濁度測(cè)量的方法與原理

一束平行光在透明液體中傳播，如果液體中無(wú)任何懸浮顆粒存在，光束在直線傳播時(shí)不會(huì)改變方向；若液體中有懸浮顆粒，不管顆粒透明與否，光束在遇到顆粒時(shí)會(huì)改變方向，形成各個(gè)方向上的散射光，顆粒越多即濁度越高，對(duì)光束的散射作用就越大。但液體中顆粒和顆粒之間肯定會(huì)存在間隙，肯定也有部分光束從液體中顆粒之間的間隙透射出來(lái)，這部分光我們稱之為透射光。如果液體色度為零，那么理論上散射光與透射光之和即等于入射光，實(shí)際上液體中的顯色物質(zhì)對(duì)對(duì)部分入射光存在吸收。根據(jù)測(cè)量不同來(lái)源的出射光強(qiáng)度可以將采用儀器測(cè)量濁度的方法分為三類：散射光測(cè)量法，透射光測(cè)量法以及散射光-透射光測(cè)量法。

1、散射光測(cè)量法

濁度計(jì)是根據(jù)散射光測(cè)量法的原理設(shè)計(jì)的。測(cè)定原理基于：對(duì)于低濃度樣品，濁度S,入射光強(qiáng)度I0 ,散射光強(qiáng)度I,儀器常數(shù)k，樣品池光程長(zhǎng)度b，樣品中顆粒C之間有如下關(guān)系：

S=-lg(I/ I0)=kbC

當(dāng)光射入水樣時(shí)，構(gòu)成濁度的顆粒物對(duì)光發(fā)生散射，散射光強(qiáng)度與水樣的濁度成正比。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO7027-1984設(shè)計(jì)的便攜式濁度計(jì)，測(cè)量的是與入射光成90度的散射光強(qiáng)度，采用鎢燈光源，LED發(fā)射高強(qiáng)度880nm波長(zhǎng)的近紅外光，將光電傳感器放在與發(fā)射光垂直的位置上，用微電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可進(jìn)行自檢和直接讀出水樣NTU值，檢測(cè)范圍為0-4000NTU。

2、透射光測(cè)量法

分光光度計(jì)是根據(jù)透射光測(cè)量法的原理設(shè)計(jì)的，入射光波長(zhǎng)選定為680nm。測(cè)定原理基于朗伯-比爾定律：數(shù)學(xué)表達(dá)式

A=lg(1/T)=kbC

A為吸光度,T為透射比,是透射光強(qiáng)度比上入射光強(qiáng)度 k為摩爾吸收系數(shù)。它與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長(zhǎng)λ有關(guān)。C為吸光物質(zhì)的濃度 b為吸收層厚度。物理意義是當(dāng)一束平行單色光垂直通過(guò)某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時(shí),其吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度C及吸收層厚度b成正比。

當(dāng)用分光光度計(jì)測(cè)量水樣濁度雖然在測(cè)量結(jié)果上與濁度計(jì)并無(wú)太大差異，在數(shù)學(xué)表達(dá)式上也是一樣。但理論上卻存在明顯漏洞，原因就在于，入射光在通過(guò)水樣的過(guò)程中損失掉一部分光，而zui終出射剩下的光即透射光。上面已經(jīng)討論過(guò)，損失掉的這部分光一部分是被散射掉了，一部分是被吸收掉了，如果以透射光測(cè)量法來(lái)測(cè)量樣品的濁度，一是不符合體現(xiàn)顆粒物對(duì)光的散射作用，二是沒(méi)有考慮到樣品中存在的其他物質(zhì)對(duì)光的吸收作用。用分光光度計(jì)法來(lái)測(cè)定水樣的濁度僅僅只是簡(jiǎn)單的認(rèn)為損失掉的那部分光全是由水樣中顆粒物的作用造成的，沒(méi)有揭示出水樣中存在顆粒物使其具有濁度這一性質(zhì)的機(jī)制。這種方法在我國(guó)也僅適合測(cè)定在低色度條件下較高濁度的水樣。美國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)管理機(jī)構(gòu)并不承認(rèn)這種方法的有效性，也違背了美國(guó)公共衛(wèi)生協(xié)會(huì)對(duì)濁度的定義。結(jié)合我國(guó)實(shí)際，隨著對(duì)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的要求越來(lái)越嚴(yán)，我們也要盡可能不要采用這種方法來(lái)測(cè)定水質(zhì)濁度。

3、目視比濁法

這是比較原始但卻在某些特殊條件下也是濁度測(cè)量的一種有效方法。將人的肉眼當(dāng)做檢測(cè)器，用濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋成密集的梯度系列，從中檢視出與待測(cè)水樣濁度接近的兩個(gè)系列，由此估算出水樣的濁度。此方法不需要原理復(fù)雜的儀器，不需要花很多錢購(gòu)買儀器，對(duì)于想搞科研但又經(jīng)濟(jì)條件有限個(gè)人，還有著較多的應(yīng)用領(lǐng)域。

4濁度在線監(jiān)測(cè)和比濁滴定法

隨著檢測(cè)技術(shù)的越加自動(dòng)化和智能化，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了在線濁度分析儀，該儀器采用雙光束紅外和散射光光度計(jì)檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)以散射光-透射光測(cè)量法為原理，基于同時(shí)測(cè)量散射光和透射光強(qiáng)度，根據(jù)散射光和透射光或二者之和的比值大小來(lái)測(cè)定濁度，這樣測(cè)出來(lái)的濁度受水樣的色度影響較小。對(duì)于自來(lái)水廠中濾池反沖洗水濁度，原水及沉淀池出水濁度以及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程循環(huán)冷卻水濁度的監(jiān)測(cè)具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)。

該儀器雙檢測(cè)器光學(xué)系統(tǒng)可補(bǔ)償樣品顏色，光波動(dòng)及雜散光的影響，配有樣品過(guò)濾和脫氣裝置，在儀器測(cè)量探頭內(nèi)部，位于45度角有一個(gè)內(nèi)置的LED鎢燈光源，可以向樣品發(fā)射880nm的近紅外光，該光束經(jīng)過(guò)樣品中懸浮顆粒的散射后，與入射光成90度的散射光由該方面的檢測(cè)器檢測(cè)并經(jīng)過(guò)內(nèi)置的微電腦計(jì)算，從而得到樣品的濁度，且測(cè)量探頭還具有自清洗功能。檢測(cè)范圍為0-4000NTU。

比濁滴定法主要是用于測(cè)定能形成懸浮體的沉淀物質(zhì),例如微量磷、硫、氯和鈣等的測(cè)定,生物堿沉淀試劑形成的混濁也可用此法測(cè)定。這是根據(jù)懸浮體的透射光或散射光的強(qiáng)度以測(cè)定物質(zhì)組分含量的一種分析方法。當(dāng)光線通過(guò)一混濁溶液時(shí),因懸浮體選擇地吸收了一部分光能,并且懸浮體向各個(gè)方面散射了另一部分光線,減弱了透過(guò)光線的強(qiáng)度。 

 在水質(zhì)監(jiān)測(cè)和管理過(guò)程中，比濁法常用于測(cè)量飲用水、工業(yè)用水、廢水的透明度；也用于測(cè)量空氣及其他各種氣體中懸浮固體的含量，是空氣和水污染研究的一種工具。在釀造工業(yè)中，比濁法常用于各種飲料澄清過(guò)程的控制和過(guò)濾過(guò)程的監(jiān)控。在分析化學(xué)上，可通過(guò)生成懸浮沉淀的反應(yīng)產(chǎn)物來(lái)測(cè)定某些元素的濃度,例如,通過(guò)生成硫酸鋇懸浮物來(lái)測(cè)定Ba2+ 或硫酸根,以及在煤、焦炭、油、橡膠中的總硫量；通過(guò)生成硫化銀和氯化銀懸浮物來(lái)測(cè)定Ag+或Cl-；在容量分析中,濁度測(cè)量也可用于確定滴定終點(diǎn)，如用鈣鹽滴定氟化物、用銀鹽滴定溴化物、用鋇鹽滴定硫酸鹽等。在生物化學(xué)中，比濁法廣泛用于測(cè)定液體食品中的生長(zhǎng)量及氨基酸、維生素和等。根據(jù)懸浮體系中粒子的沉降速度與其半徑的平方成正比的原理，比濁法可用于不同大小粒子沉降速度的監(jiān)測(cè)和粒子大小的分類。

討論

一般污染水中的物質(zhì)除了大部分能溶于水之外，還有一部分不溶于水的，它們懸浮在水中，影響水中植物的光合作用，從而導(dǎo)致水中溶解氧不足，進(jìn)而導(dǎo)致水中好氧微生物對(duì)水體的自凈能力，水體營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩，則會(huì)導(dǎo)致水體進(jìn)一步富營(yíng)養(yǎng)化，藍(lán)藻大面積爆發(fā)，魚(yú)類大面積死亡，形成生態(tài)環(huán)境破壞的惡性循環(huán)。因此，測(cè)定水的濁度，懸浮物，溶解性固體等顆粒類指標(biāo)對(duì)改善水環(huán)境有重要意義。

除了濁度，水中顆粒的粒徑也是一項(xiàng)重要指標(biāo)，粒徑的大小直接關(guān)系到顆粒物在水中的沉將速率，對(duì)于水質(zhì)凈化中使用物理手段有決定意義。通常測(cè)定粒度可以選用德國(guó)貝克曼庫(kù)爾特公司和美國(guó)馬爾文公司的激光粒度測(cè)定儀。

光散射存在三種類型：丁鐸爾散射，瑞利散射和拉曼散射。當(dāng)樣品中顆粒大于或等于入射光波長(zhǎng)時(shí)，發(fā)生丁鐸爾散射；當(dāng)樣品中顆粒遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)時(shí)，發(fā)生瑞利散射和拉曼散射；只有當(dāng)樣品中顆粒大于或等于入射光波長(zhǎng)，發(fā)生丁鐸爾散射時(shí)，樣品濁度才適宜用濁度計(jì)測(cè)量。若發(fā)生瑞利散射和拉曼散射，樣品需用激光拉曼光譜儀測(cè)量。

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