光透射法测量水的浊度研究

罗道斌，吴圣博，乔 峰，袁小雨，李 哲

(陕西科技大学 文理学院，陕西 西安 710021)

0 引言

水的混浊度是水质的一项重要指标，浊度测量术在工业生产、环境保护、居民生活中有重要的应用[1-4].由于水中除极易沉淀的物质外，还含有不同大小、比重，形态的悬浮物质、胶体物质和重金属等杂质[5,6]，这些物质能对光线的散射和吸收产生光学反应进而产生浑浊现象，其浑浊的程度称为浊度[7,8].浊度是描述液体光学特性的一个重要参数[9].浑浊液体对光线的透射、折射、反射、散射等产生了影响，浊度是描述液体透光性及光散射特性的物理量[10].水的浊度除了和悬浮颗粒物有关外，还与水中的有机物和微生物含量有关[11,12]，水中的有机物减少，其浊度也相应减少.因此，对于含有有机物的液体，可以通过测量有机物的含量来获得其浊度[13].

目前,浊度测量方法研究中，有浸提浊度法[14]、氯化银浊度法[15]等.这些方法都是针对形成浊度的物质进行化学处理，通过分析该物质的含量来获得浊度信息，对单一物质形成的浊度测量有较高的测量精度，但对于多种物质共同形成的浊度液，这些方法没有很好的适用性或通用性.光学透射测量方法与形成浊度的物质种类无关，因此光学方法测量溶液浊度具有较好的通用性.光电式双通道液体浊度测量方法[16]可实现对液体浊度的实时监控，体现了光学透射测量方法的优势，但该方法相对复杂，有一定技术要求.

本论文基于光透射法测量浊液的浊度.用福尔马肼标准液标定透射光强和浊度关系，拟合出测量系统的透射光强和浊度关系.对未知液体测量中，只需测量获得浊度液透射光和参考光的光强比，就可以获得该液体的浊度.本测量方法操作简单、快速，不同种类的浊液均能适用.

1 透射法原理

当光强为Ii的入射光通过盛有水样的比色皿时，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，根据Lambert-Beer定律[17,18]：

(1)

式(1)中：A为吸光度，Ii为入射光强度，It为透过光强度，K为吸收系数，C为吸光物质浓度(浊度),转换关系为:1.85×10-4mol×L-1≈1NTU ，L为吸收层厚度.液体的光透过率可表示为：

(2)

式(2)中：T为透光度.同时，不透光度可表示为：

(3)

式(3)中：O为不透光度.

因此，可以同时测量浊液入射光强度和透射光强度，将得到的数据进行拟合，进而求出液体浊度C和吸光度A的关系.

2 实验及结果分析

2.1 仪器选取及实验设计

本实验采用632.8 nm的He-Ne激光器作为光源.比色皿选取有效光程为0.01 m.半透半反镜(分光镜)选取分光5/5.两个三波长光功率计(型号：JT-PM02A；量程0～2 mW)、底座、福尔马肼溶液、土壤、牛奶、20 ℃纯净水.

光源置于一侧，半透半反镜与光源水平相距20 cm；比色皿与半透半反镜水平相距38.7 cm；透射光检测探头与比色皿水平相距51.2 cm；反射光检测探头与半透半反镜垂直方向水平相距51.2 cm，并成45 °夹角；各仪器的水平高度均为20.5 cm.各个仪器之间的距离都按照实验数据最终确定的最佳距离，满足一定的比例，可以按照比例扩大或者缩小.光路示意如图1所示.

图1 光路示意图

红光照射到半透半反镜，光路分为两条，一条经由比色皿透射过浊液到透射光强功率计显示透射光功率；另一条经由半透半反镜将光路角度改变45 °照射到反射光强功率计显示反射光功率.

2.1.1 实验搭建

(1)取下比色皿、半透半反镜，只剩下透射光检测功率计(左侧光功率计)，打开光源，调整光源高低和仰角使光线垂直入射透射光强检测功率计探头.

(2)装上半透半反镜，调整半透半反镜镜面与光轴夹角成45 °角，固定半透半反镜.

(3)在半透半反镜反射光光路上装上参考光光强检测功率计，调整探头位置，直至功率计显示的数值最大，固定探头位置.

(4)在半透半反镜和透射光强检测功率计之间放入浊液容器基座，将比色皿(带液体)放上基座的接近中心的地方，调整基座前后位置使光线入射透射光强检测功率计探头，固定基座.实物示意如图2所示.

图2 实验测量装置图

2.1.2 实验测量操作

(1)取下容器，让光通过半透半反镜后直接射入功率计，记录这时的入射光强和参考光强.

(2)放上空的容器，将容器放在基座中心附近任意位置，调节基座上的旋钮横向移动容器，直至透射光强检测功率计上显示最大的数值.

(3)移动容器任意角度，调节基座旋钮，直至透射光功率显示最大.记录最大值和参考光功率.

2.2 福尔马肼标准悬浮液对测试系统定标

本设计使用福尔马肼作为测量标准悬浊液.对浊液的稀释按照以下公式进行计算：

(4)

式(4)中：K为稀释前浊度；k为稀释后浊度；B为加入的水的体积；C为稀释前浊液的体积.

按照上述公式对浊度为400 NTU的福尔马肼标准悬浊液进行稀释，间隔50 NTU，分别制作浊度为400、350、300、250、200、150、100、50 NTU的标准浊液贮备.

分别选取一定量悬浊液进行测量，得出标准浊度液的吸光度与浊度的关系图，如图3所示.

从图3可以看出浊度在50～400 NTU之间时浊度与吸光度呈线性关系.因此，当液体浊度在50～400 NTU，本测试系统可根据吸光度测量待测物浊度.

基于50～400 NTU，拟合得出直线方程：

A=2.414×10-3C-3.701×10-2

(5)

并得出拟合图像，如图4所示.

为获取标准悬浊液适用范围，对标准悬浊液做相对误差分析.实验测量得到的浊度和理论拟合结果比较，得到相对误差曲线，如图5所示.

图3 标准浊度液的吸光度与浊度的关系

图4 标准浊度液拟合图像

图5 间隔50 NTU标准悬浊液的相对误差曲线

从图5可以发现，当浊度在100～400 NTU之间时，测量结果的相对误差显著减小.因此，本测量系统在100～400 NTU之间，有相对精确的测量结果.根据(5)式，如果测量了未知浊液的吸光度，就可以获得其浊度大小.据此，可以对浊度在100～400 NTU之间的未知浊液测量.

2.3 测量稀释牛奶及沙土悬浮液

2.3.1 测量稀释牛奶的浊度

取用全脂灭菌纯牛乳，生产地址陕西省西安市临潼区新丰工贸小区，生产许可证编号：SC10514072701583.对牛奶稀释250、300、350、400、450倍，测量牛奶的吸光度，得出牛奶的吸光度与稀释倍数的关系图，如图6所示.

图6 稀释后牛奶的吸光度与稀释倍数的关系

图6给出了不同稀释倍数牛奶的吸光度，实验测量透射光的强度，并结合(5)式，获得其对应的浊度，如图7所示.

图7 稀释后牛奶的吸光度与浊度的关系

从图7可以看出，数据点处于有效测量范围内，且呈直线，吸光度随浊度的增大而增大，根据牛奶吸光度得出牛奶浊度.实验结果表明，牛奶稀释150～500倍时，牛奶溶液浊度与其浓度保持线性关系.

2.3.2 不同浓度沙土悬浮液的浊度

在陕西科技大学校园获取沙土样本，每次称取一定量用研钵进行捣碎的土壤，分析天平称沙土质量，并与纯净水搅拌后放置一段时间形成沙土悬浮液.对沙土悬浮液浓度进行等间距测量.得出沙土悬浮液吸光度与浓度关系图，如图8所示.

图8 沙土悬浊液吸光度与浓度关系图

从图8可看出,沙土悬浮液吸光度与浓度呈线性关系，符合标准浊液的适用测量范围.对沙土悬浮液浓度进行等间距测量，结果如图9所示.

从图9可以看出，本次测量基本符合标准且为一条直线.其中两个点处在标准范围内，能根据测量沙土悬浮液的吸光度，得出沙土悬浮液对应浊度.实验结果表明，本实验方法在沙土悬浮液浊度测量中，沙土浓度在小于5×10-3g·mL-1的区间有较好的测量精度.

图9 沙土悬浮液的吸光度与浊度的关系

2.4 误差讨论

从实验分析，影响本研究测量精度的因素包括激光器功率的稳定性、光功率计的精度等.本研究采用的光功率计探测不到激光器输出功率的变化，因此，可不考虑激光器稳定性对测量结果的影响.为了减小系统误差，用浊液的透射功率测量值扣除比色皿本底透射功率，便可减小比色皿吸光引入的系统误差.此外，为提高光功率计测量透射光功率的精度，采用多次测量均取平均值进行数据处理.

3 结论

本论文基于透射光强比的物理光学方法测量溶液的浊度.用福尔马肼标准悬浊液校准测量系统，得出光强比与对应浊度之间的函数关系，为测量未知浊液定标.通过实验分析发现，本测量系统对浊度在100～400 NTU测量时，吸光度与浊度之间存在线性关系.实验测量了不同浓度的牛奶及沙土悬浮液的吸光度，通过标定的吸光度和浊度之间的关系，得到稀释牛奶及沙土悬浮液的浊度.本研究的测量方法适用于浊度范围在100～400 NTU之间的各种浊液，测量装置相对简单，在水质监测等领域有潜在的应用前景.