Báo cáo nghiên cứu khoa học " Cơ sở lý thuyết và khả năng xác định nồng độ ôxy hòa tan trong nước biển bằng phương trình thực nghiệm "

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

87
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt. [1] nước ngọt ở trạng thái cân bằng với khí quyển 00 (ko,0) đối với ô ln ko,0 a0 a1 / T a2 / T 2 giá trị 400C tan trong 00 600C theo hàm: (1) 600C [2]. Cách tính này sau đó đã được áp dụ [3]. Riêng đối với nước biển, phương pháp tính nồng độ ôxy hòa tan có sự thay đổi do sự xuất hiện của độ

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo nghiên cứu khoa học " Cơ sở lý thuyết và khả năng xác định nồng độ ôxy hòa tan trong nước biển bằng phương trình thực nghiệm "

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 63 -70 Cơ sở lý thuyết và khả năng xác định nồng độ ôxy hòa tan trong nước biển bằng phương trình thực nghiệm Trịnh Thị Lê Hà1,*, Phạm Mai Thanh2 1 Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam 2 Trung tâm Quy hoạch, Điều tra, Đánh giá Tài nguyên Môi trường Biển và Hải đảo, Tổng cục Biển và Hải đảo Nhận ngày 29 tháng 4 năm 2011 Tóm tắt. [1] tan trong 00 400C nước ngọt ở trạng thái cân bằng với khí quyển 00 600C theo hàm: (ko,0) đối với ô ln ko,0 a0 a1 / T a2 / T 2 (1) 600C [2]. Cách tính này sau đó đã được áp giá trị dụ [3]. Riêng đối với nước biển, phương pháp tính nồng độ ôxy hòa tan có sự thay đổi do sự xuất hiện của độ muối. Để tính được nồng độ ôxy hòa tan trong nước biển có nồng độ muối khác nhau đòi hỏi phải xác định các hằng số Henry mới đối với ôxy hòa tan trong các điều kiện tương ứng. Trên cơ sở đó, xây dựng hàm thực nghiệm của ko,0 theo nhiệt độ và độ muối để tính. Do (đối với nước mặn). Từ khóa: Ôxy hòa tan, Hằng số Henry, Ôxy hòa tan trong nước biển. 1. xy hòa tan trong k o ,s fo nước biển no,d , nw ns ô Từ các phương trình tổng quát tính nồng độ Vs (dm3 ôxy hòa tan trong nước ngọt, đã được đưa thêm vào [1,2] sau: ô được biểu diễn như sau: Pd Vd (3) no,d RTd Z d no,d (2) fo ko,s nw ns no,d 1.000 bS nw ( ) sVsw (4) Mw _______ Tác giả liên hệ. ĐT: 84-4-35586898. E-mail: hatl@vnu.edu.vn 63
64 T.T.L. Hà, P.M. Thanh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 63 -70 đạc bS Pu Vu Tu Zu (5) ns ( ) sVsw Ms thực nghiệm dựa trên các khí được sấy khô từ 3 ), Vb -3 với s (kg.dm ; Mw T P (atm) -1 (g.mol ; 'o M s (g.mol-1) là [2]. các hòa tan trong nước [4]; Vsw (dm3 Thay các biểu thức (3), (7) (10) các chất : (2) : (6) Vs Vsw o no,d RPuVuTd Z dV 's (11) sTF ko, s (1 'o P) M w PdVd Tu ZuVb trong đó của oxy o 3 -1 (dm .mol ). ,R xác định như trong bảng 1. P được giải với giả thiết Ở đây bS là đại lượng biểu diễn độ muối có rằng quy tắc có thể ứng dụng trong mẫu b là hằng số Millero (bảng 1 được S tổng số gam muối hòa tan trong kg nước biển của hệ số giãn nở nhiệt là xác định [5]. Tuy (g.kg-1) [4]. (1.000 là giá trị thực nghiệm khi xét điều độ muối theo đơn vị g.kg-1). kiện này Như vậy, tổng số mol của ô trong phương trình 2 có thể có thể viết lại như sau đo đạc được bằng thực nghiệm và V 's có thể s FV ' s thay thế Vs (7) nw ns no, d Mv , trong đó (12) RPuVuTd Z dVS Mw k o,s sT 1.000 1 bS 1 oP M W PdVd Tu Z uVb Ms Mw (8) F 1.000 1 bS Ms trong đó, các giá trị trong hai hoặc biết trước hoặc bằng thực và nghiệm, còn o thì như trong M w no, d bảng 1. (Lưu ý ở đây ảnh hưởng của các muối (9) V 's Vs 1 ( ) o s F Vs hòa tan trong nước biển là không đáng kể các hơi). K nnk (1979), fo được xác định như sau: được rút gọn thành phương trình (1) là phương PuVuT trình tính ko,0 đối với tinh khiết. (10) fo (1 ' o P) Tu Z uVb
65 T.T.L. Hà, P.M. Thanh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 63 -70 * CoP (t theo 0 ko,s , Co , Co Bảng 1 ) Nguồn Các thông số và cách xác định Taylor và nnk, 1969 [6] R 82,0562 10 3 atm.dm3.K 1.mol 1 Millero, 1982 [4] b 1,0 04880 1 M w 18,0153g.mol Millero, 1982 [4] 1 MS 62,7933g.mol Mw F 1.000 1 1.000 0,716582S Ms Benson và nnk, 1979 [2] 0,002805 0,0000375 t o Benson và nnk, 1979 [2] 0,999025 1,426 10 5 t 6,436 10 8 t 2 (1 o) Benson và nnk, 1979 [2] 3,71814 5.596,17 / T 1.049,668T 2 ln ko,0 Green và Carritt, 1967a [7] 373,16 1 5,370 10 4 S exp 18,1973 1 Pwv T T 7 3,1813 10 1 exp 26,1205 1 373,16 373,16 2 1,8726 10 1 exp 8,03945 1 T 373,16 5,02802ln T Millero và Poisson, 1981 [8] AS BS 3 / 2 CS 2 (kg.m 3 ) s 0 Millero và Poisson, 1981 [8] 999,842594 6,793952 10 2 t 9,095290 10 3 t 2 0 1,001685 10 4 t 3 1,120083 10 6 t 4 6,536332 10 9 t 5 Millero và Poisson, 1981 [8] 1 4,0899 10 3 t 7,6438 10 5 t 2 A 8,24493 10 8,2467 10 7 t 3 5,3875 10 9 t 4 Millero và Poisson, 1981 [8] 3 1,0227 10 4 t 1,6546 10 6 t 2 B 5,72466 10 Millero và Poisson, 1981 [8] 4 C 4,8314 10 Bảng 2 biến thiên 2. phụ thuộc theo t (0C) S (ko,s - ko,0)/S (lnko,s - lnko,0)/S 0,231 20,172 193,6 0,007082 0,228 31,634 201,3 0,007065 ko , 0 ,v 0,218 48,667 213,5 0,007041 20,278* 239,0* 0,006191* 15,009 định được sự biến thiên của ko,0 . 15,011 31,750 247,6 0,006185 15,008 48,514 259,7 0,006194 35,082 20,228 285,1 0,005367 35,081 31,856 293,4 0,005351 35,006 49,478 308,8 0,005367 * Giá trị trung bình của hai số đo
66 T.T.L. Hà, P.M. Thanh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 63 -70 Ở đây, n giả sử ( ko, s ) có no, d (16) fo ko , s nw ns no, d nr , d sự biến thiên t tỉ số một ko, s ko,0 / S , fo , ko, s , no, d , nw ns nhất . , riêng nr , d 2 , các thành phần khí chính xấp xỉ nhau tỉ số Vs (dm3 mẫu. Do đó, n này không phải là một hằng số. , các giá đơn vị khối lượng là trị này có sự biến thiên theo độ muối (S) qua -1 mol.kg trong trường hợp này là: hàm tương quan b . no , d ko, s ko,0 / S g1 g2 S , (13) P Co (17) sVs , tính gần xấp xỉ giữa các giá trị tỉ số ln ko, s ln ko,0 / S thay no , d từ phương trình (16) vào (17) ta có: 2 4) cho thấy, tương quan nw ns no, d nr , d fo Setschenow ứng với các số liệu: P (18) Co ko, s sVs ko , s (14) ln S, ở đây, biểu thức (6) sẽ được viết lại như sau: ko , 0 Vs Vsw vo no, d vr nr , d (19) nghiên cứu này, chúng tôi chọn hàm tương quan Setschenow vì t trong đ , Vsw vo . 3 -1 vr (dm .mol g1 g2 các còn lại. nw , ns xác định theo với các biên thiên phức tạp no, d nr , d biểu thức (4), (5) thay Vsw theo bậc hai của độ muối thì chỉ cần xác định rút ra biểu thức (19) ta : duy nhất một hằng số, đó là hằng số . s FVsY Ở đây, được xác theo sự biến thiên (20) nw ns no, d nr , d Mw của lấy ln ko, s / ko,0 , được tính dựa trên các kết quả , ,F M w như đã nói ở s thực nghiệm ở 3 ứng S nhân với Y là: 1 / T . Kết quả ta có: M w no, d M w nr , d (21) Y 1 vo vr 2.565,68 / T 2 (15) 0,0225034 13,6083 / T sF Vs sF Vs , the (1980a) 3. Tính n [1]: Henry trong nước biển (22) fo P1 oP o Áp dụng đối với ôxy trong (23) P 0,20946 P Pwv o t , Pwv ; với các thành phần khí chủ yếu và tổng hơi P giãn nở nhiệt của ôxy. o (atm) ta có:
67 T.T.L. Hà, P.M. Thanh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 63 -70 Thay các biểu thức (20), (22), (23) (18) P Nếu cho P = 1atm, thì Co ta có: th T, S (24) : F P (24) Co 0,20946( P Pwv ) 1 oP ko , s M w F Co 0,20946 1 Pwv 1 (25) o ko , s M w phương trình tổng quát tính nồng độ ôxy hòa tan trong nước biển, trong đó F biểu Để xác định nồng độ ôxy trên P diễn . Vì nồng độ ôxy ( Co ) ở ) ta có: đây được xác định trên đơn vị khối lượng nước * (26) Co s Co biển nên m . Như vậy, v s ko, s T , S , Pwv T , S , F S o T xác định P được, ta có thể tính được Co (24) ở điều kiện T, S P . Bảng 3. Các giá trị thực nghiệm Sai số của ko,s t (0C) S (g.kg-1) ko,0+ P (atm) ko,s so với kết quả tính (%) 0,231 20,172 0,7754 25.427 29.332 0,054 0,228 31,634 0,7769 25.425 31.793 0,032 0,218 48,667 0,7842 25.418 35.806 -0,071 5,010 20,204 0,7950 28.863 33.097 0,069 5,023 31,703 0,7987 28.873 35.762 0,031 10,017 20,209 0,8131 32.536 37.095 0,091 10,029 31,639 0,8219 32.545 39.830 -0,186 15,009 20,098 0,8408 36.221 40.977 -0,077 15,009 20,459 0,8399 36.221 41.155 0,134 15,011 31,750 0,8468 36.222 44.082 0,026 15,008 48,514 0,8546 36.220 48.917 0,085 25,038 20,089 0,9104 43.488 48.758 -0,056 25,033 31,845 0,9171 43.484 52.139 -0,070 29,993 31,894 0,9402 46.922 55.957 -0,035 35,082 20,228 0,9710 50.288 56.054 0,016 35,081 31,856 0,9749 50.287 59.633 -0,026 35,006 49,478 0,9733 50.239 65.518 0,026 45,007 31,912 1,0464 56.258 66.167 0,019 + Giá trị nền tại độ muối bằng 0: Benson và nnk , 1979.
68 T.T.L. Hà, P.M. Thanh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 63 -70 4. Khả năng ứng dụng Kết quả thu được cho thấy nồng độ DO Giá trị nồng độ ôxy hòa tan (DO) được xem trung bình qua các năm trong nước biển tầng là một trong những chỉ tiêu để đánh giá mức độ mặt vào các tháng mùa hè thường thấp hơn mùa phân hủy các chất hữu cơ ưa ôxy có trong môi đông (hình 1) với giá trị nồng độ trung bình trường nước nói chung và môi trường nước thấp nhất là 6,35mg/l và cao nhất là 7,12mg/l. biển nói riêng. Do vậy trong các nghiên cứu về môi trường và chất lượng nước biển, DO luôn là một chỉ tiêu được lựa chọn ưu tiên hàng đầu DO (mg/l) Giá trị nồng độ DO nước biển do tính đơn giản trong việc thu thập số liệu, chỉ 7.2 7.1 bằng các máy đo hiện trường mà không cần sử 7 dụng hóa chất như BOD hoặc COD. Tuy nhiên 6.9 6.8 trong điều kiện môi trường biển, các hoạt động 6.7 đo đạc trực tiếp không phải lúc nào cũng có thể 6.6 thực hiện được. Do đó, với một công cụ tính 6.5 6.4 toán gián tiếp thông qua các phương trình thực Tháng 6.3 nghiệm sẽ giúp các nhà nghiên cứu giải quyết 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 được phần nào những khó khăn trên. Hình 1. Sự biến thiên của nồng độ DO trung bình giữa các tháng trong năm. Để minh họa rõ hơn phương pháp tiếp cận này, phần tiếp theo chúng tôi sẽ trình bày tóm tắt một số kết quả ứng dụng trong vùng biển Xét theo mặt rộng, nồng độ DO trong nước vịnh Bắc Bộ. biển tầng mặt có xu hướng giảm dần từ bắc xuống nam vào các tháng mùa đông (hình 2, Như đã biết đây là một vịnh biển lớn nằm phải) và có sự biến đổi phức tạp hơn vào các giữa Việt Nam, Trung Quốc với diện tích là tháng mùa hè. Tuy nhiên nồng độ DO ở khu 126.250km². Do vậy, để có các số liệu đo đạc vực biển phía tây của vịnh Bắc Bộ nhìn chung đồng bộ cho toàn vịnh là rất khó khăn. Dựa vào gần như đồng nhất vào các tháng mùa hè (hình bộ số liệu trường nhiệt muối các tháng trong 2, trái). Điều này cũng phù hợp với một số các năm 1981 đến năm 2000 lưu trữ tại bộ môn Hải nghiên cứu môi trường nước biển phía tây vịnh dương học, trường Đại học KHTN, chúng tôi đã Bắc Bộ [9]. tính toán thử nghiệm nồng độ ôxy hòa tan trong nước biển tầng mặt vịnh Bắc Bộ từ tháng 1 đến tháng 12.
69 T.T.L. Hà, P.M. Thanh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 63 -70 22 22 21 21 7.75 6.68 7.65 6.64 20 7.55 20 6.6 7.45 6.56 7.35 6.52 19 19 7.25 6.48 7.15 6.44 7.05 6.4 18 18 6.95 6.36 6.85 6.32 6.28 6.75 17 17 6.24 16 16 105 106 107 108 109 110 105 106 107 108 109 110 Hình 2. Phân bố nồng độ DO trung bình tháng 1 (phải) và tháng 8 (trái) . 5. Kết luận Tài liệu tham khảo [1] B.B. Benson, D. Krause, Jr., The concentration 1. Các giá trị đo đạc thực nghiệm hằng số and isotopic fractionation of gases dissolved in Henry trong khoảng nhiệt độ từ 00 đến 450C và freshwater in equilibrium with the atmosphere. độ muối từ 0 đến 50(g.kg-1) thể hiện tương quan 1. Oxygen, Limnology and Oceanography, Setschenow với độ muối. No.25 (1980a) 662. [2] B.B. Benson, D. Krause, Jr., M. A. Peterson, 2. Hằng số Setschenow đối với ôxy có sự The solubility and isotopic fractionation of biến thiên theo nhiệt độ và được xác định gases in dilute aqueous solution. 1. Oxygen, J. Solution Chem., No.8 (1979) 655. 0,0225034 13,6083 / T 2.565,68 / T 2 . bởi: [3] C. H. Mortimer, The oxygen content of airsaturated freshwaters over the ranges of 3. Phương trình thực nghiệm để xác định temperature and atmospheric pressure of hằng số Henry là một hàm của nhiệt độ và độ limnological interest, Mitt. Int. Ver. Theor. muối và phương trình này được sử dụng để tính Angew. Limnol., No.22 (1981). [4] F. J. Millero, The thermodynamics of seawater. các giá trị nồng độ oxy hòa tan trong nước biển Part 1. The PVT properties, Ocean Sci. Eng., và nước ngọt ở điều kiện cân bằng khí quyển tại No.7 (1982) 403. áp suất bằng 1atm. [5] K. S. Pitzer, L. Brewer, Lewis and Randall, Thermodynamics, rev. ed., Mc Graw-Hill (1961). 4. Các sai số giá trị nồng độ ôxy nhận được [6] B. N. Taylor, W. H. Parker, D. N. Langenberc, theo ước tính không lớn hơn 0,1% và thậm chí Determination of e/h, using macroscopic có thể nhỏ hơn. quantum phase coherence in superconductors: Implications for quantum electrodynamics and 5. Đây là phương pháp tính có tính khả thi the fundamental physical constants, Rev. Mod. Phys., No.41 (1969) 375. đối với các vùng biển lớn khó có thể điều tra [7] E. J. Green, D. E. Carritt, New tables khảo sát trực tiếp và đồng bộ, chẳng hạn như foroxygen saturation of seawater, J. Mar. Res., vịnh Bắc Bộ. No.25 (1967) 140.
70 T.T.L. Hà, P.M. Thanh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 63 -70 [8] F. J. Millero, A. Poisson, International [9] Đoàn Bộ, Chất hữu cơ trong môi trường biển oneatmosphere equation of state of seawater, phía Tây vịnh Bắc Bộ, Tạp chí Khoa học Đại Deep- Sea Res., No.28 (1981) 625. học Quốc gia Hà Nội, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, TXXV, No.1S (2009) 13. Theoretical basis and empirical equation for Oxygen solubility in seawater Trinh Thi Le Ha1, Pham Mai Thanh2 1 Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, Hanoi University of Science, VNU, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam 2 Resear Marine and Coastal Planning and Studies Center, Vietnam Administration of Sea and Islands Benson and Krause (1980a) presented new values for the concentration of oxygen in freshwater in equilibrium with the atmosphere in the temperature range 00 to 400C [1]. These were based upon very precise and accurate measurements of the Henry coefficient, ko,0, for oxygen dissolved in pure water from 00 to 600C [2]. The experimental values of ko,0, fitted the function: a2 / T 2 ln ko,0 a0 a1 / T with a precision better than 0,02% for the full 600C temperature range. The new concentration values have been recommended (Mortimer, 1981) for use in studies involving freshwater [3]. The results to be reported here extends the research on oxygen to saline waters. New measurements of the Henry coefficient for oxygen in waters with varying salinity are used to examine the functional dependence of ko,0, on salinity S, and temperature T. Values are derived for the concentration of oxygen dissolved in freshwater and seawater in equilibrium with the atmosphere as a function of temperature, salinity, and atmospheric pressure. Keywords: Dissolved Oxygen, Henry coefficient, Oxygen solubility in seawater.