Fontes de luz na medição de Turbidez

1. Resumo

A principal técnica de medição de Turbidez é o método nefelométrico, que correlaciona o espalhamento a 90° de um feixe de luz que atravessa uma solução por partículas em suspensão no fluido. Dentre outros fatores, o modelo de espalhamento teorizado por Gustav Mie, relaciona a intensidade do espalhamento de luz com a distribuição espectral da luz incidente e o comprimento de onda.

Apresentamos as correlações entre as características ópticas de lâmpadas incandescentes e lâmpadas de estado sólido, que influenciam a medição de Turbidez. Demonstramos que as lâmpadas incandescentes e de estado sólido, principalmente as do tipo branco quente, se equivalem em relação à temperatura de Cor e às coordenadas de cromaticidade, sendo as duas branco amareladas.

Contudo, a distribuição espectral das lâmpadas de estado sólido que concentram sua energia no espectro visível, inclusive com pico de emissão próximo a 420 nm, proporcionam maior espalhamento de luz do que as lâmpadas incandescentes, aumentando a sensibilidade de medição.

Destacamos ainda que com o maior tempo de vida, melhor eficiência energética, a menor influência a variações de temperatura e resistência física implicam que as lâmpadas de estado sólido são as fontes de luz ideais para a medição de Turbidez.

2. Introdução

A Turbidez é uma propriedade física dos fluidos que relaciona a transparência da solução à presença de materiais em suspensão no meio. A Turbidez ocorre quando um feixe de luz ao atravessar um meio heterogêneo, tem a sua propagação afetada, sendo que o feixe transmitido possui intensidade menor do que o incidente.

Por definição, a Turbidez é causada por partículas sólidas em suspensão, como argila e matéria orgânica, que formam colóides e interferem na propagação da luz pela água, alterando as suas propriedades ópticas. A turvação pode assim ser causada por uma enorme variedade de matérias em suspensão, de origem orgânica ou inorgânica, variando em dimensão desde partículas coloidais até sólidos de dimensões macroscópicas.

A complexidade das interações ópticas entre a luz incidente, as propriedades dos materiais dissolvidos e em suspensão e as características do fluido influenciam diretamente a medição da Turbidez de um meio. Dessa forma, a Turbidez não pode ser medida diretamente recorrendo a uma única propriedade do fluido ou dos materiais nele suspensos, e sim avaliada pela comparação com padrões estabelecidos por normas técnicas. 

3. Padrão de espalhamento de luz

As primeiras técnicas de medição de Turbidez foram desenvolvidas com base nas de atenuação por absorção da luz pelo material em suspensão ao atravessar o fluido que o contém; e no espalhamento da luz causado pela presença de material em suspensão no fluido a testar.

Estas duas metodologias deram origem a um conjunto de instrumentos, com destaque para os turbidímetros nefelométricos. Nestes instrumentos a Turbidez é mensurada comparando o espalhamento de um feixe de luz a 90° ao atravessar a amostra com o espalhamento obtido, com o mesmo feixe e em iguais condições, ao atravessar uma solução padrão.

Entretanto, a medição de Turbidez depende de fatores que interferem na absorção e na reflexão da luz, tais como, o tamanho das partículas, sua forma geométrica, coloração, índice de refração do meio, comprimento de onda e energia da fonte de emissão, entre outros. Esta complexidade influencia a medição de instrumento para instrumento, dependendo da sua configuração mecânica (ângulo de espalhamento) e óptica.

3.1 Modelo de espalhamento de luz

A teoria de espalhamento é um dos modelos mais utilizados para se calcular a intensidade da luz espalhada por partículas dispersivas, como em um composto ou em uma mistura polimérica. O modelo idealiza as partículas como esféricas, isotrópicas, não magnéticas e com uma superfície lisa, dispersas em um meio não absorvente.

Neste modelo, a intensidade da luz espalhada pelas partículas, I, é função do índice de refração relativo do meio, n, do diâmetro da partícula, d, do comprimento de onda da luz incidente λ, e do ângulo de espalhamento, θ, tal que  ^[6.1]:

Onde I₀ é a intensidade inicial do feixe de luz e R é a distância entre a partícula de espalhamento e o detector.

3.2  Influência do comprimento de onda e energia da luz emitida

Na medição de Turbidez, o ângulo de espalhamento e a distância do detector R até a amostra são fixas. Podemos também considerar que o índice de refração relativo n e o diâmetro das partículas d também são constantes, uma vez que estamos mensurando e comparando amostras do mesmo tipo de solução.

Dessa forma, a intensidade de espalhamento de uma amostra é fortemente dependente do comprimento de onda e da intensidade (energia) da fonte de emissão. Por isso, como regra temos que a energia de espalhamento decresce, a uma potência de 4, conforme aumenta o comprimento de onda da luz e vice-versa.

Portanto, na medição de Turbidez, é imprescindível trabalhar com fontes de luz compostas por comprimentos de ondas menores, aumentando a sensibilidade do instrumento ^[6.2].

3.3 Influência da Cor

Para valores de Turbidez abaixo de 2 NTU, a Cor das soluções tem uma menor interferência sobre as medições. Contudo, amostras acima de 2,0 NTU sofrem interferência da Cor na maioria das medidas.

A utilização de uma luz incidente próximo do infravermelho (NIR) , reduz ou elimina a interferência de Cor para medições em amostra com Turbidez maiores do que 2,0 NTU.

4. Comparação entre lâmpadas de tungstênio e de estado sólido

4.1 temperatura de Cor

As fontes de luz podem ser caracterizadas e normalizadas por sua distribuição espectral. Para isso utilizamos o termo temperatura de Cor. Quando dizemos que uma fonte de luz possui temperatura de Cor de 3000 K, significa que o espectro de emissão desta fonte de luz se aproxima ao espectro irradiado por um corpo negro quando aquecido até a temperatura de 3000 K ^[6.2]. Ou seja, a temperatura de Cor de uma fonte é a temperatura na qual um radiador de Planck emite energia radiante competente para evocar uma Cor da mesma qualidade que aquela evocada pela energia radiante da fonte em questão ^[6.3].

Um corpo negro ou radiador de Planck é um corpo ideal que absorve toda a energia e a emite em forma de radiação. Quando o corpo negro apresenta pouco aquecimento gera radiações visíveis de baixas energias, logo com grandes comprimentos de onda, o que corresponde a faixas da região do vermelho. A 2000 K obtém-se um espectro vermelho forte, chamado vermelho quente. Nas temperaturas entre 2500 K a 4000 K, o espectro muda do vermelho para o amarelo, chamado de branco quente.

O filamento de tungstênio de uma lâmpada incandescente é um exemplo deste tipo de espectro amarelado, operando entre 2850 K a 3100 K. Entre 5000 K e 7000 K, a luz emitida é representada por um espectro plano na região do visível e resulta em um branco neutro. Nas altas temperaturas, acima de 9000 K, predomina a emissão de energia de comprimentos de ondas curtos, produzindo um branco mais azulado, denominado branco frio. É intuitivo quando vemos metais brilharem vermelhos, depois amarelos e brancos conforme a temperatura de aquecimento aumenta, por exemplo.

Com base neste sistema é possível descrever uma fonte de luz em função de sua temperatura de Cor em Kelvin. Esta classificação é facilmente visualizada quando observamos as coordenadas de cromaticidade plotadas no gráfico CIE – xy. Observe que a linha de traçada em função da temperatura de Cor se desloca ao longo do gráfico do laranja para o azul conforme aumenta a temperatura de Cor (Figura 1). Assim temos uma única métrica para caracterizar uma fonte de iluminação, a CCT (correlated color temperature), expressa em Kelvin (K) ^[6.2].

Figura 1 - Mapa de cromaticidade CIE com a linha de emissão de corpo negro

4.2 Espectro de emissão

O olho humano possui sensibilidade apenas a uma pequena parte da radiação do espectro de ondas eletromagnéticas. Apenas radiações que possuem comprimentos de ondas entre 400 e 750 nanômetros (nm) são perceptíveis ao humano (Figura 2). Quando enxergamos luz branca, na verdade, estamos observando a uma mistura de diferentes radiações com comprimentos de onda entre 400 a 750 nm. 

Figura 2 – Espectro de radiação eletromagnético

Lâmpadas incandescentes irradiam através do espectro visível, mas com intensidade variável nos diferentes comprimentos de onda. A distribuição espectral de potência (SPD – spectral power distribution) para uma determinada fonte de luz mostra a energia radiante emitida pela fonte de luz em cada comprimento de onda. Fontes incandescentes têm um SPD contínuo, mas a potência relativa é baixa nas regiões azul e verde.

A cor amarelada das lâmpadas incandescentes, com temperatura de Cor entre 2500 K e 4000 K, deve-se às emissões relativamente mais altas nas regiões laranja e vermelha do espectro (Figura 3). Isto é refletido nas coordenadas xy posicionadas na região amarela do diagrama de cromaticidade.

Figura 3 – Distribuição espectral de uma lâmpada incandescente com temperatura de Cor em 3000K [6.2]

Lâmpadas de estado sólido, com temperatura de Cor entre 2600 K a 3500 K possuem SPD muito próximas ao de uma lâmpada incandescente (Figura 4).

Figura 4 – Distribuição espectral de uma lâmpada de estado sólido com temperatura de Cor de 2780K [6.2]

Com as coordenadas xy posicionadas na mesma região amarela das lâmpadas incandescentes, as principais diferenças são que as lâmpadas de estado sólido possuem dois picos de emissão, um em 630 nm e outro em 430 nm, sendo que a partir de 632 nm a energia decresce rapidamente sendo praticamente nula em 800 nm enquanto que o espectro das lâmpadas incandescente é crescente e contínuo.

Como vimos anteriormente, na medição de Turbidez, quanto menor o comprimento de onda da fonte de iluminação maior é a sensibilidade do instrumento a partículas com diâmetros menores devido ao maior o espalhamento da luz.

Desse modo, instrumentos que utilizam lâmpadas de estado sólido, branco quente, como fonte de iluminação são mais sensíveis a partículas menores, uma vez que toda a SPD desta fonte está concentrada entre os comprimentos de onda do visível e são melhores para medição de soluções com baixos valores de Turbidez. Principalmente por possuir um pequeno pico de emissão na faixa de 430 nm (Figura 5).

Figura 5 – Distribuição espectral sobrepostas de uma lâmpada de tungstênio e lâmpadas de estado sólidos

Outra importante diferença é que as lâmpadas incandescentes convertem a maioria da sua potência em calor infravermelho (IR), menos de 10% da sua energia é convertido em luz visível, nos comprimentos de onda entre 400 e 700 nm (Figura 6). As lâmpadas de estado sólido praticamente não emitem IR ou UV ^[6.5].

Figura 6 – Distribuição espectral completa até 15 000 nm de lâmpadas incandescentes

4.3 Potência luminosa, estabilidade e tempo de vida útil de emissão

As lâmpadas incandescentes de tungstênio, em geral, produzem entre 12 a 5 lúmens por watt (lm/W) e tempo de vida útil de aproximadamente 1.000 horas ^[6.5], até o decaimento de 70% de sua energia inicial. Já as lâmpadas de estado sólido, do tipo branco quente, podem produzir cerca de 45 a 50 lm/W e o tempo de vida útil é de 30.000 a 50.000 horas para os mesmos 70% ^[6.5].

Adicionalmente, ao contrário de outras fontes de luz, as lâmpadas de estado sólido não queimam o seu material, por isso em temperaturas mais frias, as lâmpadas incandescentes tendem a perder energia de emissão enquanto lâmpadas de estado sólido não são influenciadas significativamente.

4.4 Outras características

Devemos também destacar que as lâmpadas de estado sólido, na medição em Turbidez, possuem as vantagens de:

• Feixe de luz direcional: As lâmpadas incandescentes emitem a luz em um padrão radial (espalha em todas as direções), enquanto lâmpadas de estado sólido emitem luz em ângulos de no máximo 20° dependendo da sua forma de construção
• Resistência à ruptura devido à vibração
• Tempo de aquecimento instantâneo: Lâmpadas de estado sólido não necessitam de tempo de aquecimento, alcançando energia máxima em poucos segundos

5. Conclusão

A medição de Turbidez é um importante parâmetro de qualidade da água. Sua medição depende de diversos fatores, dentre os quais a energia e o espectro de emissão da fonte de iluminação que influenciam diretamente a quantidade de luz espalhada e consequentemente o valor de Turbidez.

Ao comparar as lâmpadas incandescentes com as lâmpadas de estado sólido, principalmente com os tipos branco quente, podemos concluir que as coordenadas no diagrama de cromaticidade das lâmpadas são equivalentes (x 0,44 e y 0,40 para lâmpadas incandescente e x 0,46 e y 0,42 para lâmpadas de estado sólido), demonstrando que as duas fontes são aproximadamente iguais em relação ao diagrama de cromaticidade e temperatura de Cor.

Contudo, a distribuição espectral de emissão das lâmpadas possui diferenças significativas que influenciam diretamente a medição de Turbidez, principalmente para partículas pequenas.

A maior concentração de energia nos comprimentos de onda menores das lâmpadas de estado sólido aumenta a energia de espalhamento de soluções com partículas de diâmetros menores que geralmente estão nas águas mais limpas e translúcidas, em valores de Turbidez abaixo de 2 NTU, aumentando a sensibilidade da medição quando lâmpadas de estado sólido são utilizadas como fonte de iluminação em turbidímetros.

Adicionalmente, o fato de toda energia de emissão das lâmpadas de estado sólido estarem nos comprimentos de onda visíveis é uma vantagem significativa na medição de Turbidez. Como as lâmpadas de estado sólido não emitem radiação infravermelhas (calor), ao contrário das lâmpadas incandescentes transformam 90% da sua energia, a estabilidade e repetibilidade do sinal não são influenciadas pela variação de temperatura e o sistema eletrônico não sofre o risco de variação devido a emissão de calor da própria fonte de iluminação. Isso reflete na eficiência energética e no tempo de vida delas, que são muito superiores às lâmpadas incandescentes. Desse modo, na medição de Turbidez, as lâmpadas de estado sólido permitem uma medição mais reprodutiva uma vez que o seu decaimento de energia e sua estabilidade em função de temperatura é maior.

Desta forma, podemos concluir que as lâmpadas de estado sólido são as fontes de iluminação ideais para a medição de Turbidez.

Saiba mais sobre Turbidez:
O que é Turbidez e qual a importância dessa medição?
Porque não se deve fazer o controle da dosagem de coagulante através da Turbidez?
Técnica de Análise de Turbidez
Por que minhas análises de Turbidez no campo não batem com as análises em processo?

Acompanhe nossas redes sociais (Facebook, Instagram, LinkedIn e YouTube) para receber todas as novidades e saber mais sobre instrumentação analítica e análises ambientais!

Entre em contato com nossos especialistas!
Assistente virtual Didi: +55 11 5633 2200
E-mail: digimed@digimed.ind.br