Mutnoća

Mutnoća, mjera zamućenosti u tekućinama, prepoznata je kao jednostavan i osnovni indikator kakvoće vode. Desetljećima se upotrebljava za praćenje pitke vode, uključujući one proizvedene filtracijom. Mjerenje mutnoće uključuje upotrebu svjetlosne zrake s određenim značajkama kako bi se utvrdila polukvantitativna prisutnost čestica koje se nalaze u uzorku vode ili druge tekućine. Svjetlosna se zraka naziva upadna svjetlosna zraka. Materijal prisutan u vodi uzrokuje raspršivanje upadne svjetlosne zrake i ta se raspršena svjetlost otkriva i kvantificira u odnosu na standard sljedive kalibracije. Što je veća količina materijala čestica koje se nalaze u uzorku, jače je raspršivanje upadne svjetlosne zrake te je veća rezultirajuća mutnoća.

Svaka čestica u uzorku koja prođe kroz određeni izvor upadne svjetlosti (često sijalica, svjetleća dioda (LED) ili laserska dioda) može doprinijeti cjelokupnoj mutnoći u uzorku. Cilj je filtracije ukloniti čestice iz svakog uzorka. Kad filtracijski sustavi rade pravilno i prate se mjeračima mutnoće, mutnoća efluenta ima značajke niskog i stabilnog mjerenja. Neki mjerači mutnoće postaju manje učinkoviti kod mjerenja iznimno čiste vode, u kojoj su veličina i broj čestica vrlo niske. Kod mjerača mutnoće koji nemaju dovoljnu osjetljivost pri takvim niskim razinama promjene u mutnoći koje su rezultat perforacije filtra mogu biti toliko male da se ne mogu razlikovati od osnovnog mjernog šuma (bazne linije) instrumenta.

Osnovni šum dolazi iz nekoliko izvora, uključujući inherentni šum instrumenta (elektronički šum), raspršena svjetlost instrumenta, šum uzorka te onaj vezan uz sam izvor svjetlosti. Te su smetnje aditivne i postaju osnovni izvor pojave lažno pozitivnog otkrivanja mutnoće te mogu štetno utjecati na granicu detekcije instrumenta.

U proteklom desetljeću pojavile su se novije laserske tehnike u analizi mutnoće i pokazale su se osjetljivijom metodom za praćenje učinkovitosti filtra. Te laserske tehnologije mogu ranije i uz bolje razine detekcije otkriti probleme u cjelovitosti filtriranja. Laserski mjerači mutnoće bolji su za analizu niske razine mutnoće u uzorcima čišće vode jer imaju poboljšane optičke sustave koji nude veću osjetljivost i osnovnu stabilnost.

Laserski mjerač mutnoće rabi visokokolimirani (svjetlost paralelnih zraka), uglavnom monokromatski laserski izvor svjetlosti. Značajke ovog izvora svjetlosti omogućuju koncentriranje i fokusiranje svjetlosne energije u vrlo maleni volumen unutar komore za uzorkovanje u svakom instrumentu. Ova kombinacija daje upadnu zraku velike gustoće zračenja koja se učinkovito raspršuje na česticama unutar uzorka. Detektor je također veće osjetljivosti i daje veći odziv raspršene svjetlosti. Poželjno je da se vrh spektra odziva detektora u potpunosti preklapa sa spektrom koji emitira upadni izvor svjetlosti kako bi se generirala maksimalna optička osjetljivost. Ta kombinacija osjetljivosti detektora, kolimiranog izvora svjetlosti i velike gustoće zračenja upadne svjetlosti daje vrlo visok omjer signala i šuma za laserski mjerač mutnoće. Taj omjer signala i šuma povećava osjetljivost otkrivanja vrlo malih promjena mutnoće koje se mogu razlikovati od osnovnih vrijednosti mjerenja. Drugim riječima, visok omjer signala i šuma naznaka je osjetljivog mjerača mutnoće.

Laserski mjerači mutnoće i drugi instrumenti koji imaju visok omjer signala i šuma dat će iznimno stabilne osnovne vrijednosti mjerenja u usporedbi s tradicionalnim mjeračima mutnoće. Stabilne osnovne vrijednosti omogućuju otkrivanje vrlo malih promjena mutnoće u uzorku koje konvencionalni mjerači mutnoće ne bi mogli razlikovati. Nadalje, ova osnovna vrijednost ima značajku stabilnosti i može služiti kao dodatni parametar analize. Taj bi parametar nadopunio trendove promjene same vrijednosti mjerenja mutnoće.

Pojava laserskih mjerača mutnoće poboljšala je otkrivanje nedostataka u cjelovitosti filtriranja. Ti instrumenti imaju značajno poboljšane optičke kvalitete čime se dobiva vrlo stabilan sustav procesnog mjerenja. Poboljšana stabilnost nudi dodatne podatke koji se mogu otkriti laserskim mjerenjem mutnoće. Važno je razumjeti da se mjerenje mutnoće zasniva na metodi i kvantitativno se mogu uspoređivati samo ona mjerenja dobivena istom metodologijom s pomoću specifikacija preciznosti. Razlika u apsolunim vrijednostima mutnoće može ukazivati na odstupanje između dvije metode, što isto može ovisiti o kalibraciji. Ovaj se uvjet uvijek mora uzeti u obzir pri usporedbi mjerenja mutnoće. Važno je istaknuti i vrijednost kalibracije i provjera kalibracije u mjerenjima mutnoće. Kvaliteta kalibracije ovisi o kvaliteti standarda, što ima ključnu ulogu u utvrđivanju i provjeri kvalitete mjerenja mutnoće.

Normizacija u mjerenju mutnoće zahtjevna je dijelom zbog raznih vrsta normi u uobičajenoj upotrebi za izvješćivanje kod organizacija kao što su USEPA i Standard Methods (Standardne metode), a dijelom zbog terminologije ili definicije koju primjenjuje. U 19. izdanju Standardnih metoda za ispitivanje vode i otpadnih voda razlikuju se primarni naspram sekundarnih standarda. Standardne metode određuju primarni standard kao onaj koji korisnik priprema od sljedivih sirovina, primjenjujući precizne metode u kontroliranim uvjetima okoline. Kod mjerenja mutnoće formazin je jedini priznati primarni standard, a svi ostali standardi vraćaju se na formazin. Nadalje, algoritmi instrumenta i specifikacije mjerača mutnoće trebaju se vezati uz ovaj primarni standard.

Standardne metode određuju sekundarne standarde kao one koje je proizvođač (ili neovisna ispitna organizacija) certificirao kako bi rezultati kalibracije instrumenta bili (unutar određenih granica) ekvivalenti rezultatima dobivenim kada je instrument kalibriran sa (primarnim) standardima formazina koje je pripremio korisnik. Dostupni su razni prikladni standardi za kalibraciju, uključujući komercijalne suspenzije od 4.000 NTU formazina, stabilizirane suspenzije formazina (stabilizirani formazinski standardi StablCal™, koji se nazivaju i standardi StablCal, otopine StablCal ili StablCal) i komercijalne suspenzije mikrosfera kopolimera stiren-divinilbenzena.

U trenutku pisanja, stavke za provjeru kalibracije koje isporučuju proizvođači instrumenata, kao što su zatvorene kivete za uzorke napunjene suspenzijom lateksa ili česticama metalnog oksida u polimernom gelu, rabe se za provjeru kalibracije, ali se ne upotrebljavaju za provedbu kalibracije instrumenata. Ako postoji neusklađenost u točnosti standarda ili instrumenta, za provjeru se trebaju upotrijebiti primarni standardi (tj., formazin koji priprema korisnik).

Primarni se standardi upotrebljavaju i za mjerenje i određivanje vrijednosti svih drugih standarda. Prema definiciji USEPA-e sekundarni se standardi upotrebljavaju za provjeru kalibracije mjerača mutnoće. Međutim, sekundarni se standardi ne bi trebali upotrebljavati za kalibraciju instrumenata. Primjeri tih standarda uključuju gelove metalnih oksida, lateks i sve bezvodne standarde koji su određeni za svakodnevno praćenje kalibracije. Upotreba ovisi o formi standarda. S druge strane, formazin, standardi StablCal i alternativni standardi Amco AEPA-1 osmišljeni su za kalibriranje instrumenata.

Za kalibriranje ili provjeru rada mjerača mutnoće razvijen je novi standard mutnoće. Stabilizirani formazinski standardi StablCal sadrže isti polimer za raspršivanje svjetlosti kao tradicionalni formazinski primarni standardi mutnoće. Primjenom drugačije matrice polimer u standardima StablCal neće s vremenom degradirati, kao što je slučaj s formazinskim standardima niske mutnoće. Zahvaljujući povećanoj stabilnosti standardi StablCal bilo koje koncentracije do 4.000 NTU mogu se proizvoditi i pakirati u oblicima koji su odmah spremni za upotrebu. Tako se štedi vrijeme i smanjuje izravna izloženost standardu.

Stabilizirani formazinski standardi StablCal pokazali su se stabilnima i usporedivima s tradicionalnim, svježe pripremljenim formazinskim standardima. Standardi u rasponu od 0,30 do 4.000 NTU dokazano ostaju unutar 5 posto vrijednosti svoje izvorne pripreme najmanje dvije godine. Što se tiče usporedbe, standardi StablCal mogu se jednako upotrebljavati kao standardi kalibracije na svim mjeračima mutnoće uz vrlo minimalne razlike u odzivu instrumenta. Stabilizacija formazina rezultirala je razvojem standarda StablCal. Ti standardi služe kao rješenja problema povezanih s tradicionalnim formazinskim standardima. Stabilizacija omogućuje pakiranje standarda u strukture koje uvelike smanjuju svako potencijalno izlaganje korisnika standardu. Nadalje, kad se StablCal uspoređuje s tradicionalnim formazinskim standardima jednake koncentracije, ispitivanja su pokazala da je rezidualni hidrazin sulfat u standardu StablCal smanjen za dva do tri reda veličine. Stabilizacija formazina u standardima StablCal korisniku nudi standarde spremne za upotrebu, a velika količina vremena potrebna za pripremu tradicionalnih formazinskih standarda niske mutnoće sada je uklonjena. Korisnici ove stabilizirane standarde mogu upotrebljavati na terenu i biti sigurni da standardi nude točne i ponovljive rezultate u nelaboratorijskom okruženju.

Mjerenja iznimno visoke mutnoće su mjerenja mutnoće koja se primjenjuju kada se nefelometrijsko raspršivanje svjetlosti više ne može upotrijebiti za procjenu koncentracije u uzorcima. U uzorku s mjernom duljinom puta od 1 inča nefelometrijski raspršeni signali svjetlosti počinju slabiti kad mutnoća pređe 2.000 NTU. U toj točki povećanje mutnoće rezultirat će smanjenjem nefelometrijskog signala.

Uz to, boja može biti glavni razlog interferencije u mjerenjima iznimno visoke mutnoće. Zbog utjecaja boje uzorka primjena je stroge nefelometrijske mutnoće ograničena, posebno u industrijskim procesima proizvodnje pića, prehrambenih proizvoda, staničnih kultura i ulja dispergiranog u vodi.

Međutim, za određivanje mutnoće takvih uzoraka mogu se primijeniti druga mjerenja. Među njima su i sljedeće tri metode: transmisije, raspršenja prema naprijed i raspršenja unatrag. Signali transmisije i raspršenja prema naprijed obrnuto su proporcionalni povećanoj mutnoći i imaju dobar odziv do 4.000 NTU. Iznad 4.000 NTU (uz standardnu duljinu puta od 1 inča), signali transmisije i raspršenja prema naprijed toliko su niske razine da šum uređaja postaje veliki faktor smetnje. S druge strane, signali raspršenja unatrag povećavat će se proporcionalno s rastom mutnoće. Mjerenja raspršenja unatrag učinkovita su u određivanju mutnoće posebice u rasponu od 1.000 do 10.000 NTU (i više). Ispod 1.000 NTU razine signala raspršenja unatrag vrlo su male i šum počinje ometati mjerenja. Kombinacijom detektora mutnoća se sada može mjeriti u rasponu od izuzetno niskih do vrlo visokih razina.

Ta vrsta mjerenja poznata je kao turbidimetrija omjera. Optička konfiguracija mjerača omjera mutnoće ključna je za nekoliko radnih značajki. Među njima su dobra stabilnost, linearnost, osjetljivost, niska razina raspršene svjetlosti i odbacivanje utjecaja boje. U instrumentu omjera veliki detektor transmitirane svjetlosti mjeri svjetlost koja prolazi kroz uzorak. Filtar neutralne gustoće prigušuje svjetlost koja pada na taj detektor, a kombinacija je nagnuta 45 stupnjeva prema upadnoj svjetlosti tako da refleksije s površine filtra i detektora ne ulaze u kivetu s uzorkom. Detektor raspršenja prema naprijed mjeri svjetlost raspršenu na 30 stupnjeva od smjera transmisije. Detektor pod nagibom od 90 stupnjeva u odnosu na smjer prema naprijed mjeri raspršenje svjetlosti s uzorka okomito na upadnu zraku. I četvrti, detektor raspršenja unatrag, mjeri svjetlost raspršenu na 138 stupnjeva od smjera transmisije. Taj detektor „vidi“ svjetlost raspršenu u vrlo mutnim uzorcima kad drugi detektori više ne proizvode linearni signal. Signali svakoga od tih detektora matematički se sjedinjuju kako bi se izračunala mutnoća uzorka.

Mjerenje iznimno visoke mutnoće ima puno primjena. Upotrebljava se za praćenje sadržaja masti u mlijeku, smola u bojama kao što je titanijev dioksid, otopina u tvornicama za preradu celuloze i proizvodnju papira i emulzija u radu mlinova.

Mjerenje iznimno visoke mutnoće obično se primjenjuje kao mehanizam za praćenje kontrole procesa izravno ili kao zamjena dugotrajnoj gravimetrijskoj analizi ukupnih suspendiranih krutih čestica (TSS). Treba utvrditi korelaciju između mutnoće i suspendiranih krutih čestica (TSS) u uzorku. Ako takva korelacija postoji, tada se mjerač mutnoće može upotrijebiti za praćenje promjena ukupnih suspendiranih krutih čestica (TSS) u uzorku. Korisnik prvo treba utvrditi odnos mutnoće i promjena uvjeta u procesnom toku. Za određivanje ovog odnosa pripremaju se razrjeđenja uzoraka pa se zatim mjeri mutnoća i TSS svakog razrjeđenja. Zatim se prikazuje grafička ovisnost mutnoće (os y) u odnosu na odgovarajuće razrjeđenje (os x). Nagib linije najboljeg uklapanja naznačit će prirodu tog odnosa. Vrijeme odziva na promjenu ukupnih suspendiranih krutih čestica (TSS) u procesu može se s pomoću mjerača mutnoće smanjiti sa sati na sekunde.