Turbidez

La turbidez, una medida de grado de transparencia en líquidos, ha sido reconocida como un indicador simple y básico de la calidad del agua. Se ha utilizado para controlar el agua potable, incluida la producida por filtración durante décadas. La medición de la turbidez implica el uso de un haz de luz, con características definidas, para determinar la presencia semicuantitativa de material particulado presente en el agua u otra muestra de fluido. El haz de luz se conoce como el haz de luz incidente. El material presente en el agua hace que el haz de luz incidente se disperse y esta luz dispersa se detecta y cuantifica en relación con un patrón de calibración rastreable. Cuanto mayor sea la cantidad de material particulado contenido en una muestra, mayor será la dispersión del haz de luz incidente y mayor será la turbidez resultante.

Cualquier partícula dentro de una muestra que pase a través de una fuente de luz incidente definida (a menudo una lámpara incandescente, diodo emisor de luz (LED) o diodo láser) puede contribuir a la turbidez general de la muestra. El objetivo de la filtración es eliminar las partículas de cualquier muestra dada. Cuando los sistemas de filtración funcionan correctamente y se monitorean con un turbidímetro, la turbidez del efluente se caracterizará por una medición baja y estable. Algunos turbidímetros se vuelven menos efectivos en aguas súper limpias, donde los tamaños de partículas y los niveles de recuento de partículas son muy bajos. Para aquellos turbidímetros que carecen de sensibilidad en estos niveles bajos, los cambios de turbidez que resultan de una ruptura del filtro pueden ser tan pequeños que se vuelven indistinguibles del ruido de referencia de turbidez del instrumento. Este ruido de referencia tiene varias fuentes, incluido el ruido inherente del instrumento (ruido electrónico), la luz parásita del instrumento, el ruido de muestra y el ruido en la fuente de luz misma. Estas interferencias son aditivas y se convierten en la fuente principal de respuestas de turbidez positivas falsas y pueden afectar negativamente el límite de detección del instrumento.

En A lo largo de la última década, han surgido nuevas técnicas basadas en láser en el análisis de turbidez y han demostrado ser un método más sensible para monitorear el rendimiento del filtro. Estas tecnologías basadas en láser pueden identificar problemas de integridad de filtración antes y con mejores niveles de detección. Los turbidímetros láser abordan mejor la necesidad de un análisis de turbidez de bajo nivel en muestras de agua más limpia, ya que poseen diseños ópticos mejorados que producen una mayor sensibilidad y estabilidad de la línea base.

El turbidímetro láser utiliza una fuente de luz basada en láser altamente colimada (luz cuyos rayos son paralelos) que es principalmente monocromática. Las características de esta fuente de luz permiten que la energía de la luz se concentre y se enfoque en un volumen muy pequeño dentro de la cámara de muestra en cada instrumento. Esta combinación proporciona un haz incidente con una alta densidad de potencia, que se dispersa eficientemente por partículas dentro de una muestra. El detector también es de mayor sensibilidad y proporciona una mayor respuesta a la luz dispersa. Preferiblemente, el pico del espectro de respuesta del detector debería solaparse completamente con el espectro emitido por la fuente de luz incidente para generar la máxima sensibilidad óptica. Esta combinación de sensibilidad del detector, fuente de luz colimada y la alta densidad de potencia de la luz incidente proporciona una relación señal-ruido muy alta para el turbidímetro láser. Esta relación señal / ruido mejora la sensibilidad para detectar cambios muy pequeños en la turbidez que se pueden distinguir de una línea de base de medición. En otras palabras, una alta relación señal-ruido es una indicación de un turbidímetro sensible.

Los turbidímetros láser y otros instrumentos que proporcionan altas relaciones señal / ruido producirán niveles de referencia de medición extremadamente estables en comparación con los turbidímetros tradicionales. Las líneas de base estables permiten la detección de cambios muy finos en la turbidez dentro de una muestra que de otra manera no se distinguiría con los turbidímetros convencionales. Además, esta línea de base puede caracterizarse en términos de estabilidad y luego servir como un parámetro de análisis adicional. Este parámetro complementaría la tendencia direccional del valor de medición de turbidez en sí.

La llegada de los turbidímetros láser ha mejorado la detección de deficiencias de integridad de filtración. Estos instrumentos poseen cualidades ópticas altamente mejoradas para producir un sistema de medición de proceso muy estable. Esta estabilidad mejorada proporciona información adicional que puede descifrarse a partir de la medición de turbidez del láser. Es importante comprender que la turbidez es una medición basada en el método y que solo las mediciones de turbidez derivadas de la misma metodología deben compararse cuantitativamente utilizando especificaciones de precisión. La diferencia en los valores de turbidez absoluta puede indicar un desplazamiento entre los dos métodos, que también puede variar según la calibración. Esta condición siempre debe considerarse cuando se realiza la comparación entre las mediciones de turbidez. Además, el valor de la calibración y la verificación de la calibración en las mediciones de turbidez no se pueden sobreestimar. La calidad de la calibración depende de la calidad de los estándares, que juegan un papel crucial en el establecimiento y la verificación de la calidad de la medición de turbidez.

El tema de los estándares en la medición turbidimétrica se complica en parte por la variedad de tipos de estándares de uso común y aceptables para propósitos de informes por parte de organizaciones como la USEPA y los Métodos estándar, y en parte por la terminología o definición que se les aplica. En la 19ª Edición de Métodos estándar para el examen de agua y aguas residuales, se hizo una aclaración al definir estándares primarios versus secundarios. Los métodos estándar definen un estándar primario como uno preparado por el usuario a partir de materias primas rastreables, utilizando metodologías precisas y bajo condiciones ambientales controladas. En turbidez, la formacina es el único estándar primario verdadero reconocido y todos los demás estándares se remontan a la formacina. Además, los algoritmos y especificaciones de los instrumentos para turbidímetros deben diseñarse en torno a este estándar primario.

Los métodos estándar ahora definen estándares secundarios como aquellos estándares que un fabricante (o una organización de prueba independiente) ha certificado para dar resultados de calibración del instrumento equivalentes (dentro de ciertos límites) a los resultados obtenidos cuando un instrumento se calibra con estándares de formacina preparados por el usuario (estándares primarios). Se encuentran disponibles varios estándares que son adecuados para la calibración, incluyendo suspensiones de stock comerciales de 4.000 NTU de formacina, suspensiones de formacina estabilizada (estándares de formacina estabilizada StablCal ™, que también se conoce como estándares StablCal, soluciones StablCal o StablCal) y suspensiones comerciales de microesferas de copolímero de estireno divinil benceno.

Al momento de escribir este artículo, los elementos de verificación de calibración suministrados por los fabricantes de instrumentos, como las celdas de muestra selladas llenas con una suspensión de látex o con partículas de óxido metálico en gel de polímero, se usan para verificar una calibración y no se usan para realizar calibraciones de instrumentos. Si existe una discrepancia en la precisión de un estándar o un instrumento, los estándares primarios (es decir, formacina preparado por el usuario) se utilizarán para regular la validez del problema.

Las normas primarias también se utilizan para medir y determinar el valor de todas las demás normas. Según la definición de USEPA, se utilizan estándares secundarios para verificar la calibración de un turbidímetro. Sin embargo, los estándares secundarios no deben usarse para calibrar instrumentos. Los ejemplos de estos estándares incluyen geles de óxido de metal, látex y cualquier estándar no acuoso que esté definido para monitorear las calibraciones en el día a día. Este uso depende del diseño del estándar. Por otro lado, los estándares Formacina, StablCal y Amco AEPA-1 Alternative están diseñados para calibrar los instrumentos.

Se ha desarrollado un nuevo estándar de turbidez para su uso en la calibración o verificación del rendimiento de cualquier turbidímetro. Los estándares de formacina estabilizada StablCal contienen el mismo polímero de dispersión de luz que los estándares de turbidez primaria de formacina tradicional. Al usar una matriz diferente, el polímero en los estándares StablCal no se deteriorará con el tiempo, como es el caso con los estándares de formacina de baja turbidez. Debido a esta estabilidad mejorada, los estándares StablCal de cualquier concentración de hasta 4,000 NTU se pueden fabricar y empaquetar en formatos listos para usar. Por lo tanto, se ahorra tiempo y se minimiza la exposición directa al estándar.

Los estándares de formacina estabilizada StablCal han demostrado ser estables y leídos comparables a los estándares de formacina recién preparados tradicionales. Se ha demostrado que los estándares en el rango de 0,30 a 4,000 NTU permanecen dentro del 5 por ciento de sus valores de preparación originales durante un mínimo de dos años. Desde el punto de vista de la comparabilidad, los estándares StablCal se pueden usar indistintamente como estándares de calibración en cualquier turbidímetro con diferencias muy mínimas en la respuesta del instrumento. La estabilización de la formacina ha resultado en el desarrollo de los estándares StablCal. Estos estándares sirven como soluciones a los problemas asociados con los estándares tradicionales de formacina. Esta estabilización permite que estos estándares se empaqueten en estructuras que reducen en gran medida cualquier tipo de exposición potencial al usuario del estándar. Además, al comparar StablCal con los estándares de formacina tradicionales de igual concentración, los estudios han demostrado que el sulfato de hidracina residual en StablCal se reduce en dos o tres órdenes de magnitud. La estabilización de la formacina en los estándares StablCal proporciona al usuario estándares listos para usar, y ahora se elimina la gran cantidad de tiempo requerido para preparar los estándares tradicionales de formacina de baja turbidez. Los usuarios pueden tomar estos estándares estabilizados y usarlos en el campo, y al mismo tiempo estar seguros de que los estándares son precisos y repetibles en estos entornos que no son de laboratorio.

Las mediciones de turbidez ultra alta son generalmente mediciones de turbidez en las que la dispersión de luz nefelométrica ya no se puede utilizar para evaluar la concentración de partículas en las muestras. En una muestra con una longitud de ruta de medición de 1 pulgada, las señales de dispersión de luz nefelométrica comienzan a disminuir a turbideces superiores a 2000 NTU. En este punto, un aumento en la turbidez dará como resultado una disminución en la señal nefelométrica.

Sin embargo, se pueden usar otras mediciones para determinar la turbidez de tales muestras. Tres de estos son métodos de transmisión, dispersión directa y dispersión inversa. Las señales transmitidas y de dispersión directa son inversamente proporcionales al aumento de la turbidez y dan una buena respuesta a 4.000 NTU. Por encima de 4.000 NTU (cuando se utiliza la ruta estándar de 1 pulgada), las señales transmitidas y de dispersión directa son tan bajas que el ruido del instrumento se convierte en un factor de interferencia importante. Por otro lado, las señales de retrodispersión aumentarán proporcionalmente con los aumentos en la turbidez. Se ha determinado que las mediciones de dispersión inversa son altamente efectivas para determinar la turbidez específicamente en el rango de 1,000 a 10,000 NTU (y más). Por debajo de 1,000 NTU, los niveles de señal de dispersión inversa son muy bajos y el ruido del instrumento comienza a interferir con las mediciones. Con una combinación de detectores, la turbidez ahora se puede medir desde niveles muy bajos hasta niveles muy altos.

Este tipo de medición se conoce como razón de turbidimetría. La relación de configuración óptica del turbidímetro es la clave de varias características de rendimiento. Entre ellos se encuentran una buena estabilidad, linealidad, sensibilidad, baja luz parásita y rechazo de color. En un instrumento Ratio, un gran detector de luz transmitida mide la luz que pasa a través de la muestra. Un filtro de densidad neutra atenúa la luz incidente en este detector y la combinación se inclina a 45 grados con respecto a la luz incidente, de modo que los reflejos de la superficie del filtro y el detector no entren en el área de la celda de muestra. Un detector de dispersión directa mide la luz dispersada a 30 grados de la dirección transmitida. Un detector a 90 grados nominales a la dirección de avance mide la luz dispersada desde la muestra normal al haz incidente. Y un cuarto detector de dispersión posterior mide la luz dispersada a 138 grados nominales desde la dirección transmitida. Este detector "ve" la luz dispersada por muestras muy turbias cuando los otros detectores ya no producen una señal lineal. Las señales de cada uno de estos detectores se combinan matemáticamente para calcular la turbidez de una muestra.

El uso de la medición de turbidez ultra alta tiene muchas aplicaciones. Se usa en el monitoreo del contenido de grasa en la leche, componentes de resina de pintura como dióxido de titanio, soluciones de licores en fábricas de procesamiento de pulpa y papel, y lodos de mineral en operaciones de molienda.

Las mediciones de turbidez ultra alta se utilizan generalmente como un mecanismo para monitorear el control del proceso, ya sea directamente o como un sustituto del largo análisis gravimétrico para sólidos suspendidos totales (TSS). Es necesario establecer una correlación entre la turbidez y el TSS de la muestra. Si existe tal correlación, entonces se puede usar un turbidímetro para monitorear los cambios de TSS en una muestra, lo que resulta en un análisis rápido. El usuario primero debe determinar la relación de la turbidez con las condiciones variables en el flujo del proceso. Al determinar esta relación, se realizan diluciones de la muestra y se mide la turbidez y el TSS de cada dilución. Luego se hace una gráfica de turbidez (eje y) versus cada dilución correspondiente (eje x). La pendiente de la línea de mejor ajuste indicará la naturaleza de esta relación. El tiempo de respuesta a un cambio en el TSS de un proceso puede reducirse de horas a segundos con el uso de un turbidímetro.