Повна версія

Головна arrow Екологія arrow ЕКОЛОГІЧНИЙ МОНІТОРИНГ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

НЕФЕЛОМЕТРИЧНИЙ І ТУРБИДИМЕТРИЧНИМ МЕТОДИ АНАЛІЗУ

Термін «розсіяння» стосовно взаємодії випромінювальної енергії з речовиною описує різноманітні явища. При цьому завжди мається на увазі більш-менш випадкова зміна напрямку поширення падаючого світла. Розсіювання залежить від довжини хвилі випромінювання, розміру і форми розсіюють частинок і їх розташування в просторі. Інтенсивність світла /, подвергнувшемуся розсіювання, дорівнює

де h - коефіцієнт екстинкції (від лат. exstinctio - «гасіння»).

За формою рівняння (6.21) збігається з законом Бугера - Ламберта - Бера (6.15), але відмінність полягає в тому, що замість показника поглинання k } використаний коефіцієнт екстинкції 1г.

Якщо середовище, через яку проходить промінь світла, не тільки розсіює, а й поглинає, то зміна інтенсивності променя одно

Нефелометрія - оптичний метод, заснований на вимірюванні інтенсивності оптичного випромінювання, розсіяного твердими частинками, що знаходяться в рідині в підвішеному стані (рис. 6.21). Турбіді- метрия - оптичний метод, заснований на вимірюванні інтенсивності оптичного випромінювання, що пройшов через рідину, що містить зважені частинки (рис. 6.22). Обидва методи найбільш ефективні при вимірах малих концентрацій (порядку 0,1 кг / м 3 ) зваженого речовини як в рідинах, так і в газах, взвесях, емульсіях і т.п.

При вимірі спектральну область вибирають так, щоб виключити вплив зміни кольору рідини. Параметр селективності по відношенню до частинок певного виду, наприклад до частинкам органічного походження, може бути забезпечений підбором кутів освітлення і реєстрації розсіяного (відбитого) і ослабленого випромінювань. Для підвищення точності вимірювання часто використовують структурні методи, засновані, наприклад, на формуванні додаткових каналів, розподілі або відніманні інформативних і коригувальних сигналів, сформованих під різними кутами, від реєстрації розсіяного (відбитого) випромінювання та ін.

Нефелометричний і турбидиметричним методи аналізу

Мал. 6.22. Нефелометричний і турбидиметричним методи аналізу:

  • 1 - джерело світла; 2 - анализируемая рідина; 3 - приймач турбідімстра;
  • 4 - приймач нефелометра

Каламутність рідини - показник, що характеризує властивість рідини розсіювати або поглинати оптичне випромінювання в залежності від вмісту в рідині зважених часток. Одиниця каламутності рідини - ЕМФ / дм 3 - одиниця, яка виражає концентрацію суспензії. Формазіновая одиниця каламутності - ЕМФ (FTU) - одиниця, яка виражає концентрацію суспензії формазіна.

Формазін - розчин 5,00 г сульфату гідразину і 50,00 г гексаметилентетрамина в 1 л дистильованої води. Розчин стає каламутним після його вистоювання протягом 48 год при кімнатній температурі. Форма-зін є єдиним стандартним зразком в турбідиметрії, що пояснюється наступними його властивостями:

  • • хорошою відтворюваністю вихідного розчину;
  • • він є полімером, що складається з ланцюжків різної довжини, згорнутих в різних конфігураціях. Це дає широкий спектр форм і розмірів частинок від 0,1 до 10 мкм і більше.

Суспензія (від позднелат. Suspensio - «підвішування») - грубодисперсна система з рідким дисперсійним фазою, частинки якої достатньо великі, щоб протистояти броунівському русі.

Нефелометрія і турбідиметрії як аналізаторів рідини класифікують наступним чином:

  • • за призначенням - промислові та лабораторні (стаціонарні і переносні);
  • • за рівнем автоматизації процесу вимірювання - автоматичні, автоматизовані і неавтоматизовані;
  • • по спектральної області вимірювання - УФ, видимій та ІЧ-області спектра;
  • • по спектральної характеристиці оптичної системи - моно- і поліхроматичні;
  • • за вживаним джерела живлення - з мережевим і автономним живленням;
  • • в залежності від способу подання інформації - аналогові і цифрові.

Межа основної зведеної похибки нефелометрія і турбідиметрії становить:

  • • промислових - 1,0, 2,0, 2,5%;
  • • лабораторних:
  • - стаціонарних - 1,0 і 2,0%;
  • - переносних - 2,0 і 2,5%.

Інформативні параметри нефелометріческого і турбідіметріче- ського методів і абсорбційного методу однакові - це інтенсивність випромінювання в інтегральному спектрі або в деякому спектральному інтервалі. З їх допомогою контролюють каламутність води, чистоту палив, ін'єкційних розчинів, ефективність фільтраційних установок, оптимізують процеси біологічного очищення комунальних і промислових стічних вод, отримання хімічних продуктів, контролюють виробничу або шахтну атмосферу і ін. Нерідко їх також використовують для визначення іонів (зазвичай аніонів) , що не утворюють забарвлених сполук (наприклад, сь, S0 2 і т.д.).

Турбидиметричним метод заснований на використанні залежності між ослабленням через розсіювання сили світла, що проходить через досліджувану середу, і її концентрацій.

Поглинання світла - зменшення інтенсивності світла, що проходить через середовище, заповнену речовиною. Основним законом, що описує поглинання, є закон Бугера - Ламберта - Бера (6.15), а розсіювання описують формули (6.21) - (6.25). Для вимірювання використовують фотоколориметри і турбідиметрії.

На рис. 6.23 показана двопроменева структурна схема турбідиметрії з оптичною компенсацією.

Двопроменева схема турбідиметрії з оптичною компенсацією

Мал. 6.23. Двопроменева схема турбідиметрії з оптичною компенсацією:

  • 1 - вимірювальний фотоприймач; 2 - порівняльний фотоприймач; 3 - підсилювач;
  • 4 - оптичний компенсатор

Стале положення вимірювальної системи є певною освітленості фотоприймача, яка визначається сумою оптичної щільності вимірюваного середовища D і оптичного компенсатора (ОК) Д ок , введених в оптичний вимірювальний канал.

При зміні D на величину ± Д D виникає сигнал розбалансу перетворюється, підсилюється, надходить на реверсивний двигун і передається ОК, що змінює D 0K на ± Д D 0K до рівноваги вимірювальної системи, виконуючи умову AD = Д?) Ок . Баланс схеми досягається при колишньої освітленості вимірювального фотоприймача. Включення другого фотоприймача і його розташування в умовах, аналогічних першому, дозволяє компенсувати похибку.

Турбидиметричним метод має меншими чутливістю і точністю, ніж Нефелометричний. Похибка визначення концентрації становить близько 5%.

Мікропроцесорний лабораторний Мутномір (рис. 6.24) має діапазон вимірювань 0-50 або 50-1000 ЕМФ і похибка ± 0,5 ЕМФ (± 5%). ІК-фотодіод випромінює на довжині хвилі 890 нм, що забезпечує необхідну інтенсивність розсіяного світла навіть в зразках з низькою мутпостио, а також зменшує негативний вплив забарвлення розчинів.

Нефелометричний метод заснований на використанні залежності між силою світла, розсіяного частинками аналізованого середовища, і їх концентрацією.

Розсіювання світла в каламутних середовищах на частинках стороннього речовини вперше досліджував Д. Тиндаль (J. Tyndall - англійський фізик, 1820- 1893), а теорія молекулярного розсіювання була створена Д. У. Релея (JW Rayleigh - англійський фізик, 1842-1919).

Розсіювання світла дрібними частками описують на основі теорії дифракції світла на діелектричних частках. Для релєєвського розсіювання (R <0,1 А,) газу справедливе співвідношення

лабораторний гурбідіметр

Мал. 6.24. лабораторний гурбідіметр

де JV, - число часток в розсіюються обсязі; V і з - обсяг і ДП частки; L - відстань від розсіює обсягу до точки спостереження; 0 - кут розсіювання; е 0 - ДП середовища, в якій зважені частинки.

Відповідно до формули (6.30) інтенсивність розсіяного світла / обернено пропорційна четвертого ступеня довжини хвилі X. Цей результат називають законом Релея. Для хімічних систем цей показник ступеня дорівнює 2-4, головним чином, через наявність більших частинок, що вказує на поступовий перехід від релєєвського розсіювання до розсіювання Тиндаля.

{ Е - ? про I 2

Формула Релея містить множник -, який може служити

^ ? + 8 про )

мірою оптичної неоднорідності. Якщо е =% то оптична неоднорідність зникає і разом з нею зникає і розсіювання світла (/ = 0).

Для газу коефіцієнт екстинкції h дорівнює

ч 2

"0

Для розчину з малою концентрацією h дорівнює

Зі збільшенням розміру часток частка розсіяною енергії зменшується. Розсіювання світла великими частками описують на основі геометричної оптики з урахуванням інтерференції променів, відбитих і заломлених на поверхні частинок. У всіх випадках інтенсивність розсіяного (відбитого) випромінювання зростає зі збільшенням числа розсіюють частинок.

При нефелометрічеському методі для вимірювання використовують фотоко- лорімегри і нефелометрія. Конструкції нефелометрія і флуориметра ідентичні, тому будь-який флуориметр можна використовувати в якості нефелометра. Оскільки довжина хвилі при розсіюванні не змінюється, необхідність у другому монохроматоре або світофільтрі відпадає, але якщо вони є в приладі, то їх налаштовують на довжину хвилі падаючого світла. Багато серійні Флуоріметри забезпечені спеціальними пристосуваннями для нефелометрічеському вимірювань.

Похибка визначення концентрацій нефелометріческім методом становить 2-5%.

завдання

6.5.1. Чим пояснюється блакитне забарвлення неба?

Відповідь : оскільки розсіювання пропорційно 1 / А, 4 , то в атмосфері найдрібнішими частинками вологи і аерозолю розсіюються в основному фіолетова і синя частини спектра, чим і пояснюється блакитне забарвлення неба. До речі, червоний колір обраний в якості сигналу небезпеки в тому числі тому, що його видно в туманну погоду на великих відстанях, ніж будь-який інший.

6.5.2. Чим пояснюється різний колір сонця на сході, в зеніті і на заході? Відповідь : помаранчевий або червоний колір сонця па сході чи заході пояснюється

тим, що вранці і ввечері спостерігається, головним чином, світло, що пройшло через атмосферу, але ввечері в ньому більше зважених часток, тому на заході колір сонця стає червоно.

6.5.3. При проходженні в тумані шляху / інтенсивність світла / зменшується в два рази. У скільки разів зменшиться I при проходженні шляху 3 /?

Рішення

інтенсивність світла зменшиться у вісім разів.

6.5.4. Оптична щільність розчину товщиною 1 см дорівнює 1,6. Визначте товщину шару, який послаблює світло в мільйон разів.

Рішення

6.5.5. У скільки разів інтенсивність молекулярного розсіювання синього світла з = = 460 нм) перевершує інтенсивність розсіювання червоного світла до = 650 нм)? Рішення

  • 6.5.6. Як при нефелометрічеському методі інтенсивність світла залежить від довжини хвилі? Вкажіть правильну відповідь.
  • а) інтенсивність відбитого світла не залежить від довжини хвилі;
  • б) інтенсивність відбитого світла пропорційна довжині хвилі;
  • в) інтенсивність відбитого світла обернено пропорційна довжині хвилі;
  • г) в логарифмічною шкалою між ними існує лінійна залежність. Відповідь: а.
  • 6.5.7. У таблиці наведено залежність яскравості колоїдного розчину від його відносної концентрації. Чи завжди відповідно до закону Релея відношення яскравості (інтенсивності) до концентрації?

Відносна концентрація С,%

100

50

20

10

1

Яскравість розчину I

147

78,5

29,8

14,2

1,66

Рішення

Відповідно до рівняння Релея, яскравість розсіяного світла прямо пропорційна числу колоїдних частинок або відношення яскравості (інтенсивності) до концентрації повинно бути постійним. Тоді I / C = 1,52 з похибкою 9%.

6.5.8. Побудувавши графік I = / (/) за даними таблиці, покажіть справедливість рівняння Релея для колоїдного розчину.

інтенсивність /

28,5

52,2

74,5

91,8

100,9

106,0

Товщина шару /, мм

2,5

4,5

6,5

8,5

9,5

10,0

Відповідь : залежність лінійна, тобто рівняння Релея справедливо.

6.5.9. У таблиці наведено залежність загального випромінювання (1 { + / 2 ) в частках від загального випромінювання при куті у = 90 ° і надлишок поляризованого випромінювання над не- поляризованим (^ - / 2 ) для колоїдного розчину металу (d = 160 нм) від кута у між напрямками висвітлює і розсіяного променів.

У, °

0

20

40

60

80

90

100

120

140

160

180

h + h

0,64

0,67

0,75

0,88

0,97

1,00

1,06

1,35

2,01

2,76

3,17

hh

0

0,02

0,06

0,18

0,44

0,62

0,80

0,97

0,72

0,29

0

Побудуйте за цими даними діаграму залежності загального випромінювання і надлишку поляризованого світла від кута у рис. 6.25. Визначте, при якому куті у виникає максимальний надлишок поляризованого світла.

Відповідь : при у = 110 °.

Діаграма випромінювання для наступних досвідчених даних

Мал. 6.25. Діаграма випромінювання для наступних досвідчених даних.

С,%

0,80

0,40

0,10

0,04

0,02

0,005

/ о

2,5

2,5

5,0

20,0

20,0

30,0

/

1,3

9

30

15,9

46,6

72,5

Рішення

звідки h = 2,17, 2,41, 2,41, 2,30, 2,25, 2,15. Коефіцієнт екстинкції практично постійний, тому формула вірна (6.28).

6.5.11. При проходженні світла X = 430 нм через шар золю мастики були отримані наступні дані (J- відсоток минулого світла).

С,%

0,60

0,20

0,08

0,04

0,02

0,01

0,005

/, Мм

2,5

2,5

20,0

20,0

20,0

30,0

30,0

/,%

3,1

29,4

2,6

15,9

40,6

52,8

72,5

Для перевірки рівняння (6.28) обчисліть h.

Відповідь: h = 2,31, 2,45, 2,29, 2,30, 2,25, 2,12, 2,15 = const, тому рівняння (6.28) виконується.

6.5.12. Експериментально перевірили справедливість закону (6.28) на розчині гемоглобіну в діапазоні довжин хвиль до = 535-546 нм і вирахували коефіцієнт екс-

. 1. / о

тінкціі п = - lg-.

С,%

0,02174

0,01099

0,00999

0,0901

0,00826

h

1,61902

0,83140

0,73044

0,66394

0,62668

Покажіть, що дані експерименту дозволяють застосувати закон (6.28) до розчинів гемоглобіну.

Відповідь-, т = 0,01343,0,01322,0,01355,0,01357,0,01318. п

Контрольні питання і завдання

  • 1. Що таке розсіювання світла?
  • 2. У чому проявляється розсіювання світла, від чого воно залежить?
  • 3. Що таке коефіцієнт екстинкції і чим він відрізняється від коефіцієнта поглинання?
  • 4. Що таке каламутність? В яких одиницях її вимірюють?
  • 5. Що таке ЕМФ (FTU)?
  • 6. Що таке формазін? Чому саме його використовують в якості стандартного розчину?
  • 7. Що таке нефелометрія?
  • 8. Які оптичні прилади використовують для нефсломстрічсскіх вимірювань?
  • 9. Що таке турбідиметрія?
  • 10. Які оптичні прилади використовують для турбідімстріческіх вимірювань?
  • 11. Напишіть рівняння Релея.
  • 12. У чому проявляється релєєвськоє розсіювання світла?
  • 13. За яких умов справедливо рівняння Релея?

БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК

  • 1. Золотов , Ю. А. Основи аналітичної хімії. Завдання і питання / Ю. А. Золотов. - М .: Вища школа, 2002..
  • 2. Латигіенко, К. П. Технічні вимірювання та прилади. Ч. II: навч, посібник / К. П. Латишенко. - М .: Изд-во МГУІЕ, 2011 року.
  • 3. Латишенко, К. П. Збірник завдань і питань але метрології та вимірювальної техніки / К. П. Латишенко. - М .: Изд-во МГУІЕ, 2006.
  • 4. Фадєєва, В. І. Основи аналітичної хімії. Завдання і питання / В. І. Фадєєва [и др.]. - М .: Вища школа, 2002..
 
<<   ЗМІСТ   >>