AL4190在线低浊度分析仪技术原理及其应用

1.      为什么要测量浊度

浊度被定义为样品光学特性的一种表达，它导致光线被散射和吸收，而不是直线通过样品。浊度是由悬浮和溶解物质的存在引起的，例如粘土、淤泥、细分有机物、浮游生物、其他微生物、有机酸和染料。浊度并不是样品中悬浮固体数量的度量，而是水样悬浮物对入射光源的综合散射效应的总体度量。浊度测量在水处理厂的处理流程中起着重要作用，包括原水监测、澄清过程、反冲洗以及过滤后出水的监测等环节。浊度测量还可以在池塘、湖泊、水库或小溪流的剖面分析中，以及施工和开发现场径流的抓样中发挥重要作用。除了有效测量水的相对清澈度外，浊度测量还能作为识别生物、有机或无机污染源的有价值的替代指标。在《GB5749-2022生活饮用水卫生标准》中规定浊度应该≤1NTU，因此低浊通常是指检测分辨力优于0.05NTU,检测下限低于0.1NTU的浊度分析仪。

2.      技术原理

  光散射是光与介质中的粒子或不规则性相互作用，导致光方向改变的现象。光的散射可以分为规律散射和漫散散射。它与不同颗粒粒径的相互作用也可分为两种现象：瑞利散射和米氏散射。瑞利散射的强度与光波长的四次方成反比。这意味着波长较短的（蓝色和紫色）散射得比长波长的（红色和橙色）更强。米散射发生在散射固体的大小与光的波长相当或更大时。米氏散射对光波长的依赖性低于瑞利散射，对于较大的颗粒，作为流域中典型的悬浮沉积物，米氏散射更为显著。这两种光散射相互作用在多个领域具有实际应用，广泛用于确定胶体、气溶胶和生物样品中颗粒的尺寸分布。光散射是浊度测量中的关键原理，散射光的量与流体中颗粒物浓度成正比。

  ISO 7027和EPA 180.1都规定采用90°光散射法进行浊度测定，主要差异在于光源和波长不同

  1）ISO 7027-1:2016（E）《水质浊度的测定》的规定

    主要的检测器与光路成90 度±1.5 度；光源的波长为860 nm；光谱带宽为860 nm±30 nm。ISO 7027 方法的优点：使用稳定的近单色光。吸收干扰小，杂散光少。

  2）EPA 180.1《浊度计法测定浊度》

   主要的检测器与光路成90 度±30 度；光源必须是钨灯；检测器的光谱响应峰值在400 nm～600 nm 之间。EPA 方法的优点是短波长的光对于小颗粒的散射更灵敏，钨灯发出的光对于小颗粒的有效散射是860 nm 的光源的9 倍。

  由于ISO7027-1规定的检测方法采用单色光源，几乎不受水中色度的影响，而且随着半导体技术的进步，LED或激光光源具有寿命长、功耗低、漂移小的优点，因此AL4190在线低量程浊度仪采用880nmLED光源，基于ISO7027-1进行设计，90°方向上的散射光强与浊度（正比于颗粒物浓度 ）存在如下近似关系：

3.      低浊分析仪的应用领域

1）供水长滤池出水的应用

  传统的浊度仪设计非常适合这一监管应用，因为样品通常不会受到颜色和颗粒吸收等干扰。该应用使用的标准技术是在线散射比非比仪器。光从传感器头组件射入浊度仪主体，被样品中的悬浮颗粒散射。传感器的水下光电池探测来自入射光束90度方向的散射光。测量滤池出水的另一种选择是激光散射仪，它使用优良的激光光学和信号处理技术检测通常作为较大颗粒前体的亚微米级颗粒的低浓度。这类仪器可以检测小于0.1微米的颗粒，以及小至0.3 mNTU或0.0003 NTU的浊度变化。这种灵敏度水平使操作人员能够检测滤池突破的前兆、划定滤池成熟阶段并优化有效的滤池运行时间。激光散射仪还可用于测量进水，以防止反渗透设施堵塞，验证膜的完整性，并可用于测量产水以符合监管要求。

2）水源和原水监测

 原水中颗粒物的含量会对预消毒、絮凝和过滤工艺产生重大影响。所需的絮凝剂或预消毒剂的剂量通常受颗粒物含量的影响。水源水的浊度测量有助于保持对浊度突增的可见性，这种突增通常由天气事件引起，可能会超出既定处理问题的处理能力。浊度也可以作为污染物的替代参数，浊度的突增可能表明有新的污染源。如果取水口距离处理设施较远，在取水口放置仪器可以提醒水质变化，并在水通过取水管线到达处理设施的过程中提供反应时间。

3）反冲洗监控

 反冲洗通常消耗滤器产量的10%左右。用于洗涤的水占用了生产能力并消耗能源。或者，如果用于洗涤的水没有循环利用，则对原水资源的需求增加。过度清洗滤器还会去除较小的无烟煤颗粒，并阻碍有效的成熟过程，这可能导致滤器工作周期缩短。水务操作人员通常通过目测或基于预设时间来监控反冲洗。如果反冲洗是目测控制的，每次洗涤都会不同，因为每个操作人员对适当洗涤条件的认知不同。浊度计可以客观判断反冲洗何时完成，而不会造成过度洗涤。

4.      浊度测量中的干扰因素

低浓度浊度计对使用者的操作技术和周围环境非常敏感，当待测浊度值≤1NTU时，由于水样中的气泡、颗粒污染和杂散光引起的干扰会成为主要因素。

1） 气泡：

典型的气泡直径在20~100µm范围，气泡对880nm近红外光主要产生米氏散射，其前向散射很强，但90°方向的散射强度也显著高于溶解分子或极小微粒。因此单个气泡产生的90°散射光强可能是同等大小固体颗粒的2~5倍，造成测量值偏高。消除气泡的最好办法设计“消泡陷阱"，自动消除水样中的气泡。

2） 颗粒污染：

水样中的黏土、絮状物等悬浮物附着在光学元件表面，会导致入射光强下降、散光接收光强下降，同样会造成测量值偏高。消除颗粒物的污染可以通过优化产品设计来实现，列如对光学窗口进行自动清洁。

3） 杂散光：

杂散光被定义为到达光散射（90度）探测器的任何未被样品散射的光。杂散光总是正干扰。杂散光的来源包括仪器光学部件中的灰尘污染、劣质或损坏的样品池以及仪器电子元件。减少杂散光的最佳方法是通过设计具有高质量光学元件的坚固仪器，并结合良好的实验室和测量技术

5.      AL4190在线低量程浊度仪的特点

• 检测下限低至0.03NTU

• 样品池的光室设计消除了杂散光影响，测量结果更加稳定

• 测量结果不受色度和溶解性有机物影响

• 可插拔式光源设计，方便光源的维护和替换

• 自带消泡结构，消除气泡的干扰

• 光源寿命大于5年

• 3KV耐压隔离电源供电，抗干扰能力强；

• 传感器接口具有错接和反接保护功能；

6.      校准

浊度需定期进行校准，自行校准可以按照如下步骤进行。校准顺序为：零点校准→标液1校准→标液2校准。以量程0-40NTU进行两点校准为例。

零点校准步骤如下：

1)准备纯净水，倒入容器中，稳定盖上。

2)打开仪器校准界面→点击“零点校准"，仪器即开始进行零点校准操作，同时对本次零点校准进行保存。通过观察系统日志，查看零点校准是否完成。

标液校准步骤如下：

1)配置两种浓度浊度标准溶液，分别为浊度=8（标液1）、浊度=32（标液2）。

2)打开仪器校准界面→校准方式选择“两点校正"→校准因子选择“浊度"。

3标液1校准：容器中倒入标液1，使溶液与溢流口平面一致，在上位机中，标液1浓度输入8→点击标液1校准按钮→等待测量30s后稳定→点击“保存标液1校准"按钮，即完成了标液1校准。

4)将仪器中的标液排出，使用蒸馏水仔细冲洗仪器多次后排净，确保仪器内无高浓度浊度残留。

5)标液2校准：容器中倒入标液2，使溶液与溢流口平面一致，在上位机中，标液2浓度输入32→点击标液2校准按钮→等待测量30s后稳定→点击“保存标液2校准"按钮，即完成了标液2校准。

6)将仪器中的标液排出，使用蒸馏水仔细冲洗仪器多次后排净，确保仪器内无高浓度浊度残留。

7)校准结果查看：“一键读取"校准值、校准系数，检查校准值和校准系数是否已经更新，并查看校准值大小。