Bulanıklık

Sıvılardaki bulanıklığın ölçümü olan türbidite, su kalitesinin basit ve temel bir göstergesi olarak kabul edilir. Filtrasyonla üretilen sular da dahil olmak üzere içme suyunun izlenmesinde yıllardır kullanılmaktadır. Bulanıklık ölçümü, suda veya diğer sıvı numunesinde bulunan partikülat malzemenin yarı kantitatif varlığını belirlemek için tanımlanmış özelliklere sahip bir ışık demetinin kullanılmasını içerir. Bu ışık demeti, gelen ışık demeti olarak adlandırılır. Suda bulunan maddeler, gelen ışık demetinin dağılmasına neden olur ve bu dağılan ışık tespit edilip, izlenebilir bir kalibrasyon standardıyla göreceli olarak sayısallaştırılır. Bir numunede bulunan partikül madde miktarı ne kadar yüksekse gelen ışık demetinin dağılması o kadar büyük ve dolayısıyla bulanıklık o kadar yüksek olur.

Bir numunedeki belirli bir gelen ışık kaynağından (çoğunlukla bir akkor lamba, ışık yayan diyot (LED) veya lazer diyodu) geçen bir partikül, numunenin genel bulanıklığına katkı yapabilmektedir. Filtrasyonun amacı, numunelerdeki partikülleri ortadan kaldırmaktır. Filtrasyon sistemleri düzgün çalıştığında ve bir bulanıklık ölçüm cihazıyla izlendiğinde çıkış suyunun bulanıklığı düşük ve stabil bir ölçümle karakterize edilir. Bazı bulanıklık ölçüm cihazları, partikül büyüklüğü ve partikül sayısı düzeylerinin çok düşük olduğu süper temiz sularda daha az etkili olur. Bu düşük düzeylerde yeterince duyarlı olmayan bulanıklık ölçüm cihazlarında bir filtre kaçağından kaynaklanan bulanıklık değişimleri çok küçük olabilmekte, dolayısıyla cihazın bulanıklık başlangıç gürültüsünden ayırt edilemez olmaktadır.

Bu başlangıç gürültüsünün birkaç kaynağı vardır; bu kaynaklar arasında yapısal cihaz gürültüsü (elektronik gürültü), cihazın kaçak ışığı, numune gürültüsü ve ışık kaynağının kendi gürültüsü yer almaktadır. Bu girişimlerin etkisi toplanarak artar ve bu girişimler, yanlış pozitif bulanıklık yanıtlarının ana kaynağı olmakta, dolayısıyla cihazın tespit sınırını olumsuz etkileyebilmektedir.

Son on yılda bulanıklık analizinde lazere dayalı daha yeni teknikler ortaya çıkmış ve filtre performansının izlenmesinde daha duyarlı bir yöntem oldukları görülmüştür. Lazere dayalı bu teknolojiler, filtrasyon bütünlüğü sorunlarını daha iyi saptama düzeyleriyle, daha erken belirleyebilmektedir. Daha yüksek duyarlılık ve başlangıç stabilitesi sağlayan gelişmiş optik tasarımlar sayesinde lazer bulanıklık ölçüm cihazları, daha temiz su numunelerinde düşük düzeyli bulanıklık analizine olan ihtiyacı daha iyi karşılamaktadır.

Lazer bulanıklık ölçüm cihazında yüksek düzeyde koşutlanmış (ışınları paralel olan ışık) ve temel olarak tek renkli olan, lazere dayalı ışık kaynağı kullanılmaktadır. Bu ışık kaynağının özellikleri, ışık enerjisinin her bir cihazdaki numune odacığında bulunan çok küçük bir hacme yoğunlaşmasına ve odaklanmasına imkan vermektedir. Bu kombinasyon, gelen ışık demetine yüksek bir güç yoğunluğu sağlar, bu sayede ışık demeti numunede bulunan partiküller tarafından verimli bir şekilde dağıtılır. Detektör de daha yüksek bir duyarlılığa sahiptir ve dağılan ışığa daha kapsamlı yanıt verir. Maksimum optik duyarlılığın sağlanması için detektör yanıt spektrumunun tepe değeri, gelen ışık kaynağının yaydığı spektrumla tamamen örtüşmelidir. Detektör duyarlılığından, koşutlanmış ışık kaynağından ve gelen ışığın yüksek güç yoğunluğundan oluşan bu kombinasyon, lazer bulanıklık ölçüm cihazı için çok yüksek bir sinyal-gürültü oranı sağlamaktadır. Bu sinyal-gürültü oranı cihazın duyarlılığını arttırarak bulanıklıktaki çok küçük değişikliklerin ölçüm başlangıç değerinden ayırt edilerek saptanmasını sağlamaktadır. Yani yüksek sinyal-gürültü oranı, bulanıklık ölçüm cihazının duyarlı olduğunu gösterir.

Lazer bulanıklık ölçüm cihazları ve yüksek sinyal-gürültü oranları sağlayan diğer cihazlar, geleneksel bulanıklık ölçüm cihazlarına kıyasla son derece stabil ölçüm başlangıç düzeyleri sağlamaktadır. Stabil başlangıç düzeyleri, bir numunedeki konvansiyonel bulanıklık ölçüm cihazlarının ayırt edemeyeceği kadar küçük değişikliklerin tespit edilmesine imkan vermektedir. Ayrıca bu başlangıç düzeyi stabilite bakımından karakterize edilebilir ve daha sonra farklı bir analiz parametresi olarak kullanılabilir. Bu parametre doğrudan bulanıklık ölçüm değerinin yönelimli eğiliminin tamamlayıcısı olabilir.

Lazer bulanıklık ölçüm cihazları ve yüksek sinyal-gürültü oranları sağlayan diğer cihazlar, geleneksel bulanıklık ölçüm cihazlarına kıyasla son derece stabil ölçüm başlangıç düzeyleri sağlamaktadır. Stabil başlangıç düzeyleri, bir numunedeki konvansiyonel bulanıklık ölçüm cihazlarının ayırt edemeyeceği kadar küçük değişikliklerin tespit edilmesine imkan vermektedir. Ayrıca bu başlangıç düzeyi stabilite bakımından karakterize edilebilir ve daha sonra farklı bir analiz parametresi olarak kullanılabilir. Bu parametre doğrudan bulanıklık ölçüm değerinin yönelimli eğiliminin tamamlayıcısı olabilir.

Bulanıklık ölçümünde standartlar konusu, kısmen yaygın olarak kullanılan ve USEPA ve Standard Methods gibi kuruluşlar tarafından raporlama için kabul edilen standartların türlerindeki çeşitlilik nedeniyle, kısmen de bu standartlara uygulanan terminoloji veya tanım nedeniyle karmaşıklaşmıştır. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater [Suyun ve Atık Suyun İncelenmesinde Standart Yöntemler] rehberinin 19. Baskısında birincil standartlar ve ikincil standartlar tanımları netleştirilmiştir. Standard Methods rehberinde bir birincil standart, kullanıcı tarafından hassas metodolojiler kullanılarak ve kontrollü ortam koşulları altında izlenebilir hammaddelerden hazırlanan bir standart olarak tanımlanır. Bulanıklık söz konusu olduğunda Formazin kabul görmüş tek gerçek birincil standarttır ve diğer tüm standartlar Formazine dayanmaktadır. Ayrıca bulanıklık ölçüm cihazlarındaki cihaz algoritmaları ve spesifikasyonlar, bu birincil standart etrafında tasarlanmalıdır.

Standard Methods rehberinde artık ikincil standartlar; bir cihaz kullanıcı tarafından hazırlanan Formazin standartlarla (birincil standartlar) kalibre edildiğinde elde edilen sonuçlara (belli sınırlar dahilinde) eşdeğer cihaz kalibrasyon sonuçları verdiği bir üretici (ya da bağımsız bir test kuruluşu) tarafından tasdik edilen standartlar olarak tanımlanmaktadır. Kalibrasyon için çeşitli uygun standartlar mevcuttur; bunlar arasında ticari 4.000 NTU Formazin süspansiyonları, stabilize edilmiş Formazin süspansiyonları (StablCal Standartları, StablCal Çözeltileri veya StablCal olarak da anılan StablCal™ Stabilize Edilmiş Formazin Standartları) ve ticari stiren divinilbenzen kopolimer mikrokürecik süspansiyonları yer almaktadır.

Bu makalenin yazıldığı sırada cihaz üreticilerinin sunduğu polimer jel içinde bir lateks süspansiyonuyla veya metal oksit partikülleriyle doldurulmuş mühürlü numune hücreleri gibi kalibrasyon doğrulama ürünleri, bir kalibrasyonu kontrol etmek için kullanılmaktadır ve cihaz kalibrasyonlarının yapılmasında kullanılmamaktadır. Bir standardın veya bir cihazın doğruluğuna dair uyuşmazlık olması halinde sorunun çözümü için birincil standartlar (yani kullanıcının hazırladığı Formazin) kullanılacaktır.

Birincil standartlar diğer tüm standartların ölçülmesi ve değerinin tayin edilmesi için de kullanılır. USEPA'nın tanımına göre bir bulanıklık ölçüm cihazının kalibrasyonunu doğrulamak için ikincil standartlar kullanılır. Ancak ikincil standartlar cihazları kalibre etmek için kullanılmamalıdır. Bu standartlara örnekler arasında kalibrasyonların günlük olarak izlenmesi için tanımlanan metal oksit jeller, lateks ve sucul olmayan standartlar yer almaktadır. Bu kullanım standardın tasarımına bağlıdır. Öte yandan Formazin, StablCal standartları ve Amco AEPA-1 Alternatif Standartları cihazları kalibre etmek için tasarlanmıştır.

Bulanıklık ölçüm cihazlarının kalibre edilmesi veya performansının doğrulanması için yeni bir bulanıklık standardı geliştirilmiştir. Stablcal Stabilize Edilmiş Formazin Standartları, geleneksel Formazinli birincil bulanıklık standartlarıyla aynı ışık dağıtıcı polimeri içermektedir. Farklı bir matris kullanıldığında StablCal standartlarındaki polimer, düşük bulanıklık Formazin standartlarında olduğu gibi zaman içinde bozulmaz. Bu gelişmiş stabilite sayesinde 4.000 NTU'ya kadar olan bir konsantrasyon aralığındaki StablCal standartları, kullanıma hazır biçimlerde üretilerek paketlenebilmektedir. Böylece zamandan tasarruf edilir ve standarda doğrudan maruz kalma süresi en aza indirilir.

StablCal Stabilize Edilmiş Formazin Standartlarının hem stabilite bakımından hem de okuma bakımından geleneksel, taze hazırlanmış Formazin standartlarıyla karşılaştırılabilir oldukları gösterilmiştir. 0,30 ila 4.000 NTU aralığındaki standartların en az iki yıl boyunca ilk hazırlama değerlerinin yüzde 5'i dahilinde kaldıkları gösterilmiştir. Karşılaştırılabilirlik açısından bakıldığında StablCal Standartları, herhangi bir bulanıklık ölçüm cihazında cihaz yanıtında çok küçük farklarla kalibrasyon standartları olarak da kullanılabilmektedir. Formazinin stabilizasyonu, StablCal standartlarının geliştirilmesine yol açmıştır. Bu standartlar, geleneksel Formazin standartlarından kaynaklanan sorunlara çözümler sağlamaktadır. Bu stabilizasyon, bu standartların kullanıcının standarda maruz kalabileceği her türlü durumu büyük ölçüde azaltan yapılarda paketlenmesine olanak sağlar. Ayrıca StablCal'ın eşit konsantrasyondaki geleneksel Formazin standartlarıyla karşılaştırıldığı çalışmalar, StablCal'daki kalıntı hidrazin sülfat miktarının yüz ila bin kat azaldığını göstermiştir. StablCal standartlarında Formazinin stabilizasyonu kullanıcıya kullanıma hazır standartlar sağlamakta ve bu sayede geleneksel düşük bulanıklık Formazin standartlarını hazırlamak için gereken zamandan büyük ölçüde tasarruf edilmektedir. Kullanıcılar bu stabilize edilmiş standartları alıp sahada kullanabilir ve aynı zamanda standartların laboratuvar dışı ortamlarda doğru ve tekrarlanabilir sonuçlar verdiğinden emin olabilirler.

Ultra yüksek bulanıklık ölçümleri genelde numunelerdeki partikül konsantrasyonunu tayin etmek için nefelometrik ışık dağılımının artık kullanılamadığı bulanıklık ölçümlerdir. 2,5 cm'lik (1 inç) ölçüm mesafesine sahip bir numunede nefelometrik ışık dağılma sinyalleri 2000 NTU'yu aşan bulanıklıklarda azalmaya başlar. Bu noktada bulanıklıkta bir artış, nefelometrik sinyalde azalmaya neden olur.

Buna ek olarak renk, ultra yüksek bulanıklık ölçümlerinde önemli bir girişim kaynağı olabilmektedir. Numune renginin etkisi nedeniyle katı nefelometrik bulanıklık uygulaması özellikle içecekler, gıda ürünleri, hücre kültürleri ve suya dağılmış yağ içeren endüstriyel proseslerde sınırlandırılmıştır.

Ancak bu tür numunelerin bulanıklığını tayin etmek için başka ölçümler kullanılabilmektedir. Bunlardan üçü; iletilen ışık, ileri doğru dağılan ışık ve geriye doğru dağılan ışık yöntemlerdir. İletilen ışık ve ileri doğru dağılan ışık sinyalleri artan bulanıklıkla ters orantılıdır ve 4.000 NTU'ya iyi yanıt verir. 4.000 NTU üzerinde ise (standart 2,5 cm mesafe kullanıldığında) iletilen ışık ve ileri doğru dağılan ışık sinyalleri o kadar düşüktür ki cihaz gürültüsü, girişime yol açan büyük bir faktör haline gelir. Öte yandan geriye doğru dağılan ışık sinyalleri bulanıklıktaki artışlarla orantılı olarak artar. Geriye doğru dağılan ışıkla yapılan ölçümlerin spesifik olarak 1.000 ila 10.000 NTU (ve üstü) aralığındaki bulanıklığın tayininde oldukça etkili olduğu belirlenmiştir. 1.000 NTU'nun altında ise geriye doğru dağılan ışığın sinyal düzeyleri çok düşüktür ve cihaz gürültüsü, ölçümlerde girişime yol açmaktadır. Detektörler bir arada kullanılarak bulanıklık artık ultra düşükten çok yüksek düzeylere kadar ölçülebilmektedir.

Bu ölçüm tipi, Oransal bulanıklık ölçümü olarak bilinmektedir. Oransal bulanıklık ölçüm cihazının optik yapılandırması, birçok performans özelliğinin temel noktasıdır. Bu özellikler arasında iyi stabilite, doğrusallık, duyarlılık, düşük dağınık ışık ve renk reddi yer almaktadır. Bir Oransal cihazda büyük bir iletilen ışık detektörü numuneden geçen ışığı ölçer. Bir nötr yoğunluk filtresi bu detektör üzerine düşen ışığı sönümler ve kombinasyon gelen ışığa 45 derecelik bir açıyla bükülür, bu sayede filtre ve detektör yüzeyinden gelen yansımalar numune hücresi alanına girmez. İleri doğru dağılan ışıklı bir detektör, iletilen yönden 30 derecelik bir açıda dağılan ışığı ölçer. İleri yöne 90 derece nominal konumda olan bir dedektör, gelen ışık demetine normal konumda olan numuneden dağılan ışığı ölçer. Son olarak dördüncü bir dedektör, yani geriye doğru dağılan ışık detektörü, iletilen yönden 138 derece nominal konumda dağılan ışığı ölçer. Bu dedektör, diğer dedektörlerin artık doğrusal bir sinyal üretmediği bir durumda çok bulanık numunelerden dağılan ışığı "görür". Bu dedektörlerin her birinden gelen sinyaller matematiksel olarak birleştirilerek bir numunenin bulanıklığı hesaplanır.

Ultra yüksek bulanıklık ölçümünün birçok uygulama alanı vardır. Bu ölçüm sütteki yağ içeriğinin, titanyum dioksit gibi boya reçinesi bileşenlerinin, selülöz ve kağıt işleme tesislerinde banyo çözeltilerinin ve öğütme işlemlerinde cevher bulamacının izlenmesinde kullanılır.

Ultra yüksek bulanıklık ölçümleri genellikle proses kontrolünün doğrudan izlenmesine ya da toplam askıda katı madde (AKM) için uzun süren gravimetrik analizin yerine izlenmesine yönelik bir mekanizma olarak kullanılır. Numunenin bulanıklığı ile AKM'si arasında bir korelasyon kurulması gerekir. Böyle bir korelasyon varsa bir numunedeki AKM değişikliklerini izlemek için bir bulanıklık ölçüm cihazı kullanılabilir ve bu da hızlı bir analiz sağlar. Kullanıcı önce bulanıklığın proses akışındaki değişken koşullarla olan ilişkisini belirlemelidir. Bu ilişkinin belirlenmesinde numunenin seyreltikleri hazırlanır ve her bir seyreltiğin bulanıklığı ve AKM değeri ölçülür. Ardından bulanıklığa (y ekseni) karşı her bir karşılık gelen seyreltiğin (x ekseni) bir grafiği oluşturulur. En iyi uyan çizginin eğimi, bu ilişkinin niteliğini gösterir. Bir prosesin AKM'sindeki bir değişikliğe yanıt süresi, bir bulanıklık ölçüm cihazı kullanılarak saatlerden saniyelere düşürülebilir.