Одиниці виміру каламутності

У сучасній аналітичній практиці величина мутності є досить важливим інтегральним показником і найбільш широке застосування знаходить в водопідготовки, водоочистки, в харчовому та хімічному виробництві. Розвиток цього методу аналізу відбувалося паралельно в багатьох напрямках, що пояснюється як різнобічною природою самого явища, так і великою різноманітністю національних і галузевих стандартів, які, найчастіше, є вузькоспеціалізованими та орієнтованими на конкретну технологію. Це призвело до появи дуже великої кількості різних одиниць вимірювання каламутності та зараз основна проблема при виборі необхідного аналізатора каламутності полягає в розумінні того, чи відповідає його конструкція і використовувана шкала вимірювання поставленої аналітичної задачі.

Типи мутномірів 

Для початку необхідно визначитися з термінологією. У зарубіжній, так і у вітчизняній літературі найбільш часто зустрічається поняття "Мутномір" (turbidimeter, від англ. Turbidity - каламутність) і відповідну назву методу аналізу "турбідиметрія". У російськомовній літературі можна зустріти назви "Мутноміри" і "нефелометр" і навіть "аналізатор зважених часток". З формальної точки зору заведено вважати, що мутномір, це аналізатор каламутності, який використовує фотометричний принцип та визначає поглинання в шарі аналізованої речовини за умови, що джерело випромінювання і детектор розташовані на одній осі. У нефелометрія для визначення каламутності використовується принцип світлорозсіювання, що визначається під кутом 90 ° до джерела. Оскільки в конструкції більшості сучасних аналізаторів каламутності застосовуються детектори як на що проходить, так і на розсіяне під різними кутами до джерела випромінювання, а самі виробники досить вільно оперують всіма трьома термінами, ми домовимося для найменування аналізаторів каламутності використовувати найбільш загальний термін "мутномір".

Основи класифікації одиниць каламутності 

Теорія вимірювання каламутності має суворе фізичне обгрунтування і детально розглянута в окремій статті. Зрештою, нам цікаво отримати інформацію нема про каламутності як такої, а про зміст зважених речовин, які цю каламутність забезпечують. Природа аналізованих зважених часток, їх розмір і концентрації є визначальними у виборі відповідних умов, а значить і одиниць вимірювання. З теорії випливає, що результати вимірювань залежать від умов їх проведення, природи зразка і конструкції приладу. Вимоги до умов і конструкції проділу можуть настільки істотно відрізнятися, що навіть про приблизну кореляції показань, отриманих в різних одиницях, годі й казати. Якщо спробувати виділити основні ознаки, за якими можна було б класифікувати різні одиниці вимірювання каламутності, то виявиться, що це:

• стандарти, які використовуються для калібрування приладу
• джерело випромінювання
• схема розташування і кількість детекторів отримана відповідно до цієї класифікації діаграма показана на мал. 1.

  

  Мал. 1 Класифікація одиниць каламутності

Стандарти каламутності, формазін 

З діаграми на мал.1 видно, що найбільш широкого поширення набули шкали на основі формазінових стандартів. Унікальні властивості формазінової суспензії, в першу чергу відтворюваність та можливість тривалого зберігання, забезпечили її широке використання в якості первинного стандарту для калібрування мутномірів. Узагальнена назва одиниць каламутності на основі формазіна - FTU (або ЕМФ - одиниці каламутності по формазіну), яка фактично відповідає концентрації формазінової суспензії, вираженої в мг / л. Друга група одиниць каламутності - це одиниці, які виражають концентрацію конкретних речовин (каоліну, кремнезему або будь-якого іншого стандарту, характерного для даного типу виробництва або забезпечує найкращу кореляцію, наприклад, з гравіметричним методом аналізу). Для даних одиниць крім використовуваних стандартів не регламентується ні тип джерела, ні спосіб детектування. У зв'язку з цим, практично неможливо забезпечити порівнянність результатів, отриманих в одних одиницях, але на приладах різних конструкцій, за винятком точок калібрування.

Джерела випромінювання в нефелометрії 

Для групи формазінових одиниць каламутності можна провести більш детальну класифікацію за типом використовуваного джерела випромінювання і способу детектування. З джерел випромінювання найбільш широкого поширення набули вольфрамова лампа (або лампа білого світла) і джерело монохроматичного випромінювання в ближній ІЧ-області з довжиною хвилі 860-890 нм (найчастіше інфрачервоний світлодіод). Для джерела білого світла знаходять застосування різні світлофільтри, що дозволяють компенсувати вплив забарвлення аналізованого компонента. В цьому випадку для позначення результатів допускається використання одиниць відповідно до використовуваної схемою розташування детекторів, але з обов'язковим зазначенням довжини хвилі максимуму випромінювання. Для джерела білого світла не існує турбідиметричної одиниці каламутності, оскільки будь-яка забарвлення розчину буде вносити похибку у результати вимірювань. Для приладів з ІЧ-джерелом забарвлення розчинів не робить заважаючого впливу, що дозволяє використовувати для вимірювання каламутності турбідиметричну одиницю FAU.

Детектори для мутномірів 

Способи детектування зручно позначати кутом розташування детекторів:

• 180 ° - детектор розташований на одній осі з джерелом випромінювання, аналізується проходить світло (турбідиметрія). Детектор застосуємо для аналізу незабарвлених розчинів (або забарвлених при використанні ІЧ-джерела) в діапазоні приблизно від 5 до 1000 FTU;
• 90 ° - детектор розташований під кутом 90 ° до джерела випромінювання, аналізується світло, розсіяне під прямим кутом (нефелометрія). Детектор забезпечує найкращий відгук при аналізі низьких і наднизьких значень каламутності;
• 90°+ХХ° - крім нефелометричного детектора, розташованого під кутом 90 ° використовуються один або кілька детекторів, розташованих під іншими кутами (зазвичай 180 °, 45 °, 135 °), що забезпечує більший вимірювальний діапазон і частково компенсує впливом кольоровості. Сигнали детекторів обробляються за спеціальним алгоритмом (у кожного виробника він свій) і підсумковий результат видається в нефелометричних одиницях з позначкою R або ratio; 
• детектори, розташовані під іншими кутами до джерела випромінювання для забезпечення максимальної точності в необхідному діапазоні вимірювання. Найбільш відомий детектор 260-285 °, т.зв. детектор зворотного розсіювання (back scattering), для позначення якого до одиниці виміру додається суфікс BS; Орієнтовна залежність відгуку різних детекторів від величини каламутності приведена на рис. 2. Як приклад було взято аналізатор HACH 2100 AN. Залежно від розмірів кювети та інтенсивності джерела абсолютні значення каламутності можуть змінюватися. З даного малюнка видно, що нефелометричний детектор має обмежений діапазон застосування і (в поєднанні з турбідиметричним детектором) забезпечує діапазон виміру до 1000 - 1100 FTU. Водночас застосування додаткових детекторів прямого і зворотного розсіювання дозволяє збільшити діапазон виміру на порядок. Важливо зауважити, що на приладі може бути встановлено кілька детекторів, але в залежності від режиму і допустимі межі може використовуватися тільки один або кілька, що дозволяє отримувати результати в різних одиницях.

• 

  Мал. 2 Відгук детекторів

Практика застосування різних одиниць каламутності 

Дуже часто індекси в позначеннях одиниць опускаються, й тому зазначена одиниця в більшості випадків може служити лише орієнтиром. Як правило, реальну інформацію про метод вимірювання можна отримати тільки вивчивши технічні характеристики приладу. На жаль, практика досить довільного маніпулювання використовуваними позначеннями характерна не тільки для багатьох аналітиків, але й для авторитетних виробників. Так, наприклад, в моделях мутномірів HI93701 (HANNA Instruments) та Turb355IR (WTW) замість одиниць FNU вказуються одиниці NTU (див. табл. 2). З формальної точки зору, отримані значення FNU не можна прирівнювати до NTU, оскільки характеристики розсіювання білого світла істотно відрізняються від розсіювання монохроматичного випромінювання в ближній ІЧ-області. Та й крім відмінностей в джерелах стандарти USEPA та ISO мають місце ще цілий ряд відмінностей в методиці проведення вимірювань (див. табл. 1).

Таблиця 1

До переваг стандарту ISO можна віднести те, що він додатково включає нормативи замірів каламутності з використанням декількох детекторів (в першу чергу детектор світла, що проходить), в той час, як USEPA передбачає використання тільки "чистої" нефелометрії, що фактично обмежує його область застосування діапазоном 0- 40 NTU.

* відображені одиниці не відповідають загальноприйнятим стандартам

Таблиця 2

Одиниці каламутності 

Різноманітність одиниць каламутності дозволяє розширити область застосування даного методу аналізу, але вносить певну плутанину в інтерпретацію результатів. Даний огляд не претендує на повноту та охоплює лише найбільш поширені одиниці виміру каламутності. Зі зміною технологій одні стандарти йдуть в минуле (наприклад, JTU), а їх місце займають нові, які більш повно відповідають сучасним вимогам. У практичній роботі аналітику доводиться стикатися з різними одиницями каламутності, й при їх зіставленні важливо пам'ятати про наступне:

1. Знак рівності між різними формазіновими одиницями каламутності (FTU) можна ставити тільки в точках калібрування та тільки для формазінової суспензії. Як поведе себе конкретна модель приладу на конкретному зразку передбачити практично неможливо.

2. Не можна порівнювати результати, отримані на приладах різної конструкції, навіть якщо вони були відкалібровані за одними стандартами.

3. При виборі мутноміра в першу чергу необхідно орієнтуватися на діючий державний, галузевий або корпоративний стандарт. Якщо такого немає, вибір приладу слід виробляти, грунтуючись на можливостях адаптації мутноміра для конкретного завдання (наявність декількох детекторів, компенсація кольоровості, велика кількість точок калібрування, можливість використання користувацьких стандартів та користувацьких шкал).