2. Các cảm biến đo các thông số của môi trường nước
2.3 Cảm biến đo nồng độ ôxy hoà tan
Cảm biến đo độ ôxy hoà tan không những được sử dụng rộng rãi trong phòng thí nghiệm mà cả trong thực tế đời sống, sản xuất. Những công dụng chính của cảm biến ôxy có thể kể đến: đo nồng độ ôxy hoà tan trong nước phục vụ nghiên cứu môi trường và nuôi thuỷ sản; đo nồng độ ôxy hoà tan trong không khí tại các vùng khí quyển bị ô nhiễm, đo nồng độ ôxy trong máu phục vụ trong ngành y tế, lâm sàng...
Cảm biến đo độ ôxy hay điện cực nhạy ôxy có thể chia thành 2 loại chính: loại cảm biến theo nguyên lý dòng và loại theo nguyên lý tự sinh dòng. Hiện nay loại cảm biến được sử dụng phổ biến để phân tích môi trường cũng như sử dụng trong phòng thí nghiệm là loại cảm biến Clark có màng thẩm thấu nhờ tính thuận tiện khi sử dụng, tránh được sự nhiễm bẩn điện cực cảm biến và dung dịch nội, tuổi thọ cảm biến cao, có độ chính xác và ổn định cao...Với loại cảm biến này, màng được dùng để thực hiện sự thẩm thấu ôxy, nó có thể được coi là một hàng rào khuếch tán chống lại sự nhiễm bẩn. Dưới các điều kiện ổn định, dòng điện tỷ lệ thuận với nồng độ ôxy hoà tan trong dung dịch.
Với sự phát triển của công nghệ vật liệu mới, người ta đã tìm ra và sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau để chế tạo điện cực, với mục tiêu là giảm giá thành nhưng vẫn đảm bảo chất lượng. Sau đây tôi trình bày một cách chung nhất về chế tạo cảm biến đo nồng độ ôxy hoà tan theo nguyên lý của điện cực Clark.
2.3.1 Phương pháp đo độ ôxy hoà tan bằng cảm biến màng
Nồng độ ôxy hoà tan (DO) trong nước tự nhiên và trong nước thải phụ thuộc vào các tính chất vật lý, hoá học và sinh hoá của mẫu nước. Phân tích DO là một phép thử quan trọng trong quá trình xử lý nước thải và nước ô nhiễm. Phương pháp cảm biến màng dựa trên tốc độ khuyếch tán ôxy phân tử qua màng.
Cảm biến màng có những ưu điểm sau:
Đo được độ ôxy trong các khí và dung dịch;
Không có sự nhiễm bẩn do dung dịch phân tích gây ra; Không hoặc ít phụ thuộc vào dòng chảy.
Đối với cảm biến kiểu Clark, điều quan trọng nhất là cấu hình của cảm biến. Nói chung, với cảm biến loại này màng được dùng để thực hiện sự thẩm
thấu ôxy và ngăn sự thẩm thấu của các chất khác, chống lại sự nhiễm bẩn. Dưới các điều kiện ổn định, dòng điện tỉ lệ thuận với nồng độ ôxy hoà tan trong dung dịch (hoạt độ của ôxy phân tử).
2.3.2 Nguyên lý hoạt động và tính chất của cảm biến
Ôxy đến bề mặt điện cực làm việc là do quá trình khuyếch tán từ ngoài vào trong dung dịch, sau đó sẽ khuyếch tán từ trong dung dịch đến điện cực cảm biến. Lượng ôxy khuyếch tán, cũng như cường độ dòng điện thu được sẽ phụ thuộc vào:
Áp suất riêng phần của ôxy trong dung dịch; Chất liệu màng và độ dày của màng;
Kích thước catốt;
Thế phân cực cảm biến; Nhiệt độ môi trường;
Chế độ dòng chảy của dung dịch cần đo. Các yếu tố ảnh hưởng có mối quan hệ sau:
I = k.A.a.D.p/X (13) Trong đó:
I : mật độ dòng điện; k: hằng số;
D: hệ số khuyếch tán của ôxy qua màng; a: độ hoà tan của ôxy trên màng;
A: bề mặt catốt;
p: áp suất riêng phần của ôxy trong dung dịch; X: bề mặt của màng.
2.3.3 Chế tạo cảm biến
Dựa trên nguyên lý hoạt động và các tham số ảnh hưởng tới cảm biến, tôi đã chế tạo được cảm biến đo độ ôxy hoà tan, với hệ điện cực làm việc là:
Ag+/Zn-; hệ điện cực được nhúng trong dung dịch điện hoá, với màng teflon bảo vệ dung dịch điện hoá (màng teflon cho không cho dung dịch thẩm thấu ra ngoài, nhưng lại cho ôxy khuếch tán vào trong dung dịch).
Cảm biến và máy đo nồng độ ôxy hoà tan được bán rộng rãi trên thị trường với các loại: DO-01; DO-02 và DO-03. Hình dưới đây là ảnh minh hoạ về cảm biến và máy đo nồng độ ôxy hoà tan cầm tay do tôi chế tạo.
Hình 8: Cảm biến (a) và máy đo (b) nồng độ ôxy hoà tan cầm tay thương mại (1): Giắc nối điện; (2): Nắp điện cực; (3): Thân điện cực; (4): Dây dẫn điện; (5): Dung dịch điện ly; (6): Điện cực thế Zn; (7): Hãm cao su; (8): Nắp cực; (9):Màng điện cực; (10): Cực làm việc Ag.
2.3.4 Chuẩn cảm biến
Chuẩn điểm 0: Trong môi trường 0% ôxy hoà tan (dung địch Na2SO3 1M) thì cảm biến phải chỉ giá trị 0.
Chuẩn độ dốc: Trong không khí (~100% ôxy hoà tan trong nước).
Nồng độ ôxy hoà tan phụ thuộc vào nhiệt độ, độ muối (môi trường nước) và có cả độ cao (áp suất khí quyển). Các bảng giá trị sau cho phép chuẩn cảm biến đo nồng độ ôxy hoà tan:
Bảng 5: Nồng độ ôxy phụ thuộc nhiệt độ, độ muối và độ cao (áp suất khí quyển)
Các thông số kỹ thuật về đo đo nồng độ ôxy hoà tan:
Dải đo: 0 20 mg/l;
Sai số: 1,5% thang đo (so với phép chuẩn hoá học) Thời gian đáp: 95 = 3 phút;
Có bù theo nhiệt độ và độ muối (dùng chương trình để bù);
Để xác định thời gian đáp ứng của cảm biến đo độ ôxy hoà tan, tôi đã ghép nối cảm biến với hệ thiết bị đo và đo nồng độ ôxy hoà tan trong hai môi trường khác nhau (không khí và nước), với điều kiện là hạn chế tối đa sự trao đổi nhiệt.
Hình 9: Sự phụ thuộc nhiệt độ của nồng độ ôxy hoà tan
4.1 4.9 4.9 5.8 6.6 7.4 8.2 1 2 T = 26 0C 50 60 70 80 90 100 Trong không khí Trong nƣớc