Thông thường, độ đục được cho là liên quan tới trình trạng không trong suốt hoặc là mức độ trong của nước. Theo khoa học, độ đục gây ra bởi hiện tượng tương tác giữa ánh sáng và các chất lơ lửng trong nước như cát, sét, tảo và những vi sinh vật và chất hữu cơ có trong nước. Các chất rắn lơ lửng phân tán ánh sáng hoặc hấp thụ chúng và phát xạ trở lại với cách thức tùy thuộc vào kích thước, hình dạng và thành phần của các hạt lơ lửng và vì thế cho phép các thiết bị đo độ đục ứng dụng để phản ánh sự thay đổi về loại, kích thước và nồng độ của các hạt có trong mẫu. Độ đục không đo số lượng của chất rắn lơ lửng trong mẫu nhưng thay vào đó là một phép đo kết hợp ảnh hưởng tán xạ từ một nguồn sáng đặc biệt bởi chất rắn lơ lửng để phản ánh độ đục của mẫu. Mặc dù không trực tiếp đo đạc số lượng chất rắn lơ lửng nhưng độ đục có thể được xem là chỉ thị cho chất lượng nước thông thường nhất cho quá trình xử lý ngay từ lúc bắt đầu. Kết quả đo giúp ta đánh giá được hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ của quá trình làm sạch và tác động của các hạt trong vai trò là chỗ cư trú của các mầm vi sinh vật nguy hại. Những người vận hành được hỗ trợ bởi các thiết bị đo độ đục cải tiến để đánh giá trực tiếp hoặc liên tục sự thay đổi của các hạt lơ lửng trong dòng chảy vào và trong suốt quá trình lọc hay rửa ngược. Dựa vào đó họ cũng có thể biết được một quy trình là phù hợp với các phương pháp khác hay không, chẳng hạn như so sánh với thí nghiệm kiểm tra tổng chất rắn lơ lửng theo phương pháp trọng lực.
Lý thuyết về sự phân tán ánh sáng
Rất đơn giản, tính quang học được trình bày theo độ đục là sự tương tác giữa ánh sáng và các hạt lơ lửng trong nước. Một tia sáng tới chiếu qua mẫu nước trong hoàn toàn thì được nguyên vẹn không bị tán xạ, dù là cơ bản các phân tử trong dung dịch tinh khiết cũng sẽ phân tán ánh sáng theo một góc nhỏ. Vì thế không có một dung dịch nào cho kết quả độ đục bằng zero. Trong các mẫu có chứa chất rắn lơ lửng thì cách thức phát tán ánh sáng sẽ phụ thuộc vào kích thước, hình dáng và thành phần của các hạt tương tác với bước sóng ánh sáng (màu) của tia sáng tới.
Một hạt nhỏ thì tương tác với tia tới bằng cách hấp thụ một phần năng lượng của ánh sáng và sau đó bản thân nó được coi như một điểm sáng sẽ phát ra ánh sáng theo mọi hướng. Sự bức xạ theo mọi hướng này tạo nên hiện tượng phân tán ánh sáng từ tia tới. Sự phân bố không gian của ánh sáng phát tán phụ thuộc vào tỉ lệ giữa kích thước hạt với bước sóng của tia tới. Các hạt càng nhỏ so với bước sóng thì cho phân bố đối xứng, lượng ánh sáng phát tán gần như bằng nhau theo hai phía trước và sau (Hình 1). Khi kích thước hạt tăng so với bước sóng, ánh sáng phát tán từ các điểm khác nhau của hạt tạo nên phần giao thoa về phía trước, sự chống lấp ánh sáng phát tán ở phía trước của hạt thì có cường độ lớn hơn so với các hướng khác (Hình 2 và 3).
Ngoài ra các hạt nhỏ phát tán các bước sóng ngắn (màu xanh) mạnh hơn và chỉ tác động rất nhỏ đối với bước sóng ánh sáng dài (màu đỏ). Trái lại, những hạt lớn thì dể phát tán ánh sáng có bước sóng dài hơn sóng ngắn. Hình dạng hạt và chỉ số khúc xạ cũng tác động tới sự tán xạ và cường độ của chúng. Các hạt hình cầu cho thấy tì lệ phát tán về phía trước cao hơn phía sau so với các hạt hình que hay hình xoắn. Chỉ số khúc xạ của hạt là phép đo bao nhiêu ánh sáng bị phản xạ lại khi đi từ môi trường này sang môi trường khác. Chỉ số này khác với chỉ số khúc xạ của chất lỏng để thấy được ánh sáng phát tán. Khi sự khác nhau giữa chỉ số khúc xạ của hạt lơ lửng và chất lỏng của mẫu phân tích tăng, sự phát tán sẽ mạnh hơn. Độ màu của mẫu và của chất rắn lơ lửng cũng quan trọng trong nhận biết ánh sáng phát tán. Các chất có màu hấp thu năng lượng ánh sáng trong một dãy quang phổ hẹp làm thay đổi tính chất truyền quang và tán xạ làm cản trở một phần ánh sáng phát tán tới hệ thống nhận biết (detector).
Cường độ phát tán ánh sáng tăng theo nồng độ hạt. Khi nồng độ hạt vượt quá một ngưỡng nào đó, khả năng phát hiện ánh sáng phát tán và ánh sáng truyền qua sẽ bị giảm, đánh dấu mức giới hạn trên trong khả năng đo độ đục. Giảm khoảng cách đường truyền ánh sáng qua mẫu sẽ giảm số lượng hạt giữa nguồn sáng và bộ phận cảm biến ánh sáng và do đó tăng thêm được giới hạn trên của phép đo.
Hình 1
Kích thước: nhỏ hơn 1/10 bước sóng ánh sáng
Mô tả: tán xạ đối xứng
Hình 2
Kích thước: gần bằng ¼ bước sóng ánh sáng
Mô tả: tán xạ tập trung vế phía trước
Hình 3
Kích thước: lớn hơn ¼ bước sóng ánh sáng
Mô tả: mức độ tán xạ tập trung lớn vế phía trước
