Nghiên cứu và thiết kế máy tự động đo độ kiềm của nước

Độ kiềm tổng trong môi trường nuôi tôm là một thông số quan trọng, có ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của thủy – hải sản, và là một nhân tố quan trọng cần được theo dõi. Tuy nhiên, việc đo đạc bằng tay sẽ gây tốn nhân công và thời gian của người nuôi. Để giải quyết các vấn đề trên, bài viết thực hiện nghiên cứu và thiết kế máy đo kiềm tổng một cách tự động. Việc đo độ kiềm được thực hiện theo phương pháp chuẩn độ, tức là bơm axit vào dung dịch cần đo cho đến khi dung dịch đạt giá trị pH mong muốn.

Nguyễn Hữu Phát, Hà Văn Hướng 86 NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MÁY TỰ ĐỘNG ĐO ĐỘ KIỀM CỦA NƯỚC RESEARCHING AND DESIGNING DEVICE FOR MEASURING ALKALINITY OF WATER AUTOMATICALLY Nguyễn Hữu Phát, Hà Văn Hướng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; phat.nguyenhuu@hust.edu.vn, hahuonga2@gmail.com Tóm tắt - Độ kiềm tổng môi trường nuôi tôm thông số quan trọng, có ảnh hưởng trực tiếp đến phát triển thủy – hải sản, nhân tố quan trọng cần theo dõi Tuy nhiên, việc đo đạc tay gây tốn nhân công thời gian người nuôi Để giải vấn đề trên, thực nghiên cứu thiết kế máy đo kiềm tổng cách tự động Việc đo độ kiềm thực theo phương pháp chuẩn độ, tức bơm axit vào dung dịch cần đo dung dịch đạt giá trị pH mong muốn Từ lượng axit dùng thể tích dung dịch ban đầu để tính độ kiềm tổng [1], [2] Kết đo đạc thiết kế hiển thị lên hình LCD với độ xác cao Ưu điểm máy sử dụng nguyên liệu giá rẻ có giá thành thấp dễ dàng sử dụng, hứa hẹn mang lại giải pháp tốt cho người nuôi trồng thủy – hải sản việc theo dõi thông số nước nuôi Abstract - Total alkalinity is an important parameter monitored since it directly affects the development of marine fisheries However, manual measurement will cause labor cost and muchtime for farmers In order to solve the above problems, the authors perform the research and design of a machine that measures the alkaline totalizer automatically Alkometric measurements are made by titration With the method, we pump the acid into the test solution until the desired pH value is obtained Based on the amount of used acid and the volume of the initial solution, we calculate the total alkalinity [1], [2] The measurement results are shown on the LCD with high accuracy The advantage of the machine is that it uses cheap materials, has low cost and is easy to use, which promises to bring a good measure for aquaculture Từ khóa - độ kiềm; độ kiềm tổng; lượng tiêu tốn; nồng độ pH; chuẩn độ; dung dịch chuẩn; điện cực pH Key words - alkalinity; total alkalinity; energy consumption; pH; concentration; titration; standard solution; pH electrode Giới thiệu Trong năm gần đây, nghề nuôi trồng thủy - hải sản ngày phát triển Việt Nam Cùng với đó, việc áp dụng tiến khoa học công nghệ cần thiết để nâng cao chất lượng số lượng sản phẩm Độ kiềm (alkalinity) theo tiêu chuẩn ISO 9963-1 [1] khả định lượng môi trường nước để phản ứng với ion hydro Hay theo cách dễ hiểu hơn, độ kiềm số lượng bazơ dung dịch dùng để trung hịa axit dung dịch Độ kiềm thơng số quan trọng việc xác định khả trung hịa nhiễm axit (axit mưa, nước thải, v.v…) nước Nguyên nhân gây độ kiềm nước muối axit yếu Bảng thể thành phần độ kiềm hưởng đến độ cứng nước, nồng độ hòa tan chất dinh dưỡng thành phần độc tố, từ ảnh hưởng trực tiếp tới sinh trưởng, phát triển thủy sản Độ kiềm tổng Bảng Các thành phần độ kiềm [2] Thành phần  HCO (bicacbonat) 2 CO (cacbonat) Mức độ đóng góp 89,98 6,7    B (OH ) , SiO (OH ) , Mg (OH ) ,    HPO , PO , OH , (thành phần 4 khác) 3,4 Do độ kiềm thể khả đệm nước, tức khả chống lại thay đổi đột ngột pH, nên thông số quan trọng nước nuôi thủy – hải sản Trong nuôi trồng thủy – hải sản, độ kiềm thay đổi ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe vật nuôi Khi độ kiềm thay đổi đột ngột, tơm, cá bị sốc, yếu bỏ ăn Nếu mơi trường nước có độ kiềm cao kéo dài, làm tôm tăng trưởng kém, chậm, sức đề kháng Ngoài ra, độ kiềm ảnh đo đơn vị mg/L CaCO3 giá trị thích hợp cho nuôi trồng thủy – hải sản 75 đến 200 mg/L [3] Đặt vấn đề Do tác động trực tiếp quan trọng độ kiềm tới yếu tố lý, sinh, hóa sức khỏe thủy – hải sản, nên yêu cầu người nuôi cần phải theo dõi độ kiềm thường xuyên, liên tục để nắm bắt tình trạng ao ni, từ đưa phương án nuôi khắc phục vấn đề xảy cách hiệu kịp thời Việc đo độ kiềm tổng thực tay với công cụ, máy đo thương mại hóa Tuy nhiên, đo đạc tay gây tốn nhân công, thời gian người nuôi Thêm vào đó, giá thành máy đo tự động lại cao, khiến người nuôi không dễ dàng đầu tư Đề giải vấn đề trên, nhóm tác giả thực nghiên cứu thiết kế máy đo kiềm tổng cách tự động Mục tiêu thiết kế kết đo đạc có độ xác cao, giá thành rẻ dễ sử dụng Phương pháp thực Có nhiều phương pháp để xác định độ kiềm tổng mẫu nước tự nhiên Phần trình bày so sánh phương pháp thơng dụng [4] Tùy theo mục đích phân tích đo lường mà người ta lựa chọn phương pháp khác Trong phương pháp trình bày, phương pháp chuẩn độ nhóm tác giả sử dụng cho thiết kế 3.1 Phương pháp chuẩn độ [5] Phương pháp sử dụng axit mạnh chuẩn với điểm cuối pH (điểm cuối chuẩn độ) để xác định độ kiềm ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN Quy trình phương pháp hiểu cách đơn giản thêm từ từ axit chuẩn vào lượng thể tích nước mẫu đạt điểm cuối pH, từ thể tích axit thêm vào thể tích mẫu nước, ta tính độ kiềm tổng Hình Về lý tưởng, điểm cuối pH tương đương với lượng bazơ dung dịch mẫu Khi số đo kiềm tổng hồn tồn cấu thành (bicacbonat cacbonat) điểm cuối pH trình chuẩn độ xác định cách xem xét lượng CO2 điểm Lượng CO2 phụ thuộc vào tổng lượng cacbonat ban đầu lượng cacbonat trình chuẩn độ Giá trị điểm cuối pH thường sử dụng 4,5 87 dụng phương pháp Từ quy trình đo phương pháp trên, ta thấy phương pháp chuẩn độ thích hợp cho việc tự động hóa hồn tồn Do vậy, chúng tơi định sử dụng phương pháp cho thiết kế Triển khai thiết kế Việc đo đạc thực cách tự động, hoạt động máy liệt kê sau: lấy nước từ ao nuôi vào lọ mẫu, lấy axit nhỏ vào lọ mẫu để chuẩn độ dung dịch, đo pH khuấy dung dịch q trình chuẩn độ Từ đây, nhóm tác giả đưa mơ hình thiết kế Hình Hình Phương pháp chuẩn độ Giả sử, dùng Vm mililit mẫu nước (thường 50 ml 100 ml), Va mililit axit HCl có nồng độ C n (thường dùng C n = 0,1 N) cho việc chuẩn độ độ kiềm tổng cộng tính sau [4]: A  T Cn 1000Va  50 (mg/L CaCO3 ) Vm (1) 3.2 Phương pháp chênh lệch ion Trong phương pháp này, người ta tính tốn chênh lệnh cations (ion mang điện tích dương) ion anions axit mạnh (gốc axit mạnh) để xác định độ kiềm Đối với hầu hết loại nước tự nhiên, nguồn cations    2 2 2 H , Na , K , Mg ,Ca Ca Trong đó,     2 anion OH , HCO3 , NO3 , F , SO4  Cl Phương pháp dựa theo sở cân nồng độ anions cations Phương trình biểu diễn cân sau:    2 2 [H ]+[Na ]+[K ]+2[Mg ]+2[Ca ]=     2  [OH ]  [HCO ]  [NO ]  [F ]+2[SO ]+[Cl ] 3 (2) Sắp xếp lại ta phương trình sau:    2 2  2 [H ]+[Na ]+[K ]+2[Mg ]+2[Ca ]-[NO ]-2[SO ]3 (3)     2  [F ]-[Cl ]=[OH ]  [HCO ]+2[CO ]  [H ]=Alkalinity 3 Từ đây, tính lượng cations ainons, ta tính độ kiềm tổng 3.3 Phương pháp đo cường độ màu Với phương pháp này, độ kiềm tổng tính cách xác định thay đổi màu sắc metyl da cam Tức là, metyl da cam dùng làm chất thị màu Như biết, metyl da cam có khả đổi màu theo giá trị pH Trong trình đo, mẫu nước phản ứng với thuốc thử, pH dung dịch thay đổi metyl đổi màu Phương pháp có dải đo khoảng từ 10 đến 300 mg/L CaCO3 Máy đo độ kiềm HI755 Cơng ty Hanna Instruments sử Hình Mơ hình máy đo Việc lấy nước từ ao nuôi vào lọ mẫu thực bơm Axit lấy vào xi lanh bơm giọt vào lọ mẫu để chuẩn độ Bình chứa axit dự trữ phục vụ đo nhiều lần thiết kế theo dạng bình thơng nhau, đảm bảo hút đầy đủ axit vào xi lanh Do đó, ta cần có cấu vận chuyển xi lanh giữ vị trí lọ mẫu bình chứa axit Trong thiết kế này, nhóm tác giả sử dụng động khí nén Để bơm hút axit, nhóm tác giả sử dụng động DC có gắn encoder kết hợp với vít me số cấu khí Từ đó, cần đếm số xung động trình bơm hút axit, ta xác định thể tích axit dùng để chuẩn độ dung dịch V  a ( Pos  Pos  Pos )  up pH 4.5 bu (Pos up  Pos  Pos ) down bu , (4) Trong đó: V : thể tích (ml) axit dùng cho chuẩn độ; a Pos : số xung tương ứng với vị trí pít-tơng; up Pos pH  4.5 : số xung tương ứng với vị trí pH = 4,5; Pos down : số xung tương ứng với vị trí pít-tơng; Pos bu : số xung bù sai số = 6.000, xác định từ thực nghiệm; 6: lượng axit hút vào xi lanh ml Giá trị pH q trình chuẩn độ đóng vai trị quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến kết đo độ kiềm Đo pH dung dịch sử dụng pH kế đọc giá trị điện áp đầu để xác định giá trị pH Dung dịch trình chuẩn độ cần khuấy để đảm bảo axit nhỏ vào hòa tan Nguyễn Hữu Phát, Hà Văn Hướng 88 nhanh chóng Ở đây, nhóm tác giả sử dụng cá khuấy nam châm bọc sứ bán rộng rãi thị trường Chúng phân chia thiết kế số khối để thuận tiện cho việc triển khai thực Hình Do độ kiềm tổng pH  4.5 nên thực đo pH lần 1, pH  4.5 khơng cần thực chuẩn độ, khơng máy kéo pít-tơng lên, lấy axit vào xi lanh Sau đó, điều khiển động khí nén vận chuyển xi lanh vị trí lọ mẫu bắt đầu trình đo đạc Việc đo đạc dọn dẹp thể Hình Hình Kết độ kiềm hiển thị hình LCD Hình Sơ đồ khối máy đo Hình Hoạt động đo đạc hệ thống Từ phần trình bày, đến đây, ta xác định trạng thái máy đo Hình Từ trạng thái Hình 4, xác định hoạt động chi tiết bước máy đo Hình Ban đầu, xi lanh axit đặt lọ mẫu, ta cần dịch xi lanh sang lọ chứa axit Nghiêng lọ lần để đổ hết dung dịch lần đo trước lọ mẫu Cho đến sau nghiêng lọ lần 2, lọ mẫu tráng nước ao nuôi Sau nghiêng lọ lần 3, lượng nước mẫu lại lọ 50 ml Hình Xử lý kết thúc trình đo hệ thống Hình Sơ đồ trạng thái đo Hình Lưu đồ hoạt động hệ thống Quá trình đo đạc đơn giản chuẩn độ dung dịch đến điểm cuối pH  4.5 Hoạt động dọn dẹp phụ thuộc vào việc đo pH lần Nếu lần đầu đo pH có pH  4.5 , ta cần di chuyển xi lanh sang lọ mẫu hiển thị giá trị kiềm tổng Ngược lại, ta cần dịch xi lanh sang lọ axit, tiến hành bơm axit thừa xi lanh dịch xi lanh ngược trở lại lọ mẫu kết thúc trình Như trình bày trên, máy có nhiều linh kiện/mơ-đun điện tử kit Arduino, DC-DC, … nên sử dụng hộp kín để chứa tất phận này, giúp bảo vệ chúng trước tác hại môi trường, đồng thời cố định vị trí chúng máy đo Đối với khung máy, dùng nhôm để đảm bảo đủ chắn giá thành rẻ Mica trắng với ưu điểm khối lượng nhỏ, giá thành thấp mà đáp ứng đủ độ bền, chắn cho máy đo dùng cho phận khí khác Hình thể tồn cấu máy với kích thước DRC = 440205500 (mm), đó: – hộp điện: chứa điều khiển mơ-đun điện tử; – xi lanh khí nén: để vận chuyển cụm xi lanh axit; – phễu nước thải; – lọ mẫu, có cá khuấy bên trong; – pH kế; – bình thơng đựng axit; – cụm xi lanh axit; – bình chứa axit; – van khí nén ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN 89 kiềm tổng kiểm định mẫu nước 115 mg CaCO3 / L Từ Hình 10, ta thấy sai số phép đo  3,54 mg/L Trong trường hợp đầu vào mẫu nước khác nhau, kết đo đạc thể Bảng 2, với giá trị độ kiềm tổng có đơn vị đo mg CaCO3 / L Sai số phép đo  2,27 mg/L Hình 10 Kết đo với đầu vào giống Bảng Kết đo với đầu vào khác Hình Tồn cấu có khí hệ thống Cụm cấu quan trọng cụm xi lanh axit, gồm nhiều thành phần Hình Lần đo pH đầu Độ kiềm đo Độ kiềm kiểm định 7,2 119,43 118 7,5 124,12 124 6,8 112,03 111 8,0 131,95 133 8,4 140,15 141 8,7 152,36 154 6,46 106,94 105 7,8 128,56 129 8,9 161,73 164 10 7,5 122,87 125 Như vậy, tùy theo loại thủy – hải sản mà ta đưa cảnh báo giá trị độ kiềm tổng đo gần vượt ngưỡng Ví dụ, với tơm thẻ chân trắng, độ kiềm không thấp 80 mg CaCO3 / L [6], [7] để đảm bảo cho Hình Cụm xi lanh axit Trong đó: – động DC có encoder; – trục trơn dẫn hướng; – pít-tơng; – thân xi lanh axit, dung tích ml; – trục vít me; – khớp nối trục động vít me Như vậy, thiết kế xong toàn máy đo, phần trình bày kết đo đạc vấn đề cần thảo luận Kết nghiên cứu Sau trình đo lặp lại nhiều lần với loại mẫu nước, nhóm tác giả thu kết Hình 10 Mẫu nước dùng nước sinh hoạt có pH = 6,9, độ tôm tăng trưởng tỉ lệ sống cao, nên ta đưa cảnh báo độ kiềm đo  83 mg/L Từ kết này, ta so sánh số thông số quan trọng với sản phẩm thương mại hóa giới, máy đo APA6000 – Hach [6] (Bảng 3) đánh giá sản phẩm sau: Bảng So sánh sản phẩm với máy APA6000 – Hach Thông số Giá trị Máy APA6000 – Hach Sản phẩm dự án Độ xác ± 1,0 mg/L ± 3,54 mg/L Thang đo đến 250 mg/L Chưa xác định Kích thước (CxRxD) 522 x 627 x 526 mm 440 x 205 x 500 mm Nguồn điện 90 - 240 V 50/60 Hz 110 - 220 V 50/60Hz Thời gian đo Nhỏ 10 phút Nhỏ 10 phút Nhiệt độ mẫu đến 50°C Chưa xác định Giá 1.880 USD Mỹ triệu VND Nguyễn Hữu Phát, Hà Văn Hướng 90 Về độ xác, sai lệnh thông số máy không lớn, mà ta lại biết rằng, khoảng độ kiềm tổng thích hợp với thủy – hải sản 75 ÷ 200 mg/L nên sai số ±3,54 mg/L sản phẩm hoàn toàn chấp nhận Về thời gian phản hồi, máy có thơng số tương đương Với mục đích ngày đo lần, thời gian đo ≤ 10 phút khơng có tác động lớn Về thang đo, nhiệt độ mẫu, sản phẩm báo chưa xác định Về giá thành, máy đo APA6000 có giá cao hẳn, sản phẩm có giá rẻ, lợi tiêu chí báo Như vậy, sản phẩm báo hoàn tồn đáp ứng nhu cầu độ xác cho người nuôi trồng Thêm nữa, với giá tiền so sánh trên, sản phẩm hồn tồn có sức cạnh tranh thương mại hóa Kết luận Bài báo trình bày tổng quan lý thuyết độ kiềm, lý thuyết liên quan toàn cơng việc làm q trình triển khai thiết kế, kết đo đạc thực nghiệm, đánh giá kết Nhìn mặt kết cuối cùng, sản phẩm máy đo kiềm tổng thực chức tự động đo độ kiềm tổng nước hiển thị kết lên hình, đáp ứng yêu cầu thiết kế độ xác giá thành đặt ban đầu Tuy nhiên, sản phẩm có nhiều thiếu sót thiết kế dừng mức thí nghiệm, chưa thể thương mại hóa; hoạt động chưa ổn định; cụm xi lanh axit đáp ứng yêu cầu tối thiểu hút/bơm axit với độ xác tương đối; độ bền khí chưa kiểm tra; dây kết nối linh kiện/mơđun điện tử cịn phức tạp khó sửa chữa gặp cố; sản phẩm sử dụng động khí nén để dịch chuyển cụm xi lanh axit, cần có máy nén khí để hoạt động, dẫn đến kích thước tồn máy cồng kềnh tăng cao giá thành, nhược điểm lớn thiết kế Ngoài ra, sản phẩm cần thử nghiệm nhiều để tìm vấn đề khác hoàn thiện tốt LỜI CẢM ƠN Kết nằm phạm vi nghiên cứu nhiệm vụ khoa học công nghệ “Thiết kế hệ thống đo độ kiềm ứng dụng giám sát môi trường nước nuôi tôm chân trắng” ký Quyết định số 62/QĐ-SKHCN Sở Khoa học Công nghệ tỉnh Quảng Ninh ngày 31/5/2017 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:9963:-1:ed-1:v1:en, truy cập lần cuối ngày 13/5/2017 [2] John M Edmond, “High precision determination of titration alkalinity and total carbon dioxide content of sea water by potentiometric titration”, 12/2/1970 [3] Nguyễn Duy Hòa (SRAC, contom.com.vn), Quản lý độ Kiềm độ Cứng nước ao nuôi, http://kythuatnuoitrong.com/quan-ly-dokiem-va-do-cung-cua-nuoc-ao-nuoi/ [4] J K Amacher, M C Amacher, Comparison of Three Methods for Determining Total Alkcalinity in Natural Waters, 2/1995 [5] Huỳnh Ngọc Phương Mai, Tài liệu Cơng ty Mơi trường Tầm Nhìn Xanh, http://www.gree-vn.com/pdf/CHUONG_3_HMT.pdf [6] http://aquanetviet.com/post/123105707340/%C4%91%C3%B4ki%C3%AA-m-trong-nu%C3%B4i-t%C3%B4mth%E1%BA%BB-ch%C3%A2n-tr%C4%83-ng, truy cập lần cuối ngày 16/05/2017 (BBT nhận bài: 07/8/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 30/8/2017) ... khai thiết kế, kết đo đạc thực nghiệm, đánh giá kết Nhìn mặt kết cuối cùng, sản phẩm máy đo kiềm tổng thực chức tự động đo độ kiềm tổng nước hiển thị kết lên hình, đáp ứng yêu cầu thiết kế độ xác... cho việc tự động hóa hồn tồn Do vậy, chúng tơi định sử dụng phương pháp cho thiết kế Triển khai thiết kế Việc đo đạc thực cách tự động, hoạt động máy liệt kê sau: lấy nước từ ao nuôi vào lọ mẫu,... nối trục động vít me Như vậy, thiết kế xong toàn máy đo, phần trình bày kết đo đạc vấn đề cần thảo luận Kết nghiên cứu Sau trình đo lặp lại nhiều lần với loại mẫu nước, nhóm tác giả thu kết Hình