Государственное автономное образовательное учреждение среднего профессионального образования «Казанский нефтехимический колледж» им. В.П.Лушникова

Государственное автономное образовательное учреждение
среднего профессионального образования
«Казанский нефтехимический колледж» им. В.П.Лушникова
Определение мутности образцов с помощью
турбидиметра НАСН 2100 Р
Методические указания
к лабораторной работе
Казань 2013
УДК 544. 77 (078)
Составители: Азеева Е.В.- преподаватель спец. дисциплин;
Сафина Г.И.- к.т.н. преподаватель КНИТУ
Определение мутности образцов с помощью турбидиметра НАСН 2100
Р: Методические указания к лабораторным работам / Казанский нефтехимический колледж. Сост.: …Казань, 2011.
Изложены сведения об оптических свойствах дисперсных систем и методах их исследования. Подробно рассмотрена методика определения мутности образцов с помощью турбидиметра НАСН 2100 Р.
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 240113
«Химическая технология органических веществ»
Печатается по решению кафедры ТПП Казанского нефтехимического
колледжа им. В.П.Лушникова
Рецензенты:
 Казанский нефтехимический колледж, 2013
СОДЕРЖАНИЕ
1
1.1
1.1.1
1.1.2
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
1.2.3
2
2.1
2.2
2.3
2.3.1
2.3.2
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.4.4
2.4.5
2.4.6
2.5
2.6
3
ВВЕДЕНИЕ
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Оптические свойства дисперсных систем
Рассеяние света
Поглощение света и окраска золей
Методы определения оптических свойств дисперсных систем
Ультрамикроскопия
Электронная микроскопия
Нефелометрия
Турбидиметрия
Мутность воды
ОПИСАНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРИБОРА ТУРБИДИМЕТР НАСН 2100 Р
Описание прибора
Принцип действия прибора и подготовка к работе
Измерение мутности образцов
Измерение мутности образцов, не превышающих предел измерений
Измерение мутности образцов, превышающих предел измерений
Калибровка прибора
Использование первичных стандартов StabCalTM
Приготовление формазинового концентрата
Приготовление воды для разбавления
Приготовление разбавлений
Методика проведения калибровки
Использование вторичных стандартов Gelex
Диагностика прибора
Меры предосторожности
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
Оптические свойства коллоидов тесно связаны с размерами, формой и
структурой частиц дисперсной фазы и поэтому имеют важное значение при
изучении коллоидных систем.
При падении света на дисперсную систему могут наблюдаться:
- прохождение света через систему;
- преломление или отражение частицами дисперсной фазы;
- рассеяние света;
- поглощение света.
Характер оптических явлений зависит от соотношения размеров частиц
дисперсной фазы и длины волны падающего света. Размеры коллоидных частиц соизмеримы с длиной волны света. Поэтому одним из наиболее характерных оптических свойств золей является рассеяние света (опалесценция).
Согласно уравнению Рэлея, светорассеяние пропорционально концентрации частиц, квадрату объема частицы и обратно пропорционально четвертой степени длины волны падающего света.
Таким образом, рассеяние коротких волн происходит более интенсивно. Этот эффект находит широкое практическое применение и объясняет некоторые природные явления.
Наряду со светорассеянием для многих коллоидных растворов характерно поглощение света определенной длины волны, чем объясняется окраска золей. Поглощение света происходит в соответствии с законом БугераЛамберта-Бера.
Оптические методы исследования широко применяются для определения размеров, формы и структуры коллоидных частиц. К ним относятся:
- ультрамикроскопия, основанная на наблюдении рассеяния света в
обычном оптическом микроскопе;
- электронная микроскопия, связанная с использованием вместо световых лучей пучка быстрых электронов;
- нефелометрия — метод определения размеров коллоидных частиц
или концентрации золя, основанный на измерении светорассеяния коллоидным раствором;
- турбидиметрия - измерение светорассеяния коллоидного раствора по
ослаблению интенсивности света, прошедшего через раствор.
1 ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ И МЕТОДЫ
ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
1.1 Оптические свойства дисперсных систем
При падении света на дисперсную систему могут наблюдаться следующие явления:
• прохождение света через систему;
• преломление света частицами дисперсной фазы (если эти частицы
прозрачны);
• отражение света частицами дисперсной фазы (если частицы непрозрачны);
• рассеяние света;
• абсорбция (поглощение) света дисперсной фазой с превращением световой энергии в тепловую.
Преобладающий характер наблюдаемых явлений зависит от размеров
частиц дисперсной фазы, от их соотношения с длиной волны падающего света.
Белый свет (дневной, солнечный свет) полихроматичен, длина волны
меняется от 4 • 10-5 см (фиолетовый свет) до 7 • 10-5 см (красный свет).
Прохождение света наблюдается для прозрачных систем, в которых частицы гораздо меньше длины волны падающего света. Это имеет место в
случае истинных растворов (молекулярно-ионная дисперсия) и большинства
индивидуальных жидких веществ.
Преломление и отражение света наблюдаются для систем, в которых
частицы дисперсной фазы значительно больше длины волны падающего света. Это неравенство выполняется для микрогетерогенных и грубодисперсных
систем. Визуально это явление выражается в мутности этих систем.
Рассеяние света наблюдается для систем, в которых частицы дисперсной фазы меньше, но соизмеримы с длиной волны падающего света. Именно
такое соотношение выполняется для коллоидных растворов, оптические
свойства которых рассматриваются в этой главе (напомним, что размеры частиц дисперсной фазы в коллоидных растворах равны 10 -5—10-7 см).
Итак, наиболее типичное оптическое явление в коллоидных растворах
— это светорассеяние (опалесценция). Термин «опалесценция» произошёл от
латинского слова «ораlus» - опал, минерал молочно-голубоватого или желтовато- белого цвета.
1.1.1 Рассеяние света
Опалесценцию, обусловленную светорассеянием, наблюдал Фарадей
(1857), а затем Тиндаль (1869), обнаруживший образование светящегося конуса при пропускании пучка света через коллоидный раствор («конус Тиндаля»). Если таким же образом освещать истинный раствор или индивидуальную жидкость, то никакого свечения не наблюдается, так как эти системы являются оптически пустыми. В случае микрогетерогенных и грубо-
дисперсных систем вместо равномерного свечения наблюдаются отдельные
блестки, обусловленные отражением света от крупных частиц.
Теорию светорассеяния создал Рэлей.
При прохождении световой волны переменное во времени электромагнитное поле вызывает поляризацию частиц. Возникающие диполи с переменными электромагнитными моментами являются источниками излучения
света. В однородной среде свет, излучаемый всеми диполями, вследствие интерференции распространяется только в первоначальном направлении. Если
же в среде имеются неоднородности с другими показателями преломления,
например, коллоидные частицы, то диполи излучают нескомпенсированное
излучение во всех направлениях — рассеянный свет.
Интенсивность рассеянного света в различных направлениях различна,
однако, длина волны рассеянного света такая же, как и падающего.
Рэлей вывел уравнение, связывающее интенсивность рассеянного света
I с интенсивностью падающего света I0, справедливое при условии, что:
- частицы имеют сферическую форму;
- частицы не проводят электрический ток (т. е. являются неметаллическими);
- частицы не поглощают свет, т. е. являются бесцветными;
- коллоидный раствор является разбавленным в такой степени, что расстояние между частицами больше длины волны падающего света.
Уравнение Рэлея:
2
24 3V 2  n12  n02 

 ,
I  I0 
4  n12  2n02 
(1)
где V - объем одной частицы, ν — частичная концентрация, λ — длина
волны; n1 — показатель преломления частицы, n0 — показатель преломления
среды.
Рассмотрим зависимость I от различных параметров системы.
1. Интенсивность рассеянного света тем больше, чем больше различаются показатели преломления частицы и среды (n1 – n0). Таким образом, если
показатели преломления n1 и n0 одинаковы, то светорассеяние будет отсутствовать и в неоднородной среде.
2. Интенсивность рассеянного света тем больше, чем больше частичная
концентрация ν. Массовая концентрация c, г/дм3, которой обычно пользуются при приготовлении растворов, связана с частичной концентрацией выражением:
с   V   ,
(2)
где ρ — плотность частицы.
Если подставить в уравнение Рэлея взамен частичной концентрации ν
массовую с, получим:
I  I0  К 
cV
,
  4
 n12  n02 

К  24  2
2 
n

2
n
0 
 1
(3)
2
3
Таким образом, интенсивность рассеянного света пропорциональна
объему частицы и, следовательно, кубу ее линейного размера.
Следует отметить, что эта зависимость сохраняется только в области
малых размеров частиц, когда
2r

< 0,3,
где r – радиус частиц.
Для видимой части спектра это условие соответствует значениям 2 ·
1 0 см < r < 4 · 1 0 - 6 см. С увеличением r рост I замедляется, а при r ≥ λ
рассеяние заменяется отражением.
Итак, интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна с.
На этом основано применение измерений светорассеяния для определения концентрации золя с частицами постоянного размера.
3. Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна длине
волны в четвертой степени. Это означает, что при прохождении через коллоидный раствор пучка белого света, преимущественно, рассеиваются короткие волны — синей и фиолетовой частей спектра. Поэтому бесцветный золь в
рассеянном свете имеет голубоватую окраску, а в проходящем свете — красноватую.
Голубой цвет неба также обусловлен рассеянием света мельчайшими
капельками воды в атмосфере. Оранжевый или красный цвет неба при восходе или заходе Солнца объясняется тем, что утром или вечером наблюдается,
главным образом, свет, прошедший через атмосферу.
Зависимость I от λ4 имеет и практическое значение, например, в сигнализации. Красный цвет выбран сигналом опасности именно потому, что он
виден в туманную погоду на больших расстояниях, чем любой другой, вследствие малого рассеяния. Лампы синего света применяют для светомаскировки, когда хотят, чтобы они остались незамеченными с самолетов, так как синие лучи при прохождении через толстый слой воздуха, особенно если в нем
содержатся частицы пыли или тумана, полностью рассеиваются.
Малое рассеяние инфракрасных и коротких радиоволн используется
для локации, так как эти волны обладают большой проницаемостью и в то же
время незначительным рассеянием. Зеленые растения поглощают именно
красные лучи солнечного света, потому что они менее всего рассеиваются
атмосферой Земли.
-6
1.1.2 Поглощение света и окраска золей
Уравнение Рэлея выведено для неокрашенных золей, т. е. не поглощающих свет. Однако многие коллоидные растворы имеют определенную
окраску, т. е. поглощают свет в соответствующей области спектра — золь
всегда окрашен в цвет, дополнительный к поглощенному. Так, поглощая синюю часть спектра (435-480 нм), золь оказывается желтым; при поглощении
синевато зеленой части (490-500 нм) он принимает красную окраску.
Если лучи всего видимого спектра проходят через прозрачное тело или
отражаются от непрозрачного, то прозрачное тело кажется бесцветным, а непрозрачное — белым. Если тело поглощает излучение всего видимого спектра, оно кажется черным.
Оптические свойства коллоидных растворов, способных к поглощению
света, можно характеризовать по изменению интенсивности света при прохождении через систему. Для этого используют закон Бугера-Ламберта-Бера
(4)
I пр  I 0  е -Rlc ,
где I0 — интенсивность падающего света; I пр — интенсивность прошедшего через золь света; R— коэффициент поглощения; l — толщина слоя
золя; с — концентрация золя.
Если прологарифмировать выражение (4), получим:
ln
I0
  Rlc
I
Величину ln
(5)
I0
I
называют оптической плотностью раствора или экс-
тинкцией. При работе с монохроматическим светом всегда указывают, при
какой длине волны была определена оптическая плотность, обозначая ее Dλ.
Золи металлов очень сильно поглощают свет, что обусловлено генерацией в частицах дисперсной фазы электрического тока, большая часть энергии которого превращается в теплоту.
При изменении размеров частиц изменяется длина волны поглощаемого света. Так, высокодисперсные золи золота (r = 20 нм), поглощающие преимущественно зеленую часть спектра, имеют интенсивно красную окраску;
при увеличении размеров частиц до 50 нм окраска золей становится синей.
С увеличением дисперсности золей металлов изменяется также интенсивность их окраски, она максимальна при средних размерах частиц и ослабевает как при увеличении, так и при уменьшении дисперсности. Так,
наибольшая интенсивность окраски гидрозоля золота имеет место при размерах частиц от 20 до 37 нм.
Золи металлов обладают исключительно высокой интенсивностью
окраски, например, интенсивность окраски красного золя золота во много раз
больше, чем у красителя фуксина (при одинаковых концентрациях).
1.2 Методы определения оптических свойств дисперсных систем
В настоящее время оптические методы являются наиболее распространенными методами определения размера, формы и структуры коллоидных
частиц. Это объясняется не только быстротой и удобством этих методов, но и
точностью получаемых результатов.
Наиболее часто для исследования коллоидных растворов применяются:
• ультрамикроскопия;
• электронная микроскопия;
• нефелометрия;
• турбидиметрия.
1.2.1 Ультрамикроскопия
Разрешающая способность микроскопа, т. е. наименьшее расстояние,
при котором две точки еще можно видеть раздельно, составляет около половины длины световой волны. Таким образом, при использовании обычного
света (длина волны 400-700 нм) даже в наилучший микроскоп видимы частицы, размеры которых не менее 2·10-5 см, т. е. коллоидные частицы лежат за
пределами видимости в обычном микроскопе.
В 1903 г. Зидентопф и Зигмонди сконструировали прибор иного типа
— ультрамикроскоп, основанный на наблюдении светорассеяния в обычном
оптическом микроскопе. При этом сплошная опалесценция, видимая невооруженным глазом, разрешается в отблески отдельных частиц. Каждый отблеск — это свечение светового пучка волн, рассеянных одной частицей под
разными углами, оно значительно больше, чем проекция самой частицы и
доступно для микроскопической регистрации. Прямая регистрация не позволяет судить о размерах и форме частицы, так как мы наблюдаем не сами частицы, а их отблески, но эти параметры могут быть определены косвенно.
Для этого выделяют определенный объем V 3 , подсчитывают число содержащихся в нем частиц, и находят частичную концентрацию  
n
. Если
V3
известна массовая концентрация золя с и плотность золя ρ, то по формуле (2)
можно найти средний объем частицы V:
V 
c

.
(7)
Если частицы имеют сферическую форму, можно рассчитать средний
радиус частицы:
3c
4
V  r 3 , r  3
3
4
(6)
Если предположить, что частица имеет форму куба с размером ребра l,
тогда
V  l3 
l3
c

,
c

С помощью ультрамикроскопа Зигмонди могут быть обнаружены частицы размером до 2·10-8 см.
Наблюдая коллоидную систему в ультрамикроскоп, можно не только
определить средний размер частиц, но и получить некоторое представление
об их форме.
Чтобы получить удовлетворительные результаты методом ультрамикроскопии, исследователям приходилось выполнять сотни и тысячи определений.
В настоящее время созданы приборы, довольно сложные по конструкции, автоматически выполняющие практически все операции. Б. В. Дерягин
и Г. Я. Власенко сконструировали поточный ультрамикроскоп. Золь протекает через специальную кювету, проходя определенную зону, каждая частица
золя дает вспышку, которая регистрируется счетчиком. По различной яркости вспышек частицы можно разделить на фракции и построить кривые распределения.
1.2.2 Электронная микроскопия
В последние годы для наблюдения размеров и формы коллоидных частиц чаще всего пользуются электронным микроскопом, в котором вместо
световых лучей применяются пучки электронов с длиной волны всего 0,020,05 А. Это резко увеличивает разрешающую способность микроскопа и дает
возможность непосредственно видеть или фотографировать коллоидные частицы. Разрешающее расстояние с помощью электронного микроскопа может быть доведено до 5-10 А.
Применение электронного микроскопа затруднено необходимостью
тщательного высушивания образцов, так как внутри электронного микроскопа поддерживается высокий вакуум, необходимый для прохождения электронного пучка; кроме того, вследствие сильного поглощения электронов
изучаемые образцы должны быть весьма тонкими (1-10 мк). При выпаривании капли раствора свойства системы могут существенно измениться, в результате чего наблюдаемые параметры могут сильно отличаться от параметров частиц в коллоидном растворе.
1.2.3 Нефелометрия
Нефелометрия основана на способности коллоидных систем рассеивать
свет. Определяя светорассеяние данной системы, можно определять размер
частиц или концентрацию дисперсной фазы, изучать различные процессы,
происходящие в растворе. В основе нефелометрии лежит уравнение Рэлея
(3), которое можно представить в виде:
I  I 0 RcV
(8)
Зная концентрацию золя и, измерив абсолютные значения интенсивностей падающего и рассеянного света, можно вычислить средний, объем частицы. Но абсолютные значения I и I 0 определить сложно. Поэтому большое распространение получили относительные методы нефелометрии. Опалесценцию исследуемого раствора I с помощью нефелометра сравнивают с
опалесценцией стандартного раствора I ст той же концентрации, объем частиц в котором известен. Тогда:
I
V1 I ст
; V1  V2  ст

V2
I
I
(9)
где V1 — объем частиц в исследуемом растворе, V2 — объем частиц в
стандартном растворе.
Нетрудно видеть, что нефелометр можно использовать для определения концентрации дисперсной фазы в системе. Если стандартный и исследуемый растворы содержат частицы одной и той же природы и одного и того
же размера, то:
с1  с 2 
I ст
I
(10)
где с 1 — концентрация исследуемого золя, с 2 — концентрация стандартного раствора.
Разумеется, определение объема частиц или концентрации коллоидного раствора должно производиться при определенной длине волны.
1.2.4 Турбидиметрия
Турбидиметрия — метод исследования, основанный на измерении
ослабления проходящего через коллоидную систему света в результате светорассеяния. Измерения производят с помощью обычных колориметров или
спектрофотометров, позволяющих определять мутность.
Если интенсивность пучка света уменьшается от I0 для падающего света до I прошедшего света, то мутность определяется уравнением:
1
l
  ln
I0
,
I
(11)
где l — расстояние, пройденное светом в оптически неоднородной среде.
Между мутностью τ коллоидного раствора и интенсивностью рэлеевского рассеяния света под углом 90° R90 существует соотношение:
  16
R90
,
3
(12)
Из уравнений (11) и (12) следует, что чем больше рассеяние, тем выше
мутность и тем меньше интенсивность прошедшего через раствор света.
1.3 Мутность воды
Му́тность воды́ — показатель, характеризующий уменьшение прозрачности воды в связи с наличием неорганических и органических тонкодисперсных взвесей. Причиной мутности воды может быть наличие в ней песка,
глины, неорганических соединений (гидроксида алюминия, карбонатов различных металлов), а также органических примесей или живых существ,
например фито- или изопланктона. Также причиной может быть окисление
соединений железа и марганца кислородом воздуха.
Мутность воды повышается при дождях, паводках, таянии ледников.
Как правило, зимой уровень мутности в водоёмах наиболее низкий, наиболее
высокий весной и во время летних дождей.
Следует отметить, что на прозрачность воды влияет не только мутность, но и её цвет.
Мутность воды определяется через сравнение исследуемой воды со
стандартными взвесями.
Традиционно в качестве стандартной взвеси использовалась взвесь каолина (глины), а результат измерений выражался в миллиграммах (каолина)
на литр (или кубический дециметр). В настоящее время в качестве стандартной популярна взвесь формазина (полимера) при этом мутность измеряют в
ЕМ/литр (единицы мутности на литр, также единицы мутности по формазину
(ЕМФ), англ. FTU, formazine turbidity unit).
Для измерения мутности используется фотометрическая методика
(стандарт ISO 7027, (англ. Water quality - Determination of turbidity с единицей
измерения мутности англ. FNU (formazine Nephelometric Unit). Агентство защиты окружающей среды США и Всемирная организация здравоохранения
(ВОЗ) используют для измерения мутности единицу англ. NTU
(Nephelometric Turbidity Unit). Кроме того, используется англ. Jackson
Turbidity Unit (JTU).
Большинство единиц легко пересчитываются одна в другую:
1 FTU = 1 ЕМФ = 1 ЕМ/литр = 1 FTU = 1 FNU = 1 NTU = 0.053 JTU =
0.13 мг/литр
Нормирование
Мутность питьевой воды нормируется в основном из-за того, что мутная вода защищает микроорганизмы при ультрафиолетовом обеззараживании
и oблегчает рост бактерий, а также из эстетических соображений. Например,
ВОЗ мутность с точки зрения влияния на здоровье не нормирует, с точки
зрения внешнего вида рекомендует мутность не выше 5 NTU, а с точки зрения обеззараживания — не выше 1 NTU.
2 ОПИСАНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРИБОРА ТУРБИДИМЕТР
НАСН 2100 Р
2.1 Описание прибора
Турбидиметр НАСН 2100Р (рисунок 1) предназначен для измерения
мутности образцов в диапазоне 0-1000 NTU (нефелометрическая единица
мутности) в лабораторных (от сетевого адаптера) и полевых (от батареек)
условиях. Прибор имеет автоматический и ручной (0-9,99; 10-99,9 и 110-1000
NTU) выбор диапазонов измерения и функцию автоматического отключения
через 5,5 минут (при отсутствии действий) или при недостаточном напряжении (менее 4 В).
Рисунок 1 - Турбидиметр НАСН 2100Р
В комплект турбидиметра входят следующие единицы:
1) измерительные кюветы – 6 шт.;
2) набор первичных стандартов StabCalTM со значениями NTU <0,1, 20,
100 и 800 (каждый по 100 мл);
3) набор вторичных стандартов Gelex для диапазонов мутности, NTU:
0-10, 0-100 и 0-1000;
4) силиконовое масло – 15 мл;
5) салфетка для притирания кювет;
6) батарейки типа АА с напряжением 1,5 В – 4 шт.;
7) кейс для хранения;
8) инструкция по эксплуатации.
Элементы управления и индикации прибора показаны на рисунке 2.
Рисунок 2 - Элементы управления и индикации прибора.
Клавиши управления: → и ↑ - редактирование цифр; CAL - калибровка
прибора; DIAG – диагностика прибора; SIGNAL AVERAGE – режим усреднения; RANGE – выбор автоматического или ручного выбора диапазонов измерений; READ – пуск измерений; I/O – включение и выключение прибора.
Индикация дисплея: DIAG – включена диагностика прибора; CAL –
включена калибровка прибора (знак «?» показывает, что необходимо провести калибровку); S18 - номер первичного стандарта при калибровке или код
при диагностике прибора (здесь также указывается номер ошибки с кодом
«Е»); знак минус - используется при диагностике прибора; цифры 8.8.8.8. –
значение измерения; NTU – единица измерения; отображение батарейки
показывает, что низкое напряжения (менее 4,4 В); отображение ламы показывает, что она включена; AUTO RNG – включен автоматический выбор
диапазонов измерений; SIG AVG – включен режим усреднения.
Характеристики турбидиметра НАСН 2100 Р приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Характеристики турбидиметра НАСН 2100 Р
Характеристика
Наименование/Значение
Диапазон измерений
0-1000 NTU
Погрешность измерений ±2 % от значения (не менее 0,02
NTU)
Воспроизводимость ре- ±1 % от значения (не менее 0,01
зультатов измерений
NTU)
Время отклика
6 с (при отключенном режиме
усреднения)
Мин. объем пробы
15 мл
Источник излучения
ртутная лампа накаливания
Дисплей
ЖК, четырехразрядный
Детектор
Размеры
Вес
Кювета
силиконовый фотогальванический
222х95х79
520 г
высота – 60 мм, диаметр – 25 мм,
материал - боросиликатное стекло
2.2 Принцип действия прибора и подготовка к работе
Турбидиметр для измерения мутности построен на нефелометрическом
принципе действия (отношение интенсивности рассеянного под прямым углом к интенсивности прошедшего света). Принципиальная схема прибора
показана на рисунке 3.
Рисунок 3 - Принципиальная схема прибора
В оптическую схему входят лампа накаливания с вольфрамовой нитью,
линза для фокусирования света, детекторы прошедшего и рассеянного под
прямым углом света. Микропроцессор прибора рассчитывает отношения
сигналов и детекторов. Такая методика позволяет производить эффективные
измерения окрашенных и поглощающих свет растворов, а также компенсировать флуктуации излучения лампы, обеспечивая большое время стабильности калибровки и светорассеяние вне образца, увеличивая точность измерений.
Для подготовки прибора к работе необходимо распаковать кейс, проверить комплектность и визуально оценить состояние турбидиметра и составляющих на наличие трещин, сколов и других неисправностей. Для проведения измерений в лабораторных условиях необходимо включить адаптер в
сеть, в полевых – установить батарейки, соблюдая полярность. Калибровку
прибора рекомендуется проводить не менее одного раза в три месяца.
2.3 Измерение мутности образцов
2.3.1 Измерение мутности образцов, не превышающих предел измерений
Измерение мутности. Измерения проводятся с усреднением или без
усреднения, с ручным или автоматическим выбором диапазонов. Рекомендуется проводить измерения с усреднением и автоматическим выбором диапазонов. При этом первоначальное значение выводится на экран примерно через 11 секунд и обновляется каждые 1,2 секунды в течении 10 измерений.
Далее отключается лампа, и последнее усредненное значение остается на
дисплее. В случае измерения без усреднения последние значение появляется
примерно через 13 секунд после нажатия клавиши READ. Измерения с
усреднением целесообразно проводить для образцов с неустойчивыми показаниями.
Для определения мутности образцов необходимо произвести следующие операции:
1. Наполнить кювету пробой (примерно 15 мл) до отметки и закрыть
крышкой;
2 удерживая кювету за крышку, протереть ее стенки для удаления отпечатков пальцев и капель жидкости;
3 нанести (растиранием) на кювету сверху вниз тонкий слой силиконового масла, используя специальную салфетку. Далее протереть кювету насухо до удаления видимых следов масла;
4 установить прибор на горизонтальную ровную поверхность;
5 поместить кювету с образцом в кюветное отделение прибора так,
чтобы ромб на стенке кюветы совпал с меткой на передней части кюветного
отделения и закрыть светозащитную крышку прибора;
6 включить прибор нажатием клавиши I/O;
7 нажатием клавиши RANGE выбрать режим переключения диапазонов измерений (при выборе автоматического режима на дисплей выводится
надпись AUTO RNG);
8 нажатием клавиши SIGNAL AVERAGE включить или выключить
режим усреднения (при включении режима усреднения на дисплей выводится надпись SIG AVG);
9 нажатием клавиши READ произвести измерений, при этом на дисплее сначала появляется _ _ _ _ , а затем значение мутности в единицах NTU;
10 записать значение мутности после того, как погаснет индикатор работы лампы.
Для получения воспроизводимых результатов измерений необходимо
использовать чистые кюветы, уметь их ориентировать в приборе и подбирать, а также подготавливать образцы (удаление воздуха) для исследований.
Очистка и подготовка кювет. Очистка внутренних и внешних стенок
кювет проводят в три этапа: 1) очистка неабразивным материалом; 2) в ванне
с раствором соляной кислоты 1:1; 3) в дистиллированной воде. После очистки кюветы проводят сушку в потоке воздуха. Для устранения небольших
производственных дефектов стекла на поверхность кюветы сверху вниз
наносят (растиранием) тонкий слой силиконового масла, используя специальную салфетку. После чего протирают кювету насухо до удаления видимых следов масла. Небольшие сколы и трещины стекла могут приводить к
рассеянию света и искажению результатов измерений.
Ориентация и подбор кювет. Высокая точность измерений образцов с
низкой мутностью обеспечивается использованием одной кюветы строго
ориентированной в кюветном отделении или нескольких оптически подобранных кювет.
Для ориентирования кюветы необходимо произвести следующие операции:
1 наполнить кювету до метки высококачественной водой (менее 0,5
NTU) и закрыть крышкой;
2 нанести на кювету тонкий слой силиконового масла, после чего насухо протереть ее;
3 поместить кювету в кюветное отделение и закрыть светозащитную
крышку прибора;
4 включить прибор;
5 удерживая нажатой клавишу READ записать положение кюветы и
показание мутности;
6 открыть крышку прибора, вынуть и повернуть кювету на 1/8 оборота
и повторить пункты 3-5;
7 повторять пункт 6 до получения минимального значения мутности, не
меняя при этом положения кюветы;
8 нанести отметку на кювету для проведения дальнейших измерений.
Удерживая нажатой клавишу READ, обеспечивается непрерывность
измерений, при этом лампа остается постоянно включенной.
Для подбора нескольких кювет необходимо произвести следующие
операции:
1 наполнить кювету до метки высококачественной водой и закрыть
крышкой;
2 нанести на кювету тонкий слой силиконового масла, после чего насухо протереть ее;
3 поместить первую кювету в кюветное отделение и закрыть светозащитную крышку прибора;
4 включить прибор;
5 удерживая нажатой клавишу READ записать номер и положение кюветы, показание мутности;
6 поместить вторую кювету в кюветное отделение и закрыть светозащитную крышку прибора;
7 повторить пункт 4 и 5;
8 открыть крышку прибора, вынуть и повернуть вторую кювету на 1/8
оборота и повторить пункты 4 и 5;
9 повторять пункт 8 до получения значения мутности равного значению первой кюветы (с точностью ±0,01 NTU), не меняя при этом положения
кюветы.
Подбор остальных кювет проводится также.
Удаление воздуха. Удаление воздуха из образцов перед измерением
проводится с использованием вакуума, ПАВ, ультразвука или нагрева.
1) Вакуум. Понижение давления над образцом ниже атмосферного
приводит к освобождению пузырьков воздуха из образца. Целесообразно
применять вакуум для маловязких жидкостей и не содержащих легколетучих
компонентов. Для создания вакуума можно использовать автоматические или
ручные вакуум-насосы, шприц. При проведении этой операции необходимо
использовать резиновую крышку кюветы с отверстием для иглы шприца или
стеклянной трубки, соединенной с вакуум-насосом. Удаление воздуха из образца оценивается визуально - наличием пузырьков.
2) ПАВ. Применение ПАВ увеличивает поверхностное натяжение жидкости и тем самым способствует освобождению пузырьков воздуха из образца. Наиболее эффективно использовать этот способ для перенасыщенных
воздухом растворов. Перед измерением мутности образца в кювету добавляют одну каплю ПАВ. Изменение поверхностного натяжения приводит к увеличению осаждения частиц в образце. Поэтому эксперимент рекомендуется
проводить как можно скорее, предварительно перемешав перед этим пробу.
Важно помнить, что интенсивное перемешивание может привести к образованию пены. Также ПАВ не должен приводить к изменению мутности образца.
3) Ультразвук. Такой способ удаления воздуха представляет интерес
для вязких жидкостей. Для проведения этой операции кювету с образцом, не
закрывая крышкой, погружают на 1/2-2/3 высоты в ультразвуковую ванну до
прекращения образования пузырьков воздуха. Однако, действие ультразвука
приводит к изменениям формы и размеров частиц, что отражается на мутности образца.
4) Нагрев. Нагрев используют в случае, когда другие методы удаления
воздуха из образца не эффективны, так как чрезмерный нагрев приводит к
существенному изменению мутности и потере легколетучих компонентов.
Положительные результаты этой операции получаются при сочетании легкого нагрева с действием вакуума или ультразвука.
2.3.2 Измерение мутности образцов, превышающих предел измерений
Нефелометрический принцип действия прибора основан на рассеянии
света взвешенными частицами. При высоких значениях мутности большая
часть света поглощается, что приводит к искажению результатов измерений
(«ослепление» прибора) – измеренное значение меньше реального. Поэтому
для сведения к минимуму этого эффекта применяют разбавление образцов.
Эффекту «ослепления» прибора способствует не только частицы поглощающие свет, но и растворы с интенсивной окраской. В последнем случае разбавление не эффективно.
Разбавление проводят порциями отфильтрованного образца. Не рекомендуется использовать дистиллированную и деионизованную воду, так как
при этом часть взвешенных частиц может перейти в растворимое состояние,
что приведет к ошибочным результатам измерений. Рекомендуется использовать воду высококачественную отфильтрованную с мутностью менее 0,5
NTU. Образцы фильтруют при помощи установки для фильтрации. Если
фильтр быстро забивается, используют стандартную 47 мм систему с мембранным или стеклянным фильтром.
Истинное значение мутности образца рассчитывается как произведение
измеренного значения и фактора разбавления. Фактор разбавления представляет собой отношение общего объема (после разбавления) к объему образца:
Истинное значение = измеренное значение Х фактор разбавления
Фактор разбавления = общий объем / объем образца
Чрезмерное разбавление может привести к изменению характеристик
взвешенных частиц.
2.4 Калибровка прибора
Калибровку турбидиметра осуществляют по первичным формазиновым
стандартам. Электронная и оптическая схемы обеспечивают долговременную
стабильность прибора. Однако, рекомендуется проводить калибровку не менее одного раза в три месяца.
2.4.1 Использование первичных стандартов StabCalTM
Для калибровки используют первичные фирменные StabCalTM или эквивалентные им свежеприготовленные формазиновые стандарты. Использование фирменных стандартов позволяет получать высокую воспроизводимость результатов измерений. В комплект прибора входит четыре стандарта с
нормированными значениями мутности, NTU: <0,1, 20, 100 и 800.
Свежеприготовленные первичные формазиновые стандарты (разбавления) представляют собой раствор формазинового концентрата мутностью
4000 NTU в воде. Приготовленные разбавления стабильны в течение одного
года при правильном хранении, перед применением их необходимо перемешать.
2.4.2 Приготовление формазинового концентрата
При отсутствии, формазиновый концентрат можно приготовить. Для
этого: 1) растворить 5,000 г сульфата гидразина (ч.д.а.) в деионизованной воде (около 400 мл); 2) растворить 50,000 г гексаметилентерамин (ч.д.а.) в деинизованной воде (около 400 мл); 3) перенести растворы в мерную колбу на 1
л, довести до метки деионизованной водой и перемешать; 4) оставить раствор
на сутки при температуре 250С до образования устойчивой суспензии.
2.4.3 Приготовление воды для разбавления
Для калибровки прибора используют только высококачественную воду
(менее 0,5 NTU), так как турбидиметр обеспечивает компенсацию остаточной мутности менее 0,5 NTU. Обычно используют дистиллированную, деионизованную или очищенную водопроводную воду. Если значение мутности воды превышает 0,5 NTU, то необходимо ее отфильтровать. Фильтрацию
воды проводят следующим образом: 1) присоединить шприц к 3-х ходовому
клапану; 2) присоединить к каждому входу клапана разъем, трубку и 0,2
микронный фильтр; 3) наполнить емкость водой для фильтрации; 4) отобрать
шприцом 50 мл воды; 5) медленно подавать воду из шприца через фильтр в
мерную колбу.
2.4.4 Приготовление разбавлений
Порядок приготовления разбавлений из формазинового концентрата
приведен в таблице 2.
Таблица 2 - Порядок приготовления разбавлений из формазинового концентрата
Стандарт
Шаг 1
Шаг 2
Шаг 3
20 NTU перенести 100 мл во- добавить при помощи довести до метки воды для разбавления в пипетки в колбу 1 мл дой для разбавления и
200 мл мерную колбу формазинового конперемешать
центрата
100 NTU
тоже
тоже, но 5 мл форматоже
зинового концентрата
800 NTU перенести 50 мл воды тоже, но 20 мл форматоже
для разбавления в 100 зинового концентрата
мл мерную колбу
2.4.5 Методика проведения калибровки
Перед проведением калибровки необходимо подготовить первичные
стандарты. Для этого хорошо взболтать ампулы со стандартами, оставить их
в течение 5 минут, заполнить кюветы стандартами до метки и закрыть крышкой. Запрещается взбалтывать стандарт мутностью <0,1 NTU. Рекомендуется
для каждого стандарта использовать предварительно очищенную и оптически подобранную кювету.
Калибровку прибора проводят следующим образом:
1 чистую кювету наполнить водой для разбавления (около 15 мл),
предварительно ополоснув ее несколько раз этой же водой;
2 нанести на кювету тонкий слой силиконового масла, после чего насухо протереть ее;
3 поместить кювету в кюветное отделение и закрыть светозащитную
крышку прибора;
4 включить прибор, выбрав перед этим автоматическое переключение
диапазонов измерений и режим усреднения (если необходимо);
5 после нажатия клавиши CAL загорятся индикаторы CAL и S0, на
дисплее отобразится значение мутности воды для разбавления предыдущей
калибровки. Рекомендуется значение мутности воды для разбавления принудительно обнулять нажатием клавиши → и далее для продолжения калибровки – клавиши ↑;
6 после нажатия клавиши READ прибор начнет обратный отсчет от 60
до 0 (от 67 в режиме усреднения) и измерение. Результат сохранится для последующей корректировки всех используемых стандартов. Если мутность
воды для разбавления превышает 0,5 NTU, то на дисплее появится сообщение «Е1» (ошибка;
7 на дисплее загорится индикатор S1 (единица мигает) и значение
стандарта предыдущей калибровке в точке 20 NTU. Если значение неправильное, то после нажатием клавиши → отредактируйте цифру клавишей ↑.
Далее поместить подготовленную кювету с первичным стандартом 20 NTU в
кюветное отделение и закрыть светозащитную крышку;
8 после нажатия клавиши READ прибор начнет обратный отсчет от 60
до 0 и измерение. Результат сохранится, и прибор также автоматически перейдет к следующей точке калибровки;
9 повторяя шаг 7 и 8 провести калибровку для всех первичных стандартов до того, когда на дисплее загорится индикатор S0.
Калибровку прибора можно проводить по произвольным стандартам.
Для этого готовят три разбавления со значениями мутности в пределах 10-30,
90-110 и 700-900 NTU. Прибор устроен так, что стандарты должны отличаться мутностью минимум на 60 NTU, при меньшем отличии на дисплее появиться сообщение «E2». Калибровку рекомендуется проводить сразу после
их приготовления. Методика проведения калибровки идентична методике с
использованием первичных стандартов.
2.4.6 Использование вторичных стандартов Gelex
Стандарты Gelex, входящие в комплект прибора представляют собой
суспензию частиц оксида металла в геле с оптическими характеристиками
близкими к первичным стандартам. Вторичные стандарты применяют для
проверки калибровки прибора. Для этого: 1) провести калибровку по первичным стандартам (см. п. 2.4); 2) предварительно подготовленную и оптически
подобранную кювету наполнить вторичным стандартом 0-10 NTU; 3) поместить кювету в кюветное отделение и закрыть светозащитную крышку; 4)
включить прибор; 5) провести измерение мутности и записать значение; 6)
повторить шаг 2-5 для всех вторичных стандартов.
Полученные значения мутности вторичных стандартов должны отличаться от значений первичных не более чем на 5%.
2.5 Диагностика прибора
Диагностику прибора проводят для поиска неисправностей и методов
их устранения. В режим диагностики инженерами НАСН заложены специальные коды (таблица 3) по которым проводят проверку прибора.
Таблица 3 - Специальные коды
Код
Наименование
1
проверка напряжения батареек при включенной и
выключенной лампе
2
отображение калибровочного коэффициента а0
3
а1
4
b0
5
b1
6
проверка напряжения на лампе
7
проверка теневого тока на усилителе детектора пропускания при
выключенной лампе и напряжения на усилителе
детектора при включенной лампе
8
9
проверка теневого тока на усилителе детектора рассеяния с большим усилением при выключенной лампе и напряжения на усилителе
детектора при включенной лампе
проверка теневого тока на усилителе детектора рассеяния с малым
усилением при выключенной лампе и напряжения на усилителе
детектора при включенной лампе
Для проведения диагностики прибора необходимо следующее: 1) провести измерение мутности образца (например, воды) (см. п. 2.3); 2) нажатием
клавиши DIAG включить диагностику, при этом появиться цифра соответствующая ее коду (для повтора операции нажать клавишу READ); 3) нажать
клавишу ↑ для перехода на следующий этап (код) диагностики; 4) клавиша →
используют для диагностики параметра при включенной или выключенной
лампе.
Для проведения теста дисплея при включении прибора нажать и удерживать клавишу I/O, при этом на дисплее отображаются все элементы индикации.
При измерениях мутности образцов прибор может сообщать о некоторых ошибках, например: на дисплее мигает цифра 1000 (в автоматическом
режиме выбора диапазона измерений) – образец имеет мутность выше предела измерений, при этом необходимо использовать разбавление; мигает цифра
9,99 или 99,9 (в ручном режиме) – выбрать следующий диапазон измерений.
Некоторые другие ошибки имеют код «Е», их причины и возможные методы
устранения приведены в таблице 4.
Таблица 4 - Причины ошибок и возможные методы их устранения
Код
Причина
Устранение
Е1
мутность воды для разбавления
заменить воду на высококачепревышает 0,5 NTU
ственную
Е2
стандарты имеют одинаковые
проверить правильность пригозначения мутности или значения
товления стандартов
отличается менее чем на 60 NTU
Е3
низкая интенсивность света
проверить включена ли лампа и
нет ли помех на пути света
Е4
сбой памяти
выключить и включить прибор
Е5
выход за верхний диапазон A/D проверить наличие помех на пути света
Е6
выход за нижний диапазон A/D
проверить наличие помех на пути света
Е7
утечка света
закрыть светозащитную крышку
Е8
сбой лампы
проверить правильность установки лампы
2.6 Меры предосторожности
1 Не допускать прямого и длительного попадания на прибор лучей
солнца, брызг воды и других жидкостей;
2 Хранить прибор в интервале температур от минус 40 до плюс 600С;
3 Соблюдать полярность при замене батареек и не допускать одновременного использования батареек и сетевого адаптера;
4 Не допускать для измерений образцы, содержащие огнеопасные вещества, углеводороды и концентрированные кислоты;
5 Устанавливать прибор при измерениях на горизонтальную ровную
поверхность;
6 Соблюдать температурный интервал измерений (0-500С);
7 Всегда закрывать крышку кюветы и светозащитную крышку прибора
во избежание разбрызгивания и попадания посторонних предметов;
8 Не нагревать кюветы с содержимым с закрытой крышкой;
9 Запрещается взбалтывать первичный стандарт StabCalTM мутностью
менее 0,1 NTU;
10 Запрещается нагревать вторичные стандарты Gelex до температуры
более 500С;
11 Хранить вторичные стандарты при комнатной температуре (замерзания не допускать);
12 Строго соблюдать порядок действий при измерениях соответствующий настоящему методическому указанию;
13 Использовать фирменные комплектующие, рекомендуемые инженерами НАСН и входящие в комплект прибора или при их отсутствии - эквивалентные им.
3. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
«Определение взаимосвязи между мутностью высокодисперсной системы и содержанием взвешенных твердых частиц в ней».
Цель работы :
Экспериментальное определение мутности взвеси глины турбидиметрическим методом и содержания взвешенных твердых частиц гравиметрическим методом.
Традиционный анализ содержания взвешенных веществ обычно заканчивается гравиметрией (после фильтрования пробы, по привесу высушенного
фильтра), 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 при фильтровании образцов для
гравиметрического анализа).
Алгоритм выполнения работы:
Процедура определения зависимости разделена на четыре стадии.
1. Приготовление стандартных образцов
Приготавливают растворы глины различной концентрации (по заданию
руководителя). При этом используют воду с «нулевой мутностью», например, дистиллированную.
2.Определение мутности стандартных и исследуемого образцов
Определяют мутность каждого образца. Необходимо придерживаться
одинаковой методики для определения мутности всех образцов.
3. Определение общего содержания твердых частиц в исследуемом образце.
Содержание твердых частиц в исследуемом растворе определяют гравиметрическим способом (после фильтрования пробы, по привесу высушенного фильтра).
4.Определение зависимости между мутностью и содержанием частиц
По полученным данным строят калибровочный график в координатах
«содержание глины в стандартных растворах – показания турбидиметра».
По построенному графику определяют содержание глины в пробе и
сравнивают это значение со значением, полученным гравиметрическим способом. Определяют сходимость результатов измерений.
Отчет о работе должен содержать:
теоретические основы метода;
ход определения;
градуировочный график;
расчет относительной ошибки определения содержания частиц;
выводы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.
Какие оптические явления наблюдаются при падении света на
дисперсные системы.
2.Перечислите методы исследования дисперсных систем, основанные
на рассеянии света.
3. Мутность дисперсных систем и методики её определения.
4. Техника безопасности при проведении работы.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1 Зимон, А.Д. Занимательная коллоидная химия. / А.Д. Зимон.- М.:
Агар, 2002 г. – 171 с.
2. Гельфман, М.И. Коллоидная химия. / М.И. Гельфман, О.В. Ковалевич, В.П. Юстратов. – СПб.: Лань, 2004 г. — 336 с.
3 Щукин, Е.Д. Коллоидная химия. / Е.Д. Щукин. – М.: Высшая школа,
2004 г. – 445 с.
4 Сумм, Б. Д. Основы коллоидной химии: учеб. пособие для студ.
высш. учеб. заведений / Б. Д. Сумм. — 2-е изд., стер. — М.: Издательский
центр «Академия», 2007. — 240 с.
5 Фролов, Ю. Г. Курс Коллоидной химии. Поверхностные явления и
дисперсные системы: учебник для вузов / Ю. Г. Фролов — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Химия, 1988. — 464 с.: ил.
6. Руководство по эксплуатации прибора турбидиметр НАСН 2100 Р.