Tóm lại nồng độ Oxy bão hồ phụ thuộc nhiệt độ, độ muối và độ cao so với mực nước biển.
Nhiệt độ tăng thì nồng độ Oxy bão hồ giảm. Độ muối tăng hay càng lên cao so với mực nước
biển thì nồng độ Oxy bão hồ cũng giảm. Các thông số ảnh hưởng của nhiệt độ, độ muối, chiều cao so với mực nước biển đến nồng độ Oxy bão hoà thường được cho thành bảng để dễ
kiểm chuẩn trước khi đo hay được nạp vào máy đọ
Vậy nồng độ Oxy hoà tan trong nước bao nhiêu là phù hợp? theo một số tài liệu thì nồng độ
Oxy hồ tan:
- Từ 0 đến 2 mg/l là không cung cấp đủ Oxy cho sự sống;
- Từ 2 đến 4mg/l thì chỉ có một số lồi cá và cơn trùng sống được;
- Từ 4 đến 7 mg/l phù hợp cho các lồi thuỷ sản (cá, tơm) sống ở vùng nước nóng;
- Từ 7 đến 11 mg/l là tốt cho cá sống trong vùng nước lạnh và dòng chảỵKhi áp suất
riêng phần của Oxy ở nước và khơng khí bằng nhaụ Lúc đó, nước đã bão hịa nồng độ Oxy hịa tan.
e) Các loại cảm biến DO:
- Cảm biến DO loại màng lọc kiểu pin galvanic
Nguyên lý hoạt động của loại cảm biến này tương tự như pin galvanic. Điện cực làm việc được làm bằng kim loại quý (Ag), điện cực còn lại bằng kim loại kiềm (Pb). Dung dịch kiềm (KOH) được dùng để làm chất điện phân. Màng lọc Teflon được sử dụng để ngăn cách mơi trường bên ngồi và dung dịch điện phân. Loại màng lọc này chỉ cho phép các phân tử Oxy
21 Hình 2. 10. Cảm biến D.O loại màng lọc kiểu pin galvanic
Oxy thẩm thấu qua màng lọc sẽ tham gia quá trình Oxy hóa-khử ở điện cực làm việc. Một dịng điện được sinh ra và tỉ lệ với nồng độ Oxy hịa tan của mơi trường.
- Cảm biến D.O loại màng sử dụng cực phổ Volt-Ampe (polarography)
Điện cực làm việc được làm bằng kim loại quý (Pt). Điện cực đối được làm bằng (Ag). Dung dịch muối KCL được dùng làm chất điện phân. Một điện áp được đưa vào hai điện cực để tạo ra dòng điện khuếch tán ngưỡng cho các phân tử Oxy tham gia q trình Oxy hóa – Khử ở điện cực làm việc, sinh ra dòng điện khử tỉ lệ với nồng độ Oxy hòa tan. Dòng điện khử được sinh ra ở hai trường hợp trên sẽ được xử lý bằng mạch khuếch đại dịng, từ đó ta đo được nồng độ Oxy hịa tan.
Hình 2. 11. Đầu đo nồng độ Oxy hòa tan loại màng sử dụng polarography
Nguyên lý hoạt động như sau: Ta cho một nguồn âm 0.6 - 0.8V vào điện cực làm việc Pt hay Au, với điện cực còn lại bằng AgAgCl hoặc Calomel (HgCl) trong dung dịch trung tính KCL.
Các phân tử khí Oxy trong chất lỏng sẽ phản ứng Oxy hóa-khử ở bề mặt của điện cực Pt/Au (Kathode).
22 Hình 2. 12. Nguyên lý hoạt động của Cảm biến D.O loại màng sử dụng cực phổ
02 + 2H2 0 +2e- → H2O2 + 2OH-
H202 + 2e- → 20H-
Ta có thể rút gọn thành:
02 +4H+ +4e- → 2H2 0
Ở điện cực còn lại (Anode):
4Ag +4Cl - → 4AgCl + 4e-
Phản ứng tổng quát:
4Ag + 02+ 2H2 0+ 4 Cl - → 4 AgCl + 4OH-
Hiện tượng này có thể được quan sát dựa vào biểu đồ cực phổ Volt-Ampe của điện cực làm việc.
Hình 2. 13. Cực phổ Volt-Ampe ở các ứng suất Oxy khác nhau (a) và sự chuẩn độ ở
điện áp phân cực cố định -700mV (b)
Khi điện áp âm được đưa vào điện cực Kathode (Au,Pt) tăng lên, ban đầu dịng điện cũng tăng nhưng sau đó bị bão hòạ Trong vùng bằng phẳng của biểu đồ cực phổ, phản ứng của Oxy ở Cathode nhanh nên tỉ lệ của phản ứng tỉ lệ với sự khuếch tán Oxy trên bề mặt Cathodẹ Khi điện áp âm tăng lên nữa, dòng ra của điện cực Cathode tăng lên nhanh chóng do các phản ứng khác xuất hiện, chủ yếu là sự khử của nước thành Hydrọ Nếu một điện áp cố định trong
23
vùng bằng phẳng (ví dụ -0.6 V) được đưa vào Cathode, dịng ra của điện cực sẽ tuyến tính với
nồng độ Oxy hòa tan.
Sự chuẩn độ:
Cảm biến DO cần được chuẩn độ định kỳ,vì sự đo đạc phụ thuộc vào dung dịch điện phân
trong đầu cảm biến. Các ion trong dung dịch điện phân sẽ liên kết với các ion kim loại được giải phóng, điều này sẽ thay đổi thành phần của dung dịch. Chu kỳ chuẩn độ phụ thuộc vào cảm biến DO được sử dụng, thường 1 tuần đến 1 -2 tháng.Vì dịng điện sinh ra trong cảm biến tuyến tính với DO nên ta chỉ cần 2 điểm để điều chỉnh:
- Điểm Zerọ
- Điểm bão hòa hoặc trạng thái cân bằng giữa chất lỏng và khơng khí.
Hình 2. 14. Đồ thị chuẩn độ cho cảm biến DO
Điểm Zero không phải 0V do sự dẫn điện của dung dịch phân cực hoặc do sai số của mạch tín hiệu analog. Tuy nhiên do sự chênh lệch này nhỏ (khoảng 1mV) nên ta chỉ cần chỉnh độ ở điểm bảo hòa là được.
Bảng 2. 3. Khảo sát một số loại cảm biến DO có trên thị trường
STT Tên hình minh họa Các thơng số Giá
1
Sensorex DO6441TC/T
- Dải đo oxy hòa tan: 0~100% - Đầu ra: 4~20mA
- Chất liệu điện cực: Noryl - Catot: Bạc
- Anot: Kẽm
- Nhiệt độ: 0~50⁰ C
- Nguồn cung cấp: 12~36VDC - Dùng tích hợp cho Bộ điều
khiển của HANA
24 2
Cảm biến HI76410 của HANA
- Dải đo DO: 0~20mg/L - Áp suất : 7.5bar
- Nhiệt độ: 0~50 độ C
4.200.000Đ
3
Cảm biến DO của ATlas-Scientific
- Dải đo oxy hòa tan: 0~100%
- Đầu ra: Digital, sai số +- 0.05mg/L
- Chất liệu điện cực: Polytetra- fluoroethylene membrane
- Nhiệt độ: 0~50⁰ C
- Nguồn cung cấp: 3~5VDC
6.280.000Đ
4
Cảm biến DO Lumin-S của hãng
SENSOREX
- Thang đo DO: 0.00-20.00 mg/L
- Thân: Thép không gỉ
- Nhiệt độ: 0-50°C - Áp suất tối đa: 6 bar
- Áp cung cấp 12V
31.540.000Đ
Đặc điểm chung là hầu hết các cảm biến này đều dùng điện cực màng phủ vật liệu tổng hợp (dạng nhựa hỗn hợp), không thể ngâm lâu dưới nước và cần phải vệ sinh đầu dò sau mỗi lần
đo.
Do vậy tác giả nhận thấy, nếu ta xử lý được yếu tố điện cực không phải ngâm lâu dưới nước
bằng cách khi đo xong dùng hệ truyền động đưa điện cực lên trên mặn nước và rửa sạch đầu
do là có thể sử dụng tốt cho tất cả các loạị
Vậy xét về góc độ hiệu quả kinh tế nhóm tác giả chọn loại điện cực DO của hảng Atlas-
scientific [19] có chi phí phù hợp với ngõ ra tích hợp số, sử dụng tốt cho đề tài nàỵ
2.2.3. Cảm biến độ mặn
Độ mặn hay độ muối được ký hiệu S‰ (S viết tắt từ chữ salinity - độ mặn) là tổng lượng (tính
theo gram) các chất hịa tan chứa trong 1 kg nước. Trong hải dương học, người ta sử dụng độ
mặn để đặc trưng cho độ khống của nước biển, nó được hiểu như tổng lượng tính bằng gam của tất cả các chất khoáng rắn hồ tan có trong 1 kg nước biển. Vì tổng nồng độ các ion chính
(11 ion) chiếm tới 99,99% tổng lượng các chất khống hồ tan nên có thể coi độ mặn nước biển chính bằng giá trị nàỵ
25 Hình 2. 15. Thành phần hóa học của nước biển
Căn cứ vào độ mặn, ta có thể phân chia:
- Nước ngọt: S= 0.02 - 0.5 ‰
- Nước lợ: S= 0.5 - 16 ‰
- Nước mặn: S = 16 - 47 ‰
- Nước quá mặn: S= trên 47 ‰
Dựa trên đặc tính vật lý này, ta có 03 phương pháp đo độ mặn là: phương pháp tỷ trọng kế,
phương pháp khúc xạ kế và phương pháp độ dẫn điện.
a) Phương pháp tỷ trọng kế
Tỉ trọng được định nghĩa là tỉ số giữa tỉ trọng của dung dịch (tại nhiệt độ nhất định) trên tỉ
trọng của nước tinh khiết (tại nhiệt độ nhất định). Tỷ trọng kế sử dụng một ống cao thủy tinh với một đầu là bầu cao su có thể co giãn theo lực đẩy Asimet của dung dịch nước bên ngoài
tác động lên thành bầu.
Tỉ trọng phụ thuộc vào nhiệt độ, Khi nước biển nóng lên, nó giãn rạ Và khi lạnh đi, nó co lạị
Như là định luật chung của tự nhiên là khi nhiệt độ tăng thì tỉ trọng giảm và khi nhiệt độ giảm thì tỉ trọng tăng.
Tùy theo chất cần đo là chất gì mà người dùng có thể lựa loại tỷ trọng kế cho thích hợp. Thường thì phân ra 2 loại chính là: chất nặng hơn nước và chất nhẹ hơn nước. Và cũng tùy
theo mục đích sử dụng mà trên tỷ trọng kế có nhiệt kế kèm theo hay ko nữạ Nhẹ hơn nước thì
chủ yếu dùng để đo nồng độ rượu – Cồn kế (người pha rượu nào cũng có). Nặng hơn nước thì
dùng đo nồng độ muối – Tỷ trọng kế.
26
b) Phương pháp khúc xạ kế
Phương pháp khúc xạ kế dựa vào nguyên lý nồng độ vật chất liên quan đến chiết xuất của sóng ánh sáng trên mơi trường đó. Từ đó, sử dụng khúc xạ kế, đo góc lệch khúc xạ để nội suy
ra giá trị độ mặn tương ứng. Hình 2.12 minh họa máy đo độ mặn bằng phương pháp khúc xạ kế.
Thao tác đo: Nhỏ một vài giọt nước (có chứa muối) lên trên lăng kính ở phía đầu của khúc xạ
kế. Nước phải phủ đều và khơng được có bọt khí để đạt được kết quả chính xác. Đậy nắp trên
lăng kính. Chỉnh độ đi-ốp cho phù hợp với mắt người đọc, và đọc số vạch chuyển màu trên ống ngắm.
Hình 2. 17. Máy đo độ mặn bằng phương pháp khúc xạ kế
Mối liên hệ giữa chiết suất môi trường với độ mặn được thể hiện trong nghiên cứu của Rusby
(1967) [1]. Trong đó 'K là độ thay đổi chiết xuất giữa chiết suất của môi trường tại độ mặn S và nhiệt độ T với chiết suất của môi trường tại độ mặn 35,00 psu và ở nhiệt độ 20oC như sau :
3 5 2 6 3 2 2 35,00 5,3302.10 . 2, 274.10 3,9.10 . 10,59. ( 20) 2,5.10 . ( 20) S T T K K K K K ' ' ' ' ' (1.3)
Phương trình này tính cho 30,9 dSd 38.8 và 17 0CdT d30 0C cho dòng ánh sáng xanh của
Hg ở bước sóng O 546,227 nm.
c) Phương pháp độ dẫn điện
Độ dẫn điện (σ) là khả năng của một môi trường cho phép sự di chuyển của các hạt điện tích
qua nó, khi có lực tác động vào các hạt/ion mang điện. Ví dụ như lực tĩnh điện của điện trường. Sự di chuyển có thể tạo thành dịng điện. Cơ chế của chuyển động này tùy thuộc vào nồng độ vật chất. Độ dẫn điện được xác định qua công thức:
Với:
x L: chiều dài của vật liệu (m)
x R: điện trở của vật liệu với dịng điện (Ohm) x A: diện tích của vật liệu
27
x Đơn vị của độ dẫn điện làm mho/mét (Ω-1m-1) hay Siemen/mét (S. m-1).
Trong dung dịch, độ dẫn điện liên quan trực tiếp đến tổng lượng muối trong dung dịch. Vì thế, từ độ dẫn điện của dung dịch ta có thể suy ra nồng độ của dung dịch.
Hình 2. 18. Minh họa điện cực dẫn điện. Được đặt trong dung môi nước muối
Cảm biến loại này bao gồm hai điện cực dẫn điện (kim loại hoặc graphite), cách nhau một khoảng cố định d, nhúng trong dung dịch cần đọ Khi ta cho một điện áp vào 2 điện cực, một dòng điện sẽ chạy từ điện cực này, qua dung dịch đến điện cực bên kiạ Biên độ của dòng điện
này liên qua trực tiếp đến độ dẫn điện của dung dịch.
Nhược điểm của loại cảm biến này là các điện cực tiếp xúc trực tiếp trực tiếp với dung dịch
nên chúng dễ bị ăn mòn hoặc bám bẩn. Điều này sẽ làm giảm độ chính xác của cảm biến. Vì thế ta nên chọn loại điện cực ít bị ăn mịn (Au, Pt) và phải vệ sinh que đo thường xuyên.
Hình 2. 19. Máy đo độ mặn EXTECH sử dụng phương pháp độ dẫn điện
Để đo được độ dẫn điện giữa hai điện cực này ta phải dùng dịng xoay chiều (AC). Vì dịng điện DC chạy qua dung dịch sẽ phá vỡ liên kết của phân tử NaCl và các ion sẽ di chuyển về hai phía của điện cực làm cho chúng ta khơng thể đọc được độ dẫn điện chính xác. Khi dịng điện xoay chiều có tần số cao (lớn hơn 1KHz) chạy qua dung dịch, các phân tử không kịp bị tách ra, mà chỉ giao động rất nhanh ở giữa hai điện cực, chúng ta sẽ đọc được độ dẫn điện
chính xác.
Bảng 2. 4. Khảo sát một số loại cảm biến độ mặn online tiêu biểu có trên thị trường
STT Tên hình minh họa Các thông số Giá
1
Ezdo ID4522T30K
- Hãng sản xuất: Ezdo - Xuất xứ: Đài Loan
- Cảm biến: Tấm Pt - Phạm vi: 0-80‰
- Cảm biến nhiệt: 30K
28
- Thân đầu đo: GFRPP
- Đầu nối: Spade Lug
Kích cỡ(mm): 170x31
2
Cảm biến của Farmtech
- Xuất xứ: Châu Âu - Cảm biến: Tấm Pt
- Phạm vi: 0-20.000 μS/cm
- Thân đầu đo: ABS
- Đầu nối: RS485 - Kích cỡ(mm): 120x12
3.600.000Đ
3
Cảm biến của ATlas-Scientific
- Hãng sản xuất: ATlas- Scientific - Xuất xứ: Mỹ - Cảm biến: Pt - Phạm vi: 5 − 200,000μS/cm - Cảm biến nhiệt: PT1000 - Thân đầu đo: CPVC - Kích cỡ(mm): 220x51 7.760.000Đ 4 Conductivity Probe - Hãng sản xuất: ATlas- Scientific - Xuất xứ: Mỹ - Cảm biến: kim loại
- Phạm vi: 0.07 − 50,000μS/cm
- Thân đầu đo: PVC - Kích cỡ(mm): 220x15
4.500.000Đ
Đặc điểm chung là hầu hết các cảm biến này đều dùng điện cực màng phủ vật liệu kim loai
bạch kim. Vậy xét về góc độ hiệu quả kinh tế nhóm tác giả chọn điện cực độ dẫn Atlas-
scientific [20] có chi phí phù hợp với ngõ ra tích hợp số, sẽ sử dụng tốt cho đề tài nàỵ
2.2.4. Cảm biến độ đục
Độ đục tạo nên do phiêu sinh vật, các hạt đất sét lơ lửng. Độ đục phản ánh khả năng khuếch
tán của ánh sáng xuống ao hồ. Độ đục cao sẽ ngăn cản ánh sáng truyền đến lớp nước bên dưới, làm giảm cường độ quang hợp của thực vật phù du, tức giảm lượng Oxy, do đó cá khó
hơ hấp cũng như bắt mồị Nhìn chung, nếu ao có độ đục cao thì khả năng tự làm sạch của ao
sẽ giảm. Có 2 loại phương pháp đo độ đục cơ bản là phương pháp dùng đĩa quan sát và phương pháp đo suy hao quang học của sóng ánh sáng truyền qua mơi trường nước.
29 Theo phương pháp này, một đĩa Hình 2.15 được sử dụng nhúng chìm xuống bể nước. Độ đục
được định nghĩa là khoảng cách xa nhất mà người có thể nhìn thấy được màu sắc của đĩạ Độ đục là của nước thích hợp cho ni thủy sản là từ 20-30cm.
Hình 2. 20. Đĩa Secchi được thả xuống ao nuôi để đo độ đục
Người ta thường dùng đĩa secchi để đo độ đục. Đĩa secchi có thể tự thiết kế: Dùng miếng
nhơm có đường kính 20cm, từ tâm của miếng nhôm chia ra 6 ô bằng nhau và sơn màu trắng
đen xen kẽ. Xuyên sợi dây vào tâm đĩạ Khi đo độ đục, đưa đĩa xuống nước đến khi khơng
cịn phân biệt được màu đen và màu trắng của đĩa, độ chìm của đĩa có thể đánh giá độ đục của
nước.
Khi nguyên cứu độ đục ta đánh giá được các thành phần lơ lửng trong nước (chủng loại, số lượng …) từ đó ta đánh giá được mức độ ơ nhiễm của nước, xác định được mức độ ảnh hưởng đến sự sống của sinh vật. Tìm hiểu về độ đục kết hợp với các nguyên nhân gây nên độ đục và ô nhiễm nguồn nước ta sẽ đưa ra những biện pháp xử lý để giảm mức độ ô
nhiễm.
b) Đo độ đục dùng phương pháp đo suy hao công suất sóng ánh sáng khi truyền qua mơi trường nước.
Hình 2. 21. Máy đo độ đục dùng phương pháp suy hao tán xạ
Với phương pháp này, sóng ánh sáng được phát ra từ led phát sáng truyền vào môi trường