Bài viết Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường tới cảm biến đo oxi hòa tan khảo sát ở quy mô phòng thí nghiệm một số nhược điểm của loại cảm biến điện hóa đo DO, như sự xuất hiện bong bóng khí trong dung dịch điện phân, thời gian làm ấm thiết bị. Đồng thời đưa ra một số giải thích cho các hiện tượng trên và đề xuất hướng khắc phục cụ thể.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG TỚI CẢM BIẾN ĐO OXI HÒA TAN Lê Minh Thành Khoa Môi trường - Trường Đại học Thủy lợi, email: thanhlm@wru.vn bão hòa dung dịch điện phân hình thành bọt khí dung dịch Hiện nay, việc đo đạc nồng độ oxi hòa tan Giả thuyết đề xuất dựa (DO) môi trường nước chủ yếu sở lý thuyết định luật Henry, Van’t Hoff dùng cảm biến điện hóa đo DO kiểu Clark Fick q trình hịa tan chất khí Cấu tạo cảm biến điện hóa đo DO bao nước Theo định luật Henry Ci = kH P i , gồm anot (thường điện cực Ag) số Henry kH lại phụ thuộc vào catot (thường điện cực Pt) tiếp xúc nhiệt độ tuân theo phương trình Van’t với dung dịch điện phân Đầu điện cực Pt 1 phủ màng khuếch tán (thường Hoff (k H.T k H,298 e C T ) Khi nhiệt độ tăng dùng màng teflon, PP, PE…) Mặc dù lên dung dịch (dung dịch điện phân cải tiến đáng kể, dòng dung dịch cần đo) làm tăng áp suất cảm biến DO tồn nhược điểm riêng phần khí hịa tan dung định, ví dụ khơng đồng tín dịch Dung dịch cịn lại tiếp xúc (qua hiệu, thay đổi thời gian đáp ứng, hình thành màng) với dung dịch làm ấm nên dần bong bóng khí chất điện phân, v.v dần có tăng nhiệt độ chậm Nghiên cứu khảo sát quy mơ phịng hơn, nên áp suất riêng phần khí hịa tan thí nghiệm số nhược điểm loại cảm nhỏ Sự chênh lệch áp suất riêng phần biến điện hóa đo DO, xuất bong hai dung dịch làm tăng q trình bóng khí dung dịch điện phân, thời gian khuếch tán khí qua màng khuếch tán làm ấm thiết bị Đồng thời đưa số giải (theo định luật Fick I) thích cho tượng đề xuất 2.2 Thiết bị, dụng cụ, hóa chất hướng khắc phục cụ thể Nghiên cứu sử dụng hệ thống đo gồm cảm biến DO kiểu Clark tự chế tạo (anot Ag, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU catot Pt, dung dịch điện phân KCl bão hòa, 2.1 Giả thuyết nghiên cứu màng khuếch tán PE, anot Ag Quan sát tượng phản hồi giá trị gắn thêm cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ dung thu từ nhiều hệ thống đo DO dùng cảm dịch điện phân, Hình 1) biến điện hóa cho phép giả định rằng, nguyên nhân sai lệch trình đo chủ yếu thay đổi áp suất riêng phần oxi chất điện phân, q trình làm ấm/để nguội cảm biến Do vậy, theo tài liệu [1] ta giả thuyết rằng: (a) trình làm ấm hệ thống đo có khuếch tán khí dung a) b) dịch điện phân môi trường đo; (b) màng khuếch tán bề mặt điện cực hạn chế Hình Cấu tạo (a) hình ảnh bên ngồi phần q trình khuếch tán, dẫn đến (b) cảm biến điện hóa đo DO tự chế tạo GIỚI THIỆU CHUNG 458 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 Cảm biến DO kết nối với thiết bị đo DO đa kênh (MCDM, Việt Nam) ghép nối máy tính, đồng thời hàm lượng DO nhiệt độ kiểm tra máy đo DO cầm tay Horiba (OM-51, Nhật Bản) Việc đo DO để kiểm soát phần áp suất oxi lại dung dịch cần đo, giá trị DO q trình thí nghiệm khơng ghi lại Các thiết bị, dụng cụ, hóa chất kèm gồm có: máy thổi khí, máy khuấy từ gia nhiệt, cặp nhiệt điện, nhiệt kế, dung dịch KCl 60 g/L… 2.3 Thực nghiệm 2.3.1 Chuẩn bị dung dịch đo, dung dịch rửa Dung dịch đo dung dịch KCl với nồng độ 60 g/L, với nồng độ có dung dịch điện phân cảm biến DO Việc chuẩn bị nồng độ để tránh tượng thẩm thấu xảy qua màng khuếch tán trình đo Đồng thời, dung dịch đo bão hòa oxi cách dùng máy bơm thổi khí liên tục vào dung dịch bão hòa Kiểm tra hàm lượng DO dung dịch đo cảm biến DO 2.3.2 Làm ấm để nguội hệ thống đo Cho dung dịch đo vào cốc 500-mL, sau đặt cảm biến DO vào Đặt toàn cốc gắn thiết bị lên máy khuấy từ gia nhiệt Kí hiệu nhiệt độ dung dịch cốc thời gian nghiên cứu T (°C), nhiệt độ dung dịch điện phân cảm biến T (°C) Nâng dần từ từ nhiệt độ dung dịch lên tới 35°C, tương ứng với nhiệt độ môi trường nước ngày nắng nóng Quan sát biến đổi nhiệt độ T để đánh giá ảnh hưởng trình tăng nhiệt độ đến khuếch tán khí dung dịch đo dung dịch điện phân Giá trị đo đạc cảm biến DO phải nồng độ oxi bão hịa, oxi dung dịch đo suy giảm bổ sung máy thổi khí Các cảm biến DO trước đo lần kiểm tra cẩn thận để đảm bảo khơng cịn bọt khí dung dịch điện phân Sau khoảng 120 phút làm ấm trên, tắt máy gia nhiệt hệ thống để nguội tự nhiên nhiệt độ phòng Chỉ lặp lại trình đo đạc đảm bảo hệ nhiệt độ phịng Các q trình lặp lại nhiều lần để đưa kết trung bình 2.3.3 Phương pháp xác định thể tích bọt khí dung dịch điện phân Với bóng khí có dạng gần hình cầu, tiến hành xác định tương đối đường kính bóng khí tính thể tích hình cầu tương ứng Với bóng khí có hình dạng khối kéo dài, ta giả định chúng hình khối chữ nhật, xác định tương đối cạnh tương ứng tính thể tích hình tương ứng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thời gian ổn định nhiệt độ cảm biến Kết biến đổi nhiệt độ hai môi trường (dung dịch đo dung dịch điện phân) theo dõi thể Bảng Bảng Nhiệt độ hai dd theo thời gian Thời gian (ph) T (°C) T (°C) 20,2 20,9 10 32,5 28,7 20 34,9 30,5 30 34,9 31,7 40 34,9 32,6 50 34,9 33,0 60 34,9 33,2 70 34,9 33,2 80 34,9 33,2 90 34,9 33,2 100 34,9 33,2 110 34,9 33,2 120 34,9 33,2 ∆T (°C) -0,7 3,8 4,4 3,2 2,3 1,9 1,7 1,7 1,7 1,7 1,7 1,7 1,7 Từ bảng cho thấy, sau khoảng 20 phút dung dịch đo gia nhiệt tới nhiệt độ 34,9 °C, thời gian để dung dịch điện phân ổn định nhiệt 60 phút nhiệt độ dung dịch điện phân đạt 33,2 °C Như vậy, biến thiên nhiệt độ hai dung dịch ∆T = T -T = 1,7 °C Chính chênh lệch nhiệt độ giúp cho trình đối lưu xảy dung dịch điện phân Do đó, thời gian cần để ổn định q trình trao đổi khí dung dịch đo dung dịch điện phân 60 phút Thời gian ổn định cần lâu so với hướng dẫn sử dụng điện cực DO thường gặp [2], nhanh so với nghiên cứu công bố [1], [3] 3.2 Sự khuếch tán oxi qua màng Từ kết Bảng thấy, để đạt tới trạng thái ổn định nhiệt độ tốc độ gia nhiệt 459 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 L, áp suất khí 760 mmHg nồng độ KCl 60 g/L, tra bảng độ tan bão hòa oxi điều kiện nhiệt độ 20°C 33°C, tính thể tích oxi có dung dịch điện phân tương ứng khoảng 6,24 L 4,16 L Như theo tính tốn, q trình làm ấm/để nguội việc chênh lệch nhiệt độ phải tạo lượng khí 2,08 L dạng bóng khí dung dịch điện phân Tuy nhiên thực tế có 0,64 L khí lại dạng bóng khí, chứng tỏ có 1,44 L Hình Sự chênh lệch nhiệt độ 2dd (≈70%) khí ngồi dung dịch đo Kết Hình ba giai đoạn Đồng thời, thân màng khuếch tán chênh lệch nhiệt độ: giai đoạn (0-20 phần cản trở lưu thơng khí hai phút) hướng khuếch tán chủ yếu oxi dung dịch, làm cho khoảng 30% khí bị từ dung dịch đo vào dung dịch điện phân; màng giữ lại dung dịch điện phân giai đoạn thứ hai (20-60 phút) hướng khuếch khí nằm dạng bọt khí tán chủ yếu oxi từ dung dịch điện phân dung dịch đo; giai đoạn thứ ba KẾT LUẬN (60-120 phút) nhiệt độ cân Sự khuếch Từ kết nghiên cứu thấy, để tán khí qua màng minh họa Hình sử dụng cảm biến điện hóa đo DO chế độ tốt cần làm ấm cảm biến oxi đến nhiệt độ môi trường đo, điều tăng cường q trình trao đổi khí qua màng khuếch tán Đồng thời, làm ấm cảm biến tránh hình thành khí suy giảm oxi dd điện phân cảm biến Việc giữ cho nhiệt độ cảm biến oxi với Hình Sự khuếch tán oxi môi trường đo không làm ảnh hưởng đến qua màng khuếch tán kết đo 3.3 Kiểm chứng giả thuyết Màng khuếch tán có khả cản trở định lượng khí từ dung dịch điện li Sau trình làm ấm/để nguội hệ thống đo trình bày mục 2.2.2, dung (trong cảm biến) ngồi mơi trường đo, dịch điện phân cảm biến DO bắt đầu xuất dễ hình thành bóng khí khối dung dịch điện li cảm biến bọt khí, minh họa Hình trung bình dung dịch đo 0,735 (°C/ph) nhanh tốc độ gia nhiệt trung bình dung dịch điện phân 0,205 (°C/ph) Sự chênh lệch nhiệt độ hai dung dịch theo thời gian thể Hình TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Bọt khí xuất dd điện phân Dựa vào ảnh chụp, xác định tương đối kích thước bóng khí có dung dịch điện phân, tính thể tích xấp xỉ bóng khí sau trình làm ấm/để nguội 3,2 L, trình làm ấm tạo lượng khí trung bình 0,64 L Bên cạnh đó, thể tích dung dịch điện phân cảm biến 520 [1] M V Miniaev, et al., "Non-obvious Problems in Clark Electrode Application at Elevated Temperature and Ways of Their Elimination" Journal of Analytical Methods in Chemistry, Article ID 249752, 2013 [2] Horiba Ltd., "Instruction Manual - Portable Dissolved Oxygen Meter (OM-51)," 2015 [3] M V Miniaev, et al,, "False Oxygen Cons umption Effect and Factors Causing It," International Journal of Electrochemistry, vol 2011, Article ID 376750, 2011 460 ... (60-120 phút) nhiệt độ cân Sự khuếch Từ kết nghiên cứu thấy, để tán khí qua màng minh họa Hình sử dụng cảm biến điện hóa đo DO chế độ tốt cần làm ấm cảm biến oxi đến nhiệt độ môi trường đo, điều tăng... ấm cảm biến tránh hình thành khí suy giảm oxi dd điện phân cảm biến Việc giữ cho nhiệt độ cảm biến oxi với Hình Sự khuếch tán oxi mơi trường đo khơng làm ảnh hưởng đến qua màng khuếch tán kết đo. .. nhiệt độ dung dịch lên tới 35°C, tương ứng với nhiệt độ môi trường nước ngày nắng nóng Quan sát biến đổi nhiệt độ T để đánh giá ảnh hưởng trình tăng nhiệt độ đến khuếch tán khí dung dịch đo dung