Официальный дистрибьютор аналитического оборудования для лабораторий и промышленных производств телефон
RU
EN
+7 (495) 745-22-90, +7 (495) 745-22-91
leitest
   
 
Каталог продукции
Спецпредложения

Эффективность применения автоматических анализаторов для определения элементов питания в сточных водах

Предисловие

Данная статья обобщает многолетний опыт эксплуатации промышленных анализаторов элементов питания (азота и фосфора) на очистных сооружениях Западной Европы. На основании этого опыта делаются выводы об экономической целесообразности применения сложных автоматизированных систем управления процессами очистки стоков в зависимости от масштабов сооружений и условий их эксплуатации. Подробно рассмотрены современные подходы к выбору вариантов датчиков, систем контроля и передачи данных, организации измерительных систем и сервисного обслуживания. В российских реалиях, когда практически 90% очистных сооружений нуждаются в модернизации или реконструкции, в условиях ужесточения экологических требований и постоянного роста стоимости энергоресурсов, вплотную приближающейся и даже превосходящей среднеевропейские, эти рекомендации, безусловно, помогут специалистам инжиниринговых компаний, отделов АСУ станций аэраций и водоканалов в разработке концепций автоматизации и оптимизации процессов очистки стоков. Авторы не называют конкретные модели или производителей оборудования, оставляя выбор за специалистами. Это не снижает актуальности данной статьи, поскольку подобные системы уже представлены на российском рынке различными производителями, имеющим, как правило, локальный опыт эксплуатации, необходимые сертификаты и развитую службу сервисной поддержки.

Введение

На большинстве станций водоочистки операторы ощущают возрастающие требования к увеличению безопасности и эффективности процессов очистки стоков. Наиболее критичные процессы, с точки зрения стоимости и качества очистки, это нитрификация, денитрификация и химическое удаление фосфора. Промышленные анализаторы аммонийного азота (с индофеноловым-синим или газо-селективным электродом) и фосфатного фосфора (с ванадо-молибдатом или молибденовым-синим) используются для оптимизации и мониторинга процессов на относительно больших станциях (с эквивалентом населения свыше 25000). Нитратный азот по-прежнему измеряется при помощи УФ-датчика. Простота эксплуатации и предельно малое время отклика этих датчиков делают их идеальными средствами измерения («опустил - измерил»).

Промышленные анализаторы элементов питания редко задействуются на небольших станциях (с эквивалентом от 5 до 20 тысяч человек). Как правило, здесь применяются лишь датчики растворенного кислорода для регулирования его концентрации, эффективность которых очевидна, или датчики для измерения мутности на выходе из очистных сооружений, как ключевой параметр для мониторинга эффективности работы станции. Однако небольшие и средние очистные сооружения часто сталкиваются с большими перепадами нагрузок как по составу, так и по количеству стоков по сравнению с более крупными станциями (характерные дневные перепады, ливневые пики, несанкционированные сельскохозяйственные сбросы). Поскольку небольшие станции постоянно вынуждены работать в условиях нехватки персонала (многие не имеют в штате необходимых специалистов), промышленные системы измерения в сочетании с современными средствами передачи данных и, возможно, технологиями автоматизации процессов управления, могут помочь в осуществлении надежной и эффективной работы очистных сооружений при переменной нагрузке.

Одной из причин осторожного отношения к применению промышленных анализаторов является сформировавшееся в середине 90-х мнение о высокой стоимости подобного оборудования и сложности его эксплуатации. Даже сегодня эта точка зрения в отношении промышленного контроля характерна для большинства операторов, инженеров, регулирующих органов. Учитывая все более ужесточающиеся требования к защите окружающей среды и увеличение стоимости электроэнергии и утилизации ила, с одной стороны, и постоянное снижение цен на измерительное оборудование и стоимости его эксплуатации, с другой, необходимо по-новому оценить возможности и доступность современного промышленного оборудования для контроля процессов очистки сточных вод.

Технологии промышленного контроля аммония и ортофосфата

Применение новых технологий в создании промышленных анализаторов позволило существенно сократить расходы на их приобретение и эксплуатацию. Вместе с этим уменьшилась частота их обслуживания и увеличился ресурс работы.

Анализ на месте пробоотбора

Тэнковые (погружные) промышленные анализаторы аммонийного азота и ортофосфата (Рис. 1-а) существуют уже на протяжении нескольких лет. Теперь в качестве более дешевой альтернативы, доступны и околотенковые анализаторы (Рис. 1-b). Тенковые или околотенковые анализаторы все в большей степени замещают традиционные промышленные анализаторы, требующие отдельной системы пробоподготовки и нуждающиеся в специальных окружающих условиях, которые могут быть обеспечены только в отапливаемом помещении или специальном укрытии (Рис. 1-с). В сравнении с ранее публикуемыми оценками стоимости установки промышленных анализаторов [1], новый подход позволяет сэкономить от 3 до 5 тысяч Евро для каждой точки измерения.

Рис. 1. Погружные, околотенковые и традиционные промышленные анализаторы

Кроме того эта концепция обеспечивает максимум гибкости в отношении выбора точки измерения, поскольку анализаторы могут использоваться так же просто, как кислородные или рН-датчики. Это особенно важно при оптимизации работы очистных сооружений. Другим решающим преимуществом является тот факт, что за счет минимального расстояния от точки пробоотбора до места анализа устраняются ошибки, связанные с протяженной линией подачи образца (процессами биоразложения).

Встроенные системы пробоподготовки

В начале 90-х произошел прорыв в непрерывном контроле элементов питания, когда за счет применения ультрафильтрации стало возможным получение постоянного потока образца активного ила, свободного от взвешенных частиц. Не смотря на значительные первоначальные вложения (не менее 6500 €, включая погружной насос) и высокую стоимость эксплуатации (до 1500 € в год), данный метод пробоподготовки фактически оставался стандартом до конца 90-х. Позже он был вытеснен специальными системами мембранной фильтрации, разработанными для работы с промышленными анализаторами. Встроенные ионные фильтры и мембраны - наиболее распространенные на данный момент способы пробоподготовки в тенковых и околотенковых анализаторах, что позволят значительно сократить время отклика.

Микроаналитические системы и необслуживаемые дозаторы

Применение микромеханики для точной дозировки и смешения потоков жидкостей в промышленных анализаторах радикальным образом сократило расход реагентов. Одновременно перистальтические насосы были заменены дозирующими устройствами, не требующими регулярной замены рабочих элементов, что сократило частоту и упростило обслуживание приборов.

Как пример этой тенденции, на рис. 2 показана динамика изменения первоначальных затрат и стоимости обслуживания анализаторов аммония и фосфата (серий AMTAX/PHOSPHAX производства HACH LANGE), приобретаемых в 1995, 2000 и 2005. Сокращение первоначальных затрат (цена оборудования) составило около 43%. Более того, стоимость эксплуатации сократилась примерно на 60%!

Рис. 2. Затраты на приобретение и обслуживание анализаторов аммония и фосфора

Применение ионоселективных электродов для анализа аммония

Погружные ионоселективные электроды для измерения содержания аммония предлагаются как весьма привлекательная альтернатива промышленным анализаторам, особенно с учетом небольших первоначальных затрат на уроне 5000 €. Однако стоимость их обслуживания может значительно варьироваться в зависимости от типа стоков, и при неблагоприятных обстоятельствах (необходимость более частой замены мембраны и сенсора) она может многократно превышать таковую для анализаторов с газо-селективными электродами. Вариации в составе сточных вод, с которыми обычно имеют дело небольшие очистные сооружения, требуют постоянной ручной калибровки и адаптации к наличию мешающих ионов. Кто будет выполнять эту работу? Но даже при постоянной калибровке результаты измерений с применением ионоселективных электродов часто имеют весьма значительную погрешность (свыше 1 мг/л NH4-N), которую невозможно устранить и которая является неприемлемой для некоторых применений.

Передача данных

Интеллектуальные датчики

Приборы для определения рН, растворенного кислорода и др. традиционно состоят из первичного преобразователя (сенсора или электрода) и вторичного преобразователя, в котором собственно и происходит необходимая обработка аналогового сигнала. С появлением более совершенных цифровых систем обработки данных эти технологии уступили место цифровым датчикам, часто называемым интеллектуальными (smart). Эти датчики помимо самого сенсора содержат и всю систему обработки сигнала, передающую на вышестоящий уровень контроля готовый цифровой сигал, содержащий численное значение определяемого параметра, единицы измерения и информацию о состоянии датчика. Одним из преимуществ такого подхода является возможность подключения различных датчиков к одному многоканальному контроллеру. Благодаря помехоустойчивой цифровой передаче сигнала, расстояние между датчиком и контроллером теперь не важно. Использование цифровых датчиков может сэкономить до 1000 € на каждый измеряемый параметр, поскольку промышленные анализаторы могут использоваться совместно с другими датчиками и всего с одним контроллером. Кроме того, единый унифицированный контроллер может устранить проблемы взаимозаменяемости и сократить количество различных запасных частей, необходимых для поддержания работы системы, что также уменьшает расходы.

Коммуникационные возможности

Коммуникационные возможности современных контроллеров позволяют с минимальными затратами объединить распределенные точки измерений друг с другом, образуя единую сеть. На рис. 3 показана схема подобной сети. Каждая точка измерений оборудована модулем датчиков, к которому подключены сенсоры, используемые в этой точке. Все модули связаны друг с другом сетевым кабелем. Вся сеть управляется при помощи одного контроллера, подключаемого к любому из модулей датчиков. Последние могут быть дополнительно оснащены релейными контактами, токовыми выходами и источником питания для анализаторов. Однако наиболее важным с экономической точки зрения является тот факт, что все сигналы и интерфейсы сведены в единое место, например, на центральный пульт управления, где происходит управление процессом очистки стоков. Это сокращает количество необходимых кабелей и упрощает интеграцию в общую сеть всех существующих и подключаемых в будущем датчиков. При необходимости вся измерительная сеть может быть подключена к промышленной шине передачи данных через любой из модулей датчиков.

Рис. 3. Сетевые возможности современных контроллеров.

Передача данных

Enternet возможности современного промышленного контроллера означают, что при наличии на очистных сооружениях простейшей беспроводной локальной сети (WLAN), сигналы всех датчиков измерительной сети можно увидеть в любое время в любом месте станции на экране обычных портативных устройств или карманного компьютера. При помощи GSM-модуля результаты измерений и информацию о состоянии датчиков можно получать в любом месте, где работает сотовая связь. Кроме того, настройка параметров измерительной сети, конфигурации датчиков и обновление программного обеспечения тоже может производиться удаленно. Результаты и аварийные сигналы могут передаваться в виде SMS или по электронной почте (рис. 4).

Рис. 4. Передача данных и удаленное управление современными контроллерами

Новая сервисная стратегия

Вышеописанные возможности контроллеров позволяют осуществить новую идею сервисного обслуживания промышленного оборудования. До сих пор сервис измерительных приборов основывался на концепции планового и превентивного обслуживания (например, 2 плановых визита инженера в год). Теперь эта концепция может быть дополнена новыми сервисными возможностями, сочетающими плановое обслуживание с моментальной реакцией на внештатные ситуации, увеличивая общую эффективность сервиса. В этом случае промышленные анализаторы будут оповещать оператора очистных сооружений и, при желании станции, сервисный центр производителя оборудования о текущем состоянии приборов (рис. 4). При возникновении предупреждения сразу же можно провести удаленное квалифицированное обслуживание прибора во избежание его аварийной остановки. За счет этого можно снизить количество плановых визитов в пользу выполнения удаленного сервиса, осуществляемого только при его необходимости. Новая стратегия, использующая современные коммуникационные возможности, увеличивает надежность измерительных систем и делает обслуживание более эффективным вне зависимости от их географического положения.

Открытая система / Модули автоматизации

Традиционные преобразователи имеют платы токовых выходов 0/4-20 мА для передачи измеряемого сигнала и релейные платы для индикации максимальных и минимальных значений и ошибок. Новое поколение контроллеров позволяет также считывать аналоговые и/или цифровые сигналы измерительных устройств, которые могут быть математически связаны с измеряемыми значениями от подключенных датчиков для создания дополнительных сигналов или контролируемых переменных (тем же образом, как это происходит в программируемых контроллерах, но более удобно и без знания специализированного программирования). Например, контроллер может регистрировать сигналы потока и содержания компонента с последующим расчетом нагрузки и, при необходимости, управлять приводом задвижки через цифровые или аналоговые выходы. ПИД контроллеры, специально разработанные для процессов очистки стоков, особенно важны для небольших очистных сооружений. Например, теперь очень просто создать эффективную программу автоматического управления прерывистой денитрификацией на основе датчиков растворенного кислорода и нитратов, подключаемых к одному небольшому контроллеру.

Увеличение экономического эффекта очистки стоков

Описываемые характеристики и стоимость промышленных анализаторов для определения аммония и фосфатов необходимо рассмотреть с точки зрения того экономического эффекта, который может быть достигнут при их использовании. Сэкономленные средства, определяемые в зависимости от мощности очистных сооружений, могут подсказать адекватный уровень необходимых инвестиций.

Аэрация

С экономической точки зрения, следует избегать излишне высокой концентрации кислорода в аэрационном тенке. В соответствии с данными [2], энергия, требуемая для аэрации активного ила, определяется из следующего соотношения:

(1) N~Cs/(Cs-Cx) где: Cs - концентрация кислорода в насыщенном растворе

Cx - текущая концентрация кислорода

Энергетические требования N или, другими словами, стоимость энергии, расходуемой на подачу кислорода в аэрационный тенк, возрастает прямо пропорционально концентрации кислорода Cx. Уменьшение концентрации кислорода с обычных 2 мг/л до 1 мг/л во время периода низкой нагрузки позволит сэкономить, исходя из уравнения (1), порядка 15%. Это подтверждается большим числом исследований, проводившихся в 90-х годах, которые показали возможность экономии от 10 до 20% электроэнергии для систем автоматического управления подачей кислорода, учитывающих содержание аммония. Если предположить, что потребление кислорода составляет около 70 г/ЭквН/д (грамм на эквивалент населения в день), а эффективность системы аэрации равна 1.5 кгO2/кВч, то ежегодное потребление электроэнергии составит примерно 17 кВч/ЭквН, а потенциальная экономия - около 2.5 кВч/ЭквН, или 0.25 €/ЭквН/год при цене 0.10 €/кВч. Это следует сопоставить со стоимостью закупки и обслуживания промышленных систем измерения аммония, которая на сегодняшний день составляет примерно 4200 €/год. Выше приведенные цифры позволяют сделать вывод об экономически оправданном применении анализаторов аммония для очистных сооружений с эквивалентом населения свыше 16800 человек. Предполагаемая стоимость анализаторов аммония в 2010 году составит 3000 €/год, что позволит снизить этот уровень до 12000, а с учетом постоянного повышения стоимости электроэнергии и до 10000 человек еще до 2010 года.

Добавка осадителя

В случае удаления фосфора стоимость осадителя и, куда более значимая величина, стоимость утилизации ила, являются ключевыми факторами в экономических расчетах. Можно рассчитать расход осадителя FM (кг Fe) и количество ила TS (кг TS), образуемого при добавке соли металла, как это показано в статье [1]:

FM = Pges,0·β·(1-ηBio-P)·fsto где: Pges,0 : общий осажденный фосфор (кг Р)

β : коэффициент β

ηBio-P : эффективность биоразложения фосфора

fsto : стехиометрический коэффициент

TS = FM ·fTS где: fTS : удельная иловая производительность

Согласно «ATV Handbuch» [3], потребление осадителя может быть уменьшено от 10 до 25% при использовании системы автоматического контроля с заданным значением, по сравнению с неконтролируемой дозировкой. Основываясь на стоимости годового владения и в зависимости от стоимости утилизации ила и степени биологического удаления фосфора, можно примерно оценить масштаб очистных сооружений (предположив, что нагрузка по фосфору составляет 2 г Р/ЭквН/д, а уровень экономии около 15%), начиная с которого применение автоматического контроля добавки осадителя будет экономически оправдано (Табл. 2).

Табл. 2. Экономическая эффективность применения промышленных анализаторов для контроля добавки осадителя

Необходимый размер станции (ЭквН)

Биоудаление фосфора (%)

Предполагаемые условия:

Осадитель: 40% FeCl3, 130€/т

Активное вещество: 13.8%

β=1.5; 1.8г Р/ЭквН/день

fTS=2.5 кг TS / кг Fe

Экономия осадителя: 15%

Общая стоимость анализатора:

Включая трудозатраты: 4790 €/год

Без учета трудозатрат: 3230 €/год

30

50

70

Стоимость утилизации ила (Евро за тонну)

200

16100

10900

22500

15200

37400

25300

300

13700

9300

19200

12900

31900

21500

400

11900

8100

16700

11300

27800

18800

500

10600

7200

14800

10000

24600

16600

600

9500

6400

13300

9000

22100

14900

700

8600

5800

12100

8200

20100

13600

Увеличение эффективности применения промышленных анализаторов

Изменение политических, экономических и экологических требований способствует все более широкому применению промышленных систем аналитического контроля на очистных сооружениях всех масштабов.

Учет воздействия на окружающую среду

В течение последнего десятилетия было принято множество законов, директив и нормативных актов по защите водных ресурсов и окружающей среды. Целью этих нововведений было дополнение существующей законодательной базы в области экологии принципом «нулевой эмиссии» или замене его подходом, ориентированным на комплексную оценку воздействий (например BWK-Merkblatt M 3, 2001). Прежде всего, при этом возрастают требования к эффективности очистных сооружений, поскольку эти объекты часто являются источником загрязнения вод бионеразлагаемыми или трудно разлагаемыми стоками [4]. В будущем даже небольшие станции будут вынуждены адаптировать затраты на квалифицированный персонал и контрольно-измерительные системы к новым требованиям, что неизбежно приведет к увеличению данных статей расходов.

Интегрированные контрольно-измерительные системы

Если ставить вопрос о более эффективном использовании инженерной инфраструктуры очистки сточных вод, то системы измерения и управления должны идти дальше простой оптимизации отдельных компонентов очистных сооружений и ориентироваться на оптимизацию всей станции или системы в целом (например, интегрированные контрольно-измерительные системы канализационной системы или городской станции аэрации). Данный подход может настолько увеличить экономическую и экологическую эффективность канализационных систем и очистных сооружений, что применение масштабных измерительных комплексов может быть экономически адаптировано даже для станций, рассчитанных на пятитысячное население, что демонстрирует, например, Мессельский проект очистных сооружений (Messel Sewage Treatment Plant Project [4]). Это в особенности очевидно, когда применение контрольно-измерительных технологий делает ненужным новое строительство или расширение существующих сооружений и одновременно позволяет значительно снизить счета за сброс недоочищенных стоков.

Периферийные очистные сооружения

Как результат увеличения требований к операторам очистных сооружений и быстрого прогресса в области телекоммуникаций и автоматизации, высококвалифицированный постоянный персонал на небольших станциях будет встречаться все реже. Станции станут подключаться к централизованной системе при помощи технологий удаленного управления. Сегодняшние регулярные визиты в будущем уступят место только необходимым посещениям (например, при возникновении неисправности оборудования).

Выводы

Приход технологий цифровой передачи данных и микродозирования, мембранной фильтрации и ионных мембран в индустрию приборостроения способствовал разработке новых анализаторов для измерения аммония и ортофосфатов. За истекшие 10 лет стоимость самих NH4-N и PO4-P анализаторов снизилась почти на 50%. Кроме того, стоимость их эксплуатации также уменьшилась на 63% и 54% соответственно. Если принять во внимание увеличение стоимости электроэнергии и утилизации ила, использование анализаторов стало экономически выгодным на многих небольших и средних очистных сооружениях, где ранее подобные системы не применялись. Это особенно актуально в случаях, когда промышленные системы измерения и контроля могут использоваться для снижения платежей за сброс недоочищенных стоков или стоимость приобретения самих анализаторов сопоставима со штрафами за низкое качество очистки сточных вод.

Удаленная диагностика и передача данных также открывают новые возможности. В будущем они могут использоваться для создания совершенно новых подходов к сервисной поддержке, которые позволят снизить до минимума стоимость персонала, контролирующего и обслуживающего измерительное оборудование. Эти услуги будут наиболее востребованы на малых и средних очистных сооружениях, имеющих ограниченное число квалифицированных специалистов, задействованных непосредственно на самой станции.

Ионоселективные электроды для измерения аммония известны с начала 90-х и вновь приобретают актуальность. Однако когда эти датчики устанавливаются в системах управления с обратной связью, следует помнить, что экономическая эффективность и надежность автоматизированной системы очень тесно связана с качеством (достоверностью показаний, продолжительностью эксплуатации) используемых сенсоров. Применение датчиков неадекватных условиям измерения приводит к тому, что даже после оптимизации всех процессов на очистных сооружениях недостоверные результаты измерений в итоге повышают стоимость очистки по сравнению с той, которая была до оптимизации.

Следует ожидать, что важность применения промышленных систем непрерывного мониторинга на станциях очистки сточных вод будет возрастать. С точки зрения того факта, что около 45000 из примерно 51000 очистных сооружений в Западной Европе построены для обслуживания менее 15000 жителей, можно предположить, что мы еще только на пороге масштабного перехода к применению автоматических промышленных систем контроля химического состава сточных вод.

Литература

[1]. Wedi, Detlef:
Einsatz von Messtechnik auf Klaranlagen, notwendig oder nicht Angewandte Prozess Messtechnik Nr. 16, Dr. Lange Eigenverlag (1996)

[2]. Merkblatt ATV-DVWK-M 265:
Regelung der Sauerstoffzufuhr beim Belebungsverfahren (2000)

[3]. ATV-Handbuch:
Betriebstechnik, Kosten und Rechtsgrundlagen der Abwasserreinigung, Ernst & Sohn, 4. Auflage (1995)

[4]. Wiese, Jurgen (ASA - Anlagen- und Sondermaschinen Automation GmbH):
Entwicklung von Strategien fur einen integrierten Betrieb von SBR-Klaranlagen und Mischkanalisationen – Simulation und Gro?technik, Schriftenreihe der TU Kaiserslautern, FG Siedlungswasserwirtschaft, Band 19 (2005)

Авторы

Hack M., HACH LANGE GmbH, Dusseldorf

Платонов М.М., к.х.н., ООО ЭкоИнструмент, Москва



ЭквН – эквивалент населения EW=EZ+EGW, где EZ - общее число жителей, EGW - эквивалентное число жителей, рассчитываемое для промышленных стоков

рН-метр. Как правильно откалибровать pH-метр

рН-электроды - это не идеальные системы. Они могут иметь различную длину, несовершенную геометрическую форму, нарушения в составе внутреннего электролита и т.д. Все это влияет на их характеристики и, в тоже время, это вполне нормально, так как в любом производстве существуют определенные допуски. Поэтому каждый рН-метр нуждается в калибровке, которая помогает прибору установить соотношение между сигналом от электрода и значением рН в растворе.

Калибровка – очень ответственный момент! Надо отдавать себе отчет о невозможности измерения рН с точностью большей, чем используемые стандарты. Например, если Вы хотите работать с точностью 0.01рН, то необходимо выполнение следующих условий: суммарная погрешность рН-метра и электрода не должна превышать 0.005 рН и проводить калибровку следует с особым вниманием на специальных высокоточных буферных растворах. Купить такие растворы нельзя, поскольку они не хранятся. Их придется готовить самостоятельно, с использованием специально подготовленных реактивов и воды.

Если у Вас нет возможности приготовить буфер с точностью +/- 0.005 рН, то придется довольствоваться фирменными буферными растворами, точность которых обеспечивается на уровне +/- 0.02рН. При калибровке по таким стандартам суммарная погрешность не будет превышать 0.04 – 0.03 рН, при условии, что погрешность прибора находится на уроне 0.01 рН. Это самая распространенная практика, и Вы не найдете ни одной методики или ГОСТа, где требовалась бы поддержание рН с точностью выше, чем 0.05 рН. Исключение составляют лишь некоторые фармацевтические и специализированные производства.

Современные рН-электроды как правило комбинированные, т.е. в одном корпусе находятся и рН-электрод, и электрод сравнения. Помимо удобства в работе, это обеспечивает более быстрый отклик и снижает суммарную ошибку.

Изоэлектрическая точка для таких электродов находится на рН=7 (0 мВ). Поэтому, в первую очередь, прибор следует калибровать по буферу с нейтральным рН (например, 6.86 или 7.01). Вторую точку следует выбирать на расстоянии примерно 3 единицы рН, т.е. рН=4 или 10. Если прибор калибруется только по двум буферам, то выбор второй точки зависит от диапазона, в котором Вы преимущественно работаете. Если это щелочные растворы, то воспользуйтесь буфером с рН=10, если кислые – с рН=4. Это связанно с некоторой разницей в наклонах калибровочных прямых в кислой и щелочной области. Проблем не возникнет, если Ваш прибор может калиброваться по трем и более точкам. В этом случае порядок калибровки не важен, так как рН-метр самостоятельно его отслеживает.

На недорогих моделях рН-метров (HI8314, Piccolo, Checker) для калибровки предусмотрены два винта: один для настройки изоэлектрической (опорной) точки (рН7), другой для настройки наклона (рН4/10). Очень часто при использовании их путают, и возникает ситуация, когда взаимное положение винтов не позволяет провести калибровку. В этом случае, перед проведением калибровки следует выставить оба винта в среднее положение (1/2 оборота для Piccolo и 15-16 оборотов для остальных моделей от крайнего положения).

Наиболее совершенные модели рН-метров имеют т.н. поддержку GLP, которая помимо даты последней калибровки позволяет оценить состояние электрода на основании данных об отношении наклона калибровочной кривой к теоретическому значению (59.16 при 25С) в %. Если у прибора нет поддержки GLP, но имеется режим измерения мВ, то наклон можно рассчитать самостоятельно, измерив значение мВ в буфере рН=7 и рН=4.

Например:

pH7 = -10 мВ
pH4 = +150 мВ

наклон = 150 – (-10)/59.2х3 = 90.1%

95 – 102% - электрод в рабочем состоянии,

92 – 95% - электрод нуждается в очистке,

менее 92% - необходимо сменить электролит или заменить электрод.

Проблема термокомпенсации, автоматическая термокомпенсация

Проблема компенсации изменений температуры одна из самых важных и самых трудно решаемых в рН-метрии. Погрешность в измерения возникает по трем причинам: В уравнение Нернста входит температура; Равновесные концентрации ионов водорода в буфере и образцах меняются в зависимости от температуры; Характеристики рН-электрода зависят от температуры. 1. Согласно уравнению Нернста, теоретический наклон калибровочной кривой изменяется с температурой. Если прибор не учитывает этого изменения, то к погрешности измерений добавляется ошибка в среднем равная 0.003рН на каждый градус Цельсия и каждую единицу рН от изопотенциальной точки.
Например: прибор откалиброван по буферу рН=7 при температуре 25С.
Образец с рН=5 при 20С, ошибка = 0.003 х 5 х 2 = 0.03
Образец с рН=2.5 при 2С, ошибка = 0.003 х 23 х 4.5 = 0.31

Образец с рН=12 при 80С, ошибка = 0.003 х 55 х 5 = 0.82
Компенсировать изменение наклона калибровочной прямой очень просто, поэтому это делает практически любой современный рН-метр, за исключением самых простейших. Это то, что в рекламных проспектах и спецификациях называется "автоматической термокомпенсацией" (автотермокоменсация, АТС, ATC). Но ни один из приборов не позволяет учитывать следующие две составляющие погрешности. 2. Гораздо более сложной задачей является компенсация изменений равновесных концентраций ионов водорода в образцах с изменением температуры. Проблема заключается в том, что не зная точного химического состава образца невозможно предсказать характер этих изменений. Существует только общая закономерность, что рН нейтральных и щелочных растворов сильнее зависит от изменения температуры, чем рН кислых растворов. При изменении температуры на 25-30 градусов рН может измениться на 0.5 – 1 единицы. Обычные общелабораторные рН-метры никак не учитывают этот фактор, да его и невозможно учесть, так как растворы бывают самые разные. Исключения не составляют и буферные растворы:
температура
значение pH
C
4.01
6.86
7.01
9.18
10.01
0
4.01
6.98
7.13
9.46
10.32
10
4.00
6.92
7.07
9.33
10.18
20
4.00
6.88
7.03
9.22
10.06
25
4.01
6.86
7.01
9.18
10.01
30
4.02
6.85
7.00
9.14
9.96
50
4.06
6.83
6.98
9.01
9.82
70
4.12
6.85
6.99
8.93
9.75
3. Кроме вышеперечисленных причин, температура влияет и на сам корпус электрода и на электролит, находящийся в нем. Все это заметно сказывается на значении рН. Практически никто из производителей этого не учитывает. Исключение составляет Orion, разработавший технологию LogR. Ее суть заключается в том, что сопротивление (R) чувствительной части рН-электрода обратно пропорционально температуре: LogR = 1/T Помимо учета изменяемых с температурой характеристик электрода, это позволяет в принципе отказаться от параллельного измерения температуры, заменив температуру в уравнении Нернста обратным логарифмом сопротивления электрода. К сожалению, из-за низкой точности измерения температуры данная технология не получила широкого распространения.

Что нужно знать о термокомпенсации

1. Под автоматической термокомпенсацией в рН-метрии подразумевается только учет температуры, входящей в уравнение Нернста.

2. Если Вы хотите знать точное значение рН образца при 25С, единственный реальный выход – это измерить его при 25С.

Что нужно знать о БПК?

Теоретические основы манометрического метода определения БПК

Определение биохимического потребления кислорода всегда являлось темой обсуждений. Как правило, в большинстве образцов воды потребление кислорода ограничено лишь количеством присутствующих органических веществ, способных окисляться в присутствии кислорода. Именно в таких случаях при температуре инкубации 20±1°С расход кислорода может быть интерпретирован как БПК.
Метод определения БПК основан на способности микроорганизмов потреблять растворенный кислород при биохимическом окислении веществ в воде. БПК определяют количеством кислорода в мг/мл, которое требуется для окисления находящихся в воде углеродосодержащих органических веществ, в аэробных условиях, т.е. при постоянном доступе воздуха. За БПКполн принимается окончательная минерализация биохимически окисляющихся веществ до начала процесса нитрификации. Уменьшение содержания кислорода за определенный период инкубации в темном месте, при контрольной температуре, в полностью заполненной и герметически закрытой склянке, главным образом обусловлено протекающими в аэробных условиях бактериальными биохимическими процессами, которые приводят к минерализации органического вещества.

Биологические основы определения БПК

Основное отличие определения БПК от остальных измерений заключается в том, что изменяются не столько химические или физические характеристики системы, сколько биологические. Биохимическое потребление кислорода происходит вследствие окисления микроорганизмами органических веществ. Бактериям необходимы вполне определенные условия жизни, также как человеку и остальным формам жизни. Однако условия жизни и функционирования бактерий могут быть различными, вплоть до экстремальных, т.к. микроорганизмы очень легко приспосабливаются. В связи с тем, что более высокоорганизованные формы жизни приспосабливаются хуже, основную долю биологической культуры обычно составляют бактерии и различные инфузории, но могут присутствовать также рачки и даже черви.
Оптимальными условиями для микроорганизмов, которые обычно присутствуют в водах городского происхождения, являются pH в районе нейтрального, а также сбалансированное содержание питательных веществ (включая фосфор и азот), которое обеспечивается с поступлением загрязненной воды. Также микроорганизмы чувствительны к колебаниям температуры - последние отражаются на численности популяции. В связи с этим понятно, почему операторы установок биологической очистки так стремятся оградить биологические культуры от агрессивных воздействий. И именно поэтому определение БПК следует проводить, исключая возможность нанесения вреда адаптированным биологическим культурам. Очень важно, чтобы флора была совместима с исследуемой водой. Для этого используют микроорганизмы, "знакомые" с водой данного образца, т.е. адаптировавшиеся к ней. Воды, содержащие ингибирующие, дезинфицирующие или токсичные вещества, губят микробиологическую культуру. Поэтому такие воды не имеют БПК. Результаты измерений БПК в таких водах могут быть лишь характеристикой токсичности растворенных веществ.

Манометрическое определение БПК.

Определение БПК предполагает разложение углеродсодержащих органических веществ микроорганизмами. Основным приложением манометрического метода является анализ сточных вод и биологических очистных установок. Манометрический метод определения БПК в бутыли соответствует процессу, протекающему на очистных сооружениях, но в сильно уменьшенном виде. В то же время, данный анализ можно применять для различных водных сред, например, природных вод, а также искусственно созданных растворов. Период измерения можно варьировать в широком временном диапазоне в зависимости от преследуемой цели. Для оценки эффективности системы биологической очистки на станциях аэрации в Европе обычно используют БПК5, в Скандинавских странах - БПК7, в России - БПК5, БПК20 или БПКполн. Различные времена инкубирования имеют свои положительные и отрицательные стороны. В каждом случае образцы вод термостатируются в течение всего времени инкубирования при 20°С.
Основы
По сравнению с остальными методами, данный отличается максимальной приближенностью к природным условиям биологического разложения растворенных органических веществ. Воздействие на образец воды сведено к минимуму. Кроме масштаба, процессы, протекающие при биологической очистке на станциях аэрации и при измерении БПК с помощью OxiTop, отличаются тем, что последние протекают в анаэробных условиях (т.е. без доступа воздуха). Весь необходимый для окисления органики кислород находится в измерительной бутыли. Кроме растворенного кислорода, биокультуры потребляют также кислород из газовой фазы - из воздуха в бутыли над раствором. Кислород в водной и газовой фазе находится в равновесии. Постоянное энергичное перемешивание обеспечивает стабильный обмен газом между двумя фазами.
Использование OxiTop намного упрощает измерение БПК, т.к. он автоматически запоминает измеренные значения. Все сохраненные в памяти прибора значения можно считать в любой день. К разбавлениям приходится прибегать редко, что также снижает трудо- и времяемкость анализа. Иными словами, количество рутинных операций при использовании OxiTop минимально.
В классическом методе определение содержания кислорода осуществляют йодометрическим или амперометрическим методом. Значения БПК прибор OxiTop получает на основании измерения давления в герметичном сосуде. Важным достоинством данного прибора является то, что при измерении давления используются не ртутные манометры, а электронные датчики.
Принцип измерения
Бактерии потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Биохимическое потребление кислорода может быть определено напрямую, посредством измерения давления кислорода, или же косвенно - измеряя давление углекислого газа. В манометрических методах измеряется изменение давления. Но откуда же ему взяться, если известно, что моль любого газа имеет объем 22,4 литра, т.е. превращение молекулы кислорода в молекулу углекислого газа не вызовет изменения давления. Вот тут сказывается присутствие гидроксида натрия в горлышке бутыли. Гидроксид натрия взаимодействует с углекислым газом, образуя карбонат натрия. Вследствие того, что углекислый газ удаляется из газовой фазы, происходит падение давления, пропорциональное количеству поглощенного кислорода, которое и пересчитывается в значение БПК.
Кривая А - выход за измеряемый диапазон.
Кривая В - нормальный вид зависимости при правильно проведенном эксперименте.
Кривая С - результат разгерметизации измерительного сосуда; отсутствие или недостаток NaOH в колпачках прибора.
Кривая D - был произведен посев неадаптированной или плохо приспособившейся культуры; или внесено недостаточное количество микроорганизмов.
Кривая Е - произошел нежелательный процесс, например нитрификация.
Если анализ проведен правильно, то в координатах БПК - дни эксперимента должна получиться кривая похожая по форме на кривую А.
Если же данная кривая не наблюдается, то причиной этого может явиться один или несколько следующих факторов: разгерметизация колбы, задержка развития бактерий, нитрификация, неправильный выбор диапазона измерения.

Разгерметизация колбы может привести к тому, что будет наблюдаться кривая Б, или же к отсутствию отклика. В этом случае следует проверить целостность оборудования и правильность установки измерительной головки.

При анализе образцов с недостаточным начальным количеством аэробных бактерий наблюдается кривая типа В. К данному явлению приводит и акклиматизация бактерий. Именно поэтому следует использовать флору, адаптировавшуюся к данному образцу воды.

Выход за измеряемый диапазон может привести к получению графика, схожего с кривой Г. Используйте разбавление образца чтобы устранить данное явление.
Очень важно выбрать диапазон определения БПК так, чтобы значение, высвечиваемое на шкале прибора, лежало в интервале 20 - 40. Если это значение будет меньше 20, то нельзя утверждать, что полученный результат отражает значение БПК с достаточной точностью. Единственным исключением из этого правила является минимальный диапазон определения БПК (1 - 40), в котором точность измерения максимальна.
Если диапазон БПК неизвестен, то для его оценки используйте результаты определения ХПК (химического потребления кислорода) или данные серии анализов БПК с различными объемами или разбавления образца. Второй вариант предпочтительнее, т.к. соотношение БПК/ХПК строго не регламентировано: в России оно принимается примерно равным 0,5; за рубежом - примерно 0,8. Однако, эта процедура понадобится скорее всего лишь однажды, когда будет проводиться первый анализ.

Примером проявления нитрификации (появлением NO2--ионов вследствие окисления ионов аммония) является кривая Ан. Биологическое окисление органического азота в хозяйственных стоках, как правило, наблюдается спустя пять-шесть дней, что связано с более медленным ростом нитрификационных бактерий. Однако аномально высокое значение поглощения кислорода (особенно при анализе выходных вод) объясняется значительным вкладом жизнедеятельности нитрификационных бактерий в общее значение БПК. Для устранения влияния нитрификации используйте ингибитор нитрификации - N-аллилтиомочевину.

Проведение анализа в образцах воды, значение рН в которых отличается от нейтрального, приводит к сильно заниженным результатам. Нейтрализуйте образец при помощи слабого раствора гидроксида натрия или серной кислоты.

Кривая А - Температура пробы находится в оптимальном температурном диапазоне (19-21°С).
Кривая В - Проба сильно охлаждена (<15°С), адаптирование температуры занимает очень много времени. Измерения не корректны!
Кривая С - Проба перегрета (>21°С). Скачок давления вызван изменением объема в процессе измерения БПК. Измерения не корректны!

Очень важным обстоятельством является предварительное термостатирование образцов. Измерительные головки OxiTop снабжена системой AutoTemp, которая измеряет температуру образца с шагом 1 час. Если через час температура соответствует оптимальной, то измерение БПК включается автоматически. Если же нет, то система ждет еще час и вновь замеряет температуру. Система измеряет температуру образца максимум четыре раза, после чего автоматически активизирует измерение.

Для обеспечения жизнедеятельности бактерий необходимо внести следовые количества в исследуемый образец железа, магния, кальция и фосфора. Как правило, хозяйственные стоки содержат упомянутые элементы. Стоки пищевой промышленности содержат очень большое количество органических веществ; в образцы таких вод следует вносить значительно большие количества упомянутых элементов.


Образцы вод, содержащие дезинфицирующие (например хлор) или токсичные вещества, следует подготовить к анализу, удалив эти вещества, т.к. они оказывают губительное воздействие на биокультуру. Для удаления хлора пробу выдерживают 1-2 часа на свету или добавляют тиосульфат натрия.

Для удаления токсичных веществ пробу разбавляют, сводя к минимуму воздействие токсикантов, или же акклиматизируют затравку в данной пробе.
Как отмечалось ранее, лучше всего использовать адаптированную затравку. Кроме того, бытовые стоки могут обеспечить затравку практически для любых образцов. Использование специальных капсул с затравкой, являющихся постоянным источником аэробных бактерий и свободных от нитрифицирующих бактерий, идеально подходит для сточных вод.

LDO - люминесцентный метод измерения растворенного кислорода в воде

Оптический метод определения растворенного кислорода

Содержание кислорода в тенках с активационным илом является одним из важнейших непрерывно измеряемых параметров в процессах биологической очистки сточных вод. Традиционная технология электрохимических измерений основана на использовании полярографической или гальванической измерительной ячейки. Характерной особенностью данной измерительной технологии является значительный расход электролита или износ анода в процессе измерения. Оба этих эффекта неизбежно приводят к дрейфу получаемого сигнала, который можно удерживать в допустимых пределах только путем регулярной калибровки датчика.

Для нового кислородного сенсора LDO (Luminescence Dissolved Oxygen), фирмой LANGE разработана абсолютно новая технология измерений для определения концентрации кислорода в сточных водах. Данный метод основывается на люминесцентном излучении вещества люминофора и сводит измерение концентрации кислорода к чисто физическому измерению интервала времени. Поскольку процесс измерения времени в принципе не подвержен дрейфу, датчик не требует регулярной калибровки и обслуживания.

1. Введение

Как основной параметр биологической очистки сточных вод, концентрация кислорода определяет природу и скорость процессов в аэрационных тенках. Для разложения углерода, нитрификации, денитрификации и биологического удаления фосфора необходимым условием является временное или пространственное разделение аэробной и безкислородной или анаэробной зон. Контроль над обеспечением характерных для этих различных зон условий является одной из наиболее важных задач мониторинга процессов на станциях очистки сточных вод. Для этого обязательно необходимо получение информации о содержании кислорода в активном иле. Таким образом, с точки зрения технологического процесса, вопрос не в том, проводить ли непрерывные измерения концентрации кислорода, а в том, как именно это делать.

От 60% до 70% энергии, потребляемой очистными сооружениями, используется для аэрации активного ила. Поэтому стратегия контроля расхода и управления снижением энергопотребления на станциях биологической очистки сточных вод, главным образом, фокусируется на оптимизации поступления кислорода в аэрационный тенк. Во главу всех концепций автоматизации ставится возможность получения правильных и точных измерений кислорода. Следовательно, с экономической точки зрения, непрерывное измерение концентрации растворенного кислорода также имеет важнейшее значение.

2. Электрохимический принцип измерения

Электрохимические датчики для измерения концентрации растворенного кислорода используются на очистных сооружениях уже бoлее 40 лет. В принципе, электрохимическая ячейка всегда включает в себя анод и катод, выполненные из различных металлов и погруженные в электролит. На мембранных датчиках, камера с электролитом отделена от образца газопроницаемой мембраной, через которую молекулы кислорода из образца диффундируют в электролит, пока парциальное давление кислорода с обеих сторон мембраны не выровняется. На датчиках без мембраны роль электролита выполняет сам образец.

Электрохимические измерительные ячейки подразделяются на гальванические и полярографические (электролитические). В гальванической измерительной ячейке между анодом и катодом самопроизвольно возникает разность потенциалов, определяемая электрохимическим рядом напряжений. Этого достаточно для восстановления кислорода на катоде и инициации соответствующего окислительного процесса на аноде. Разность потенциалов между анодом и катодом пропорциональна концентрации кислорода в образце. Гальванические измерительные ячейки относятся к самополяризуемым, другими словами, они готовы к работе сразу после включения.

В полярографических измерительных ячейках возникающей между анодом и катодом разности потенциалов недостаточно для восстановления молекул кислорода. Поэтому для прохождения электрохимической реакции необходимо дополнительно прикладывать внешний поляризующий потенциал, после чего измеряется ток, который в условиях постоянного потенциала будет пропорционален концентрации кислорода в электролите. Стабильная разность потенциалов между катодом и анодом не устанавливается мгновенно, для этого необходимо определенное время, называемое "временем поляризации". В зависимости от типа сенсора, поляризация может занимать до 2 часов. Если для поддержания датчика в поляризованном состоянии не используются батареи, то после включения датчик войдет в рабочий режим только по завершении поляризации.

В последние годы были предприняты значительные усилия для дальнейшего развития и оптимизации техники электрохимических измерений. Однако, главным недостатком всех электрохимических измерительных систем остается тот факт, что для каждой восстановленной на катоде молекулы имеет место соответствующая окислительная реакция на аноде, которая является причиной деградации анода и расхода электролита. Оба этих процесса неизбежно приводят к дрейфу показаний и занижению результатов. Привносимые погрешности можно удерживать в определенных рамках только за счет регулярной калибровки датчика и замены электролита, производимой пользователем.

3. Негативные последствия занижения результатов измерения растворенного кислорода

Как правило, кислородные датчики используются в замкнутых системах автоматического регулирования или управления. В этом случае контролер регулирует аэрирующее устройство таким образом, чтобы показания кислородного датчика соответствовали установленному значению. При этом занижение показаний датчика кислорода не может быть определено напрямую. Реальное содержание кислорода в активном иле может значительно превышать необходимое значение. Это, в свою очередь, может привести к технологическим сбоям, например, таким как подача кислорода в денитрификационную зону.

Повышенная концентрация кислорода в аэрационных тенках также нежелательна из экономических соображений. Количество энергии, необходимое для аэрации активного ила, помимо прочих параметров, зависит от:

N ~ Cs/(Cs-Cx) где Cs: макс. концентрация кислорода в данных условиях (100% насыщения)
Cx: текущая концентрация кислорода в активном иле.

Количество энергии необходимое для подачи кислорода в активный ил, а значит и стоимость этого процесса, возрастает с ростом концентрации кислорода Cx.

На рис. 1 показана зависимость роста энергопотребления от величины занижения показаний при измерении концентрации кислорода для концентрации насыщения Cs = 9.0 мг/л и установочной точки в 2.0 мг/л. Так, например, в случае занижения датчиком показаний на 0.3 мг/л, потребление энергии на подачу кислорода возрастает на 4.5 %.


Рис. 1 Дополнительный расход энергии, вызванный заниженными показаниями датчика кислорода (для концентрации насыщения Cs = 9.0 мг/л и установочной точки в 2.0 мг/л)

Если принять во внимание, что до 70% всей потребляемой электроэнергии на станциях очистки сточных вод расходуется на аэрацию активного ила, становится понятным, насколько важно исключить занижение результатов измерения растворенного кислорода и какой экономический эффект в итоге это может дать.

4. Оптический принцип измерения растворенного кислорода

Новая оптическая технология измерения растворенного кислорода разрабатывалась с учетом недостатков, присущих традиционным электрохимическим методам измерения. Новый принцип, получивший название LDO, основывается на физическом явлении люминесценции. Данное явление определяется как способность определенных материалов (люминофоров) испускать излучение не в результате нагрева, в результате возбуждения иного рода. В методе LDO в качестве источника возбуждения используется свет. Подобрав подходящий материал и длину волны возбуждающего света, удалось добиться пропорциональности, как интенсивности, так и степени затухания люминесцентного излучения концентрации кислорода в окружающем люминофор растворе.

Датчик Lange LDO включает два основных компонента (см. рис. 2):

  • Крышка датчика со слоем люминофора, нанесенным на прозрачную подложку.
  • Корпус датчика с синим и красным СИД (светоизлучающие диоды), фотодиодом и электронным преобразователем сигнала (анализатором).
    В рабочем положении крышка накручивается на датчик и погружается в воду. Молекулы кислорода в анализируемом образце вступают в непосредственный контакт с люминофором.


    Рис. 2 LDO датчик

    В процессе измерения синий СИД испускает импульс света, который проходит через прозрачную подложку и частично поглощается слоем люминофора. Электроны в молекулах люминофора при этом переходят на более высокий энергетический уровень (возбужденное состояние). В течение нескольких микросекунд электроны возвращаются в исходное состояние через несколько промежуточных энергетических уровней, испуская разницу в энергиях в виде более длинноволнового (красного) излучения (см. рис. 3).


    Рис. 3 Принцип работы датчика Lange LDO. Красный и синий СИД в датчике

    Если в этот момент молекулы кислорода находятся в контакте с люминофором,
  • они могут поглотить энергию электронов, находящихся в возбужденном состоянии и сделать возможным их возвращение в исходное состояние без испускания кванта света (безизлучательный переход). С увеличением концентрации кислорода этот процесс будет приводить к уменьшению интенсивности испускаемого "красного" излучения (люминесценции).
  • они вызывают вибрацию в люминофоре, что, в результате, приводит к более быстрому переходу электронов из возбужденного в основное состояние. Таким образом, время люминесценции сокращается.
    Оба аспекта влияния кислорода можно отнести к явлению, обозначаемому термином "гашение люминесценции". Их влияние показано на рис. 4: импульс света, посылаемый синим СИД в момент времени t=0 попадает на слой люминофора, который впоследствии испускает красное излучение. Максимальная интенсивность (Imax) и время затухания красного излучения зависят от окружающей концентрации кислорода (время затухания определяется как время между началом возбуждения и падением уровня красного излучения до величины 1/e от максимальной интенсивности).


    Рис. 4 Кривые интенсивности возбуждающего синего излучения и красного излучения люминесценции

    Для определения концентрации кислорода анализируется время затухания люминесценции . Таким образом, измерение концентрации кислорода сводится к чисто физическому измерению времени.

    Отклик сенсора постоянно регулируется при помощи красного СИД, смонтированного в датчике. Перед каждым измерением он испускает луч света с известными характеристиками, который отражается от люминофора и попадает в оптическую систему. Благодаря этому, без задержки происходит определение и компенсация любых изменений измерительной системы.
  • 5. Преимущества использования оптического метода

    Распространенная в настоящее время электрохимическая техника измерения концентрации растворенного кислорода требует от пользователя осуществления регулярного обслуживания датчика. Очистка, калибровка, замена мембраны и электролита, полировка анода и документирование всех этих действий считается необходимым и неизбежным. Только таким образом можно удерживать тенденцию датчика к занижению показаний в определенных границах. Ввиду отсутствия достойных альтернативных методов анализа и важности концентрации растворенного кислорода как основного параметра процесса биологической очистки сточных вод, работы по обслуживанию электрохимических датчиков стали общепринятыми. От качества выполнения этих работ во многом зависит достоверность получаемых результатов измерений.

    Реальная альтернатива появилась только с разработкой нового оптического метода анализа. По сравнению с электрохимическими методами, оптический датчик имеет целый ряд преимуществ, как по качеству производимых измерений, так и в отношении его обслуживания:

  • Нет необходимости в калибровке
    В датчике LDO, измерение концентрации кислорода сводится к измерению интервала времени - процессу, по сути не подверженному дрейфу и имеющему минимальную погрешность. Износ или повреждение люминесцирующего материала на крышке датчика влияет лишь на интенсивность испускаемого излучения, но не на время его затухания, которое определяется исключительно концентрацией кислорода в анализируемом образце. Перед измерением все оптические компоненты системы автоматически настраиваются по образцовому красному СИД, что исключает возможность неправильной калибровки датчика пользователем.
  • Не требуется замена мембран или электролита
    В датчике LDO, электролит, электроды и мембрана заменены на чувствительный к кислороду слой люминофора, нанесенный на крышку датчика. Примерно раз в год эта крышка просто меняется на новую.
  • Отсутствуют требования к потоку
    В электрохимических датчиках измеряется ток или напряжение, обусловленные реакцией восстановления кислорода на катоде до гидроксид-иона. Возникающий в результате этого процесса градиент концентраций вызывает миграцию молекул кислорода из образца через мембрану датчика во внутренний электролит. Уменьшение концентрации кислорода непосредственно у поверхности мембраны необходимо устранять путем постоянного перемешивания или помещением датчика в имеющий достаточную скорость поток образца. Датчик Lange LDO не расходует кислород в процессе измерения. Молекулы кислорода лишь вступают в контакт с кислородочувствительным слоем люминофора. Сенсор не требует наличия потока и может производить измерения в статических условиях при отсутствии перемешивания.
  • Нечувствительность к загрязнениям
    Если в электрохимических ячейках произойдет загрязнение мембраны, это ограничит диффузию молекул кислорода и приведет к занижению показаний. В люминесцентном методе измерений LDO не происходит потребления кислорода. Загрязнения, вызванные отложениями на датчике, скажутся только на времени отклика, но не приведут к занижению результатов измерений.
  • Устойчивость к сероводороду (H2S)
    Если газообразный сероводород проникнет через мембрану электрохимической ячейки, он вступит в реакцию с серебряным анодом с образованием слоя сульфида серебра, который очень сложно удалить. Этот процесс приводит к неустранимому повреждению электрохимического датчика. Люминофор, используемый в датчике LDO устойчив к сероводороду (а также к большинству других химических соединений), что делает возможным его эксплуатацию в сложных условиях и агрессивных средах.
  • Малое время отклика
    Для функционирования датчика LDOнеобходимо лишь обеспечить контакт растворенных молекул кислорода с чувствительным слоем люминофора на крышке сенсора. Погруженный в образец датчик обеспечивает время отклика на уровне нескольких секунд. Для увеличения времени отклика и усреднения сигнала можно использовать функцию буферизации, устанавливаемую на вторичном преобразователе (контроллере).
  • Высокая чувствительность к низким концентрациям кислорода
    Чувствительность датчика (отношение изменения времени затухания люминесценции к изменению концентрации ??/ ?cо2) возрастает с уменьшением концентрации кислорода. Это позволяет добиться чрезвычайно высокого разрешения при измерении в диапазоне низких концентраций.
  • Механическая устойчивость датчика
    Крышка датчика имеет значительно более высокую устойчивость к механическим воздействиям по сравнению с мембранными электрохимическими ячейками. Выход из строя мембраны в процессе работы или очистки оператором теперь не является проблемой.
  • Заключение

    Разработка датчика Lange LDO явилась не просто очередным усовершенствованием известной на протяжении многих лет электрохимической методики. Люминесцентный оптический метод представляет совершенное новое направление в анализе растворенного кислорода, позволяя свести всю процедуру к простому изменению времени. Результатом такого подхода стало появление практически "идеального" датчика, обеспечивающего высокоточные измерения и практически не нуждающегося в обслуживании. Все производимое пользователем облуживание заключаются в ежегодной замене крышки датчика и необходимой время от времени очистке сенсора.

    Измерение относительной влажности и активности воды

    Практические советы по измерению влажности

    Наиболее распространенный источник ошибок при измерениях относительной влажности - это существующее различие между температурой датчика и окружающей среды. При относительной влажности в 50 %RH, различие температур в 1 °C (1.8 °F) в среднем приводит к ошибке в 3 %RH (относительной влажности).
    При использовании датчика влажности с показывающим прибором, хорошей практикой считается отслеживание на дисплее прибора изменений показаний температуры и момента их стабилизации. Датчик должен находится в измеряемой среде достаточное время для установления равновесия. Чем больше первоначальное различие температур датчика и измеряемой среды, тем большее время понадобится для достижения равновесия. Это врем я можно сократить и избежать ошибок измерения, если использовать вариант датчика, специально предназначенный для Вашей задачи.
    В чрезвычайных условиях, когда датчик холоднее, чем измеряемая среда, на сенсоре может происходить образование конденсата. До тех пор, пока установленные производителем для данного типа датчика предельные значения влажности и температуры не превышены, образование конденсата не должно повлиять на калибровку сенсора. Однако для получения правильных показаний датчик должен сначала высохнуть.
    Неподвижный слой воздуха является прекрасным изолятором. В отсутствии конвекции и перемешивания измеряемой среды могут наблюдаться неожиданно большие колебания влажности и температуры даже на небольших расстояниях. Постоянный поток воздуха, обдувающий сенсор, как правило, обеспечивает более точные и быстрые измерения.

    Единицы измерения влажности

    Относительная влажность и активность воды
    Относительная влажность является отношением двух давлений: %RH = 100 x p/ps, где p это текущее парциальное давление паров воды, присутствующих в воздухе, а ps это давление насыщенных паров воды (над поверхностью воды) при той же температуре.
    Датчики относительной влажности обычно калибруются при нормальной комнатной температуре (выше нуля). Как следствие, считается, что этот тип датчиков отображает относительную влажность для воды при всех температурах (включая ниже нуля).
    Давление паров надо льдом меньше, чем над жидкостью. Поэтому в присутствии льда насыщение наблюдается при относительной влажности меньше, чем 100 %. Например, показания влажности 75 %RH при температуре -30°C, соответствует насыщению надо льдом (выпадение инея).
    Активность воды это та же относительная влажность за исключением того, что она отображается в долях: 100.0 %RH = 1.000 Aw.

    Температура точки росы / точки инея
    Температура точки росы влажного воздуха при температуре T, давлении Pb и определенном содержании паров воды (соотношении смеси) - это такая температура, до которой необходимо охладить данный воздух для достижения момента насыщения по отношению к воде (начала выпадения росы).
    Температура точки инея влажного воздуха при температуре T, давлении Pb и определенном содержании паров воды (соотношении смеси) - это такая температура, до которой необходимо охладить данный воздух для достижения момента насыщения по отношению ко льду (начала выпадения инея).

    Температура смоченного термометра
    Температура смоченного (шарика) термометра для влажного воздуха при температуре T, давлении Pb и определенном содержании паров воды (соотношении смеси) - это такая температура, которую принимает воздух при данной температуре, при условии постепенного введения в него бесконечно малыми порциями воды, испаряющейся по адиабатическом у процессу при постоянном давлении до момента достижения насыщения.
    Данный параметр используется для эмуляции работы психрометра.

    Концентрация паров
    Концентрация паров (плотность воды в смеси) или абсолютная влажность, опеределяется как отношение массы паров воды Mv к объему V, занимаемому смесью.
    Dv = Mv / V , выражается в г/м3 или в grains/cu ft (гранах на кубический фут)
    Это можно вывести из следующего уравнения PV = nRT:
    a) Mv = n x mw, где :
    n = число моль паров воды, присутствующих в объеме V
    mw = молекулярная масса волы
    b) Dv = Mv /.V = n x mw / V = mw x p / RT , где:
    mw = 18.016 г
    p = парциальной давление паров воды [Pa]
    R = 8.31436 Pa x м3 / °K x моль
    T = температура газовой смеси в °K
    Dv [г/м3] = p / 0.4615 x T
    Dv [gr/cuft] = 0.437 x Dv [г/м3]

    Удельная влажность
    Удельная влажность (также известная как массовая концентрация или содержание влаги во влажном воздухе) это отношение массы паров воды Mv к массе влажного воздуха (Mv + Ma), содержащего Mv паров воды.
    Q = Mv / (Mv + Ma)
    Q = p mw / (p mw + (Pb - p) ma)
    Q [г/кг] = 1000 p / (1.6078 Pb - 0.6078 p)
    Q [gr/lb] = 7 x Q [г/кг]

    Соотношение смеси (содержание воды) по массе
    Соотношение смеси r для влажного воздуха - это отношение массы паров воды Mv к массе сухого воздуха Ma , в котором эти пары содержаться:
    r = Mv / Ma
    Mv = n x mw = mw x p V / RT
    Ma = n x ma = ma x pa V / RT = ma x (Pb - p) / RT, где:
    mw = 18.016 г
    ma = 28.966 г
    p = парциальное давление паров воды [Pa]
    pa = парциальное давление сухого воздуха [Pa]
    Pb = общее или атмосферное давление [Pa]
    R = 8.31436 Pa x м3 / °K x моль
    T = температура газовой смеси в °K
    r = mw p / ma (Pb - p)
    r = 621.97 x p / (Pb - p) [г/кг]
    r [gr/lb] = 7 x r [г/кг]

    Энтальпия
    Энтальпия (или "содержание" энергии) влажного воздуха при давлении Pb, температуре t (°C) и соотношении смеси r (г/кг) определяется следующим образом:
    h [КДж/кг влаги] = 1.00464 t + 0.001846 r x t + 2.5 r
    Замечание: принято, что энтальпия сухого воздуха ( r = 0 ) при 0°C равна нулю. Отрицательные значения энтальпии возможны и свидетельствуют, что содержание энергии в смеси воздух/пары воды меньше, чем ее содержание в сухом воздухе при 0°C.
    1 lb = 0.4536 кг
    1 BTU = 1.05507 КДж
    h [BTU / lb] = 0.4299 x h [КДж/кг] + 7.68
    Значение 7.68 добавлено, чтобы отнести значение энтальпии, выраженной в BTU/lb к температуре 0°F.

    Погрешность расчета точки росы для гигрометров

    Современные микропроцессорные гигрометры используют результаты определения относительной влажности и температуры для расчета других параметров, таки как точка росы, соотношение смеси, энтальпия и т.д. Данные преобразования имеют определенную погрешность, величина которой зависит от условий влажности и температуры. Типичные кривые погрешностей для расчета точки росы приведены на следующем графике:


    Точность расчета точки росы с использованием гигрометров меньше той, что обычно можно достичь с применением приборов, работающих на принципе охлаждаемого зеркала. Это особенно верно для низких значений точки росы (более чем -40…-50 °C) и для низких температур. В большинстве приложений, воспроизводимость показаний важнее их правильности. Воспроизводимость расчета точки росы обычно составляет 1/3 от указанной выше погрешности. Использование расчетной точки росы позволяет производить измерения в условиях, когда неприменимы приборы с охлаждаемым зеркалом. Обычно, измерительная часть приборов с охлаждаемым зеркалом ограничена в условиях эксплуатации температурами до 70 °C. В дополнение к возможностям работать при высоких температурах, датчики относительной влажности имеют ряд значительных преимуществ для промышленных применений: меньше требований к обслуживанию, большая устойчивость к загрязнениям, отсутствие системы пробоотбора, отсутствие проблем с идентификацией росы и инея, и лучший отклик для быстро изменяющихся условий.

    Измерение активности воды

    Активность воды: определения и области применения

    Определения
    Вода - составная часть всех пищевых продуктов. Технологические свойства, интегральный показатель качества и сроки хранения пищевых продуктов во многом определяется свойствами содержащейся в них воды.
    W.J.Scott предложил использовать показатель "активность воды", который определяется как отношение парциального давления паров воды над продуктом к парциальному давлению водяного пара над чистой водой при данной температуре. На основании целого ряда исследований установлено, что показатель "активность воды" отражает степень активного участия воды в различных процессах, происходящих в пищевом продукте. В настоящее время экспериментальные данные позволяют заключить, что уровень активности воды оказывает влияние на интенсивность проходящих в продукте таких реакций, как окисление липидов, меланоидинообразование, активность ферментативных, микробиологических и других процессов.
    Учитывая важность и большую информационность показателя активности воды, в странах Объединенной Европы его определение, наряду с показателями "влажность" и "концентрация водородных ионов", является обязательным при экспертизе ряда продуктов, а в США определение активности воды включено в инструкцию по контролю качества пищевых продуктов, а также лекарственных средств и препаратов.
    В большинстве случаев, активность воды является функцией влагосодержания, химического состава, структуры, фазового состояния и температуры продукта. Для жидких сред за стандартное состояние принимается чистый растворитель.

    Содержание влаги в продукте может быть определено как массовый процент воды по отношении к массе сухого продукта.
    Продукты, в которых может содержаться влага, могут быть подразделены на две категории: гигроскопичные и негигроскопичные. К гигроскопичным материалам относятся соли, растительные волокна, большинство оксидов металлов, множество полимеров и т.д. Типичными представителями негигроскопичных материалов являются порошки металлов, стеклянные гранулы и т.д.
    В отношении содержания влаги в продукте мы определили статическое равновесие как сочетание условий, при котором продукт больше не обменивается влагой с окружающим воздухом. В условиях статического равновесия, содержание влаги гигроскопичного продукта зависит от природы продукта и следующих двух факторов:
    (a) парциального давления паров воды непосредственно окружении продукта
    (b) температуры продукта
    Если содержание влаги в продукте не зависит от этих двух факторов, то продукт негигроскопичен.
    Гигроскопичные продукты могут поглощать влагу различными путями: сорбция с образованием гидрата, удерживаемого за счет поверхностной энергии, диффузия молекул воды в структуру материала, капиллярная конденсация, образование растворов и т.д. В зависимости от типа абсорбционного процесса, вода может более или менее прочно удерживаться продуктом. Содержащаяся в продукте влага может включать как иммобилизованную часть (например, воду в виде гидратов), так и активную (не связанную химически) часть.
    Активность воды Aw (или равновесная относительная влажность %ERH) измеряет давление паров, генерируемое влагой, присутствующей в гигроскопичном продукте.
    Aw = p / ps и %ERH = 100 x Aw, где:
    p : парциальное давление паров воды над поверхностью продукта
    ps : давление насыщения, или парциальное давление паров над чистой водой при температуре продукта
    Активность воды отражает активную часть содержащейся влаги, или часть, которой продукт при нормальных условиях может обмениваться с окружающей средой.
    Активность воды обычно определяется в условиях статического равновесия. При этих условиях, парциальное давление паров воды (p) у поверхности продукта равно парциальному давлению паров воды в окружающей продукт среде. Любой обмен влагой между продуктом и окружающей средой определяется различием между этим двумя давлениями.
    Пары воды могут также присутствовать в газах или газовых смесях. Относительная влажность газа определяется как
    %RH = 100 x p/ps, где
    p - парциальное давление паров воды, присутствующих в газовой смеси
    ps - давление насыщения, или парциальное давление паров над чистой водой при температуре газа

    Активность воды (Aw) и температура
    Как активность воды (материалы), так и относительная влажность (газы) соотносятся к давлению насыщения (ps) или парциальному давлению паров над чистой водой:
    Aw = p / ps
    %RH = 100 x p/ps
    Давление насыщенных паров (ps) сильно зависит от температуры. При обычной комнатной температуре (ps) увеличивается примерно на 6.2% с каждым увеличением температуры на 1°C. В условиях открытого пространства ненасыщенного парами воды, парциальное давление паров воды (p) не изменяется с температурой. В условиях замкнутого пространства, (p) изменяется пропорционально температуре, выраженной в градусах Кельвина °K (°K = °C + 273.16). при нормальной комнатной температуре, изменения в парциальном давлении паров (p) вызываемые небольшим изменением температуры в °C практически незначимы. Поскольку (p) на зависит от температуры, в то время как (ps) зависит, относительная влажность газов (%RH = 100 x p/ps) сильно зависит от температуры. При относительной влажности 95 %RH и комнатной температуре, увеличение температуры на 1°C приводит к уменьшению относительной влажности примерно на 6 %RH. При относительной влажности 50 %RH и таком же увеличение температуры, уменьшение относительной влажности происходит примерно на 3 %RH.
    Активность воды большинства гигроскопичных продуктов не так сильно зависит от температуры. При комнатных условиях данные исследований показывают, что активность воды изменяется, грубо, от 0.0005 до 0.005 Aw (0.05 to 0.5 %RH) при изменении температуры на 1°C.
    Это объясняется тем фактом, что парциальное давление (p) над поверхностью продукта изменяется с температурой. Для большинства гигроскопичных продуктов величина изменения парциального давления водяных паров (p) с температурой над их поверхностью почти такая же (но не точно), как величина изменения парциального давления насыщенных водяных паров (ps) над чистой водой.
    В итоге, изменение температуры вызывает изменение в парциальном давлении паров воды над гигроскопичным продуктом. В тоже время, парциальное давление паров воды в окружающем продукт воздухе практически не изменяется. Это приводит к тому, что любое изменение в температуре гигроскопичного продукта инициирует обмен влагой с воздухом (или газом) который его окружает. Обмен происходит до тех пор, пока парциальное давление паров воды над продуктом и в окружающем воздухе не выровняется. При измерении активности воды очень важно, по возможности, поддерживать температуру на постоянном уровне.

    Применения
    Активная часть содержащейся в веществе влаги, или, как теперь ясно, активность воды, обеспечивает более точную информацию по сравнению с общей влажностью, в отношении микробиологической, химической и ферментной стабильности скоропортящихся веществ, таких как продукты питания и семена. По тем же причинам, активность воды не менее значима и в фармацевтической промышленности, где она предоставляет полезную информацию относительно плотности (прочности) таблеток и пилюль или качества нанесения оболочек. Активность воды можно непосредственно сравнивать с относительной влажностью окружающего воздуха для предотвращения изменений в продукте (бумаге, фотографических пленках), для предохранения гигроскопичных порошков (сахарной пудры, соли) от слипания или окаменения, и т.д.
    Активность воды может использоваться с некоторыми продуктами (преимущественно синтетическими) как способ косвенного определения общего влагосодержания. Для этих целей необходимо получение изотермы сорбции. Изотерма сорбции - это график, на котором показана связь между активностью воды и содержанием влаги при постоянной температуре. Для большинства природных веществ невозможно получить воспроизводимую изотерму сорбции и активность воды должна рассматриваться в отдельности от содержания влаги.



    Определение активности воды в молочных продуктах
    по материалам сайта ВНИМИ
    Термин "активность воды" (англ. "water activity" - Aw) впервые был введен Скоттом в 1952 г., который доказал, что существует зависимость между состоянием воды в продукте и ростом микроорганизмов в нем.
    С этого времени Aw стала важнейшим параметром в консервной промышленности.
    Само определение активности рассматривается как отношение фугитивности f (летучести) вещества в некотором состоянии к его фугитивности fs в каком-либо состоянии, принятом за стандартное.
    Так как мы рассматриваем водные пищевые среды, то под фугитивностью вещества понимается некоторая величина парциального давления пара над продуктом.
    Если за стандартное состояние принять давления пара над чистым растворителем (дистиллированная вода) отношение для Aw примет вид:
    Аw = f / fs = p / ps, (1)
    где: p - парциальное давление водяного пара над поверхностью продукта;
    рs - давление насыщенного пара над чистой водой при температуре продукта.
    Так как величина Аw носит термодинамический характер, т. е. характеризует равновесное давление паров воды при определенной температуре, она может быть определена как равновесная относительная влажность деленная на 100.
    Аw = Rh / 100, (2)
    где: Rh - равновесная относительная влажность, %
    Отношение парциальных давлений паров над продуктом и чистым растворителем входит в основную термодинамическую формулу количественного определения энергии связи влаги с материалом (по П.А. Ребиндеру).
    -*F = L = RT ln p / ps = RT ln Аw (Дж / моль), (3)
    где:
    *F - уменьшение свободной энергии системы;
    L - работа отрыва 1 моля воды от материала (без изменения состава);
    R- газовая постоянная;
    Т- абсолютная температура.
    На основании литературных данных в таблице 1 представлены величины Аw некоторых молочных продуктов.

    Продукты
    Aw Продукты Aw
    Молоко цельное 0.990 - 0.995 Сгущенное стерилизованное молоко 0.960 - 0.970
    Сливки 40 %- ной жирности 0.980 - 0.990 Сгущенное молоко с сахаром 0.820 - 0.850
    Сыр 40 %- ной влажности 0.950 - 0.970 Сухое молоко 0.220 - 0.280

    Известно, что между водой, химическими соединениями и биологической структурой пищевых продуктов происходят взаимодействия различного характера. А именно - вода является дисперсной средой для целого ряда химических реакций и метаболизма микроорганизмов в продуктах питания. Величина Аw хорошо коррелирует со многими из них. Так понижение Аw от 1 до 0.2 приводит к значительному замедлению химических и ферментативных реакций, кроме процесса окисления липидов и реакции Майяра.
    В настоящие время изучены и определены пороговые значения Аw для большинства микроорганизмов, за пределами которых, замедляются или прекращаются процессы их роста. Так для большинства бактерий предельное значение Аw , обеспечивающие их нормальное развитие должно быть не ниже 0.90 - 0.99. Дрожжи и многие плесневые грибы хорошо развиваются даже в пределах Аw = 0.85 - 0.65. В частности, в молочно-консервном производстве наиболее опасны осмофильные дрожжи, которые могут развиваться при Аw близкой к 0.70 и являться причиной брака сгущенных молочных консервов с сахаром.
    По величине активности воды выделяют следующие виды пищевых продуктов:
    продукты с высокой влажностью (Аw = 1.0 - 0.9);
    продукты с промежуточной влажностью (Аw = 0.9- 0.6);
    продукты с низкой влажностью(Аw = 0.6 - 0.0).
    О важности данного показателя говорит и то, что Американский Институт Технологов-Пищевиков на своем 50-летнем юбилее, отметил одним из десяти наиболее значимых нововведений в пищевой промышленности последнего полувека - концепцию активности воды, которая позволяет оценить степень подверженности сушеных продуктов и продуктов с промежуточной влажностью микробиологической и другой порче.
    Таким образом, контролируя функционально-технологические показатели в продукте и, в частности, показатель Аw , можно прогнозировать его способность к хранению, что позволит создать "карты стабильности" молочных продуктов, и определить оптимальные условия их хранения.

    Единицы измерения мутности

    Для чего необходимо измерение мутности?

    В современной аналитической практике величина мутности является достаточного важным интегральным показателем и наиболее широкое применение находит в водоподготовке, водоочистке, в пищевом и химическом производстве. Развитие этого метода анализа происходило параллельно во многих направлениях, что объясняется как разносторонней природой самого явления, так и большим разнообразием национальных и отраслевых стандартов, которые, зачастую, являются узкоспециализированными и ориентированными на конкретную технологию. Это привело к появлению очень большого количество различных единиц измерения мутности и сейчас основная проблема при выборе необходимого анализатора мутности заключается в понимании того, отвечает ли его конструкция и используемая шкала измерения поставленной аналитической задаче.

    Типы мутномеров

    Для начала необходимо определиться с терминологией. В зарубежной, да и в отечественной литературе наиболее часто встречается понятие "турбидиметр" (turbidimeter, от англ. turbidity - мутность) и соответствующее название метода анализа "турбидиметрия". В русскоязычной литературе можно встретить названия "мутномер" и "нефелометр" и даже "анализатор взвешенных частиц". С формальной точки зрения принято считать, что турбидиметр, это анализатор мутности, использующий фотометрический принцип и определяющий поглощение в слое анализируемого вещества при условии, что источник излучения и детектор расположены на одной оси. В нефелометрах для определения мутности используется принцип светорассеяния, определяемого под углом 90° к источнику. Поскольку в конструкции большинства современных анализаторов мутности применяются детекторы как на проходящее, так и на рассеянное под различными углами к источнику излучение, а сами производители довольно свободно оперируют всеми тремя терминами, мы договоримся для наименования анализаторов мутности использовать наиболее общий термин

    "мутномер".

    Основы классификации единиц мутности

    Теория измерения мутности имеет строгое физическое обоснование и подробно рассмотрена в отдельной статье. В конечном счете, нам интересно получить информацию не о мутности как таковой, а о содержании взвешенных веществ, которые эту мутность обеспечивают. Природа анализируемых взвешенных частиц, их размер и концентрации являются определяющими в выборе соответствующих условий, а значит и единиц измерения. Из теории следует, что результаты измерений зависят от условий их проведения, природы образца и конструкции прибора. Требования к условиям и конструкции пробора могут настолько существенно различаться, что даже о приблизительной корреляции показаний, полученных в различных единицах, говорить не приходится. Если попытаться выделить основные признаки, по которым можно было бы классифицировать различные единицы измерения мутности, то это окажутся:

  • стандарты, используемые для калибровки прибора
  • источник излучения
  • схема расположения и количество детекторов Полученная в соответствии с этой классификацией диаграмма показана на рис. 1.

    Рис. 1 Классификация единиц мутности

  • Стандарты мутности, формазин

    Из диаграммы на рис.1 видно, что наиболее широкое распространение получили шкалы на основе формазиновых стандартов. Уникальные свойства формазиновой суспензии, в первую очередь воспроизводимость и возможность длительного хранения, обеспечили ее широкое использование в качестве первичного стандарта для калибровки мутномеров. Обобщенное название единиц мутности на основе формазина - FTU (или ЕМФ - единицы мутности по формазину), которая фактически соответствует концентрации формазиновой суспензии, выраженной в мг/л. Вторая группа единиц мутности - это единицы, выражающие концентрацию конкретных веществ (каолина, кремнезема или любого другого стандарта, характерного для данного типа производства или обеспечивающего наилучшую корреляцию, например, с гравиметрическим методом анализа). Для данных единиц кроме используемых стандартов не регламентируется ни тип источника, ни способ детектирования. В этой связи, практически невозможно обеспечить сравнимость результатов, полученных в одних единицах, но на приборах различных конструкций, за исключением точек калибровки.

    Источники излучения в нефелометрии

    Для группы формазиновых единиц мутности можно провести более детальную классификацию по типу используемого источника излучения и способу детектирования. Из источников излучения наиболее широкое распространение получили вольфрамовая лампа (или лампа белого света) и источник монохроматического излученияе в ближней ИК-области с длиной волны 860-890 нм (чаще всего ИК-светодиод). Для источника белого света находят применения различные светофильтры, позволяющие компенсировать влияние окраски анализируемого компонента. В этом случае для обозначения результатов допускается использование единиц в соответствии с используемой схемой расположения детекторов, но с обязательным указанием длины волны максимума излучения. Для источника белого света не существует турбидиметрической единицы мутности, поскольку любая окраска раствора будет вносить погрешность в результаты измерений. Для приборов с ИК-источником окраска растворов не оказывает мешающего влияния, что позволяет использовать для измерения мутности турбидиметрическую единицу FAU.

    Детекторы для мутномеров

    Способы детектирования удобно обозначать углом расположения детекторов:

  • 180° - детектор расположен на одной оси с источником излучения, анализируется проходящий свет (турбидиметрия). Детектор применим для анализа неокрашенных растворов (или окрашенных при использовании ИК-источника) в диапазоне примерно от 5 до 1000 FTU;
  • 90° - детектор расположен под углом 90° к источнику излучения, анализируется свет, рассеянный под прямым углом (нефелометрия). Детектор обеспечивает наилучший отклик при анализе низких и сверхнизких значений мутности;
  • 90°+ХХ° - помимо нефелометрического детектора, расположенного под углом 90° используются один или несколько детекторов, расположенных под другими углами (обычно 180°, 45°, 135°), что обеспечивает больший измерительный диапазон и частично компенсирует влиянием цветности. Сигналы детекторов обрабатываются по специальному алгоритму (у каждого производителя он свой) и итоговый результат выдается в нефелометрических единицах с пометкой R или ratio;
  • детекторы, расположенные под другими углами к источнику излучения для обеспечения максимальной точности в требуемом диапазоне измерения. Наиболее известен детектор 260-285°, т.н. детектор обратного рассеяния (back scattering), для обозначения которого к единице измерения добавляется суффикс BS; Примерная зависимость отклика различных детекторов от величины мутности приведена на рис. 2. В качестве примера был взят анализатор HACH 2100 AN. В зависимости от размеров кюветы и интенсивности источника абсолютные значения мутности могут изменяться. Из данного рисунка видно, что нефелометрический детектор имеет ограниченный диапазон применения и (в сочетании с турбидиметрическим детектором) обеспечивает диапазон измерения до 1000 - 1100 FTU. В тоже время применение дополнительных детекторов прямого и обратного рассеяния позволяет увеличить диапазон измерения на порядок. Важно заметить, что на приборе может быть установлено несколько детекторов, но в зависимости от режима и диапазона измерения может использоваться только один или несколько, что позволяет получать результаты в различных единицах.

    Рис. 2 Отклик детекторов

  • Практика применения различных единиц мутности

    Очень часто индексы в обозначениях единиц опускаются, и потому указанная единица в большинстве случаев может служить лишь ориентиром. Как правило, реальную информацию о методе измерения можно получить только изучив технические характеристики прибора. К сожалению, практика достаточно произвольного манипулирования используемыми обозначениями характерна не только для многих аналитиков, но и для авторитетных производителей. Так, например, в моделях мутномеров HI93701 (HANNA Instruments) и Turb355IR (WTW) вместо единиц FNU указываются единицы NTU (см. табл. 2). С формальной точки зрения, полученные значения FNU нельзя приравнивать к NTU, поскольку характеристики рассеяния белого света существенно отличаются от рассеяния монохроматического излучения в ближней ИК-области. Да и помимо различий в источниках стандарты USEPA и ISO имеют место еще целый ряд отличий в методике проведения измерений (см. табл. 1).

      USEPA 180.1 ISO 7027
    Спектральный диапазон Вольфрамовая лампа с температурой цвета 2200 - 3000°К 860 нм
    Ширина спектральной линии не определена 60 нм с конусом расхождения не более 1.5 градуса
    Угол измерения
    90° ± 30° 90° ± 2.5°
    Апертурный угол не определен от 20° до 30°
    Расстояние, пройденное испускаемым и рассеянным в образце излучением 10 см не определено
    Калибровочные стандарты Формазин или AEPA-1 Формазин

    Таблица 1

    К преимуществам стандарта ISO можно отнести то, что он дополнительно включает нормативы измерения мутности с использованием нескольких детекторов (в первую очередь детектор проходящего света), в то время как USEPA предполагает использование только "чистой" нефелометрии, что фактически ограничивает его область применения диапазоном 0-40 NTU.

    HANNA
    FTU/NTU* (реально FNU), 0.00 - 1000 FTU (реально от 0.5 FTU)
    WTW
    NTU* (реально FNU), 0.01 - 1000 NTU (реально от 0.05 FTU)
    NTU, 0.01 - 1000 NTU
    NTU*, FNU, 0.01 - 1000 NTU
    NTU, EBC, Nephelo, 0.0001 - 10000 NTU
    NTU*,EBC*,FNU,FAU, 0.0001 - 10000 NTU
    HACH
    NTU, 0.01-1100 NTU
    FNU, 0.01-1000 NTU
    NTU, EBC, Nephelo, 0.001 - 4000 NTU
    NTU*,EBC*,FNU,FAU, 0.001 - 4000 NTU
    NTU, EBC, Nephelo, 0.001 - 10000 NTU
    NTU*,EBC*,FNU,FAU, 0.001 - 10000 NTU

    * отображаемые единицы не соответствуют общепринятым стандартам

    Таблица 2

    Единицы мутности

    Разнообразие единиц мутности позволяет расширить область применения данного метода анализа, но вносит определенную путаницу в интерпретацию результатов. Данный обзор не претендует на полноту и охватывает лишь наиболее распространенные единицы измерения мутности. С изменением технологий одни стандарты уходят в прошлое (например, JTU) и их место занимают новые, более полно отвечающие современных требованиям. В практической работе аналитику приходится сталкиваться с различными единицами мутности, и при их сопоставлении важно помнить следующее:

    1. Знак равенства между различными формазиновыми единицами мутности (FTU) можно ставить только в точках калибровки и только для формазиновой суспензии. Как поведет себя конкретная модель прибора на конкретном образце предсказать практически невозможно.
    2. Нельзя сравнивать результаты, полученные на приборах различной конструкции, даже если они были откалиброваны по одним стандартам.
    3. При выборе мутномера в первую очередь необходимо ориентироваться на действующий государственный, отраслевой или корпоративный стандарт. Если такового не имеется, выбор прибора следует производить, основываясь на возможностях адаптации мутномера для конкретной задачи (наличие нескольких детекторов, компенсация цветности, большое количество точек калибровки, возможность использования пользовательских стандартов и пользовательских шкал).

    Измерение электролитической проводимости

    Что такое удельная электропроводимость

    Удельная проводимость (или удельная электролитическая проводимость) определяется, как способность вещества проводить электрический ток. Это величина, обратная удельному сопротивлению.
    При химическом очищении воды очень важно измерить удельную проводимость воды, зависящую от растворенных в воде ионных соединений.
    Удельная проводимость легко может быть измерена электронными приборами. Широкий спектр соответствующего оборудования позволяет сейчас измерять проводимость практически любой воды, от сверхчистой (очень низкая проводимость) до насыщенной химическими соединениями (высокая проводимость).

    Единицы проводимости

    Основная единица измерения сопротивления - Ом. Удельная проводимость - величина обратная сопротивлению, она измеряется в Сименсах, ранее назывшихся mho. Применительно к сыпучим веществам удобнее говорить об особой проводимости, обычно называемой удельной проводимостью.
    Удельная проводимость - это проводимость, измеренная между противоположными сторонами куба вещества со стороной 1 см. Единицей данного типа измерений является Сименс/см. При измерении проводимости воды чаще используются более точные мкС/см (микросименс) и мС/см (миллисименс).
    Соответствующие единицы измерения сопротивления (или удельного сопротивления) - Ом/см, МегаОм/см и килоОм/см. При измерении сверхчистой воды чаще используют МегаОм/см, так как это дает более точные результаты. Сопротивление менее чистой воды, как например, водопроводной, измеряют в килоОм/см.
    Большинство из нас, работая с практически чистой водой, используют единицы мкС/см и мС/см во время исследования воды с высокой концентрацией растворенных химических веществ. Использование удельной проводимости в данном приложении имеет преимущество почти прямой связи с примесями, особенно при низких концентрациях ионов, как, например, в системах охлаждения и бойлерах. Таким образом, рост удельной проводимости указывает на рост примесей, и можно установить критический уровень для контроля максимального уровня примесей.

    Удельная проводимость некоторых растворов 1000 мг. в л.:
    Состав мкСм/см @ 25 C° мСм/см
    Бикарбонат натрия 870 0,87
    Сульфат натрия 1300 1,30
    Хлорид натрия 1990 1,99
    Карбонат натрия 1600 1,60
    Гидроксид натрия 5820 5,82
    Гидроксид аммония 189 0,19
    Соляная кислота 11000 11,10
    Фтористоводородная кислота 2420 2,42
    Азотная кислота 6380 6,38
    Фосфорная кислота 2250 2,25
    Серная кислота 6350 6,35

    Области применения электропроводимости растворов

    Измерения удельной проводимости широко используются при исследовании воды, используемой в промышленности, муниципальных и коммерческих учреждениях, больницах c помощью кондуктометров (портативных, лабораторных, карманных или промышленных). Пока индивидуальные ионы не могут быть определены это обычно не требуется, и удельная проводимость дает величину общих примесей.
    Ниже мы приводим самые распространенные правила измерения:
    Проводимость в мкС/см х 0.5 = T.D.S. (общее солесодержание) мг. в л. как у NaCl или
    Проводимость в мкС/см х 0.75 = T.D.S. (общее солесодержание) мг. в л. как таковая
    Главный недостаток измерений удельной проводимости это то, что они не специфичны, не дают возможности распознавания различных типов ионов. Вместо этого определяется пропорция общего эффекта присутствия всех имеющихся ионов и некоторых ионов, как NaOH, HCI, представленных в значительно большей степени.
    См. "Удельная проводимость 1000 мг. в л. растворов" см. выше.
    Второй недостаток соотнесения удельной проводимости к концентрации заключается в том, что концентрированные растворы показывают слегка заниженное число мкС/см на каждый мг. в л. в отличие от разреженных, как показано на графике ниже. Этот эффект основан на снижении скорости движения ионов при увеличении концентрации, что лежит в основе теории межионного притяжения.

    Некоторые соединения могут снижать точность измерений, осаждаясь на датчике или щупе, например, карбонат кальция. В большинстве случаев эти трудности не превращаются в серьезные помехи и могут быть достигнуты достаточно точные результаты. В целом, измерение удельной проводимости - это быстрый, надежный и недорогой способ измерения количества ионных соединений в протоке. Как правило, при повторных измерениях разброс значений не превышает 1%. <br>
    Скорость движения ионов прямо пропорциональна температуре. Поэтому оптимальная температура во время измерения - 25 °C. См. ниже о влиянии температуры и автоматической температурной компенсации. Тест-измерители удельной проводимости и контроллеры широко используются в самых различных областях.

    Температурный эффект, термокомпенсация

    Удельная проводимость в водных растворах из-за движения ионов и постоянно возрастающей температуры противоположна удельной проводимости металлов, но приближается к показателям графита. Это обусловлено природой самих ионов и вязкостью воды. При низкой концентрации ионов (сверхчистая вода) ионизация воды позволяет определить часть проводящих ионов. Все эти процессы, а следовательно, и удельная проводимость существенно зависят от температуры.
    Эта зависимость обычно выражается, как относительное изменение удельной проводимости на градус C при конкретной температуре, а в особых случаях, как процент на градус C°., называемый наклонением конкретного раствора. Сверхчистая вода имеет наибольшее наклонение в 5.2% на градус C°., в то время, как наклонение большей части водопроводной воды и воды в охлаждающих системах находится в диапазоне 1.8 - 2.0% на градус C°.
    Концентрированные соленые растворы, кислоты и щелочные растворы имеют наклонение около 1.5% на градус C. Теперь очевидно, что небольшая разница в температуре незначительно изменяет удельную проводимость. По этой причине, чаще всего удельную проводимость относят к 25 C°.
    К счастью, доступны температурные датчики с характеристиками, близкими к раствору, в исследовании которого мы заинтересованы, и с использованием дополнительных резисторов и электронных схем можно получить температурные кривые почти для любого раствора.
    Температурный датчик используется как элемент регулировки электрической цепи, и значение проводимости автоматически приводится к эквивалентному значению при 25 C°.
    Самые современные технологии используют микропроцессор и соответствующую таблицу, содержащую информацию о реакции раствора на температуру. Температура раствора измеряется, переводится в цифровой формат, затем сопоставляется с данными таблицы для получения точных значений

    Химический анализ почв и ирригационных вод

    СВОЙСТВА ПОЧВЫ

    ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ



    В основном почва состоит из породы (около 45%), влаги (около 25%), органических соединений (от 0% до 5%) и воздуха (около 25%).

    Текстура: относительная пропорция в почве песка, глины и ила.
    Структура: зависит от агрегирования частиц.
    Плотность: показывает насколько почва "компактна". Вычисляется как масса, деленная на объем.
    Пористость: общий объем и структура пор в почве, т.е. пространства между ее частицами. Влияет на плотность почвы.
    Консистенция: выражает способность частиц почвы к слипанию, характеризует поведение почвы при механической нагрузке, зависит от количества глины в почве.
    Цветность: характеризует состав почвы и ее историю.
    Температура: нижний и верхний температурные пределы показывают микробиологическую и химическую активность почвы.

    ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ


    Катионный обмен может происходить на коллоидных частицах глинозема или на частицах гумуса. Наиболее важными для питания растений катионами являются кальций (Ca2+), магний (Mg2+), калий (K+), менее важны ионы водорода (H+), алюминия (Al3+) и натрия (Na+).

    Приведем пример простой реакции обмена кальция на ионы водорода, происходящей в почвах, богатых кальцием:

    [коллоид]Са + 2 H+ > 2Н [коллоид] + Ca2+


    В регионах с большим количеством выпадающих осадков кальций вымывается из почв, и их рН составляет обычно менее 7. В засушливых районах почвы, как правило, щелочные, с рН 7 и более.

    Катионообменная емкость (КОЕ) показывает, какое общее количество эквивалентов катионов может поглотить почва определенной массы. КОЕ обычно выражается в миллиэквивалентах на 100 грамм почвы (мэкв/100г).

    Песчаные почвы обычно имеют низкую обменную емкость. КОЕ возрастает при увеличении количества гумуса (органических веществ) и при улучшении текстуры почвы.
    КОЕ также сильно зависит от доли и типа глинозема, присутствующего в почве. Молодые глины типа монтмориллонита и вермикулита, как правило, имеют большую обменную емкость, нежели старые глины типа каолинитов и иллитов.

    Процент щелочных катионов (%BS). Коллоиды могут содержать катионы двух групп, которые отличаются влиянием на кислотность почвы. К первой группе относятся ионы водорода и алюминия (H+, Al3+), которые поставляют ионы водорода в раствор. Ко второй группе относятся все другие катионы: кальций, магний, натрий и калий (Ca2+, Mg2+, Na+, and K+). Они являются щелочными катионами и нейтрализуют кислотность. Доля полной катионообменной емкости, которая приходится на катионы щелочных и щелочноземельных металлов (кальция, магния, натрия, калия), выражается величиной «процент щелочных катионов» (%BS). Увеличение pH почвы соответствует повышению процента щелочных катионов. Почвы со значительным содержанием гумуса являются более кислыми, поскольку хуже связывают кальций. Процент щелочных катионов в таких почвах может быть ниже 66%. В такие почвы необходимо вносить известь для повышения процента кальция и увеличения рН. Почвы в засушливых регионах имеют рН около 7 и процент щелочных катионов близкий к 100%.
    Реакция почвы (рН), мера ее кислотности (нейтральности, щелочности) - одна из важнейших характеристик почвы, влияющих на ее плодородность. Регулирование рН до оптимальной величины приводит к значительному росту экономической эффективности земледелия.

    АНАЛИЗ ПОЧВ И РАСПОЗНАВАНИЕ ТИПОВ ПОЧВ

    Проведение диагностики позволяет своевременно выявлять специфические проблемы, связанные с почвой, как то: неоптимальное рН, недостаток или избыток солей, плохая текстура и т.д.
    Оценка плодородности – это анализ почвы на предмет содержания и соотношения в ней существенно важных питательных веществ для определения, какие удобрения могут быть рекомендованы для данной почвы.
    Методы диагностики позволяют классифицировать почвы, относя их к одной или нескольким из нижеследующих типов:
    Кислые почвы обладают pH меньше 7.0. Такие почвы быстро теряют продуктивность в связи с низким содержанием питательных веществ и наличием токсичных ионов, например алюминия.
    Щелочные почвы обладают pH выше 7.5, их можно разделить на известняковые и засоленные.
    Известняковые почвы содержат большие количества свободного известняка (CaCO3). Обычный уровень pH в таких почвах составляет от 7.5 до 8.5.
    Засоленные почвы содержат большие концентрации растворимых солей, в том числе в форме способного к обмену натрия (натриевые почвы).
    Песчаные почвы подразделяются на сплошные песчаные и суглинки. Они подвержены ветровой эрозии, засухе и обладают низкой плодородностью.
    Глинистые почвы обладают плотной текстурой, поскольку состоят из мелких фракций. Для таких почв характерны проблемы дренирования, повышенного содержания влаги и аэрации.

    При анализе плодородности оценивают катионобменную ёмкость почвы, кислотно-щелочной баланс (pH) и долю растворимых питательных веществ органической и минеральной природы для установления следующих факторов:
    1) Способность почвы удерживать те или иные составляющие удобрений;
    2) Соотношение питательных веществ в почве;
    3) Процентное содержание органических веществ;
    4) Способность поставлять необходимые количества природных питательных веществ

    ПРОБЛЕМЫ ПОЧВ, ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПЛОДОРОДИЯ

    Известняковые почвы имеют pH в диапазоне от 7.5 до 8.4. Высокая щёлочность оказывает своё влияние на растворимость или доступность определённых питательных веществ. Примером могут послужить доступный фосфор (в форме двузамещенного ортофосфата, HPO42–), который переходит в менее растворимую, и, следовательно, менее доступную форму при pH, превышающем 7.5. Это приводит к уменьшению эффективности фосфорных удобрений. Доступность микроэлементов-металлов (железа, цинка, меди и марганца), а также бора уменьшается вследствие увеличения щелочности.

    Известняковые почвы достаточно часто могут быть отнесены к засоленным, хотя это верно не во всех случаях. Поскольку CaCO3 имеет достаточно низкую растворимость, некоторые почвы могут содержать до 30% известняка и, тем не менее, не быть засоленными. Известняковые почвы достаточно легко идентифицировать: при действии 2.5 н соляной кислоты они «тают», уменьшаются в объеме.
    Почвы с высоким содержанием солей содержат избыточные количества растворимых солей, и в том числе – солей натрия.
    Засоленные почвы
    Хотя соленость не влияет на физические свойства почвы, она является достаточно опасной, поскольку может быть причиной «искусственной засухи», когда вода вообще не способна дойти до растений, что приводит к их гибели от «искусственной засухи». Засоленные почвы часто называют солончаками из-за солевых включений, видных невооруженным взглядом на поверхности почвы.
    Натриевые почвы содержат свободный натрий в большой концентрации, рН до 8.5 и выше. В таких почвах могут происходить изменения флокулляции. В пределе минеральные коллоиды частично растворяются и в дальнейшем образуют единую плотную физическую структуру. Почвы с такой структурой являются плохо проницаемыми для воды, ее инфильтрация и перколяция затруднены. Высокий рН может также привести к частичному растворению гумуса. Такие почвы называют бурыми. Они характерены для регионов со средней влажностью.
    Засоленные/натриевые почвы характеризуются как высоким содержанием растворимых солей, так и большой концентрацией свободного натрия. Они очень похожи на засоленные почвы по виду и свойствам, однако, в отличие от последних, большая доля растворимых солей уже вымыта из почвы благодаря искусственному дренированию. Вследствие дальнейшего вымывания солей такие почвы превращаются в натриевые.

    Засоленные почвы не поддаются коррекции химическим путем, используется только дренирование. Состав засоленных/натриевых и натриевых почв можно корректировать путем внесения извести и дренированием. В случае натриевых почв, содержащих также некоторое количество свободной извести, в почву для улучшения ее качества можно вносить серу.

    Химические св-ва известняковых и засоленных почв
    Тип почвы pH ECe мСм/см* SAR**
    Известняковая 7.5-8.4 <2.0 <13%
    Засоленная <8.5 >2.0 <13%
    Натриевая >8.5 <2.0 >13%
    Засол./натр <8.5 >2.0 >13%

    *Единица проводимости, миллиСименс на сантиметр.
    **S AR (Sodium Adsorption Ratio) – доля адсорбированного натрия относительно кальция и магния.

    В верхнейтаблице даны значения для почвенных растворов (saturated paste extracts, ECe). Как правило же, экспериментальные величины определяются для суспензий почвы, для приготовления которых почвы и вода берутся в соотношении 1:1. В таблице ниже приведены степени солености (в мСм/см) для почв четырех различных текстур; данные получены для суспензий 1:1.

    Степень солености (мСм/см) для различных почв, измеренная для их 1:1 суспензий в воде.
    Текстура Не
    засол.
    Слабо засол. Умеренно
    засол.
    Сильно засол. Очень сильно
    засол.
    Крупнопесчаные, песчаные суглинки 0-1.1 1.2-2.4 2.5-4.4 4.5-8.9 9.0+
    Мелкопесчаные, суглинки 0-1.2 1.3-2.4 2.5-4.7 4.8-9.4 9.5+
    Илистые песчаные, илистые суглинки 0-1.3 1.4-2.5 2.6-5.0 5.1-10.0 10.1+
    Глинистые 0-1.4 1.5-2.8 2.9-5.7 5.8-11.4 11.5+

    Кислые почвы характерны для регионов с повышенной влажностью. Частые дожди приводят к вымыванию из почвы извести, а также солей других щелочных металлов. Кроме того, кислотность усиливают большинство применяемых удобрений, а также ионы водорода, которые выделяются растениями. Для остановки этого процесса необходимо своевременно и в необходимых количествах вносить в почву известь. Требуемое количество извести, достаточное для приведения рН к необходимому уровню, можно рассчитать, имея результаты измерения буферной емкости почвы ("SMP buffer").
    Почвы с проблемными текстурами
    Почвы состоят из частиц, которые различаются размером и формой. Соответственно, согласно размеру частицы можно разделить на различные фракции. Почва, как правило, состоит из частиц различных фракций: от мелких частиц глины до крупных частиц песка. Суглинки состоят из частиц песка, глины и ила. Для определения текстуры почвы применяется метод«вручную».

    ПИТАНИЕ РАСТЕНИЙ, УДОБРЕНИЯ

    Основными факторами, влияющими на питание растений, являются:
    1) Количество питательных веществ в почве.
    2) Способность почвы поставлять питательные вещества растениям.Когда рН почвы выше 7, множество микроэлементов, таких как железо, кобальт, цинк, становятся для растений недоступными, так как переходят в форму нерастворимых солей. С другой стороны, при рН 6 они вполне доступны.
    3) Климатические факторы.Холодная и дождливая погода ухудшает питание растений.

    ОСНОВНЫЕ ПИТАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ



    Шестнадцать химических элементов считаются основными для питания растений. Без них растения погибают. Основные питательные элементы подразделяются на следующие группы:

    1)Главные неминеральные макроэлементы.
    Они составляют 90-95% сухой массы растений, и поставляются из воды и воздуха:
    Углерод- C
    Водород- H
    Кислород- O

    2) Первичные макроэлементы
    Эти питательные элементы поглощаются растениями из почвы. Основные проблемы питания растений происходят в основном из-за недостатка именно этих элементов:
    Азот- N
    Фосфор- P
    Калий- K

    4) Вторичные макроэлементы
    Также поглощаются растениями в значительном количестве, однако их недостаток реже приводит к возникновению проблем с питанием растений
    Кальций- Ca
    Магний- Mg
    Сера- S

    4) Микроэлементы
    Как правило, растениям требуются лишь следовые количества этих элементов
    Бор- B
    Хлор- Cl
    Медь- Cu
    Железо- Fe
    Марганец- Mn
    Молибден- Mo
    Цинк- Zn

    АЗОТ В ПОЧВЕ, СОДЕРЖАНИЕ АЗОТА

    Азот является незаменимым элементом для синтеза белков и нуклеиновых кислот. Без достаточного поступления азота растения быстро погибают. Многие почвы испытывают дефицит азота. Чтобы компенсировать недостаток азота, в почву вносят азотные удобрения. Азот поглощается растениями в виде двух форм, аммонийной (NH4+) и нитратной (NO3–). Натуральными источниками аммонийного азота являются компост и навоз, т.е. ионы аммония образуются при разложении органических соединений. Нитраты являются конечной формой разложения органических веществ.

    Одним из основных продуктов разложения является газ аммиак, NH3. Этот газ чрезвычайно хорошо растворим в воде, с которой реагирует с образованием иона аммония (NH4+). Растения поглощают аммоний, и используют содержащийся в нем азот для синтеза питательных веществ. Этот процесс составляет короткий круг цикла азота.
    Две группы нитрифицирующих бактерий переводят аммиак в другие формы, а именно – одна группа бактерий превращает его в нитрит-ионы (NO2-), а другая превращает нитрит-ионы в нитрат-ионы (NO3-). Нитраты являются для растений основным уточником азота. Описанный процесс составляет второй круг в цикле азота.
    Нитрифицирующие бактерии переводят аммиак в нитриты и нитраты только в том случае, если в почве содержится достаточно кислорода (аэробные условия). При недостатке кислорода происходит обратный процесс – денитрифицирующие бактерии переводят нитраты и нитриты в азот, инертный газ. Большая часть газообразного азота недоступна для растений, газ в основном уходит в атмосферу. Однако, небольшая его часть возвращается обратно в почву по двум путям:

    1) Во время гроз под действием атмосферного электричества азот переводится в нитраты и другие соединения, которые попадают в почву вместе с осадками.

    2) Благодаря действию группы бактерий, связывающих газообразный азот в более сложные органические вещества в почве.

    Описанный процесс составляет третий круг в цикле азота.

    ПЕРЕВОД ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ АНАЛИЗЕ НИТРАТНОГО АЗОТА

    При переводах единиц из одних в другие, как правило, происходит множество досадных ошибок. Поэтому, на этом вопросе следует остановиться отдельно. Путаница происходит при пересчете:
    1) нитратов в нитратный азот и наоборот
    2) миллиграммы на литр (мг/л, ppm) в массовые проценты азота (%) и наоборот
    3) ppm в фунты на акр (а также килограмм на гектар, кг/га) и наоборот.

    В следующей таблице перечислены наиболее употребляемые коэффициенты пересчета между такими формами азота, как нитратный азот, нитрат-ион и нитрат калия. Коэффициенты рассчитаны, исходя их молекулярных весов этих форм.
    КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЕРЕВОДА (ДЛЯ АЗОТА)
    Нитрат-ион (NO3–) = Нитратный азот (NO3-N) x 4.4
    Нитрат-ион (NO3–) = Нитрат калия (KNO3) x 0.6
    Нитратный азот (NO3–-N) = Нитрат-ион (NO3–) /4.4
    Нитратный азот (NO3–-N) = Нитрат калия (KNO3) x 0.14
    Нитрат калия (KNO3) = Нитрат-ион (NO3–) x 1.6
    Нитрат калия (KNO3) = Нитратный азот (NO3-N) x 7.0
    Эти коэффициенты пригодны для пересчета всех единиц, будь то единицы концентрации (ppm [мг/л]), вносимого количества (фунтов на акр, килограмм на гектар), или массовой доли (%).

    ЛЕТАЛЬНАЯ ДОЗА НИТРАТОВ В ПИЩЕ
    ppm %
    Нитрат-ион (NO3–) 9,000 0.9
    Нитратный азот NO3–-N 2,100 0.21
    Нитрат калия (KNO3) 15,000 1.5
    pH ПОЧВЫ

    pH ПОЧВЫ, ИЗМЕРЕНИЕ рН В ПОЧВЕ



    Значение pH отражает кислотно-щелочной баланс, отношение «кислотных» ионов водорода (H+) к «основным» гидроксид-ионам (OH–). Водные среды, в которых преобладают ионы водорода, называются кислыми, а те, в которых преобладают гидроксид-ионы, называются щелочными (или основными). Равные количества ионов водорода и гидроксид-ионов отвечают условиям нейтральных сред.
    Шкала pH является мерой концентрации ионов водорода в водном растворе. При pH 7 раствор нейтральный, при рН более 7 – щелочной, при рН меньше 7 – кислый.
    Каждая единица шкалы, от 0 до 14, выражает 10-кратное измерение концентрации ионов водорода. Так, отношение кислота/основание для среды с рН 6 равно 10:1, для среды с рН 7 – 1:1, для среды с рН 8 – 1:10. Так как рН 4 отличается от рН 7 на три единицы, то среда с рН 4 является в 103 = 1000 раз более кислой, чем среда с рН 7, и в 10000 раз более кислой, чем среда с рН 8.

    pH некоторых типов образцов



    ПОЧЕМУ рН ЯВЛЯЕТСЯ ПАРАМЕТРОМ, КОТОРЫЙ ВАЖНО КОНТРОЛИРОВАТЬ?
    pH является важным параметром, поскольку он влияет на:
    1) доступность питательных веществ, макро- и микро-элементов
    2) растворимость токсичных веществ
    3) микробиологическую активность почвы
    4) развитие и функционирование клеток корней растений
    5) катионнообменную емкость почв, которые содержат глину и гумус – материалы, обменная емкость которых зависит от рН.

    Ранний мониторинг рН необходим для правильной обработки почвы. Тенденции изменения рН особенно важно отслеживать в случаях кислых почв и почв песчаных. В приведенной ниже таблице перечисляются некоторые характеристики почв с различным уровнем рН.

    рН ПОЧВЫ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА УСЛОВИЯ РОСТА РАСТЕНИЙ
    Диапазон рН 6.5-7.0 является оптимальных для выращивания большинства культур. Когда рН выходит за эти рамки, можно ожидать появления каких-либо проблем.

    pH Проблема Влияние на урожайность
    <5.5 Дефицит в почве кальция и/или магния. Необходимо внести известь. Плохой рост растений по причине низкой катионообменной емкости, возможной токсичности (Al3+). Можно ожидать недостаток фосфора.
    5.5-6.5 В почве недостаточно извести. Требует внимательного наблюдения Удовлетворительные условия для многих растений. Существует тенденция в нехватке фосфора.
    6.5-7.5 Оптимальный диапазон рН почвы Процент щелочных катионов (%BS) близок к 100%
    7.5-8.4 В почве присутствует известь в свободном состоянии Как правило, отличные фильтрационные и перколяционные характеристики почв, фосфор и микроэлементы хорошо доступны
    >8.4 Фактически, свидетельствует о том, что почва является натриевой. Очень плохие физические условия, фильтрация и перколяция чрезвычайно затруднены. Возможно растворение органических веществ почвы (гумуса). рН опасен для корней растений


    КИСЛОТНОСТЬ ПОЧВ

    Почвы становятся кислыми по нескольким причинам. В нормальных условиях известь выступает в роли буфера, нейтрализуя избыточную кислоту, попадающую в почву из дождей, минеральных удобрений, а также образующуюся в результате жизнедеятельности растений и разложения органических веществ. Когда известь заканчивается, сдерживающий уменьшение рН фактор исчезает, и кислотность почвы может начать резко расти. В результате, в почве появляется значительная доля свободных ионов водорода (H+) и алюминия (Al3+). Такие условия непригодны для нормального роста растений. Добавление извести возвращает почве буферную емкость, а также приводит к стабилизации рН в оптимальном для роста растений диапазоне. При оптимальном рН растворенный токсичный алюминий переводится обратно в нерастворимую форму.

    ЩЕЛОЧНЫЕ ПОЧВЫ
    В засушливых и полузасушливых регионах природного содержания известняка в почве обычно достаточно для поддержания условий 100% доли щелочных катионов (%BS) Известняковые почвы содержат частицы чистого карбоната кальция и/или магния. рН таких почв, как правило, выше 7.5. При действии на них 10%-ной соляной кислотой можно визуально наблюдать выделение углекислого газа.
    Для уменьшения рН известняковых почв иногда в них вносят серу, но эта мера не может считаться выгодной экономически – для нейтрализации почвы средней текстуры с содержанием всего 2% извести требуется внести много тонн элементной серы на акр или гектар.
    Лучшим способом уменьшить рН является применение минеральных удобрений, имеющих кислую реакцию. Для восполнения недостатка микроэлементов в щелочных почвах в них можно вносить хелатные комплексы металлов.

    ИРРИГАЦИОННЫЕ (ПОЛИВОЧНЫЕ) ВОДЫ

    КАЧЕСТВО ОРОСИТЕЛЬЫХ (ПОЛИВОЧНЫХ) ВОД

    Существуют четыре основных критерия, по которым проводится оценка качества оросительных (ирригационных) вод:
    1) концентрация растворимых солей
    2) концентрация катионов натрия относительно концентрации других катионов
    3) концентрация токсичных элементов, которые могут негативно влиять на рост растений, а также представлять опасность для окружающей среды
    4) концентрация питательных элементов (ирригационные воды могут содержать нитраты, фосфаты в значительных количествах).

    С помощью тестового набора фирмы «HACH» можно провести определения в ирригационных водах общей растворимой соли, натрия, натратов и фосфатов.

    ОПАСНОСТЬ ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ СОЛЕЙ

    Основными неорганическими катионами, присутствующими в ирригационных водах, являются кальций (Ca2+), магний (Mg2+) и натрий (Na+). Основными анионами являются хлориды (Cl-), сульфаты (SO42–) и бикарбонаты (HCO3–). Могут присутствовать и другие ионы, однако, как правило, они не имеют значительного вклада в соленость.
    Определение уровня солености проводится путем измерения электропроводности (EC), которая выражает в микроСименсах на сантиметр (µS/cm).
    В случаях, когда уровень солености ирригационных вод достаточно высок, очень важно хорошо дренировать почву, а также промывать почву избытком ирригационной воды.

    ОПАСНОСТЬ ВЫСОКОГО СОДЕРЖАНИЯ НАТРИЯ
    Применение ирригационных вод, содержащих высокие концентрации натрия относительно концентраций кальция (Ca) и/или магния (Mg), может привести к увеличению доли свободного, способного к обмену натрия в почве. Это, в свою очередь, приводит к увеличению рН почвы до 8.5 и выше, т.е. почва становится натриевой. Коллоидные частицы почвы растворяются, в результате чего в дальнейшем формируется непрерывная протяженная физическая структура, чрезвычайно затрудняющая перколяцию и инфильтрацию воды. Почва становится очень плотной, и и в набухшем состоянии практически не пропускает воду. Чем больше глинозема содержалось в исходной почве, тем хуже влага фильтруется через такую почву, когда она становится натриевой.
    Величина негативного влияния натрия оценивается по величине S AR (доли натрия относительно кальция и магния) относительно общей солености (ECiw). Формула, по которой проводится определение SAR, выглядит следующим образом:




    Пример:
    Предположим, что концентрация натрия в ирригационной воде составляет 10 мэкв/л, а кальция и магния в сумме (общая жесткость) 5 мэкв/л. Согласно формуле, SAR равен:



    НОМОГРАММА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ SAR ИРРИГАЦИОННЫХ ВОД



    ТОКСИЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
    Некоторые элементы являются токсичными для растений. Однако, для каждого вида растений токсичными могут быть различные соединения, так что понятие «токсичности», вообще говоря, зависит от выращиваемой культуры. Элементы, которые могут быть токсичными: бор, натрий и тяжелые металлы (мышьяк, кобальт, медь, свинец, никель и цинк).

    ПРИСУТСТВИЕ ПИТАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
    Высокий уровень нитратов и фосфатов в ирригационных водах представляет собой экологическую опасность, однако, с другой стороны, эти анионы поставляют в почву дополнительные количества азота и фосфора. Ирригационные воды, содержащие 10 ppm (10 мг/л) нитратного азота, поставляют 30 кг азота на каждый объем воды с площадь гектар и высотой 30 см.

    ПРИМЕНЕНИЕ СОЛЕНЫХ ИРРИГАЦИОННЫХ ВОД
    При применении для ирригации соленой воды требуются повышенные ее количества, чтобы вымывать из почвы соли, оставшиеся после предыдущей ирригации. Если невозможно достичь требуемого избытка ирригационной воды, необходимо либо выращивать культуру, более устойчивую к засолению, либо мириться с неизбежным уменьшением урожайности.

    МЕТОДЫ ОБЫЧНОЙ И ЧАСТОЙ ИРРИГАЦИИ
    Для ирригации может применяться метод обычной и частой ирригации. В последнем случае почва постоянно остается влажной, и доступность воды для растений – неизменно высокой. В обычном методе ирригации почва упевает высохнуть между двумя ирригациями. При этом растения испытывают шок, связанный с пониженной доступностью влаги в тот период, когда почва остается сухой.

    Связанный хлор, остаточный хлор, свободный хлор, активный хлор, общий хлор, ...

    При растворении хлора в воде в небольших концентрациях (на уровне мг/л), практически весь он реагирует с водой с образованием соляной (HCl) и хлорноватистой (HClO) кислот. Хлорноватистая кислота является слабой и потому дислоцирует не полностью. Степень диссоциации зависит от рН и температуры. «Хлорирующей» способностью обладает только недиссоциированная форма, поэтому при рН более 8 эффективность обеззараживания резко снижается. Каждая из форм хлора получила свое название и, к сожалению, не одно. Существует огромная путаница в наименованиях различных форм хлора в воде. Так, например, в методике йодометрического титрования по ГОСТ 18191-72 происходит определение «суммарного остаточного хлора», без указания, чем она отличается от «суммарного остаточного активного хлора». Сам термин «активный хлор», более применимый именно к недиссоциированной форме HClO, распространятся в ГОСТе на все формы хлора, включая хлорамины. Это не единственные примеры. Фактически в каждой отрасли сложились свои, зачастую противоречащие друг другу термины. Это лишь приблизительная и далеко не полная таблица наименований форм хлора. В скобках приведены редко используемые и иногда не совсем верно интерпретируемые термины.

    Тривиальные термины Термины СанПиН Термины ГОСТ 18190-72 Английские названия Пояснения Химическая форма
    Активный хлор     Active chlorine
    (Residual chlorine)
    Равновесная концентрация хлорноватистой кислоты, зависящая от рН и pКHClO при данной температуре [HClO]
    Свободный хлор
    (Остаточный хлор)
    Свободный остаточный хлор Свободный остаточный хлор Free chlorine
    Total residual chlorine
    (Total free chlorine)
    Хлор, присутствующий в воде в виде хлорноватистой кислоты, ионов гипохлорита или растворенного молекулярного хлора. [HClO] + [ClO-] + [Cl2]
    Связанный хлор Связанный остаточный хлор   Combined chlorine Часть общего хлора, присутствующего в воде в виде органических и неорганических хлораминов. [NH3-nCln]+[R-NH2-nCln]
    Общий хлор   Суммарный остаточный активный хлор Total chlorine Суммарная концентрация всех форм хлорноватистой кислоты, неорганических и органических хлораминов. Зависит от первоначальной дозы хлорирующего агента в процессе дезинфекции [Cl2]+[HClO]+[ClO-]+[NH3-nCln]+[R-NH2-nCln],
    где
    R-органическая молекула
    n=2 – дихлорамины
    n=1 – монохлорамины
        Суммарный остаточный хлор
    (Активный хлор)
      Хлор, определяемый йодометрическим титрованием, соответствует общему хлору, но не всегда в полной мере учитывает содержание хлораминов [Cl2]+[HClO]+[ClO-]+[NH3-nCln]+[R-NH2-nCln] (частично),
    где
    R-органическая молекула
    n=2 – дихлорамины
    n=1 – монохлорамины


    05.08.05
    к.х.н., Платонов М.М.

    Современные подходы к определению содержания белка

    ВВЕДЕНИЕ

    Статья опубликована в журнале "Школа Грибоводства" №4 за 2005г.. Автор: к.х.н., Платонов М.М.

    На протяжении последних лет отечественная пищевая промышленность развивается весьма динамично. Эта тенденция является, несомненно, позитивной, потому что предопределяет формирование зрелого внутреннего рынка пищевых продуктов, усиление конкуренции и, как следствие, повышение их качества. Действительно, при возможности широкого выбора претендовать на потребительский спрос может лишь тот товар, который отвечает высоким требованиям качества. Вот почему в последние годы производители продуктов питания уделяют все более пристальное внимание вопросам контроля за качеством сырья и конечного продукта, причем не только давно известные, но и молодые предприятия, с первых ступеней развития бережно относящиеся к своей репутации.

    АНАЛИЗ БЕЛКА

    Одним из важнейших показателей качества продукции, определяющим ее пищевую ценность, является содержания белка. Классическим способом определения белка является метод, разработанный еще в 1883 году датским химиком Иоганном Кьельдалем, который в последствии был назван его именем. Это очень трудоемкий и продолжительный анализ, и потому в современной лабораторной практике метод Кьельдаля часто пытаются заменить альтернативными методами определения белка, в том числе, с использованием дорогостоящих программно-аппаратных комплексов. Но метод Кьельдаля, несмотря на его сложность, до сих пор остается единственным общепризнанным арбитражным методом определения белка, и чаще всего используется в качестве эталонного для калибровки и настройки других методик анализа сырья и готовой продукции. По этой причине аппараты для определения белка по методу Кьельдаля есть практически в каждой лаборатории по анализу пищевой продукции, а альтернативные методики применятся только как вспомогательные при очень большом количестве ежедневных анализов. Для предприятия, только начинающего становление своей лаборатории, безусловно, предпочтительным является именно метод Кьельдаля.

    МЕТОД КЬЕЛЬДАЛЯ И РЕКОМЕНДУЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

    Почему же методу Къельдаля, не смотря на более чем 120-летнюю историю, до сих пор не найдено достойной альтернативы? Причиной тому - высокая специфичность выбранной реакции окисления белка серной кислотой, в результате которой разрушаются пептидные связи в его молекуле и образуются ионы аммония, которые в последующем и могут быть легко проанализированы стандартными методами. Однако воспроизводимость и точность метода Кьельдаля в существенной степени зависит от опыта аналитика. Стремясь свести к минимуму влияние человеческого фактора на результаты анализа, ускорить выполнение методики и повысить ее безопасность, ведущие производители аналитического оборудования разработали специализированные комплекты оборудования для анализа по методу Кьельдаля. Метод включает в себя несколько основных этапов: отбор и подготовку проб, мокрое озоление, отгонку с паром и определение концентрации аммония (фотометрически или титриметрически). Для каждого этапа предусмотрены свои аппаратные решения, которые в настоящее время фактически стали стандартом де-факто и практически полностью заменили действия, выполняемые лаборантом вручную.

    Этап 1. Отбор и подготовка проб
    Необходимое условие получения точных результатов анализа по Кьельдалю - тщательная подготовка образцов. Процедура подготовки проб должна обеспечивать гомогенизацию образца, т. к. размер частиц в анализируемых пробах не должен превышать 1 мм. Однородность образца повышает воспроизводимость метода, а также позволяет уменьшить объём пробы. Обычно при использовании частиц малых размеров повышается скорость озоления. Для измельчения мягких образцов (таких как субстрат или сами грибы) рекомендуется использование специальных лабораторных мельниц, но чаще всего бывает достаточно обычной кофемолки. Взвешивание образцов для последующего анализа по Къельдалю должно проводиться на аналитических весах с точностью до 0,1 мг, например KERN ALS 120-4. Важно знать влажность образца и всегда анализировать либо предварительно высушенные образцы, либо образцы с точно установленным содержанием влаги. Для определения содержания влаги рекомендуется использовать термогравиметрические анализаторы, такие как KERN MRS 120-3 или его аналоги, имеющие погрешность на уровне 0.05-0.1%.

    Этап 2. Мокрое озоление
    Самым трудоемким и продолжительным этапом в методе Кьельдаля является стадия мокрого озоления, в результате которого происходит полное "сжигание" образца в серной кислоте. Однако использовать для озоления чистую серную кислоту нецелесообразно из-за низкой скорости протекания процесса. Скорость озоления и разрушения образца зависят не только от свойств кислоты, но и от температуры обработки. Чем выше температура, тем меньше времени уходит на разложение. При использовании чистой серной кислоты температура озоления ограничивается, в основном, её точкой кипения (338°С), в то время как для полного разложения необходима более высокая температуры. Скорость мокрого озоления можно значительно увеличить за счет добавления солей и катализаторов. В классическом приборе Кьельдаля на каждый грамм образца обычно необходимо 25 мл кислоты и несколько часов для проведения разложения, в то время как, например, в блочных термореаторах серии DK (пр-ва итальянской фирмы VELP), благодаря повышенной температуре разложения (420°С) и оптимизации процесса термообработки, для разложения 1 грамма вещества требуется в среднем 30 минут и лишь 10 мл кислоты. Термореактор DK позволяет не только снизить расход серной кислоты, но и уменьшить расход гидроксида натрия, используемого для последующей нейтрализации разложившегося образца. Основной эксплуатационной проблемой для данной стадии анализа является выделение большого количества ядовитых паров диоксида и триоксида серы. Для сбора и нейтрализации вредных выбросов рекомендуется использовать специальный поглотитель, такой как скрюбер SMS, и вакуумный насос, например, кольцевой водоструйный насос JP. Эффективность системы SMS+JP настолько высока, что позволят использовать термореакторы DK без вытяжного шкафа, хотя наличие последнего все же желательно.

    Этап 3. Отгонка с паром
    Полученный после стадии разложения прозрачный раствор не годится для непосредственного определения в нем аммонийного азота из большого содержания мешающих компонентов. Для отделения аммонийного азота он переводится в аммиачную форму (добавлением щелочи) и отгоняется с паром на специальных приборах, называемых дистилляторами. Компания VELP, один из ведущих производителей это типа аппаратов, предлагает несколько вариантов дистилляторов, отличающихся уровнем автоматизации и функциональным наполнением: от простейшего UDK126D с ручным управлением, который используется при необходимости проведения нескольких определений белка в день, до полностью автоматического программируемого UDK152 со встроенным фотометрическим титратором, производительность которого составляет до 20 проб в час и позволяет полностью исключить участие оператора на 3-ем и 4-ом этапах анализа. Дистилляторы могут также использоваться для отгонки аммонийного азота непосредственно из образцов без их предварительного разложения, что позволяет выделить содержание аммонийного азота из общего азота по Кьельдалю.

    Этап 4. Определения содержания аммонийного азота
    Результаты по определению белка принято представлять в мг/л аммонийного азота, поэтому метод определения белка по Кьельдалю (что более распространено в пищевой промышленности) часто еще называют методом определения общего азота по Кьельдалю (используется, например, в экологическом анализе). Пересчет на содержание белка осуществляется по известному коэффициенту, который в общем случае равен 6.25, но может несколько отличаться для различных типов белка. Перегоняемый с паром аммиак собирается в колбе, в которую предварительно помещают раствор борной или серной кислоты с известной нормальностью. Полученный чистый раствор бората или сульфата аммония может быть легко оттитрован прямым или обратным методом. Если ежедневно производится анализ небольшого количество проб, то можно довольствоваться обычным бюреточным титрованием, но для титрования большого количества проб и для повышения точности результатов рекомендуется использовать автоматические титраторы. Хорошей альтернативой титриметрии может стать фотометрическое определение аммонийного азота при помощи готовых реактивов. Так компания HACH-LANGE предлагает спектрофотометры и фотометры серии DR, которые комплектуются наборами реагентов, позволяющих получить результат за считанные минуты. Например, в память спектрофотометра DR/2500 помимо 5 различных методик определения аммонийного азота и азота по Кьельдалю, занесено еще более 100 различных методов определения целого ряда металлов, различных форм азота и фосфора, практически всех важнейших анионов.
    ЗАКЛЮЧЕНИЕ
    В рамках этой статьи вполне осознано не рассматривались другие методики определения белка, поскольку все они вторичны и требуют калибровки по методу Кьельдаля. Несмотря на кажущуюся сложность комплекса оборудования для определения белка по Кьельдалю, использование именного этого метода анализа гарантирует достоверность результатов, в то время как предложенное приборное решение позволяет существенно увеличить воспроизводимость, снизить расход реактивов и обеспечить безопасность персонала. Указанные в качестве примеров модели приборов характеризуются, прежде всего, приемлемой ценой, высокой надежностью и, главное, имеют большой практический опыт эксплуатации на множестве пищевых производств в различных регионах России, хотя для реализации метода Кьельдаля конечно могут использовать приборы и других производителей, выбор которых зависит от предпочтений и финансовых возможностей конкретной лаборатории.

    Теория и практика измерения мутности. Турбидиметрия и нефелометрия.

                                                                                                                                                       

              
    Важным показателем качества воды, используемой практически для любой цели, является наличие механических примесей - взвешенных веществ, твердых частиц ила, глины, водорослей и других микроорганизмов, и других мелких частиц. Допустимое количество взвешенных веществ колеблется в широких пределах, как и возможное их содержание. Так, например, вода в охлаждающем контуре может содержать значительное количество примесей. В современных паровых котлах высокого давления вода должна быть практически полностью очищена от загрязнений. Взвеси в питьевой воде могут способствовать росту вредных микроорганизмов и уменьшать эффективность хлорирования, вызывая опасность для здоровья. В большинстве случаев большое количество взвеси в питьевой воде недопустимо, по причинам эстетического характера, а также потому, что взвеси могут искажать результаты химических и биологических тестов.
                    

    Теория рассеяния света (светорассеяние)

               
    Взвешенные в воде твердые частицы нарушают прохождение света через образец воды и создают количественную характеристику воды, называемую мутностью. Американская Ассоциация здравоохранения (APHA) определяет мутность, как "численную характеристику оптического свойства, которое вызывает рассеяние и поглощение света вместо его прохождения через образец по прямой." Мутность можно рассматривать как характеристику относительной прозрачности воды. Измерение мутности - это не прямое определение количества взвеси в жидкости, а измерение величины рассеяния света на взвешенных частицах.            

    Говоря простым языком, мутность - результат взаимодействия между светом и взвешенными в воде частицами. Проходящий через абсолютно чистую жидкость луч света остается практически неизменным, хотя, даже в абсолютно чистой воде, молекулы вызывают рассеяние света на некоторый, хоть и очень малый, угол. В результате, ни один раствор не обладает нулевой мутностью. Если в образце присутствуют взвешенные твердые частицы, то результат взаимодействия образца с проходящим светом зависит от размера, формы и состава частиц, а также от длины волны (цвета) падающего света.

                         

    Взаимодействие мельчайших частиц с падающим светом происходит следующим образом: частица поглощает энергию света и затем, сама становясь точечным источником, излучает свет во все стороны. Это излучение во все стороны и лежит в причине рассеивания падающего света. Пространственное распределение рассеянного света определяется отношением размера частицы к длине волны. Частицы размером много меньше, чем длина волны падающего света дают почти симметричное рассеяние, количество света, излучаемого вперед и назад, почти одинаково (Рис. 1А). С ростом размера частиц свет, излучаемый из разных мест частицы, создает интерференционные картины, которые складываются в направлении прохождения падающего света. В результате, интенсивность света, рассеиваемого "вперед" больше, чем интенсивность света, рассеиваемого "назад" и по другим направлениям (Рис.1B и 1C). Кроме того, мелкие частицы хорошо рассеивают коротковолновый свет (синий), при этом не оказывая воздействия на длинноволновый (красный). И наоборот: крупные частицы рассеивают красный свет лучше, чем синий.

             
             
            Рис. 1 Схемы интенсивности рассеянного света на частицах трех размеров. А - мелкие частицы, размером менее 1/10 длины волны падающего света, рассеяние симметричное. В - крупные частицы, размером порядка 1/4 длины волны падающего света, преобладает рассеяние по направлению падающего света, С - очень крупные частицы, размером более длины волны падающего света, рассеяние очень неравномерно, ярко выражены максимумы и минимумы. Брумбергер и др, (Brumberger et al. "Light Scattering," Science and Technology ,November, 1968, page 38.)
               

    Форма частиц и коэффициент преломления также влияют на распределение и интенсивность рассеяния. Сферические частицы рассеивают "вперед" больше света, нежели частицы в форме колец или игл. Коэффициент преломления частиц характеризует угол, на который отклоняется луч света, проходящего через границу с другой средой, например, жидкостью. Чтобы рассеяние было возможно, коэффициент преломления частиц должен отличаться от коэффициента преломления жидкости. Чем сильнее различаются коэффициенты преломления жидкости и взвешенных частиц - тем сильнее рассеяние.

                       

    Цвет взвешенных твердых частиц и жидкости также имеет значение при детектировании рассеянного света. Окрашенное вещество поглощает свет в определенных диапазонах видимой области спектра, изменяя тем самым свойства как проходящего, так и отраженного света. В результате часть рассеянного света не попадает на детектор.

                       

    С ростом концентрации частиц растет и интенсивность рассеяния света. Но рассеянный свет попадать на большее количество частиц, из-за чего будет происходить множественное рассеяние и поглощение света. Когда концентрация частиц превосходит определенное значение, определяемый уровень проходящего и рассеянного света резко падает. Это значение является верхней границей измерения мутности. Уменьшение оптического пути уменьшает количество частиц между источником света и детектором и позволяет расширить диапазон измерений. 

                         

         

             
                    

    Из истории измерения мутности

               
               

    Практические попытки количественно измерить мутность относятся к 1900 году, когда Уиппл и Джексон разработали стандарт суспензии, содержащей 1000 миллионных долей (ppm) кизельгура (диатомитовой земли) в дистиллированной воде. Разбавление этой суспензии позволило создать так называемую "кремнеземную" шкалу мутности на основе ряда стандартных суспензий для калибровки турбидиметров того времени.

                       

    Джексон воспользовался этой шкалой для работы с существовавшим тогда прибором диафанометром и создал то, что известно под названием "свечной турбидиметр Джексона". Он состоял из специальной свечи и плоскодонной колбы. Джексон откалибровал его в единицах ppm по мутности взвешенного кремнезема. Для определения мутности образец медленно наливали в колбу до тех пор, пока изображение пламени, наблюдаемое сверху не превращалось в бесформенное свечение (Рис. 2). 

                       

    Погасание образа происходило, когда сравнивались интенсивность рассеянного света с интенсивностью света проходящего. Высота жидкости в колбе затем переводилась в единицы кремнеземной шкалы, а мутность определялась в джексоновских единицах мутности (JTU). Тем не менее, устойчивого состава стандартов достичь было трудно, поскольку их готовили из различных природных материалов - сукновальной глины, каолина, донных отложений.

             
             
           Рис. 2. Свечной турбидиметр Джексона
                    

    Стандарты мутности

               
               

    В 1926 году Кингсбери и Кларк создали формазин, который является почти идеальным веществом для приготовления стандартных суспензий. Для приготовления формазина требуется растворить точную навеску 5,00 г сульфата гидразина и 50,00 г гексаметилентетрамина в одном литре дистиллированной воды (Рис. 3).

             
             
               
              Рис. 3. Синтез формазина
           
               

    Раствор становится мутным после выстаивания в течение 48 часов при 25 °С. При идеальных температурных условиях и освещении эта смесь может быть приготовлена многократно с точностью ± 1%. Формазин - единственный стандарт, который можно приготовить из контролируемых исходных веществ. Все прочие стандарты, альтернативные или вторичные следует контролировать по формазину. Первичные стандарты мутности, получаемые прямым синтезом суспензии формазина в приняты водном хозяйстве и других связанных отраслях промышленности.                    

    Формазин обладает несколькими свойствами, которые делают его идеальным стандартом для турбидиметрии. Во-первых, его можно воспроизводимо готовить из контролируемых исходных веществ. Во-вторых, физические свойства желательны для стандарта в турбидиметрии. Формазин - это полимер, состоящий из цепочек разной длины, которые свернуты в различных конфигурациях. Это дает широкий спектр фирм и размеров частиц от менее 0,1 до более 10 мкм. Исследования распределения частиц по размерам показывают нерегулярное распределение в различных стандартах, но статистика нефелометрических определений воспроизводима. Такое множество форм и размеров частиц хорошо аналитически сочетается с возможными размерами и формами частиц в реальных образцах. Благодаря хорошей воспроизводимости рассеяния белого света в формазиновой суспензии, приборы, использующие в качестве источника света лампу накаливания, калибруются с высокой точностью и хорошей воспроизводимостью. Многообразие форм и размеров частиц в стандартах на основе формазина приводит к статистически воспроизводимому рассеянию света в турбидиметрах всех типов и моделей. Благодаря воспроизводимости рассеяния и возможности контролировать процесс приготовления формазина, способы калибровки турбидиметров и критерии эффективности были повсеместно приведены к данному стандарту.                    

    В 1955 от выражения мутности в миллионных долях кремнезема окончательно отказались и 10-е и последующие издания "Стандартных методов" (Standard Methods) описывают мутность в терминах рассеяния света на взвешенных частицах. Термины "миллионная доля" и "кремнеземная шкала" упразднили, а мутность стали выражать просто в "единицах мутности". После принятия формазина в качестве образцового первичного стандарта, единицы мутности стали называть единицами мутности по формазину - ЕМФ (formazin turbidity units - FTU). Первыми в качестве первичного стандарта мутности формазин стали использовать Американская Ассоциация Здравоохранения (APHA) и Американская Ассоциация предприятий водного хозяйства (AWWA) в 13-м издании Стандартных методик исследования воды и стоков (Stantard Methods for the Examination of Water and Wastewater). Американское Управление по охране окружающей среды (USEPA) определяет первичный стандарт несколько иначе, используя термины, отвечающие стандартам представления результатов USEPA.                    

    Понятие стандарта в турбидиметрии несколько размыто из-за различий в определениях, которыми пользуются USEPA, APHA, AWWA и теми, которые приведены в "Стандартных методах". В 19-м издании "Стандартных методов" для ясности были введены понятия "первичный стандарт" и "вторичный стандарт". Первичный стандарт определен в них как стандарт, который готовится пользователем прецизионно, из контролируемых исходных веществ, при контролируемых условиях окружающей среды. В турбидиметрии единственным стандартом, отвечающим данным требованиям является формазин, приготовляемый непосредственно на лабораторном столе.                    

    "Стандартные методы" определяют вторичный стандарт, как стандарт производителя (или независимой проверяющей организации), такой, что калибровка прибора по этому стандарту дает (в определенных пределах) результаты, эквивалентные тем, которые дает калибровка по стандарту формазина, приготовленному пользователем. Существуют различные виды вторичных стандартов, включая промышленный ассортимент суспензий формазина 4000 NTU, стабилизированные суспензии формазина и промышленные суспензии микросферы сополимера стирола и дивинилбензола.                    

    "Стандарты" для проверки калибровки прибора, поставляемые изготовителем, например, запечатанные ячейки, наполненные суспензией латекса или частицами оксида металла в гелеобразном полимере, очень удобны, чтобы с их помощью проверять работоспособность прибора между калибровками, но не пригодны для проведения калибровок прибора.                     

    Если обнаруживается расхождение в точности стандарта или прибора, то судить о работе прибора позволяет только первичный стандарт (т.е. изготовленный пользователем формазин). Формазин - это единственный первичный стандарт в турбидиметрии, а все прочие стандарты приводятся к формазину.                     

    Определения, используемые USEPA, отличаются от тех, которые приведены в "Стандартных методах". В настоящее время USEPA признает приговленный пользователем формазин, промышленный ассортимент суспензий формазина, стабилизированные суспензии формазина StabCal™ и промышленные суспензии стироладивинилбензола (называемые также "альтернативными стандартами") в качестве первичных стандартов, пригодных для представления отчетов. Термин "вторичный" USEPA использует для "стандартов", по которым проверяется калибровка прибора. При таком определении первичный стандарт совершенно не контролируем и применим только для представления отчетов USEPA.                     

    По определению USEPA вторичные стандарты, после того, как их свойства установлены по формазину, используются для проверки калибровки турбидиметра. Однако, эти стандарты нельзя использовать для калибровки приборов. Данные стандарты, такие, как гели с оксидами металлов, суспензии латекса, и все неводные стандарты разработаны для ежедневного контроля калибровки прибора.                     

    Стабилизированные стандарты мутности на основе формазина StabCal. Это относительно новые стандарты, разработанные для калибровки или проверки характеристик любого турбидиметра. В Стандартах мутности StabCal рассеяние света происходит на таком же полимере, что и в обычных стандартах формазиновых мутности. Поскольку используется другая матрица, формазин в стандартах StabCal стабилизирован и со временем не деградирует, как в случае с традиционными стандартами низких значений мутности. Благодаря улучшенной стабильности, стандарты StabCalлюбой концентрации до 4000 NTU могут производиться и поставляться готовыми к использованию.                     

    Стандарты мутности StabCal имеют ряд преимуществ переж традиционным формазином и прочими вторичными стандартами. Во-первых, они стабильны, как минимум, два года. На рис. 5 показана стабильность стандартов StabCal с тремя значениями мутности - 2,0 , 10,0 и 20,0 NTU. Стабильность данных стандартов не зависит от концентрации. Во-вторых, стандарты StabCal приготовляются в особых концентрациях, исключающих утомительные и чувствительные к методике приготовления посредством ряда точных разбавлений. В-третьих, в стандартах StabCal такое же распределение частиц, как и в формазине, и ими можно напрямую заменить формазин. Соттветственно, стандарты StabCal имеют определенные концентрации, которая не зависит от типа прибора. На рис. 6 показано сравнение характеристик стандартов StabCal и формазина в диапазоне от 1 до 5 NTU на различных турбидиметрах. И, наконец, стандарты StabCal готовятся из простых веществ и могут считаться первичными стандартами.                    

    Природа матрицы StabCal также помогает снизить потенциальный вред здоровью, связанный с традиционными формазиновыми стандартами. Компоненты матрицы эффективно связывают следы гидразина в стандарте. Концентрация гидразина в образцах ниже пределов обнаружения. Содержание гидразина в стандартах StabCal как минимум на три порядка меньше, чем в традиционных стандартах такой же мутности.                     

    Поскольку стандарты StabCal уже готовы, от пользователя требуется только тщательно перемешать стандарт перед использованием. Это уменьшает воздействие на стандарт, уменьшает возможность загрязнения стандарта и экономит время, которое иначе пришлось бы тратить на приготовление этих стандартов точным разбавлением.

             
                    

    Нефелометрия как метод измерения мутности

                 
               

    Со временем потребность в прецизионном определении низких значений мутности в образцах, содержащих взвеси очень мелких частиц, потребовала улучшения характеристик турбидиметров. Факельный турбидиметр Джексона имел серьезные ограничения в применении, поскольку не мог использоваться для определения мутности ниже 25 JTU. Точно определить мутность было весьма затруднительно и определение точки погасания сильно зависело от человека. Кроме того, поскольку источником света в приборе Джексона было пламя свечи, падающий свет находился большей частью в длинноволновой области спектра, где рассеяние на мелких частицах не эффективно. По этой причине прибор был нечувствителен к суспензиям очень мелких частиц. (Мелкие частицы кремнезема не приводили к погасанию образа пламени в факельном турбидиметре Джексона.) С помощью факельного турбидиметра невозможно также определить мутность, вызванную черными частицами, например сажи, поскольку поглощение света такими частицами настолько больше рассеяния, что поле зрения становилось черным до того, как достигалась точка погасания.                    

    Было разработано несколько турбидиметров, работающих на определении погасания, с усовершенствованными источниками света и методиками сравнения, но погрешность определения человеком приводила к недостатку точности. Фотодетекторы чувствительны к малейшему изменению интенстивности освещения. Они стали широко использоваться для измерения ослабления света, проходящего через образец фиксированного объема. Приборы обеспечивали при определенных условиях гораздо большую точность, но попрежнему не могли определть высокую или предельно низкую мутность. При низкой степени рассеяния изменение в интенсивности проходящего света, измеряемое в одной точке, настолько мало, что практически не детектируется ничем. Обычно сигнал просто терялся в шуме электронных компонентов. На больших концентрациях множественное рассеяние взаимодействовало с простым рассеянием.                     

    Решение проблемы заключается в том, чтобы определять количество света, рассеянного под углом к падающему свету и затем соотносить количество рассеянного под углом света с реальной мутностью образца. Считается, что угол в 90° позволяет обеспечить наибольшую чувствительность к рассеянию на частицах. Большинство современных приборов определяют рассеяние под углом 90° (рис. 4). Такие приборы называются нефелометрами или нефелометрическими турбидиметрами, чтобы показать их отличие от обычных турбидиметров, которые определяют соотношение между количеством прошедшего и поглощенного света.

             
             
               
             Рис. 4. В нефелометрических измерениях мутность определяется по свету,           
             рассеянному под углом 90°
           
               

    Благодаря своей чувствительности, точности и применимости в широком диапазоне размеров и концентраций частиц, нефелометр был признан в Стандартных методах как предпочтительный прибор для определения мутности. Также предпочтительными единицами выражения мутности стали нефелометрические единицы мутности NTU. В опубликованных американским Управлением по охране окружающей среды Методах химического анализа воды и стоков нефелометрический метод также определяет нефелометрию как метод определения мутности.                    

     Чтобы указать разницу между мутностью, определенной нефелометрическим и визуальным способами, результаты, полученные первым способом указывают NTU, а второго в JTU (1 JTU = 4 NTU). Кроме того, используются термины FNU (formazin nephelometric unit - нефелометрические единицы по формазину) и FAU (formazin attenuation unit - единицы затухания по формазину). FNU применяется при нефелометрических измерениях, а FAU при измерениях проходящего света. Все эти единицы относятся к стандартам на основе формазина (см. также статью "Единицы мутности").

             
             
               
             Рис. 5 Стабильность стандартов StabCal. По оси абсцисс отложено время в днях, начиная с даты приготовления, по оси ординат - изменение мутности в процентах
           
             
               
             Рис. 6 Сравнение показаний различных приборов по стандартам StabCal. С показаниями по разбавленному формазину
           
                    

    II. Современные мутномеры

               
               

    Хотя к настоящему времени разработано множество методов для определения загрязнений в воде, определение мутности по-прежнему важно, поскольку мутность - это простой и неопровержимый показатель изменения качества воды. Внезапное изменение мутности может указывать на дополнительный источник загрязнения (биологический, органический или неорганический) или сигнализировать о проблемах в процессе обработки воды.                    

    Современные инструменты должны определять мутность от предельно высоких до предельно низких значений в широком диапазоне образцов с частицами различного размера и состава. Возможность прибора определять мутность в широких пределах зависит от конструкции прибора. В данном разделе обсуждаются три основных узла нефелометра (источник света, детектор рассеянного света и оптическую геометрию), и как различия в этих узлах влияют на определение мутности прибором. Большинство измерений проводятся в диапазоне 1NTU и ниже. Для этого требуется стабильная работа прибора, малое количество постороннего света и отличная чувствительность.

             
                    

    Источники света в нефелометрах

               
               

    В настоящее время в мутномерах применяются различные источники света, но самый распространенный - лампа накаливания. Такие лампа имеют широкий спектр, они просты, недороги и надежны. Свет от лампы количественно характеризуется цветовой температурой - температурой, которую должно иметь идеально черное тело, чтобы светиться таким же цветом. Цветовая температура белого каления и, следовательно, спектр свечения лампы зависят от приложенного к лампе напряжения. Для стабильного белого свечения лампы требуется хорошо регулируемый источник питания.                     

    В случаях, когда в образце присутствуют частицы одного типа, или если требуется источник света с известными характеристиками, для нефелометрии можно использовать монохроматический источник света. Такой свет излучает, например, светодиод. Светодиод излучает в очень узкой области спектра по сравнению с нагретой до бела нитью накаливания (рис. 7). Поскольку в видимой области светодиоды более эффективны по сравнению с лампами накаливания, им требуется меньшая мощность для получения света той же интенсивности. Применение источников света с узкой спектральной характеристикой расширяется. Другие источники света, такие как лазеры, ртутные лампы и комбинации лампа + фильтр, в нефелометрии применяются редко.                     

    Для представления результатов USEPA необходимы приборы с лампами накала, работающими при цветовой температуре от 2200° до 3000° К. В Европейском сообществе стандарт ИСО требует, чтобы прибор работал с источником света 860 нм и шириной спектра менее 60 нм. Лампа накаливания обеспечивает чувствительность к мелки частицам, однако подвержена влиянию окраски образца, приборы работающие с источником 860 нм не чувствительны к мелким частицам, однако к окраске нечувствительны.

             
             
               
             Рис. 5 Типичные спектральные характеристики лампы накаливания при трех цветовых температурах, светодиода 560 нм, He-Ne лазера и диода 860 нм, отвечающему требованиям ИСО 7027. По оси абсцисс - длина волны в нм, по оси ординат - относительная интенсивность.
           
                    

    Детекторы

               
               

    После того, как свет с требуемыми характеристиками взаимодействует с образцом, результат должен быть зафиксирован с помощью детектора. В современных нефелометрах применяется четыре типа детекторов: фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), вакуумный фотодиод, кремниевый фотодиод и фотоэлемент (фоторезистор) на основе сульфида кадмия.                     

    Чувствительность детекторов отличается в различных диапазонах длин волн . Фотоэлектронные умножители, применяемые в нефелометрах, имеют пик спектральной чувствительности в синей области спектра и ближнем ультрафиолете. Чтобы обеспечить хорошую стабильность им требуется стабилизированный источник высокого напряжения. Вакуумный фотодиод обладает сходной спектральной характеристикой, но более стабилен, нежели фотоэлектронный умножитель (Рис. 6)

             
             
               
             Рис. 6. Типичные спектральные характеристики чувствительности фотодетекторов.           
             Обозначения осей - см рис.7
           
    Однако, на их характеристики сильно влияют окружающие условия, особенно влажность. Кремниевые фотодиоды имеют пик в красной и инфракрасной части спектра. Фоторезистор на основе сульфида кадмия имеет пик чувствительности в промежутке между ФЭУ и кремниевого фотодиода.
             
               
             Рис.9.Эффективное спектральное распределение для лампы накаливания Т=3000°К и детектора CdS
           
             
               
             Рис. 10. Эффективное спектральное распределение для лампы накаливания Т=3000°К и детектора на кремниевом фотодиоде
           
               

    Спектральная характеристика источника света и спектральная характеристика детектора и их сочетание - ключевые элементы характеристик нефелометра. В общем случае для любого детектора, чем короче длина волны падающего света, тем более чувствителен прибор к частицам меньшего размера. И наоборот: чем больше длина волны источника света - тем больше чувствительность к относительно крупным частицам. Детекторы приборов ведут себя сходным образом. Поскольку ФЭУ и вакуумный фотодиод чувствительны в коротковолновой (синей и УФ) области спектра, то в нефелометрах с полихроматическим источником света, детекторы обеспечивают чувствительность к мелким частицам. Чувствительность кремниевого фотодиода выше в длинноволновой области спектра и прибор с данным детектором более чувствителен к крупным частицам. В реальном инструменте комбинация источник/детектор определяет эффективную спектральную характеристику прибора и отклик прибора на образец.                     

    На рис. 9 показана спектральная характеристика прибора с лампой накаливания и фотоэлементом на сульфиде кадмия. Пик спектральной чувствительности данного прибора находится около 575 нм. На рис. 10 показана спектральная характеристика прибора с тем же источником света и кремниевым фотодиодом, его чувствительность максимальна в области 875 нм. Поскольку спектральные характеристики приборов отличаются, прибор, представленный на рис.9, более чувствителен к мелким частицам, по сравнению с прибором, представленным на рис. 10. Также эти диаграммы иллюстрируют, что максимальная эффективность системы достигается в случае, когда источник света и детектор правильно подобраны, и их спектральные характеристики перекрываются как можно сильнее.

             
                    

    Оптическая геометрия нефелометров

               
               

    Третий компонент, влияющий на качество показаний нефелометров - это оптическая геометрия, которая включает в себя параметры конструкции прибора, такие как, например, угол детектирования рассеянного света. Как пояснялось в разделе, посвященном теории рассеяния, различия в строении частиц вызывает различную угловую интенсивность рассеяния. Почти все нефелометры, используемые в анализе воды и стоков, имеют угол анализа равный 90°. Кроме того, что такой угол обеспечивает меньшую чувствительность к изменению размера частиц, прямой угол дает простую оптическую систему с малым количеством постороннего света.                     

    Конструктивным параметром, определяющим, как чувствительность, так и линейность прибора, является длина оптического пути. С ростом оптического пути растет чувствительность, но в ущерб линейности показаний из-за множественного рассеяния и поглощения. И наоборот, с уменьшением длины оптического пути растет линейность, но падает чувствительность прибора в области низких концентраций (проблему можно решить, применив изменяемую длину оптического пути). Короткий оптический путь также увеличивает воздействие постороннего света. USEPA и ИСО требуют, чтобы длина оптического пути не превышала 10 см (от нити накала до детектора).                     

    Производимые HACH турбидиметры ratio для достижения максимальной стабильности используют комбинацию оптических устройств: детектор, расположенный под углом 90°, комбинацию детекторов проходящего света, прямого и обратного рассеяния и зеркала, отражающие только ИК излучение. Дополнительная информация представлена в разделе данонй статьи, посвященном турбидиметрам ratio

             
                    

    III. Практические аспекты определения мутности

               
               

    Пояснения, приведенные в предыдущей части, лежат в основе высокой точности определения мутности в идеальных условиях, достигнутой на сегодняшний день. Однако, в практических применениях помехи и погрешности представляют серьезную проблему, поскольку снижают точность любого прибора. Чтобы убедиться, что прибор работает должным образом и обеспечивает наиболее верный результат, важно проверять калибровку прибора.

             
                    

    Калибровка и проверка калибровки мутномеров

               
               

    Процесс калибровки и проверки калибровки мутномера (нефелометра) в области низких значений мутности очень чувствителен как к методике, так и к окружающим условиям. Когда измеряемый уровень мутности падает до 1 NTU, помехи от пузырьков и загрязнений, мало влияющие при высоких уровнях мутности, могут приводить к показаниям с положительными ошибками и неверным результатам проверки прибора.                     

    Корреляция между мутностью и нефелометрическим рассеянием света хорошо описывается линейной зависимостью в диапазоне от 0,012 до 40,0 NTU. Эта зависимость включает в себя и область предельно низких значений мутности от 0,012 до 1,0 NTU. Чистая вода имеет мутность порядка 0,012 NTU, что делает достижений более низких значений м использованием водных растворов невозможным. Линейная зависимость позволяет использовать для калибровки одну точку на весь диапазон от 0,012 до 40,0 NTU. При этом обязательно, чтобы стандарты были приготовлены с высокой точностью.               

    Чтобы добиться высокой точности калибровки в данном линейном диапазоне, большинство турбидиметров HACH используют формазиновый стандарт 20,0 NTU. Эта концентрация выбрана, поскольку:                     

                   
    1. Такой стандарт легко точно приготовить из промышленного концентрированного стандарта;
    2.                          
    3. Такой стандарт остается стабильным достаточно долго, чтобы обеспечить точность при калибровке;
    4.                          
    5. Концентрация этого стандарта находится в середине линейного диапазона;
    6.                          
    7. Ошибки от загрязнений и пузырьков оказывают меньшее влияние на точность калибровки при 20 NTU, чем при низких значениях мутности калибровочного стандарта. Калибровка тубидиметра с использованием стандартов со сверхнизкой мутностью необязательна, но важно подтвердить точность и линейность показаний в области предельно низких значений. Стандарты для проверки калибровки со сверхнизкой мутностью используют для проверки характеристик приборов в нижней части диапазона измерений.
    8.                                                         

    Стабилизированные стандарты мутности по формазину StabCalприготовлены с низкой мутностью чтобы использоваться для проверки калибровки в нижней части диапазона измерений. Данные стандарты приготовлены и упакованы в тщательно контролируемых условиях, чтобы обеспечить максимальную точность, какая только возможна. Кроме того, стандарты тщательно упакованы, чтобы сделать минимальным загрязнение от посторонних источников.                     

    Такие исключительные меры необходимы, чтобы достичь возможность наиболее точной проверки калибровки в диапазоне малых значений мутности. Единичная частица пыли может вызвать пик более, чем 0,030 NTU. Это может привести к ошибке более, чем в 10 процентов. Методики, которым необходимо следовать, чтобы получить точные значения при измерениях низких уровней мутности, описаны в следующих нескольких разделах.

             
                    

    Проблема постороннего светорассеяния при определении мутности

               
               

    Посторонний свет – источник значительных ошибок в при определении низкой мутности. Посторонний свет попадает в оптическую систему, но происходит не от образца. Прибор же одинаково реагирует на свет, рассеянный образцом и на свет от посторонних источников.                     

    Посторонний свет происходит от разных источников: от измерительных ячеек с поцарапанными или несовершенными стенками, от отражений внутри рабочей камеры, от лампы, которая дает расходящийся свет, от линз, и в малой степени от электроники. В конструкции прибора используются линзы, щели, зеркала, отражающие только ИК излучение и различные световые ловушки для того, чтобы уменьшить влияние постороннего света. Тем не менее, существует источник постороннего света, который невозможно устранить конструктивно – это пыль, попадающая в измерительную ячейку, в рабочую камеру прибора. Со временем количество постороннего света в турбидиметре возрастает, поскольку загрязнение пылью увеличивает рассеяние света. В общем случае, в промышленных турбидиметрах постороннего света меньше, поскольку в их конструкции нет измерительной ячейки.                     

    В отличие от спектрофотометрии, воздействие постороннего света нельзя обнулить. Некоторые производители предлагают пользователю поместить в измерительную камеру образец воды «с нулевой мутностью» и обнулить прибор, подстроив показания. Выполнение этой процедуры оставит без внимания несколько важных при определении мутности аспектов. Во-первых, в воде, даже отфильтрованной через лучшие фильтры, всегда присутствуют частицы. Далее, молекулы вода сами по себе рассеивают свет. Молекулярное рассеяние и присутствие мельчайших частиц вносят вклад в мутность любого водного образца. Если поместить образец в круглую 1-дюймовую ячейку, то наименьшее измеренное значение мутности составит от 0,010 до 0,015 NTU, в зависимости от используемой оптической системы. Сама измерительная ячейка играет довольно сложную роль, рассеивая свет на царапинах и несовершенствах поверхности и влияя на падающий луч. Измерительная ячейка может также и способствовать фокусированию луча, что в свою очередь, снижает количество постороннего света. Другой важный фактор – это ряд переменных, которые вводятся, при использовании нескольких ячеек. Вторая измерительная ячейка может (и скорее всего будет) обладать совершенно иным рассеянием, нежели та, которая использовалась для обнуления показаний прибора. Все эти соображения игнорируются при обнулении прибора. Значительная часть измеренного значения не учитывается в предположении, что относится к чистой воде, хотя на самом деле, картина куда сложнее. В этом случае произойдет избыточная коррекция и показания прибора будут ошибочно занижены.                     

    Определить посторонний свет в турбидиметре количественно очень трудно. Один из методов заключается в том, чтобы приготовить суспензию формазина известной концентрации с низкой мутностью. Образец аккуратно добавляют концентрируют несколько раз, определяя мутность после каждой добавки. Посредством метода стандартных добавок определяют истинное значение мутности в исходном стандарте. Разница между измеренным значением и найденным теоретически практически соответствует количеству постороннего света. Данный метод определения постороннего света крайне сложен и требует максимальной чистоты и скрупулезной точности измерений. Тем не менее, это эффективный способ определения постороннего света. Если низкие значения мутности важны, то посторонний свет должен учитываться в ходе определения. Пользуясь данным методом, можно устранить влияние постороннего света на измерения. В таблице 1 приведены вычисленные значения постороннего света в турбидиметрах HACH.                    

    Есть несколько способов уменьшить количество постороннего света. Первый – сохранять прибор и измерительные ячейки в чистоте. Чтобы уменьшить загрязнения прибор надлежит хранить в чистом помещении без пыли. Прибор необходимо регулярно аккуратно чистить. Ячейки необходимо тщательно чистить как снаружи, так и изнутри. Когда ячейки не используются, они должны быть закрыты, чтобы предотвратить попадания пыли. Кроме того, снаружи их нужно покрывать силиконовым маслом, которое заполнит мелкие царапины, также вызывающие рассеяние света.

             
               

     Таблица 1. Характеристика постороннего светорассеяния в мутномерах HACH                                                                                                                                                                                                                                                                                             

    Прибор Диапазон Значение
    2100A 0 to 10 NTU < 0.04 NTU
    2100 A 0 to 100, 0 to 1000 NTU < 0.5 NTU
    SS6/SS6SE 0 to 10000 NTU < 0.04 NTU*
    Ratio, Ratio XR 0 to 200, 0 to 2000 NTU < 0.012 NTU
    1720C 0 to 100 NTU < 0.01 NTU*
    1720D 0 to 100 NTU < 0.008 NTU*
    2100P 0 to 1000 NTU < 0.02 NTU
    2100N/AN 0 to 10000 NTU < 0.01 NTU
    2100 AN IS 0 to 10000 NTU < 0.005 NTU
    2100 N IS 0 to 10000 NTU/FNU < 0.5 NTU
    Pocket Turbidimeter 0 to 400 NTU < 0.1 NTU
               

                       

    *Значения получены косвенно. Для модели SS6 приводится значение, полученное на основании данных о точности прибора; для моделей 1720C и 1720D значения получены с помощью стандартов сверхнизкой мутности.

             
                    

    Определение предельно низких значений

               
               

    Основная задача нефелометрии – это определение предельно низких значений мутности. Обычно это определение мутности менее 1 NTU в пробах чистой воды. В таких пробах примеси не видны невооруженным глазом. Такова, например, питьевая вода или вода, используемая при производстве полупроводников или на электростанциях.                     

    При определении низких значений мутности существуют два источника ошибок: посторонний свет (см. выше) и загрязнение пробы частицами. Загрязнение посторонними частицами вносит большую погрешность в измерения. Меры, помогающие уменьшить ошибку от загрязнений таковы:

                       

    1. Измерительные ячейки должны быть тщательнейшим образом очищены.                     

    а) Вымыть ячейку с мылом и деионизированной водой.                    

    б) Немедленно погрузить в раствор 1:1 соляной кислоты и выдержать как минимум час. Также можно поместить ячейки в ультразвуковую ванну, чтобы легче было удалить частицы с поверхности стекла.   

    в) Затем немедленно ополоснуть ультрафильтрованной деионизированной водой (фильтрование обратным осмосом, либо через фильтр 0,2 мкм). Промыть не менее 15 раз.                     

    г) Сразу после того, как ячейки промыты, закупорить их, чтобы предотвратить попадание пыли и высыхание внутренней поверхности ячеек.                    

    Для оценки чистоты измерительных ячеек поведите простой тест. Заполните ячейку ультрафольтрованной деионизированной водой. Дайте постоять несколько минут. Отполируйте ячейку силиконовым маслом и определите мутность. После этого, поместите ячейку в ультразвуковую ванну на 5 секунд. Снова отполируйте и определите мутность. Если изменений нет, то ячейку можно считать чистой. Если после воздействия ультразвуком мутность увеличилась, значит внутренние стенки содержат загрязнения, которые могут попасть в образец. Другой способ оценки – уровень шума. Сверхчистые ячейки, заполненные сверхчистой водой дают очень ровный уровень мутности менее 0,03 NTU.

                       

    2. Ячейки должны быть помечены.                     

    Очистив ячейки, заполните их ультрафильтрованной водой. Дайте постоять. Чтобы вышли пузырьки. Затем отполируйте силиконовым маслом ячейки и определите значения мутности при различной ориентации ячейки. Найдите ориентацию, при которой мутность минимальна, и пометьте его. Для выполнения измерений придерживайтесь данной ориентации.                     

    3. Удаление пузырьков.

                       

    Микропузырьки могут быть источниками положительных ошибок при определении мутность. Лучший способ избавиться от них это дать образцу выстоять несколько минут, чтобы пузырьки всплыли. Если образец необходимо перемешать – аккуратно медленно переверните несколько раз. Это позволит перемешать образец, но не внести в него пузырьки воздуха, которые скажутся на измерениях.                     

    Также эффективно вакуумирование образцов. Однако, необходимо следить, чтобы в пробу не попали загрязнения от вакуумного насоса. Для устранения пузырьков можно использовать ультразвуковую ванну, однако необходимо предварительно убедиться, что ячейка идеально чиста. Также ультразвуковая ванна может вызывать изменение размеров и формы частиц или отрывать их от стенок, увеличивая мутность образца.                     

    4. Хранить ячейки отполированными.                     

    Полировка внешней поверхности силиконовым маслом поможет предотвратить прилипание частиц. Силиконовое масло поможет также уменьшить посторонний свет, поскольку оно заполнит мелкие царапины, на которых иначе происходило бы рассеяние света.                     

    5. По возможности, использовать только одну ячейку.                    

    Идеально чистую ячейку желательно использовать для работы со всеми образцами. При установки ячейки в одинаковой ориентации влияние самой ячейки исключается, и можно точно сравнивать мутность различных образцов. Если необходимо несколько ячеек, следует ввести поправки. Для получения поправок используйте лучшую ячейку. Сохраняйте ее для работы с образцами самой низкой мутности.

             
                    

    Точность турбидиметра (нефелометра) в области низких значений

               
               

    При работе в области низких значений мутности крайне важно проверить точность анализатора мутности. Традиционные стандарты с такими значениями мутности сложно приготовить и они стабильны очень короткое время.                     

    В настоящее время существует два метода проверки точности прибора в области низких значений. Простой предполагает использование стабилизированных проверочных стандартов на основе формазина. Существуют стандарты в диапазоне 0,от 10 до 1,00 NTU. Они готовятся и упаковываются в строжайших условиях, чтобы добиться максимально возможной точности. Подробные инструкции поясняют, как обращаться со стандартом, чтобы правильно и точно определить характеристики прибора и методики в области низких значений. Второй способ оценки характеристик прибора при работе в области низких значений мутности – разбавить исследуемый образец известным количеством стабильного стандарта. Чтобы провести такой тест нужно следующее:                     

                   
    • вода сверхнизкой мутности, предпочтительно очищенная обратным осмосом или фильтрованием через мембрану 0,2 мкм
    •                          
    • очень чистая стеклянная посуда, в том числе одна измерительная ячейка высокого оптического качества
    •                          
    • свежеприготовленный стандарт мутности по формазину 20,0 NTU
    •                          
    • точная автоматическая пипетка типа TenSette® Pipet® или аналогичная
    •            
                                           

    Используя перечисленное оборудование, пользователь может определить, как прибор реагирует на добавки стандарта. Ниже приведен пример того, как проводить тест:                     

                   
    1. С помощью пипетки поместить 25 мл очищенной обратным осмосом воды в чистую измерительную ячейку. Ячейка должна быть сухой. Немедленно закрыть ячейку.
    2.                          
    3. Отполировать ячейку и аккуратно поместить в турбидиметр, соблюдая ориентацию.
    4.                          
    5. Дождаться, пока показания станут стабильными. Обычно на то, чтобы пузырьки всплыли, требуется от 1 до 5 минут
    6.                          
    7. Записать показания
    8.                          
    9. С помощью пипетки 0 – 1,0 мл TenSette® или аналога и чистого носика добавить 0,5 мл стандарта 20,0 NTU. Перед использованием стандарт нужно тщательно перемешать. Приращение мутности должно составлять 0,39 NTU.
    10.                          
    11. Закрыть ячейку и аккуратно перевернуть 10 раз, чтобы размешать содержимое.
    12.                          
    13. Снова отполировать ячейку. Поместить в турбидиметр, соблюдая ориентацию.
    14.                          
    15. Снова подождать 1 – 5 минут, пока стабилизируются показания.
    16.                          
    17. Записать показания.
    18.                                                        

    Разница между значением, полученным в п. 9 и значением мутности чистой воды, полученным в п. 4 составляет отклик прибора на добавку стандарта формазина 20,0 NTU. Теоретически мутность должна измениться (в данном образце) на 0,39 NTU. Разница между откликом прибора и теоретическим значением составляет ошибку прибора при работе в данной области. Большую часть этой ошибки составляет посторонний свет от прибора и измерительной ячейки. Величину ошибки можно вычитать при определении мутности. Данная процедура работает до тех пор, пока: 1) используемая стеклянная посуда тщательнейшим образом отмыта; 2) добавляемый образец свежий (не более 30 минут); 3) добавка производится точно; 4) каждый раз используется одна и та же ячейка в одном и том же положении; 5) оптика прибора чистая, прибор содержится в чистом помещении; и 6) для работы с образцами используется та же ячейка. 

                                                                         
                    

    Определение мутности сверхчистой воды

               
               

    Сверхчистая вода обладает некоторыми особыми свойствами, которые можно использовать при определении мутности. Для того, чтобы добиться получения качественных образцов, при подготовке и в работе, необходимо строго следовать приведенной методике. Свойства сверхчистой вода приводятся ниже:

                       
                   
    1. Значение мутности обычно от 0,010 до 0,030 NTU при измерении на правильно откалиброванном лабораторном турбидиметре с низким значением постороннего света.
    2.                          
    3. Показания мутности стабильны, колебания не более 0,001 NTU. Если показания плывут более, чем на 0,003 NTU, причина в наличии частиц или пузырьков; постепенно пузырьки будут уходить из образца и показания стабилизируются.
    4.                          
    5. Показания прибора будут стабильны при изменении температуры образца.
    6.                          
    7. Образец может быть окрашен, но будет прозрачным. Частицы не должны быть видны невооруженным взглядом.
    8.                                                        

    Из-за высокой чистоты образцы крайне агрессивны. Со временем в них будет растворяться газ, и мутность будет возрастать. Хотя обычно, на это требуется более 24 часов. Итак, при определении мутности необходимо всегда использовать свежие образцы.

             
                    

    Определение больших значений мутности

               
               

    Определение сверх высокой мутности – это обычно такое измерение, при котором невозможно определить концентрацию частиц нефелометрическим способом. В приборах с длиной пути света в образце 1 дюйм сигнал нефелометрического датчика начинает уменьшаться при достижении мутности порядка 2000 NTU. Начиная такого уровня, увеличение мутности будет приводить к уменьшению сигнала нефелометрического детектора.                     

    Но для определения мутности в таких образцах существуют другие способы: по проходящему свету, по прямому рассеянию и по обратному рассеянию. Количество проходящего света и рассеянного вперед обратно пропорциональны возрастанию мутности и дают хорошие результаты до значений порядка 4000 NTU. При значениях мутности более 4000 NTU (с использованием стандартной 1 дюймовой ячейки) сигнал от проходящего или от рассеянного вперед света настолько мал, что сравним с уровнем шума, т.е. шум прибора становится основным источником помех. С другой стороны сигнал датчика обратного рассеяния возрастает пропорционально возрастанию мутности. Показано, что детектирование обратного рассеяния эффективно для определения мутности в диапазоне от 1000 до 1000 NTU (и выше). Ниже 1000 NTU сигнал датчика обратного рассеяния очень мал и теряется в шуме прибора. С помощью комбинации детекторов можно определять мутность от минимальных до сверхвысоких значений.                    

    Определение сверхвысокой мутности широко применяется, например, для контроля содержания жира в молоке, содержания таких компонентов, как диоксид титана в красках, шлама в горных породах, воды в обратном иле очистных сооружений.                    

    При определении сверхвысокой мутности измерительная ячейка сильно влияет на точность. Ячейка не является идеально круглой, а толщина стенки непостоянна. Эти два фактора оказывают значительное влияние на определение мутности и особенно на определение по обратному рассеянию. Чтобы уменьшить влияние ячейки, необходимо выполнять несколько измерений при различной ориентации ячейки. Рекомендуются положения 0, 90, 180 и 270 градусов относительно метки. Измерения необходимо выполнять, используя одинаковую методику подготовки пробы. Измерения следует проводить через одинаковые интервалы времени после перемешивания пробы, чтобы достичь максимальной воспроизводимости измерений. Полученные значения необходимо усреднять, и принимать за истинное значение усредненную величину.                     

    Определение сверхвысокой мутности обычно используется для контроля за управлением производственным процессом. Пользователь сперва должен установить взаимосвязь между мутностью и различными условиями протекания процесса. Для определения зависимости пробу разбавляют и определяют мутность при каждом разбавлении. Строят график зависимости мутности от разбавления. Наклон аппроксимирующей прямой показывает природу зависимости. Если наклон большой (больше 1), значит соответствие хорошее и потенциальные помехи измерениям минимальны. Если наклон маленький (меньше 0,1), значит существуют помехи, влияющие на измерения. В этом случае образец следует разбавлять до тех пор, пока наклон не начнет возрастать. Если же наклон близок к нулю или отрицательный, значит мутность слишком велика, либо помехи слишком сильны. Образец опять же следует разбавить.                     

    При определении сверхвысокой мутности цвет может быть основной помехой. Возможное решение в случает цветовых помех – это значительно разбавить пробу. Альтернативный способ состоит в том, чтобы выявить спектр поглощения образцов и проводить определение мутности на тех длинах волн, которые образец не поглощает. Использование длины волны 800..860 нм эффективно, потому что большинство окрашенных соединений, встречающихся в природе, незначительно поглощают свет с такой длиной волны.                    

    Возможность производить определение мутности в диапазоне сверхвысоких значений дает простую физическую характеристику для большого количества образцов и процессов. В целом, каждый процесс уникален, и требуются некоторые усилия, для того чтобы точно характеризовать образец и его свойства посредством турбидиметрических (нефелометрических) измерений.

             
                    

    Мутность и содержание взвешенных веществ (твердых частиц)

               
               

    Традиционный анализ содержания взвешенных веществ обычно заканчивается гравиметрией, которая требует много времени и чувствительна к методике эксперимента. Обычно, для завершения анализа требуется от двух до четырех часов. Таким образом, даже если проблема и найдена, время для ее решения зачастую уже упущено. Это приводит к дорогостоящему простою и ремонту. При этом мутность можно использовать как замену продолжительным гравиметрическим анализам. Необходимо установить взаимосвязь между мутностью и общим количеством твердых частиц (содержанием взвешенных веществ) в пробе. Если зависимость существует, то турбидиметр (мутномер) можно использовать для контроля за содержанием взвешенных веществ и получать быстрый результат. Использование турбидиметра позволяет сократить время ожидания результата с часов до секунд. Для определения зависимости мутности от общего содержания твердых частиц разработана соответствующая процедура. При определении данной зависимости делаются некоторые предположения.                     

                   
    • Образец не содержит плавучих частиц.
    •                          
    • Образец должен быть текучим настолько, что при перемешивании станет однородным и может быть аккуратно разбавлен.
    •                          
    • Образец содержит твердые частицы такие же, как в образцах, работа с которыми планируется.
    •                          
    • Состав образца должен быть хорошо известен.
    •                          
    • Процедура определения зависимости должна быть как можно короче.
    •                          
    • Образец необходимо тщательно перемешивать при любом разбавлении или измерении.
    •                          
    • Методика подготовки пробы и выполнения измерений должна быть одинакова при изучении зависимости и при изучении образцов во время контроля технологического процесса.
    •                          
    • Температура образца должна совпадать с температурой интересующего процесса. В дальнейшем температуры всех образцов должны быть одинаковы, как при определении мутности, так и пир фильтровании образцов для гравиметрического анализа.
    •            
                                             

    Процедура определения зависиli              /tdмости разделена на четыре стадии. Ниже приведено краткое описание каждой из них.                     

    1. Разбавление образца                    

    Для того, чтобы покрыть весь возможный диапазон содержания твердых частиц, необходимо несколько ступеней разбавления образца. Для разбавления образцов необходимо использовать воду с «нулевой мутностью». Неводные растворители должны быть бесцветными, без частиц, растворитель должен соответствовать химическим и физическим свойствам образцов.                    

    2. Определение общего содержания твердых частиц в образце при каждом разбавлении.                     

    Содержание твердых частиц при каждом разбавлении определяют гравиметрическим способом. Необходимо позаботиться о соблюдении методики на протяжении всего ряда измерений.                     

     3.Определение мутности при каждом разбавлении                     

    Определяют мутность каждого образца. Необходимо придерживаться одинаковой методики для определений мутности всех образцов. Например, каждый образец переворачивать одинаковое количество раз, выдерживать интервал между смешиванием и снятием показаний и т.д.                     

     4.Определение зависимости между мутностью и результатами гравиметрического анализа                    

    Строят график зависимости между общим содержанием твердых частиц и мутностью. Для нахождения корреляции пользуются методом наименьших квадратов (МНК). МНК – это статистический метод для определения зависимостей. Коэффициент корреляции 0,9 или более свидетельствует о применимости найденной зависимости между мутностью и общим содержанием твердых частиц. Построив график, можно определить чувствительность найденной корреляции. Чем круче наклон, тем выше чувствительность турбидиметрии и тем лучше зависимость будет описывать реальный образец. Копию описанной процедуры (Method 8366) можно получить в компании Hach. 

                                 
                    

    Передовые методики определения мутности: приборы Ratio

               
                    

    Мутномеры HACH

               
               

    Эта часть посвящена конструкции и характеристикам относительно нового семейства турбидиметров (мутномеров) Hach, разработанных в соответствии с последними критериями Управления по охране окружающей среды USEPA – 2100N, 2100AN, 2100AN IS, 2100N IS и 2100P. В них применена методика, основанная на соотношениях сигналов (ratio), все они разработаны для анализа воды и промышленного применения.                     

    Чем так важна методика, примененная в турбидиметрах Ratio? Из-за окраски проб применение нефелометрического определения мутности было сильно ограниченно, особенно в промышленных процессах при производстве напитков, пищевых продуктов, клеточных культур и диспергированного в воде масла. Обыкновенные турбидиметры не могли отличить влияние окраски от влияния мутности. В ответ на изменение потребностей предприятий водного хозяйства и потребности в применении турбидиметров для работы с окрашенными жидкостями в компании Hach разработан ряд турбидиметров, работающих по методике, основанной на соотношении сигналов. Этих приборах не только не чувствительны к влиянию окраски образца, но и обладают преимуществом в скорости, точности и надежности показаний по сравнению с предшественниками.

             
                    

    Задачи, стоявшие при проектировании мутномеров HACH

               
               

    Для того, чтобы добиться высочайших характеристик и иметь широкий спектр применений разрабатываемый прибор должен был отвечать пяти требованиям.                     

    1. Прибор должен соответствовать требованиям USEPA или ISO к приборам, предназначенным для анализа воды.                     

    Во-первых, турбидиметр должен соответствовать государственным требованиям. Хотя уникальные свойства прибора и позволяют использовать его во многих областях промышленности, ожидается, что анализ воды останется основным направлением, где используется нефелометрия. Исходя из данной задачи, прибор должен обладать следующими характеристиками:                     

                   
    • В качестве источника света применяется лампа накаливания, работающая при цветовой температуре между 2200 К и 3000 К для EPA, или светодиод 860 нм с шириной линии менее 60 нм для ISO 7027.
    •                          
    • Длина оптического пути должна не должна составлять более 10 см
    •                          
    • Рассеиваемый свет определяется детектором, расположенным под углом 90° ± 2,5° к направлению падающего луча. Данный детектор будет основным.
    •                          
    • Для соответствия требованиям EPA система фильтров и детекторов должна иметь максимум в области 400 – 600 нм.
    •                                                           

    2. Работа прибора должна быть стабильной в течение продолжительного времени, чтобы не требовалось регулярно использовать стандарты.                    

    Условие длительной стабильности приводит к большему удобству и точности. Ранние модели нефелометров имели на передней панели присутствовали средства для подстройки и требовали использования стандартов перед каждым сеансом работы. В турбидиметрах, ratio достигнута стабильность работы, требующая калибровки раз в месяц и даже раз в квартал. Калибровка основана на специальном алгоритме и проще, чем в предыдущих моделях. Меньшее количество калибровок означает большее доверие к стандартам на основе формазина, нежели к использованию вторичных стандартов.                     

    3. Точность прибора должна достигать 0,01 NTU, величина постороннего света должна быть не более, чем 0,010 NTU.                     

    Поскольку турбидиметры начали применять для определения мутности на нижнем пределе их чувствительности, появилась необходимость в точности при определении малых значений мутности. Наибольший источник ошибок в этих случаях – посторонний свет, то есть свет, который попадает на детектор от посторонних источников, а не рассеиваемый веществом в ячейке. Посторонний свет вносит положительную погрешность, которая заставляет прибор показывать большее значение, чем есть на самом деле. Если бы количество постороннего света в приборе поддавалось измерению, электроника могла бы компенсировать его действие. Но, поскольку экспериментальное определение постороннего затруднительно, предпочтительным решением оказалось разработать оптическую систему таким образом, чтобы влияние постороннего света было пренебрежимо мало. (см. часть III).                    

    На решение данной задачи ориентировались при конструировании мутномеров 2100N, 210AN, 2100 AN IS, 210N IS и 2100P.

                       

    4. Прибор выдавать результат непосредственно в NTU.                    

    Преимущества цифровых дисплеев в том, что они просты в использовании, с ними исключена ошибка при снятии показаний, они позволяют увеличить разрешение и точность. Цифровой дисплей также дает пользователю информацию об уровне шума и качестве полученного значения при определении низкой мутности. Для калибровки аналоговых приборов использовалась нелинейная шкала, в то время как цифровой сигнал можно обработать таким, образом, чтобы представить показания непосредственно в единицах мутности. Это требования оказало значительное влияние на конструкцию турбидиметров ratio.                     

    5. Прибор должен иметь возможность точно определять мутность даже в сильно окрашенных образцах.                     

    Ряд проблем при измерении мутности окрашенных образцов не позволял использовать для этой цели обычные нефелометры. Цвет уменьшал интенсивность падающего и рассеянного света, в результате чего результаты оказывались заниженными, пользуясь обычным нефелометром, было невозможно. Разработка турбидиметров, работающих на соотношении сигналов, и устойчивых к окраске, открывает множество новых применений нефелометрии.

             
             
               
             Рис. 11. Оптическая схема турбидиметров Hach, работающих на соотношении сигналов.
           
                    

    Оптическая схема мутномеров HACH

               
               

    Оптическая схема турбидиметров, работающих на соотношении сигналов, является ключевым элементов к нескольким техническим характеристикам. Среди них хорошая стабильность, линейность показаний, чувствительность, низкое значение постороннего света и нечувствительность к окраске. На рисунке 11 представлена оптическая схема, примененная в лабораторных турбидиметрах 2100N, 2100AN, 2100AN IS, и 2100N IS2100N отсутствует детектор обратного рассеяния). Прибор 2100P имеет только детектор 90° и детектор света. 2100N IS имеет только детектор 90°.                     

    В основе принципа работы турбидиметров 2100N и 2100AN лежит принцип пропорциональной зависимости между количеством рассеянного света и количеством взвешенных частиц в веществе. Свет от галогеновой лампы, работающей при температуре 2700 К, собирается тремя поликарбонатными линзами. Поликарбонат устойчив к температурному воздействию, создаваемому этой лампой. Линзы разработаны таким образом. Чтобы собрать как можно больше света и спроецировать изображение нити на измерительную ячейку. Синий инфракрасный фильтр сдвигает пик чувствительности детектора в область 400 - 600 нм в соответствии с требованиями EPA. В 2100AN вместо синего ИК фильтра можно использовать интерференционную решетку, чтобы проводить определение мутности в квазимонохроматическом свете. Ряд перегородок между линзами и ячейкой задерживает свет, рассеянных на поверхности линз, и препятствует попаданию постороннего света на детектор. Каждая следующая перегородка (кроме последней) имеет щель меньше, чем у предыдущей. Последняя перегородка имеет большое отверстие, чтобы луч не мог высветить край отверстия и не появлялось постороннего света.

             
             
               
             Рис. 12. Зависимость между рассеянием света и мутностью
           
               

    Кремниевые фотодиоды детектируют изменение количества света, проходящего через образец и рассеянного образцом. Большой детектор проходящего света определяет количество света, проходящее сквозь образец. Фильтр с оптически нейтральной плотностью ослабляет свет, падающий на детектор. Фильтр и детектор повернуты на угол 45°к падающему свету, чтобы отражения от поверхности фильтра и детектора не попадали в ячейку. Детектор прямого рассеяния определяет интенсивность рассеянного света, выходящего под углом 30° от направления падающего луча. Детектор, расположенный под углом 90° к направлению прохождения луча, определяет рассеяние света по нормали к падающему. Данный детектор установлен вне плоскости, которую образуют падающий луч и детекторы. Установка под углом и дополнительный экран задерживают свет, рассеиваемый на стенках ячейки, но позволяют проходить свету, рассеянного образцом. Сигналы детекторов математически обрабатываются и из соотношения выводится величина мутности. В 2100AN установлен четвертый детектор обратного рассеяния, который определяет интенсивность света, рассеянного под углом 138° к номинальному направлению. Этот детектор чувствует свет, рассеиваемый очень мутными образцами, когда прочие детекторы уже не дают линейного сигнала. Применение данного детектора расширяет диапазон измерений до 10 000 NTU. На рис. 12 показано соотношение между рассеянием света и мутностью, определяемое различными детекторами в турбидиметрах Hach.                     

    В традиционных нефелометрах и других оптических приборах лампы и детекторы зачастую являются основным источником шума и дрейфа. Применение детекторов улучшенной конструкции устраняет часть проблем, а использование соотношения сигналов компенсирует влияние лампы. Значение мутности выводится из соотношения значения сигнала нефелометрического детектора к взвешенной сумме сигналов детекторов проходящего света и прямого рассеяния. (При низких и средних уровнях мутности сигнал детектора прямого рассеяния пренебрежимо мал и результат вычисляется как отношение сигнала нефелометрического детектора к сигналу детектора проходящего света.) Соотношение сигналов (от которого происходит название серии - ratio)является ключевым элементом, придающим приборам превосходную стабильность на протяжении длительного времени. Кроме колебаний яркости лампы принцип соотношений компенсирует загрязнение и помутнение оптики, а также температурные коэффициенты детекторов и усилителей. Прибор, работающий на соотношении сигналов настолько стабилен, что постоянная стандартизация прибора не требуется.

             
             
               
             Рис. 13. Зависимость сигнала прибора от концентрации частиц при различной оптической геометрии
           
               

    При высоких уровнях мутности общая характеристика однолучевых нефелометров становится нелинейной, и прибор "слепнет", поскольку затухание света преобладает над рассеянием. Такой ситуации соответствует кривая C на рис. 13. Можно предположить, что использование простого соотношения рассеянного и проходящего света расширит область линейной зависимости, поскольку свет проходит более менее одинаковое расстояние внутри образца и должен затухать одинаково, к в случае с окрашенным образцом. Однако, при высоком значении мутности, свет претерпевает множественное рассеяние. Множественное рассеяние сокращает расстояние, проходимое светом, который улавливает нефелометрический датчик, и увеличивает расстояние дистанцию внутри образца для проходящего насквозь света. В результате свет, проходящий насквозь, оказывается более ослаблен, чем рассеянный в стороны. В результате, прибор завышает показания (линия A на рис. 13).

                       

                       

             
             
               
             Рис. 14. источники постороннего света в турбидиметре
           
               

    В турбидиметрах 2100N, 2100AN и 2100AN IS для линеаризации показаний при высокой мутности применен детектор прямого рассеяния. Значение сигнала этого детектора стоит в знаменателе отношения. При малых значениях мутности его сигнал мал и не влияет на результат. При высоких значениях мутности сигнал детектора прямого рассеяния возрастает и компенсирует затухание проходящего света, в результате показания прибора соответствуют прямой линии B на рис. 13. При верном выборе угла установки детектора прямого рассеяния и величины поправки показания прибора будут линейны в широком диапазоне, что и требуется для вывода показаний сразу в единицах NTU.

             
             
               
             Рисунок 15. Расположение детектора вне плоскости в турбидиметрах ratioуменьшает воздействие постороннего света.
           
               

    Для работы с образцами с малыми значениями мутности прибор должен иметь хорошие характеристики по постороннему свету. Уровень постороннего света (светорассеяния) в турбидиметрах 2100N, 2100AN, 2100AN IS, 2100N IS составляет менее 0,01 NTU, а у модели 2100P менее 0,02 NTU, что значительно лучше, чем у модели 2100A (0,04 NTU).

             
             
               
             Рис. 16. Сравнение показаний мутности вина и пива для классических турбидиметров и турбидиметров Ratio
           
               

    Низкий уровень постороннего света достигнут благодаря тому, что нефелометрический детектор и соответствующие перегородками установлены под углом 15° над плоскостью установки других детекторов (рис. 15). На рисунке 15 представлено поперечное сечение, проходящее через центр измерительной ячейке, перпендикулярно направлению падающего луча. Важно отметить, что детектор по-прежнему улавливает свет, рассеиваемый под углом 90° к падающему свету. Перегородки установлены таким образом, чтобы детектор видел весь объем, пересекаемый падающим лучом, но не видел заднюю стенку ячейки выше оптической оси. Причина этому проиллюстрирована на рис. 14. Посторонний свет обычно вызван рассеянием и отражениями от стенок измерительной ячейки. Отражения сами по себе или рассеяние на поверхности не дают ощутимого количества постороннего света, попадающего на детектор на рис. 14, но указаны оба механизма образования постороннего света. Первый механизм - это рассеяние света на входе в ячейку, луч отклоняется по линии 1 в сторону нефелометрического детектора, где, покидая ячейку, рассеивается снова и свет попадает на детектор. Отклоняясь по линии 2, свет достигает противоположной стенки измерительной ячейки, отражается от нее и попадает на детектор. Второй механизм является основным источником постороннего света, поскольку отражения (4%) намного более интенсивны, чем рассеяние (0,1%) на стенках ячейки. Расположенный вне плоскости детектор не фиксирует посторонние отражения и количество постороннего света значительно уменьшено.

             
             
               
             Рис. 17 Сравнение показаний мутности, создаваемой коллоидными частицами углерода в винах и пиве между классическими турбидиметрами и турбидиметрами Ratio
           
                    

    Алгоритмы работы мутномеров HACH

                 
                

    В мутномерах HACH заложены различные алгоритмы вычисления результата: с использованием соотношения сигналов и без использования соотношения (приведены алгоритмы последних моделей). Алгоритмы описаны в следующих разделах.                    

    Алгоритм, использующий соотношение сигналов - RatioTurbidity (Four Point RatioTurbidity*)                     

    Величина мутности вычисляется по формуле:                    

    T=I90 / (d0* It+ d1* Ifs+ d2* Ibs+ d3* I90)                    

    Где             
               T - мутность в единицах NT             
               d1,d2,d3,d4 - калибровочные коэффициенты             
               I90 - ток нефелометрического детектора             
               It - ток детектора проходящего света             
               Ifs - ток детектора переднего рассеяния             
               Ibs - ток детектора заднего рассеяния

                       

    * U.S. Patent 5,506,679

             
               

    Алгоритм, не использующий соотношение сигналов (non-ratio algoritm)                     

    Величина мутности вычисляется по формуле:                    

    T=a * I90  ,                    

    Где             
               T - мутность в единицах NTU (0 - 40 NTU)             
               a - калибровочная константа             
               I90 - ток нефелометрического детектора

             
                    

    Практическое применение мутномеров HACH

               
               

    Работа с использованием соотношения сигналов помимо высокой стабильности прибора обеспечивает еще и отсутствие чувствительности к окраске. Поскольку и проходящий, и рассеянный на 90° свет проходят почти одинаковое расстояние через пробу, затухание, вызванное окраской для них одинаково. Следовательно, при взятии соотношения, воздействие окраски сильно уменьшается. Это преимущество открывает новые области для применения турбидиметрии, главным образом в пищевой промышленности и в производстве напитков, где проба часто окрашена, и где предъявляются требования к внешнему виду продукта.                     

    Рисунок 16 позволяет сравненить влияния цвета на показания обыкновенных турбидиметров и турбидиметров ratio. В обоих случаях приборы были откалиброваны с использованием суспензии формазина в деионизированной воде. Известное количество формазина добавлялось в пиво (желтое), розовое вино (бледно-розовое) и к бургундскому вину (темно-красное). В идеале результаты не должны отличаться от тех, которые получаются с водными пробами. Показания обычных нефелометров сильно занижены, как и следовало ожидать. Чем интенсивнее окраска - тем больше ошибка. При уровне мутности 100 NTU показания для пива, розового вина и бургундского составили 60, 8 и 4 NTU соответственно. Турбидиметры, работающие на соотношении сигналов дали заметно лучшие результаты - средняя ошибка составила 10%.                    

    Следует отметить, что компенсация цвета неидеальна даже в турбидиметрах, работающих на соотношении сигналов, в основном из-за различия спектров рассеянного и проходящего света.                    

    На рисунке 17 приведены показания приборов, в случае, когда проба представляла собой коллоид углерода в пиве, бургундском вине и деионизированной воде. В этом случае идеальная чувствительность не достигается, поскольку мутность создается не формазином.                    

    В этих рисунках имеется три вещи, представляющих интерес. Во-первых, турбидиметры, работающие на соотношении сигналов, гораздо более чувствительны к частицам углерода. Во-вторых, результаты измерений на турбидиметрах, работающих на соотношении сигналов, почти не зависят от окраски пробы, в то время, как у обычных нефелометров результаты сильно расходятся. В-третьих, турбидиметры, работающие на соотношении сигналов, линейные результаты при определении углерода.                     

    Показания обычных приборов линейны при малых концентрациях, но при повышении концентрации не увеличиваются и даже уменьшаются при высоком содержании углерода. Таким образом, рисунки 16 и 17 иллюстрируют заметное улучшение характеристик турбидиметров, работающих на соотношении сигналов, по сравнению с обычными приборами при измерении мутности окрашенных проб или содержащих частицы, поглощающие свет.

             
                    

    Выводы о преимуществах анализаторов мутности HACH

               
               

    Требуемые эксплуатационные характеристики достигнуты в турбидиметрах, работающих на соотношении сигналов, достигнуты. Оптическая схема и система соотношения сигналов обладают рядом преимуществ.                   

    1. В обычных нефелометрах, как и в прочих оптических приборах, лампы и детекторы являются основными источниками шума и дрейфа. Применение улучшенных кремниевых фотодетекторов исключает проблемы с детектором. Работа на соотношениях компенсирует такие эффекты, как помутнение стекла и запыленность оптики, температурную зависимость детекторов и усилителей. Благодаря тому, что прибор стабилен долгое время, регулярная калибровка прибора не требуется.                    

    2. Система экранов обеспечивает превосходную изоляцию нефелометрического детектора от постороннего света, что позволяет добиться большей точности при работе с пробами малой мутности.                    

    3. Детектор переднего рассеяния позволяет обеспечить линейность показаний в широком диапазоне без ущерба чувствительности прибора в области малых значений. Линейная характеристика позволяет представлять результаты в цифровом виде со всеми вытекающими преимуществами - легкостью работы, отсутствием ошибок при снятии показаний, боле высоким разрешением и возможностью оценки шумов.

                                 
             
               
             Рис. 18 Лабораторный турбидиметр 2100AN
           
             
               
             Рис. 19 Лабораторный турбидиметр 2100N
           
             
               
             Рис. 19 Портативный турбидиметр 2100P
             
                 

    4. Работа на соотношении сигналов обусловливает нечувствительность приборов к окраске. Поскольку проходящий свет и рассеянный проходят примерно одинаковое расстояние через пробу, то их ослабление вызванное окраской раствора или частиц, одинаково. При работе по соотношению сигналов воздействие окраски сильно уменьшается.                    

    5. Детектор обратного рассеяния имеет линейную характеристику при очень высоких уровнях мутности, что позволяет работать в диапазоне 4000 - 10000 NTU.                     

    Хотя мутномеры 2100N, 2100AN, 2100AN IS, 2100N IS и 2100 P разрабатывались с в первую очередь для нужд водного хозяйства, их характеристики позволяют использовать их в множестве новых областей промышленности. На рисунках 18, 19 и 20 представлены турбидиметры 2100AN, 2100N и 2100P.

                                 
                    

    Передовые методики анализа мутности. Использование светофильтров

               
               

    Существуют две различные методики определения мутности: американская, Standard Method 2130 и Европейская- ИСО 7027. Обе методики разработаны для работы с пробами воды с низкой мутностью и малым влиянием окраски. Однако, существует ряд примеров, когда, пользуясь данными методиками невозможно определить мутность образцов точно и с высокой чувствительностью. Как пtd colspan=/tdp align= - ток детектора заднего рассеяния равило, это вещества имеют либо сильно окрашенную матрицу, либо окрашенные частицы взвеси, либо то и другое. Кроме того, вещество может флуоресцировать, а частицы могут быть практически одинакового размера. Подобные свойства вносят большую ошибку в результат и заметно ухудшают характеристики приведенных методик. Подобными свойствами обладают, например, различные напитки, смолы, сточные воды деревообрабатывающих предприятий, осветленные масла, колонии бактерий в агарах и т.д. Это малая часть огромного перечня возможных применений.                    

    При определении мутности по Стандартному методу 2130 используется источник света с широким спектром - лампа накаливания. В турбидиметре 2100AN свет может проходить через интерференционный фильтр для получения света заданной длины волны. Использование фильтров позволяет полностью исключить влияние окраски и заметно улучшить чувствительность прибора.                     

    Для работы с какими образцами может потребоваться светофильтр? В первую очередь с такими, в которых интенсивная окраска подавляет чувствительность. Далее, образцы, обладающие флуоресценцией, которая может приводить к завышению показаний, требуют использования альтернативных источников света. И, наконец, определение мутности в средах, содержащих крайне окрашенные частицы, настолько мелкие, что турбидиметр к ним не чувствителен, также требует оптимизации с использованием альтернативным источником света.                    

    Для того, чтобы определить спектр окраски пробы и влияние окраски на характеристики прибора, требуется провести спектральное сканирование. По результатам сканирования возможно определить длины волн, на которых присутствуют помехи, и выбрать для определения мутности оптимальное значение длины волны. Если в пробе содержатся мелкие частицы, то следует выбрать в коротковолновой области линии, которые не взаимодействуют с матрицей. Если же наличие в пробе мелких частиц не предполагается, возможно использовать длинные волны. Выбирать следует, исходя из данных о поглощении света веществом проб.                     

    Выбирая соответствующий фильтр, следует помнить о спектральных характеристиках источника света и детекторов. Как правило, турбидиметры Hach укомплектованы лампой накаливания. Спектр лампы накаливания позволяет использовать широкополосные фильтры с длиной волны более 600 нм. Если установлен узковолновый фильтр или фильтр с длиной волны менее 600 нм, количество света от источника будет недостаточно для того, чтобы обеспечить точное определение мутности. Итак, широковолновый фильтр с пропусканием в области более 600 нм наилучшим образом подойдет для увеличения сигнала детекторов в данных инструментах                                                                                                                                                                                                     

    Длина волны Образец 1 Образец 2 Образец 3
    455 нм 37,3 31,4 147
    620 нм 0,76 1,13 1,6
    860 нм 0,114 0,168 0,627
                           
               Таблица 2. Влияние длины волны источника света на показания мутности турбидиметра 2100AN.                       

    Пример использования альтернативной системы фильтров для оптимизации определения мутности - изоляционные масла в силовых трансформаторах. Масла окрашены и содержат частицы субмикронных размеров. Чтобы повысить чувствительность приборов к мутности пробы требуется свет с минимальной длиной волны, на который не будет воздействовать окраска. Выбранный фильтр также должен пропускать достаточно света, чтобы турбидиметр функционировал корректно. Сканирование спектра показало, что при длине волны менее 580 нм окраска будет вносить помехи. Исходя из этого, был выбран фильтр 620 нм с шириной полосы пропускания 40 нм. Это позволило добиться наибольшей чувствительности прибора к мутности и в то же время устранить чувствительность к окраске. Далее, ширина полосы пропускания достаточно велика, чтобы прибор функционировал должным образом. Измеренная мутность образцов при различных длинах волн приведена в таблице 2.                     

    Если при определении мутности планируется использовать альтернативное значение длины волны, необходимо понимать, что пользовательские методики зависят от свойств пробы и технологии подготовки. Если требуется перенести пользовательскую методику на похожий процесс, необходимо предварительно уточнить, насколько она работоспособна и насколько она подходит к интересующим пробам.

             
                    

    Как правильно выполнять измерение мутности

               
               

    Чтобы уменьшить влияние переменных факторов, а также постороннего света и пузырьков, следует придерживаться надлежащих приемов работы. Независимо от того, какой прибор используется, измерения будут более верными, точными и воспроизводимыми, если внимание сконцентрировано на следующем.                    

    1. Содержите измерительные ячейки (кюветы) для анализа мутности в хорошем состоянии.                   

    Ячейки должны быть тщательно отмыты, а стенки не должны быть поцарапаны. Лучше всего мыть ячейки хозяйственным мылом изнутри и снаружи, немедленно ополоснуть дистиллированной или деионизированной водой и закрыть для того, чтобы предотвратить загрязнение частицами пыли (см. раздел Определение предельно низких значений). Снаружи ячейки следует обработать силиконовым маслом, чтобы заполнить мелкие неровности и царапины, которые могут быть источниками постороннего света. Силиконовое масло следует наносить, протирая поверхность кюветы мягкой, безворсовой тканью. Следует избегать избытка масла. Держать ячейку следует только за верхнюю часть, чтобы на пути света не попали отпечатки пальцев.                     

    2. Соблюдайте ориентацию ячеек при измерении мутности.                     

    Заполните отмытые ячейки водой с низким значением мутности. Дайте образцам постоять, чтобы пузырьки всплыли. Затем, отполируйте ячейки силиконовым маслом и определите мутность, по-разному ориентируя ячейку (не переворачивайте ее между измерениями). Найдите ориентацию, в которой показания прибора минимальны, и нанесите метку на ячейку. В дальнейшем устанавливайте ячейку в прибор, соблюдайте ориентацию ячейки. По возможности, используйте одну ячейку, устанавливая ее одинаково в одно и то же положение.                    

    3. Перед анализом на мутность дегазируйте пробу.

                       

    Перед выполнением измерений из пробы следует удалить воздух и другие газы. Дегазация рекомендуется, даже когда пузырьки заметны невооруженным глазом. Как правило, используются три метода дегазации: добавка поверхностноактивного вещества, применение вакуума или ультразвуковая ванна. ПАВ снижает поверхностное натяжение воды, высвобождая растворенный газ. Вакуум можно создать, используя обыкновенный шприц, либо вакуумный насос (вакуумный насос рекомендуется только при работе в области низких значений). Ультразвук эффективен, при работе с агрессивными пробами и для вязких образцов, но не рекомендуется при работе в области низких значений.

                       

    Прибегать к использованию вакуумного насоса или ультразвуковой ванны следует с осторожностью. В некоторых случаях эти методы могут сильно увеличить количество пузырьков, особенно, если в пробе содержатся летучие компоненты. Кроме того, ультразвук может загрязнить пробу и изменить распределение частиц по размерам.

                       

    Самая простая и дешевая альтернатива вакуумному насосу - это пластиковый шприц объемом 50 см3 c резиновой пробкой. Когда ячейка заполнена до требуемого уровня, в ячейку вставляют пробку (поршень задвинут). Если вытягивать поршень, то давление в ячейке упадет и пузырьки газа начнут всплывать. Все детали шприца должны быть чистыми и следует заботиться о том, чтобы не загрязнить пробу.

                       

    4. Определять мутность нужно сразу после отбора пробы, чтобы предотвратить влияние температуры и оседания частиц на значение мутности образцов.

                       

    По возможности следует избегать разбавлений, поскольку разбавление может изменить свойства взвешенных частиц. Причина мутности - частицы, взвешенные в исходном образце, при разбавлении могут раствориться. В результате мутность разбавленной пробы не будет характеризовать мутность исходной пробы. Изменение температуры может подобным образом влиять на растворимость компонентов пробы. Измерение мутности проб следует производить при той же температуре, при которой производился отбор. Если разбавление все же необходимо, следует использовать ультрафильтрованную воду с минимальной мутностью. Лучше всего подходит вода, очищенная обратным осмосом через мембрану 0,2 мкм или меньше.

             
                    

    Различия между приборами

               
               

    Возможно самое важное в определении мутности то, что на практике различные приборы, калиброванные по одному стандарту, покажут разные результаты. Ранее было показано, что основная причина различий в показаниях приборов - это использования разных комбинаций источник света-детектор. При малых уровнях мутности посторонний свет также оказывает сильное влияние. Характеристики постороннего света различных моделей турбидиметров Hach приведены в таблице 1. 

                       

    Серьезность данной проблемы недооценивают как пользователи, так и производители турбидиметров и нефелометров. Авторы 19 издания Стандартных методов попытались уменьшить различия, установив основные характеристики важнейших компонентов приборов:

                       
                   
    1. Источник света - лампа накаливания с цветовой температурой нити в переделах от 2 200 до 3 000 К.
    2.                          
    3. Расстояние, проходимое падающим и рассеянным светом внутри измерительной ячейки - не более 10 см.
    4.                          
    5. Расположение детектора - напротив центра ячейки, под углом 90° к направлению падающего света, в пределах ±30° Детектор и система фильтров (при использовании) должны иметь максимум чувствительности в области 400 - 600 нм.
    6.            
                         

                       

    Допуски, существующие в данных характеристиках, по-прежнему оставляют возможными достаточно много различий между приборами. Хорошей корреляции значений мутности, полученных в разных местах, можно добиться, только используя одинаковые приборы.

             
                    

    Новейшие подходы к определению мутности в промышленных процессах. Промышленные мутномеры.

               
               

    Компания Hach, пионер в области анализа мутности и взвешенных веществ, разрабатывает портативные, лабораторные и промышленные модели мутномеров с тем, чтобы уменьшить перечисленные выше практические проблемы и сделать турбидиметрические измерения настолько точными и надежными, насколько это возможно. Лабораторные приборы обсуждались ранее. Этот раздел посвящен промышленным мутномерам.

             
                    

    Промышленные турбидиметры

               
               

    В настоящее время в подходах к измерению мутности в условиях промышленного производства происходят значительные изменения. Процесс измерений мутности должен быть непрерывным. Результаты должны выдаваться немедленно, и на их основе должны вырабатываться управляющие сигналы, обеспечивающие обратную связь. Инженеры Hach подошли к проблеме с нескольких сторон. Один из главных - это отказ от измерительной ячейки и уменьшение или полное устранение контакта между пробой и оптическими компонентами мутномеров.

             
             
           Рис. 21. Схема промышленного турбидиметра 1720D
                    

    Приборы для работы в области малых значений мутности

               
               

    На рисунке 21 представлен турбидиметр 1720Е, сконструированный для работы в области малых значений. В данном приборе эффективно удаляются пузырьки и достигается высокая точность показаний. В турбидиметре 1720Е пузырьки удаляются до того, как попадут в рабочий объем. Перед тем, как попасть в основную полость, поток омывает ряд перегородок, которые направляют его в камеры, сообщающиеся а атмосферой. Чем длиннее дистанция между экранами и измерительной полостью - тем менее вероятно, что пузырек попадет в измерительную полость и вызовет отклонение показаний.

             
             
           Рис. 22 Схема промышленного турбидиметра Hach Surface Scatter®
               

    Турбидиметр 1720Е также оснащен "интеллектуальным сенсором". Микропроцессор, необходимая электроника и оптические компоненты заключены в одном корпусе. Прибор посылает данные другим устройствам в сети, с которыми он связан через универсальный контроллер серии sc посредством цифрового протокола. Связь между интеллектуальными сенсорами и модулем sc позволяет пользователю по своему усмотрению добавлять или удалять приборы (устройства) и создавать топологию сети, соответствующую нуждам пользователя. Интерфейс sc позволяет снимать использовать одновременно от 2 (для sc100) до практически неограниченного количества датчиков в системе sc1000. Такой подход - организация приборов в сеть - позволяет установить несколько модулей sc100 / sc100 для снятия показаний с датчиков расположенных в разных местах. Пользователь может разместить датчик на расстоянии до 10 метров от контроллера sc. Модули для подключения датчиков sc1000 могут объединяться в общую сеть на расстоянии до 1000м. Пользователь может получать данные и управлять сразу всеми приборами. Дружественный интерфейс меню открывает пользователю доступ к возможности калибровать мутномер, настроить аварийную сигнализацию, конфигурацию сети, функциям безопасности, настройкам дисплея и функциям диагностики.

                       

    При работе с дружественным пользователю меню контроллеров sc требуется минимальное количество нажатий кнопок, минимизирован ввод буквенноцифровой информации, по сравнению со старыми моделями турбидиметров. Модуль выполнен для установки как внутри, так и вне помещения (4X/IP66), клавиатура легко доступна.

                       

    По сравнению с прошлыми моделями, 1720E имеет на 30% большую скорость работы. При скорости потока 500 мл/мин среднее время получения результата составляет 3,5 минуты. Более быстрая работа является результатом уменьшения рабочего объема (около 0,9 л). Улучшенная конструкция прибора уменьшает количество постороннего света, обеспечивая большую точность (2% 0 - 40 NTU и 5% 40 - 100 NTU). Благодаря комбинации с пузырьковой ловушкой улучшенной конструкции, в пробу вносится значительно меньше воздуха, что приводит к уменьшению колебаний показаний прибора.

             
                    

    Приборы для работ в широком диапазоне значений мутности

               
               

    Рисунок 22 иллюстрирует еще один подход к промышленной турбидиметрии. Метод поверхностного рассеяния - Surface Scatter® - использован в приборах Surface Scatter® и Surface Scatter SE (для агрессивных сред), разработанных для работы в широком диапазоне. Патентованная конструкция полностью исключает контакт между пробой и оптическими узлами прибора.

                       

    Источник света и детектор смонтированы над корпусом турбидиметра и, таким образом, изолированы от пробы. При таком расположении оптических узлов им практически не требуется обслуживание. Проба попадает в центр корпуса, поднимается вверх и, переливаясь через стенки, уходит в сток. Скорость потока контролируется, и перетекающая жидкость образует оптически ровную поверхность.

                       

    Луч света падает на поверхность под острым углом. Попадая на частицы, свет частично рассеивается, преломляется и отражается. Не рассеявшийся свет преломляется и уходит вниз, где поглощается, или отражается от поверхности и поглощается стенками корпуса. Рассеянный свет регистрируется фотодетектором, а сигнал детектора поступает в управляющий модуль.

                       

    С ростом мутности уменьшается количество пробы, освещаемое падающим светом, что изменяет длину оптического пути, компенсируя высокую мутность и позволяя прибору работать в диапазоне в почти шесть порядков - от 0,01 до 9999 NTU.

                       

    В дополнение к преимуществам изолированной оптики, для того чтобы уменьшить потребность в обслуживании, применены трубки большого диаметра, чтобы предотвратить засорение при работе с мутными образцами. Наклоненный корпус турбидиметра служит ловушкой для оседающих частиц, которые могли бы вносить ошибку в измерения, а слив внизу позволяет периодически очищать прибор от скопившегося осадка. Если твердых частиц очень много, то слив можно оставить открытым, увеличив расход жидкости, чтобы постоянно вымывать осадок из прибора.

             
                    

    Турбидиметр для промывных вод

               
               

    Избыточная промывка фильтров приводит к огромным потерям воды. Специально для контроля воды, которой промываются фильтры, разработан Турбидиметр Back-Wash (рис. 23). Прибор может работать в широком диапазоне значений мутности.

             
             
           Рисунок. 23 Турбидиметр BackWash
               

    Специальный датчик погружается в емкость с водой, что обеспечивает быстрое получение данных о прозрачности промывной воды. Для измерений луч светодиода проходит через непрерывный поток жидкости, текущий через центр детектора. Проходящий свет попадает на регистрирующий фотоэлемент. Взвешенные частицы поглощают и рассеивают свет, уменьшая количество света, попадающего на детектор. В начале цикла количество проходящего света принимается за 100%, что соответствует чистой воде, используемой для промывки фильтров. Когда вода загрязняется смытыми с фильтра частицами, пропускание света резко падает. Когда осадок смыт с фильтр, вода становится чистой и пропускание света возрастает. Сравнивая количество проходящего света со значением, полученным для чистой воды, можно определить, когда фильтр промыт. Таким образом, можно значительно сократить время, затрачиваемое на промывку фильтра и снизить потребление воды до минимума, достигнув максимальной эффективности промывки фильтра.

                       
             В настоящее время мутномер BackWash снят с производства и заменен серией погружных датчиков Solitax.
     
                           

    Аварийные фонтаны на производстве

    С появлением промышленного производства стала появляться не только необходимая и полезная продукция, но еше и реальная угроза работникам. Именно поэтому производственной и промышленной безопасности сегодня уделяется колоссальное количество внимания.

    Предотвращение возникновения аварийных и внештатных ситуаций является важнейшей задачей инженера по охране труда. Однако не следует забывать и о необходимости наличия средств, которые позволяют уменьшить последствия такой ситуации в случае ее возникновения.

    Поэтому на каждом производстве рекомендуется устанавливать аварийные фонтаны. Обычно это устройство крепится на стену и отличается компактными размерами и небольшим весом. Такой фонтан для глаз способен спасти зрение человеку!

    По статистике глаза являются самым уязвимым органом человека на производстве. Поэтому, в случае возникновения неблагоприятной ситуации, например, когда брызги химического вещества попадают непосредственно в глаз, то всего лишь пара мгновений определяет, сохранится ли у сотрудника зрение и не станет ли он инвалидом.

    Дело в том, что многие в целях мнимой экономии средств предпочитают полагаться на случай, не устанавливая подобных систем аварийной промывки. Однако, даже при самом приближенном подсчете становится понятно, что гораздо выгоднее купить и установить такую систему, чем нести расходы по травматизму.

    Если Ваш сотрудник, благодаря такому оборудованию сможет даже не предотвратить, а только снизить степень полученной травмы, то, несомненно, оно того стоит. Подумайте заранее о безопасности Вашего производства и работающих на нем людей!

    Аварийный душ – производственная необходимость!

    Аварийный душ – производственная необходимость!

    На сегодняшний день оснащение производственного помещения аварийным душем является мерой необходимости. К сожалению, несчастные случаи на производстве – не редкость, поэтому задача инженера по охране труда заключается в предотвращении и снижении неблагоприятных последствий возникновения таких случаев.

    Аварийный душ рекомендуется устанавливать близко к рабочему месту, чтобы полив обеспечивался в течение первых 3-5 секунд после аварии. Свободный проход к душу является гарантией своевременного оказания помощи пострадавшему. Кроме того, если в производственном помещении работают несколько человек, то стоит оснастить аварийный душой световой ли звуковой сигнализацией, включающейся при работе устройства.

    Эксплуатация современного аварийного душа не вызывает никаких затруднений. Ведь при возникновении необходимости действовать нужно немедленно! Конструкция любой модели аварийного душа обеспечивает максимальный комфорт в использовании.

    При необходимости использования такого душа человеком, который лежит на полу, может быть использован вариант устройства со специальным удлиненным шлангом. Включившись, душ продолжает работать автоматически, чтобы руки человека были свободны.

    Есть специальные модели аварийных душей для промывки глаз. В таких устройствах отверстия душа защищаются резиновыми манжетами, чтобы предотвратить случайное повреждение глаз пострадавшего. Лейка такого душа тоже защищена от попадания грязи и пыли специальными защитными колпачками. При включении воды они удаляются автоматически.

    Анализ белка и азота с помощью отгонки паром

    Для ускорения процесса анализа, а также с целью повышения воспроизводимости получаемых результатов, можно использовать автоматические устройства для перегонки с паром, например, такие как UDK129 – паровой дистиллятор, который используется для определения аммиачного азота. Любая модель дистиллятора использует твердотельные парогенераторы, которые не потребуют от Вас обслуживания в процессе работы.

    Производительность такого дистиллятора может достигать 3 кг водяного пара за час, а отгонка образца происходит в считанные минуты.

    Эти анализаторы можно использовать не только для анализа белка по Кьельдалю. Они превосходно справляются с определением общего количества аммиака или нитратного азота в образце (первоначально образец восстанавливают при помощи сплава Деварда). Кроме того, такие приборы можно эффективно использовать для определения содержания серы, летучих кислот и фенолов.

    Метод применим практически в любой промышленной отрасли, поскольку в качестве анализируемых образцов можно использовать абсолютно любые пищевые продукты, воду, почву, химикаты и т.д.

    Неоспоримым преимуществом применения анализаторов белка и азота является возможность сохранение в памяти сразу нескольких пользовательских программ (до 10). Так определяется количество добавляемой щелочи и воды, а также время дистилляции, и удаление (или не удаление) остатка после дистилляции.

    Принципы и возможности георадарной съемки

    Технический анализ прохождения электромагнитных волн, излучаемых георадаром, сквозь земную толщу и всевозможные подземные коммуникации позволяет увидеть то, что скрывается под слоем горных пород. Глубина просмотра может достигать до 100 метров. Имея возможность изменять частоту излучаемой волны, георадар позволяет легко обнаруживать небольшие объекты на глубине до 10 метров. Более того, если речь идет о протяжённых подземных неоднородностях, то обнаружение осуществляется на гораздо больших глубинах.

    Преимущество георадарного обследования заключается в том, что этот метод не требует много свободного пространства. Он эффективен и особенно активно применятся в условиях городской застройки. Ведь именно в этой сфере теснота сочетается с невероятно интенсивным движением транспорта и прочими факторами, которые ограничивают свободное перемещение.

    Возможности этого метода действительно отличаются широтой. Современный георадар способен различать металлические и неметаллические объекты, а также неоднородности и пустоты, размеры которых могут составлять от 10 см до нескольких метров.

    Георадарная съемка без труда позволяет обнаруживать водопроводы, продуктопроводы, газопроводы, позволяет определить источник увлажнения грунтов, найти протечки водопроводных магистралей и скрытых мест водосбросов.

    Кроме того, георадары позволяют выявить скрытые дефекты бетонных конструкций, находя трещины и пустоты в толще бетонного массива, а также определять расположение арматуры. Это далеко не все возможности метода георадарной съемки, которая, несомненно, является неотъемлемой частью инженерных изысканий.

    Колориметрический метод

    Колориметрический метод является одним из возможных способов для количественного определения присутствия различных веществ в растворах. Речь идет о тех веществах, которые способны давать окрашенные растворы или в результате той или иной реакции превращаться в окрашенные соединения непосредственно в растворе.

    Основой колориметрического метода определения служит фотометрическое сравнение густоты окраски изучаемого раствора, который исследуется в пропущенном свете, с окраской нормального раствора, где красящее вещество присутствует в заранее известных количествах.

    Этот принцип заложен в работе колориметра – специального аппарата, предназначенного для измерения цвета, оптической плотности, а также светопропускания растворов. Кроме того, такой прибор способен проводить сравнения интенсивности окраски того или иного раствора с необходимым стандартом.

    Два слоя раствора должны быть доведены до равенства светопоглощения. Например, при постоянной толщине слоя можно добавлять в один из них бесцветный растворитель, пока окраска и сила пропущенного света не совпадут. В этом случае расчет соотношения концентрации нормального и изучаемого растворов нужно производить по прибавленному растворителю. Можно также удлинять какой-либо слой жидкости до полного уравнивания показателя поглощения света. Тогда соотношение концентраций должно рассчитываться по обратному соотношению высот слоев.

    Метод колориметрии, как и сам колориметр, нашли широкое применение в химической и медицинской промышленности, а полученные данные измерений легко загружаются на компьютер.

    Анализ белка по Кьельдалю сжиганием образцов

    Анализ белка с помощью метода Кьельдаля на сегодняшний день является самым распространенным. Однако, к сожалению, он имеет несколько существенных недостатков. К ним относятся, например, низкая скорость анализа, достаточное количество возможных потерь в процессе анализа, необходимость использовать агрессивные реагенты (раствор щелочи и концентрированная серная кислота), а также громоздкое оборудование.

    Для того чтобы уменьшить или исключить приведенные недостатки метода применяют специальное автоматизированное оборудование, которое принято называть анализаторами белка по Кьельдалю.

    В первую очередь происходит сжигание образцов. Для их подготовки могут быть использованы нагревательные дигесторы DK6 или DK20. При этом временной интервал и температурный режим работы прибора устанавливаются пользователем, сохраняясь в памяти прибора. Благодаря максимальной рабочей температуре в 450°С время, требующееся для подготовки образца, значительно сокращается.

    При использовании стандартных условий подготовки образцов в значительной степени повышается воспроизводимость анализа. Кроме того, дополнительно может быть установлена специальная система для удаления и нейтрализации паров, которая называется скруббер. Она отличается невероятной эффективностью, позволяя эксплуатировать прибор даже без вытяжного шкафа.

    Преимущества портативного турбидиметра

    Современный портативный турбидиметр представляет собой прибор, который характеризуется достаточно широким диапазоном производимых измерений. Например, новый прибор фирмы HANNA, модель HI98703, безошибочно измеряет мутность в диапазоне от 0 до 1000 NTU.

    Современные оптические системы и вольфрамовые источники света гарантируют лабораторную точность измерений даже в полевых условиях. Такие турбидиметры адекватно и надежно работают даже при высоких температурах, не вступая в прямой контакт с измеряемой жидкостью. Это факт является неоспоримым преимуществом!

    Приборы обладают прочной конструкцией, что позволяет их совершенно безопасно эксплуатировать в любых условиях. Управление современным турбидиметром не вызывает никаких трудностей. Как правило, портативные модели оснащены дисплеем, на котором отображаются все выполненные измерения, ошибки. Кроме того, подсветка такого дисплея позволяет производить замеры в любое время суток.

    Портативные турбидиметры отличаются долговечностью и эффективностью работы, не требуя при этом какого-либо специфического обслуживания. Эти приборы обладают встроенной памятью, позволяющей хранить даже несколько сотен показаний. Связь с компьютером происходит с помощью USB-порта, что значительно упрощает эксплуатацию этого устройства.

    Современные турбидиметры являются, пожалуй, одним из лучших инженерных решений для полноценного контроля технологических процессов не только в лабораторных или производственных, но еще и в полевых условиях.

    Приборы для спектрофотометрии

    Спектрофотометрией называется специальный метод исследования и анализа веществ, который основан на измерении спектров поглощения в оптической области электромагнитного излучения. Также под спектрофотометрией можно понимать раздел физики, объединивший в себе спектроскопию, фотометрию и спектрометрию.

    На практике обычно различают спектрофотометрию в ИК, УФ и видимой областя спектра. Для измерения спектров используются специальные приборы-спектрофотометры. Такой прибор состоит из источника излучения, диспергирующего элемента, кюветы, где содержится исследуемое вещество, а также регистрирующее устройство.

    В УФ области источником излучения является дейтериевая или водородная лампа, а в ближней ИК и видимой областях - вольфрамовая лампа накаливания или галогенная лампа. Фотоэлектронные умножители и фотоэлементы, то есть фоторезисторы на основе PbS, служат приемниками излучения. В качестве диспергирующего элемента прибора используется призменный монохроматор или монохроматор с дифракционными решетками.

    Обычно спектр получается в графической форме, однако в современных спектрофотометрах есть встроенная мини-ЭВМ, позволяющая получить результат в графической и цифровой форме. Микропроцессоры (или мини-ЭВМ) осуществляют автоматизированное управление прибором и различную математическую обработку получаемых экспериментальных данных.

    Как правило, спектрофотометры снабжены специальным набором приставок для получения спектров отражения, комфортной работы с образцами при высоких и низких температурах, для измерения различных характеристик приемников излучения и его источников.

    Уровень PH и его измерение

    Каждый день мы с Вами пользуемся водой, однако вряд ли задумываемся о полезных или вредных свойствах этой воды. Тем не менее, эта жидкость имеет колоссальное количество признаков и свойств, которые оказывают определяющее влияние на ее пригодность к использованию для тех или иных целей. Одним из важнейших показателей оценки воды, как для бытовых, так и для промышленных нужд, является уровень ph.

    Значение уровня ph определяет степень кислотности воды. Уровень равный 7 принято считать нейтральным. Если ph ниже 7, то исследуемый раствор является кислым, а при значении ph больше 7 – щелочным.

    Влияние уровня ph воды хорошо ощущается в бытовых условиях. Это и накипь в чайниках, ржавчина в водопроводных трубах, а также всевозможные неблагоприятные воздействия воды на кожу человека говорят о повышенной кислотности или о повышенной щелочности воды. Более того, вода применяется для тех или иных целей во всех видах производства. Именно поэтому для нормальной работы оборудования требуется контроль уровня ph, а также предварительная химическая подготовка воды.

    Для таких целей используются специальные приборы – ph-метры. Их работа основана на потенциометрическом принципе измерения реакции среды. Это означает, что измеряется электродвижущая сила, которая создается электрохимической частью ph метра. Главным параметром ph-метров считается точность определения значения уровня ph. Оптимальной точностью такого прибора является 0,01.

    Кроме того, некоторые современные ph метры в комплекте со специальными электродами способны измерять даже окислительно-восстановительный потенциал. Микропроцессорные системы позволяют проводить высококачественный и оперативный анализ, хранить параметры буферных растворов, а также сохранять результаты измерений и наблюдений.

    Влагомеры: сфера применения

    В современном мире измерение влажности является задачей промышленного производства. В бытовых условиях определение этого показателя не менее важно. Сегодня основным устройством для определения влажности является влагомер, который позволяет замерить и установить точное значение влажности каком-либо помещении.

    Кроме того, с развитием новых технологий значительно выросла потребность в этом измерительном приборе. Именно благодаря влагомеру в специальных производственных цехах, а также в прочих промышленных рабочих зонах, где существуют определенные требования к влажности, можно точно и быстро определить этот показатель.

    Следует отметить, что влагомеры нашли свое место и в жилых домах, где их используют для определения влажности в квартирах. Этот измерительный прибор постоянно используется различными службами по охране труда контролю качества. Современные влагомеры широко используются в государственных учреждениях, различных музеях, библиотеках, больницах и школах.

    Такой контроль необходим для оптимальной и точной поддержки микроклимата в том или ином помещении. Следует отметить, что особенно широко влагомеры используются на деревообрабатывающих фабриках и заводах. Однако там приборы других модификаций, нежели в бытовых условиях. Контроль содержания влаги в продукции применим также и в зерновой промышленности, что является необходимым показателем качества зерна. Еще одной функцией влагомеров служит измерение влажности почвы, что применимо во многих отраслях хозяйства и промышленности.

    Таким образом, в настоящее время современный влагомер является незаменимым прибором. Ведь, независимо от степени технологического развития, контроль влажности будет осуществляться всегда!

    Автоматические пробоотборники в нефтяной промышленности

    На современном промышленном предприятии под автоматическим пробоотборником понимается прибор, который предназначен для отбора проб товарной нефти, транспортируемой по трубопроводам, в строгом соответствии с заданной программой. Рабочее давление при этом может составлять от 0,2 до 6,2 МПа.

    Этот прибор необходим для оперативного контроля качества перекачиваемого продукта, который осуществляется в узлах учета товарной нефти. Автоматические пробоотборники отбирают пробы из продуктопроводов для определения качества аналитическим путем в лабораторных условиях.

    Из чего же состоит такое устройство? В комплект автоматического пробоотборника входят: прибор, баллон, пробоотборный зонд, а также специальный блок программного управления. В строгом соответствии с ГОСТ 15150-69, любая модель этого прибора должна обеспечивать эффективную работу при температурах от +5 до +50°С. Современные автоматические пробоотборники могут использоваться также для производства работ во взрывоопасных зонах. Специально для этого применяется взрывозащита, которая чаще всего определяется как взрывонепроницаемая оболочка, имеющая соответствующую маркировку по взрывозащите.

    Современные автоматические пробоотборники легко адаптируются под решение практически любых задач, которые связаны с отбором проб.

    Измерение электропроводности воды

    Электропроводностью воды называется её способность пропускать электрический ток, которая выражена в числовой форме. В таком случае вода является раствором электролитов, а значит, обладает характерным сопротивлением, значение которого прямо пропорционально расстоянию между электродами и обратно пропорционально площади этих электродов S, которые опущены в раствор. То есть:

    R = ρ (L / S).

    Основной единицей измерения сопротивления является Ом, а электропроводность – есть величина обратная сопротивлению. Ее единицей измерения служит Сименс (СМ).

    Для того чтобы измерить электропроводность воды используют специальные приборы – кондуктометры. Принцип действия такого устройства основан на прямой зависимости электропроводности воды от количества соединений, растворенных в этой воде. На сегодняшний день, благодаря широкому спектру оборудования можно легко измерить проводимость как сверхчистой воды, обладающей очень низкой проводимостью, так и насыщенной химическими соединениями с высоким уровнем проводимости.

    Состав минеральных веществ, находящихся в воде, а также соотношения между ними, могут оказывать влияние на показатель электропроводности. В основе своей, минеральная часть воды состоит из ионов натрия (Na+), кальция (Ca2+), калия (K+), хлора (Cl-), гидрокарбоната (HCO3-) и сульфата (SO42-). Электропроводимость природных вод обуславливается именно этими ионами

    Погрешности измерения могут возникать из-за различающейся удельной электропроводности растворов различных солей, из-за повышения электропроводности при увеличении температуры. Тем не менее, современный уровень кондуктометров позволяет минимизировать эти погрешности, поскольку возможные зависимости заранее рассчитаны и занесены в память устройств.

    Контроль сверхчистых и питьевых вод

    На сегодняшний день контроль сверхчистых сред производится при помощи специальных промышленных микропроцессорных анализаторов мутности, которые дополнительно оснащены устройствами самодиагностики.

    Полноценный и надежный контроль за сверхчистыми средами гарантирован благодаря использованию датчика с высокой чувствительностью. Измерительный диапазон такого датчика может колебаться от 0.0001 до 10000 NTU. К таким устройствам относится, например, мутномер Turb 555. Его измерительная система состоит из четырех детекторов, позволяющих производить не только нефелометрические измерения, но еще и расчет отношения светорассеяния под различными углами, а также измерения в режиме пропускания.

    Такой высокоточный мутномер способен зафиксировать окончание ресурса фильтра гораздо раньше, чем применяемые обычно стандартные фотометрические приборы.

    Несмотря на достаточно большое количество самых разнообразных моделей мутномеров, требования к ним при проведении анализа сверхчистых и питьевых вод предъявляются одинаковые. Приборы должны обладать широким измерительным диапазоном, который, как правило, колеблется от мизерных долей до одной или десяти тысяч единиц мутности. Именно такой широкий диапазон определяет универсальность прибора, давая возможность одинаково эффективно использовать его для работы с любыми водными источниками.

    Современные мутномеры оснащаются специальной системой, которая позволяет автоматически производить очистку оптики. Ведь одним из самых главных требований для условий подобных исследований является именно требуемая чистота измерительной ячейки.

    Более того, такие приборы обладают удобным интерфейсом и множеством настроек, которые позволяют легко адаптировать мутномер к каждым конкретным условиям измерений.

    Применение оксиметров

    Под измерителями растворенного кислорода или, как их еще называют, оксиметрами, понимаются современные микропроцессорные приборы, которые используют, как правило, универсальный датчик. Этот датчик оснащен встроенным термосенсором и сменными мембранами. Такие приборы просто незаменимы при проведении экологических исследований, а также на разных этапах биологической обработки питьевой воды.

    Применение современных оксиметров очень востребовано в экспрессном и лабораторном контроле. Эти устройства способны компенсировать практически любые погрешности, которые возникают вследствие воздействия температуры, давления и растворенных солей. Приборы оснащены водонепроницаемым корпусом, а в комплекте с ними может быть микропроцессором и принтером.

    Оксиметры нашли широкое применение при проведении исследований температур дыхательных газов и концентраций кислорода в медицине катастроф, анестезиологии, гипербарической медицине, неонатологии и реанимации. Теперь без них невозможно даже представить проведение полноценного анализа.

    Как правило, такие приборы оснащаются специальной тревожной сигнализацией. Она срабатывает, как только достигается нижний или верхний предел процентного присутствия кислорода. Кроме того, современные оксиметры непременно оснащаются интеллектуальным контроллером и полуавтоматической калибровкой.

    Титриметрический анализ и его особенности

    Титриметрический анализ или, как его еще называют, титрование относится к методам количественного анализа в аналитической химии. Он основан на измерении объёма известной концентрации раствора, который расходуется, вступая в реакцию с определяемым веществом. Титрование производят при помощи специальной бюретки, которая заполнена титрантом до нулевой отметки. Начинать процесс от других отметок не рекомендуется, поскольку разметка бюретки может быть не совсем равномерной.

    Бюретка заполняется рабочим раствором через специальную воронку или при помощи других приспособлений (в том случае, если бюретка полуавтоматическая).

    Точка эквивалентности (конечная точка титрования) определяется специальными индикаторами или определенными физико-химическими методами , например, по электропроводности, потенциалу индикаторного электрода или светопропусканию. Результаты анализа рассчитываются по количеству рабочего раствора, которое пошло на титрование.

    Различают три типа титрования: прямое, обратное и титрование заместителя. При прямом проведении прямого титрования к раствору определяемого вещества добавляется рабочий раствор (раствор титранта) небольшими порциями.

    В процессе обратного титрования сначала заведомый избыток специального реагента добавляется к раствору определяемого вещества. А затем титруют его остаток, так и не вступивший в реакцию.

    При проведении заместительного титрования также к раствору вначале добавляют заведомый избыток, однако затем титруют один из продуктов реакции добавленного реагента с анализируемым веществом.

    Калибровка рефрактометра

    Рефрактометр представляет собой оптический прибор, который предназначен для измерения показателя преломления света в той или иной среде. Рефрактометрия, выполняющаяся при помощи рефрактометров, считается, пожалуй, самым распространенным методом для идентификации химических соединений, для структурного и количественного анализа, а также для определения физико-химических характеристик веществ.

    Работа рефрактометра основывается на измерении показателей преломления света в той или иной среде. В случае, когда плотность субстанции увеличивается, ее индекс рефракции возрастает пропорционально. Таким образом, рефрактометры считают относительный "вес" образца в сравнении с дистиллированной водой.

    Перед тем как использовать рефрактометр, его следует правильно откалибровать. Ряд моделей этих приборов требуют для проведения калибровки специальную жидкость, однако большая их часть может быть откалибрована при помощи дистиллированной воды.

    Калибровка рефрактометра начинается с поднятия пластинки для освещения дневным светом. На призму помещается 2-3 капли дистиллята. Далее нужно закрыть пластинку таким образом, чтобы вода могла равномерно распространяться по полной поверхности призмы.

    Приблизительно через 30 секунд, когда образец адаптировался к температуре окружающего воздуха, следует направить рефрактометр в направлении естественного дневного освещения и посмотреть в окуляр. Вы увидите круглую область, центр которой будет находиться внизу.

    Вам потребуется подкрутить калибровочный винт, пока границы верхней синей области и нижней белой области не встретятся в нулевой отметке.

    После того как рефрактометр откалиброван – его можно использовать.

    Микробиологический анализ воды

    Вода из артезианской скважины лишена бактериологических загрязнений, либо их количество пренебрежительно мало, чтобы представлять опасность для человека. Скважина на известняк практически стерильна по сравнению с другими источниками воды – скважиной на песок, колодцем, родником или открытым водоемом. Самые опасные загрязнения формируются на поверхности, поэтому степень загрязненности источника воды возрастает с уменьшением его глубины.

    Чтобы обеспечить загородный дом качественной водой, сначала необходимо обеспечить надлежащее качество бурения и обсадки скважины. Опасность микробиологического заражения артезианской воды маловероятна при условии строгого соблюдения технологических стандартов бурения, обсадки, обустройства и дальнейшего использования скважин. При неграмотном техническом исполнении даже в очень глубокую артезианскую скважину легко попадут поверхностные и грунтовые воды с полным набором химического и микробиологического загрязнения.

    Основные причины микробиологического и химического загрязнения воды из артезианской скважины: бракованные обсадные трубы, бракованные соединения (стыки) между обсадными трубами – сварочные или резьбовые, неправильная герметизация затрубного пространства, попадание поверхностных вод в кессон и затем в скважину – например, через плохо загерметизированную кабельную муфту.

    Попадание поверхностных загрязнений в водозаборную часть скважины сведет на нет достоинства тщательно подобранной и настроенной системы фильтров. Фильтры эффективно очищают воду только при постоянных параметрах загрязнений. Именно поэтому раз в год желательно сдавать воду на анализ даже из благополучной скважины. В случае появления изменений в химсоставе входящей воды фильтры можно будет перенастроить, чтобы избежать снижения эффективности водоочистки.

    Соединения азота

    Впервые в нашей стране о нитратах заговорили лишь в 70-е годы. Тогда в Узбекистане произошел ряд массовых желудочно-кишечных отравлений. Причиной стали арбузы, чрезмерно подкормленные аммиачной селитрой. Даже в настоящее время отравление нитратами отнюдь не редкость. С увеличением числа несчастных случаев возникла необходимость контроля содержания азота и его соединений в различных средах. Специально для этого были созданы анализаторы азота, которые сегодня применяются практически в каждой промышленной отрасли.

    Азот является одним из важнейших химических элементов в жизнедеятельности растений, поскольку он необходим для синтезирования аминокислот, образующих белки. Любое растение получает азот из почвы, где он содержится в виде минеральных азотных солей, поэтому каждое растение содержит нитраты, еще не успевшие преобразоваться в белки.

    Человеческому организму наносят вред даже не сами нитраты, а их преобразование в ядовитые соединения нитриты. Поэтому высокая концентрация азотистых соединений отравление неминуемо.

    Следует отметить, что очень высокие дозы нитратов у человека и животных вызывают тяжелое отравление, которое может привести к летальному исходу. Токсическое действие нитратов напрямую связано с процессом их восстановления до аммиака, нитритов и гидроксиламина под воздействием ферментов тканей и микрофлоры пищеварительного тракта.

    Именно поэтому постоянный и своевременный контроль и анализ азота и его соединений является одной из важнейших задач современной промышленной безопасности.

    Плотномеры в промышленности

    Плотномер является прибором, с помощью которого осуществляются измерения плотности жидкостей и газов. Это специальное электронное устройство, представляет собой новейшее решение, способное эффективно заменить ареометры - традиционные средства вычисления плотности веществ. Современный плотномер позволяет точно и невероятно быстро производить измерения, благодаря компактному размеру и интуитивно понятному управлению.

    В 1960 году компания Anton Paar разработала инновационный способ измерения плотности, основанный на законе гармонической осцилляции. Максимальная точность, эффективность и эксплуатационная гибкость такого метода осцилляции U-образной трубки обеспечили способу мировую известность.

    Под плотностью понимается отношение массы вещества к единице объема. Самой распространенной производной от плотности считается удельная масса, зависящая от температуры и вещества сравнения. Исходя из того, что в воде или прочих жидкостях при растворении нескольких веществ плотность раствора меняется, то можно элементарно вычислить и концентрацию растворенного вещества.

    Компания Anton Paar стала признанным мировым лидером по изготовлению плотномеров. Даже через 50 лет после своего основания эта компания продолжает занимать лидирующие позиции в производстве высокоточных лабораторных приборов. Она выпускает аппараты под любые задачи и бюджет. Речь идет не только о портативных плотномерах DMA 35n, но и первоклассными плотномерами DMA 5000M, которые на сегодняшний день являются самыми точными плотномерами в мире.

    Свежие новости
     
     
    (с) 2012 Экоинструмент 119049, Москва, Крымский вал, д 3 стр.2 оф. 512
    тел./факс +7 (495) 745-2290 (многоканальный)
    О компании Контакты Проекты Сервис-центр Дилерам