Turbidity Sensor (Pengukur Kekeruhan)

Turbidity (kekeruhan) banyak sekali hasil pencarian yang ada di internet (Google Search Engine) yang dimana ketika kita mengetik keyword tentang turbidity, malah akan muncul website toko online yang menjual pengukur kekeruhan air (turbidiry meter).

Lalu apakah yang dimaksud kekeruhan dan bagaimana cara alat turbidity meter bekerja ?

Pengenalan Turbidity (Kekeruhan)

Definisi Kekeruhan

Kekeruhan didefinisikan sebagai pengurangan transparansi cairan yang disebabkan oleh adanya materi tersuspensi yang tidak larut. Asal usul partikel yang ditemukan di air laut dapat berupa mineral (seperti tanah liat dan lanau) atau organik (seperti bahan organik partikulat atau organisme hidup seperti plankton).

Akan tetapi, kekeruhan bukanlah ukuran langsung dari partikel tersuspensi dalam air, tetapi ukuran dari efek hamburan partikel tersebut terhadap cahaya.

Penyebaran Cahaya dan Konsentrasi Partikel

Sampel air yang diwarnai oleh zat terlarut adalah sistem homogen yang hanya melemahkan radiasi yang melewatinya.

Sampel air yang mengandung partikel yang tidak larut melemahkan cahaya datang dan, sebagai tambahan, partikel tersebut menyebarkan cahaya secara tidak merata ke segala arah.

Hamburan radiasi ke arah depan yang dihasilkan oleh partikel, mengubah atenuasi sedemikian rupa sehingga koefisien atenuasi spektral relatif μ (λ) adalah jumlah dari koefisien difusi spektral s (λ) dan koefisien absorpsi spektral α (λ) .

μ (λ) = s (λ) + α (λ)

Untuk mendapatkan koefisien difusi spektral s (λ) saja, koefisien serapan spektral α (λ) harus diketahui.

Untuk menentukan koefisien absorpsi spektral zat terlarut, dalam beberapa kasus partikel yang tidak larut dapat disaring, walaupun ini menyebabkan gangguan.

Untuk itu perlu dilakukan perbandingan hasil pengukuran kekeruhan dengan skala standar.

Intensitas radiasi yang tersebar tergantung pada panjang gelombang radiasi insiden, sudut pengukuran, dan pada bentuk, karakteristik optik, dan distribusi ukuran partikel tersuspensi.

Dalam pengukuran atenuasi radiasi yang ditransmisikan, nilai yang diukur bergantung pada sudut bukaan Ωθ. Sudut θ dibentuk oleh arah radiasi insiden dan arah radiasi hamburan yang diukur, seperti yang ditunjukkan pada gambar diatas.

Penyebaran Cahaya dan Ukuran Partikel

Partikel berinteraksi dengan cahaya insiden yang menyerapnya dan menyebarkannya ke segala arah.

Distribusi spasial dari cahaya yang tersebar tergantung pada rasio ukuran partikel terhadap panjang gelombang cahaya yang datang.

Partikel yang jauh lebih kecil dari panjang gelombang cahaya datang menunjukkan distribusi hamburan yang cukup simetris dengan jumlah cahaya yang kira-kira sama tersebar baik ke depan maupun ke belakang (Gambar A).

Ketika ukuran partikel meningkat dalam kaitannya dengan panjang gelombang, cahaya yang tersebar dari berbagai titik partikel sampel menciptakan pola interferensi yang bersifat aditif dalam arah maju.

Interferensi konstruktif ini menghasilkan cahaya yang tersebar ke depan dengan intensitas lebih tinggi daripada cahaya yang tersebar ke arah lain (Gambar B dan C).

Selain itu, partikel yang lebih kecil menyebarkan panjang gelombang yang lebih pendek (biru) secara lebih intens sementara memiliki sedikit efek pada panjang gelombang yang lebih panjang (merah).

Sebaliknya, partikel yang lebih besar lebih mudah menyebarkan panjang gelombang panjang daripada mereka menyebarkan cahaya dengan panjang gelombang pendek.

Bentuk partikel dan indeks bias juga mempengaruhi distribusi dan intensitas penyebaran.

Partikel bola menunjukkan rasio sebaran maju-mundur yang lebih besar daripada partikel melingkar atau berbentuk batang.

Indeks bias suatu partikel adalah ukuran bagaimana ia mengarahkan cahaya yang melewatinya dari media lain seperti fluida suspensi. Indeks bias partikel harus berbeda dari indeks bias cairan sampel agar hamburan terjadi.

Ketika perbedaan antara indeks bias partikel tersuspensi dan fluida tersuspensi meningkat, hamburan menjadi lebih intens.

Warna padatan tersuspensi dan cairan sampel penting dalam deteksi cahaya tersebar.

Zat berwarna menyerap energi cahaya di pita tertentu dari spektrum yang terlihat, mengubah karakter cahaya yang ditransmisikan dan cahaya yang tersebar, serta mencegah bagian tertentu dari cahaya yang tersebar mencapai sistem deteksi.

Hamburan cahaya meningkat dengan meningkatnya konsentrasi partikel. Tapi karena cahaya yang tersebar menyerang semakin banyak partikel, hamburan ganda terjadi dan penyerapan cahaya meningkat.

Ketika konsentrasi partikulat melebihi titik tertentu, tingkat cahaya yang tersebar dan ditransmisikan dapat dideteksi dengan cepat, menandai batas atas dari kekeruhan yang dapat diukur.

Mengurangi panjang jalur cahaya melalui sampel akan mengurangi jumlah partikel antara sumber cahaya dan detektor cahaya, serta memperpanjang batas atas pengukuran turbiditas.

Pengukuran Kekeruhan

Secchi Disk

Rekor kekeruhan pertama yang didekati dengan cara ilmiah, dikaitkan dengan kepala Angkatan Laut Kepausan pada tahun 1865, Komandan Cialdi.

Komandan Cialdi tertarik dengan transparansi laut dan visibilitas lantainya (untuk tujuan navigasi) dan selama penelitiannya dia telah membaca bahwa seorang kapten telah melaporkan melihat lempengan (Disk Secchi) di jaring pada kedalaman 40 m.

Komandan Cialdi memulai penyelidikannya tentang visibilitas laut dan segera mencoba beberapa ukuran dan warna piringan yang berbeda.

Belakangan, dia menyewa jasa Profesor Pietro Angelo Secchi, seorang sarjana dan pendeta Italia. Bersama-sama mereka menerbitkan Sur la Transparence de la Mer (Tentang Transparansi Laut) di mana mereka menggambarkan perkembangan cakram putih (kemudian dimodifikasi oleh George Whipple) yang dihubungkan ke tiang atau kabel untuk mengukur transparansi laut.

Secchi melakukan pengamatan lebih lanjut tentang pengaruh bayangan perahu, pantulan cahayanya di permukaan, kejernihan langit, dan ketinggian tempat pengamat berdiri.

Meskipun metodenya telah digunakan sejak saat itu dan masih digunakan hingga saat ini sebagai ukuran kualitatif dari kekeruhan lautan, metodenya tidak pernah distandarisasi sehingga akurasinya sangat terbatas.

Jackson Candle Turbidimeter

Upaya pertama untuk mengukur turbidity dengan cara standar dilakukan oleh Whipple dan Jackson pada tahun 1900.

Whipple dan Jackson mengembangkan cairan suspensi standar menggunakan 1.000 bagian per juta (ppm) tanah diatom dalam air suling untuk digunakan sebagai timbangan dan turbidimeter ( Turbidimeter lilin Jackson).

Metode ini terdiri dari menempatkan lilin yang menyala di bawah tabung datar di mana air dituangkan sampai gambar lilin memudar menjadi silau bila diamati dari atas.

Kepunahan citra visual terjadi ketika intensitas cahaya yang tersebar sama dengan cahaya yang ditransmisikan.

Ketinggian air akan dibaca terhadap skala ppm-silika dan satuan diberikan dalam unit kekeruhan Jackson (JTU).

Tak perlu dikatakan bahwa metode ini juga rentan terhadap kesalahan, karena tanah diatom bervariasi dalam komposisinya dan pembacaan dilakukan oleh pengamat.

Selain masalah yang disebutkan di atas, panjang gelombang cahaya lilin tidak dihamburkan kembali secara efektif oleh partikel berukuran kecil sementara partikel gelap menyerap lebih banyak cahaya daripada yang mereka hamburkan, sehingga tidak mungkin untuk mendapatkan pembacaan.

Nephelometers dan Sensor Optik

Solusi untuk masalah ini akhirnya datang pada tahun 1970-an ketika turbidimeter nefelometri, atau nephelometer, dikembangkan.

Namanya berasal dari lapisan nepheloid yang berasal dari kata Yunani nephos yang berarti awan.

Instrumen ini menentukan turbidity (kekeruhan) dengan mengukur cahaya yang tersebar pada sudut 90 ° dari pancaran sinar. Sudut deteksi 90° dianggap paling tidak sensitif terhadap variasi ukuran partikel.

Nefelometer adalah instrumen standar untuk mengukur turbidity menurut ISO, EN, dan EPA.

Perbedaan tunggal antara norma-norma ini adalah bahwa nephelometer ISO dan EN menggunakan dioda pemancar inframerah 860nm sebagai sumber cahaya, sedangkan EPA menggunakan lampu filamen tungsten yang dioperasikan pada suhu warna antara 2200 dan 3000 derajat K.

Yang terakhir memiliki batasan mengenai sampel berwarna karena ini akan menipiskan berkas cahaya yang menyebabkan kesalahan dalam pengukuran kekeruhan.

Ratio Turbidimeter menggunakan beberapa detektor pencar dan mampu mengkompensasi redaman cahaya yang terjadi pada sampel berwarna. Transmissometer

Detektor cahaya yang ditransmisikan berukuran besar mengukur cahaya yang melewati sampel.

Filter densitas netral melemahkan insiden cahaya pada detektor ini dan kombinasi tersebut miring pada 45 derajat ke cahaya insiden, sehingga pantulan dari permukaan filter dan detektor tidak memasuki area sel sampel.

Detektor sebaran maju mengukur cahaya yang tersebar pada 30 derajat dari arah yang ditransmisikan.

Detektor pada 90 derajat nominal ke arah depan mengukur cahaya yang tersebar dari sampel normal ke berkas insiden. Detektor ini dipasang keluar dari bidang yang dibentuk oleh berkas cahaya dan detektor lainnya.

Sudut dan penyekat untuk blok pemasangan di luar bidang ini yang tersebar langsung dari sisi sel sampel sambil mengumpulkan cahaya yang tersebar dari berkas cahaya.

Sinyal dari masing-masing detektor ini kemudian digabungkan secara matematis untuk menghitung kekeruhan sampel.

2100AN berisi detektor pencar belakang keempat yang mengukur cahaya yang tersebar pada 138 derajat nominal dari arah yang ditransmisikan.

Detektor ini “melihat” cahaya yang tersebar oleh sampel yang sangat keruh ketika detektor lain tidak lagi menghasilkan sinyal linier.

Standar Kalibrasi

Formazin

Pada tahun 1926, Kingsbury dan Clark menemukan Formazin, suspensi yang dibuat dengan polimerisasi heksametilenetetramin dan hidrazin sulfat dalam air.

Solusi baru ini sangat meningkatkan konsistensi dalam perumusan standar.

Unit pengukuran diubah namanya menjadi formazin turbidity unit (FTU).

Kelemahan Formazin adalah bahwa setelah disintesis, solusinya stabil hanya selama empat minggu, dan meskipun hasil yang dapat direproduksi dan akurat relatif mudah dicapai dalam konsentrasi tinggi, pada konsentrasi rendah hasil yang sama sangat sulit diperoleh.

Selain itu, Formazin menghasilkan sejumlah kecil formaldehida, yang merupakan karsinogen, sehingga harus ditangani dengan tepat.

Amco Clear

Amco Clear adalah standar kekeruhan yang dikembangkan oleh GFS Chemicals dan terdiri dari Styrene Divinyl Benzene Copolymer Beads dalam air.

Ini adalah standar utama yang disetujui EPA untuk kalibrasi sensor turbiditas yang aman, tidak beracun, dan sekali pakai.

Ini mudah digunakan tanpa pengenceran atau resuspensi, dan tersedia dalam berbagai nilai.

Ini adalah NIST yang dapat dilacak ke ukuran / distribusi partikel dan kepadatan optik, dan stabilitas yang melekat berarti tidak mengendap dari suspensi

StablCal

Standar Kekeruhan Formazin distabilkan StablCal adalah pengenceran Formazin sejati yang dikembangkan untuk digunakan dalam turbidimeter apa pun. Nilai NTU: <0.1.

Contoh Alat Pengukur Turbiditas

Penyebab dan Dampak Kekeruhan pada Ekosistem Laut

Turbiditas yang tinggi memiliki sejumlah efek merugikan pada ekosistem perairan: penurunan penetrasi cahaya (membatasi pertumbuhan tanaman), pergerakan ikan, serta kemampuan ikan dan burung predator untuk melihat mangsanya.

Turbiditas tinggi berarti konsentrasi padatan tersuspensi yang tinggi, yang dapat membahayakan ikan dan fauna air lainnya. Padatan tersuspensi ini dalam proses menetap di dasar laut memiliki efek tersedak pada organisme penghuni dasar dan habitat akuatik.