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水浊度的光学式测量 一、 浊度测量的概念是通过测量水浊度的方法计算的一个样品,主要考 云是光学效应的结果。这是光和溶液中颗粒相互作用的结果，它表示光线通过水层的程度。而光线在水溶液中的透射和散射是一种非常简单的水质的物理参数, 浊度是描述液体里的悬浮固体, 但是, 并不是直接测量它, 浊度测量的是样品的透射光的量或散射光的量, 透射光强度越小或散射光强度越大, 表征水溶液的浊度越大。浊度值是水样中存在的所有物质作用的结果, 从某种意义上讲, 通过标准化的分析方法, 浊度测量完全可以成为定量分析。 浊度计是测定水浊度的装置。有透射光式、散射光式和透射散射光式等, 通称为光学式浊度计。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。光学式浊度计有用于实验室的, 也有用于现场进行自动连续测定的。 二、 浊度基本测量方法 目前, 浊度测量方法按光接收方式主要分为透射光式浊度测量法、散射光式浊度测量法、透射光-散射光比较测量法3种。 1. 液体光催化染料的后置电路 从光源 (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可用式 (1) 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。透射光式浊度测量法测量浊度, 方法比较简便, 其原理如图1所示。 2. 光催化机制及用量t 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;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, 系数与单位容积微粒的总数成正比, 即与浊度成正比: 式中:K′——另一个系数;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, 即可测出水样的浊度, 其原理如图2所示。 3. 散射光的测量 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: 由式 (6) 可见, 浊度只与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输入计算机系统, 两信号分别随样品浊度的增加分别减小和增大, 计算机将两信号进行适当的计算得到样品的浊度值并显示在液晶屏上。测量原理如图3所示。 三、3 结果应用和测量仪器 透射光式浊度测量法原理简单, 但在测量低浊度水样时, 由于大部分的光都直接透射了, 微小的浊度变化引起的透射光变化是相当小的。变化率很小对光电接收和放大器件的分辨力和稳定性要求非常高, 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。 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。在散射光式浊度测量法中,