Turbidez – Aclaración de mediciones de bajo nivel

por James W. Egan, Jr, PhD.

En los últimos 10 años, el análisis de la turbidez se ha convertido en mucho más que una simple medida de claridad del agua. Ahora, el análisis de turbidez de bajo nivel se está convirtiendo en el método preferido para la protección contra patógenos emergentes como Cryptosporidium y Giardia. Al garantizar una filtración adecuada del agua, se pueden reducir los riesgos derivados de una variedad de contaminantes indeseables en los suministros de agua de nuestro país.

En 2002, la EPA publicó la LT1ESWTR (Long Term 1 Enhanced Surface Water Treatment Rule) que exige que las turbidez en el efluente filtrado combinado lean a 0,3 NTU o por debajo de ellas. La EPA esperaba que esta acción permitiera una eliminación de Cryptosporidium1 en 2 log (99%). Actualmente se está considerando reducir esto a 0,1 NTU. Para alcanzar los objetivos de la EPA, es fundamental el monitoreo constante de la turbidez del agua filtrada. Esta monitorización suele realizarse mediante el uso de medidores de turbidez en línea en plantas de tratamiento de agua y con instrumentos portátiles en el campo. La tendencia ha sido comprobar la calibración de turbidímetros en línea con turbidímetros de mesa o portátiles de campo, utilizando estándares de precisión creados para cumplir con las especificaciones de la EPA.

Medición de la turbidez

Antes de adentrarse demasiado en el tema de la claridad del agua, tiene sentido hablar de los principios básicos de la medición de la turbidez. La turbidez es una propiedad agregada del agua. Está causada por partículas en suspensión en el agua. No es específico del tipo de partícula en el agua y las partículas pueden ser materia suspendida o coloidal, así como inorgánicas, orgánicas o biológicas. En concentraciones altas, la turbidez se percibe como turbidez, neblina o falta de claridad en el agua.

El análisis de turbidez es una medición óptica de la luz dispersada. Cuando la luz pasa a través de una muestra de agua, las partículas en el camino de la luz cambian la dirección de la luz, dispersándola. Si la turbidez es baja, la mayor parte de la luz continuará en la dirección original. La luz dispersada por las partículas permite que se detecten en el agua, igual que la luz solar puede iluminar partículas de polvo en el aire.

Un turbidímetro es un término general para un medidor que mide la turbidez. Medir la turbidez de bajo nivel requiere cuantificar con precisión la dispersión de la luz en el agua usando un turbidímetro que también es un nefelómetro. Los términos nefelómetro y turbidímetro suelen usarse indistintamente, como ocurre aquí. Sin embargo, un nefelómetro mide específicamente la luz dispersada a un ángulo de 90° respecto al haz de luz. La luz dispersada en otros ángulos también puede medirse, pero el ángulo de 90° define una medición nefelométrica. La fuente de luz para mediciones nephelométricas puede ser de dos tipos para cumplir con las especificaciones de la EPA o ISO. El método EPA especifica una lámpara de tungsteno, con una temperatura de color de 2.200 – 3.000^K2. Las unidades de medida del método EPA se registran como unidades de turbidez nefelométrica (NTU). El método ISO especifica un diodo emisor de luz (LED), con una longitud de onda de 860 nm y un ancho de banda espectral igual o menor a 60^{nm 3}. Las unidades de medida del método ISO son unidades nefelométricas formazinas (FNU).

El uso de nefelómetros portátiles de mano para comprobar la calibración de turbidímetros/nefelómetros en línea requiere que los medidores de mano cuenten con sistemas ópticos meticulosamente diseñados. Estos medidores deben ser capaces de calibraciones estables y a largo plazo, alta precisión y exactitud, y límites de detección bajos. Incluso con un medidor bien diseñado, la técnica de medición es fundamental para obtener lecturas precisas y precisas de turbidez de bajo^{nivel 4}. Las técnicas de medición incluyen la selección y uso de tubos de muestra, minimizar la interferencia de la luz dispersa y un manejo adecuado de la muestra.

Selección de tubos

La selección y manejo de los tubos es de suma importancia. En ocasiones, los tubos pueden necesitar ser remojados en una solución diluida de HCl antes de lavarlos. Siempre deben lavarse por dentro y por fuera con detergente suave antes de usarlas, para eliminar suciedad o huellas dactilares. Los tubos deben enjuagarse de 5 a 10 veces con agua libre de turbidez. Luego deben dejarse secar al aire en posición invertida para evitar que el polvo entre en los tubos. Los tubos limpios y secos deben almacenarse con los tapones puestos para evitar contaminaciones. Antes de su uso, los tubos deben estar limpios y libres de pelusa, huellas dactilares, derrames secos y arañazos. Los arañazos son especialmente problemáticos si están ubicados donde el haz de luz entra o sale del tubo. Cualquier tubo rayado debe desecharse y sustituirse por uno nuevo.

Después de llenar y tapar un tubo, solo debe sujetarse por la tapa para evitar problemas de huellas dactilares. Al apartar un tubo lleno, asegúrate de colocarlo sobre una superficie limpia y seca que no contamine el tubo. Antes de colocarlo en el instrumento, la superficie exterior del tubo debe limpiarse con un paño absorbente limpio y libre de pelusa, hasta que esté seca y libre de manchas. Esto es imprescindible para lecturas precisas y mantendrá la cámara de luz en condiciones óptimas. Los tubos deben vaciarse y limpiarse lo antes posible tras leer una muestra para evitar la deposición de partículas en el interior de los tubos y tapones. Para resultados muy precisos, los errores por contaminación pueden reducirse designando tubos y tapas para su uso solo en muestras de muy baja turbidez, mientras que otros pueden reservarse únicamente para pruebas de muy alta turbidez.

Algunos fabricantes sugieren recubrir ligeramente el exterior de los tubos con aceite de silicona. El objetivo es rellenar pequeños arañazos y minimizar la luz parásita asociada a imperfecciones en el tubo. Sin embargo, aplicar cantidades constantes de aceite de silicona es un reto y pequeñas variaciones pueden causar grandes cambios en el índice de refracción de los tubos. Esto puede provocar cambios sustanciales en las lecturas de turbidez. Por esta razón, muchos fabricantes desconvierten en el uso de aceite de silicona. Existen otros métodos más fiables para minimizar la luz parda.

Educación errante yderecha

La luz dispersa es la luz que se detecta pero no se dispersa directamente por la turbidez en la muestra de agua. La interferencia de la luz parásita provocará lecturas altas. La luz dispersa puede provenir de ruido electrónico, reflejos internos dentro de la óptica y de reflejos dispersos de suciedad y polvo en la cámara del^{medidor 5}. Arañazos, huellas dactilares y gotas de agua en el tubo también pueden causar interferencias con la luz parásita que lleva a resultados inexactos. Los medidores de turbidez contemporáneos, equipados con microprocesadores, eliminan el ruido electrónico restando una lectura de muestra con la fuente de luz apagada. Los turbidímetros que cuentan con un procedimiento de borrado pueden eliminar la luz parasitaria asociada a las reflexiones internas. El blank debe tener la misma interferencia, debido a reflexiones internas, que la muestra y se resta de la lectura de la muestra para eliminar esta fuente de interferencia de luz dispersa. Si se utiliza el mismo tubo para el blank que para la muestra, y está correctamente indexado en la cámara, las interferencias de luz parásita debidas a imperfecciones del tubo pueden minimizarse.

Otra fuente de luz dispersa es la dispersión molecular de la luz por las propias moléculas de agua. Las moléculas disueltas, incluidas partículas submicrónicas extremadamente pequeñas que no pueden ser filtradas, también dispersarán la luz. Esta dispersión molecular de la luz se ha estimado entre 0,01 NTU y 0,02 NTU. Por esta razón, el agua ultrapura aún puede causar dispersión de luz y, por ello, a menudo se la denomina agua de baja turbidez. Se puede argumentar que el uso de un procedimiento de borrado puede eliminar los efectos de la luz dispersa por la dispersión molecular. Si el agua que ha sido filtrada correctamente a través de un filtro de 0,1 micras puede considerarse libre de turbidez, porque no hay partículas sin disuelver en el agua, entonces cualquier luz dispersa debe provenir de la dispersión molecular. Esta luz dispersa puede compensarse con un procedimiento adecuado de blanking, en un instrumento con óptica de enfoque de alta calidad, y se puede obtener un resultado de 0,00 NTU.

Resultados negativos

Una característica útil para evaluar la turbidez de bajo nivel es un turbidímetro que muestra resultados negativos. Los medidores ocasionalmente emiten una lectura negativa que debe mostrarse como un número negativo. Esta situación es más probable al medir la turbidez de bajo nivel. Las variaciones naturales en todas las mediciones, tanto relacionadas con instrumentos como no instrumentos, pueden dar lugar a un resultado negativo. Por ello, algunos turbidímetros están diseñados para redondear un número negativo a 0,00 NTU, ya que un resultado inferior a 0,00 NTU es teóricamente imposible. Sin embargo, en la práctica, estos resultados son realmente significativos. Si un medidor da consistentemente un resultado negativo, hay un problema. El problema podría ser la técnica del operador o un error. También podría indicar un problema con la baja turbidez/agua libre de turbidez usada para un blank o un problema con la calibración. Si el medidor redondea el resultado negativo a 0,00 NTU, el usuario no será alertado de un posible problema.

Manejo de muestras

La variabilidad en la geometría de la cristalería y la técnica utilizada para orientar los tubos en la cámara de luz son causas predominantes de resultados inconsistentes. Pequeñas variaciones en el grosor de la pared y en el diámetro de los tubos pueden provocar ligeras variaciones en los resultados de la prueba. Para eliminar este error, los tubos deben colocarse en la cámara con la misma orientación cada vez. Muchos tubos de turbidez tienen líneas de indexación para este propósito. Aún mejores que una línea de indexación son los dispositivos de orientación que obligan físicamente a que un tubo se coloque siempre en la misma orientación. Para mejorar la precisión y exactitud, especialmente a bajas concentraciones, se recomienda encarecidamente algún tipo de dispositivo de orientación.

Antes de añadir la muestra de agua a un tubo para medir la turbidez, el tubo debe enjuagarse cuidadosamente de 3 a 5 veces con la solución, ya sea en blanco o muestra de prueba. El tubo debe taparse inmediatamente para evitar que el polvo u otros contaminantes entren en el tubo. Asegúrate de no derramar agua por fuera del tubo. Si hay un derrame, limpia inmediatamente el tubo antes de que se formen depósitos secos.

Para turbidez de bajo nivel, el tubo debe dejarse reposar varios minutos para desgasificar tras añadir la muestra. Pequeñas burbujas invisibles de gases disueltos pueden causar una interferencia positiva en los resultados. La desgasificación con vacío puede provocar contaminación si no se tiene extrema precaución. Se puede usar un baño sónico para desgasificar una muestra, si el tubo se limpió rigurosamente con antelación. Si el tubo no estaba escrupulosamente limpio, un baño sónico puede desalojar partículas de las paredes del tubo y aumentar la turbidez⁶. Una vez desgasificada la muestra, el tubo debe invertirse suavemente para suspender cualquier partícula que pueda haberse asentado. Después, el tubo debe dejarse reposar y entrar en estado de reposo antes de tomar una lectura en el turbidímetro.

Las lecturas de bajo nivel siempre deben verificarse que son estables tomando dos o tres lecturas en una muestra o en blanco. Las lecturas inestables pueden deberse a corrientes de convección en la muestra debido a la mezcla. Unas pocas partículas grandes que atraviesan el área de detección del tubo también pueden causar lecturas inestables. Para compensar esto, algunos medidores de turbidez cuentan con una opción de promediado de señal que permite al medidor promediar múltiples lecturas en una muestra inestable. Poder observar la lectura durante este proceso de promediado permitirá al usuario ver si la muestra proporciona una medición estable.

Los estudios han indicado que los análisis de turbidez de bajo nivel se ven frecuentemente afectados por las técnicas del^{usuario 7}. Dado que existe una curva de aprendizaje para realizar buenas mediciones de turbidez, se requiere un cuidado meticuloso y práctica en las técnicas de medición para lograr alta precisión y exactitud al probar turbidez de bajo nivel.

Calibración

Los nefelómetros suelen tener una calibración de fábrica para toda la gama al momento de su compra. Las autoridades reguladoras suelen exigir que se verifiquen y ajusten las calibraciones de estos medidores. Se requieren estándares de turbidez para la calibración/verificación de los medidores. La mayoría de los medidores se suministran con estándares de turbidez, como AMCO8, SDVB (estireno divinilo benceno), formazina o «formazina estabilizada», como estándares principales. Los estándares primarios son aprobados por la EPA para la calibración de turbidímetros. También existen otros tipos de estándares secundarios, pero solo pueden usarse para verificar una calibración.

Los analistas solo deben utilizar los estándares recomendados por el fabricante del nefelómetro. La formazina es un estándar universal, pero las diluciones son muy inestables. Los estándares AMCO son más estables y fáciles de usar, pero deben formularse de forma única para cada diseño de contadores. Un estándar AMCO diseñado para un turbidímetro no puede usarse de forma fiable con otro tipo de medidor, incluso si estos medidores son del mismo fabricante. La «formazina estabilizada» es estable pero requiere instrucciones especiales de mezcla que deben seguirse cuidadosamente. El índice de refracción de los estándares de «formazina estabilizada» de bajo nivel es muy diferente del de los estándares de formazina de bajo nivel y de la mayoría de las aguas ultrapuras de baja turbidez. Sin embargo, el índice de refracción de los estándares de formazina de bajo nivel y la mayoría del agua de turbidez ultrapura de bajo nivel es muy similar. Las diferencias en los índices de refracción pueden dar lugar a resultados muy distintos. Un medidor calibrado con «formazina estabilizada» no puede verificarse con estándares de formazina, a niveles bajos. A altos niveles de turbidez, las diferencias en el índice de refracción se vuelven pequeñas y tanto la formazina estabilizada como la no establecida deberían dar los mismos resultados.

Existe una relación lineal entre la luz dispersada a 90° y la turbidez del agua por debajo de 40 NTU. Existen dos enfoques diferentes para calibrar turbidímetros en pruebas de bajo nivel. Un enfoque utiliza estándares de turbidez de nivel intermedio para establecer la relación lineal entre 40 NTU y agua ultrapura. El medidor se calibra a nivel intermedio y luego se extrapola hacia atrás para medir muestras por debajo de 1 NTU. Un problema de este método es que cualquier error cometido al establecer el punto intermedio de calibración se magnifica al medir una muestra cada vez más alejada de ese punto. A niveles muy bajos de turbidez, estos errores podrían convertirse en una parte significativa de la medición. El segundo enfoque para la calibración es establecer la linealidad en el rango de turbidez de las muestras a medir. Este es un enfoque común para calibrar instrumentos científicos. Si las muestras a medir están por debajo de 1 NTU, la linealidad se establece calibrando con un estándar de 1 NTU. Existen estándares estables de 1 NTU para turbidímetros calibrados por ambos enfoques. Se requieren las mismas técnicas cuidadosas de medición para obtener buenas lecturas de turbidez a bajo nivel discutidas anteriormente para la calibración a bajo nivel. Una vez que estas técnicas se aprenden, se convierten en parte del proceso de realizar lecturas de calidad de todo tipo, ya sean lecturas de muestra, calibración o verificación.

Los turbidímetros que utilizan un blank tienen una ventaja clara al establecer una calibración lineal con dos puntos en el rango de muestras a probar. Para turbidez de bajo nivel, un turbidímetro puede calibrarse con agua ultrapura y un estándar de 1 NTU. El uso de buena técnica, agua ultrapura de baja turbidez y un estándar estable de 1 NTU son fundamentales para esta calibración. El resultado es una calibración muy bien establecida para el rango de 0 a 1 NTU. Borrar el medidor antes de leer muestras siempre garantiza que la lectura de agua ultrapura de baja turbidez se consulte cada vez que se determina una muestra. Esto ayuda a mantener una buena calibración a bajo nivel. Se ha demostrado que los turbidímetros que utilizan algún tipo de procedimiento de borrado, o un procedimiento para establecer una lectura baja predeterminada como 0,02 NTU, leen valores inferiores a los medidores que no utilizan este procedimiento9. La diferencia aumenta con el tiempo, probablemente porque la respuesta de la línea base se desplaza hacia arriba en medidores que no se calibran repetidamente con un estándar de baja turbidez ultra-puro.

Resumen

Las mediciones fiables de turbidez de bajo nivel son una medida crítica de la calidad del agua para el cumplimiento normativo y el monitoreo de la eficacia de la filtración. Para obtener resultados fiables, es fundamental prestar atención cuidadosa a la técnica de medición. Mantener tubos con buenas cualidades ópticas, minimizar la luz dispersa y manipular cuidadosamente las muestras son factores importantes. Un instrumento bien diseñado solo es efectivo si está calibrado con precisión. Por último, consultar un estándar de turbidez ultra-puro de bajo nivel, como un blank, mientras se analizan muestras ayudará a preservar y verificar un buen programa de pruebas de calibración de bajo nivel.

Referencias

1) EPA de EE. UU., Regla Definitiva de Tratamiento Mejorado de Aguas Superficiales a Largo Plazo 1, 40 CFR Parte 9, 141 y 142, Vol. 67, Nº 9, P. 1814, EPA 815-z-02-001, 14 de enero de 2002.

2) EPA DE EE. UU., Métodos para el análisis químico de agua y residuos, Método 180.1, Determinación de la turbidez por nefelimetría, Rev 2, Cincinnati, OH, agosto de 1993.

3) Organización Internacional de Normalización, Calidad del Agua – Determinación de la Turbidez, ISO 7027, Ginebra, Suiza, 1999.

4) Sadar, M. J., Comprendiendo la ciencia de la turbidez, Serie de Información Técnica, Nº 11, P. 21, Hach Co., Loveland CO.

5) Sadar, p. 11

6) Sadar, p. 12

7) Letterman, R.D., Johnson, C. E., Viswanathan, S., Mediciones de turbidez de bajo nivel: Una comparación de instrumentos, J. AWWA, 96, 8, p. 137, 2004.

8) AMCO Clear® y AMCO-AEPA® son marcas registradas de GFS Chemical, Powell, OH.

9) Letterman, p. 137