Мутность (или турбидность) является одним из самых распространенных «интуитивных» параметров, определяющих качество воды, ведь это её первая очевидная характеристика, заметная даже непрофессионалу в области водоочистки. Действительно, мутность может говорить о многом, от качества обеззараживания воды до состояния наших озёр, океанов, ручьёв и других природных водоёмов.
Что такое мутность?
Если говорить простым языком, под мутностью понимают «облачность» воды. Она, как правило, порождается взвешенными частицами – это, например, фрагменты водорослей, различная грязь, минералы, различные белки и масла или даже бактерии. Измерения мутности осуществляются путём прохождения луча света сквозь образец раствора и определением содержания взвешенных частиц. Чем выше их содержание в образце – тем выше показатель турбидности.
Следует сказать, что, хотя мутность находится в корреляции со взвешенными твёрдыми частицами, её не следует путать с параметрами общего количества взвешенных твёрдых частиц (TSS). Измерения TSS – это количественное измерение массы твёрдых веществ, взвешенных в образце, путем взвешивания разделённых твердых веществ.
Важность определения мутности
Мутность – это значимая качественная характеристика воды во всех сферах, от муниципального водоснабжения до контроля окружающей среды. Первостепенной задачей фильтрования воды, используемой для питья, считается удаление и снижение мутности. В ходе водообработки эта величина измеряется на нескольких стадиях, чтобы определить качество очистки и обеспечить соблюдение государственных нормативов. Различные взвешенные частицы (грунт, водоросли и т. д.) в воде уменьшают эффективность химических процедур дезинфекции и могут являться носителями бактерий и паразитов. Из-за них вода может выглядеть слегка мутной либо иметь очевидно высокую мутность. Но, как уже было сказано выше, даже безотносительно к измерениям мутности, общая прозрачность воды является визуальным показателем качества, убеждающим потребителя в её безопасности. В конце концов, никто из нас не хочет пить мутную воду из-под крана!
Мутность воды также может указывать на загрязнение окружающей среды. Например, после штормов грязная вода может стекать с сельскохозяйственных полей, лесозаготовительных фабрик, строительных объектов и т. д. и быстро наводнять природные воды несвойственными им осадками. Это пагубно сказывается на жизни водных обитателей и растений и требует множества усилий для исправления ситуации. Измерения мутности также практикуются в производстве напитков и продуктов питания.
Как измеряется мутность?
Существует широкий ряд методов анализа мутности, от визуальной оценки до использования полномасштабных приборов количественного измерения содержания взвешенных частиц. Определённые визуальные методы идеально подходят для измерений в полевых условиях. Это, например, так называемый диск Секки. Его опускают на веревке вместе с прикреплённым к нему грузиком в речную воду, с тем, чтобы диск погружался вниз до того момента, пока он перестаёт быть видимым. Расстояние, на которое диск ушёл под воду, и будет считаться мерой мутности воды.
Наилучший способ измерить мутность в обширном спектре образцов – это использование нефелометра (или мутномера – измерителя мутности). В них используется световой и фотодетектор, с помощью которых измеряют степень рассеивания света. Затем эти данные переводят в так называемые нефелометрические единицы мутности (NTU) или единицы мутности по формазину (FTU).
Как уменьшить мутность?
Большинство мер по снижению мутности направлены на сокращение неконтролируемого выхода загрязнённых сточных вод. Между тем, и питьевая и сточная воды проходят специальную обработку для снижения мутности. Для осветления воду перемешивают с коагулянтом – квасцами. Взвешенные частицы обладают отрицательным зарядом, поэтому отталкиваются друг от друга, образуя мелкодисперсные частицы. С попаданием в воду квасцов взвешенный материал нейтрализуется до образования крупных устойчивых частиц, называемых «флоки», которые легко удаляются с помощью систем фильтрации.
Правила допустимого количества взвешенных частиц устанавливаются нормативами для обеспечения безопасности питьевой воды и эффективности её очистки. Так, например, согласно требованиям Агентства по охране окружающей среды США (USEPA), 95% питьевой воды в течение одного месяца должны иметь показатель мутности менее 0.5 NTU, и в то же время ни один отдельно взятый образец этой воды не должен превышать 5 NTU в любой момент времени.
Особенности выбора мутномера
Измерители мутности – это устройства, наделённые источником света, объективом и детектором, который располагается под углом 90° от источника света. В то время, как анализируемый материал помещается между источником света и детектором, находящиеся в нём частицы рассеивают свет так, что он достигает детектора, определяющего интенсивность рассеянного света и сравнивает эти значения со стандартами мутности. Некоторые приборы снабжены дополнительными детекторами для анализа образцов с очень высокой мутностью.
Общепринятые единицы определения мутности
Знание стандартов мутности также служит немаловажной частью измерений. В основном современные стандарты строятся на формазине – синтетическом полимере с частицами однородного размера. Он производится путём реакции сульфата гидразина с гексаметилентетрамином. Благодаря стабильности формазина его признают практически все контролирующие организации, такие как ISO, EPA и ASBC. Данный стандарт носит название FTU.
Большинство других единиц мутности основаны на FTU, но варьируются в зависимости от метода измерения. Вот несколько примеров:
1. Нефелометрические единицы мутности (NTU): единица, сходная с FTU, но используемая при измерении мутности приборами, соответствующими стандартам EPA.
2. Нефелометрическая единица измерения мутности (NTRU): измерения на основе стандарта EPA с применением коэффициентного метода определения мутности.
3. Нефелометрические единицы формазина (FNU): они также сходны с FTU, но характерны для измерителей со стандартами ISO 7027.
4. Шкала цветности, разработанная Американским обществом химиков пивоваренной промышленности (ASBC-FTU): используется измерителями, спроектированными по стандартам ASBC.
Для принятия эффективного решения о выборе стандарта также следует знать, что наиболее распространёнными из них сегодня являются EPA 180.1 и ISO 7027.
EPA-совместимые измерители мутности
Измерители, совместимые с EPA, соответствуют стандарту 180.1 определения мутности в образцах питьевой воды, а также грунтовых вод, стоков, морской воды и поверхностных вод. Они лучше всего работают в промежутке 0-40 NTU. Подобные измерители наделены вольфрамовыми лампами в качестве источников света. Эти лампы функционируют при цветовой температуре между 2200-3000 °К. Общий путь, проделанный падающим и рассеянным светом, не должен быть больше 10 см. Детектор такого прибора центрирован при 90° к падению луча и не допускается выход этого угла за рамки ± 30° от 90°. Прибор также наделяют спектральным пиковым откликом в промежутке 400-600 нм. И, наконец, необходимо, чтобы чувствительность мутномера выявляла разность значений 0.02 NTU и меньше в образцах с турбидностью менее единицы.
Отсюда можно сделать выводы, что EPA-совместимые измерители:
(+) Отлично подходят для измерений образцов с пониженной мутностью, таких как питьевая вода
(+) Признаются всеми стандартами EPA в плане формирования отчётности
(-) Плохо работают с цветными образцами ввиду поглощения белого света
ISO совместимые мутномеры
Эти измерители стоят по своей популярности на втором месте и аналогичны EPA-совместимым, но с некоторыми ключевыми отличиями. Во-первых, в роли источника света здесь выступает инфракрасный 860 нм светодиод. Во-вторых, спектральная ширина излучающей полосы не должна быть больше 60 нм.
ISO-измерители снабжены световыми детекторами примерно на 90° от источника излучения, хотя данный стандарт также поддерживает использование детекторов под другими углами.
В общем и целом, измерители ISO:
(+) Используют инфракрасный светодиод, который устраняет помехи, создаваемые цветностью образца
(+) Повышают точность анализа в более мутных образцах
(-) Неприемлемы стандартом EPA в США для формирования отчётности
Независимо от того, какой тип прибора вы выберете, обязательно проконсультируйтесь с любыми регулирующими организациями, особенно если вам необходимо формировать отчётность по измерениям. Также следует знать, что оба вышеописанных типа приборов могут функционировать в соответствии со стандартами формазина, а также коммерчески доступными стандартами AMCO-AEPA-1, которые признаны USEPA в качестве первичного эталона.
Шесть советов, которые помогут получить точные показатели мутности
Теперь, когда вы знаете, как выполнять измерения и какие мутномеры выбрать, приведём выдержки из лучших измерительных практик:
1. Начинайте измерения с использования качественных кювет
Как и при колориметрических тестах на хлор или ХПК, мы используем для размещения нашего образца для измерений специальные кюветы. Они являются значимой частью исследования, ведь свет проходит сквозь них точно так же, как через образец. Поэтому перед измерениями убедитесь, что ваши кюветы чистые и не содержат царапин, мешающих прохождению света через стекло, что порождает ложно высокие результаты. К счастью, ошибки в измерениях легко исправить, просто заменив кювету с видимыми царапинами на новую.
2. «Умасливайте» ваши кюветы
Так же, как видимые царапины стекла оказывают влияние на показатели мутности, незначительные дефекты тоже могут внести свой негативный вклад в результаты анализа. Эти, казалось бы, микроскопические царапины, оказывают в особенности сильное влияние, если вы работаете с образцами в низком диапазоне – например, с питьевой водой.
Для маскировки мелких дефектов в стекле можно использовать силиконовое масло. Оно имеет тот же показатель преломления, что и стекло, поэтому не будет мешать показаниям. Просто возьмите несколько капель масла, добавьте их в кювету, а затем тщательно протрите ёмкость безворсовой тканью. Если всё было сделано правильно, то «на выходе» вы обнаружите кювету, которая кажется практически сухой, без видимого масла на её поверхности.
Важно отметить, что силиконовое масло эффективно только при заполнении мелких дефектов в стекле. Большие видимые царапины следует рассматривать как повод для замены стекла.
3. Используйте современные калибровочные стандарты
Мы все согласимся с тем, что ключом к точным результатам является точная калибровка, а она, в свою очередь, складывается из надёжных стандартов растворов.
Хотя современные стандарты на основе формазина более стабильны и надежны, чем используемые ранее, сроки их хранения всё ещё сильно ограничены. Так, например, согласно EPA, стандарты 40 НТУ, производимые внутри страны, следует обновлять ежемесячно и готовить новые растворы для каждой новой калибровки, поскольку старые имеют свойство коагулировать и оседать на дно ёмкости.
Чтобы сэкономить время, можно использовать стандарты AMCO-AEPA-1, которые в идеале должны поставляться в виде набора герметично запечатанных флаконов, легко размещаемых в кюветах. Кроме того, эти стандарты намного более устойчивы к хранению, чем формазиновые. Срок их использования может достигать трёх лет.
4. Тщательно очищайте ваши кюветы
Мы можем оставить после еды грязную посуду, чтобы вымыть её позже, но, пожалуйста, не стоит делать того же самого с вашими грязными кюветами. Пятна на кювете могут поглощать или рассеивать свет, что приведёт к тому, что вместе с анализом мутности образца вы будете анализировать и мутность вашего грязного стекла.
Если на стекле появляются пятна, используйте разбавленную кислоту или другой очиститель для их удаления. После чистки обязательно промойте ваши кюветы деионизированной водой высокой чистоты, пропущенной через фильтрующую мембрану ≤ 0.2 мкм.
5. Используйте метод отношения
По мере увеличения количества взвешенных частиц в образце они имеют склонность к перемещению, а кроме того часть света, проходящего сквозь образец высокой мутности, отражается. По этим двум причинам показатели мутности будут отличаться от фактического значения.
Обе эти проблемы можно решить. В первом случае следует разбавить сильно мутные образцы прозрачной жидкостью. После этого образец подлежит исследованию как нормальный, а затем показатели корректируют с учётов коэффициента разбавления. Стандарт EPA 180.1 требует перед измерением разбавлять любые образцы со значениями выше 40 NTU.
Во втором случае используют метод отношения, суть которого – в использовании различных углов падения луча для компенсации потерянного света. Показания мутности в этом случае корректируются математическими расчётными методами изменения угла падения света, изложенными в стандартах 2130B и USEPA.
6. Избегайте конденсата на ваших кюветах
И, наконец, на показатели мутности оказывает влияние конденсат, который может появиться на стекле, особенно в случае, если ваши образцы имеют низкую температуру. Конденсат на внешней стороне стекла препятствует прохождению света через образцы, что приводит к ошибочным показания мутности. Этого можно избежать, просто обтирая кюветы чистым кусочком сухой ткани без ворса.
По материалам статьи Дэйва Масулли, выпускника Колледжа Род-Айленда, обладателя ученой степени по химии и биологии, сотрудника компании Hanna Instruments. Среди главных увлечений Дэйва – научный анализ продуктов питания под чашечку хорошего кофе.
