Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Khảo sát ảnh hưởng của cấu trúc điện cực đến khả năng đáp ứng của sensor oxy

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:16

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn nghiên cứu và chế tạo các sensor oxy sử dụng các vật liệu điện cực khác nhau với các kích thước khác nhau có khả năng làm việc ổn định, lâu dài trong môi trường làm việc; nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu sử dụng làm màng khuếch tán oxy đến tín hiệu của sensor chế tạo được; khảo sát đáp ứng tín hiệu của điện cực trong điều kiện chế tạo hàng loạt.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Khảo sát ảnh hưởng của cấu trúc điện cực đến khả năng đáp ứng của sensor oxy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN HÓA HỌC PHẠM THU GIANG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC ĐIỆN CỰC ĐẾN KHẢ NĂNG ĐÁP ỨNG CỦA SENSOR OXY TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội – 2013
MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với những tiến bộ nhanh chóng của khoa học và công nghệ, các phương pháp phân tích điện hoá nói chung và điện hóa môi trường nói riêng đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong khoa học cũng như trong cuộc sống hàng ngày. Cùng với sự tiến bộ của kỹ thuật điện tử và vi điện tử, máy móc dùng trong phân tích điện hóa ngày càng hoàn thiện và đa dạng từ đó việc xác định hàm lượng các chất vô cơ trong môi trường dần đảm bảo sự chính xác. Ở nước ta những năm trước đây trang thiết bị cho quan trắc và phân tích môi trường còn thiếu và chưa hiện đại hóa do đó có những bất cập về quản lý kỹ thuật và lưu trữ, xử lý số liệu. Gần đây mạng lưới Quan trắc và Phân tích Môi trường Quốc gia có một bước phát triển nhanh. Tuy nhiên, độ chính xác của các kết quả phân tích môi trường thu được còn chưa cao phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó hệ thống máy đo là đặc biệt quan trọng. Nước ta đã nhập và trang bị một số các thiết bị cho trạm quan trắc về môi trường (chủ yếu là cho khí) nhưng giá thành rất cao và khó khăn trong việc sửa chữa, bảo hành nên vấn đề nghiên cứu và chế tạo ra các thiết bị phục vụ cho vấn đề trên là cần thiết. Trong đó nghiên cứu chế tạo các sensor phục vụ quan trắc là vấn đề cần được quan tâm và nghiên cứu thực hiện. Bên cạnh đó, vấn đề ô nhiễm môi trường cũng đang là mối quan tâm của toàn nhân loại, nó không chỉ dừng lại ở quy mô một quốc gia mà ở quy mô toàn cầu. Trong đó, môi trường nước ngọt cũng là một vấn đề cần được quan tâm và xem xét. Nguồn nước tự nhiên dồi dào bảo đảm cho trái đất luôn được cân bằng về khí hậu. Nước là dung môi lý tưởng để hoà tan, phân bố các hợp chất vô cơ và hữu cơ, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển thế giới thủy sinh, các loài thủy sản và các loài động, thực vật trên cạn. Một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của nước thải là hàm lượng oxy hoà tan vì oxy không thể thiếu được đối với tất cả các cơ thể sống trên cạn cũng như dưới
nước. Oxy duy trì quá trình trao đổi chất, sinh ra năng lượng cho sự sinh trưởng, sinh sản và tái sản xuất. Oxy hòa tan là một trong những chất quan trọng nhất trong các quá trình hóa học, sinh học và hóa sinh. Oxy hòa tan là một chỉ tiêu để đánh giá chất lượng nước, nó cũng là thước đo mức độ ô nhiễm các chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học (BOD) và vì vậy rất thường gặp trong kiểm soát môi trường nước. Trong số các phương pháp xác định DO thì việc sử dụng sensor là phổ biến, trong đó sensor oxy theo kiểu Clark được sử dụng rộng rãi nhất và đã được ứng dụng rộng rãi trong các phân tích cơ bản, kiểm tra sự lên men và phát triển biosensor [24]. Trong hai thập niên qua, nhờ sự phát triển của công nghệ bán dẫn và kỹ thuật cơ khí chính xác, những sensor oxy kiểu Clark khác nhau đã được đề xuất chế tạo [11]. Từ nhu cầu trên, được sự hướng dẫn của PGS. TS. Vũ Thị Thu Hà tôi tiến hành thực hiện đề tài “Khảo sát ảnh hưởng của cấu trúc điện cực đến khả năng đáp ứng của sensor oxy”. Nội dung nghiên cứu của bản luận văn được tập trung vào các điểm sau đây: - Nghiên cứu và chế tạo các sensor oxy sử dụng các vật liệu điện cực khác nhau với các kích thước khác nhau có khả năng làm việc ổn định, lâu dài trong môi trường làm việc. - Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu sử dụng làm màng khuếch tán oxy đến tín hiệu của sensor chế tạo được - Khảo sát đáp ứng tín hiệu của điện cực trong điều kiện chế tạo hàng loạt - So sánh khả năng đáp ứng và độ ổn định của các sensor chế tạo trong nước với các sensor nhập khẩu từ nước ngoài.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Vai trò của oxy trong môi trường Tất cả các sinh vật đều cần oxy để duy trì sự sống. Oxy là loại khí khó hoà tan và không tác dụng với nước về mặt hoá học. Nồng độ oxy hòa tan (DO) có nhiều ý nghĩa về mặt sinh hóa và môi trường, đó cũng là chỉ tiêu bắt buộc trong việc đánh giá ô nhiễm các môi trường nước. 1.2. Các phương pháp đo nồng độ oxy hòa tan trong môi trường 1.2.1. Phương pháp đo cổ điển: Phương pháp đo DO cổ điển được thực hiện bằng cách đốt nóng mẫu để đuổi khí hòa tan và xác định oxy từ mẫu khí thu được này nhờ áp dụng phương pháp phân tích khí. 1.2.2. Phương pháp chuẩn độ Winkler Quy trình quy định trong TCVN 7324: 2004; tuy nhiên cách tiến hành gồm nhiều bước và tiêu tốn thời gian. 1.2.3. Phương pháp sensor quang học Ưu điểm: Đầu đo không cần bảo dưỡng thường xuyên. Nhước điểm: Giá thành cao, chưa tự sản xuất trong nước. 1.2.4. Phương pháp sensor điện hóa (điện cực màng) Phương pháp này cũng thích hợp để đo nước tự nhiên, nước thải, nước mặn. Sensor oxy được Clark giới thiệu đầu tiên vào năm 1953 [5]. Lớp màng mỏng hiện nay chủ yếu sử dụng là Teflon, polyethylene… Dung dịch điện phân thường là KCl và hệ đệm. Quy trình thực hiện: Nhúng đầu đo chứa màng chọn lọc, hai điện cực kim loại và chất điện giải vào nước cần phân tích. Khi áp điện thế thích hợp vào giữa hai điện cực, oxy khuếch tán qua màng tham gia phản ứng trên catôt. Dòng điện sinh ra cũng tỷ lệ thuận với lượng oxy chui qua màng khuếch tán. Vì vậy, khi đo dòng điện, có thể biết được DO.
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Chuẩn bị thực nghiệm 2.1.1. Hóa chất, vật liệu a. Hóa chất: H2SO4 đặc, KCl, Na2SO3 b. Vật liệu: Dây platin (0,5mm và 1mm); Dây vàng (0,5; 1 và 1,5mm); Dây vàng (25m); Màng polyethylen (PE); Màng polyvinylclorua (PVC) 2.1.2. Dụng cụ, thiết bị -Thiết bị đo điện hóa đa năng CPA-HH5 - Thiết bị đo và điều chỉnh DO đa kênh với 8 ÷ 16 sensor oxy. Hai hệ thiết bị trên do Phòng Tin học trong Hóa học – Viện hóa học nghiên cứu và chế tạo. - Sensor oxy số hiệu ET1117 của hãng eDAQ – Úc và sensor oxy U50 của hãng HORIBA - Nhật Bản để so sánh và đối chứng với các điện cực tự chế tạo. 2.2. Nội dung thực nghiệm 2.2.1. Chế tạo sensor oxy a. Sensor oxy có điện cực làm việc kích thước lớn Hệ hai điện cực: điện cực so sánh Ag/AgCl. Điện cực làm việc là dây platin kích thước 0,5 mm hoặc 1mm; dây vàng kích thước 0,5 mm; 1 mm hoặc 1,5 mm. b. Sensor oxy sử dụng dây vàng kích thước micro Hệ gồm hai điện cực: Điện cực làm việc là một sợi vàng (kích thước 25µm) và điện cực so sánh Ag/AgCl. 2.2.2. Khảo sát tính chất của các sensor tự chế tạo Để khảo sát tính chất điện hóa của sensor tự chế tạo, tính chất của điện cực làm việc được khảo sát riêng rẽ. Tương tự như các điện cực kích thước thông thường, sau khi chế tạo điện cực cần khảo sát sẽ được đánh bóng cơ học, rửa trong etanol và nước cất. Sau đó làm khô bằng nitơ trước khi quét thế tuần hoàn (CV) và hoạt hóa trong bình đo ba điện cực: điện cực làm việc, điện cực đối platin và điện cực so sánh Ag/AgCl. Các
giá trị thế được biểu diễn trong luận văn là giá trị thế so với điện cực so sánh Ag/AgCl. Môi trường điện ly là H2SO4 0,5M với khoảng quét thế từ 0V đến 1,7V dùng để hoạt hóa điện cực. Quá trình quét được kết thúc khi tín hiệu thu được đạt được giá trị dòng ổn định. Phép đo von-ampe tuần hoàn được sử dụng để kiểm tra tính chất thuận nghịch của điện cực. Điện cực làm việc sau khi hoạt hóa được lồng vào thân sensor, bơm dung dịch KCl 0,1M vào buồng chứa và bọc màng chọn lọc oxy. Màng được bọc căng và đồng đều để đảm bảo khả năng khuếch tán của oxy qua màng đạt tối đa. Dây Ag trần ở đây được dùng để tạo ra điện cực so sánh dạng Ag/AgCl trong KCl. Điện cực so sánh Ag/AgCl được tạo thành bằng việc quét CV trong khoảng thế từ 0,2V đến -0,9V với tốc độ quét 50mV/s cho đến khi thu được các đường CV ổn định. Tốc độ quét chậm làm tăng độ bền của điện cực so sánh, mà độ bền của điện cực so sánh Ag/AgCl ảnh hưởng đến thành công của phép đo DO [25]. Tiến hành đo quét thế vòng (Cyclic Voltametry – CV) 5 chu kỳ liên tiếp trong khoảng thế từ 0V đến -0,9V với tốc độ quét 100mV/s; và đo đường cong phân cực trong khoảng thế 0 ÷ -0,8V với tốc độ quét 50mV/s để tìm giá trị thế áp cho sensor khi khảo sát đáp ứng dòng theo thời gian, sử dụng chương trình đo PGSdynamCommond. Đo tín hiệu dòng theo thời gian trong không khí (bão hòa oxy) và trong dung dịch sunfit (không có oxy) để khảo sát độ lặp và thời gian đáp ứng, sử dụng chương trình đo PGSStaticCommon. 2.2.3. Đánh giá khả năng làm việc của sensor trong điều kiện chế tạo hàng loạt Với mục đích chế tạo các sensor để làm việc dài ngày trong quan trắc môi trường và các bể xử lý nước thải, việc đánh giá khả năng làm việc của chúng dưới điều kiện chế tạo hàng loạt và kích thước điện cực làm việc khác nhau đã được thực hiện. Chúng tôi tiến hành hai khảo sát đa kênh: thử nghiệm đồng thời 16 sensor vàng trong cùng điều kiện (Hình 2.4); và thử nghiệm sáu sensor khác nhau, bao gồm hai sensor Platin tự chế tạo kích thước 0,5 và 1 mm; ba sensor vàng tự chế tạo kích thước 0,5; 1 và 1,5mm; và một sensor Platin kích thước 1mm của Úc để so sánh, sử dụng chương trình đo MultiDO cho các phép đo hàng loạt này.
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo sát ảnh hưởng của vật liệu và kích thước điện cực 3.1.1. Sensor Platin 3.1.1.1. Kích thước 0,5mm Đầu tiên, chúng tôi tiến hành khảo sát tính chất điện hóa của sensor oxy bằng phương pháp đo quét thế vòng (CV) và phương pháp đo đường cong phân cực (polar). Kết quả cho thấy các đường cong phân cực trong môi trường bão hòa oxy hoàn toàn trùng nhau, chúng tỏ sensor đáp ứng nhanh với sự thay đổi nồng độ oxy. 1 1-Bão hòa oxy 2-Không có oxy 0 2 -1 I (mA/cm2) -2 -3 1 -4 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 U (V) Hình 3.2: Đường cong phân cực trong 5 lần đo của sensor oxy sử dụng dây platin 0,5mm trong môi trường không có oxy và bão hòa oxy Trong các thí nghiệm đo dòng – thời gian, giá trị dòng i sai khác không đáng kể trong 10 chu kỳ, độ lệch chuẩn các giá trị dòng trong môi trường bão hòa oxy và trong dung dịch không có oxy tương ứng bằng 0,3% và 0,1%.
Hình 3.3: Sự phụ thuộc dòng – thời gian (i-t) của sensor oxy sử dụng dây platin 0,5mm trong môi trường không có oxy và bão hòa oxy ở thế áp vào là -0,5V trong 12 chu kỳ Bảng 3.1: Giá trị dòng thu được của sensor oxy sử dụng dây platin 0,5mm trong môi trường không có oxy và bão hòa oxy Sensor Pt Lần Không có oxy Oxy bão hòa 0,5mm đo Giá trị dòng Độ lệch chuẩn Giá trị dòng RSD trung bình (mA) tương đối trung bình (mA) (%) (RSD,%) Số 1 Lần 1 0,10 0,3 2,80 0,5 Lần 2 -0,05 0,0 3,33 0,1 Lần 3 0,02 0,1 2,73 0,2 Số 2 Lần 1 0,01 0,1 0,57 0,8 Lần 2 0,34 0,9 1,28 0,7 Lần 3 0,93 0,9 2,06 0,4 Số 3 Lần 1 1,41 0,1 3,14 0,0 Lần 2 0,87 0,1 2,50 0,0 Trung bình 0,45 0,2 2,30 0,3 3.1.1.2. Kích thước 1mm Chúng tôi tiến hành các khảo sát tương tự đối với sensor sử dụng dây Platin kích thước 1mm. Như vậy chúng tôi kết luận rằng dây Platin kích thước 0,5mm và 1mm đều có thể sử dụng để chế tạo sensor oxy, với độ ổn định và lặp lại tốt. 3.1.2. Sensor Vàng 3.1.2.1. Khảo sát sensor sử dụng điện cực vàng kích thước lớn Bão hòa oxy Không có oxy 10 5 0 -5 i (mA/cm2) -10 -15 -20 -25 -30 -35 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 U (V)
Hình 3.5: Đường CV 5 chu kỳ liên tiếp trong một lần đo của sensor oxy sử dụng dây vàng 1,5mm trong môi trường không có oxy và bão hòa oxy Các sensor mà điện cực làm việc là vàng tiết diện 1,5 mm cho các đường cyclic voltammetry lặp lại tốt trong 5 chu kì, và có sự khác biệt rõ riệt trong hai môi trường oxy bão hòa và dung dịch sunfit (hình 3.5). Trong môi trường oxy bão hòa, có sự thay đổi đột ngột về dòng tại thế khử oxy. Hình 3.6: Sự phụ thuộc dòng – thời gian (i-t) của sensor oxy sử dụng dây vàng 1,5mm trong môi trường không có oxy và bão hòa oxy ở thế áp vào là -0,65V trong 9 chu kỳ Đường đáp ứng dòng theo thời gian trong 2 môi trường bão hòa oxy và không có không khí của các sensor có điện cực làm việc là vàng 1,5 mm khá tốt (Hình 3.6). Các đường đo thuộc 1 chu kì trong từng môi trường khá ổn định, thể hiện ở độ lệch chuẩn nhỏ, 0,5% trong môi trường không có oxy và 0,4% trong môi trường oxy bão hòa Bảng 3.2: Giá trị dòng thu được của sensor oxy sử dụng dây vàng 1,5mm trong môi trường không có oxy và bão hòa oxy Sensor Lần Không có oxy Bão hòa oxy vàng đo Giá trị dòng trung Giá trị dòng trung 1,5mm bình (mA) RSD (%) bình (mA) RSD (%) 1 4,13 0,3 22,73 0,5 1 2 3,86 0,1 21,76 0,1 3 4,21 0,1 22,83 0,1 1 0,22 0,8 19,83 0,4 2 2 3,76 0,1 20,25 0,1 1 3,84 0,2 22,74 0,7 3 2 4,21 0,2 22,93 0,9
3 3,08 0,5 21,04 0,9 Trung bình 3,41 0,5 21,76 0,4 Kết quả tương tự thu được khi khảo sát các điện cực vàng 1mm và 0,5 mm (Hình 3.7) chứng tỏ rằng kích thước dây vàng trong khoảng 0,5 ÷1,5 mm được dùng làm điện cực không ảnh hưởng nhiều đến tín hiệu đo dòng – thời gian của các sensor oxy. 3.1.2.2. Khảo sát sensor sử dụng vi điện cực vàng Kết quả đo đường cong phân cực cho thấy sensor vi vàng có cho tín hiệu của sự khử oxy, dẫn đến sự khác biệt giữa 2 đường đo trong 2 môi trường. Hình 3.10 chỉ ra rằng các đường đo đáp ứng dòng của các sensor có điện cực làm việc là vàng kích thước 25 micromet không lặp lại, các giá trị dòng trung bình (Bảng 3.3) có độ lệch chuẩn lớn. Bảng 3.3: Giá trị dòng thu được của sensor oxy sử dụng dây vàng 25µm trong môi trường không có oxy và bão hòa oxy Sensor Lần Không có oxy Bão hòa oxy vàng đo Giá trị trung Giá trị trung 25µm bình (mA) RSD (%) bình (mA) RSD (%) 1 -0,07 0,0 -0,05 0,0 1 2 -0,11 0,1 -0,05 0,0 1 -1,47 0,4 3,64 0,4 2 2 -2,11 0,2 2,43 0,3 1 -6,05 0,3 -1,28 0,5 3 2 -25,55 0,6 -20,77 0,4 Trung bình -5,89 0,5 -2,67 0,6
Hình 3.10: Sự phụ thuộc dòng – thời gian (i-t) của sensor oxy sử dụng dây vàng 25µm trong môi trường không có oxy và bão hòa oxy ở thế áp vào là -0,5V trong 9 chu kỳ 3.1.2.3. Khảo sát hàng loạt 16 điện cực vàng Vì các sensor vi vàng có tính ổn định thấp, tuổi thọ ngắn nên chúng tôi chỉ chọn các sensor vàng kích thước lớn để tiến hành khảo sát hàng loạt, cụ thể như sau: kích thước 0,5mm (3 điện cực); 1mm (5 điện cực) và 1,5mm (8 điện cực). Nhìn chung, các sensor đều đáp ứng tốt, thời gian đáp ứng chủ yếu dưới 20s đặc biệt có một số sensor cho đáp ứng dòng rất nhanh (dưới 10s), thực tế cho thấy, trong khoảng kích thước khảo sát thời gian đáp ứng không phụ thuộc nhiều vào kích thước các điện cực làm việc mà phụ thuộc chính vào kỹ thuật chế tạo. Nghiên cứu cũng chứng tỏ việc chế tạo sensor theo phương pháp thủ công, có thể ảnh hưởng tính đồng nhất của các sensor, do vậy, thời gian đáp ứng của các sensor còn có sự khác nhau. Với thời gian đáp ứng nhanh như vậy, các sensor có thể sử dụng để quan trắc liên tục, ngay cả nguồn nước có dòng chảy lưu động, từ đó có thể giúp người thực hiện xây dựng được đồ thị biến thiên hàm lượng DO và đưa ra những đánh giá chất lượng môi trường nước theo thời gian. Đặc biệt, các số liệu tính toán cho thấy khi đo trong môi trường bão hòa oxy với thời gian dài, giá trị DO thay đổi rất nhỏ, phần trăm sai lệch sau thời gian đo liên tục 66 phút chỉ nằm trong khoảng 0,21-3,68%. Độ ổn định của từng sensor còn được đánh giá bằng các giá trị hàm lượng DO đo trong cùng một môi trường bão hòa oxy sau nhiều lần đo các nhau và sai số quanh giá trị cân bằng chỉ khoảng 0,05 mg/l tức là 0,6% đối với hầu hết các sensor, cho thấy các sensor vẫn làm việc ổn định ngay cả khi thay đổi môi trường đo liên tục. Chứng tỏ sự biến thiên giá trị đo được trên các sensor khác nhau (kể cả về kích thước) là không đáng kể, các giá trị đo được có độ đồng đều tốt, chỉ dao động rất nhỏ quanh giá trị bão hòa 8,2 mg/l ở điều kiện nhiệt độ 25oC, độ mặn bằng 0. Sự dao động này có thể là do sai số trong quá trình chế tạo (chưa theo dây chuyền, tự động hóa) khiến bề mặt điện cực không hoàn toàn giống nhau, đặc biệt là khi xử lý, độ phẳng, bóng của bề mặt điện cực sẽ ảnh hưởng đến tiết diện thực tế của phần làm việc. Nguyên nhân này cũng có thể giải thích cho kết quả đo được trên một số sensor kích thước 1,5 mm có sự sai khác lớn hơn so với các sensor kích thước nhỏ hơn, là do sự
tăng kích thước sẽ tương ứng với sự tăng nhiều hơn sai số do bề mặt (nếu có). Một nguyên nhân khác gây sự sai khác hàm lượng DO cực đại đo được trên các sensor có thể xảy ra là do các sensor đo tại các thời điểm khác nhau, có sự khác biệt điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm… Sau khi chế tạo và khảo sát tính chất đơn lẻ của từng sensor vàng, chúng tôi sử dụng 16 sensor này trong phép đo DO đa kênh sử dụng hệ thiết bị đo đa kênh và phần mềm MultiDO. Hình 3.13 biểu diễn đường đo nồng độ DO đồng thời trên 16 kênh, với các điện cực từ 01 ÷ 08 sử dụng dây vàng kích thước 1,5mm (Đường O1÷O8); điện cực số 09÷13 kích thước 1mm (Đường O9÷O13); và các sensor 14, 15, 16 có điện cực làm việc kích thước 0,5m (Đường O14÷O16). Từ đó chúng tôi thấy rằng các sensor khi đặt trong cùng một khoang đo khi đặt trong dung dịch và ngoài không khí bão hòa, cả 16 kênh đều cho tín hiệu tương đối đồng nhất. DO (mg/L) Hình 3.13: Biến thiên của DO theo thời gian đo tại các môi trường khác nhau trên 16 kênh đo riêng biệt, số liệu thu ngày 28-29 tháng 5 năm 2012 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của vật liệu màng Chúng tôi khảo sát thêm ảnh hưởng của hai loại màng sản xuất trong nước, là màng Polyethylen (PE) và màng Polyvinylclorua (PVC) đến tín hiệu dòng – thời gian của sensor oxy. Do màng nhập đắt tiền, không chủ động trong quá trình làm việc nên
chúng tôi hướng nghiên cứu tới màng sản xuất trong nước. Sensor dùng để khảo sát màng là sensor vàng kích thước 1,5mm. Thực hiện đo oxy hòa tan trong môi trường bão hòa oxy và môi trường không có oxy (dung dịch sunfit) bằng phương pháp đo quét thế vòng và đo đường cong phân cực (polar). Làm lặp lại 5 lần trong một lần thay màng. Các đường đo trong môi trường bão hòa oxy và không có oxy (dung dịch sunfit) lặp lại nhau tốt trong khi giữ nguyên màng (Hình 3.16). Khi thay màng và đo trong các ngày khác nhau, hình dạng đường đo trong 2 môi trường không khác nhau nhiều. Đặc biệt trong dung dịch sunfit các đường đo lặp lại rất tốt, trong môi trường bão hòa oxy giá trị dòng của đường đo có sự chênh lệch, như vậy có thể dự đoán sự chênh lệch này do sự khác nhau về độ căng của màng trong mỗi lần lắp sensor. 1-Bão hòa oxy 1-Bão hòa oxy 20 2- Không có oxy 2-Không có oxy 10 10 5 2 2 0 0 -5 I (mA/cm2) I (mA/cm2) -10 -10 -15 -20 -20 1 1 -25 -30 -30 -40 -35 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 U (V) U (V) a. màng PE b. màng PVC Hình 3.16: Đường CV khi đo oxy hòa tan trong 2 môi trường bão hòa oxy và không có oxy với các vật liệu màng khác nhau Bảng 3.6: Giá trị trung bình của dòng đo được trong phép đo dòng đáp ứng theo thời gian trong các môi trường bão hòa oxy và không có oxy với 2 loại màng Vật liệu Lần đo Không có oxy Bão hòa oxy màng Giá trị dòng trung Giá trị dòng bình (mA) RSD (%) trung bình (mA) RSD (%) 1 3,86 0,2 21,76 0,6 Màng PE 2 3,76 0,3 20,25 0,5 1 4,21 0,1 22,83 0,6 Màng PVC 2 0,22 0,1 19,83 0,4
Tiến hành khảo sát sự thay đổi của dòng đáp ứng theo thời gian trên hai vật liệu màng khác nhau, chúng tôi thu được kết quả được biểu diễn trong hình 3.17, giá trị dòng đáp ứng được tính toán trong bảng 3.6. a. màng PE b. màng PVC Hình 3.17: Sự phụ thuộc dòng – thời gian (i-t) của sensor oxy trong môi trường không có oxy và bão hòa oxy sử dụng các vật liệu màng khác nhau Như vậy có thể thấy cả hai loại màng đều có khả năng khuếch tán oxy, hình dạng đường đo đối với hai loại màng trong cả 2 phương pháp đều tốt và khác nhau không đáng kể, đồng thời các giá trị tính toán trên các đường đo đáp ứng dòng theo thời gian cũng không sai khác nhau nhiều. 3.3. So sánh kết quả đo giữa sensor tự chế tạo và sản phẩm nhập ngoại 3.3.1. Sensor eDAQ (Úc) Sensor oxy số hiệu ET1117 của hàng eDAQ (Úc) sử dụng dây platin kích thước 1mm làm điện cực catot, điện cực anot làm từ dây bạc. Sử dụng điện cực này trong phép đo DO đa kênh để kiểm chứng chất lượng của các sensor vàng chế tạo trong nước. Khi sử dụng 4 điện cực đã chọn để đo biến thiên DO trong hai môi trường, thay đổi từ không có oxy sang bão hòa oxy và ngược lại, chúng tôi thu được các tín hiệu đồng nhất, cho thấy các sensor đều nhạy với sự thay đổi nồng độ oxy, thời gian đáp ứng có khác nhau nhưng đều ngắn (hình 3.18).
Vàng 1,5mm Vàng 0,5mm 10 Vàng 1mm ET1117 Úc 8 Bão hòa oxy 6 DO (mg/L) 4 2 0 Không có oxy 0 100 200 300 400 Thoi gian (s) Hình 3.18: Đường biến thiên nồng độ DO khi khảo sát đồng thời 4 điện cực trong 2 môi trường oxy bão hòa và không có oxy 3.3.2. Sensor Horiba (Nhật Bản) Hình 3.20 trình bày kết quả đo DO thu được từ sensor oxy tự chế tạo và sensor oxy của HORIBA. Có thể thấy rằng, các tín hiệu hầu như trùng khít khi đo trong môi trường bão hòa oxy và trong môi trường chứa ion sunfit. Thời gian đáp ứng của hai loại sensor khảo sát đều nhanh và phù hợp với nhau. 7 6 5 4 3 0 500 1 ,0 0 0 1 ,5 0 0 2 ,0 0 0 Y O1 Y DOU50 Thời gian đo (s) Hình 3.20: So sánh kết quả đo trên hai sensor: 01-Tự chế tạo và U50-nhập ngoại từ HORIBA – Nhật bản
KẾT LUẬN 1. Về vật liệu và kích thước của điện cực làm việc: Như vậy, chúng tôi đã khảo sát ba loại điện cực: Platin kích thước lớn, vàng kích thước lớn và vàng kích thước micro. Cả ba loại điện cực đều cho kết quả đo DO tốt. Trong đo, vật liệu Pt là vật liệu được thế giới lựa chọn nhiều hơn cả, tuy nhiên trong điều kiện Việt Nam, đây là loại vật liệu đắt tiền, không sẵn có nguồn cung cấp Platin tiêu chuẩn, trong khi vật liệu vàng có nguồn cung cấp rộng rãi hơn, gia công chế tạo dễ hơn. Trong hai loại điện cực vàng, với mục đích sử dụng ngoài hiện trường và thử nghiệm dài hạn, chúng tôi tập trung vào nghiên cứu điện cực vàng kích thước lớn. Từ đó chúng tôi khảo sát đồng thời 16 điện cực vàng kích thước lớn (0,5 ÷1,5 mm), kết quả cho thấy các điện cực này hoạt động ổn định, cho tín hiệu đồng đều, giá trị dòng đo được tương đối đồng nhất với độ lệch chuẩn nhỏ. 2.Về vật liệu dùng làm màng khuếch tán oxy Theo những khảo sát ban đầu, cả hai loại màng là màng PE và màng PVC đều có thể cho oxy đi qua, và cho tín hiệu khử oxy tốt. Chưa thấy sự khác biệt nhiều ở hai loại màng. Tuy nhiên, để có thể khẳng định chính xác hơn, cũng như tìm được một loại màng tốt nhất dùng cho các sensor (khuếch tán oxy tốt, hạn chế cho các khí khác hoặc các ion lạ đi qua) thì cần làm nhiều thí nghiệm khảo sát hơn nữa. 3. So sánh kết quả đo giữa sensor tự chế tạo và sản phẩm nhập ngoại Chúng tôi tiến hành so sánh tính năng của các sensor tự chế tạo trong nước sử dụng với các sensor nhập ngoại từ Nhật Bản và Úc, về khả năng đáp ứng trong quá trình đo nồng độ oxy và sự ổn định trong thời gian dài. Kết luận rằng các sensor vàng nhạy với sự thay đổi nồng độ oxy, cho kết quả đồng nhất với sensor nhập ngoại, ổn định theo thời gian. Từ đó có thể thấy sensor vàng tự chế tạo trong nước hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu đo đạc đề ra, cần được lựa chọn để chế tạo hàng loạt, phục vụ cho việc đo dài ngày ngoài hiện trường, trong điều kiện đo đạc môi trường có thành phần phức tạp.