Nghiên cứu phát triển hệ điện cực nhằm xác định oxy hòa tan trong nước nuôi thủy sản theo thời gian thực

Nghiên cứu chế tạo điện cực ứng dụng phân DO trong nước bằng phương pháp điện hóa trên cơ sở vật liệu polymer dẫn PANi và PANi biến tính bởi cobalt ferrite CoFe2O4/rGO .... Ứng dụng hệ t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGÔ MINH HÙNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ ĐIỆN CỰC NHẰM XÁC ĐỊNH OXY HÒA TAN TRONG NƯỚC NUÔI THỦY SẢN THEO THỜI GIAN THỰC ĐỀ ÁN THẠC SĨ HOÁ HỌC Bình Định, năm 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGÔ MINH HÙNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ ĐIỆN CỰC NHẰM XÁC ĐỊNH OXY HÒA TAN TRONG NƯỚC NUÔI THỦY SẢN THEO THỜI GIAN THỰC Chuyên ngành : Hoá lý thuyết và hoá lý Mã số : 8440119 Người hướng dẫn : (1) PGS.TS NGUYỄN THỊ VƯƠNG HOÀN Người hướng dẫn : (2) TS HUỲNH THỊ LAN PHƯƠNG LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thị Vương Hoàn và TS Huỳnh Thị Lan Phương đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập và hoàn thành đề án Tiếp đến, tôi xin gửi lời cảm ơn tới quý thầy cô giáo của Khoa Khoa học tự nhiên và Khoa Sư phạm, trường Đại học Quy Nhơn đã trang bị cho tôi những kiến thức khoa học giá trị, tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Tôi xin gửi lời cảm ơn đến GS Lê Quốc Hùng, TS Nguyễn Đức Thiện, TS Nguyễn Thị Liễu và Th.S Lương Thanh Long đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành đề án Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô giáo, các anh chị, các bạn ở phòng thực hành thí nghiệm Hoá học – Khu A6, trường Đại học Quy Nhơn đã hỗ trợ, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề án Đề án này được thực hiện nhờ sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài ĐTĐLCN.44/22 của Bộ KH&CN Tôi xin gửi lời cảm ơn sự hỗ trợ này trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề án Sau cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè tôi – những người luôn bên cạnh, ủng hộ, động viên và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu Vì bản thân còn nhiều hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm nghiên cứu nên không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu từ Thầy, Cô để đề án được hoàn thiện hơn Tôi xin chân thành cảm ơn! Quy Nhơn, ngày 20 tháng 10 năm 2023 Học viên Ngô Minh Hùng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 3 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 3.1 Đối tượng nghiên cứu 3 3.2 Phạm vi nghiên cứu 4 4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 4 4.1 Nội dung nghiên cứu 4 4.2 Phương pháp nghiên cứu 5 Chương 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 6 1.1 Graphene, vật liệu trên cơ sở graphene biến tính và ứng dụng 6 1.1.1 Tổng quan về graphene 6 1.1.2 Graphene oxide (GO) và graphene oxide dạng khử (rGO) 7 1.1.3 Ứng dụng của vật liệu graphene 9 1.2 Giới thiệu vật liệu cobalt ferrite CoFe2O4 10 1.2.1 Cấu trúc và tính chất của vật liệu ferrite spinel MFe2O4 10 1.2.2 Ứng dụng ferrite spinel MFe2O4 12 1.3 Giới thiệu vật liệu polyaniline và ứng dụng 13 1.3.1 Cấu tạo và tính chất 13 1.3.2 Ứng dụng của polymer dẫn trong phân tích điện hoá 15 1.4 Phương pháp volt – ampere vòng (Cyclic Voltammetry – CV) 17 1.5 Các thông số cơ bản và phương pháp đánh giá chất lượng nước nuôi thủy sản 18 1.5.1 Các thông số cơ bản đánh giá chất lượng nước nuôi thủy sản 18 1.5.2 Các phương pháp đánh giá chất lượng nước nuôi thủy sản 26 1.6 Tổng quan về ứng dụng công nghệ IoT và ML trong hoạt động giám sát và dự báo chất lượng nước NTS 27 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 30 2.1 Hoá chất, dụng cụ và thiết bị 30 2.1.1 Hoá chất 30 2.1.2 Dụng cụ 31 2.1.3 Thiết bị 31 2.2 Tổng hợp vật liệu 31 2.2.1 Tổng hợp graphene oxide (GO) và graphene oxide dạng khử (rGO) 31 2.2.2 Tổng hợp vật liệu CoFe2O4/rGO 32 2.3 Các phương pháp đặc trưng vật liệu 33 2.3.1 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform – Infrared Spectrascopy, FT-IR) 33 2.3.2 Ảnh hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, SEM) 34 2.4 Nghiên cứu chế tạo điện cực ứng dụng phân DO trong nước bằng phương pháp điện hóa trên cơ sở vật liệu polymer dẫn PANi và PANi biến tính bởi cobalt ferrite CoFe2O4/rGO 35 2.4.1 Biến tính điện cực GCE bằng màng PANi/CoFe2O4/rGO và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính 35 2.4.2 Chế tạo điện cực ứng dụng phân tích DO 35 2.4.3 Ứng dụng hệ thiết bị tích hợp điện cực DO chế tạo và cảm biến nhiệt độ, pH đo các thông số môi trường nước trong mẫu nước NTS (ở phòng thí nghiệm) 36 2.4.4 Ứng dụng hệ thiết bị tích hợp điện cực DO chế tạo và cảm biến nhiệt độ, pH đo các thông số môi trường nước trong mẫu nước NTS (ngoài hiện trường) 36 2.5 Tích hợp cảm biến DO, nhiệt độ và pH vào hệ thống giám sát và dự báo chất lượng nước NTS 36 2.5.1 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ DO trong phép đo 38 2.5.2 Tích hợp cảm biến DO, nhiệt độ và pH vào hệ thống giám sát và dự báo chất lượng nước NTS ứng dụng công nghệ IoT và ML 38 Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 42 3.1 Kết quả đặc trưng vật liệu CoFe2O4/rGO (CF/rGO) 42 3.1.1 Phương pháp đặc trưng IR 42 3.1.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 43 3.2 Biến tính điện cực GCE bằng màng PANi/CF/rGO và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính 43 3.3 Khảo sát và đánh giá đặc tính điện hóa của điện cực DO chế tạo 45 3.3.1 Kết quả khảo sát đặc tính điện hóa của điện cực GCE biến tính bằng màng PANi/CF/rGO 45 3.3.2 Kết quả xác định các thông số môi trường nước trong mẫu nước NTS (ở phòng thí nghiệm) 46 3.3.3 Kết quả xác định các thông số môi trường nước nuôi thuỷ sản DO, pH và nhiệt độ (tại hiện trường) 48 3.4 Tích hợp cảm biến DO, nhiệt độ và pH trong hệ điện hoá và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến DO 49 3.4.1 Nhiệt độ 49 3.4.2 pH 53 3.5 Tích hợp cảm biến DO, nhiệt độ và pH trong hệ thống giám sát và dự báo chất lượng nước NTS áp dụng công nghệ IoT và ứng dụng triển khai thực tế 55 3.5.1 Mô hình hệ thống giám sát chất lượng nước NTS đề án xây dựng có cấu trúc 2 lớp (như đã mô tả ở Hình 2.3; mục 2.5.2; Chương 2) 55 3.5.2 Ứng dụng và triển khai thực tế hệ thống giám sát và dự báo chất lượng nước NTS 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69 1 KẾT LUẬN 69 2 KIẾN NGHỊ 70 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ ÁN 71 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 PHỤ LỤC 79 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT AAS : Atomic Absorption Spectrometric (Quang phổ hấp thu nguyên tử) AI : Artificial intelligence (Trí tuệ nhân tạo) CE : Counter electrode (Điện cực đối) CF : Cobalt ferrite (CoFe2O4) CMG : Chemically Modified Graphene (Graphene biến đổi hoá học) CTAB : Cetyltrimethylammonium bromide CV : Cyclic Voltammetry (Volt-ampere vòng) DI : Deionized Water (Nước Deion) DO : Dissolved Oxygen (Oxy hoà tan) GCE : Glassy Carbon Electrode (Điện cực than thuỷ tinh) GO : Graphene oxide GRU : Gated Recurrent Unit (Nút hồi tiếp có cổng) HTTP : HyperText Transfer Protocol (Giao thức truyền tải siêu văn bản) IoT : Internet of Things (Internet vạn vật) IR : Infrared Spectroscopy (Phổ hồng ngoại) KHTN : Khoa học tự nhiên LSTM : Long Short-Term Memory (Bộ nhớ dài – ngắn hạn) MAE : Mean Absolute Error (Sai số tuyệt đối trung bình) MSE : Mean Squared Error (Sai số bình phương trung bình) ML : Machine Learning (Học máy) MQTT : Message Queueing Telemetry Transport (Giao thức truyền thông điệp) NTS : Nuôi thuỷ sản NTTS : Nuôi trồng thuỷ sản PANi : Polyaniline PEG : Polyethylene glycol QTMT : Quan trắc môi trường RE : Reference electrode (Điện cực so sánh) rGO : Reduced graphene oxide (Graphene oxide dạng khử) RNN : Recurrent neural network (Mạng thần kinh hồi quy) SEM : Scanning Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử quét) WE : Working electrode (Điện cực làm việc) WSN : Wireless Sensor Networks (Mạng cảm biến không dây) XRD : (X-Ray diffraction) Phương pháp nhiễu xạ tia X DANH MỤC BẢNG Bảng Tên bảng Trang 1.1 Phân bố ion trong các vị trí của cấu trúc spinel 10 1.2 Bảng các chỉ tiêu yêu cầu chất lượng nước NTS 26 2.1 Danh mục hoá chất sử dụng 30 Điện thế của điện cực trong phép đo thế OCP ở các thời 3.1 điểm sục khí N2 khác nhau vào mẫu dung dịch Na2SO3 45 bão hoà 3.2 Kết quả xác định DO, nhiệt độ và pH trong mẫu nước 47 NTS theo thời gian thực trên hệ thiết bị điện hóa đa năng 3.3 (đo ở phòng thí nghiệm) 48 Kết quả xác định DO, nhiệt độ và pH trong mẫu nước 3.4 NTS theo thời gian thực trên hệ thiết bị điện hóa đa năng 50 3.5 (đo ở hiện trường) 50 3.6 Giá trị DO, pH tại 200,5 oC ở các lần thí nghiệm 51 3.7 Giá trị DO, pH tại 250,5 oC ở các lần thí nghiệm 52 3.8 Giá trị DO, pH tại 300,5 oC ở các lần thí nghiệm 52 3.9 Giá trị DO, pH tại 350,5 oC ở các lần thí nghiệm 53 3.10 Giá trị DO trung bình tại ở các lần thí nghiệm 54 3.11 Giá trị DO tại 250,5 oC và pH = 6 ở các lần thí nghiệm 54 3.12 Giá trị DO tại 250,5 oC và pH = 9 ở các lần thí nghiệm 56 3.13 Giá trị DO trung bình tại 250,5 oC ở các lần thí nghiệm 57 3.14 Tập dữ liệu thu nhận được từ hiện trường 66 Các chỉ số thống kê của tập dữ liệu 3.15 Thống kê lỗi với mô hình LSTM dự báo nhiệt độ cho 20 67 ngày liên tiếp Thống kê lỗi với mô hình LSTM dự báo pH cho 20 ngày liên tiếp