光透射法測(cè)量水的濁度研究

羅道斌，吳圣博，喬 峰，袁小雨，李 哲

(陜西科技大學(xué) 文理學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

水的混濁度是水質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，濁度測(cè)量術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)、居民生活中有重要的應(yīng)用[1-4].由于水中除極易沉淀的物質(zhì)外，還含有不同大小、比重，形態(tài)的懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)和重金屬等雜質(zhì)[5,6]，這些物質(zhì)能對(duì)光線的散射和吸收產(chǎn)生光學(xué)反應(yīng)進(jìn)而產(chǎn)生渾濁現(xiàn)象，其渾濁的程度稱為濁度[7,8].濁度是描述液體光學(xué)特性的一個(gè)重要參數(shù)[9].渾濁液體對(duì)光線的透射、折射、反射、散射等產(chǎn)生了影響，濁度是描述液體透光性及光散射特性的物理量[10].水的濁度除了和懸浮顆粒物有關(guān)外，還與水中的有機(jī)物和微生物含量有關(guān)[11,12]，水中的有機(jī)物減少，其濁度也相應(yīng)減少.因此，對(duì)于含有有機(jī)物的液體，可以通過測(cè)量有機(jī)物的含量來獲得其濁度[13].

目前,濁度測(cè)量方法研究中，有浸提濁度法[14]、氯化銀濁度法[15]等.這些方法都是針對(duì)形成濁度的物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)處理，通過分析該物質(zhì)的含量來獲得濁度信息，對(duì)單一物質(zhì)形成的濁度測(cè)量有較高的測(cè)量精度，但對(duì)于多種物質(zhì)共同形成的濁度液，這些方法沒有很好的適用性或通用性.光學(xué)透射測(cè)量方法與形成濁度的物質(zhì)種類無關(guān)，因此光學(xué)方法測(cè)量溶液濁度具有較好的通用性.光電式雙通道液體濁度測(cè)量方法[16]可實(shí)現(xiàn)對(duì)液體濁度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，體現(xiàn)了光學(xué)透射測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)，但該方法相對(duì)復(fù)雜，有一定技術(shù)要求.

本論文基于光透射法測(cè)量濁液的濁度.用福爾馬肼標(biāo)準(zhǔn)液標(biāo)定透射光強(qiáng)和濁度關(guān)系，擬合出測(cè)量系統(tǒng)的透射光強(qiáng)和濁度關(guān)系.對(duì)未知液體測(cè)量中，只需測(cè)量獲得濁度液透射光和參考光的光強(qiáng)比，就可以獲得該液體的濁度.本測(cè)量方法操作簡(jiǎn)單、快速，不同種類的濁液均能適用.

1 透射法原理

當(dāng)光強(qiáng)為Ii的入射光通過盛有水樣的比色皿時(shí)，由于水樣中懸浮固體和雜質(zhì)的吸收和散射作用，使穿過水樣的透射光發(fā)光強(qiáng)度減弱到It，根據(jù)Lambert-Beer定律[17,18]：

(1)

式(1)中：A為吸光度，Ii為入射光強(qiáng)度，It為透過光強(qiáng)度，K為吸收系數(shù)，C為吸光物質(zhì)濃度(濁度),轉(zhuǎn)換關(guān)系為:1.85×10-4mol×L-1≈1NTU ，L為吸收層厚度.液體的光透過率可表示為：

(2)

式(2)中：T為透光度.同時(shí)，不透光度可表示為：

(3)

式(3)中：O為不透光度.

因此，可以同時(shí)測(cè)量濁液入射光強(qiáng)度和透射光強(qiáng)度，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，進(jìn)而求出液體濁度C和吸光度A的關(guān)系.

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 儀器選取及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用632.8 nm的He-Ne激光器作為光源.比色皿選取有效光程為0.01 m.半透半反鏡(分光鏡)選取分光5/5.兩個(gè)三波長(zhǎng)光功率計(jì)(型號(hào)：JT-PM02A；量程0～2 mW)、底座、福爾馬肼溶液、土壤、牛奶、20 ℃純凈水.

光源置于一側(cè)，半透半反鏡與光源水平相距20 cm；比色皿與半透半反鏡水平相距38.7 cm；透射光檢測(cè)探頭與比色皿水平相距51.2 cm；反射光檢測(cè)探頭與半透半反鏡垂直方向水平相距51.2 cm，并成45 °夾角；各儀器的水平高度均為20.5 cm.各個(gè)儀器之間的距離都按照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最終確定的最佳距離，滿足一定的比例，可以按照比例擴(kuò)大或者縮小.光路示意如圖1所示.

圖1 光路示意圖

紅光照射到半透半反鏡，光路分為兩條，一條經(jīng)由比色皿透射過濁液到透射光強(qiáng)功率計(jì)顯示透射光功率；另一條經(jīng)由半透半反鏡將光路角度改變45 °照射到反射光強(qiáng)功率計(jì)顯示反射光功率.

2.1.1 實(shí)驗(yàn)搭建

(1)取下比色皿、半透半反鏡，只剩下透射光檢測(cè)功率計(jì)(左側(cè)光功率計(jì))，打開光源，調(diào)整光源高低和仰角使光線垂直入射透射光強(qiáng)檢測(cè)功率計(jì)探頭.

(2)裝上半透半反鏡，調(diào)整半透半反鏡鏡面與光軸夾角成45 °角，固定半透半反鏡.

(3)在半透半反鏡反射光光路上裝上參考光光強(qiáng)檢測(cè)功率計(jì)，調(diào)整探頭位置，直至功率計(jì)顯示的數(shù)值最大，固定探頭位置.

(4)在半透半反鏡和透射光強(qiáng)檢測(cè)功率計(jì)之間放入濁液容器基座，將比色皿(帶液體)放上基座的接近中心的地方，調(diào)整基座前后位置使光線入射透射光強(qiáng)檢測(cè)功率計(jì)探頭，固定基座.實(shí)物示意如圖2所示.

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置圖

2.1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量操作

(1)取下容器，讓光通過半透半反鏡后直接射入功率計(jì)，記錄這時(shí)的入射光強(qiáng)和參考光強(qiáng).

(2)放上空的容器，將容器放在基座中心附近任意位置，調(diào)節(jié)基座上的旋鈕橫向移動(dòng)容器，直至透射光強(qiáng)檢測(cè)功率計(jì)上顯示最大的數(shù)值.

(3)移動(dòng)容器任意角度，調(diào)節(jié)基座旋鈕，直至透射光功率顯示最大.記錄最大值和參考光功率.

2.2 福爾馬肼標(biāo)準(zhǔn)懸浮液對(duì)測(cè)試系統(tǒng)定標(biāo)

本設(shè)計(jì)使用福爾馬肼作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)懸濁液.對(duì)濁液的稀釋按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(4)

式(4)中：K為稀釋前濁度；k為稀釋后濁度；B為加入的水的體積；C為稀釋前濁液的體積.

按照上述公式對(duì)濁度為400 NTU的福爾馬肼標(biāo)準(zhǔn)懸濁液進(jìn)行稀釋，間隔50 NTU，分別制作濁度為400、350、300、250、200、150、100、50 NTU的標(biāo)準(zhǔn)濁液貯備.

分別選取一定量懸濁液進(jìn)行測(cè)量，得出標(biāo)準(zhǔn)濁度液的吸光度與濁度的關(guān)系圖，如圖3所示.

從圖3可以看出濁度在50～400 NTU之間時(shí)濁度與吸光度呈線性關(guān)系.因此，當(dāng)液體濁度在50～400 NTU，本測(cè)試系統(tǒng)可根據(jù)吸光度測(cè)量待測(cè)物濁度.

基于50～400 NTU，擬合得出直線方程：

A=2.414×10-3C-3.701×10-2

(5)

并得出擬合圖像，如圖4所示.

為獲取標(biāo)準(zhǔn)懸濁液適用范圍，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)懸濁液做相對(duì)誤差分析.實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的濁度和理論擬合結(jié)果比較，得到相對(duì)誤差曲線，如圖5所示.

圖3 標(biāo)準(zhǔn)濁度液的吸光度與濁度的關(guān)系

圖4 標(biāo)準(zhǔn)濁度液擬合圖像

圖5 間隔50 NTU標(biāo)準(zhǔn)懸濁液的相對(duì)誤差曲線

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濁度在100～400 NTU之間時(shí)，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差顯著減小.因此，本測(cè)量系統(tǒng)在100～400 NTU之間，有相對(duì)精確的測(cè)量結(jié)果.根據(jù)(5)式，如果測(cè)量了未知濁液的吸光度，就可以獲得其濁度大小.據(jù)此，可以對(duì)濁度在100～400 NTU之間的未知濁液測(cè)量.

2.3 測(cè)量稀釋牛奶及沙土懸浮液

2.3.1 測(cè)量稀釋牛奶的濁度

取用全脂滅菌純牛乳，生產(chǎn)地址陜西省西安市臨潼區(qū)新豐工貿(mào)小區(qū)，生產(chǎn)許可證編號(hào)：SC10514072701583.對(duì)牛奶稀釋250、300、350、400、450倍，測(cè)量牛奶的吸光度，得出牛奶的吸光度與稀釋倍數(shù)的關(guān)系圖，如圖6所示.

圖6 稀釋后牛奶的吸光度與稀釋倍數(shù)的關(guān)系

圖6給出了不同稀釋倍數(shù)牛奶的吸光度，實(shí)驗(yàn)測(cè)量透射光的強(qiáng)度，并結(jié)合(5)式，獲得其對(duì)應(yīng)的濁度，如圖7所示.

圖7 稀釋后牛奶的吸光度與濁度的關(guān)系

從圖7可以看出，數(shù)據(jù)點(diǎn)處于有效測(cè)量范圍內(nèi)，且呈直線，吸光度隨濁度的增大而增大，根據(jù)牛奶吸光度得出牛奶濁度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，牛奶稀釋150～500倍時(shí)，牛奶溶液濁度與其濃度保持線性關(guān)系.

2.3.2 不同濃度沙土懸浮液的濁度

在陜西科技大學(xué)校園獲取沙土樣本，每次稱取一定量用研缽進(jìn)行搗碎的土壤，分析天平稱沙土質(zhì)量，并與純凈水?dāng)嚢韬蠓胖靡欢螘r(shí)間形成沙土懸浮液.對(duì)沙土懸浮液濃度進(jìn)行等間距測(cè)量.得出沙土懸浮液吸光度與濃度關(guān)系圖，如圖8所示.

圖8 沙土懸濁液吸光度與濃度關(guān)系圖

從圖8可看出,沙土懸浮液吸光度與濃度呈線性關(guān)系，符合標(biāo)準(zhǔn)濁液的適用測(cè)量范圍.對(duì)沙土懸浮液濃度進(jìn)行等間距測(cè)量，結(jié)果如圖9所示.

從圖9可以看出，本次測(cè)量基本符合標(biāo)準(zhǔn)且為一條直線.其中兩個(gè)點(diǎn)處在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，能根據(jù)測(cè)量沙土懸浮液的吸光度，得出沙土懸浮液對(duì)應(yīng)濁度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)方法在沙土懸浮液濁度測(cè)量中，沙土濃度在小于5×10-3g·mL-1的區(qū)間有較好的測(cè)量精度.

圖9 沙土懸浮液的吸光度與濁度的關(guān)系

2.4 誤差討論

從實(shí)驗(yàn)分析，影響本研究測(cè)量精度的因素包括激光器功率的穩(wěn)定性、光功率計(jì)的精度等.本研究采用的光功率計(jì)探測(cè)不到激光器輸出功率的變化，因此，可不考慮激光器穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響.為了減小系統(tǒng)誤差，用濁液的透射功率測(cè)量值扣除比色皿本底透射功率，便可減小比色皿吸光引入的系統(tǒng)誤差.此外，為提高光功率計(jì)測(cè)量透射光功率的精度，采用多次測(cè)量均取平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

3 結(jié)論

本論文基于透射光強(qiáng)比的物理光學(xué)方法測(cè)量溶液的濁度.用福爾馬肼標(biāo)準(zhǔn)懸濁液校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)，得出光強(qiáng)比與對(duì)應(yīng)濁度之間的函數(shù)關(guān)系，為測(cè)量未知濁液定標(biāo).通過實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，本測(cè)量系統(tǒng)對(duì)濁度在100～400 NTU測(cè)量時(shí)，吸光度與濁度之間存在線性關(guān)系.實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同濃度的牛奶及沙土懸浮液的吸光度，通過標(biāo)定的吸光度和濁度之間的關(guān)系，得到稀釋牛奶及沙土懸浮液的濁度.本研究的測(cè)量方法適用于濁度范圍在100～400 NTU之間的各種濁液，測(cè)量裝置相對(duì)簡(jiǎn)單，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景.