zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Khoa Học Tự Nhiên

» Môi trường

Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường tới cảm biến đo oxi hòa tan

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:3

Báo xấu

9
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường tới cảm biến đo oxi hòa tan khảo sát ở quy mô phòng thí nghiệm một số nhược điểm của loại cảm biến điện hóa đo DO, như sự xuất hiện bong bóng khí trong dung dịch điện phân, thời gian làm ấm thiết bị. Đồng thời đưa ra một số giải thích cho các hiện tượng trên và đề xuất hướng khắc phục cụ thể.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường tới cảm biến đo oxi hòa tan

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG TỚI CẢM BIẾN ĐO OXI HÒA TAN Lê Minh Thành Khoa Môi trường - Trường Đại học Thủy lợi, email: thanhlm@wru.vn 1. GIỚI THIỆU CHUNG bão hòa trong dung dịch điện phân và sự hình thành bọt khí trong dung dịch đó. Hiện nay, việc đo đạc nồng độ oxi hòa tan Giả thuyết trên được đề xuất dựa trên cơ (DO) trong môi trường nước vẫn chủ yếu sở lý thuyết của định luật Henry, Van’t Hoff dùng cảm biến điện hóa đo DO kiểu Clark. và Fick về quá trình hòa tan chất khí trong Cấu tạo của cảm biến điện hóa đo DO bao nước. Theo định luật Henry thì Ci = kH .P i , gồm một anot (thường là điện cực Ag) và trong đó hằng số Henry kH lại phụ thuộc vào catot (thường là điện cực Pt) cùng tiếp xúc nhiệt độ và tuân theo phương trình Van’t với dung dịch điện phân. Đầu điện cực Pt 1 được phủ bằng màng khuếch tán (thường Hoff (k H.T  k H,298 .e  C  T ) . Khi nhiệt độ tăng dùng là màng teflon, PP, PE…). Mặc dù đã lên trong dung dịch (dung dịch điện phân được cải tiến đáng kể, cho đến nay các dòng hoặc dung dịch cần đo) sẽ làm tăng áp suất cảm biến DO vẫn tồn tại những nhược điểm riêng phần của các khí đã hòa tan trong dung nhất định, ví dụ như sự không đồng đều tín dịch đó. Dung dịch còn lại do tiếp xúc (qua hiệu, sự thay đổi thời gian đáp ứng, hình thành màng) với dung dịch được làm ấm nên dần bong bóng khí trong chất điện phân, v.v. dần cũng có sự tăng nhiệt độ nhưng chậm Nghiên cứu này khảo sát ở quy mô phòng hơn, nên áp suất riêng phần của khí hòa tan thí nghiệm một số nhược điểm của loại cảm nhỏ hơn. Sự chênh lệch áp suất riêng phần biến điện hóa đo DO, như sự xuất hiện bong giữa hai dung dịch sẽ làm tăng quá trình bóng khí trong dung dịch điện phân, thời gian khuếch tán các khí qua màng khuếch tán làm ấm thiết bị. Đồng thời đưa ra một số giải (theo định luật Fick I). thích cho các hiện tượng trên và đề xuất 2.2. Thiết bị, dụng cụ, hóa chất hướng khắc phục cụ thể. Nghiên cứu đã sử dụng hệ thống đo gồm 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU cảm biến DO kiểu Clark tự chế tạo (anot Ag, catot Pt, dung dịch điện phân KCl bão hòa, 2.1. Giả thuyết nghiên cứu màng khuếch tán PE, trong đó anot Ag được Quan sát các hiện tượng phản hồi và giá trị gắn thêm cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ dung thu được từ nhiều hệ thống đo DO dùng cảm dịch điện phân, Hình 1). biến điện hóa cho phép giả định rằng, nguyên nhân các sai lệch trong quá trình đo chủ yếu do sự thay đổi áp suất riêng phần của oxi trong chất điện phân, hoặc có thể do quá trình làm ấm/để nguội cảm biến. Do vậy, theo tài liệu [1] ta giả thuyết rằng: (a) trong quá trình làm ấm hệ thống đo đã có sự khuếch tán khí giữa dung a) b) dịch điện phân và môi trường đo; (b) màng khuếch tán trên bề mặt điện cực đã hạn chế Hình 1. Cấu tạo (a) và hình ảnh bên ngoài một phần quá trình khuếch tán, dẫn đến sự quá (b) của cảm biến điện hóa đo DO tự chế tạo 458
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3 Cảm biến DO trên được kết nối với thiết bị 2.3.3. Phương pháp xác định thể tích bọt đo DO đa kênh (MCDM, Việt Nam) ghép nối khí trong dung dịch điện phân máy tính, đồng thời hàm lượng DO và nhiệt Với các bóng khí có dạng gần hình cầu, độ cũng được kiểm tra bằng máy đo DO cầm tiến hành xác định tương đối đường kính tay Horiba (OM-51, Nhật Bản). Việc đo DO bóng khí và tính thể tích hình cầu tương ứng. để kiểm soát phần áp suất oxi còn lại trong Với các bóng khí có hình dạng khối kéo dài, dung dịch cần đo, vì vậy giá trị DO trong quá ta giả định chúng là các hình khối chữ nhật, trình thí nghiệm không được ghi lại. xác định tương đối các cạnh tương ứng và Các thiết bị, dụng cụ, hóa chất đi kèm gồm tính thể tích hình tương ứng. có: máy thổi khí, máy khuấy từ gia nhiệt, cặp nhiệt điện, nhiệt kế, dung dịch KCl 60 g/L… 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 2.3. Thực nghiệm 3.1. Thời gian ổn định nhiệt độ cảm biến 2.3.1. Chuẩn bị dung dịch đo, dung dịch rửa Kết quả biến đổi nhiệt độ trong hai môi Dung dịch đo là dung dịch KCl với nồng trường (dung dịch đo và dung dịch điện phân) độ 60 g/L, bằng với nồng độ có trong dung được theo dõi được thể hiện trong Bảng 1. dịch điện phân của cảm biến DO. Việc chuẩn Bảng 1. Nhiệt độ giữa hai dd theo thời gian bị nồng độ bằng nhau là để tránh hiện tượng Thời gian (ph) T 1 (°C) T 2 (°C) ∆T (°C) thẩm thấu xảy ra qua màng khuếch tán trong 0 20,2 20,9 -0,7 quá trình đo. Đồng thời, dung dịch đo cũng 10 32,5 28,7 3,8 được bão hòa oxi bằng cách dùng máy bơm 20 34,9 30,5 4,4 thổi khí liên tục vào dung dịch cho đến bão 30 34,9 31,7 3,2 hòa. Kiểm tra hàm lượng DO trong dung dịch 40 34,9 32,6 2,3 đo bằng các cảm biến DO. 50 34,9 33,0 1,9 2.3.2. Làm ấm và để nguội hệ thống đo 60 34,9 33,2 1,7 Cho dung dịch đo vào một cốc 500-mL, 70 34,9 33,2 1,7 sau đó đặt các cảm biến DO vào. Đặt toàn bộ 80 34,9 33,2 1,7 cốc đã gắn các thiết bị trên lên máy khuấy từ 90 34,9 33,2 1,7 gia nhiệt. Kí hiệu nhiệt độ của dung dịch 100 34,9 33,2 1,7 trong cốc trong thời gian nghiên cứu là T 1 110 34,9 33,2 1,7 (°C), nhiệt độ trong dung dịch điện phân của 120 34,9 33,2 1,7 cảm biến là T 2 (°C). Nâng dần từ từ nhiệt độ Từ bảng trên cho thấy, sau khoảng 20 phút của dung dịch lên tới 35°C, tương ứng với thì dung dịch đo đã được gia nhiệt tới nhiệt độ nhiệt độ môi trường nước ngày nắng nóng. 34,9 °C, trong khi đó thời gian để dung dịch Quan sát sự biến đổi nhiệt độ T 2 để đánh giá điện phân ổn định nhiệt là 60 phút và nhiệt độ ảnh hưởng của quá trình tăng nhiệt độ đến sự trong dung dịch điện phân chỉ đạt 33,2 °C. khuếch tán khí giữa dung dịch đo và dung Như vậy, biến thiên nhiệt độ giữa hai dung dịch điện phân. dịch là ∆T = T 1 -T 2 = 1,7 °C. Chính sự chênh Giá trị đo đạc của cảm biến DO phải luôn lệch nhiệt độ này đã giúp cho quá trình đối lưu bằng nồng độ oxi bão hòa, nếu oxi trong dung xảy ra trong dung dịch điện phân. Do đó, thời dịch đo suy giảm thì sẽ được bổ sung bằng gian cần để ổn định được quá trình trao đổi khí máy thổi khí. Các cảm biến DO trước khi đo giữa dung dịch đo và dung dịch điện phân là lần đầu tiên được kiểm tra cẩn thận để đảm bảo 60 phút. Thời gian ổn định cần này lâu hơn so không còn bọt khí trong dung dịch điện phân. với các hướng dẫn sử dụng điện cực DO Sau khoảng 120 phút làm ấm như trên, tắt thường gặp [2], nhưng nhanh hơn so với các máy gia nhiệt và hệ thống được để nguội tự nghiên cứu đã công bố [1], [3]. nhiên về nhiệt độ phòng. Chỉ lặp lại quá trình 3.2. Sự khuếch tán oxi qua màng đo đạc khi đảm bảo hệ đã về nhiệt độ phòng. Các quá trình này được lặp lại nhiều lần để Từ kết quả Bảng 1 có thể thấy, để đạt tới đưa ra kết quả trung bình. trạng thái ổn định nhiệt độ thì tốc độ gia nhiệt 459
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3 trung bình của dung dịch đo 0,735 (°C/ph) L, ở áp suất khí quyển 760 mmHg và nồng nhanh hơn tốc độ gia nhiệt trung bình của độ KCl 60 g/L, tra bảng độ tan bão hòa của dung dịch điện phân 0,205 (°C/ph). Sự chênh oxi trong điều kiện trên ở nhiệt độ 20°C và lệch nhiệt độ giữa hai dung dịch theo thời 33°C, tính được thể tích oxi có trong dung gian được thể hiện trên Hình 2. dịch điện phân lần lượt tương ứng khoảng 6,24 L và 4,16 L. Như vậy theo tính toán, trong mỗi quá trình làm ấm/để nguội thì việc chênh lệch nhiệt độ phải tạo ra lượng khí 2,08 L dưới dạng bóng khí trong dung dịch điện phân. Tuy nhiên thực tế chỉ có 0,64 L khí ở lại dưới dạng bóng khí, chứng tỏ đã có 1,44 L Hình 2. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa 2dd (≈70%) khí thoát ra ngoài dung dịch đo. Kết quả trên Hình 2 chỉ ra ba giai đoạn Đồng thời, bản thân màng khuếch tán đã chênh lệch nhiệt độ: giai đoạn đầu tiên (0-20 phần nào cản trở sự lưu thông khí giữa hai phút) hướng khuếch tán chủ yếu của oxi là dung dịch, làm cho khoảng 30% khí đã bị từ dung dịch đo vào dung dịch điện phân; màng giữ lại trong dung dịch điện phân và giai đoạn thứ hai (20-60 phút) hướng khuếch các khí này nằm dưới dạng bọt khí. tán chủ yếu của oxi là đi từ dung dịch điện phân ra ngoài dung dịch đo; giai đoạn thứ ba 4. KẾT LUẬN (60-120 phút) nhiệt độ cân bằng. Sự khuếch Từ kết quả nghiên cứu trên có thể thấy, để tán khí qua màng được minh họa trên Hình 3. có thể sử dụng cảm biến điện hóa đo DO ở chế độ tốt nhất cần làm ấm của cảm biến oxi đến nhiệt độ môi trường đo, điều đó sẽ tăng cường quá trình trao đổi khí qua màng khuếch tán. Đồng thời, làm ấm cảm biến cũng tránh sự hình thành khí và sự suy giảm oxi trong dd điện phân của cảm biến. Việc Hình 3. Sự khuếch tán oxi giữ cho nhiệt độ của cảm biến oxi bằng với qua màng khuếch tán môi trường đo không làm ảnh hưởng đến các kết quả đo. 3.3. Kiểm chứng giả thuyết Màng khuếch tán có khả năng cản trở nhất Sau 5 quá trình làm ấm/để nguội hệ thống định lượng khí đi từ trong dung dịch điện li đo như đã trình bày tại mục 2.2.2, trong dung (trong cảm biến) ra ngoài môi trường đo, do dịch điện phân của cảm biến DO bắt đầu xuất đó dễ hình thành các bóng khí trong khối hiện các bọt khí, minh họa tại Hình 4. dung dịch điện li của cảm biến. 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M. V. Miniaev, et al., "Non-obvious Problems in Clark Electrode Application at Elevated Temperature and Ways of Their Elimination" Journal of Analytical Methods Hình 4. Bọt khí xuất hiện trong dd điện phân in Chemistry, Article ID 249752, 2013. Dựa vào ảnh chụp, xác định tương đối kích [2] Horiba Ltd., "Instruction Manual - Portable thước bóng khí có trong dung dịch điện phân, Dissolved Oxygen Meter (OM-51)," 2015. tính được thể tích xấp xỉ của bóng khí sau 5 [3] M. V. Miniaev, et al,, "False Oxygen quá trình làm ấm/để nguội là 3,2 L, như vậy Cons umption Effect and Factors Causing mỗi quá trình làm ấm đã tạo ra lượng khí It," International Journal of Electrochemistry, trung bình là 0,64 L. Bên cạnh đó, thể tích vol. 2011, Article ID 376750, 2011. dung dịch điện phân trong cảm biến là 520 460

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.