Turbidité

Comment la couleur est-elle éliminée de la turbidité ?

De nombreux échantillons sont trouble et colorés. Plus la couleur est intense, plus la lumière est absorbée et plus la turbidité semble être élevée. C'est pourquoi la turbidité réelle est mesurée sous forme de lumière diffusée, par exemple à un angle de 90° où seules les particules diffusent le faisceau lumineux, sans aucune influence de la coloration. Par rapport à la réduction générale de la lumière (0°) par des couleurs intensives, la turbidité finale (lumière diffusée) peut être déterminée avec précision.

Définition de la turbidité

En général, deux normes décrivent la méthode de mesure de la turbidité :

• Méthode EPA 180.1 : lumière blanche (400 - 680 nm)
• DIN EN ISO 27027 : lumière infrarouge (780 - 900 nm), typiquement 860 nm

Les deux normes décrivent la méthode de mesure de la turbidité à une diffusion lumineuse de 90° (néphélométrie). Enfin, la longueur du trajet optique, la concentration et la taille des particules ont une influence directe sur le résultat de la mesure de turbidité. De plus, un échantillon en écoulement présente une turbidité différente de celle d'un échantillon au repos. Les turbulences à l'intérieur d'un courant d'échantillon provoquent de minuscules bulles d'air à l'intérieur de l'échantillon, ce qui augmente également la turbidité.

Figure 10: Voir l'exemple ci-dessus de jus de pomme clair et naturel.

Selon la taille des particules, la distribution de la lumière diffusée peut être différente :

Figure 1 & 2 : influence de la taille des particules sur la distribution de diffusion de la lumière

Par conséquent, certains appareils de mesure de la turbidité ont des angles de détection supplémentaires, p. ex. de 11 à 30°, pour mieux couvrir les besoins spécifiques des petites et grandes particules. De nombreuses années d'expérience chez optek-Danulat GmbH ont montré qu'au lieu d'utiliser un angle de 25° pour la détection de la diffusion de la lumière vers l'avant, l'angle de 11° présente des avantages supérieurs à 25° pour mieux mesurer les grosses particules.

Etalonnage de la turbidité

L'étalonnage des capteurs de turbidité et des compteurs de laboratoire est défini dans les normes ci-dessus, en utilisant, par exemple, des solutions étalons de formazine couvrant la plage de turbidité qui nous intéresse. Alors que l'EPA décrit les NTU (unités de turbidité néphélométriques), la norme ISO utilise les FNU (unités néphélométriques de formazine) et les FTU (unités de turbidité de formazine). La lumière qui traverse l'échantillon est donnée en tant que FAU (Formazin attenuation units). La formazine standard résulte d'une réaction chimique entre l'hexaméthylènetétramine et le sulfate d'hydrazine :

Figure 4 : série d'étalons de turbidité basés sur la formazine

Figure 3 : structure principale de la Formazine.

Le capteur TF16-N peut être utilisé pour contrôler le fonctionnement d'une section filtrante dans le processus de production de jus de pomme. Dans la plage de longueurs d'onde NIR de 730 à 970 nm, le capteur a mesuré la valeur d'absorption totale. Comme le montre le graphique ci-dessous, le jus de pomme clair se distingue facilement du jus cru trouble. En cas d'endommagement du filtre, l'augmentation de la valeur d'absorption indique directement un problème dans le processus de filtration. Des mesures correctives immédiates sont possibles.

Figure 5 : turbidité comme exemple de contrôle de processus - ici le processus de filtration.

Les mesures de turbidité utilisant un angle de détection de 90° (diffusion latérale) sont les plus sensibles aux particules de l'ordre de 0,1-0,5 µm, p. ex. les colloïdes, c'est pourquoi cette approche est couramment utilisée et décrite pour les mesures de qualité dans la bière et l'eau potable.

Pour les mesures de particules dans la plage de 0,5 à 5 µm Cependant, des angles plus bas, mesurant la diffusion avant intensive causée par des particules plus grosses, sont plus appropriés. Théoriquement, le rapport signal sur bruit de fond le plus élevé ou la sensibilité la plus élevée sont obtenus en mesurant aussi près que possible de 0°. En raison des limitations techniques imposées par la nécessité de séparer la diffusion du signal de transmission du faisceau d'excitation, l'angle le plus bas pouvant être réalisé est de 11°. A des angles plus bas, les détecteurs à diffusion détecteraient simplement la lumière directe du faisceau d'excitation.

La figure 6, qui représente des mesures à l'aide de formazine, un étalon de turbidité commun avec une distribution granulométrique comprise entre 1 et 2 µm, montre clairement que la sensibilité à 11° est supérieure à celle des mesures à des angles supérieurs, dont 90°.

Les mesures avec des billes de polystyrène de tailles définies montrent que la mesure à 11° est plus sensible qu'une mesure à 90°. Cet effet devient encore plus évident lorsque l'on mesure des particules relativement grosses dans la plage de taille des cellules (graphique 7). Pour la mesure de colloïdes d'une taille inférieure à 0,2 µm, la mesure à 11° ne présente aucun avantage par rapport à la mesure à 90°. Cependant, lorsqu'il s'agit de détecter des particules de grande taille, une mesure à 11° est beaucoup plus sensible.

Figure 7 : Signal de diffusion de 11° et 90° à l'aide de billes de polystyrène de deux tailles différentes.

Alors que la mesure de la diffusion à 11° est très sensible aux faibles valeurs de turbidité, le signal est saturé et même inversé à des valeurs de turbidité moyennes en raison de multiples événements de diffusion. Le signal d'absorption à 0°, qui est relativement insensible aux faibles valeurs de turbidité, présente cependant une réponse linéaire jusqu'à des concentrations élevées (figure 8). La connexion des deux approches dans un seul capteur permet d'obtenir une combinaison de sensibilité élevée et une large plage dynamique.

Figure 9 : Turbidité / Néphélométrie Optique avec détecteurs pour petites et grandes particules

Figure 8 : Réponse du signal à partir d'une diffusion de 11° et d'une absorption de 0°