Turbidímetros

Esta medida es una de las más utilizadas porque no necesita de reactivos, es decir, las mediciones son inmediatas y su manejo es sencillo, por lo que se ha convertido en imprescindible en el monitoreo general de la calidad del agua y se emplea tanto en el control en laboratorios como en el control de procesos mediante medidas on-line en potabilización de aguas, aguas residuales, acuicultura, monitoreo ambiental, piscinas y spas, entre otros.

¿Qué es la turbidez?

La turbidez es -según recoge la NLWRA (National Land and Water Resources Audit / Auditoría Nacional de Tierras y Recursos Hídricos) de Australia- la medida de las propiedades de dispersión de la luz del agua y depende de la cantidad, el tamaño y la composición de la materia suspendida, como arcilla, limo, partículas coloidales, plancton y otros organismos microscópicos.

En líquidos, la turbidez es la opacidad de éstos y se debe al efecto Tyndall, científico irlandés que estudió este objeto y definió que las partículas coloidales en una disolución son visibles al dispersar la luz, es decir, que las disoluciones sin partículas en suspensión son transparentes, ya que prácticamente no dispersan la luz. Esta diferencia permite distinguir a aquellas mezclas heterogéneas que son suspensiones.

Cuáles son los factores que afectan a la turbidez

• Tamaño: la dispersión de la luz depende en gran medida de la relación entre el tamaño de partícula y la longitud de onda de la luz incidente
• Forma: especialmente para partículas más grandes
• Naturaleza reflectante de la partícula: algunas partículas, como el carbón activado, también pueden absorber la luz
• Movimiento de partículas suspendidas de material inorgánico (limo, arena), material orgánico y microorganismos (seres vivos)

La luz que viaja a través del líquido choca contra las partículas en suspensión y se refleja en todas las direcciones, lo que lleva a la percepción de turbidez u opacidad. Esta dispersión dependerá de la forma de la partícula (redonda, plana, irregular…), de su naturaleza reflectante (opacas o reflectantes), así como de su tamaño, con relación a la longitud de onda de la luz incidente.

Unidades de turbidez

La unidad de turbiedad fue definida “como la obstrucción óptica de la luz, causada por un millón de sílice en agua destilada”. Existen diferentes unidades para expresar la turbidez: NTU, FNU, FAU y JTU.

• Unidad de Turbidez Nefelométrica (NTU): solo se usa cuando los resultados se determinan mediante el método de dispersión a 90° y la EPA especifica el uso de esta unidad para el método 180.1. Es la unidad más común en uso y generalmente se aplica a todos los instrumentos, como los turbidímetros.
• Unidad de Turbidez de Formacina (FTU): es la segunda unidad más común en uso y nuevamente define una dispersión nefelométrica del método EPA o ISO.
• Unidad Nefelométrica de Formacina (FNU): define técnicamente la medición con el detector de 90° y se aplica más correctamente a los instrumentos que utilizan el método ISO 7027.

Las unidades anteriores son equivalentes, es decir, no hay factor de conversión entre las dos.

• Unidad de Turbidez de Jackson (JTU): derivada del uso de Jackson Candle 40 JTU es aproximadamente equivalente a 40 NTU, pero la correlación con otros valores está abierta a debate.
• Unidad de Atenuación de Formacina (FAU): define una medición realizada con un instrumento ISO 7027 a 0° en lugar de 90°. Si el instrumento en cuestión es un dispositivo del método EPA, las unidades se acortan a AU (Unidades de atenuación).

Otras unidades más abstractas de uso inusual incluyen FNRU (Unidad de Relación Nefelométrica de Formacina) para sistemas que utilizan la dispersión de 90° más detectores adicionales, FBU (Unidad de Dispersión Inversa de Formacina) para sistemas que usan un detector de retrodispersión de 30° y FNMU (Unidad Multiespuma Nefelométrica de Formacina) para sistemas nefelométricos y utilizando varios otros ángulos de detección.

Los turbidímetros y otros métodos para medir la turbidez

Para medir la turbidez, se mide tanto la luz dispersada en un ángulo no lineal (normalmente 90°) como en dirección recta. Existen varios métodos para medir la turbidez:

• Visuales (Disco Secchi, los turbidímetros de Jackson Candle o tubos de turbidez): dependen totalmente de la "medición" de dirección hacia adelante para ver el oscurecimiento de una forma definida
• Con instrumentos equipados con celdas fotoeléctricas: los turbidímetros miden la luz dispersada en un ángulo no lineal a 90º.

Métodos visuales para medir la turbidez

Los primeros métodos para medir la turbidez como indicador de la calidad del agua eran visuales.  Hemos de considerar que estos métodos son aproximativos. Uno de los primeros fueron los turbidímetros de Jackson Candle, un sistema desarrollado a principios del siglo XX, que consiste en un tubo de vidrio calibrado, una vela estándar y un soporte que alinea la vela y el tubo de vidrio. La turbidez se mide determinando el punto en el que la llama de la vela desaparece cuando se ve desde

la parte superior del tubo de vidrio. Cuanto mayor sea la longitud de la muestra a la que desaparece la llama, mayor será la turbidez. Para su calibración se utilizaban suspensiones de arcilla en agua expresadas en JTU (unidades de turbidez Jackson) o mg/l de SiO₂. Se trata de un sistema que se encuentra ya en desuso.

El otro método visual es el método disco Secchi, cuyo principio implica el oscurecimiento de un patrón estándar en un disco. Generalmente se usa para la medición de la turbidez de las aguas superficiales, como lagos y ríos. El disco se baja a la muestra hasta que ya no se puede visualizar el patrón marcado en el disco y tras medir la longitud de la cadena hasta alcanzar la profundidad donde desaparece la marca del disco, nos indica la profundidad de Secchi. Para una mayor precisión, se eleva nuevamente la cadena para ver de nuevo el patrón, se vuelve a medir la longitud de la cadena y se toma el valor promedio.

En el manual de calidad del agua de la OMS e ISO 7027, se hace referencia al método del Tubo de turbidez, que consiste en apoyar un tubo de tamaño pequeño en el fondo, donde existe una marca definida (cruz o círculo generalmente). Se vierte agua en el tubo y mirando directamente hacia abajo del tubo desde arriba, se continúa vertiendo la muestra hasta que la marca definida ya no sea visible. Para conocer el valor de turbidez, hay que visualizar el dato situado en el lado del tubo.

Los turbidímetros como métodos instrumentales para medir la turbidez

En la actualidad, el método más utilizado, entre otras cosas por su facilidad de uso y su alta precisión y repetibilidad, son los turbidímetros, instrumentos electrónicos que utilizan celdas fotoeléctricas que miden la luz dispersada a 90º (medición nefelométrica). Los turbidímetros no requieren tiempo de calentamiento y proporcionan un rendimiento a largo plazo sin necesidad de reemplazar la lámpara.

La escala de longitudes de onda utilizada en la medición de turbidez se sitúa en la zona visible mediante una fuente de luz: una lámpara de tungsteno (400 y 600 nm) - según la norma EPA 180.1 8- o un infrarrojo cercano (NIR) 860 nm, si se mide con instrumentos según el método ISO 7027. Para valores de turbidez por encima de 40 NTU, es muy importante efectuar calibraciones con patrones adecuados a los rangos de medida.

El método de la lámpara de tungsteno puede verse afectado por la absorción de luz visible por la muestra, en cambio no afecta al sistema de luz infrarroja, por este motivo este sistema infrarrojo se utiliza en todo tipo de líquidos incluso coloreados, como vinos, etc.

Patrones de calibración primarios de turbidez

El patrón de referencia es la formacina, la cual es relativamente inestable, sobre todo a bajas concentraciones, por lo que se debe preparar siempre para su inmediato uso, normalmente a partir de una solución de reactivos puros (hexametilentetramina C6H12N4 y sulfato de hidracina N2H6SO4) y diluida para producir los patrones de calibración primarios.

La formacina sigue siendo el único método verdadero para comparar los valores de turbidez de la plataforma de medición a la plataforma de medición. Sin embargo, debido a su inestabilidad y que uno de sus componentes -el sulfato de hidracina- es venenoso y carcinógeno, en la actualidad se utiliza el SDVB, que es un material de calibración primario alternativo.

El SDVB (suspensiones esféricas de copolímeros de estireno-di-vinil-benceno) para uso de la calibración se ha aprobado recientemente como material de calibración más estable, dado los problemas de uso de la formacina.

Debes tener en cuenta que las soluciones SDVB no son transferibles entre diferentes fabricantes o modelos, ya que se fabrican ajustándolas para proporcionar una dispersión de luz equivalente a los detectores del instrumento y para que coincida con los valores de la formacina en toda la escala para cada modelo de turbidímetro específico.

Con el tiempo, el SDVB se degrada potencialmente hasta en un 10% durante 12 meses. Las tolerancias nominales detalladas en los estándares SDVB definen esta disminución en el rendimiento a lo largo del tiempo, por lo que se recomienda su reemplazo cada año. La única preocupación de uso es evitar que los patrones se congelen. Es importante tener en cuenta este detalle a fin de conservarlas o transportarlas adecuadamente.  (Las SDVB son fabricadas por AMCO en los EE. UU)

Otros materiales de calibración que se emplean para validar que la calibración sigue siendo correcta, no como patrones, pueden ser de base gel que contienen óxidos metálicos o materiales de látex, así como materiales sólidos que proporcionan una trayectoria de dispersión estándar, como acrílicos y filtros de densidad neutra. Hay que tener cuidado con el manejo y el funcionamiento, verificando periódicamente con los patrones de calibración primarios.

Aplicaciones de los turbidímetros

Agua potable

El monitoreo del agua potable, ya sea en el agua cruda, en la clarificación o el agua final, es el uso más común de la medida de la turbidez ya que es el parámetro clave indicador de la calidad del agua.

Hoy en día, la producción de agua potable municipal obtiene un agua de muy baja turbidez (> 0.1 NTU), por lo que la medición se vuelve cada vez más dependiente de la técnica del operador y las especificaciones del turbidímetro. Los niveles pueden variar significativamente, por ejemplo:

• 5 NTU: Límite máximo recomendado por la OMS para el agua potable, aunque recomienda por debajo de 1 NTU (0.5 NTU para filtración directa o convencional)
• 4NTU: Nivel mínimo capaz de percepción visual, aceptable para el agua del grifo
• 3 NTU: Estándar chino para determinadas aplicaciones
• 1 NTU: El nivel máximo obtenido mediante un tratamiento moderno
• 0.1…0.2 NTU: Por debajo de estos niveles para la industria farmacéutica

Aplicaciones en procesos

Control de filtración, control de clarificación en vinos, estudios de sedimentación, control del medio ambiente acuícola, acuicultura, control de lavados, refrigeración…

Aguas superficiales

La medida y control de las aguas superficiales (arroyos, ríos, lagos, océanos) también es importante debido a los efectos de la turbidez en los ecosistemas acuáticos. Hay que tener en cuenta que, debido a las variaciones en un mismo ecosistema, ya sean ríos, lagos, etc. pueden cambiar según la estación del año, los fenómenos atmosféricos, etc. variando enormemente los niveles de turbidez, siendo difícil su cuantificación, lo que obliga en algunos casos a una monitorización continua del sistema.

Aguas residuales

Medición en todas las etapas de tratamiento de los procesos en aguas residuales, aunque una de las más usuales es la medida de sólidos suspendidos totales.

Turbidez y Sólidos Suspendidos Totales

No hay que confundir turbidez con los Sólidos Suspendidos Totales (SST), ya que este último no guarda equivalencia directa con el contenido en sólidos en suspensión, aunque sean términos que estén relacionados. No obstante, para cada caso concreto, existe la posibilidad de proceder a su correlación, que normalmente es buena para un mismo punto de un río o arroyo, ya que la materia en suspensión -sólidos orgánicos (algas, zooplancton y detritos) e inorgánicos (arcilla, lodo y arena)- es una característica intrínseca de cada cuenca.

La razón por la que se mide la turbidez, que es un procedimiento indirecto, se debe a la imposibilidad de determinar en continuo los sólidos en suspensión, que se presentan en cada una de las operaciones que se realizan en las plantas de tratamiento de aguas residuales y en las de potabilización de agua para abastecimiento urbano. La misma argumentación es válida para el caso particular de una instalación de recarga artificial de acuíferos.

Y es que la medida de los sólidos en suspensión SST es una medida del peso en seco de los sólidos no disueltos suspendidos en el agua y su determinación se realiza por el método gravimétrico (secado a la estufa a 105°C y pesado). Se mide como la cantidad de sólidos suspendidos por unidad de volumen de agua y se expresa en mg/l. El inconveniente de este método es que es un método lento (el análisis dura varias horas) y requiere efectuarlo en un laboratorio.

Por otra parte, se ha demostrado tras innumerables estudios que es posible definir una correlación entre los sólidos suspendidos totales (SST) y la medición óptica de la turbidez, lo que proporciona la utilidad de medir SST mediante turbidímetros con un buen sistema óptico para medir de forma efectiva toda la luz dispersa y así obtener una medida inmediata como una herramienta adicional al método gravimétrico.

Se debe tener cuidado al adoptar este enfoque para garantizar que se considere lo siguiente: las correlaciones entre ambos métodos pueden ser específicas del sitio o de la muestra y deben demostrarse antes de ser utilizadas. Cambios grandes en las condiciones de la muestra pueden requerir que se ajuste la correlación y, por lo tanto, se recomienda una verificación frecuente.

La relación entre turbidez y sólidos suspendidos totales suele ser una línea recta con el formato de y = mx + c, donde y es el total de sólidos suspendidos, m es la pendiente y c es la intersección.

La relación entre TSS y turbidez es exclusiva de un lugar, sitio o muestra específica y, por lo tanto, requiere la validación tanto de la naturaleza lineal como de la pendiente y el desplazamiento necesario para la implementación. El rango de los factores de pendiente informados es de 1.0 a 2.5, con compensaciones que dependen del rango de medición y los requisitos de linealidad. Hay que tener en cuenta la dispersión a concentraciones más altas.

Comparar resultados entre los turbidímetros y otros instrumentos

Siempre se deben considerar tres factores clave cuando se trabaja con muestras con valores de 0.1 NTU o menos:

1. Debe de observarse el más alto cuidado al manipular cubetas o muestras para garantizar que se pueda obtener una medición precisa. Es imprescindible indexar las cubetas de muestra (posición óptima del tubo de muestra).

2. Los instrumentos en línea no suelen tener cubetas de muestra y algunos incluyen pretratamiento de muestra para eliminar los gases arrastrados, lo que dificulta la comparación de resultados con los instrumentos portátiles (que no disponen de desgasificación).
3. El uso de diferentes instrumentos de mesa y turbidímetros portátiles también puede diferir ligeramente con los resultados, sobre todo a causa del tiempo entre mediciones, ya que las partículas en las muestras se han asentado. Si se ha agitado una muestra, se debe dejar reposar durante 10 minutos antes de medirla, para que las partículas puedan depositarse. Los resultados que varían en menos de 0.05 NTU cuando los valores están por debajo de 0.1 NTU deben descartarse como variaciones instrumentales o como resultado de la técnica.

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