Vài nét tóm tắt lý thuyết về độ đục

Giới thiệu và định nghĩa
Độ đục, được hiểu là một đặc tính của chất rắn làm cản trở sự truyền ánh sáng trong nước, là một chỉ thị quan trọng cho chất lượng nước. Độ đục có thể được dùng để phân loại độ trong của nước và thường được dùng để chỉ thị sự hiện diện của chất rắn lơ lửng, bị phân tán; các hạt không hòa tan hoàn toàn trong dung dịch như đất bùn, sét, tảo và các vi sinh vật khác; các vật chất hữu cơ và các hạt nhỏ khác. Độ đục không đo trực tiếp nồng độ các hạt lơ lửng trong nước nhưng đo sự phân tán ánh sáng gây ra bởi các hạt đó.
Mức độ chấp nhận sự tồn tại của các chất rắn lơ lửng rất rộng và khác biệt tùy theo từng điều kiện. Chẳng hạn trong công nghiệp làm mát nước, có thể tồn tại lượng chất rắn lơ lửng rất cao mà không gây bất cứ một vấn đề nghiêm trọng nào. Tuy nhiên trong nồi hơi áp suất cao thì nước phải hoàn toàn không có chất cặn. Chất rắn trong nước uống là nơi cư trú của các vi khuẩn gây bệnh phát triển và do đó làm giảm hiệu quả khử trùng nước bằng quá trình clo hóa, kết quả là gây nguy hiểm đến sức khỏe con người. Trong hầu hết các việc cung cấp nước, chất lơ lửng nhiều gây mất mỹ quan và có thể gây cản trở trong các thí nghiệm sinh hóa.

Lý thuyết về sự phân tán ánh sáng
Rất đơn giản, tính quang học được trình bày theo độ đục là sự tương tác giữa ánh sáng và các hạt lơ lửng trong nước. Một tia sáng tới chiếu qua mẫu nước trong hoàn toàn thì được nguyên vẹn không bị tán xạ, dù là cơ bản các phân tử trong dung dịch tinh khiết cũng sẽ phân tán ánh sáng theo một góc nhỏ. Vì thế không có một dung dịch nào cho kết quả độ đục bằng zero. Trong các mẫu có chứa chất rắn lơ lửng thì cách thức phát tán ánh sáng sẽ phụ thuộc vào kích thước, hình dáng và thành phần của các hạt tương tác với bước sóng ánh sáng (màu) của tia sáng tới.
Một hạt nhỏ thì tương tác với tia tới bằng cách hấp thụ một phần năng lượng của ánh sáng và sau đó bản thân nó được coi như một điểm sáng sẽ phát ra ánh sáng theo mọi hướng. Sự bức xạ theo mọi hướng này tạo nên hiện tượng phân tán ánh sáng từ tia tới. Sự phân bố không gian của ánh sáng phát tán phụ thuộc vào tỉ lệ giữa kích thước hạt với bước sóng của tia tới. Các hạt càng nhỏ so với bước sóng thì cho phân bố đối xứng, lượng ánh sáng phát tán gần như bằng nhau theo hai phía trước và sau (Hình 1). Khi kích thước hạt tăng so với bước sóng, ánh sáng phát tán từ các điểm khác nhau của hạt tạo nên phần giao thoa về phía trước, sự chống lấp ánh sáng phát tán ở phía trước của hạt thì có cường độ lớn hơn so với các hướng khác (Hình 2 và 3).

Ngoài ra các hạt nhỏ phát tán các bước sóng ngắn (màu xanh) mạnh hơn và chỉ tác động rất nhỏ đối với bước sóng ánh sáng dài (màu đỏ). Trái lại, những hạt lớn thì dể phát tán ánh sáng có bước sóng dài hơn sóng ngắn. Hình dạng hạt và chỉ số khúc xạ cũng tác động tới sự tán xạ và cường độ của chúng. Các hạt hình cầu cho thấy tì lệ phát tán về phía trước cao hơn phía sau so với các hạt hình que hay hình xoắn. Chỉ số khúc xạ của hạt là phép đo bao nhiêu ánh sáng bị phản xạ lại khi đi từ môi trường này sang môi trường khác. Chỉ số này khác với chỉ số khúc xạ của chất lỏng để thấy được ánh sáng phát tán. Khi sự khác nhau giữa chỉ số khúc xạ của hạt lơ lửng và chất lỏng của mẫu phân tích tăng, sự phát tán sẽ mạnh hơn. Độ màu của mẫu và của chất rắn lơ lửng cũng quan trọng trong nhận biết ánh sáng phát tán. Các chất có màu hấp thu năng lượng ánh sáng trong một dãy quang phổ hẹp làm thay đổi tính chất truyền quang và tán xạ làm cản trở một phần ánh sáng phát tán tới hệ thống nhận biết (detector).
Cường độ phát tán ánh sáng tăng theo nồng độ hạt. Khi nồng độ hạt vượt quá một ngưỡng nào đó, khả năng phát hiện ánh sáng phát tán và ánh sáng truyền qua sẽ bị giảm, đánh dấu mức giới hạn trên trong khả năng đo độ đục. Giảm khoảng cách đường truyền ánh sáng qua mẫu sẽ giảm số lượng hạt giữa nguồn sáng và bộ phận cảm biến ánh sáng và do đó tăng thêm được giới hạn trên của phép đo.

Hình 1
Kích thước: nhỏ hơn 1/10 bước sóng ánh sáng
Mô tả: tán xạ đối xứng

Hình 2

Kích thước: gần bằng ¼ bước sóng ánh sáng
Mô tả: tán xạ tập trung vế phía trước

Hình 3

Kích thước: lớn hơn ¼ bước sóng ánh sáng
Mô tả: mức độ tán xạ tập trung lớn vế phía trước


Mô tả chung về máy đo độ đục

Bộ phận quang học của thiết bị bao gồm một đèn, thấu kính và bộ lọc để hội tụ ánh sáng và một detector góc 90o để quan trắc ánh sáng phát tán, một detector cho ánh sáng phát tán về phía trước, một detector cho ánh sáng truyền qua và một detector cho phát tán phía sau. Những detector quang học này có thể được đặt thêm vô để giảm tác động do màu sắc, ánh sáng lạc, đèn và các phần quang học khác.

Huyền phù tiêu chuẩn chính

Theo định nghĩa trong hóa học của dung dịch tiêu chuẩn chính là dung dịch tiêu chuẩn được chuẩn bị bởi người sử dụng và từ chất đánh dấu thô. Formazin đạt các yêu cầu này bằng cách cân chính xác và hòa tan 5.000 g hydrazin sunfat với 50.0 g hexamethylenetetramine trong 1 L nước cất. Dung dịch sẽ có màu trắng sau khi để yên tại 25 °C trong 48 giờ và có thể chuẩn bị thêm tương tự với độ chính xác là ±1%. Dung dịch này tương đương mẫu có độ đục 4000 NTU. Dựa vào xác suất độ lặp lại của phân tán ánh sáng trắng theo góc 90o trong mẫu chuẩn formazin polime, các thiết bị thiết với đèn dây tóc tungsten truyền thống cho ánh sáng trắng có thể được hiệu chuẩn với độ chính xác và độ lặp lại cao.