濁度測量的方法與原理

一束平行光在透明液體中傳播，如果液體中無任何懸浮顆粒存在，光束在直線傳播時不會改變方向；若液體中有懸浮顆粒，不管顆粒透明與否，光束在遇到顆粒時會改變方向，形成各個方向上的散射光，顆粒越多即濁度越高，對光束的散射作用就越大。但液體中顆粒和顆粒之間肯定會存在間隙，肯定也有部分光束從液體中顆粒之間的間隙透射出來，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，實際上液體中的顯色物質(zhì)對對部分入射光存在吸收。根據(jù)測量不同來源的出射光強(qiáng)度可以將采用儀器測量濁度的方法分為三類：散射光測量法，透射光測量法以及散射光-透射光測量法。

1、散射光測量法

濁度計是根據(jù)散射光測量法的原理設(shè)計的。測定原理基于：對于低濃度樣品，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，構(gòu)成濁度的顆粒物對光發(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)計的便攜式濁度計，測量的是與入射光成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，檢測范圍為0-4000NTU。

2、透射光測量法

分光光度計是根據(jù)透射光測量法的原理設(shè)計的，入射光波長選定為680nm。測定原理基于朗伯-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某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時,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)用分光光度計測量水樣濁度雖然在測量結(jié)果上與濁度計并無太大差異，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，入射光在通過水樣的過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，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，如果以透射光測量法來測量樣品的濁度，一是不符合體現(xiàn)顆粒物對光的散射作用，二是沒有考慮到樣品中存在的其他物質(zhì)對光的吸收作用。用分光光度計法來測定水樣的濁度僅僅只是簡單的認(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。這種方法在我國也僅適合測定在低色度條件下較高濁度的水樣。美國環(huán)境監(jiān)測管理機(jī)構(gòu)并不承認(rèn)這種方法的有效性，也違背了美國公共衛(wèi)生協(xié)會對濁度的定義。結(jié)合我國實際，隨著對環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的要求越來越嚴(yán)，我們也要盡可能不要采用這種方法來測定水質(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量的一種有效方法。將人的肉眼當(dāng)做檢測器，用濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋成密集的梯度系列，從中檢視出與待測水樣濁度接近的兩個系列，由此估算出水樣的濁度。此方法不需要原理復(fù)雜的儀器，不需要花很多錢購買儀器，對于想搞科研但又經(jīng)濟(jì)條件有限個人，還有著較多的應(yīng)用領(lǐng)域。

4濁度在線監(jiān)測和比濁滴定法

隨著檢測技術(shù)的越加自動化和智能化，市場上已經(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檢測技術(shù)，該技術(shù)以散射光-透射光測量法為原理，基于同時測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測定濁度，這樣測出來的濁度受水樣的色度影響較小。對于自來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)過程循環(huán)冷卻水濁度的監(jiān)測具有相當(dāng)優(yōu)勢。

該儀器雙檢測器光學(xué)系統(tǒng)可補(bǔ)償樣品顏色，光波動及雜散光的影響，配有樣品過濾和脫氣裝置，在儀器測量探頭內(nèi)部，位于45度角有一個內(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器檢測并經(jīng)過內(nèi)置的微電腦計算，從而得到樣品的濁度，且測量探頭還具有自清洗功能。檢測范圍為0-4000NTU。

比濁滴定法主要是用于測定能形成懸浮體的沉淀物質(zhì),例如微量磷、硫、氯和鈣等的測定,生物堿沉淀試劑形成的混濁也可用此法測定。這是根據(jù)懸浮體的透射光或散射光的強(qiáng)度以測定物質(zhì)組分含量的一種分析方法。當(dāng)光線通過一混濁溶液時,因懸浮體選擇地吸收了一部分光能,并且懸浮體向各個方面散射了另一部分光線,減弱了透過光線的強(qiáng)度。 

 在水質(zhì)監(jiān)測和管理過程中，比濁法常用于測量飲用水、工業(yè)用水、廢水的透明度；也用于測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程的控制和過濾過程的監(jiān)控。在分析化學(xué)上，可通過生成懸浮沉淀的反應(yīng)產(chǎn)物來測定某些元素的濃度,例如,通過生成硫酸鋇懸浮物來測定Ba2+ 或硫酸根,以及在煤、焦炭、油、橡膠中的總硫量；通過生成硫化銀和氯化銀懸浮物來測定Ag+或Cl-；在容量分析中,濁度測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，比濁法廣泛用于測定液體食品中的生長量及氨基酸、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水體的自凈能力，水體營養(yǎng)過剩，則會導(dǎo)致水體進(jìn)一步富營養(yǎng)化，藍(lán)藻大面積爆發(fā)，魚類大面積死亡，形成生態(tài)環(huán)境破壞的惡性循環(huán)。因此，測定水的濁度，懸浮物，溶解性固體等顆粒類指標(biāo)對改善水環(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，對于水質(zhì)凈化中使用物理手段有決定意義。通常測定粒度可以選用德國貝克曼庫爾特公司和美國馬爾文公司的激光粒度測定儀。

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時，發(fā)生丁鐸爾散射；當(dāng)樣品中顆粒遠(yuǎn)小于入射光波長時，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，發(fā)生丁鐸爾散射時，樣品濁度才適宜用濁度計測量。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量。

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