Zavarosság

A zavarosság a folyadékok fátyolosságának mértéke, és a vízminőség egyik egyszerű és alapvető mutatójaként alkalmazzák. Évtizedek óta használják az ivóvíz – a szűréssel előállított vizeket is beleértve – minőségének ellenőrzésére. A zavarosságmérés során meghatározott jellemzőkkel rendelkező fénysugarat alkalmaznak a vízben vagy más folyadékmintában jelen lévő részecskék félkvantitatív jelenlétének meghatározására. A fénysugarat beeső fénysugárnak nevezik. A vízben lévő anyagok a beeső fénysugarat szétszórják, és ennek a szórt fénynek a mérésével és egy kalibrációs standardhoz viszonyításával számszerűsíthető a zavarosság. Minél nagyobb a mintában lévő részecskék mennyisége, annál nagyobb a beeső fénysugár szóródása, és annál nagyobb a zavarosság.

A mintában lévő, meghatározott beesőfény-forráson (gyakran izzólámpán, fénykibocsátó diódán (LED) vagy lézerdiódán) áthaladó részecskék adják a minta zavarossági értékét. A szűrés célja, hogy eltávolítsa a részecskéket az adott mintából. Amikor a szűrőrendszerek megfelelően működnek és azok működését zavarosságmérővel felügyelik, a kimeneti víz zavarossági értékének alacsonynak és stabilnak kell lennie. Egyes zavarosságmérők kevésbé hatékonyak a szupertiszta vizek esetén, ahol a részecskeméret és a részecskeszám nagyon alacsony. Azon zavarosságmérők, amelyek ezen az alacsony szinten nem elég érzékenyek, nem képesek megkülönböztetni egy szűrő átszakadásából eredő kis mértékű zavarosságváltozást a készülék zavarossági alapzajától.

Ez az alapzaj több forrásból származik, beleértve a készülék belső zaját (elektronikus zajt), a műszer szórt fényét, a minta zaját és a fényforrás zaját. Ezek az zajok összeadódnak, és a falspozitív zavarossági eredmények elsődleges forrásává válnak, és hátrányosan befolyásolhatják a készülék észlelési határértékét.

Az elmúlt évtizedben újabb lézeralapú technikák jelentek meg a zavarosságmérés területén, és érzékenyebbnek bizonyultak a szűrőteljesítmény ellenőrzésére. Ezek a lézeralapú technológiák korábban és jobb érzékelési szintek mellett képesek azonosítani a szűrőproblémákat. A tisztább vízminták alacsony zavarosságértékének mérésére a lézeres zavarosságmérők alkalmasabbak, mivel fejlett optikai kialakításuk nagyobb érzékenységet és stabilitást biztosít.

A lézeres zavarosságmérők nagy mértékben kollimált (olyan fény, amelynek sugarai párhuzamosak), lézeralapú, elsősorban monokromatikus fényforrást alkalmaznak. A fényforrás jellemzői lehetővé teszik, hogy a fényenergiát az egyes műszerek mintakamrájában nagyon kis térfogatra koncentrálják és fókuszálják. Ez a megoldás nagy teljesítménysűrűségű beeső fénysugarat biztosít, amelyet a mintában lévő részecskék hatékonyan szórnak szét. Az érzékelő is érzékenyebb lett, és jobban reagál a szórt fényre. A maximális optikai érzékenység elérése érdekében az érzékelő válaszspketrumának csúcsának teljes átfedésben kell lennie a beeső fényforrás által kibocsátott spektrummal. Az érzékelő érzékenységének, a kollimált fényforrásnak és a beeső fény nagy teljesítménysűrűségének kombinációja nagyon magas jel-zaj arányt biztosít a lézeres zavarosságmérő számára. Ez a jel-zaj arány növeli az érzékenységet, hogy a műszer képes legyen a zavarosság nagyon kis változásait is észlelni, megkülönböztetve azokat a mérési alapvonaltól. Más szóval, a magas jel-zaj arány az érzékeny zavarosságmérő jele.

A lézeres zavarosságmérők és a magas jel-zaj arányt biztosító egyéb műszerek rendkívül stabil mérési alapértékeket biztosítanak a hagyományos zavarosságmérőkhöz képest. A stabil alapvonalak lehetővé teszik a zavarosság nagyon kis mértékű változásainak észlelését egy olyan mintában, amelyben ezek a hagyományos zavarosságmérőkkel nem lennének megkülönböztethetők. Továbbá ez az alapvonal a stabilitás szempontjából jellemezhető, és további elemzési paraméterként szolgál. Ez a paraméter kiegészíti a zavarosságmérési érték irányított trendjét.

A lézeres zavarosságmérők megjelenése javította a szűrési hibák észlelését. Ezek a műszerek jelentősen fejlettebb optikai tulajdonságokkal rendelkeznek, amivel egy nagyon stabil folyamatmérési rendszert biztosítsanak. Ez a megnövelt stabilitás további információkat szolgáltat, amelyek a lézeres zavarosságmérésből kiolvashatók. Fontos megérteni, hogy a zavarosság egy módszeralapú mérés, és mennyiségi szempontól csak az azonos módszerből származó zavarosságértékek hasonlíthatók össze, a pontossági specifikációk alkalmazásával. Az abszolút zavarossági értékek különbsége jelezheti a két módszer közötti eltérést, ami a kalibrációtól függően változhat. Ezt a tényezőt mindig figyelembe kell venni a zavarosságmérések összehasonlításakor. A zavarosságmérés kapcsán a kalibrálás és kalibrálás hitelesítésének fontosságát nem lehet eléggé kihangsúlyozni. A kalibrálás minősége a standardok minőségétől függ, amelyek döntő szerepet játszanak a zavarosságmérés minőségének megállapításában és ellenőrzésében.

A turbidimetriás mérésekre vonatkozó standardok témája összetett, részben a széles körben használt különböző standardok és a különböző szervezetek, például az USEPA és a Standard Methods által a jelentéstétel kapcsán elfogadott standardok, részben pedig a rájuk alkalmazott terminológiák és meghatározások miatt. A Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (Víz és szennyvíz vizsgálatára vonatkozó standard módszerek) 19. kiadásában tisztázásra kerültek az elsődleges és másodlagos standardok. A Standard Methods az elsődleges standardot olyan standardként határozza meg, amelyet a felhasználó nyomon követhető nyersanyagokból készít, pontos módszereket alkalmazva, ellenőrzött környezeti feltételek mellett. Zavarosság szempontjából a formazin az egyetlen elismert valódi elsődleges standard, minden más standard a formazinra vezethető vissza. A zavarosságmérő műszer algoritmusait és specifikációit ezen elsődleges standard köré kell tervezni.

A Standard Methods másodlagos standardként azokat a standardokat határozza meg, amelyekkel kapcsolatban egy gyártó (vagy egy független vizsgálószervezet) tanúsítja, hogy azok használatával a műszer kalibrációs eredményei (bizonyos határokon belül) egyenértékűek lesznek a felhasználó által készített formazin standarddal (elsődleges standard) történő kalibrálás eredményeivel. Különféle, kalibrálásra alkalmas standardok érhetők el, köztük a kereskedelmi forgalomban kapható 4000 NTU formazin szuszpenziók, a stabilizált formazin szuszpenziók (StablCal™ stabilizált formazin standardok, amelyeket StablCal standardoknak, StablCal oldatoknak vagy StablCalnak is neveznek) és a kereskedelmi forgalomban mikrokapszulák formájában kapható sztirol-divinil-benzol kopolimer szuszpenziók.

A cikk írásának idején a műszergyártók által biztosított kalibrálásellenőrzési anyagok, mint például a latex szuszpenzióval töltött, lezárt mintacellák vagy a polimergélbe zárt fémoxid részecskék csak kalibrálásellenőrzési célokra használhatók, a műszerek kalibrálására nem. Ha eltérés van egy standard vagy egy műszer pontosságában, az ellenőrzéshez az elsődleges standardot (azaz felhasználó által készített formazint) kell használni.

Az elsődleges standardokat az összes többi standard értékének mérésére és meghatározására is használják. Az USEPA meghatározása szerint a zavarosságmérő kalibrálásának hitelesítésére a másodlagos standardok is használhatók. Azonban a műszerek kalibrálására a másodlagos standardok nem használhatók. Ilyen standardok például a fém-oxid gélek, a latex és minden olyan nem vizes standard, amely a kalibrációk napi ellenőrzésére használhatók. A használat a standard kialakításától függ. Másrészt a formazin, a StablCal standardok és az Amco AEPA-1 alternatív standardok a műszerek kalibrálására készültek.

Új zavarosságstandardok kerültek kifejlesztésre a zavarosságmérők teljesítményének kalibrálására vagy ellenőrzésére. A StablCal stabilizált formazin standardok ugyanolyan fényt szóró polimert tartalmaznak, mint a hagyományos formazin elsődleges zavarossági standardok. Más mátrix használata miatt a StablCal standardokban lévő polimer az idő előrehaladásával nem degradálódik, szemben az alacsony turbiditású formazin standardokkal. Ennek a fokozott stabilitásnak köszönhetően bármilyen, legfeljebb 4000 NTU koncentrációjú StablCal standard használatra kész formában gyártható és csomagolható. Ennek köszönhetően idő takarítható meg, és minimalizálható a standardnak való közvetlen kitettség.

A StablCal stabilizált formazin standardok stabilnak és összehasonlíthatónak bizonyultak a hagyományos, frissen készített formazin standardokkal. A 0,30 és 4000 NTU közötti tartományban lévő standardok a gyártástól számított legalább két évig bizonyítottan az eredeti elkészítési értékeik 5%-án belül maradnak. Összehasonlíthatósági szempontból a StablCal standardok bármely zavarosságmérő kalibrációs standardjaként használhatók, a készülékek válaszreakciói között csak nagyon minimális különbségek vannak. A formazin stabilizálása a StablCal standardok kifejlesztését eredményezte. Ezek a standardok a hagyományos formazin standardokkal kapcsolatos problémák kiküszöbölésére szolgálnak. Ez a stabilizálás lehetővé teszi, hogy ezeket a standardokat olyan szerkezetekbe csomagolják, amelyek jelentősen csökkentik a felhasználó standardnak való esetleges kitettségét. Továbbá a StablCal és a hagyományos, azonos koncentrációjú formazin standardok összehasonlításakor a vizsgálatok azt mutatták, hogy a StablCal standardokban lévő maradvány hidrazin-szulfát két-három nagyságrenddel csökken. A formazin stabilizálása révén a StablCal standardok használatra kész standardokat biztosítanak, megspórolva ezzel az alacsony zavarosságú, hagyományos formazin standardok elkészítéséhez szükséges nagy mennyiségű időt. A felhasználók ezeket a stabilizált standardokat használhatják a terepen is, ugyanakkor biztosak lehetnek afelől, hogy a standardok a nem laboratóriumi körülmények között is pontosak és megismételhetők lesznek.

A rendkívül magas zavarosság mérése általában olyan zavarosságmérés, ahol a nefelometriai fényszóródás már nem használható a mintákban lévő részecskekoncentráció mérésére. Egy 1 hüvelykes mérési útvonalhosszúságú mintában a nefelometriai fényszóródás mértéke 2000 NTU feletti zavarosság esetén csökkenni kezd. Ezen a ponton a zavarosság növekedése a nefelometriai jel csökkenését eredményezi.

Ezenfelül ultramagas zavarosság mérésénél a szín jelentős mértékben befolyásolhatja a mérést. A minta színének hatása miatt a nefelometriai zavarosságmérés alkalmazása korlátozott, különösen az olyan ipari folyamatokban, ahol italokkal, élelmiszerekkel, sejtkultúrákkal és vízben diszpergált olajjal foglalkoznak.

Azonban az ilyen minták zavarosságának meghatározására egyéb mérések is használhatók. Ilyen például a transzmittált, az előre szórt és a visszaverődés módszer. A transzmittált és az előre szórt jelek fordítottan arányosak a zavarosság növekedésével, és 4000 NTU-ig jól használhatók. 4000 NTU felett (a szabványos 1 hüvelykes útvonal használata esetén) a transzmittált és az előre szórt jelek olyan alacsonyak, hogy a készülék zaja jelentős tényezővé válik. Másrészt a visszaverődéses jelek a zavarosság növekedésével arányosan növekednek. A visszaverődéses mérések rendkívül hatékonynak bizonyultak a zavarosság meghatározására, különösen az 1000–10 000 NTU (és magasabb) tartományban. 1000 NTU alatt a visszaverődéses jelszintek rendkívül alacsonyak, így a készülék zaja zavarja a méréseket. Az érzékelők kombinálásával a zavarosság most már az ultraalacsony szinttől az ultramagas szintig is mérhető.

Az ilyen típusú mérést arányosított turbidimetriának hívják. Az arányosított zavarosságmérő számos pozitív tulajdonsága optikai konfigurációjának köszönhető. Ilyen a jó stabilitás, a linearitás, az érzékenység, az alacsony szórt fény és a színfüggetlenég. Egy arányosított mérőkészülékben egy nagy méretű transzmittáltfény-érzékelő méri a mintán áthaladó fényt. Egy semleges sűrűségű szűrő csökkenti az érzékelőt érő beeső fény mennyiségét, és a kombináció 45 fokkal el van forgatva a beeső fényhez képest, így a szűrő és az érzékelő felületéről érkező visszaverődések elkerülik a mintacella területét. Egy előre szórt fényérzékelő a transzmittált iránytól 30 fokban szórt fényt méri. Az előre szórt irányhoz képest névlegesen 90 fokban elhelyezett érzékelő a mintából a beeső fénysugárhoz képest normál módon elszórt fényt méri. A negyedik, visszaverődéses érzékelő pedig a transzmittált iránytól névlegesen 138 fokban szórt fényt méri. Ez az érzékelő még a nagyon zavaros mintákban is „látja” a szórt fényt, amikor a többi érzékelő már nem ad lineáris jelet. A minta zavarosságának kiszámításához az egyes érzékelőktől kapott jeleket a rendszer matematikai módon kombinálja.

Az ultramagas zavarosságmérést számos alkalmazásnál használják. Például a tej zsírtartalmának meghatározásához, a festékek alkotórészeinek, például a titán-dioxidnak a meghatározásához, a cellulóz- és papírfeldolgozó üzemekben a folyadékoldatok meghatározásához, valamint érciszapok ellenőrzésére használják.

Az ultramagas zavarosságméréseket általában folyamatvezérlés ellenőrzésére szolgáló mechanizmusként alkalmazzák közvetlenül vagy a teljes szuszpendált szilárd anyag (TSS) mennyiségének hosszas gravimetrikus elemzésének kiváltására. Korrelációt kell felállítani a minta zavarossága és TSS-szintje között. Ha ilyen korreláció a rendelkezésre áll, akkor egy zavarosságmérő használható a minta TSS-szintjének megfigyelésére, ami azonnali eredményeket biztosít. A felhasználónak először meg kell határoznia a zavarosság és a folyamatáram különböző körülményei közötti összefüggést. Az összefüggés meghatározása során a mintából hígítási sort kell készíteni, majd megmérni minden egyes minta zavarosságát és TSS-szintjét. Ezután ábrázolni kell a zavarosság (y-tengely) és az egyes hígítások (x-tengely) függvényét. A görbére legjobban illeszthető meredekségi trendvonal adja meg az összefüggés természetét. Egy zavarosságmérő használatával egy folyamatban a TSS-szint változásának észlelése órákról másodpercekre csökkenthető.