CHƯƠNG TỔNG QUAN
Giới thiệu về hiện tượng hiệu ứng nhà kính và khí nhà kính
Các tia bức xạ sóng ngắn từ mặt trời xuyên qua khí quyển và được phản xạ thành bức xạ nhiệt sóng dài Một số phân tử trong khí quyển, đặc biệt là carbon dioxide (CO2) và hơi nước, hấp thụ bức xạ nhiệt này, giữ ấm cho khí quyển Nhiệt lượng này được phát tán, sưởi ấm không gian bên trong khí quyển, bao gồm cả những khu vực không được chiếu sáng Hiện tượng này được gọi là "Hiệu ứng nhà kính" Hơi nước là tác nhân chính gây hiệu ứng nhà kính, tiếp theo là CO2, cùng với methane (CH4), nitrous oxide (N2O), ozone (O3) và một số khí khác, tạo thành các khí nhà kính (Greenhouse Gases – GHGs) Ở vùng xích đạo ẩm ướt, hiệu ứng nhà kính rất mạnh do nồng độ hơi nước cao Trái đất cần hiệu ứng nhà kính tự nhiên để duy trì nhiệt độ toàn cầu trong phạm vi hỗ trợ sự sống.
Nếu không có lớp giữ nhiệt, năng lượng mặt trời sẽ bị thất thoát, dẫn đến nhiệt độ toàn cầu dao động từ 14 oC đến -18 oC, quá lạnh để duy trì sự sống trên hành tinh.
Hình 1.1 Hiện tượng hiệu ứng nhà kính
Carbon dioxide (CO2) là khí nhà kính quan trọng nhất do hoạt động của con người, chiếm khoảng 80,9% lượng khí thải nhà kính tại Hoa Kỳ trong năm 2014 theo số liệu của EPA Mặc dù CO2 tồn tại tự nhiên trong khí quyển như một phần của chu kỳ carbon, các hoạt động từ cuộc cách mạng công nghiệp đã làm gia tăng lượng CO2 trong khí quyển, gây ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ khí này của tự nhiên, như rừng, trong việc loại bỏ CO2 khỏi khí quyển.
CO2 được sinh ra chủ yếu từ việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch như than đá, khí đốt tự nhiên và dầu để tạo ra năng lượng cho ngành vận tải Ngoài ra, một số quá trình công nghiệp và sự thay đổi trong sử dụng đất cũng góp phần vào lượng CO2 phát thải.
Methane là khí nhà kính phổ biến thứ hai do hoạt động của con người ở Hoa Kỳ, với số liệu từ EPA cho thấy trong năm 2014, CH4 chiếm khoảng một tỷ lệ đáng kể trong tổng lượng khí thải.
Khoảng 11% lượng khí nhà kính tại Hoa Kỳ là do hoạt động của con người Methane (CH4) được phát thải từ các nguồn tự nhiên như đất ngập nước, cũng như từ các hoạt động nhân tạo như rò rỉ từ hệ thống khí đốt tự nhiên và chăn nuôi gia súc Mặc dù CH4 có thời gian sống ngắn hơn CO2 trong khí quyển, nhưng khả năng bẫy bức xạ của nó mạnh hơn, dẫn đến hiệu ứng nhà kính mạnh mẽ hơn Các quá trình tự nhiên trong đất và phản ứng hóa học trong khí quyển đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ CH4 khỏi không khí.
Nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua đã chỉ ra mối liên hệ chặt chẽ giữa sự phát thải khí nhà kính và biến đổi khí hậu Hệ sinh thái đất và đất ngập nước ở vùng khí hậu nhiệt đới đóng vai trò quan trọng trong việc phát thải khí hiệu ứng nhà kính, với trữ lượng CH4 từ nguồn này chiếm 25% tổng trữ lượng toàn cầu [Whalen, 2005] Tuy nhiên, các nghiên cứu về phát thải khí hiệu ứng nhà kính tại khu vực khí hậu nhiệt đới vẫn còn hạn chế cả về số lượng và chất lượng kết quả.
Quá trình sinh hoá trong bùn dẫn đến phân rã hợp chất hữu cơ, tạo ra khí CH4 và CO2, đều là khí gây hiệu ứng nhà kính, trong đó CH4 mạnh hơn 23 lần so với CO2 trong chu kỳ 100 năm Các yếu tố thuỷ văn như nhiệt độ, áp suất và thuỷ triều ảnh hưởng trực tiếp đến các quá trình này.
Mặc dù methane (CH4) có thể phát thải với lượng carbon thấp hơn so với carbon dioxide (CO2), nhưng do khả năng gây hiệu ứng nhà kính mạnh mẽ hơn, ngay cả một lượng nhỏ CH4 cũng có thể làm tăng hiệu ứng này Hơn nữa, sự phát thải CH4 từ các lớp trầm tích kỵ khí có mối liên hệ tỷ lệ thuận với nhiệt độ, điều này làm cho việc nghiên cứu phát thải khí CH4 và CO2 từ các hệ thống sông ngòi, kênh rạch và hồ trở nên cấp thiết trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu.
Phương pháp buồng nổi (Floating chamber – FC)
Các khí CH4 và CO2 từ trầm tích dưới mặt nước thoát vào không khí qua ba dòng chính: khuếch tán, bong bóng và thực vật thủy sinh.
2010; Moore and Knowles, 1987; Whiting and Chanton, 2001]
Một số nhà khoa học đã áp dụng kỹ thuật đo vi khí hậu như tháp Eddy covariance để đo lường dòng khí CH4 và CO2 thải ra Phương pháp này kết hợp việc đo tốc độ, hướng gió và nồng độ khí trong khí quyển nhằm tính toán sự phát thải khí hiệu ứng nhà kính Tuy nhiên, do không gian di chuyển của khối khí khá lớn, việc xác định nguồn gốc của các khối khí CH4 trở nên phức tạp.
Phương pháp xác định nguồn gốc phát thải CO2/CH4 bằng buồng nổi (Floating Chamber – FC) có ưu điểm là chi phí thấp, kỹ thuật đơn giản và dễ di chuyển Kỹ thuật này cho phép xác định chính xác nguồn gốc của mẫu khí tích tụ trong buồng nổi, với một buồng nổi được đặt trên bề mặt bùn, đất hoặc nước, mép của buồng chìm khoảng 2.5 - 3 cm để đảm bảo kín khí Khí thoát ra từ bề mặt sẽ được tích lũy trong buồng, và nồng độ khí sẽ thay đổi theo thời gian Sau đó, mẫu khí sẽ được lấy vào vial qua xylanh và ống nối để phân tích trong phòng thí nghiệm Kết quả phân tích sẽ được sử dụng để tính toán lưu lượng dòng khí theo công thức (F1).
Với: F (mmol m -2 h -1 ) là thông lượng dòng khí thoát ra từ bùn/đất hoặc từ nước đi vào không khí
C0 và Ct (ppmv - àmol khớ trờn mỗi mol khụng khớ) là nồng độ khớ trong buồng nổi tại thời gian bắt đầu và sau thời gian t
P là áp suất khí quyển (atm)
V (L) là thể tích buồng nổi
R là hằng số khí chuẩn (82.0562 mL atm K -1 mol -1 )
T(ºK) nhiệt độ trung bình trong thời gian đặt buồng nổi
A (m 2 ) là diện tích của buồng nổi che phủ mặt bùn/đất hoặc nước
t (h) = t – t0: là khoảng cách thời gian ấn định cho việc lấy mẫu khí
Mặc dù phương pháp FC phổ biến, nhưng nó yêu cầu nhiều nhân lực để đo chính xác thông lượng dòng khí theo thời gian và cần lắp đặt nhiều FC ở các vị trí khác nhau Để khắc phục vấn đề này, hệ thống lấy mẫu tự động (AFC) đã được phát triển, giúp các nhà khoa học dễ dàng sử dụng phương pháp FC Thiết bị này không chỉ tự động lấy mẫu khí mà còn kết nối với các cảm biến như nhiệt độ, áp suất và nồng độ khí CO2, CH4 để đo liên tục lượng khí thoát ra Hệ thống tự động hóa này được thiết kế với chi phí thấp hơn so với các thiết bị thương mại và sử dụng mã nguồn mở.
2013] (chi tiết thiết kế điện tử và phần mềm có thể download tại
0 ftp://ftp.geo.su.se/ducnguyen/outgoing) giúp cho các nhà khoa học tự chế tạo thiết bị này để phục vụ mục đích nghiên cứu
Hệ thống lấy mẫu khí tự động với chi phí sản xuất thấp và duy trì tính chính xác của phương pháp FC cho phép các nhà khoa học triển khai đồng thời ở nhiều địa điểm Điều này mang lại kết quả toàn diện về diện tích bao phủ và thời gian, đồng thời giảm thiểu chi phí lao động.
Khi sử dụng thiết bị, người dùng có thể cài đặt hệ thống lấy mẫu khí tự động theo thời gian đã định Mẫu khí được thu thập sẽ được phân tích để xác định nồng độ chất phân tích C0 trong không khí Kết quả từ phòng thí nghiệm cho phép tính toán tốc độ dòng khí thải từ mặt trầm tích Nếu có cảm biến đo khí trong buồng nổi (FC), vận tốc dòng khí thoát ra sẽ được tính toán dựa trên hệ số góc của đường tuyến tính Đề tài này sử dụng cảm biến CO2 của SenseAir và cảm biến CH4 của Neodym Technologies Buồng nổi bẫy cả dòng khuếch tán và bọt khí thải từ bề mặt không khí - nước và không khí - đất Dòng bọt khí CH4 có thể được đo bằng phễu dìm trong nước, tuy nhiên, việc thực hiện trong thời gian dài có thể làm tăng nguy cơ hòa tan và oxy hóa CH4 Độ tăng áp suất riêng phần của CH4 cũng có thể ảnh hưởng đến đánh giá dòng khí thải Gần đây, các kỹ thuật hình ảnh và thủy âm học đã được phát triển để đánh giá bọt khí CH4, nhưng vẫn gặp khó khăn về chi phí và độ chính xác trong định lượng.
Kết quả thông lượng khí CO2/CH4 (mmol CH4 m -2 h -1) sẽ được nhân với diện tích vùng khảo sát và thời gian trong một năm để tính toán đương lượng carbon gây hiệu ứng nhà kính (C_CO2) [IPCC, 2007] Kết quả này sẽ được biểu diễn ở đơn vị Teragram trong một năm (Tg y -1), với 1 Tg tương đương 10^12 grams hoặc Gigatone (Gt y -1).
Cơ chế thải CO2 và CH4 từ bề mặt nước vào không khí rất phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật giám sát liên tục và lâu dài Phương pháp FC, với chi phí thấp và dễ sử dụng, đã trở thành lựa chọn phổ biến để nghiên cứu các dòng khí này Khí tích lũy trong FC có thể do khuếch tán hoặc bọt khí, và để xác định riêng biệt, cần sử dụng màng chắn bọt khí [Bastviken et al., 2004; Oremland].
Dòng khuếch tán CH4 góp phần làm tăng nồng độ khí một cách đồng đều, trong khi đó, dòng bóng khí CH4 lại gây ra sự gia tăng đột ngột trong vùng không gian hơi (headspace) [Bastviken et al.].
Có thể phân biệt hai dòng khí bằng nhiều kỹ thuật khác nhau, bao gồm việc đánh giá trực tiếp tỷ lệ thay đổi theo thời gian, phân tích hình dạng của dòng khí, hoặc áp dụng lưới chắn bóng khí.
Ngày nay, thiết bị đo lường ngày càng phát triển với độ chính xác cao, vận hành tự động hoặc bán tự động và chi phí thấp, đặc biệt là trong việc theo dõi khí nhà kính CO2 và CH4 Tuy nhiên, dữ liệu về khí này trên toàn cầu vẫn còn rời rạc và không thống nhất Nghiên cứu của Biswas et al về dòng khí CH4 từ trầm tích rừng ngập mặn ở Ấn Độ cho thấy nồng độ CH4 hòa tan trong nước, nhưng phương pháp sử dụng HgCl2 và hệ số k tính từ tốc độ gió có độ tin cậy thấp do sự biến đổi của tốc độ gió và địa hình Tương tự, Allen et al đã áp dụng phương pháp buồng nổi để xác định dòng khí CH4 từ trầm tích rừng ngập mặn ở Úc, cho thấy lượng phát thải thay đổi theo mùa, từ 3 μg CH4 m-2 h-1 đến 17.37 mg CH4 m-2 h-1, tương đương với 98% đương lượng C_CO2 Các nghiên cứu về phát thải khí CO2/CH4 tại các hệ thống nước cho thấy hàm lượng khí thoát ra không đồng nhất và phụ thuộc vào đặc tính môi trường nước và bùn lắng Theo báo cáo của EPA (2010), ước tính lượng khí CH4 thoát ra vẫn cần được làm rõ hơn.
Hình 1.2 Ước tính sự phát thải của khí hiệu ứng nhà kính CH 4 và N 2 O từ các nguồn tự nhiên (EPA,
Hiện nay, Việt Nam chưa có thiết bị đáp ứng yêu cầu nghiên cứu khí thải nhà kính từ bề mặt nước hoặc bùn/đất Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đang phát triển thiết bị lấy mẫu và đo khí tự động, với ưu điểm là giá thành rẻ nhờ sản xuất trong nước, nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy cao trong các phép đo Đề tài này đánh dấu bước khởi đầu quan trọng cho nghiên cứu đo lường khí nhà kính tại Việt Nam, với thiết bị được thiết kế và lắp đặt theo yêu cầu cụ thể của từng khảo sát.
Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu (tính mới, tính khoa học)
Trong chu trình carbon tự nhiên, khí nhà kính carbon dioxide (CO2) và methane (CH4) chủ yếu xuất phát từ hệ thủy sinh và các hệ sinh thái trên cạn CH4, với khả năng bức xạ mạnh mẽ, đóng góp đáng kể vào sự ấm lên toàn cầu, có hiệu ứng nhà kính mạnh gấp 23 lần CO2 trong vòng 100 năm Lượng CH4 trong khí quyển đã tăng gấp đôi trong 250 năm qua, với khoảng 75% tổng phát thải tự nhiên đến từ trầm tích nước ngọt trong đầm lầy và hồ Đặc biệt, CH4 thải từ hồ nhiệt đới cao hơn 58-400% so với môi trường phương bắc và ôn đới, mặc dù ít có nghiên cứu đo lường CH4 ở các hồ nhiệt đới Việt Nam, với đặc điểm khí hậu nhiệt đới, cần xác định lượng CH4 phát thải để quản lý hiệu quả tác động của nó.
Nghiên cứu về khí metan (CH4) từ các hồ, vùng ngập nước và trầm tích là rất quan trọng trong khảo sát khí thải nhà kính Mặc dù có nhiều nghiên cứu về dòng khí thải CH4 từ các môi trường thủy sinh như biển, hồ tự nhiên, đồng lúa và hồ thủy điện, nhưng chỉ một số ít nghiên cứu xem xét sự biến đổi khí thải CH4 theo thời gian và không gian từ bề mặt nước.
Quá trình quang hợp chuyển đổi CO2 thành chất hữu cơ nhờ năng lượng ánh sáng, với sự khác biệt giữa quang hợp và hô hấp cây quyết định mức độ tích tụ chất hữu cơ và sự phát triển của cây Tốc độ quang hợp tăng khi nồng độ CO2 trong khí quyển cao hơn, vì CO2 được hấp thụ qua các lỗ khí của lá thông qua khuếch tán Khi nồng độ CO2 bên ngoài lá cao, cây sẽ hấp thụ nhiều khí CO2 hơn, trong khi cường độ ánh sáng, nhiệt độ lá và không khí, độ ẩm tương đối, sự thiếu nước cũng như nồng độ CO2 đều ảnh hưởng đến quá trình này.
CO2 và oxy (O2) trong không khí cùng với sự hiện diện của chúng trong lá cây là những yếu tố quan trọng quyết định sự mở và đóng của lỗ khí trên lá.
Nồng độ CO2 trong khí quyển đã tăng từ 280 ppm vào năm 1750 lên 367 ppm vào năm 1999 và 379 ppm vào năm 2005, theo báo cáo của IPCC năm 2007 Dự báo cho thấy nồng độ CO2 sẽ tiếp tục tăng trong thế kỷ 21, với khả năng vượt qua 500 ppm vào năm 2050 và 800 ppm vào cuối thế kỷ này, bất chấp sự phát triển của năng lượng tái tạo và việc sử dụng năng lượng hiệu quả hơn Sự gia tăng nhanh chóng của khí CO2 là hậu quả của việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch và thay đổi thói quen sử dụng đất Ảnh hưởng của nồng độ CO2 đến biến đổi khí hậu toàn cầu đã được chứng minh, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu về lượng khí thải CO2 và các hệ sinh thái có khả năng lưu trữ carbon.
Nghiên cứu về CO2 trong các hồ chứa khác nhau đã trở thành một ưu tiên toàn cầu Mặc dù nhiều nghiên cứu đã tập trung vào sự phát triển của rừng ôn đới và nông nghiệp liên quan đến sự gia tăng khí CO2, nhưng còn rất ít thông tin được công bố về các vùng nhiệt đới.
Dự báo khả năng ảnh hưởng của kết quả nghiên cứu về mặt khoa học, về công nghệ, về đào tạo, chính sách và phát triển kinh tế xã hội
học, về công nghệ, về đào tạo, chính sách và phát triển kinh tế xã hội
Hệ thống lấy mẫu và đo tự động khí hiệu ứng nhà kính sẽ thay thế phương pháp thủ công, với thiết kế AFC cho phép đo khí trên bề mặt không khí và nước tại các hồ ôn đới và nhiệt đới Hệ thống này mang lại lợi thế về chi phí, giảm thiểu lao động nhờ tự động hóa, và đơn giản trong thực hiện Nó cung cấp khả năng đánh giá theo thời gian và không gian hiệu quả, trở thành công cụ ổn định trong việc đo khí bề mặt nước Thiết bị cũng dự kiến sẽ được cải tiến để có khả năng điều khiển và theo dõi toàn bộ hệ thống qua kết nối không dây.
Các kỹ thuật và phần mềm sẽ được phát triển dưới dạng mã mở, giúp chia sẻ dễ dàng với các nhà khoa học khác Mục tiêu của việc này là phổ biến kỹ thuật trong cộng đồng khoa học, từ đó tạo ra bộ dữ liệu lớn và chất lượng cao toàn cầu, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về biến đổi khí hậu.
Nhu cầu nghiên cứu về khí hiệu ứng nhà kính ngày càng tăng cao trên toàn cầu, đặc biệt là tại Việt Nam Gần đây, cơ chế tín dụng liên kết (Joint Crediting Mechanism - JCM) đã được thiết lập giữa Nhật Bản và các quốc gia khác, bao gồm Việt Nam Theo cơ chế này, doanh nghiệp Nhật Bản sẽ cung cấp tư vấn và chuyển giao công nghệ tiết kiệm năng lượng cho các đối tác Việt Nam, đổi lại sẽ nhận được tín dụng ưu đãi từ Nhật Bản, đồng thời lượng phát thải khí hiệu ứng nhà kính (GHG) giảm đi sẽ được ghi nhận cho Nhật Bản.
Từ năm 2010, Việt Nam và Nhật Bản đã hợp tác nghiên cứu các hoạt động và dự án trong lĩnh vực công nghiệp, năng lượng, lâm nghiệp và xây dựng để ký kết Bản ghi nhớ hợp tác về Tăng trưởng carbon thấp Sự hợp tác này cũng góp phần xây dựng Cơ chế tín dụng liên kết JCM, một cơ chế bù trừ phát thải carbon song phương do Nhật Bản đề xuất nhằm khắc phục hạn chế của Cơ chế phát triển sạch (CDM) JCM tập trung vào việc mở rộng đối tượng tham gia và đơn giản hóa phương pháp tính toán bù trừ phát thải carbon phù hợp với từng lĩnh vực và đối tượng tham gia.
Mặc dù cơ chế JCM còn đang trong quá trình hoàn thiện, nhưng các dự án thí điểm thành công đã tạo nền tảng cho việc mở rộng quy mô và số lượng dự án tham gia Đây là cơ hội cho doanh nghiệp Việt Nam, đặc biệt trong ngành công nghiệp và năng lượng, áp dụng công nghệ tiên tiến từ Nhật Bản Thông qua chuyển giao công nghệ và đầu tư hạ tầng, dự án nhằm mục tiêu tăng trưởng carbon thấp, góp phần cải thiện chất lượng cuộc sống và giảm phát thải CO2 Do đó, nhu cầu tính toán tổng lượng CO2 phát thải trong các lĩnh vực như năng lượng, giao thông, công nghiệp, và nông nghiệp tại TP.HCM và cả nước là rất cấp thiết, đặc biệt trong các lĩnh vực phát sinh khí GHG lớn.
Nghiên cứu của chúng tôi nhằm đánh giá sự phát thải khí hiệu ứng nhà kính CO2 và CH4 trong hệ thống kênh rạch tại thành phố Hồ Chí Minh.
Số liệu khảo sát thu được sẽ là nền tảng quan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo, đồng thời cung cấp cơ sở vững chắc để đánh giá sự phát thải khí nhà kính CO2 và CH4 trong bối cảnh biến đổi khí hậu.
AFC được thiết kế để đo mẫu khí CO2 và CH4, đồng thời có khả năng đo các loại khí khác như NH3 khi thay đổi cảm biến tương ứng Mỗi loại khí sẽ yêu cầu một số xử lý riêng biệt để đảm bảo độ chính xác trong việc đo lường.
Sự phát thải khí hiệu ứng nhà kính thay đổi theo thời gian và không gian, ví dụ như sự phát thải khí CH4 có thể khác nhau giữa ngày và đêm đến cả trăm lần Việc sử dụng thiết bị đo tự động giúp theo dõi sự phát thải với độ phân giải thời gian cao, tuy nhiên, sự phát thải cũng khác nhau ở các địa điểm khác nhau Để giải quyết vấn đề này, cần triển khai nhiều thiết bị cùng lúc tại nhiều nơi, vì vậy, chi phí thấp của thiết bị tự chế sẽ giúp sản xuất nhiều thiết bị với giá thành hợp lý.
Chủ động chế tạo thiết bị phục vụ phân tích và quan trắc môi trường là một hướng đi mới, giúp đào tạo đội ngũ khoa học trẻ Điều này không chỉ khuyến khích họ thực hiện các phương pháp phân tích tại thực địa mà còn thúc đẩy việc học hỏi và phát triển kỹ năng mới.
Đặc tính của một số thiết bị sử dụng trong đề tài
Cảm biến CO2 Engine® K33-LP T/RH do công ty SenseAir® (Thụy Điển) sản xuất, là thiết bị đo khí CO2, nhiệt độ và độ ẩm đồng thời Kích thước của cảm biến này là 51mm x 57mm x 12,5mm, mang đến sự tiện lợi trong việc lắp đặt và sử dụng.
Hình 1.3 Cảm biến CO 2 Engine® K33-LP T/RH (SenseAir®)
Cảm biến được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong khoảng nhiệt độ từ 0 đến +50ºC, chịu được điều kiện môi trường khắc nghiệt mà không bị ngưng tụ hơi nước ngay cả khi độ ẩm đạt 100% Với khả năng chống ăn mòn và thời gian làm việc liên tục lên đến 15 năm, cảm biến còn tích hợp công nghệ tự hiệu chuẩn SenseAir ABC logic.
Cảm biến này có khả năng đo nồng độ từ 0 đến 5000 ppmv với độ chính xác ± 30 ppmv ± 3% giá trị đo và độ lặp lại ± 20 ppmv ± 1% giá trị đo Khoảng đo mở rộng có thể lên tới 10 000 ppmv, tuy nhiên sẽ có sai số lớn hơn là ± 20% giá trị đo Đặc biệt, cảm biến còn được tích hợp với cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm không khí Sensirion SHT11.
Cảm biến này sử dụng công nghệ hồng ngoại không phân tán (NDIR) để đo nồng độ khí CO2 (ppmv), thông qua việc phân tích độ hấp thụ đặc trưng của khí.
CO2 ở bước súng 4.26 àm từ nguồn hồng ngoại
Kỹ thuật NDIR là một phương pháp quang phổ hấp thu phân tử quan trọng, được sử dụng trong phát hiện khí Cảm biến NDIR cơ bản bao gồm ba thành phần chính: nguồn sáng, khoang mẫu và đầu dò.
Mỗi loại đèn phát ra các bước sóng khác nhau để phát hiện các khí tương ứng, đi kèm với bộ phận lọc quang học nhằm thu hẹp dải phổ Dải bước sóng cần đảm bảo tính chọn lọc, phù hợp với khí cần phân tích, đồng thời tránh ảnh hưởng từ các khí khác và hiện tượng vạch phổ đen.
Cảm biến methane PN-SM-GMT-A040A-W20A-05-R0-S0-E1-X0-I2-P0-L2-J1-Z0, do Panterra và Neodym Technologies, Canada sản xuất, là cảm biến oxit kim loại bán dẫn được hiệu chỉnh với khoảng tuyến tính đầu ra từ 0.1 – 5 vdc, tương ứng với khoảng làm việc 0 – 1000 ppmv Cảm biến có độ phân giải 5mV và độ chính xác ± 5ppm, với thời gian đáp ứng từ 4-10 giây và thời gian phục hồi 10 – 20 giây Nó hoạt động hiệu quả trong điều kiện độ ẩm tương đối cao từ 10 – 95% và được lắp đặt trong buồng nổi để đo dòng khí methane thoát ra từ bề mặt nước.
Thiết bị sử dụng công nghệ cảm biến kim loại - oxide bán dẫn (MOS - metal-oxide semiconductor) để phát hiện khí methane dựa trên sự thay đổi độ dẫn điện khi khí này xuất hiện.
Hình 1.4 Cảm biến CH 4 Panterra
1.5.3 Thiết bị phân tích CO 2 Licor-820
Licor-820 (LI-820) là thiết bị đo nồng độ CO2 liên tục với độ chính xác cao, độ bền và dễ sử dụng, sử dụng công nghệ đầu dò hồng ngoại (NDIR) ổn định (370 ±1ppm) Thiết bị này có khả năng đo nồng độ CO2 trong khoảng 0 – 20000 ppmv và hoạt động hiệu quả trong dải nhiệt độ từ -25 o C đến 45 o C LI-820 là lựa chọn lý tưởng cho các nghiên cứu về khí CO2, đặc biệt trong việc khảo sát sự phát thải khí nhà kính từ các nguồn nước như kênh, rạch, sông và hồ.
Hình 1.5 Thiết bị Licor 820 phân tích khí CO 2
Máy đo CO2 LI-820 hoạt động bằng nguồn năng lượng acqui 12V và sử dụng phương pháp phân tích tia hồng ngoại (IR) theo định luật Lambert-Beer Cấu trúc quang học của đầu dò IR bao gồm một nguồn IR, tế bào khớ, và hai bộ lọc phổ với bước sóng lần lượt là 4.26 µm và 3.95 µm, cùng với hai đầu dò IR Thiết bị này là hệ thống kín, không phân tán, và quá trình phân tích khí được thực hiện thông qua một ống đơn với hai bước sóng.
CO2 được đo thông qua sự suy giảm năng lượng hồng ngoại (IR) khi ánh sáng đi qua ống đo và tới đầu dò Khí CO2 chỉ hấp thu bước sóng 4.26 𝜇𝑚, trong khi không hấp thu bước sóng 3.95 𝜇𝑚, được sử dụng để hiệu chuẩn các hấp thu không phải từ CO2 Định lượng CO2 dựa vào hiệu cường độ của bước sóng 4.26 𝜇𝑚 từ nguồn phát và đầu dò sau khi đã bị suy giảm.
Khí CO2 có thể được phân tích với độ chính xác và độ tin cậy cao thông qua việc hấp thu CO2 Đầu dò sẽ ghi nhận tín hiệu và xuất dữ liệu trên màn hình dưới dạng ppm CO2, thể hiện tỷ lệ giữa àmol CO2 trên mỗi mol không khí.
Hình 1.6 Nguyên tắc hoạt động của đầu dò hồng ngoại trong hệ Licor-820
1.5.3.3 Hệ thống đo dòng khí CO 2 với bộ phân tích LI-820
LI-820 được sử dụng cùng với buồng nổi để đo dòng khí khuếch tán CO2 từ mặt nước bằng hệ thống sau:
Khi khởi động LI-820 cần lưu ý một số vấn đề sau để LI-820 hoạt động ổn định:
- Lưu lượng kế cần điều chỉnh với tốc độ 1 L/phút
- Nhiệt độ tại cell đo là 51.4 0 C
Khảo sát, lấy số liệu tại thực địa
Chúng tôi đã thực hiện thí nghiệm kiểm tra hệ thống buồng nổi và bộ thu mẫu tự động tại một số kênh rạch ở thành phố Hồ Chí Minh để đảm bảo tính phù hợp với điều kiện tự nhiên Với hơn 200 km kênh rạch, việc lựa chọn địa điểm thực hiện thí nghiệm cần tuân thủ một số tiêu chí nhất định.
Mức độ ô nhiễm nước có thể được đánh giá thông qua các chỉ số như độ oxy hòa tan (DO), thế oxy hóa khử (ORP), nhu cầu oxy hóa học (COD), nhu cầu oxy sinh-hóa (BOD5), tổng chất rắn lơ lửng (TSS), nitrate (NO3 -) và ammoni (NH4 +) Đối với bùn lắng, cần khảo sát bốn thông số chính, bao gồm tổng carbon hữu cơ.
Bẫy hơi nước Bộ hút ẩm Bộ lọc bụi
Lưu lượng kế Bơm Licor-820
Tổng nitrogen (TN), nitrate (NO3-) và ammoni (NH4+) là các chỉ tiêu quan trọng trong việc đánh giá chất lượng nước Bên cạnh đó, tình trạng cải tạo và nạo vét kênh rạch cũng như các hoạt động của cư dân hai bên bờ là những yếu tố cần xem xét khi lựa chọn địa điểm.
Ảnh hưởng của thủy triều lên mực nước
Vị trí khảo sát thường gần các vị trí giao nhau hoặc gần cầu
Từ những tiêu chí trên chúng tôi đã chọn 4 địa điểm để thực hiện điệc kiểm tra đánh giá hệ thống AFC (bảng 1 1; hình 1 7):
Vị trí khảo sát gần cầu Ông Bé thuộc Rạch Ông Lớn nằm giữa quận 7 và huyện Bình Chánh, với chiều rộng lớn nhất khoảng 110 m Rạch này là một phần của hệ thống kênh rạch phức tạp của huyện Bình Chánh, chảy ra sông Nhà Bè Ban đầu, khảo sát dự kiến thực hiện gần cầu Him Lam vào tháng 10/2014, nhưng đến tháng 11/2015, địa điểm này không còn phù hợp do sự thay đổi trong cơ sở hạ tầng Do đó, chúng tôi đã chọn một địa điểm mới cũng thuộc Rạch Ông Lớn.
Vị trí khảo sát nằm gần cầu Chánh Hưng thuộc Kênh Đôi, quận 8, là một con kênh lớn chảy qua các khu dân cư đông đúc trong khu vực này.
Kênh 8 là một trong những tuyến chính cho việc vận chuyển hàng hóa từ đồng bằng sông Cửu Long và ngược lại Theo dữ liệu từ Trung tâm Quan trắc Môi trường, nồng độ BOD5 năm 2013 trên hệ thống kênh này dao động từ 2,09 – 9,46 mg/l trong thời gian nước lớn và từ 6,0 – 16,74 mg/l khi nước ròng, với 100% mẫu đạt tiêu chuẩn QCVN Nồng độ COD ghi nhận trong khoảng 9,48 – 29,5 mg/l lúc nước lớn và từ 11,97 – 34,3 mg/l lúc nước ròng, cũng đạt 100% tiêu chuẩn QCVN.
3 (DBP): vị trí khảo sát gần cầu Điện Biên Phủ thuộc kênh Nhiêu Lộc – Thị
Nghè, nằm giữa quận Bình Thạnh và quận 1, đã chứng kiến sự cải thiện đáng kể về chất lượng nước nhờ dự án cải thiện vệ sinh môi trường tại lưu vực Nhiêu Lộc – Thị Nghè Theo Trung tâm Quan trắc Môi trường, nồng độ BOD5 năm 2013 dao động từ 2,35 – 10,08 mg L -1 lúc nước lớn và từ 3,22 – 11,31 mg L -1 lúc nước ròng, với 100% mẫu đạt tiêu chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT loại B2 (BOD < 25 mg L -1) Đồng thời, nồng độ COD cũng nằm trong mức an toàn, từ 6,75 – 17,3 mg L -1 lúc nước lớn và từ 8,12 – 21,7 mg L -1 lúc nước ròng, với 100% mẫu đạt QCVN loại B2 (COD < 50 mg L -1).
Vị trí khảo sát 4 (CD) nằm gần cầu Đỏ thuộc rạch Cầu Sơn tại quận Bình Thạnh, nơi có con rạch nhỏ chảy qua các khu dân cư đông đúc Dọc theo rạch, nhiều miệng cống nước thải sinh hoạt đổ trực tiếp, khiến nước có màu đen và mùi hôi nồng nặc Khi thủy triều xuống, mặt nước hạ thấp, nước từ rạch chảy ra hệ thống kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè và ra sông Sài Gòn gần Bình Triệu Theo dự kiến ban đầu vào tháng 10/2014, khảo sát sẽ thực hiện gần cầu Bùi Đình Tuý, nhưng do đoạn rạch này bị chặn để nạo vét vào tháng 11/2015, chúng tôi đã chuyển sang khảo sát tại cầu Đỏ không xa đó.
Bảng 1.1 Vị trí khảo sát và một số đặc điểm địa hình
Tên vị trí Kênh rạch Tọa độ
OB Cầu Ông Bé Rạch Ông Lớn;
Kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè; Quận
CD Cầu Đỏ Rạch Cầu Sơn;
Hình 1.7 Các địa điểm tiến hành đo sự phát thải khí nhà kính tại thành phố Hồ Chí Minh
Vị trí khảo sát cần được đặt gần cầu và ở giữa các phân nhánh, theo tiêu chuẩn TCVN 6663-6:2008 và ISO 5667-6:2005 Khoảng cách từ vị trí khảo sát đến bờ nên đạt khoảng 1/3 chiều rộng của nhánh kênh rạch để tránh làm vướng thiết bị vào tàu thuyền qua lại, đồng thời đảm bảo rằng mặt bùn không bị lộ khi thủy triều lên hoặc xuống.
Quá trình khảo sát thu thập số liệu về lưu lượng khí CO2/CH4 sẽ được thực hiện tại 4 địa điểm trong suốt một năm, trải qua hai mùa khô và mùa mưa Các điều kiện thời tiết như nhiệt độ, bức xạ ánh sáng, lượng mưa và tốc độ dòng chảy dự kiến sẽ có ảnh hưởng đáng kể đến lượng khí phát thải trong năm.
Tại mỗi vị trí khảo sát, chúng tôi sẽ thực hiện một khảo sát sơ bộ để đánh giá mức độ ô nhiễm nước và đặc tính bùn lắng, đồng thời so sánh phát thải CO2/CH4 giữa các vị trí khác nhau Mỗi vị trí sẽ có 6 lần khảo sát trong một năm, với tần suất 2 tháng một lần, nhằm thu thập dữ liệu cho cả mùa mưa và mùa nắng tại miền Nam Thiết bị sẽ được cài đặt để đo liên tục trong mỗi lần khảo sát.
Một ngày được chia thành 12 chu kỳ, mỗi chu kỳ kéo dài 2 giờ Trong đó, quá trình lấy tín hiệu diễn ra trong 1 giờ, và 1 giờ còn lại được sử dụng cho việc thông khí và ổn định thiết bị, chuẩn bị cho chu kỳ tiếp theo.
Nhóm nghiên cứu sẽ thuê thuyền của người dân để neo đậu gần vị trí đặt thiết bị, nhằm tránh mất mát và cố định buồng nổi Trong trường hợp có sự cố xảy ra, chúng tôi sẽ kịp thời xử lý Kết quả đo sẽ được xử lý sơ bộ, và nếu không đạt yêu cầu, chúng tôi sẽ tiếp tục thực hiện đo trong 24 giờ tiếp theo.
Các thông số môi trường nước và bùn lắng bao gồm nhiều yếu tố quan trọng như nhiệt độ nước và không khí, áp suất khí quyển, tốc độ gió, độ ẩm, và bức xạ quang hợp Đối với nước, các chỉ tiêu cần đo bao gồm tốc độ dòng chảy, độ oxy hòa tan (DO), thế oxy hóa khử (ORP), nhu cầu oxy hóa học (COD), nhu cầu oxy sinh-hóa (BOD5), độ đục, tổng lượng chất rắn lơ lửng (TSS), tổng lượng chất rắn hòa tan (TDS), nitrate (NO3-) và ammoni (NH4+
2 CHƯƠNG 2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU, KẾT
2.1 Hóa chất, thiết bị, dụng cụ
- Khí chuẩn CO2 0 ppmv, 545 ppmv và 2867 ppmv của hãng Air Liquide
- Khí chuẩn CH4 2% ± 0.02 tương đương với 20000 ± 200 ppmv của Air Liquide – DO No: SD01178221
- Dung dịch NaCl bão hòa: hòa tan khoảng 110g bột NaCl rắn tinh vào 250mL nước cất, khuấy cho đến khi dung dịch không còn hòa tan thêm được nữa
Thiết bị sắc ký khí ghép đầu dò ion hóa ngọn lửa GC-FID Shimadzu 2010, kết hợp với cột sắc ký PLOT/Al2O3) - S bất hoạt bằng Na2SO4, có serial 39809-01B, kích thước 30 m × 0.53 mm × 10 μm, với nhiệt độ sử dụng cột tối đa lên đến 180 oC.
- Cảm biến CO2 (hãng SenseAir®, Thụy Điển)
- Cảm biến CH4 (hãng Neodym Technologies, Canada)
- Bộ thiết bị HOBO: S/N 10476059 cho phép ghi nhận giá trị DO, nhiệt độ liên tục trong nước
- Bộ thiết bị YSI 6920-V2-1 cho phép ghi nhận các thông số môi trường bao gồm: độ dẫn, độ mặn, pH, độ đục, nhiệt độ nước
CHƯƠNG NỘI DUNG NGHIÊN CỨU, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 19 1 Hóa chất, thiết bị, dụng cụ
Nội dung 1.1 – Chế tạo lại thiết bị lấy mẫu và đo khí tự động
Bản mạch PIC datalogger quản lý bơm và van điện thông qua mạch điều khiển thế cấp, sử dụng các transistor làm công tắc on/off cho thiết bị ngoại vi PIC gửi tín hiệu digital đến transistor để kích hoạt thiết bị, kết hợp với tụ điện hỗ trợ quá trình on/off Trong nghiên cứu này, bơm và van điện là các thiết bị ngoại vi chính Một diode được kết nối để ngăn chặn dòng đảo, bảo vệ mạch điện Mạch điều khiển thế cấp cung cấp nguồn điện 12 VDC từ ắc quy, phân bổ thành 10 VDC cho cảm biến và 3.3 VDC cho PIC datalogger Các tín hiệu analog từ cảm biến được lưu trữ trong thẻ nhớ SD trên bản mạch PIC datalogger.
Bản mạch điều khiển thế cấp được thiết kế bằng phần mềm EAGLE, một công cụ mã nguồn mở hỗ trợ việc thiết kế mạch điện Phần mềm này có sẵn để tải về miễn phí, giúp người dùng dễ dàng truy cập và sử dụng cho các dự án của mình.
Bản thiết kế mạch điều khiển thế cấp được sản xuất tại Công ty TNHH Kim Sơn PCB, với chất liệu chính là FR-4, như thể hiện trong hình 2.1 và 2.2.
Hình 2.1 Hình vẽ bản mạch điều khiển thế cấp
Hình 2.2 Hình ảnh bản mạch điều khiển thế cấp sau khi chế tạo: mặt trên (trái), mặt dưới (phải)
Nhằm đảm bảo độ chính xác trong quá trình vận hành, tất cả linh kiện trên mạch điện thế cấp đều được mua tại Element14 Tuy nhiên, một số linh kiện có thể được thay thế bằng các linh kiện có sẵn tại Việt Nam với giá cả hợp lý hơn, nhưng vẫn đảm bảo chất lượng Danh sách các linh kiện trên mạch điều khiển thế cấp được trình bày trong bảng 2.1.
Bảng mạch điều khiển thế cấp được sản xuất giới hạn chỉ với 2 bảng, với linh kiện được lắp ráp và hàn thủ công Công ty TNHH Công Nghệ Fusion – Fiot (www.fiot.com.vn) là đơn vị thực hiện quá trình lắp ráp và hàn tay cho các bảng mạch này.
Bảng 2.1 Danh sách linh kiện trên mạch điều khiển thế cấp
Mã linh kiện trên mạch
Tên linh kiện Giá trị linh kiện
Mã số linh kiện từ Element 14
11 IC3 IC ổn áp LM2575S-ADJ 9489878 1
12 IC4 IC ổn áp 3.3 VDC LM2937ES-
13 IC5 IC khuêch đại AD620ANZ 1079404 1
14 IC6 IC khuếch đại LMC6484 1179682 1
2.2.2 Chế tạo bản mạch PIC datalogger
Bản mạch điều khiển hệ thống buồng nổi thu mẫu khí tự động (AFC) sử dụng nguồn điện 3.3 vdc/30 mA từ bản mạch điều khiển thế cấp Bản mạch PIC dựa trên vi điều khiển 16 bit Microchip PIC24FJ128GA010, với 26 chân I/O để điều khiển thiết bị ngoại vi và thu nhận tín hiệu từ các cảm biến.
Bài viết mô tả rằng vi điều khiển PIC24FJ128GA010 có 16 chân lập trình cho phép thu nhận tín hiệu tương tự và chuyển đổi chúng thành tín hiệu số qua bộ chuyển đổi A/D với độ chính xác 10 bit và tốc độ lên đến 500.000 tín hiệu/giây Bản mạch này có khả năng nhận tín hiệu trong khoảng 0-3.3 VDC với độ phân giải 3 mV Thời gian được ghi nhận nhờ vào bộ phận thời gian thực tích hợp sẵn, và dữ liệu được lưu trữ trên thẻ nhớ SD flash có dung lượng lớn.
Bản mạch PIC tích hợp 2 Gb và một cổng RS232 để lập trình và kiểm tra trong phòng thí nghiệm Phần mềm vận hành và ghi dữ liệu cho bản mạch này có thể được lập trình bằng ngôn ngữ C kết hợp với các công cụ biên tập mã nguồn của Microchip Hình ảnh và sơ đồ của bản mạch PIC được thể hiện trong các hình 2.3 và 2.4.
Hình 2.3 Hình vẽ bản mạch PIC datalogger
Hình 2.4 Hình ảnh bản mạch PIC datalogger sau khi chế tạo: mặt trên (trái), mặt dưới (phải)
Bản mạch PIC datalogger được thiết kế bằng phần mềm mã nguồn mở EAGLE và sản xuất tại Công ty TNHH Kim Sơn PCB Thiết kế này đã được điều chỉnh một số chi tiết để phù hợp với công nghệ sản xuất của Kim Sơn PCB.
Cụ thể thì độ hở của lớp phủ đồng được tăng lên từ 0.2mm lên 0.4mm Việc này nhằm tránh hiện tượng short circuit
Mạch điện PIC datalogger, tương tự như mạch điện điều khiển thế cấp, được sản xuất từ chất liệu FR-4 Linh kiện điện tử trên mạch này được lắp ráp và hàn bởi Công ty TNHH Công Nghệ Fusion-Fiot (www.fiot.com.vn) Tất cả các linh kiện trên bản mạch PIC datalogger được liệt kê chi tiết trong bảng 2.2.
Bảng 2.2 Danh sách linh kiện trên mạch PIC datalogger
STT Mã linh kiện trên mạch Tên linh kiện Giá trị linh kiện Mã số linh kiện từ Element 14
4 IC1 Vi điều khiển IC24FJ128GA010 1146522 1
12 SV4 Chân cắm 40 vị trí 636393 1
Cài đặt phần sụn (Firmware cho mạch điện PIC datalogger)
Phần firmware được cài đặt vào mạch PIC datalogger bằng cách sử dụng mạch nạp chương trình Microchip PICKit2 hoặc là PICKit3
Phần firmware được lập trình bằng ngôn ngữ C và phát triển thông qua MPLAB X IDE cùng với trình biên dịch MPLAB XC16, cả hai đều có thể tải miễn phí từ trang web chính thức của Microchip Technology Inc.
Hình 2.5 Giao diện làm việc trên phần mềm MPLAB X IDE
2.2.3 Kiểm tra hoạt động của bản mạch điều khiển thế cấp và
Bản mạch điều khiển thế cấp và PIC datalogger được kiểm tra hiệu suất thông qua phần mềm điều khiển hệ thống buồng nổi, giúp tự động lấy mẫu khí (AFC).
Phần mềm được tải vào vi điều khiển PIC thông qua các thiết bị lập trình PICkit2 hoặc PICkit3 của Microchip Ngôn ngữ lập trình C được sử dụng để phát triển phần mềm, với việc biên tập diễn ra trong môi trường MPLAB X IDE.
MPLAB XC16 của hãng Microchip (tương thích với các hệ điều hành Windows, Mac
Các phần mềm miễn phí cho hệ điều hành Windows và Linux có thể tải từ trang www.microchip.com Để cài đặt thời gian hoặc kiểm tra hoạt động của mạch PIC, người dùng có thể kết nối mạch với máy tính qua cổng RS232 Nếu máy tính không hỗ trợ cổng RS232, có thể sử dụng cáp chuyển đổi RS232-USB và phần mềm như Termite hoặc Hercules để thực hiện kết nối.
Hệ thống buồng nổi lấy mẫu khí tự động hoạt động linh hoạt với hai chế độ: kết hợp với cảm biến và độc lập Quá trình lấy mẫu có thể được kích hoạt dựa trên tín hiệu từ cảm biến CH4 hoặc theo thời gian đã được định sẵn.
Nội dung 1.2 – Kiểm tra hiệu năng và độ tin cậy của thiết bị tại phòng thí nghiệm
2.3.1 Kiểm tra hiệu năng và độ tin cậy cho quá trình đo khí CO 2
2.3.1.1 Hiệu chuẩn cảm biến CO 2
Việc hiệu chuẩn cảm biến CO2 là cần thiết để đảm bảo dữ liệu đo lường chính xác và tin cậy Cảm biến được sản xuất tại Thụy Điển, nơi có khí hậu lạnh và khô, có thể không phù hợp với điều kiện khí hậu nóng ẩm tại Việt Nam, dẫn đến khả năng xảy ra "độ lệch" trong dữ liệu Do đó, việc hiệu chuẩn trước khi tiến hành đo đạc thực tế là rất quan trọng.
Cảm biến CO2 được hiệu chuẩn với hai nồng độ 0 ppmv và 400 ppmv, tạo ra một đường chuẩn tự động Tuy nhiên, do thiếu nồng độ khí chuẩn 400 ppmv trong phòng thí nghiệm, cảm biến sẽ được hiệu chuẩn trên hai điểm 0 ppmv và 545 ppmv Tín hiệu đo được sẽ được hiệu chuẩn bên ngoài dựa trên mối tương quan giữa nồng độ đo được và nồng độ khí chuẩn.
Trong thí nghiệm hiệu chuẩn, chúng tôi tiến hành với mỗi nồng độ trong thời gian 45 phút, với 30 giây để lấy tín hiệu từ cảm biến Cảm biến được đặt trong một túi nylon kín khí, có hai đầu dẫn khí vào và ra, lần lượt dẫn khí chuẩn vào đầu vào và duy trì dòng khí ra ổn định để đảm bảo cân bằng áp suất với khí quyển Sau khi thực hiện hiệu chuẩn với khí chuẩn 0 ppmv và 545 ppmv, chúng tôi thu được kết quả như trình bày trong bảng 2.3.
Bảng 2.3 Kết quả hiệu chuẩn khí CO 2 ở 0 ppmv và 545 ppmv
Nồng độ khí CO 2 chuẩn
Kết quả nồng độ khí CO 2 cảm biến đo được
Với kết quả trên một đường hiệu chuẩn nồng độ CO2 đo được từ cảm biến và nồng độ khí chuẩn được trình bày trong hình 2.25
Hình 2.25 Đồ thị hiệu chuẩn nồng độ carbon dioxide
Đường biểu diễn này được áp dụng để hiệu chỉnh kết quả đo từ tín hiệu của cảm biến CO2 trong quá trình khảo sát thực địa.
2.3.1.2 Kiểm tra và đánh giá độ tin cậy trong quá trình lấy mẫu CO 2 của AFC
Hệ thống buồng nổi kết hợp cảm biến CO2 là một thiết bị tiên tiến được nghiên cứu gần đây nhằm đo lường dòng khí CO2 từ bề mặt nước đến không khí Thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi và đánh giá nồng độ CO2, góp phần vào các nghiên cứu về môi trường và khí hậu.
CO2 từ bề mặt nước và không khí là một vấn đề quan trọng Hiện tại, chưa có nghiên cứu nào đánh giá độ tin cậy của phương pháp buồng nổi kết hợp với cảm biến.
Hệ thống LI-820 là thiết bị đo dòng khí CO2 có độ tin cậy cao và được sử dụng rộng rãi Thí nghiệm này nhằm kiểm tra độ tin cậy của cảm biến mới so với thiết bị LI-820, từ đó đánh giá khả năng ứng dụng cảm biến trong việc đo dòng khí CO2 thay thế cho LI-820 trong thực tế.
Thí nghiệm được tiến hành với các bước như sau:
Bước 1: Thiết lập hệ thống LI-820, gắn cảm biến đo CO2 trong buồng nổi (hình
Bước 2: Đặt buồng nổi xuống bề mặt nước, tiến hành đo dòng khí CO2 thoát lên từ bề mặt nước trong khoảng 30 - 45 phút
Bước 3: Nhấc buồng nổi lên khỏi mặt nước, thông khí trong buồng nổi và trong không khí cho cân bằng rồi tiến hành đo lần tiếp theo
Hình 2.26 Mô hình thí nghiệm kiểm tra độ tin cậy của cảm biến CO 2
Chúng tôi tiến hành đo dòng tín hiệu nồng độ khí CO2 tại 4 địa điểm là OB,
CH, DBP và CD Dũng 𝐹 𝐶𝑂 2 (àmol.m -2 h -1 ) được tớnhtừ cỏc hệ số gúc của cỏc đồ thị
Phụ lục 2 Kết quả thu được thể hiện ở bảng 2.4-2.7 như sau:
Bảng 2.4 Kết quả dòng F(CO 2 ) đo tại địa điểm OB (Rạch Ông Lớn)
Thời gian đo Dũng F (àmol.m -2 h -1 )
Dũng F (àmol.m -2 h -1 ) Cảm biến Sai số
Bảng 2.5 Kết quả dòng F(CO 2 ) đo tại địa điểm CH (Kênh Đôi)
Thời gian đo Dũng F (àmol.m -1 h -1 )
Dũng F (àmol.m -1 h -1 ) Cảm biến Sai số 12h30 – 13h00
Bảng 2.6 Kết quả dòng F(CO 2 ) đo tại địa điểm DBP (Kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè)
Thời gian đo Dũng F (àmol.m -1 h -1 )
Dũng F (àmol.m -1 h -1 ) Cảm biến Sai số 11h00 – 11h45
Bảng 2.7 Kết quả dòng F(CO2) đo tại địa điểm CD (Rạch Cầu Sơn)
Thời gian đo Dũng F (àmol.m -1 h -1 )
Dũng F (àmol.m -1 h -1 ) Cảm biến Sai số
Trong các thí nghiệm, thời gian đo được chọn từ 30 – 45 phút là hợp lý, vì nếu thời gian quá ngắn (dưới 5 phút), dòng khí khuếch tán sẽ diễn ra nhanh chóng và chưa ổn định khi đặt buồng nổi xuống.
Trong 20 phút, nguồn điện 9V cung cấp cho cảm biến sẽ giảm dần do tần suất lấy tín hiệu từ cảm biến là 1.5 mA mỗi 30 giây, 0.74 mA mỗi 60 giây, 0.86 μA mỗi 15 phút và 52 μA mỗi 60 phút Để đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu đo dòng khí, tần suất lấy tín hiệu cần duy trì từ 30 giây đến 60 giây, dẫn đến việc pin sẽ nhanh chóng cạn năng lượng.
Thời gian 30 – 45 phút là phù hợp để đảm bảo độ tin cậy trong thí nghiệm, cùng với thời gian cài đặt tín hiệu từ cảm biến là 180 giây.
Kết quả được thể hiện trong bảng 2.4-2.7 có 10/12 lần đo kết quả dòng giữa LI-
Cảm biến CO2 cho kết quả đo tương tự như thiết bị LI-820 với sai số dưới 5%, cho thấy khả năng đo chính xác dòng khí khuếch tán từ bề mặt nước tại các kênh rạch Hệ thống buồng nổi tích hợp cảm biến CO2 không chỉ đảm bảo kín khí mà còn nổi trên mặt nước ngay cả trong điều kiện sóng lớn, đồng thời có kích thước nhỏ gọn và chi phí thấp Điều này mở ra hướng nghiên cứu mới về việc sử dụng cảm biến để theo dõi sự phát thải khí hiệu ứng nhà kính trên bề mặt nước, có thể thay thế cho thiết bị LI-820.
Ngoài ra, chúng tôi nhận thấy rằng dòng F(CO2) xác định được tại các địa điểm
Dòng F(CO2) tại các địa điểm khảo sát không có sự thay đổi rõ ràng theo thời gian, tuy nhiên, tại cầu Chánh Hưng, dòng F(CO2) tăng nhanh do thủy triều đang xuống với tốc độ dòng chảy nhanh, mặt nước yên tĩnh và không có sóng Ngược lại, tại cầu Điện Biên Phủ, khi thủy triều đang lên, tốc độ dòng chảy chậm và mặt nước yên tĩnh, dòng F(CO2) không có sự thay đổi đáng kể Tương tự, cầu Him Lam có thủy triều lên với tốc độ dòng chảy nhanh và bị tác động bởi tàu thuyền, trong khi cầu Bùi Đình Túy có thủy triều lên nhưng tốc độ dòng chảy chậm và mặt nước yên tĩnh Như vậy, khi thủy triều xuống với tốc độ dòng chảy nhanh và mặt nước yên tĩnh, dòng F(CO2) sẽ tăng theo thời gian, trong khi khi thủy triều lên với tốc độ chậm hoặc bị tác động bởi các yếu tố khác, dòng F(CO2) sẽ không thay đổi đáng kể Để có đánh giá chính xác hơn về mối tương quan này, cần khảo sát trong thời gian dài với điều kiện khí hậu và thủy văn khác nhau.
2.3.1.3 Kiểm tra độ ổn định của cảm biến CO 2 và xác định giới hạn phát hiện
Để kiểm tra sự ổn định của cảm biến CO2, cần phân tích biên độ nhiễu nền của cảm biến nhằm xác định giới hạn phát hiện (LOD) Trong không khí, nồng độ CO2 thường dao động khoảng 400 ppmv tùy thuộc vào điều kiện môi trường Quá trình đo nồng độ CO2 được thực hiện liên tục trong hơn 15 phút với tần số lấy mẫu 30 giây, từ đó cho phép xác định độ nhiễu nền và LOD của cảm biến.
Chúng tôi đã tiến hành đo nồng độ CO2 trong không khí tại khu vực hành lang của trường Đại học Khoa học Tự nhiên (số 227 Nguyễn Văn Cừ, Quận 5, TP.HCM) bằng cảm biến CO2 trong hơn 2 giờ liên tục, và kết quả thu được được trình bày trong bảng 2.8 và hình 2.27.
Căn cứ vào đánh giá S/N theo công thức: 𝑆
Nếu S/N > 10: giảm xm và xác định lại SD
Bảng 2.8 Kết quả đo nhiễu nền CO 2 trong không khí
Kết quả đo (ppm) Nhiễu nền (SD) Giới hạn phát hiện
Kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ CO2 tối thiểu (LOD) đo được là 23 ppm, thấp hơn nhiều so với mức CO2 trong không khí ở điều kiện bình thường Điều này chứng tỏ cảm biến rất phù hợp để đo lượng khí tại bề mặt nước của các kênh rạch và sông ngòi Cần lưu ý rằng nồng độ CO2 tại địa điểm đo là 450 ppm, cao hơn so với mức trung bình toàn cầu là 379 ppm vào năm 2005 [IPCC 2007].
Hình 2.27 Đồ thị đo CO 2 trong không khí bằng cảm biến CO 2
