СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦВЕТНОСТИ ВОДЫ Российский патент 2016 года по МПК G01J3/50 

Изобретение относится к области аналитической химии и может применяться при определении качества поверхностных, подземных, питьевых и сточных вод.

Цветность является важным химическим показателем, нормирующим качество воды как для питьевых, так и технических целей. Основными факторами, влияющими на цветность воды, являются содержание гумусовых веществ и трехвалентного железа. ГОСТ 31868-2012 (1) устанавливает два способа определения цветности воды: визуальный и фотометрический. При визуальном определении проводят сравнение цветности пробы воды с водными растворами шкалы цветности либо проводят колориметрическое титрование (2).

Визуальные способы характеризуются высокой долей субъективизма при выполнении анализа, поскольку результат сильно зависит от световосприятия человека, которое может различаться в достаточно значительных пределах. Фотометрические способы основаны на измерении оптических характеристик пробы воды с помощью спектрометра и избавлены от этого недостатка, однако здесь существует проблема, заключающаяся в различной форме спектров светопоглощения образцов природной воды и водных растворов шкалы цветности. В результате этого данные, полученные с помощью визуальных и фотометрических способов, сильно разнятся.

Известен способ определения цветности воды, основанный на измерении оптической плотности или коэффициента пропускания анализируемой пробы воды при фиксированной длине волны с последующим определением значения цветности по градуировочной характеристике, установленной для водных растворов шкалы цветности (1).

Однако для вод различного происхождения точка пересечения спектров поглощения пробы воды со спектром поглощения стандартных растворов различается, что вызывает значительное снижение точности анализа.

Известен способ определения цветности воды с применением компьютерной цветометрии, который заключается в сканировании пробы воды на планшетном сканере с помощью специальной приставки, разложении изображения на цветовые компоненты RGB и вычислении цветности воды по градуировочной характеристике, полученной для водных растворов шкалы цветности (3)

Однако для построения градуировочных характеристик пригодна только цветовая компонента B, имеющая линейный вид в диапазоне от 0 до 60 градусов. В диапазоне от 60 до 80 градусов цветовой шкалы линейность нарушается, что значительно сужает диапазон измерений. Кроме того, в данном способе используется система цветов RGB, которая является лишь аппаратной реализацией для воспроизведения цветов устройствами ввода-вывода и не является колориметрической системой цветов, что снижает точность измерения цветности воды.

Помимо этого, все вышеперечисленные способы имеют узкий диапазон измерения цветности воды, как правило, не превышающий 80 градусов платиново-кобальтовой шкалы. При цветности пробы воды выше 80 градусов требуется проводить процедуру разбавления пробы, что ведет к снижению точности измерений и требует дополнительных затрат времени на проведение этой операции.

Эта проблема решена в наиболее близком по технической сущности к предлагаемому изобретению способе определения цветности воды, в котором фильтрованную пробу воды помещают в кювету и с помощью спектрометра измеряют оптическую плотность пробы воды в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм и определяют интегральную интенсивность поглощения света пробой воды в этой области спектра, при этом в качестве образца сравнения используется кювета с дистиллированной водой (4). Для перехода от единиц интегральной интенсивности к принятым в настоящее время единицам цветности в градусах платиново-кобальтовой (Pt-Co) шкалы полученное значение интегральной интенсивности делят на соответствующий коэффициент перехода, колеблющийся от 2 до 4, который выбирается экспертно, в зависимости от цветового оттенка воды.

Недостатком прототипа является процедура экспертного выбора коэффициента перехода, проявляющегося в низкой точности измерения цветности воды.

Изобретением решается задача создания эффективного фотометрического способа определения цветности воды, воспроизводящего результаты визуального определения. Достигаемый технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения цветности воды.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения цветности воды, характеризующемся тем, что исследуемую отфильтрованную пробу воды помещают в кювету и с помощью спектрометра измеряют спектр оптической плотности в видимом диапазоне длин волн относительно образца сравнения, согласно изобретению спектры оптической плотности измеряют для пробы воды и дистиллированной воды и по ним определяют цветовые координаты для пробы воды и дистиллированной воды в цветовом пространстве CIE 1976 L*a*b*, затем определяют величину цветоразличия между цветовыми координатами пробы воды и дистиллированной воды, по которой с помощью градуировочной характеристики, предварительно установленной для водных растворов шкалы цветности, определяют цветность воды. При этом в качестве образца сравнения используется пустая кювета. Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет повысить точность измерений.

Способ осуществляют следующим образом.

В кварцевую кювету помещают дистиллированную воду и с помощью спектрометра проводят измерение спектра оптической плотности в диапазоне длин волн от 390 до 830 нм, при этом в качестве образца сравнения используют пустую кварцевую кювету. Аналогичным образом проводят измерения с фильтрованной пробой воды (Фиг. 1). С помощью функций цветового соответствия (5, 6) определяют цветовые координаты CIE XYZ для дистиллированной воды и пробы воды. Для спектра пробы воды, изображенного на фиг. 1, координаты CIE XYZ имеют следующие значения: X=0.0196, Y=0.0178, Z=0.0723, а для дистиллированной воды X=0.0023, Y=0.0014, Z=0.0015. Значения координат CIE XYZ для дистиллированной воды и пробы воды переводят в систему координат CIE 1976 L*a*b* с использованием координат точки белого, соответствующих дневному свету (D65 illuminant, Xn=95.047, Yn=100, Ζn=108.883) (7) Для спектра пробы воды координаты CIE L*a*b* имеют следующие значения: L*=0.1610, a*=0.1088, b*=-0.7561, а для дистиллированной воды L*=0.0125, a*=0.0,0397, b*=0.0002. Определяют величину цветоразличия CIE dE2000 (8) в системе координат CIE L*a*b* между пробой воды и дистиллированной водой. Для спектра пробы воды CIE dE2000=0.7553. По градуировочной характеристике, отражающей зависимость величины цветности водных растворов шкалы цветности от величины цветоразличия CIE dE2000 (фиг. 2), определяют цветность воды. Цветность воды для определяемой пробы равна 57 градусов платиново-кобальтовой шкалы. Градуировочная характеристика строится предварительно для каждого спектрометра и комплекта кювет, при этом водные растворы шкалы цветности готовятся согласно ГОСТ 29131-91 (9).

В табл. приведены значения цветности пробы природной воды, определенные одним визуальным и тремя фотометрическими способами. Для сопоставления результатов анализа исходная проба воды была разбавлена в различных пропорциях. Цветность воды определялась визуально с помощью колориметрического титрования тремя независимыми наблюдателями в соответствии с методикой, описанной в Руководстве по химическому анализу вод суши (2). При этом результаты, полученные разными наблюдателями, были усреднены. Фотометрически цветность воды определялась по ГОСТ 31868-12 (1), по прототипу и предлагаемым способом. Цветность исходной пробы воды, определенная визуально и по ГОСТ, была рассчитана на основе кратности разбавления. Цветность исходной пробы воды, определенная предлагаемым способом и по прототипу, была получена прямым измерением. Точность измерений оценивалась по стандартному отклонению значений, полученных фотометрическими способами от усредненных визуальных данных.

Наименьшее стандартное отклонение между значениями цветности, полученными фотометрическим способом, и усредненными значениями цветности, полученными визуальным способом, отмечено для предлагаемого способа определения цветности воды и составляет 2 градуса Pt-Co шкалы в диапазоне от 0 до 300 градусов этой шкалы. Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет значительно повысить точность определения цветности воды, о чем свидетельствует уменьшение стандартного отклонения, относительно визуального определения, с 30 градусов платиново-кобальтовой шкалы (прототип) до 2 градусов этой шкалы.

Предлагаемый способ может быть использован для количественного определения цветоразличия в различных областях пищевой и химической промышленности.

Библиографические ссылки

1. ГОСТ 31868-2012 Вода. Методы определения цветности. Москва. Издательство стандартов. 2014. 12 с.

2. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши. Под ред. А.Д. Семенова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - 542 с.

3. Болотов В.М., Комарова Е.В,, Савин П.Н., Хрипушин В.В. Изучение цветометрических характеристик воды с использованием метода компьютерной цветометрии // Вестник ВГУИТ №4, 2013. С. 154-156.

4. Лозовик П.А. Определение прозрачности, цветности и мутности воды по интегральной интенсивности поглощения света в видимой области спектра //Вестник МГОУ. №4. 2013. С. 59-66.

5. Stockman, Α., Sharpe, L.Т.. Spectral sensitivities of the middle- and long-wavelength sensitive cones derived from measurements in observers of known genotype // Vision Research, 2000. №40, P. 1711-1737.

6. CIE 2006. Fundamental chromaticity diagram with physiological axes. Parts 1 and 2. Technical Report 170-1. Vienna: Central Bureau of the Commission Internationale de l′ Éclairage.

7. Schwiegerling J. Field Guide to Visual and Ophthalmic Optics, SPIE Press, Bellingham, WA 2004, 124 p.

8. Gaurav Sharma, Wencheng Wu, Edul N. Dalal The CIEDE2000 Color-Difference Formula: Implementation Notes, Supplementary Test Data, and Mathematical Observations // Color research and application, Vol. 30, №1, February 2005. P. 21-30.

9. ГОСТ 29131-91 Продукты жидкие химические. Метод измерения цвета в единицах Хазена (платино-кобальтовая шкала). Москва. Издательство стандартов. 2004. 5 с.

Изобретение предназначено для определения качества поверхностных, подземных, питьевых и сточных вод. Пробу воды помещают в кювету и с помощью спектрометра проводят измерение спектра оптической плотности в видимом диапазоне длин волн, при этом в качестве образца сравнения используют пустую кювету. Аналогичные измерения проводят, поместив в кювету вместо пробы воды дистиллированную воду. Для полученных спектров пробы воды и дистиллированной воды определяют цветовые координаты в цветовом пространстве CIE 1976 L*a*b*. Далее определяют величину цветоразличия между цветовыми координатами дистиллированной воды и пробы воды в цветовом пространстве CIE 1976 L*a*b*, по которой с помощью градуировочной характеристики, предварительно установленной для водных растворов шкалы цветности, определяют цветность воды. Изобретение обеспечивает повышение точности определения цветности воды. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения цветности воды, характеризующийся тем, что исследуемую отфильтрованную пробу воды помещают в кювету и с помощью спектрометра измеряют спектр оптической плотности в видимом диапазоне длин волн относительно образца сравнения, отличающийся тем, что спектры оптической плотности измеряют для пробы воды и дистиллированной воды и по ним определяют цветовые координаты для пробы воды и дистиллированной воды в цветовом пространстве CIE 1976 L*a*b*, затем определяют величину цветоразличия между цветовыми координатами пробы воды и дистиллированной воды, по которой с помощью градуировочной характеристики, предварительно установленной для водных растворов шкалы цветности, определяют цветность воды.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве образца сравнения используют пустую кювету.