Ứng dụng Máy đo độ đục trong môi trường

Máy đo độ đục trong kiểm soát chất lượng nước

Theo khoa học, độ đục gây ra bởi hiện tượng tương tác giữa ánh sáng và các chất lơ lửng trong nước như cát, sét, tảo và những vi sinh vật và chất hữu cơ có trong nước. Các chất rắn lơ lửng phân tán ánh sáng hoặc hấp thụ chúng và phát xạ trở lại với cách thức tùy thuộc vào kích thước, hình dạng và thành phần của các hạt lơ lửng. Máy đo độ đục được ứng dụng vào để phản ánh sự thay đổi về loại, kích thước và nồng độ của các hạt có trong mẫu. Độ đục không đo số lượng của chất rắn lơ lửng trong mẫu nhưng thay vào đó là một phép đo kết hợp ảnh hưởng tán xạ từ một nguồn sáng đặc biệt bởi chất rắn lơ lửng để phản ánh độ đục của mẫu. Mặc dù không trực tiếp đo đạc số lượng chất rắn lơ lửng nhưng độ đục có thể được xem là chỉ thị cho chất lượng nước thông thường nhất cho quá trình xử lý ngay từ lúc bắt đầu. Kết quả đo giúp ta đánh giá được hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ của quá trình làm sạch và tác động của các hạt trong vai trò là chỗ cư trú của các mầm vi sinh vật nguy hại. Những người vận hành được hỗ trợ bởi các Máy đo độ đục cải tiến để đánh giá trực tiếp hoặc liên tục sự thay đổi của các hạt lơ lửng trong dòng chảy vào và trong suốt quá trình lọc hay rửa ngược. Dựa vào đó họ cũng có thể biết được một quy trình là phù hợp với các phương pháp khác hay không, chẳng hạn như so sánh với thí nghiệm kiểm tra tổng chất rắn lơ lửng theo phương pháp trọng lực.

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

Các tiêu chuẩn thiết kế máy
Hầu hết các Máy đo độ đục hiện đại áp dụng phương pháp đo 90o hay còn gọi là nephelometric, một kỹ thuật dựa vào sự phân tán ánh sáng của các hạt lơ lửng ở góc 90o so với phương ánh sáng chiếu tới, đó là vị trí nhạy nhất không bị phụ thuộc vào kích thước của hạt. Đơn vị đo độ đục là Nepholometric turbidity units (NTU) và không thể so sánh trực tiếp với độ hấp thụ ánh sáng hay độ truyền sáng đo từ các máy đo ánh sáng mục đích thông thường. Phụ thuộc vào từng loại, các máy đo độ đục sử dụng một dãy nguồn sáng rộng với các bước sóng khác nhau, mỗi ánh sáng có bước sóng khác nhau sẽ tương tác với các hạt lơ lửng theo cách thức khác nhau. Các thiết bị đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế của US EPA phương pháp 180.1 (Hiệp hội bảo vệ môi trường Hoa Kỳ) đòi hỏi phải nhạy hơn với tất cả các hạt có kích thước nhỏ so với các thiết bị đạt tiêu chuẩn thiết kế của ISO 7027. Tuy nhiên, các máy theo tiêu chuẩn ISO có bước sóng dài hơn thì sẽ ít nhạy với các mẫu có chất cản trở gây ra bởi màu hòa tan nên các thiết bị này lại được ưa chuộng trong kiểm soát quy trình hơn. Tùy thuộc vào nguồn nước mà người vận hành có thể lựa chọn cả hai loại thiết bị để tối ưu hệ thống lọc. Các thiết bị đo theo kỹ thuật laser thì đủ nhạy để phát hiện các hạt cực nhọn có thể làm hư hệ thống lọc. Các kiểu đầu dò đáp ứng nhanh rất lý tưởng cho việc kiểm soát quá trình rửa ngược, thêm vào đó các máy đếm hạt sẽ giúp xác định tính chất loại hạt cũng như nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống lọc.
 
Đo đạc chính xác
Đo đạc chính xác sẽ hỗ trợ tốt cho việc xác định quy trình. Khi độ đục là 0.1 NTU hay thấp hơn thì chỉ một lượng nhỏ chất ô nhiễm cũng gây ra sai số đáng kể. Người vận hành có thể đạt đến độ chính xác cao cho phép đo tại các mức có độ đục thấp bằng cách tuân thủ nghiêm ngặt theo các bước đơn giản được chỉ dẫn bởi nhà sản xuất.
Ví dụ: Loại trừ các chất cản trở.

Đối với các loại máy đo để bàn, cần giữ môi trường làm việc thật sạch và rửa tay trước khi phân tích mẫu để giảm sai số do chất bẩn bám vào thiết bị và mẫu phân tích. Rửa sạch cái ống nghiệm bằng axit pha loãng và cả bình chứa mẫu, súc rửa nhiều lần bằng nước chưng cất khử ion hóa (DI) hoặc nước đã được lọc qua hệ thống thẩm thấu ngược, sau đó đổ đầy nước DI vào lọ và đậy kín. Trước khi thu thập mẫu, tráng lọ và bình chứa lại nhiều lần với mẫu nước cần phân tích. Đổ mẫu vào thật chậm để tránh tạo bọt khí có thể làm phán tán ánh sáng, dễ gây sai số do tạo hiện tượng giả giống như chất rắn lơ lửng gây ra, sau đó đậy nắp lại thật nhanh. Để ngăn ngừa sự hình thành các bọt khí không nhìn thấy được, cần đặt đứng mẫu từ 1 đến 2 phút để bọt khí bị tách ra hoàn toàn khỏi nước. Hoặc để khử bọt khí, có thể đảo ngược lọ một hay hai lần thật nhẹ và chậm rãi trước khi bắt đầu phân tích để cho các chất hoàn toàn ở trạng thái lơ lửng. Nếu phân tích trong môi trường độ ẩm cao, cần có hệ thống thổi khí cho bộ phận chứa lọ mẫu để loại trừ các ngưng tụ ở thành lọ gây sai số. Cầm lọ mẫu theo đúng hướng dẫn. Đối với quan trắc liên tục, lắp đặt thiệt bị càng gần vị trí đo mẫu càng tốt vì sẽ loại trừ thời gian đáp ứng và sai số do có thêm chất bẩn rơi vãi hay từ không khí gây ra. Kiểm tra thiết bị với bộ phận thu bọt khí và tiêm phá bọt điện tử. Phải chắc chắn thiết bị không bị ảnh hưởng bởi sóng điện từ phát ra từ di động hoặc do từ trường xung quanh nơi lắp đặt thiết bị.

Không nên rút ngắn quy trình bảo trì máy để tiết kiệm trước mắt vì nó sẽ làm tốn kém chi phí nhiều hơn sau này. Một chương trình bảo trì nghiêm ngặt sẽ loại trừ các vấn đề về độ chính xác do sự suy giảm tuổi thọ của đèn, nơi đặt thiết bị thu mẫu và sự nhiễm bẩn bụi lên bộ phận quang học và bề mặt đo đạc.
Tóm lại, tất cả đều phải dựa vào hướng dẫn sử dụng để có được toàn bộ chỉ dẫn về thu thập mẫu và bảo trì máy.

Hiệu chuẩn chính xác
Đối với cả hai phương pháp đo liên tục và kiểm tra tại phòng thí nghiệm, chìa khóa để có thể so sánh kết quả lẫn nhau và phù hợp với tiêu chuẩn là thiết bị phải được hiệu chuẩn chính xác.

Các huyền phù tiêu chuẩn chính dùng trong phép phân tích độ đục
Theo hướng dẫn của USEPA yêu cầu các thiết bị phân tích độ đục cho mục đích lập báo cáo cần phải được hiệu chuẩn với huyền phù tiêu chuẩn ít nhất 3 tháng một lần. Formazin và stabilized formazin polymers dùng trong nước công nghiệp như các huyền phù tiêu chuẩn chính, thường có khả năng tái tạo cao (hoàn toàn ổn định) với kích thước các chất lơ lửng không đồng đều từ 0.01 đến 10 µm. Dãy phân bố này đặc trưng cho các hạt có trong mẫu nước tự nhiên và bắt chước khuếch tán ánh sáng của mẫu.

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 đo độ đục 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.

So sánh các phương pháp hiệu chuẩn
Do các thiết bị khác nhau sẽ có kết quả khác nhau vì thế người sử dụng thường gặp khó khăn trong việc hiệu chuẩn thiết bị cho chính xác so sánh với kết quả đọc từ thiết bị khác. Một số thường hay gặp các lỗi do không chú ý đến các nguyên nhân gây cản trở từ thiết bị (như ánh sáng lạc, bóng khí) khi cố gắng điều chỉnh giá trị đo qua các bộ phận quang học khác nhau. Vì thế hiệu chuẩn theo các giá trị độ đục được cung cấp từ nhà sản xuất với đường hiệu chuẩn đã được thiết lập sẵn và kết hợp với các phương pháp hiệu chuẩn tin cậy sẽ đạt đến độ chính xác cao.

Giảm thiểu các sai số
Chất ô nhiễm đi theo trong quá trình pha loãng có thể gây thêm sai số ít nhất 0.2 NTU so với giá trị thật của huyền phù tiêu chuẩn formazin. Với huyền phù chuẩn nồng độ cao hơn thì ít bị ảnh hưởng bởi chất ô nhiễm thấp và sai số do pha loãng bị tác động ít hơn 1.0 NTU so với đo ở mức thấp với cùng dạng sai số gây ra. Khi huyền phù tiêu chuẩn làm việc được chuẩn bị, có hai thành phần để tạo ra gồm nước để pha loãng và huyền phù chính formazin (stock). Cả hai thành phần đều có độ đục và dĩ nhiên huyền phù mẹ là cao hơn. Do vậy huyền phù tiêu chuẩn làm việc được chuẩn bị với nước mà chưa xác định độ đục thì sẽ cho sai số cao hơn. Ví dụ, chuẩn bị huyền phù chuẩn có nồng độ là 1.0 NTU bằng cách pha loãng, nhưng nước dùng pha loãng lại có độ đục là 0.2 NTU nhưng lại không được xác định vì thế huyền phù chuẩn được pha sẽ có nồng độ tổng cộng là 1.2 NTU chứ không phải 1.0 NTU, chiếm 20% sai số đo. Ví dụ này chứng minh cho việc tự tạo huyền phù tiêu chuẩn làm việc gây ra sai số đo, đặc biệt đối với các phân tích nồng độ thấp thì sai số này là đáng kể. Bởi vì mối tương quan giữa độ đục và ánh sáng phát tán là tuyến tính từ giá trị 0 đên 40 NTU, nên người sử dụng có thể hiệu chuẩn một cách chính xác với nồng độ cao hơn và huyền phù chuẩn chính xác hơn. Vì lý do này mà các nhà sản xuất thiết bị đo độ đục thường khuyến khích sử dụng huyền phù tiêu chuẩn chính ở giá trị 20 hoặc 40 NTU ngay cả khi mẫu đo có khoảng giá trị thấp hơn 1 NTU. Sử dụng dung dịch chuẩn phù hợp và tuân thủ hướng dẫn của nhà sản xuất sẽ cho kết quả chính xác cao. Một số huyền phù tiêu chuẩn khác được dùng để xác định lại tính chính xác của việc hiệu chuẩn. Sau khi hiệu chuẩn, người sử dụng nên dùng huyền phù chuẩn có giá trị cực thấp như 0.10, 0.30, 0.50, hay 1.0 NTU để kiểm tra lại. Ngoài ra cũng có thể dùng các huyền phù chuẩn này để thẩm định lại tính ổn định của máy và độ lặp lại, kiểm tra đèn hoặc bộ phận quang học có bị nhiễm bẩn hay không cũng như kiểm tra kĩ thuật đo của người vận hành. Ngay cả những thiết bị hiệu chuẩn cơ học người vận hành có thể sử dụng nhanh chóng và lặp lại nhiều lần. Một số loại huyền phù dạng rắn có thể ổn định, chứa gel bên trong (ngoài huyền phù tiêu chuẩn dạng lỏng) mô phỏng ổn định hơn sự tán xạ.

Tối ưu quá trình lọc để chất lượng nước tốt hơn
Một cách chính xác, Sử dụng Máy đo độ đục chỉ có thể cho kết quả đạt mức thấp thông qua quan trắc kĩ càng. Nó đòi hỏi nhiều nỗ lực bởi vì người vận hành có thể sử dụng chúng để chạy máy lọc tối đa và tăng hiệu quả chu trình rửa ngược-tối ưu quá trình xử lý và chất lượng sản phẩm cuối cùng. Mỗi đơn vị nước tận dụng, dù ít hay nhiều, cũng nên xem xét kỹ lưỡng chương trình quan trắc độ đục và kỹ thuật vận hành để bảo trì thiết bị, tìm kiếm cơ hội cải thiện chương trình quan trắc. Dựa vào đánh giá này, một số vật dụng thiết thực có thể bổ sung trong chương trình huấn luyện cho người sử dụng để trang bị các nhu cầu đặc biệt và hỗ trợ tốt thói quen quan trắc, giúp cho việc kiểm soát độ đục chặt chẽ và quá trình xử lý đạt chất lượng mong muốn.

(Sưu tầm)