Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 51 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
51
Dung lượng
757,49 KB
Nội dung
UBND TỈNH TRÀ VINH SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ SƠ THUYẾT MINH ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ THỐNG KIỂM TRA MỘT SỐ CHỈ SỐ MÔI TRƯỜNG NUÔI TÔM TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ CẢM BIẾN QUANG PHỔ KHÔNG TIẾP XÚC Cơ quan chủ trì đề tài: Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TPHCM Chủ nhiệm đề tài: TS Phạm Quang Thái Cơ quan quản lý đề tài: Sở Khoa học Công nghệ tỉnh Trà Vinh TPHCM, 10/2017 Biểu B1-2a-TMĐTCN THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ CẤP TỈNH I THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI Tên đề tài: Thiết kế hệ thống kiểm tra số số môi trường nuôi tôm tự động sử dụng hệ thống thông tin di động cảm biến quang phổ không tiếp xúc 1a Mã số (được cấp Hồ sơ trúng tuyển) Thời gian thực hiện: 24 tháng (Từ tháng 11 /2017 đến tháng 11 /2019) Quốc gia Bộ Tỉnh Cơ sở Tổng kinh phí thực hiện: 780.773.000 đồng, đó: Nguồn Kinh phí (đồng) Từ Ngân sách nhà nước: 780.773.000 Ngoài ngân sách nhà nước: Cấp quản lý - Từ nguồn tự có tổ chức - Từ nguồn khác Phương thức khoán chi: Khoán đến sản phẩm cuối Khoán phần, đó: - Kinh phí khốn: ………… đồng - Kinh phí khơng khốn: ……………… đồng Thuộc Chương trình (Ghi rõ tên chương trình, có), Mã số: Thuộc dự án KH&CN Độc lập Khác Lĩnh vực khoa học Tự nhiên; Nông, lâm, ngư nghiệp; Kỹ thuật công nghệ; Y dược Chủ nhiệm đề tài Họ tên: Phạm Quang Thái Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1981 Giới tính: Nam / Nữ: Học hàm, học vị/ Trình độ chun mơn: tiến sĩ Chức danh khoa học: Chức vụ: giảng viên Điện thoại: Tổ chức: (08)38647256 Nhà riêng: Mobile: 0936686131 Fax: E-mail: pqthai.hcmut@gmail.com Tên tổ chức công tác: Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TPHCM Địa tổ chức: 268, Lý Thường Kiệt, P14, Q10, TPHCM Địa nhà riêng: S2, Ba Vì, P15, Q10, TPHCM Thư ký đề tài Họ tên: Nghị Vĩnh Khanh Ngày, tháng, năm sinh: 25/06/1979 Nam/ Nữ: Nam Học hàm, học vị/ Trình độ chuyên môn: thạc sĩ Chức danh khoa học: Chức vụ: Trưởng Ban Phát triển Hệ thống CNTT Điện thoại: Tổ chức: 0743 855245 -281 Nhà riêng: Mobile: 0908378540 Fax: E-mail: nghivinhkhanh@tvu.edu.vn Tên tổ chức công tác: Trường Đại học Trà Vinh Địa tổ chức: 126 Nguyễn Thiện Thành, khóm 4, phường 5, TP Trà Vinh, tỉnh Trà Vinh Địa nhà riêng: 112/A1, Trần Phú, P2, TP Trà Vinh 10 Tổ chức chủ trì đề tài Tên tổ chức chủ trì đề tài: Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TPHCM Điện thoại: (08)38647256 Fax: (08) 38653823 Website: www.hcmut.edu.vn Địa chỉ: 268 Lý Thường Kiệt, Quận 10, TP Hồ Chí Minh Họ tên thủ trưởng tổ chức: GS.TS Vũ Đình Thành Số tài khoản: 3713.0.1056923 Kho bạc nhà nước/Ngân hàng: Kho bạc Nhà nước TP.HCM 11 Các tổ chức phối hợp thực đề tài (nếu có) Tổ chức : Trường Đại học Trà Vinh Tên quan chủ quản: Uỷ Ban Nhân Dân tỉnh Trà Vinh Điện thoại: 0743 855245 Fax: Địa chỉ: 126 Nguyễn Thiện Thành, khóm 4, phường 5, TP Trà Vinh, tỉnh Trà Vinh Họ tên thủ trưởng tổ chức: TS Phạm Tiết Khánh Số tài khoản: Ngân hàng: Các cán thực đề tài (Ghi người có đóng góp khoa học chủ trì thực nội dung thuộc tổ chức chủ trì tổ chức phối hợp tham gia thực đề tài, không 10 người kể chủ nhiệm đề tài Những thành viên tham gia khác lập danh sách theo mẫu gửi kèm theo hồ sơ đăng ký) Thời gian làm việc Họ tên, Tổ chức Nội dung, TT cho đề tài học hàm học vị cơng tác cơng việc tham gia (Số tháng quy đổi2) TS Phạm Trường Đại Chủ nhiệm đề tài, tham gia Quang Thái học Bách vào toàn nội dung Khoa đề tài TPHCM 12 TS Hà Hoàng Kha Trường Đại học Bách Khoa TPHCM Thành viên nghiên cứu chính, tham gia vào tồn nội dung đề tài TS Trịnh Xuân Dũng Trường Đại học Bách Khoa TPHCM Thành viên nghiên cứu chính, tham gia vào tồn nội dung đề tài ThS Nghị Vĩnh Khanh Trường Đại học Trà Vinh Thư ký khoa học, tham gia vào toàn nội dung đề tài 12 II MỤC TIÊU, NỘI DUNG KH&CN VÀ PHƯƠNG ÁN TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 13 Mục tiêu đề tài (Bám sát cụ thể hoá định hướng mục tiêu theo đặt hàng) Thiết kế hệ thống cảm biến đo đạc đo đạc 07 tiêu sau: Ammonia (NH3), Nitrate (NO3-), Oxy hòa tan (DO), pH, nhiệt độ, độ mặn, H2S Trong đó, 03 tiêu Ammonia, Nitrate DO đo cảm biến quang phổ không tiếp xúc, trường hợp đo thành công DO cảm biến quang phổ không tiếp xúc dùng cảm biến ion để tích hợp, 04 tiêu lại pH, nhiệt độ, độ mặn, H2S dùng cảm biến có thị trường để tích hợp cho hệ thống Thiết kế hệ thống kiểm tra số thông số môi trường nuôi tôm tự động qua hệ thống thông Một (01) tháng quy đổi tháng làm việc gồm 22 ngày, ngày làm việc gồm tiếng tin di động hướng tới khả nâng cao hàm lượng công nghệ cao nông nghiệp, hỗ trợ khả phát triển kinh tế bền vững kiểm tra chất lượng mơi trường nước 14 Tình trạng đề tài Mới Kế tiếp hướng nghiên cứu nhóm tác giả Kế tiếp nghiên cứu người khác 15 Tổng quan tình hình nghiên cứu, luận giải mục tiêu nội dung nghiên cứu đề tài 15.1 Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Ngồi nước (Phân tích đánh giá cơng trình nghiên cứu có liên quan kết nghiên cứu lĩnh vực nghiên cứu đề tài; nêu bước tiến trình độ KH&CN kết nghiên cứu đó) Đối với hệ thống cảm biến chất lỏng, phương pháp tiếp cận phân chia thành ba loại chủ yếu: độ dẫn điện, thị màu quang phổ Đối với phương pháp tiếp cận đầu tiên, ion hòa tan dung mơi làm thay đổi độ dẫn điện Điện áp môi trường chứa ion thay đổi tùy thuộc vào hàm mũ mật độ ion tương ứng, tuân theo phương trình Nernst Các cảm biến sử dụng phương pháp thường điện cực nhúng trực tiếp vào chất cần đo đạc Ví dụ, điện cực làm thủy tinh thiết bị phổ biến để đo đạc độ pH dung dịch theo phương pháp [1] Điện cực Clark phương pháp phổ biến để đo đạc nồng độ oxy môi trường [2] Điện cực Clark, sử dụng vàng bạch kim cho cathode bạc cho anode, dùng để đo đạc mơi trường khí lỏng (chẳng hạn mẫu máu) Việc sử dụng điện cực có số hạn chế định Điện cực thủy tinh đo pH có đáp ứng chậm, khơng phù hợp với nhiệt độ hoạt động cao, dễ bị nhiễu điện từ có kích thước lớn Trong đó, điện cực Clark hoạt động nhiệt độ cao kích thước nhỏ gọn hơn, lại làm hư hại mẫu dung dịch sau đo xong dễ bị nhiễu chất chlorine, ozone hay nitrogen oxide Các cảm biến dùng điện cực giảm kích thước cách kết hợp với công nghệ điện tử Chẳng hạn, linh kiện FET có mức độ dẫn điện tùy thuộc vào điện áp chân điều khiển Chân điều khiển kết nối với màng mỏng chất nhạy với ion cần đo đạc [3] Chẳng hạn, màng carbon nanotube dùng để chế tạo cảm biến pH [4] silicon nanowire dùng để chế tạo cảm biến Al2O3 [5] Khi dung dịch cần đo đạc tiếp xúc với chất cách điện tạo nên màng mỏng này, tương tác ion tương ứng diễn làm thay đổi độ dẫn điện Điện áp thay đổi chân dẫn làm thay đổi tương ứng dòng điện qua FET Các thông số khác độ mặn, nitrate ammonia đo đạc theo phương pháp đo đạc độ dẫn điện [6].Tuy nhiên, thiết bị bị sai số thời gian sử dụng lâu, mà nguyên nhân chủ yếu thay đổi độ từ trễ đáp ứng dòng-áp theo nhiệt độ mơi trường Nhìn chung, chất đo đạc điện tích ion sinh q trình tương tác điện cực chất cần cảm biến, hệ thống đo đạc không bền Hiện tượng ăn mòn điện cực khiến u cầu bảo trì bảo dưỡng đầu đo nghiêm ngặt Trong hệ thống đo đạc tự động từ xa, u cầu bảo quản mơi trường khép kín, lau chùi đầu đo cân chỉnh hệ thống theo điều kiện thời tiết khó khăn Một số đầu đo hoạt động sau mẫu đo xử lý trước tuần [7] Hơn nữa, tất ion dẫn điện, điện cực thường phủ lớp màng / hóa chất có tương tác mạnh với chất cần đo đạc để loại nhiễu ion không mong muốn sinh Kết đầu cảm biến đo thông số Đối với môi trường nuôi tôm cần nhiều thông số yêu cầu thực tế, hệ thống sử dụng cảm biến trở nên cồng kềnh đắt tiền Đối với cách tiếp cận thứ hai, thay đổi màu sắc cường độ ánh sáng tượng huỳnh quang chất thị dùng để xác định ước lượng nồng độ chất cần đo đạc Hiện tượng giải thích ngắn gọn sau: phân tử hấp thụ lượng từ photon ánh sáng để chuyển sang trạng thái kích thích Sau thời gian ngắn, phân tử trở trạng thái bình thường sinh photon có lượng nhỏ photon ban đầu Sự thay đổi bước sóng phát xạ gọi tượng dịch bước sóng Stokes Khi chất thị màu pha vào dung dịch cần đo đạc, tương tác chúng khiến tính chất huỳnh quang chất thị màu thay đổi Sự thay đổi màu sắc quan sát mắt thường cảm biến màu sắc so sánh với màu sắc chuẩn để ước lượng nồng độ chất tương tác với chất thị Đối với cảm biến oxy, phương pháp đo đạc khác có chất đo đạc giảm cường độ ánh sáng đầu cảm biến Tương tác oxy phân tử cảm biến khiến phân tử lượng giảm ánh sáng huỳnh quang lân tinh quang ban đầu Do cần pha chất thị màu vào dung dịch cần đo đạc, tính chất huỳnh quang chất thị bị thay đổi yếu tố khác dung dịch Lượng thị màu cần xác định xác trước pha Ngoài ra, cường độ màu thay đổi theo thời gian mật độ chất thị khuếch tán dần dung dịch Để giảm sai số, đầu đo pH oxy sử dụng phương pháp bao bọc màng polymer sol-gel [8] Các phân tử chất thị màu bị giam giữ tương tác không gian định trước Cách làm giảm thay đổi màu sắc theo thời gian lại làm tăng giá thành cảm biến Hầu hết việc đo đạc chất cho mơi trường thủy sinh nói chung cho ao tơm nói riêng sử dụng test kit Phương pháp đo đạc test kit chất phương pháp dùng chất thị màu Nhìn chung, chất thị màu sau lần đo, việc sử dụng cảm biến loại cho trình theo dõi chất lượng nước đầm tơm gặp số trở ngại Trở ngại chất thị màu phải mua bổ sung thường xuyên để đo đạc Dung dịch sau qua thêm chất thị màu phải bỏ Điều làm tăng chi phí sử dụng ảnh hưởng xấu đến mơi trường Một số chất thị màu có độc tính có khả ảnh hưởng xấu đến người thực thao tác đo đạc Trở ngại việc theo dõi theo thời gian thực thực Cụ thể, sau chất thị màu tương tác với chất cần đo đạc, chẳng hạn oxy, tăng hay giảm lượng oxy sau vài phút khơng xác định chất thị màu Đối với hệ thống giám sát kiểm tra từ xa hệ thống điều khiển tự động, yêu cầu thay đổi chất thị màu thường xuyên khiến hệ thống trở nên phức tạp cồng kềnh Các đầu đo dùng màng polymer sol-gel đo đạc nhiều lần Tuy nhiên, có chất lần đo đạc lượng chất thị màu đi, nên cảm biến dần độ nhạy theo thời gian Như vậy, thấy nguyên nhân chủ yếu khó khăn sử dụng phương pháp tiếp cận thứ thứ hai nằm việc phần tử dùng để cảm biến cần tiếp xúc trực tiếp với dung dịch cần cảm biến Việc tiếp xúc trực tiếp dẫn đến thay đổi tính chất hóa-lý đầu cảm biến làm giảm tuổi thọ làm phức tạp hệ thống Phương pháp sử dụng phổ quang dựa vào hai tượng: tượng hấp thụ photon liên kết phân tử tượng tán xạ Raman Trong đó, tượng hấp thụ chuyển đổi lượng photon hấp thụ thành nhiệt độ tượng tán xạ Raman chuyển đổi photon hấp thụ thành photon Stokes Về chất, hai tượng xuất phát từ trình chuyển đổi lượng trạng thái rung động rời rạc phân tử [9] Vùng ánh sáng hồng ngoại (bước sóng từ 750 nm đến mm), chia làm ba vùng vùng hồng ngoại xa (FIR 16000 nm – mm), hồng ngoại trung (MIR 2500-16000 nm) hồng ngoại gần (NIR 750-2500 nm) Vùng bước sóng gần vùng ánh sáng khả kiến (Visible – VIS 450-750 nm) cực tím (Ultraviolet – UV 200-450 nm) Tần số cho rung động phân tử chủ yếu xảy vùng MIR Các liên kết X-H, X-H2 X-H3 với X C, N O có rung động khơng điều hòa xảy vùng NIR Cường độ rung động vùng UV-VIS-NIR thấp nhiều lần vùng MIR thường chồng lấn tần số Vùng FIR thường xét đến đo đạc rung động phân tử Như vậy, phổ hấp thụ vùng MIR chồng lấn sử dụng để phân biệt phân tử dễ dàng Tuy nhiên, nước hấp thụ mạnh bước sóng vùng Do đó, cảm biến sử dụng MIR có độ xuyên thấu thấp sử dụng cho dung dịch Độ dày dung dịch đo đạc cần thấp mức vài micromet Ngoài ra, dung dịch cảm biến cần loại bớt thành phần để giảm độ phức tạp đo đạc Màng polymer sử dụng để cô lập thành phần cần đo đạc phương pháp dùng chất thị màu Trong vùng UV-VIS-NIR, khả hấp thụ nước thấp Do đó, mẫu đo đạc dày việc đo đạc tiến hành trực tiếp không cần qua bước chuẩn bị vùng MIR Tuy nhiên, phổ hấp thụ xạ phân tử lại chồng lấn lên khu vực làm phức tạp trình đo đạc Thơng thường phương pháp tính tốn cho hàm đa biến dựa theo thống kê multiple linear regression (MLR), principal component analysis (PCA), partial least squares regression (PLS) cần áp dụng để phân tích tìm kiếm thành phần độc lập liệu đo đạc Phổ Raman không chồng lấn tương tự vùng MIR bước sóng tán xạ Raman lại bị hấp thụ vùng NIR Do đó, kỹ thuật cảm biến Raman dùng để hỗ trợ cho vùng NIR Tuy nhiên, hệ thống Raman cần quy định chặt chẽ chất lượng nguồn phát xạ thu [10] Đo đạc hệ thống Raman thơng thường có sai số lớn tượng huỳnh quang phần tử hữu nước Đo đạc hệ thống Raman nâng cao có độ xác tốt lại tốn yêu cầu thiết bị quang học điện tử có tốc độ đáp ứng nhanh yêu cầu thay đổi liên tục vùng tiếp xúc với dung dịch đo Điểm lợi đặc biệt phương pháp đo đạc quang phổ vùng UV-VIS-NIR Raman khả đo đạc không tiếp xúc đo đạc nhiều thông số lúc Chẳng hạn, [11], hệ thống đo đạc quang phổ Raman dùng để đo đạc nồng độ oxy hòa tan nitrogen nước Do đặc thù cần đo đạc diện rộng khu vực địa hình phức tạp, nhóm tác giả [11] giải vấn đề cách quét laser cường độ cao bước sóng 364-390 nm từ máy bay thu thập bước sóng tán xạ Stokes Trong báo cáo khác [12], nhu cầu oxy hóa học (Chemical oxygen demand – COD), thông số quan trọng để khảo sát tình hình nhiễm nước biển, đo đạc phổ UV-VIS tính tốn PLS Một báo cáo khác [13] sử dụng phương pháp tương tự đo đạc ba thông số lúc nồng độ nitrate, COD tổng lượng organic carbon (TOC) nước biển Hướng cảm biến tương tự công bố cho nước thải để đo COD [14] phổ UV-VIS kết hợp phân tích MLR hay đo dư lượng dầu nhờn nước tẩy [15] phân tích PCA Tuy nhiên, phương pháp tồn số nhược điểm Đầu tiên độ xác phương pháp thông thường dừng lại mức parts per million (mg/l) phụ thuộc nhiều vào thuật toán phân tích thành phần độc lập Điểm yếu thứ hai chồng lấn phổ vùng UV-VISNIR Phổ rung động vùng phụ thuộc nhiều vào liên kết phân tử vơ nước Do đó, hai chất có dạng liên kết giống (như NaCl KCl) hòa tan lúc vào nước, phổ chúng chồng lấn lên khó để phân biệt Một số ion khơng có bước sóng hấp thụ mạnh vùng UV-VIS khiến việc đo đạc khó khăn Theo hiểu biết nhóm tác giả, chưa có cơng bố quốc tế hệ thống kiểm tra môi trường nước với điều kiện chuyên biệt cho ứng dụng nuôi tôm sử dụng cảm biến quang không tiếp xúc Các nghiên cứu chủ yếu đo đạc số chất rời rạc môi trường nước biển, nước thải phòng thí nghiệm Trong nước (Phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu nước thuộc lĩnh vực nghiên cứu đề tài, đặc biệt phải nêu cụ thể kết KH&CN liên quan đến đề tài mà cán tham gia đề tài thực Nếu có đề tài chất thực cấp khác, nơi khác phải giải trình rõ nội dung kỹ thuật liên quan đến đề tài này; Nếu phát có đề tài tiến hành mà đề tài phối hợp nghiên cứu cần ghi rõ Tên đề tài, Tên Chủ nhiệm đề tài quan chủ trì đề tài đó) Theo số liệu tổng hợp Trung tâm tin học thống kê Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thơn (NN&PTNT), diện tích ni trồng thủy sản nước ta khoảng triệu ha, với sản lượng ước đạt 3,2 triệu năm 2013 Trong chiến lược phát triển ngành thủy sản đến năm 2020, tôm nước lợ (tôm sú, tôm chân trắng) xem đối tượng chủ lực có lợi xuất sản phẩm sang thị trường quốc tế Theo Hiệp hội chế biến Xuất thủy sản Việt Nam (VASEP), diện tích ni tơm nước lợ nước ta năm 2013 ước đạt 666 nghìn với sản lượng tơm ni khoảng 541 nghìn Việt Nam quốc gia đứng đầu giới sản lượng tôm nuôi giá trị xuất từ mặt hàng tôm đông lạnh nước ta năm 2013 đạt tỷ USD Phần lớn diện tích ni tơm nước lợ nước ta dạng quảng canh cải tiến nuôi kết hợp Xu thâm canh hóa trang trại nuôi tôm tăng dần năm qua, nhằm tăng suất, sản lượng tôm nuôi Đến năm 2020, diện tích ni tơm cơng nghiệp dự kiến đạt khoảng 140 nghìn ha, chiếm khoảng 21 % so với tổng diện tích ni tơm nước lợ Trong q trình ni trồng thủy sản này, thức ăn chiếm khoảng 50% chi phí thuốc, hóa chất, chế phẩm sinh học chiếm thêm 25% chi phí Thức ăn sử dụng cho nuôi tôm chủ yếu thức ăn công nghiệp Thuốc, hóa chất chế phẩm sinh học để quản lý môi trường, dịch bệnh tăng cao sức đề kháng cho tôm nuôi Điều dẫn đến nguy hiểm tiềm tàng ô nhiễm môi trường chất thải dinh dưỡng dư thừa, thuốc, hóa chất mầm bệnh [16] Về chất dinh dưỡng dư thừa, lượng lớn chất dinh dưỡng thức ăn tôm không hấp thụ vào thể chúng mà bị thải môi trường xung quanh dạng thức ăn dư thừa, phân chất thải Mỗi tôm thải khoảng 16,8 – 157,2 kg nitrogen 2,3 – 45,9 kg phosphorus môi trường dẫn đến gia tăng nồng độ ammonia, nitrite, nitrate v.v Các kết điều tra cho thấy có 186 loại (32 kháng sinh) dùng nuôi tôm 98 loại (39 kháng sinh) dùng sản xuất tơm giống Có 74 loại thuốc hóa chất sử dụng ni tơm tỉnh Sóc Trăng Bạc Liêu, có 20 loại thuốc hóa chất dùng cho diệt tạp tẩy trùng; 19 loại kháng sinh; 10 loại hóa chất dùng để xử lý đất nước; 10 loại men vi sinh số loại thuốc hóa chất khác phân bón, sản phẩm dùng để tăng cường hệ miễn dịch bổ sung vào thức ăn cho tơm Việc gây rủi ro tác động gây độc, gây chết cho sinh vật tự nhiên, tạo nên dòng vi sinh vật kháng thuốc, ảnh hưởng tới sức khỏe công nhân làm việc trực tiếp sức khỏe người tiêu dùng Tại Việt Nam, dựa vào điều kiện khí hậu tình hình khảo sát giống vật ni, Nông nghiệp phát triển nông thôn (NNPTNT) ban hành Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia sở nuôi tôm nước lợ - Điều kiện bảo đảm vệ sinh thú y, bảo vệ mơi trường an tồn thực phẩm [17] Trong đó, quy định địa điểm nuôi, sở hạ tầng, hoạt động nuôi trồng quy định chất thải có thơng số cụ thể Bảng chuẩn quy định chất lượng nước ao nuôi sau [17]: Bảng 1: TT Thông số Đơn vị Giá trị cho phép Oxy hòa tan mg/l >3.5 pH Độ mặn Phần nghìn 5-35 Độ kiềm mg/l 60-180 Độ Cm 20-50 NH3 mg/l