2.1.1. Lý thuyết tán xạ ánh sáng
Tính chất quang học đƣợc trình bày theo độ đục là sự tƣơng tác giữa ánh sáng và các hạt lơ lửng trong nƣớc. Chiếu trực tiếp một chùm sáng đơn sắc qua một mơi trƣờng nƣớc hồn tồn tinh khiết, ngay cả những phân tử trong nƣớc tinh khiết cũng tán xạ ánh sáng ở một mức độ nhất định.Vì vậy, khơng có dung dịch nào là khơng có độ đục (khơng có dung dịch có độ đục bằng 0) [24].
Trong các mẫu chứa có những chất rắn lơ lửng thì cách thức phát tán ánh sáng sẽ phụ thuộc vào kích thƣớc, hình dáng và thành phần của các hạt tƣơng tác với bƣớc sóng ánh sáng (màu) của tia sáng tới.
Sự phân bố không gian của ánh sáng tán xạ phụ thuộc vào tỷ lệ giữa kích thƣớc hạt với bƣớc sóng của tia tới. Các hạt càng nhỏ so với bƣớc sóng thì cho phân bố tán xạ tƣơng đối đối xứng, lƣợng ánh sáng phát tán gần nhƣ bằng nhau theo hai phía trƣớc và sau (Hình 17) [24].
Hình 17: Kích thƣớc hạt nhỏ 1/10 bƣớc sóng ánh sáng Mô tả: Tán xạ đối xứng Mô tả: Tán xạ đối xứng
Khi kích thƣớc hạt tăng so với bƣớc sóng, ánh sáng tán xạ từ các điểm khác nhau của hạt tạo nên phần giao thoa thêm về phía trƣớc, sự giao thoa chồng chập ánh sáng tán xạ ở phía trƣớc của hạt thì có cƣờng độ lớn hơn so với các hƣớng khác (Hình 18 và Hình 19) [24].
Hình 18: Kích thƣớc hạt gần bằng 1/4 bƣớc sóng ánh sáng Mơ tả: Tán xạ tập trung về phía trƣớc Mơ tả: Tán xạ tập trung về phía trƣớc
Hình 19: Kích thƣớc hạt lớn hơn bƣớc sóng ánh sáng Mơ tả: Mức độ tán xạ tập trung chủ yếu về phía trƣớc Mơ tả: Mức độ tán xạ tập trung chủ yếu về phía trƣớc
Ngoài ra, các hạt nhỏ tán xạ các bƣớc sóng ngắn (màu xanh) mạnh hơn, trong khi tán xạ rất nhỏ đối với bƣớc sóng ánh sáng dài (màu đỏ). Trái lại những hạt lớn thì dễ tán xạ ánh sáng có bƣớc sóng dài hơn ánh sáng có bƣớc sóng ngắn [24].
Hình dạng hạt và chỉ số khúc xạ cũng tác động tới sự phân bố tán xạ và cƣờng độ của chúng. Các hạt hình cầu cho thấy tỷ lệ tán xạ từ phía trƣớc tới phía sau cao hơn so với các hạt hình que hay hình xoắn. Chỉ số khúc xạ của một hạt là phép đo có bao nhiêu ánh sáng truyền qua và đổi hƣớng khi đi từ môi trƣờng này sang môi trƣờng khác. Chỉ số này phải khác với chiết suất của mẫu chất lỏng để cho hiện tƣợng ánh sáng tán xạ xảy ra. Khi sự khác nhau giữa chỉ số khúc xạ của hạt lơ lửng và chiết suất của mẫu chất lỏng phân tích tăng, sự tán xạ sẽ mạnh hơn. Độ màu của mẫu và của chất rắn lơ lửng cũng quan trọng trong nhận biết ánh sáng tán xạ. Các chất có màu hấp thụ năng lƣợng 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 tán xạ tới hệ thống nhận biết (detector) [24].
Cƣờng độ tán xạ ánh sáng tăng theo nồng độ hạt. Khi nồng độ hạt vƣợt quá một ngƣỡng nào đó, khả năng phát hiện ánh sáng tán xạ và ánh sáng truyền qua sẽ bị giảm, đánh dấu mức giới hạn trên trong khả năng đo độ đục. Giảm khoảng cách đƣờng truyền ánh sáng qua mẫu sẽ giảm số lƣợng hạt giữa nguồn sáng và bộ phận cảm biến ánh sáng và do đó tăng thêm đƣợc giới hạn trên của phép đo [24].
2.1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống đo độ đục
Hệ thống đo độ đục đƣợc chế tạo trong luận văn này hoạt động dựa trên nguyên lý hoạt động của đục kế đơn trùm.
Khi truyền qua môi trƣờng nƣớc thông thƣờng, các hạt trong đƣờng truyền ánh sáng sẽ làm đổi hƣớng của ánh sáng, ánh sáng bị tán xạ và giảm bức xạ của tia tới đến các thiết bị thu (detector). Nếu độ đục thấp thì hầu nhƣ ánh sáng vẫn tiếp tục truyền đi theo hƣớng ban đầu. Ánh sáng bị tán xạ bởi các hạt trong nƣớc sẽ đƣợc thu lại bằng detector [21]. Trong mọi trƣờng hợp, tán xạ ánh sáng dẫn đến
một phân bố góc của ánh sáng tán xạ, và sự suy giảm của cƣờng độ ánh sáng truyền qua. Cả hai hiệu ứng này đều đƣợc sử dụng để đo độ đục.
Ánh sáng tán xạ có thể đo đƣợc bằng một hoặc vài detector quang đặt ở những vịt trí: α = 90° (tán xạ khuếch tán), α < 90° (tán xạ phía trƣớc), α > 90°
(tán xạ phía sau) góc so với hƣớng của chùm tia tới [23]. Ánh sáng tán xạ đƣợc đo bằng detector ở vị trí góc α = 90° so với phƣơng của chùm tia tới có đặc điểm là khơng nhạy với kích thƣớc hạt, và ít chịu ảnh hƣởng của ánh sáng lạc. Vậy nên, cảm biến độ đục đƣợc thiết kế để đo tán xạ ánh sáng ở góc 90° so với hƣớng của chùm tia tới [24].
Thiết lập cho tán xạ ánh sáng cơ bản đƣợc biểu diễn nhƣ trên Hình 20 với một chùm sáng đi qua mẫu dung dịch cần đo độ đục.
Hình 20: Nguyên lý hoạt động
Khi kích thƣớc hạt nhỏ hơn bƣớc sóng của ánh sáng thì cƣờng độ ánh sáng tán xạ sẽ đƣợc tính theo định luật tán xạ ánh sáng của Rayleigh nhƣ sau [35]:
𝐼𝑅 = 24𝜋𝜆34𝑁𝑉2(𝑛12−𝑛22
𝑛12+2𝑛22)2𝐼0 (7) Trong đó: I0 là cƣờng độ ánh sáng của tia tới; IR là cƣờng độ ánh sáng tán xạ ở góc tán xạ 90° so với chùm tia tới. N là số hạt trên một đợn vị thể tích; V là thể tích hạt; λ là bƣớc sóng của ánh sáng tới; n1, n2 là chỉ số khúc xạ của nƣớc và hạt.
-Trong những trƣờng hợp nhất định, λ và V đƣợc giả thiết là những hằng số, khi đó ta có: 24πλ34NV2(n12−n22
n12+2n22)2 sẽ tỷ lệ thuận với tổng số hạt trên một đơn vị thể tích cũng nhƣ tổng thể tích. Và IR sẽ đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
IR = KRTI0 (8) Trong đó: T là độ đục; KR = 24πλ34NV2(n12−n22
Trong mọi trƣờng hợp, I0 giữ nguyên khơng thay đổi nên ta có IR ln tỷ lệ thuận với T.
-Khi kích thƣớc hạt bằng hoặc lớn hơn bƣớc sóng ánh sáng, thì cƣờng độ ánh sáng tán xạ sẽ tính đƣợc bởi cơng thức sau: (trƣờng hợp này đƣợc tính theo định luật tán xạ Mie)
IM = KMTAI0(9) Trong đó: A là diện tích bề mặt hạt; KM là hệ số tán xạ Mie. Trong mọi trƣờng hợp thì A ln ln khơng đổi, IM cũng tỷ lệ với độ đục T.
Dựa trên định luật tán xạ Rayleigh và định luật tán xạ Mie chúng ta đều thu đƣợc là: Cƣờng độ ánh sáng tán xạ phụ thuộc và tỷ lệ thuận với độ đục.