннего света. Тем не менее, существует источник постороннего света, который невозможно устранить конструктивно – это пыль, попадающая в измерительную ячейку, в рабочую камеру прибора. Со временем количество постороннего света в турбидиметре возрастает, поскольку загрязнение пылью увеличивает рассеяние света. В общем случае, в промышленных турбидиметрах постороннего света меньше, поскольку в их конструкции нет измерительной ячейки.

В отличие от спектрофотометрии, воздействие постороннего света нельзя обнулить. Некоторые производители предлагают пользователю поместить в измерительную камеру образец воды «с нулевой мутностью» и обнулить прибор, подстроив показания. Выполнение этой процедуры оставит без внимания несколько важных при определении мутности аспектов. Во-первых, в воде, даже отфильтрованной через лучшие фильтры, всегда присутствуют частицы. Далее, молекулы вода сами по себе рассеивают свет. Молекулярное рассеяние и присутствие мельчайших частиц вносят вклад в мутность любого водного образца. Если поместить образец в круглую 1-дюймовую ячейку, то наименьшее измеренное значение мутности составит от 0,010 до 0,015 NTU, в зависимости от используемой оптической системы. Сама измерительная ячейка играет довольно сложную роль, рассеивая свет на царапинах и несовершенствах поверхности и влияя на падающий луч. Измерительная ячейка может также и способствовать фокусированию луча, что в свою очередь, снижает количество постороннего света. Другой важный фактор – это ряд переменных, которые вводятся, при использовании нескольких ячеек. Вторая измерительная ячейка может (и скорее всего будет) обладать совершенно иным рассеянием, нежели та, которая использовалась для обнуления показаний прибора. Все эти соображения игнорируются при обнулении прибора. Значительная часть измеренного значения не учитывается в предположении, что относится к чистой воде, хотя на самом деле, картина куда сложнее. В этом случае произойдет избыточная коррекция и показания прибора будут ошибочно занижены.

Определить посторонний свет в турбидиметре количественно очень трудно. Один из методов заключается в том, чтобы приготовить суспензию формазина известной концентрации с низкой мутностью. Образец аккуратно добавляют концентрируют несколько раз, определяя мутность после каждой добавки. Посредством метода стандартных добавок определяют истинное значение мутности в исходном стандарте. Разница между измеренным значением и найденным теоретически практически соответствует количеству постороннего света. Данный метод определения постороннего света крайне сложен и требует максимальной чистоты и скрупулезной точности измерений. Тем не менее, это эффективный способ определения постороннего света. Если низкие значения мутности важны, то посторонний свет должен учитываться в ходе определения. Пользуясь данным методом, можно устранить влияние постороннего света на измерения. В таблице 1 приведены вычисленные значения постороннего света в турбидиметрах HACH.

Есть несколько способов уменьшить количество постороннего света. Первый – сохранять прибор и измерительные ячейки в чистоте. Чтобы уменьшить загрязнения прибор надлежит хранить в чистом помещении без пыли. Прибор необходимо регулярно аккуратно чистить. Ячейки необходимо тщательно чистить как снаружи, так и изнутри. Когда ячейки не используются, они должны быть закрыты, чтобы предотвратить попадания пыли. Кроме того, снаружи их нужно покрывать силиконовым маслом, которое заполнит мелкие царапины, также вызывающие рассеяние света.

Таблица 1. Характеристика постороннего светорассеяния в мутномерах HACH