Единицы измерения мутности

В современной аналитической практике величина мутности является очень принципиальным интегральным показателем и более обширное применение находит в водоподготовке, водоочистке, в пищевом и хим производстве. Развитие этого метода анализа происходило параллельно во многих направлениях, что объясняется как разносторонней природой самого явления, так и большим разнообразием национальных и отраслевых стандартов, которые чаще всего являются узкоспециализированными и ориентированными на конкретную технологию. Это привело к появлению очень большого количества различных единиц измерения мутности, и сейчас основная проблема при выборе необходимого анализатора мутности заключается в понимании того, соответствует ли его конструкция и используемая шкала измерения поставленной аналитической задачи.

Типы мутномеров 

Для начала нужно определиться с терминологией. В зарубежной, так и в отечественной литературе наиболее часто встречается понятие "мутномер" (turbidimeter, от англ. turbidity – мутность) и соответствующее название метода анализа "турбидиметрия". В русскоязычной литературе можно встретить названия "Мутномеры" и "Нефелометры" и даже "анализатор взвешенных частиц". С формальной точки зрения принято считать, что мутномер это анализатор мутности, использующий фотометрический принцип и определяющий поглощение в слое анализируемого вещества при условии, что источник излучения и детектор расположены на одной оси. В нефелометрии для определения мутности используется принцип светорассеяния, определяемый под углом 90° к источнику. Поскольку в конструкции большинства современных анализаторов мутности применяются детекторы как на проходящем, так и рассеянном под разными углами к источнику излучения, а сами производители достаточно свободно оперируют всеми тремя терминами, мы договоримся для наименования анализаторов мутности использовать наиболее общий термин "мутномер".

Основы классификации единиц мутности 

Теория измерения мутности имеет серьезное физическое обоснование и детально рассмотрена в отдельной статье. В конце концов, нам интересно получить информацию не о мутности как таковой, а о содержании взвешенных веществ, которые эту мутность обеспечивают. Природа рассматриваемых взвешенных частиц, их размер и концентрации определяют в выборе соответствующих условий, а значит и единиц измерения. Из теории следует, что результаты измерений зависят от условий их проведения, природы образца и конструкции прибора. Требования к условиям и конструкции пробора могут настолько существенно отличаться, что даже о приблизительной корреляции показаний, полученных в разных единицах, не приходится. Если попытаться выделить основные признаки, по которым можно было бы классифицировать разные единицы измерения мутности, то окажется, что это:

• стандарты, используемые для калибровки прибора источник излучения
• источник излучения
• схема расположения и количество детекторов полученная в соответствии с этой классификацией диаграмма показана на рис. 1.

  

  Рис. 1 Классификация единиц мутности

Стандарты мутности, формазин 

Из диаграммы на рис.1 видно, что наиболее широкое распространение получили шкалы на основе формазиновых стандартов. Уникальные свойства формазиновой суспензии, в первую очередь воспроизводимость и возможность длительного хранения, обеспечили ее широкое использование в качестве первоначального стандарта для калибровки мутномеров. Обобщенное название единиц мутности на основе формазина – FTU (или ЭМФ – единицы мутности по формазину), которая фактически соответствует концентрации формазиновой суспензии, выраженной в мг/л. Вторая группа единиц мутности – это единицы, выражающие концентрацию конкретных веществ (каолина, кремнезема или любого другого стандарта, характерного для данного типа производства или обеспечивающего наилучшую корреляцию, например, с гравиметрическим методом анализа). Для данных единиц помимо используемых стандартов не регламентируется ни тип источника, ни способ детектирования. В связи с этим практически невозможно обеспечить сопоставимость результатов, полученных в одних единицах, но на приборах различных конструкций, за исключением точек калибровки.

Источники излучения в нефелометрии 

Для группы формазиновых единиц мутности можно провести более подробную классификацию по типу используемого источника излучения и способу детектирования. Из источников излучения наиболее широкое распространение получили вольфрамовая лампа (или лампа белого света) и источник монохроматического излучения в ближней ИК-области с длиной волны 860-890 нм (чаще инфракрасный светодиод). Для источника белого света находят применение разные светофильтры, позволяющие компенсировать влияние окраски рассматриваемого компонента. В этом случае для обозначения результатов допускается использование единиц в соответствии с используемой схемой расположения детекторов, но с обязательным указанием длины волны максимума излучения. Для источника белого света не существует турбидиметрической единицы мутности, поскольку любая расцветка раствора будет вносить погрешность в результаты измерений. Для приборов с ИК-источником окраска растворов не оказывает мешающего воздействия, что позволяет использовать для измерения мутности турбидиметрическую единицу FAU.

Детекторы для мутномеров 

Способы детектирования удобно обозначать углом расположения детекторов:

• 180° – детектор расположен на одной оси с источником излучения, анализируется проходящий свет (турбидиметрия). Детектор применим для анализа неокрашенных растворов (или окрашенных при использовании ИК-источника) в диапазоне от примерно 5 до 1000 FTU;
• 90° – детектор расположен под углом 90° к источнику излучения, анализируется свет, рассеянный под прямым углом (нефелометрия). Детектор обеспечивает наилучший отклик при анализе низких и сверхнизких значений мутности;
• 90°+ХХ° - кроме нефелометрического детектора, расположенного под углом 90°, используются один или несколько детекторов, расположенных под другими углами (обычно 180°, 45°, 135°), что обеспечивает больший измерительный диапазон и частично компенсирует влияние цветности. Сигналы детекторов обрабатываются по специальному алгоритму (у каждого производителя он свой) и итоговый результат выдается в нефелометрических единицах с отметкой R или ratio; 
• детекторы, расположенные под другими углами к источнику излучения для обеспечения максимальной точности в требуемом диапазоне измерения. Наиболее известный детектор 260-285°, т.н. детектор обратного рассеяния (back scattering), для обозначения которого в единицу измерения добавляется суффикс BS; Ориентировочная зависимость отклика разных детекторов от величины мутности приведена на рис. 2. В качестве примера был взят анализатор HACH 2100 AN. В зависимости от размеров кюветы и интенсивности источника абсолютные значения мутности могут изменяться. Из данного рисунка видно, что нефелометрический детектор имеет ограниченный диапазон применения и (в сочетании с турбидиметрическим детектором) обеспечивает диапазон измерения до 1000 – 1100 FTU. Применение дополнительных детекторов прямого и обратного рассеяния позволяет увеличить диапазон измерения на порядок. Важно заметить, что на приборе может быть установлено несколько детекторов, но в зависимости от режима и допустимые пределы может использоваться только один или несколько, что позволяет получать результаты в разных единицах.

• 

  Рис. 2 Отклик детекторов

Практика применения разных единиц мутности 

Очень часто индексы в обозначениях единиц опускаются, поэтому указанная единица в большинстве случаев может служить лишь ориентиром. Как правило, реальную информацию о методе измерения можно получить, только изучив технические характеристики прибора. К сожалению, практика достаточно произвольного манипулирования используемыми обозначениями характерна не только для многих аналитиков, но и авторитетных производителей. Так, например, в моделях мутномеров HI93701 (HANNA Instruments) и Turb355IR (WTW) вместо единиц FNU указываются единицы NTU (см. табл. 2). С формальной точки зрения полученные значения FNU нельзя приравнивать к NTU, поскольку характеристики рассеяния белого света существенно отличаются от рассеяния монохроматического излучения в ближней ИК-области. Да и кроме отличий в источниках стандарты USEPA и ISO имеют место еще целый ряд отличий в методике проведения измерений (см. табл. 1).

Таблиця 1

К преимуществам стандарта ISO можно отнести то, что он дополнительно включает нормативы замеров мутности с использованием нескольких детекторов (в первую очередь детектор проходящего света), в то время, как USEPA предполагает использование только "чистой" нефелометрии, что фактически ограничивает его область применения диапазоном 0-40 NTU.

* показанные единицы не отвечают общепринятым стандартам

Таблиця 2

Единицы мутности 

Разнообразие единиц мутности позволяет расширить область применения данного метода анализа, но вносит определенную неразбериху в интерпретацию результатов. Данный обзор не претендует на полноту и охватывает наиболее распространенные единицы измерения мутности. Со сменой технологий одни стандарты уходят в прошлое (например, JTU), а их место занимают новые, более полно отвечающие современным требованиям. В практической работе аналитику приходится сталкиваться с разными единицами мутности, и при их сопоставлении важно помнить о следующем:

1. Знак равенства между разными формазиновыми единицами мутности (FTU) можно ставить только в точках калибровки и только для формазиновой суспензии. Как поведет себя конкретная модель прибора на конкретном образце, предсказать практически невозможно.

2. Нельзя сравнивать результаты, полученные на приборах разной конструкции, даже если они были откалиброваны по одним стандартам.

3. При выборе мутномера в первую очередь нужно ориентироваться на работающий государственный, отраслевой либо корпоративный эталон. Если такового нет, выбор прибора следует производить, основываясь на возможностях адаптации мутномера для конкретной задачи (наличие нескольких детекторов, компенсация цветности, большое количество точек калибровки, возможность использования пользовательских стандартов и пользовательских шкал).