Zákal kapalin

Zákal a barva | Exponenciální útlum svazků | Strukturní podstata zákalu a barvy látek | Zákalotvorné částice | Látky, které mohou být kalné | Kalné a čiré kapaliny | Principy měření zákalu kapalin Fotometrické stanovení zákalu kapalin

Zákal kapalin je definován empiricky v souladu s vizuálním pozorováním a historickou zkušeností. I v současnosti se stanovení (měření) zákalu zvláště důležitých kapalin, jako např. vody, vymezuje normou jako jeden z ukazatelů kvality [2]. Bez zákalu je taková kapalina, kterou prochází světelné paprsky bez patrného rozptylu a zároveň se řídí zákony odrazu a lomu. Naopak, zakalená kapalina je taková, kterou prochází světelné paprsky za vzniku rozptylu vyvolaného přítomností dispergovaných částic a koloidů. Rozptyl světelných paprsků se projevuje sníženou viditelností předmětů pozorovaných vrstvou kapaliny, přičemž viditelnost předmětů klesá se zvyšujícím se zákalem. Praktickým důsledkem tohoto jevu je rozmazání obrysů předmětů doprovázené případně i zkreslením barvy při jejich pozorování přes zakalené prostředí. Pro vysoké zákaly pak dochází k silnému útlumu světla, při němž se ztrácí jakákoliv obrazová informace.

Zákal a barva

Při šíření svazků elektromagnetických vln prostředím dochází k rozptylu a absorpci energie resp. výkonu, který přenášejí. Totéž platí o elektromagnetických vlnách vlnových délek l = 400 až 750 nm z viditelné oblasti spektra, tj. o světle. Rozptyl a absorpce světla v plynech, kapalinách či pevných látkách včetně jejich směsí, určují základní optické vlastnosti látek. S vývojem poznatků o interakci světla resp. obecně elektromagnetického záření s hmotou získaly názvy zákal (turbidita) a barva pro vlastnosti látek způsobené rozptylem a absorpcí světla kvantitativní fyzikální význam pro metrologické i technologické aplikace. Subjektivní a později objektivní měření barvy a zákalu látek přispělo v posledních sto letech podstatně k poznání jejich fyzikálně chemických vlastností a stále častěji je využíváno k řízení výrobních procesů v různých průmyslových odvětvích včetně sledování kvality a čistoty životního prostředí.

Exponenciální útlum svazků

Barva a zákal látkového prostředí obecně způsobují útlum světelných resp. optických svazků procházejících jeho vrstvou. Z mikrostrukturního hlediska se jedná o složitý jev, který však fenomenologicky v souladu se zkušeností můžeme popsat exponenciálními funkcemi. V prvním přiblížení klesá intenzita I optického svazku o vlnové délce l se vzdáleností šíření x podle vztahu:
I(x) = I(0) e-m(l)x (2.2.1)
kde I (0) = I (x = 0), m(l) je celkový (společný) koeficient spektrálního útlumu, přičemž m(l) je dán součtem spektrálního absorpčního koeficientu a(l) a spektrálního rozptylového koeficientu s(l):
m (l) = a(l) + s(l) (2.2.2)
Pomocí vztahů 2.2.1 resp. 2.2.2 můžeme vymezit převážně barevná resp. převážně absorbující látková prostředí, pro která platí a(l) >> s(l). Naopak, je-li s(l) >> a(l) jedná se o převážně rozptylující či kalná prostředí (v daném spektrálním pásmu okolo l). Ze vztahů 2.2.1 a 2.2.2 plyne rovněž důležitý poznatek, že rozptyl světla a tedy i zákal látek závisí na vlnové délce světla a obecně je provázen i absorpčními jevy, které jsou rovněž spektrálně závislé.

Strukturní podstata zákalu a barvy látek

Při šíření svazků elektromagnetických vln prostředím dochází k rozptylu a absorpci energie resp. výkonu, který přenášejí. Totéž platí o elektromagnetických vlnách vlnových délek l = 400 až 750 nm z viditelné oblasti spektra, tj. o světle. Rozptyl a absorpce světla v plynech, kapalinách či pevných látkách včetně jejich směsí, určují základní optické vlastnosti látek. S vývojem poznatků o interakci světla resp. obecně elektromagnetického záření s hmotou získaly názvy zákal (turbidita) a barva pro vlastnosti látek způsobené rozptylem a absorpcí světla kvantitativní fyzikální význam pro metrologické i technologické aplikace. Subjektivní a později objektivní měření barvy a zákalu látek přispělo v posledních sto letech podstatně k poznání jejich fyzikálně chemických vlastností a stále častěji je využíváno k řízení výrobních procesů v různých průmyslových odvětvích včetně sledování kvality a čistoty životního prostředí.

Zákalotvorné částice

Zatímco libovolné částice a vlny se rozptylují vzájemně mezi sebou, přičemž se obecně ovlivňují nejen jejich polohy, ale též hybnosti a energie resp. směry jejich šíření a frekvence či vlnové délky.Mezi zákalotvorné částice řadíme ty, které ze zkušenosti vyvolávají viditelný zákal.Patří k nim především nerozpuštěné dispergované částice. Ve vztahu k vlnovým délkám světla l = 400 až 700nm jsou rozměry zákalotvorných látek přibližně rovny nebo větší tj. leží v intervalu 0,1 až 1000mm. Zákaloměrné částice jsou tedy větší než molekuly, ale mohou být již tvořeny makromolekulami resp. jejich shluky. V souvislosti s tím lze zákal chápat jako nadmolekulární rozptyl světla. Na rozdíl od molekulárního či jiného dynamického rozptylu světla je nadmolekulární rozptyl světla kvazistatický jev, patřící do skupiny "pružných" rozptylů, při kterých se v podstatě nemění frekvence resp. vlnová délka rozptýleného světla, ale pouze jeho prostorové, zvláště pak úhlové rozdělení a polarizace.

Látky, které mohou být kalné

V přírodě se nejčastěji vyskytují kalné kapaliny méně pak plyny a pevné látky. Nejedná se vesměs o čistá skupenství ale o skupenské směsi. Mezi nejznámější patří:

Disperze (koloidy,soly)- nerozpuštěné či částečně rozpuštěné anorganické i organické částice v čistých kapalinách či rozpouštědlech

Emulse (gely)- nerozpuštěné "emulgované" částice jedné kapaliny v kapalině druhé

Aerosoly- kapalné částice rozptýlené v plynech

Dýmy- tuhé částice rozptýlené v plynech

Pěny- plynné částice v kapalinách aj.

Mezi životně důležité patří různé druhy buněk dispergovaných v kapalinách či makromolekulární disperze jako např. bílkovinné soustavy. Bílkoviny v koloidních soustavách byly rovněž kolébkou života.

Systematickým popisem různých druhů zvláště kapalných disperzí se zabývá koloidní fyzika a chemie. Pro dvoufázové disperzní soustavy se nosná fáze či matrice nazývá fází dispergující a fáze v ní rozptýlená fází dispergovanou. Podle rozměrového zastoupení dispergované fáze ve fázi dispergující rozlišujeme pak soustavy převážně monodisperzní či polydisperzní. Jednotlivé fáze disperzí můžeme oddělit řadou fyzikálních i chemických postupů jako např. filtrací, ale též osmózou, dialýzou či adsorpcí atp.

Kalné a čiré kapaliny

Viditelný zákal kapalin je způsoben především nerozpuštěnými pevnými či kapalnými částicemi o rozměrech 0,1 mm až 1000 mm o objemových koncentracích větších než 1 % v závislosti na hlavních rozptylových parametrech uvedených v paragrafu 2.3. a jejich vzájemných poměrech. Neviditelné zákaly můžeme v kapalinách detekovat pomocí moderních fotoelektrických čidel resp. přístrojů, které nazýváme podle optického uspořádání a způsobu měření obecně zákalometry a dělíme je zvláště na turbidimetry a nefelometry. Moderní zákalometry umožňují měření zákalu kapalin přibližně již od hodnot koncentrací 10-7 v závislosti na geometrických i optických vlastnostech zákalotvorných částic (dispergované fáze) a čisté matrice (dispergující fáze). Kapaliny, které se vyznačují neměřitelným zákalem se označují jako čiré a připravují se tzv. mikrofiltrací.

Principy měření zákalu kapalin

Vzhledem ke značné praktické (tj. ekonomické) i teoretické složitosti absolutních měření zákalu, založených na základních fyzikálních resp. optických veličinách a parametrech, se i v současnosti měří zákal kapalin relativně převážně již objektivními fotometrickými metodami v dohodnutém přístrojovém uspořádání a tvaru optických svazků. Měřená hodnota relativního zákalu kapaliny je definována tzv. přístrojovou funkcí použitého zákalometru (turbidimetru nebo nefelometru) v závislosti na koncentraci dispergované fáze ve fázi dispergující, přičemž nulová hodnota relativního zákalu je vztažena na nulovou koncentraci dispergované fáze v dispergující matrici. Přístrojové funkce zákalometrů jsou v případě jednocestných fotometrů obvykle udávány v napěťových či proudových jednotkách signální odezvy. V případě dvoucestných fotometrů poměrem hodnot signálů z fotodetektorů v závislosti na množství zákalotvorných částic. Jednoznačná část přístrojové funkce zákalometru se po inverzi stává tzv. kalibrační či cejchovací funkcí přístroje a tvoří stupnici ukazatele zákalometru. U převážně monodisperzních systémů můžeme zákal vyjadřovat přímo v hodnotách koncentrace dispergovaných částic a používat zákalometr jako měřič koncentrace. Různé druhy polydisperzí, jakými jsou např. kalné přírodní vody, bylo dohodnuto kalibrovat vhodně zvolenými zákalovými standardy, tj. prakticky i teoreticky dostatečně reprodukovatelnými a dostupnými disperzemi (viz např. standardní suspenze formazinu).