Mętność

Stosowane obecnie pomiary mętności opierają się na zjawisku rozpraszania światła na przeźroczystych cząstkach zawieszonych w wodzie. Światło jest rozpraszane poprzez wzajemne oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego fali świetlnej oraz cząstki nierozpuszczonej poprzez zainicjowanie jej drgań. W efekcie wytwarza się wtórne promieniowanie fal świetlnych, rozchodzących się we wszystkich kierunkach. [135] Mętność jest to właściwość optyczna, polegająca na rozproszeniu i adsorbowaniu części widma promieniowania widzialnego przez cząstki stale obecne w wodzie lub ściekach. Pomiary najczęściej wykonywane są w podczerwieni, przy długości fali 860 nm.

Mętność wody mogą powodować: glina, iły, wytrącające się związki żelaza, manganu i glinu, substancje humusowe, plankton, mikroorganizmy – cząstki mineralne i organiczne, zawieszone i koloidalne, o różnym stopniu dyspersji. Mętność ma znaczenie dla jakości wody pod względem mikrobiologicznym (sorpcja mikroorganizmów na zawiesinie), powoduje pogorszenie cech organoleptycznych wody.

W pomiarze mętności wykorzystuje się ocenę zmiany natężenia światła przy przechodzeniu przez warstwę wody. Najczęściej stosowaną metodą pomiarową jest metoda turbidymetryczna oraz nefelometryczna [112]. Wzorce w tych metodach uzyskuje się z roztworów hydrazyny oraz sześciometylenoczteroaminy.

Rys. 28. Zasada pomiaru nefelometrycznego [106]

Pomiary spektrofotometryczne, związane ze stosowaniem skali krzemionkowej (uzyskiwanej przez rozpuszczenie w wodzie ziemi okrzemkowej lub kaolinu) z powodu małej dokładności są wykonywane stosunkowo rzadko.

Metoda nefelometryczna polega na pomiarze ilości światła rozproszonego przez mętny roztwór w kierunku prostopadłym do kierunku światła padającego na próbkę – wykorzystuje efekt Tyndalla [112] – Rys. 28. Metody nefelometryczne pozwalają na precyzyjne pomiary nawet

54 dla niskich stężeń i stosunkowo małych cząstek. Problemy pojawiają się przy wartościach bliskich zera, gdyż podczas pomiarów powstają błędy związane z termalnymi fluktuacjami wody [135].

Rys. 29. Zasada pomiaru turbidymetrycznego [112]

Rys. 30. Wpływ barwy na pomiar mętności dla różnych turbidymetrów [45]

Rys. 31. Zależność stężenia cząsteczek od wielkości oraz mętności [26]

Metoda turbidymetryczna polega pomiarze osłabienia natężenia światła przechodzącego przez mętny roztwór w stosunku do światła padającego na próbkę [112] – Rys. 29.

Natężenie światła jest odwrotnie

proporcjonalne do stężenia zawiesin w próbce.

Porównania oraz opisu podstaw różnych technik pomiarowych dokonał Gregory [38], który stwierdza, iż nie jest możliwe jednoznaczne zdefiniowanie pojęcia „mętność”. Dzieje się tak ponieważ na pomiar wpływa precyzja instrumentów – długość fali, kąt rozproszenia światła, detektor. Poza tym odczyt mętności zależy od sposobu przygotowania wzorca dla danej skali. Do najistotniejszych problemów można zaliczyć fakt, iż mierzona wartość mętności jest uzależniona od charakteru oraz rozmiarów i liczby cząsteczek – stopnia dyspersji. Zatem pomiar może nie dawać jednoznacznej informacji o stężeniu cząstek w roztworze.

55 W pracy [135] zebrano obecnie stosowane technologie nefelometrycznego pomiaru mętności wody pitnej, z zaznaczeniem jakie wymagania spełniają, dla jakich wielkości cząsteczek, z podaniem źródła światła i zakresu pomiarowego. Opisano również podstawy teoretyczne pomiaru mętności i rozkładu wielkości cząstek.

Teorie opisujące pomiar mętności zakładają istnienie cząstek przeźroczystych, idealnie kulistych. W naturalnych warunkach cząstki odbiegają od kształtu kulistego (inne rozchodzenie się fal świetlnych) oraz niektóre z nich są barwne (zawyżanie absorbancji oraz zaniżanie mętności nefelometrycznej). Istotna jest również wielkość cząstek w stosunku do wielkości fal świetlnych. [135], [26], [38]

Obecnie uznaną teorią jest teoria Mie [135], [26], [38]. Zawiera ona opis rozkładu natężenia rozproszonej fali świetlnej w zależności od kąta rozproszenia, współczynnika refrakcji cząstki, wielkości cząstki, długości fali świetlnej oraz uwzględnia interferencje fal rozproszonych. Zgodnie z teorią krótsze fale świetlne rozpraszają się intensywniej na drobniejszych cząsteczkach niż na większych. Uwzględnione są również właściwości materiału cząstki – porównanie współczynnika refrakcji cząstki oraz wody (współczynnik załamania wynosi 1,33). Na tej podstawie można stwierdzić, iż pomiar dla cząstek nieorganicznych (współczynnik załamania wynosi 1,4 – podobna wartość jak dla wody) jest czulszy i łatwiejszy do zaobserwowania niż dla organicznych (współczynnik załamania 1,6). [135], [26], [38] W pracy [45] porównano pomiar mętności przy różnych długościach fali. Stosowanie światła o długości powyżej 800 nm zapobiega zakłóceniom pomiaru, które mogą wystąpić na skutek obecności substancji barwnych. Dla porównania wykonywano badania trzech próbek wody na trzech mętnościomierzach – Rys. 30. Sprawdzano wpływ barwy, którą zwiększano dawkując roztwór rozpuszczonych substancji humusowych. Model mętnościomierza oznaczony na Rys. 30. jako 2100A oraz 2100N posiadał lampę wolframową – pomiar w zakresie 400 ÷ 600 nm, natomiast źródłem światła w modelu 2100AN IS była dioda emitująca światło λ = 860 ± 10 nm. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, iż podwyższona barwa wody nie wpływa na pomiar mętności w 860 nm, natomiast zaniża odczyt w pomiarach wykonywanych w zakresie 400 ÷ 600 nm. [45]

W pracy [26] na podstawie pomiarów określono zależność stężenia cząsteczek od mętności. Na wykresie, o skali podwójnie logarytmicznej, wyznaczono liniowe zależności, przy czym dla takiego samego stężenia mętność wzrastała wraz ze wzrostem rozmiaru cząsteczek – Rys. 31.

56 Badania [106] mające na celu porównanie różnych jednostek mętności: mgSiO2/dm³, NTU (Nephelometric Turbidity Units), FNU (Formalin Turbidity Units), FAU (Formalin Nephelometric Units) oraz UJ (Jackson Units) wykazały, iż pomiędzy nimi nie zachodzi równość. Błędy pomiarowe, przy zastosowaniu precyzyjnych układów elektronicznych, mogły wynikać z zakłóceń takich jak niejednorodność cząsteczek zawiesin, czy też występowanie pęcherzyków powietrza w próbce.

W Rozp. Ministra Zdrowia z dn. 29 marca 2007 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (Dz.U. Nr 123, poz. 858) mętność wyrażona jest w jednostkach nefelometrycznych, a dopuszczalna wartość wynosi 1 NTU.

Brak możliwości prostego przeliczenia wartości mętności nefelometrycznych, mierzonych zgodnie z obowiązującymi normami w jednostkach NTU na wartość absorbancji – pomiary w skali krzemionkowej potwierdziły badania [135]. Prawdopodobnie w przyszłości pomiary mętności zostaną zastąpione przez liczniki cząstek, które pozwolą dostarczyć bardziej szczegółowych informacji na temat cząstek nierozpuszczonych. To z kolei pozwoli na lepsze projektowanie, monitorowanie i zarządzanie technologiami oczyszczania wody. [135]

4.2. Przykłady zastosowań parametrów absorpcyjnych do oceny