探究水质中悬浮物与浊度的关系
吕炎 刘翔 张艳艳 唐世旭 朱湘鸿
(万华化学(宁波)有限公司,浙江省 宁波市 315812)
悬浮物是指悬浮在水体中、无法通过0.45微米滤纸或过滤器的有机和无机颗粒物。水中的悬浮物质是颗粒直径约在0.1μm-100μm之间的微粒。肉眼可见。这些微粒主要是由泥沙、粘土、原生动物、藻类、细菌、病毒、以及高分子 有机物等组成,常常悬浮在水流之中。有机类大多数是碎屑颗粒,它们是由碳水化合物 、蛋白质、类脂物等所组成。无机类主要包括陆源矿物碎屑(如石英、长石、碳酸盐和粘土)、水生矿物(如沉淀的海绿石和钙十字石等硅酸盐类、碳)。
水质中悬浮物测定重量法主要采用抽滤装置,水质中的不可滤残渣通过孔径0.45μm的滤膜,截留在滤膜上并于103~105℃烘干至恒重的固体物质,采用天平称取截留下的固体物质重量,通过对应公式计算即为水质中悬浮物含量。
光学法测量原理是基于复合的红外吸收散射光处理工艺,测量悬浮固体物质时,检测器接收是在90°和120°的角度上的散色光强度。
哈希DR6000分光光度仪具备水质悬浮物光学法测定条件,仪器在810nm波长下进行测定,测定范围为0-750mg/L。
水质中浊度测定主要采用浊度计法完成,主要有透射光式、散射光式和透射散射光式等方式。其原理为,当光线照射到液面上,入射光强、透射光强、散射光强相互之间比值和水样浊度之间存在一定的相互关系,通过测定透射光强、散射光强和入射光强,或透射光强和散射光强的比值来测定水样的浊度。
光源(发光二极管)发出的光束射入水样,水样中的浊度物质会使光的强度衰减,此光穿过待测液体并被光敏晶体管接收转换,得到的电信号驱动仪器的后置电路,指示出液体的浑浊程度。光强的衰减程度与水样的浊度之间的关系如下表示:
式中:
I—透射光发光强度,cd;
I0—入射光发光强度,cd;
K—比例常数;
d—浊度, NTU;
l—水样透过深度,mm。
光束射入水样时,由于水样中浊度物质使光产生散射,通过测量与入射光垂直方向的散射光强度,即可测出水样中的浊度,与入射光成90°方向散射光强度符合雷莱公式:
式中:
I—散射光强度,cd;
K—系数常数;
N—单位容积的微粒数,NA;
V—微粒体积,L·mol-1;
λ—入射光波长,nm;
I0—入射光强度,cd。
在一定条件下,系数常数K′与单位容积微粒的总数成正比,即与浊度成正比:
式中:
K′—系数常数;
T—水浊度,NTU。
在入射光I0 不变的情况下,散射光强度I与浊度成正比,浊度测量转化为散射光强度的测量。光源与光电接收器件集成在密封的探头中,使得入射光经过水中颗粒的散射,被与它成90°角的光电接收器件接收后,可测出水样的浊度。
当光源发出的发光强度为I0 的光通过水样时,由于水样中悬浮固体和杂质的吸收和散射作用,使穿过水样的透射光发光强度减弱到IT,发光强度的减弱符合朗伯-比耳定律,公式如下:
式中:
IT—透射光发光强度,cd;
I0—入射光发光强度,cd;
τ—与发光强度无关的衰减系数;
L—透射光程,mm。
水样颗粒物质与光相互作用时,产生的散射光发光强度及其在空间的分布与微粒直径大小、微粒折射率、入射光发光强度等诸多因素有关。利用瑞利散射原理和米氏散射原理,散射光与入射光的关系式为:
式中:
IS—散射光发光强度,cd;
α—与散射函数有关的系数;
N—水样中含有的颗粒个数,与浊度成正比,mol;
l—散射光程,mm。
同时测量投射于水样光束的透射光和散射光强度,再按这两者光强度比值测量其浊度大小:
由上式可见,浊度与α以及散射透射光程比有关,而α和l/L都是被精确固定的,消除了由于LED光源老化以及不稳定对浊度测量的影响,有效地提高了测量准确度。测量仪器由光源、光电检测设备以及电子放大与计算机数据处理、控制系统等组成。光源发出的光通过测量水样,到达光电检测设备后被接受而转化为电信号,同时测量水样中的样品在光照下产生散射,散射光被与入射光线成90°放置的另一光电检测器接受并转化为电信号。两信号经电子放大后进入电子处理系统,两信号分别随样品浊度增加分别减小和增大,系统将两信号进行计算得到样品的浊度。
1) 透射光式浊度测量法:原理简单,测量低浊度水样时,大部分光都直接透射,微小的浊度变化引起的透射光变化小,所以透射光方法不适合测量低浊度;而水样中浓度较高的杂质和微粒能使透射光信号衰减更加明显,其适用于测量高浊度水样。
2) 散射光式浊度测量法:对于低浊度水样,光对微粒的散射作用更加明显,并且在此范围内散射光曲线线性较透射光好,散射光式浊度测量法在低浊度测量时具有较高的准确度和灵敏度。当液体的浊度超过一定界限时,会发生多次散射现象,使散射光强度迅速下降,因此不适用于高浊度液体。
3) 透射光-散射光比较测量法:能同时测量投射于水样光束的透射光和散射光强度,再按两者光强度比值测量其浊度大小,其理论基于朗伯-比耳定律和散射定律,消除光源老化对测量准确度的影响能有效提高测量准确度。 但是散射光和透射光之比不具有严格的线性关系,只是在一定的浊度范围内有近似线性的关系,浊度的测量范围有一定的局限性。
4.1.1水质悬浮物光学法与重量法实验数据统计
表1:雨水井样品悬浮物光学法与重量法实验数据(部分)统计表
序号 | 重量法/mg/L | 光度法/mg/L | 相对偏差/% | 外观描述 |
1 | 16 | 15 | 3.23 | 无色透明 |
2 | 4 | 4 | 0.00 | 无色透明 |
3 | 22 | 23 | -2.22 | 微黄微混 |
4 | 27 | 40 | -19.40 | 微黄微混无沉淀 |
5 | 11 | 11 | 0.00 | 无色透明 |
6 | 35 | 47 | -14.63 | 微黄微混无沉淀 |
7 | 10 | 11 | -4.76 | 无色透明 |
8 | 61 | 98 | -23.27 | 微黄微混无沉淀 |
9 | 66 | 91 | -15.92 | 微黄微混无沉淀 |
10 | 21 | 11 | 31.25 | 无色透明,底部有少量泥沙沉淀 |
11 | 269 | 123 | 37.24 | 微黄微混有沉淀 |
12 | 12 | 13 | -4.00 | 无色透明 |
13 | 42 | 18 | 40.00 | 无色透明,底部有少量泥沙沉淀 |
14 | 6 | 3 | 33.33 | 无色透明 |
15 | 32 | 40 | 11.11 | 微黄有絮状沉淀 |
16 | 7 | 9 | 12.50 | 无色透明 |
4.1.2 数据分析
结合Minitab软件对以上汇总数据进行统计分析,如下:
图1: 雨排口样品悬浮物测定方法配对t检验诊断报告
图2: 雨排口样品悬浮物测定方法配对t检验汇总报告
4.1.3 实验结论分析
水质中浊度目前主要采用浊度计进行分析,实验室采用散射光式测定法分析浊度,且上文中也介绍到水质悬浮物光度法也是采用光散射原理,收集90°和120°散射光完成分析,两种方法间存在一定的关联性,因此通过实验探究两方法之间的关系。
5.1.1 雨排口数据统计
采用雨排口样品进行分析,收集悬浮物计浊度数据后进行分析讨论,共完成59组数据,部分数据如下:
表2:雨水井样品悬浮物(光学法)与浊度实验数据(部分)统计表
序号 | 悬浮物(光度法)/mg/L | 浊度/NTU |
1 | 216 | 160 |
2 | 63 | 39.5 |
3 | 9 | 7.5 |
4 | 156 | 117 |
5 | 47 | 32.9 |
6 | 125 | 82.2 |
7 | 14 | 11.1 |
8 | 15 | 7.47 |
9 | 4 | 2.06 |
10 | 23 | 20.9 |
11 | 40 | 29.9 |
12 | 11 | 6.66 |
13 | 47 | 33 |
14 | 11 | 7.3 |
15 | 98 | 60.4 |
16 | 91 | 57.9 |
5.1.2 数据分析
图3:雨水井样品中悬浮物(光度法)与浊度关系回归预测报告
图4:雨水井样品中悬浮物(光度法)与浊度关系汇总报告
5.2.1 雨排口数据统计
表3:污泥样品悬浮物(光学法)与浊度实验数据统计表
序号 | 悬浮物(光度法)/mg/L | 浊度/NTU |
1 | 9 | 3.24 |
2 | 10 | 3.87 |
3 | 21 | 7.64 |
4 | 30 | 11.8 |
5 | 41 | 14.7 |
6 | 49 | 17.8 |
7 | 71 | 25.2 |
8 | 79 | 28 |
9 | 100 | 35.2 |
10 | 125 | 43.4 |
5.2.2 数据分析
图5:污泥样品中悬浮物(光度法)与浊度关系预测模型
图6:污泥样品中悬浮物(光度法)与浊度关系汇总报告
6.实验总结
⑴ 水质中浊度测定与悬浮物(光度法)测定均为光学仪器法,且测定原理均采用光的散射作用,测定过程中主要受到水中悬浮颗粒粒径大小、泥沙颜色计样品中气泡等影响,导致测定结果存在一定的偏差。
⑵ 悬浮物重量法分析和光度法分析数据之间无显著差异,光度法可以用于水质悬浮物的测定,且数据准确性有保障。
⑶水质中悬浮物(光度法)与浊度之间存在显著的线性正相关, 保障样品中悬浮物种类单一, 样品的悬浮物(光度法)与浊度之间成线性正相关。
7.参考文献
[1]《哈希浊度仪2100N说明书》.
[2]《哈希DR6000分光光度计说明书》.
[3]《哈希TSS Portable手持式浊度和悬浮物测定仪用户操作手册》(HJ/T 44-1999).