Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo tích hợp môi trường nước và không khí

Ảnh hưởng của ô nhiễm môi trường nước mặt và không khí đối với sức khỏe cộng đồng chủ yếu thông qua hai con đường, do ăn uống phải nước bị ô nhiễm hay các loại rau quả, thủy hải sản được

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được hoàn thành tại Bộ môn Vật lý Vô tuyến và Điện tử - Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội trong chương tình đào tạo thạc sĩ khoa học của nhà trường, dưới sự hướng dẫn khoa học trực tiếp của TS Đỗ Trung Kiên

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Đỗ Trung Kiên, người thầy

đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Vô tuyến giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn tại bộ môn Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình rèn luyện và học tập tại Khoa Vật lý Tôi xin cảm ơn các bạn cùng lớp, các bạn sinh viên cùng khoa đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm luận văn này Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và người thân đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội trong đề tài mã số QG.18.17

Hà Nội, tháng 12 năm 2020

Mai Thị Thành

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iii

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

BẢNG CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT x

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Thực trạng ô nhiễm môi trường ở Hà Nội 3

1.1.1 Ô nhiễm môi trường nước 3

1.1.2 Ô nhiễm bầu không khí 3

1.2.Các thông số đánh giá chất lượng nước và không khí 5

1.2.1.Thông số độ đục của môi trường nước 5

1.2.2.Thông số pH của môi trường nước 6

1.2.3.Thông số nhiệt độ 6

1.2.4.Thông số độ dẫn của môi trường nước 7

1.2.5 Độ ẩm của không khí 8

1.2.6 Nồng độ bụi PM 2.5, PM10 9

1.2.7 Nồng độ CO 10

1.2.8 Nồng độ khí CO2 10

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ ĐO CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG

NƯỚC VÀ KHÔNG KHÍ 12

2.1 Nguyên lí đo các thông số môi trường nước 12

2.1.1 Độ đục 12

2.1.2 Cảm biến pH 14

2.1.3 Cảm biến độ dẫn 17

2.2 Nguyên lí đo các thông số môi trường không khí 19

2.2.1 Cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm (SHT75) 19

2.2.2 Cảm biến độ bụi PM2.5, PM10 (SDS011) [9] 21

2.2.3 Cảm biến nồng độ CO2 (MH - Z16) 23

2.2.4 Cảm biến đo nồng độ CO (Carbon monoxide detector ) 24

2.3 Các thiết bị sử dụng xây dựng hệ đo 25

2.3.1.Bộ chuyển đổi Tương tự - Số (ADC) 25

2.3.2 Vi điều khiển và bo mạch Arduino UNO 26

2.3.3 Giới thiệu Arduino Uno, Module wifi ESP8266, Module cảnh báo SIM800C 27

Chương 3: THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐO ĐẠC 31

3.1 Hệ thống tích hợp đo các thông số môi trường nước và không khí 31

3.1.1 Hệ thống đo các thông số môi trường nước liên tục 31

3.1.2 Hệ thống đo các môi trường không khí 32

3.2 Hiệu chuẩn các cảm biến đo nước 33

3.2.1 Hiệu chuẩn cảm biến độ đục 33

3.2.2 Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo pH 38

3.2.3 Nghiên cứu thiết kế hệ đo nhiệt độ 40

3.2.4 Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo độ dẫn 42

3.3 Đánh giá chỉ số chất lượng không khí 45

3.4 Đo mẫu nước và không khí trong thực tế tại 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội 47KẾT LUẬN 52TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1: Sự ô nhiễm môi trường không khí tại Hà Nội…… ………4

Hình 2: Hình ảnh minh họa cho độ đục của dung dịch 5

Hình 3: Thang đo pH từ 0 đến 14 [8] ………6

Hình 4: Nguyên lí hoạt động đo độ đục 13

Hình 5: Nguyên lí đo pH bằng điện cực thủy tinh ……… 14

Hình 6: Điện cực pH [33]….……… 16

Hình7a: Hàm chuyển đổi của điện cực pH[33], Hình 7b: Thang pH và giá trị điện thế [33] ………16

Hình 8: Hằng số tế bào [28] ………17

Hình 9: Sơ đồ của tế bào dẫn 2 điện cực [28] ……….18

Hình 10: Sơ đồ đơn giản của tế bào dẫn 4 điện cực [28] ………18

Hình 11: Sơ độ khối chuyển đổi tương tự - số (ADC) ………26

Hình 12: Hình ảnh thật của Arduino Uno ……… 27

Hình 13: Module SIM800C ………29

Hình 14: Sơ đồ khối của hệ thống đo các thông số môi trường nước………… 31

Hình 15: Sơ đồ khổi của hệ thống đo thông số môi trường không khí liên tục 33

Hình 16: Sơ đồ khối của hệ thống đo độ đục ……… 36

Hình 17: Sơ đồ nguyên lí của hệ thống đo độ đục ……… 36

Hình 18: Cảm biến đo độ đục (NTU) ……….36

Hình 19: Đồ thị sự phụ thuộc của độ đục của dung dịch vào tần số đầu ra trong khoảng từ 0NTU - 10 NTU ……… … 37

Hình 20: Đồ thị sự phụ thuộc của độ đục của dung dịch vào tần số đầu ra trong

khoảng từ 10NTU - 100 NTU ……… 37

Hình 21: Đồ thị sự phụ thuộc của độ đục của dung dịch vào tần số đầu ra trong khoảng từ 100NTU - 1000 NTU ……….37

Hình 22: Dung dịch chuẩn pH ………38

Hình 23: Sơ đồ khối của hệ thống đo pH ………39

Hình 24: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại điện cực pH ……… 39

Hình 25: Đồ thị sự phụ thuộc của giá trị pH của dung dịch vào điện áp 40

Hình 26: Sơ đồ khối của hệ đo nhiệt độ trong môi trường nước 41

Hình 27: Thiết bị đo nhiệt độ Fox 2005 41

Hình 28: Nhiệt độ đo được trong quá trình giảm nhiệt độ của nước ……… 42

Hình 29: Nhiệt độ đo được trong quá trình giảm nhiệt độ của nước ………… 42

Hình 20: Dung dịch có nồng độ chuẩn từ 0 - 80ppm……… 43

Hình 31: Dung dịch có nồng độ chuẩn từ 100 - 2000ppm ……… 43

Hình 32: Sơ đồ khối của hệ thống đo TDS 43

Hình 33: Đồ thị biểu diễn kết quả hiển thị lên màn hình PC với các thang đo từ 0 - 1000ppm…… ………44

Hình 34: (a) Hệ đo không khí được hoàn thiện và (b) lắp đặt tại tầng 2 nhà T1 - 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội ……… 48

Hình 35: Dữ liệu hệ thống đo thông số không khí được gửi lên internet tại trang Web thingspeak.com ……… ………48

Hình 36: (a) Vị trí trạm đo và (b) bảng cảnh báo chất lượng không khí thời gian thực ……… 49

Hình 37: Hệ cảm biến đo nước chứa trong ống PVC và hộp chứ hệ thống hoàn

chình ………50

Hình 38: (a) Số liệu đo đạc được tải lên trang Web thingspeak.com và (b) bảng

chỉ cảnh báo theo tiêu chuẩn Việt Nam về nước sinh hoạt ……….50

Hình 39: Hiển thị cảnh báo lên Web sử dụng ngôn ngữ html ……….51

Comment [t1]: Cập nhật lại số lượng hình và

trang cho từng hình nhé

BẢNG CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT

AC: Alternating Current

ADC: Analog-to-digital converter

ALU: Arithmetic Logic Unit

AWWA: American Water Works Association BOD: Biochemical Oxygen Demand

CISC: Complex Intruction Set Computer

CPU: Central Processing Unit

CRC: cyclic redundancy check

DC: Direct Current; DO: Dissolved Oxygen

DS: Dissolved Solids

EC: Electrical Conductivity

I/O: Input/Output

LCD: Liquid Crystal Display

NTU: Nephelometric Turbidity Units

PC: Counter process

RISC: Reduced Intructionset Computer

SMS: Short Message Services

SS: Suspended Solids

TDS: Total Dissolved Solids

TSS: Total Suspened Soids

TS: Total Solids

Tuy nhiên tình trạng ô nhiễm môi trường (không khí và nguồn nước mặt) do quá trình sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, do sinh hoạt của người dân đang diễn

ra khá trầm trọng ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của người dân, đồng thời làm gia tăng nguy cơ mắc các bệnh truyền nhiễm, nhất là bệnh ung thư

Ảnh hưởng của ô nhiễm môi trường nước mặt và không khí đối với sức khỏe cộng đồng chủ yếu thông qua hai con đường, do ăn uống phải nước bị ô nhiễm hay các loại rau quả, thủy hải sản được nuôi trồng trong nước bị ô nhiễm và tiếp xúc với môi trường bị ô nhiễm trong quá trình sinh hoạt và lao động Nhằm từng bước giảm

ô nhiễm môi trường, cũng như nâng cao chất lượng sống và sức khỏe của người dân, các cơ quan quản lý từ T.Ư đến các địa phương không những cần áp dụng các biện pháp hạn chế xả chất thải ra môi trường Xử lý nước thải sinh hoạt ngay từ đầu nguồn bằng công nghệ sinh học hoặc đầu tư lắp đặt hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt, xử lý không khí cho các cụm dân cư mà cần phải đẩy mạnh nghiên cứu, xác định rõ mức độ ảnh hưởng của các yếu tố trong môi trường có nguy cơ cao đối với sức khỏe cộng đồng Xây dựng các hệ thống đo và cảnh báo mức độ nguy hiểm của

sự ô nhiễm môi trường đối với sức khỏe đến người dân

Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu và các dự án ứng dụng khoa học giải quyết vấn đề ô nhiễm nguồn nước và không khí cũng như các giải pháp xử lý nước thải ra đời Tuy nhiên để đưa ra các ứng dụng hay giải pháp xử lí ô nhiễm nước hay không khí thì trước tiên cần phải biết nguồn nước hay không khí đó có bị ô nhiễm hay không, và ô nhiễm ở mức độ nào Vậy đề tài nghiên cứu hệ đo đạc và cảnh báo

ô nhiễm môi trường nước và không khí là một đề tài quan trọng trong việc đánh giá

và bảo vệ nguồn nước cũng như bầu không khí của chúng ta

Trước những vấn đề nêu ra, tôi chọn đề tài: “ Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc

và cảnh báo tích hợp môi trường nước và không khí ” làm đề tài bảo vệ luận văn thạc sĩ của mình Luận văn tập trung nghiên cứu về các thông số đánh giá chất lượng môi trường nước và không khí theo các tiêu chuẩn môi trường Việt Nam đã đưa ra Sau đó tìm hiểu nghiên cứu chế tạo các hệ đo các thông số này trong môi trường nước và không khí, kết nối với Module truyền thông (Module Sim800c) để truyền dữ liệu lên Internet đến trang web thingspeak.com Đặc biệt, các thông số được gửi lên trang web thingspeak.com sẽ được xử lý và đưa ra cảnh báo dựa theo TCVN về môi trường không khí và môi trường nước mặt

Nội dung chính của luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Nguyên lý đo các thông số môi trường nước và không khí Chương 3: Thiết kế hệ đo đạc và khảo sát hệ thống

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Thực trạng ô nhiễm môi trường ở Hà Nội

Từ khi Thủ đô phát triển công nghiệp (CN), tình hình đã đổi khác, môi trường sống bị ô nhiễm nặng nề

1.1.1 Ô nhiễm môi trường nước

Hầu hết các sông và kênh ở Hà Nội đang trong tình trạng ô nhiễm nước nặng Nguồn nước bị đổi màu, bốc mùi gây ảnh hưởng đến hệ thống nước mặt và nguồn nước ngầm [9]

Khi chung sống với nguồn nước ô nhiễm, con người dễ bị mắc các bệnh liên quan đến vấn đề về da, tiêu hóa, tiêu chảy và nguy cơ mắc bệnh ung thư là khá cao Theo đánh giá chung tại một số địa phương, những ca bị mắc ca mắc bệnh ung thư hay viên nhiễm phụ khoa, tiêu hóa đường ruột hay da thường cao hơn so với những nơi có nguồn nước sạch Tỉ lệ người mắc thường chiếm tới 40-50% một con số cực

kỳ cao, đáng báo động khi nguồn nước sử dụng đang bị ô nhiễm [9]

Về phía Bộ Y tế và Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cho biết, cứ trung bình mỗi năm có khoảng 9 ngàn người chết vì nguồn nước bẩn và vệ sinh kém chất lượng; số ca mắc ung thư tới 100 ngàn người Trong đó, nguyên nhân tìm ra là

do nguồn nước ô nhiễm, không đảm bảo vệ sinh và độ an toàn cho người sử dụng Bên cạnh đó, WHO cũng cho biết, tại Việt Nam có khoảng 44% trẻ nhỏ bị nhiễm giun sán, 27% trẻ dưới 5 tuổi bị suy dinh dưỡng [9]

1.1.2 Ô nhiễm bầu không khí

Thời gian gần đây, Tổng cục Môi trường Việt nam cho biết, từ 13 đến 20 tháng 3 năm 2020, Thủ đô Hà Nội đã có 4 trên 7 ngày bị ô nhiễm bụi mịn PM2.5, nhiều ngày AQI đã vượt giới hạn cho phép của tiêu chuẩn Quốc gia QCVN 05:2013/BTNMT [11] Kết quả tính toán chỉ số AQI tại các trạm quan trắc cũng cho thấy, chất lượng không khí nhiều ngày ở mức kém (AQI từ 101đến 150) và xấu (từ 151đến 200) [17] Xét tới yếu tố thời tiết các nhà phân tích đều nhận thấy những

ảnh hưởng rõ rệt của thời tiết đến chất lượng không khí Nhiều tuần lễ đã có tới 3 ngày trời âm u, sương mù nặng, nhiệt độ giữa ngày và đêm chênh lệch khá lớn và giá trị thông số PM2.5 quan trắc được cũng tăng cao

Hình 1: Sự ô nhiễm môi trường không khí tại Hà Nội

Nguồn bụi ô nhiễm ở các đô thị lớn hầu hết là từ khí thải giao thông, công trình xây dựng, đường sá và sản xuất công nghiệp Mức độ ô nhiễm của Hà Nội chỉ sau New Delhi (Ấn Độ), là nơi ô nhiễm không khí hàng đầu thế giới với nồng độ bụi PM2.5 lên tới 124 µg/m3

không khí [17] Đối với khu vực nông thôn, mức độ ô nhiễm chủ yếu bị tác động cục bộ bởi các hoạt động sản xuất của các làng nghề, hoạt động xây dựng, đốt rơm rạ, rác thải và đun nấu

Trước thực trạng ô nhiễm không khí toàn cầu, WHO cho rằng, các quốc gia phải có cam kết mạnh mẽ hơn trong cải thiện chất lượng không khí Theo đó, cần tăng cường năng lực hệ thống theo dõi, giám sát chất lượng không khí và chia sẻ thông tin, số liệu với công chúng nhằm tăng cường các biện pháp khẩn cấp để giảm thiểu phát thải khí trong giai đoạn ô nhiễm không khí đã vượt quá ngưỡng khuyến cáo này Theo đó, nguồn gây ô nhiễm cần được xác định thấu đáo trong xây dựng

và triển khai thực hiện kế hoạch dài hạn nhằm đảm bảo không khí sạch

1.2 Các thông số đánh giá chất lượng nước và không khí

1.2.1 Thông số độ đục của môi trường nước

Độ đục dùng để chỉ hiện tượng đục của môi trường chất lỏng và được định lượng bởi cường độ ánh sáng bị tán xạ bởi các hạt lơ lửng trong môi trường [21] Đơn vị đo độ đục là NTU được sử dụng để đáp ứng với tiêu chí thiết kế EPA Mắt người có thể phát hiện mức độ đục khoảng dưới mức 5 hoặc 10 NTU Mẫu nước với độ đục thấp hơn mức này có thể nhận biết bằng mắt người, tuy nhiên những mẫu nước như vậy vẫn có thể chứa một nồng độ của các hạt keo tụ làm giảm hiệu quả khử trùng nước và có thể mang một lượng chất gây ô nhiễm hoặc các chất rắn này còn là nơi cư trú của các vi khuẩn gây bệnh và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của con người [31]

Hình 2: Hình ảnh minh họa cho độ đục của dung dịch

Ngoài NTU còn có một số thang đo độ đục khác như: Đơn vị đo độ đục Formazin khuếch tán FNU (Formazin Nephelometric Units), Đơn vị đo độ đục Formazin FTU (Formazin Turbidity Units), Đơn vị pha loãng Formazin FAU (Formazin Attenuation Units) [3]

Trong đó: 1 NTU = 1 FNU = 1 FTU = 1 FAU

NTU = 1 đơn vị độ đục = 1mg Si / 1L nước cất [3]

Ở Việt Nam, theo thông tư ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT ngày 17/06/2009 quy định tiêu chuẩn nước sinh hoạt phải có độ đục dưới 5 NTU

1.2.2 Thông số pH của môi trường nước

pH là chỉ số đo độ hoạt động (hoạt độ) của các ion hiđrô (H+) trong dung dịch và vì vậy là độ axít hay bazơ của nó Do hằng số điện ly này nên một dung dịch trung hòa (hoạt độ của các ion hiđrô cân bằng với hoạt độ của các ion hiđrôxít)

có pH xấp xỉ 7 Các dung dịch nước có giá trị pH nhỏ hơn 7 được coi là có tính axít, trong khi các giá trị pH lớn hơn 7 được coi là có tính kiềm [15] pH có vai trò quan trọng trong hầu hết các quá trình của lĩnh vực kỹ thuật môi trường, cấp nước, kiểm định chất lượng nước và xử lý nước thải

1.2.3 Thông số nhiệt độ

Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho sự nóng, lạnh của một vật hoặc hệ vật trong hệ quy chiếu được chọn Trong môi trường nước, nhiệt độ ảnh hưởng khá nhiều đến độ đục, pH, độ cứng, độ màu và các quá trình sinh hóa… của nước Vậy nên, việc xác định nhiệt độ của mẫu nước là rất cần thiết [10]

Để đo nhiệt độ của một vật (hệ vật) trong vật lý phải xây dựng một thang đo chuẩn chung gọi là các thang nhiệt giai Các thang nhiệt giai hay dùng:

a Thang nhiệt giai Celsius

Thang nhiệt giai Celsius xác định nhiệt độ của các vật theo độ C (viết tắt ) Đây là thang đo nhiệt độ phổ biến nhất hiện nay trên toàn thế giới

b Thang nhiệt giai Fahrenheit

Thang nhiệt giai Fahrenheit xác định nhiệt độ của các vật theo độ F (viết tắt ) Thang đo này được sử dụng chủ yếu ở các nước Châu Âu

Liên hệ giữa thang nhiệt giai Fahrenheit và nhiệt giai Celsius:

( ) (2)

c Thang nhiệt giai Kelvin

Thang nhiệt giai Kelvin xác định nhiệt độ của các vật theo độ K (viết tắt là K) Thang nghiệt giai Kelvin đưa đến khái niệm độ không tuyệt đối (nhiệt độ theo

lý thuyết mà tại đó không thể xuống thấp hơn được nữa) Thang đo này thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm

Mối liên hệ giữa thang nhiệt giai Kelvin và nhiệt giai Celsius:

(3)

1.2.4 Thông số độ dẫn của môi trường nước

Độ dẫn hay độ dẫn điện 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, ví dụ như lực tĩnh điện của điện trường Sự di chuyển có thể tạo thành dòng điện Cơ chế của chuyển động này tùy thuộc vào vật chất [12] Trong nước, các vật liệu ion hoặc các chất lỏng có thể tồn tại sự chuyển động của các ion tích điện Hiện tượng này tạo ra một dòng điện và được gọi là sự dẫn truyền ion Độ dẫn điện của nước (Electrical Conductivity - EC) liên quan đến sự có mặt của các ion trong nước Các ion này thường là muối của kim loại như NaCl, KCl, , , v.v… Tác động ô nhiễm của nước có độ dẫn điện cao thường liên quan đến tính độc hại của các ion tan trong nước

Độ dẫn điện của nước còn tượng trưng cho tổng lượng chất rắn hòa tan trong nước TDS (Total Dissolved Solids) TDS được đo bằng ppm (phần triệu) hoặc mg/l

Độ dẫn điện của nước phụ thuộc vào nhiệt độ bởi nhiệt độ càng cao thì khả năng dẫn điện của nước cũng càng cao Độ dẫn điện của nước tăng lên 2-3% khi nhiệt độ nước tăng 1 độ C, thông thường độ dẫn điện được đo ở nhiệt độ tiêu chuẩn là 25 [36]

Đơn vị đo độ dẫn điện của nước: [12]

Trong hệ SI có đơn vị chuẩn là S/m (Siement trên mét):

1/Ohm = 1 Siemen (S) = 1000 mili Siemen (mS) = 1000000 micro Siemen ( ) Đơn vị thường sử dụng để đo độ dẫn điện của nước là:

μS/cm (micro Siemens/cm) hoặc dS/m (deci Siemens/m)

Trong đó: 1000 μs/cm = 1 dS/m

1.2.5 Độ ẩm của không khí

Không khí mà chúng ta đang hít hàng ngày có chứa 80% là Nitơ, còn lại là 20% là Oxi và các loại khí khác [17] Trong đó 20% thành phần không khí có chứa nước và độ ẩm không khí được tính bằng tỉ số giữa khối lượng nước trên một thể tích hiện tại so với khối lượng nước trên cùng một thể tích đó khi hơi nước bão hòa

Khi hơi nước bão hòa, hỗn hợp khí và hơi nước đã đạt đến điểm sương

Độ ẩm có 4 khái niệm cơ bản mà chúng ta thường biết là:

+ Độ ẩm tương đối: Độ ẩm tương đối là tỉ số của áp suất hơi nước hiện tại của bất kỳ một hỗn hợp khí nào đó với hơi nước so với áp suất hơi bão hòa tính theo đơn vị % Công thức tính độ ẩm tương đối trong không khí là

( ) (4)

+ Độ ẩm tuyệt đối: Độ ẩm tuyệt đối được định nghĩa bằng tỉ số giữa khối hơi nước (được tính bằng gam) trên thể tích của một hỗn hợp không khí nào đó ( được tính bằng m3) chứa nó Công thức tính độ ẩm tuyệt đối trong không khí là:

( ) ( ) (5) Trong đó: AH là độ ẩm tuyệt đối của thể tích không khí được xét

( ): khối lượng hơi nước chứa trong hỗn hợp khí

( ): Thể tích hỗn hợp khí có chứa hơi nước đó

+ Độ ẩm bão hòa: Độ ẩm bão hòa hay còn gọi là độ ẩm cực đại là lượng hơi nước bão hòa trong không khí tại một thời điểm, thể tích và nhiệt độ nhất định được tính bằng gam/m3

+ Độ ẩm tỉ đối: Độ ẩm tỉ đối cho biết mức độ của không khí, không khí càng

ẩm thì độ ẩm tỉ đối càng cao

Độ ẩm quá cao, hay quá thấp đều không tốt đối với con người Độ ẩm cũng

có ảnh nhiều đến một số sản phẩm nếu không thoả mãn những điều kiện yêu cầu:

1.2.6 Nồng độ bụi PM 2.5, PM10

PM là viết tắt của chất dạng hạt (cũng được gọi là ô nhiễm dạng hạt): thuật ngữ để chỉ một hỗn hợp các hạt rắn và giọt chất lỏng được tìm thấy trong không khí Một số hạt, chẳng hạn như bụi, bụi bẩn, bồ hóng hoặc khói thuốc lá, đủ lớn hoặc tối thiểu để nhìn thấy bằng mắt thường Những hạt khác nhỏ đến mức chỉ được phát hiện bằng cách sử dụng một kính hiển vi electron Hạt ô nhiễm bao gồm:

- PM10: hạt có thể hít vào, với đường kính thường là 10 micromét và nhỏ hơn

- PM2.5: loại hạt mịn có thể hít vào với đường kính thường là 2,5 micromét

và nhỏ hơn (so với sợi tóc con người thì nó nhỏ hơn khoảng 30 lần) Nồng độ bụi

cho phép trong không khí phụ thuộc vào bản chất của bụi và thường được đánh giá theo hàm lượng ôxit silic (SiO2) và được lấy theo bảng 1 dưới đây:

Bảng 1: Nồng độ cho phép của bụi trong không khí

Hàm lượng SO 2 , %

Nồng độ bụi cho phép của không khí trong khu làm việc

Nồng độ bụi cho phép của không khí tuần hoàn

Z > 102 10< 2Bụi amiăng Zb < 2 mg/m32  44  6< 2 Zb< 0,6 mg/m3< 1,2< 1,8

1.2.7 Nồng độ CO

CO là một loại khí không màu, không mùi có thể gây hại khi hít phải một lượng lớn CO được giải phóng khi nhiên liệu bị đốt cháy Nguồn CO lớn nhất cho không khí ngoài trời là ô tô, xe tải và các phương tiện hoặc máy móc khác đốt nhiên liệu hóa thạch Một loạt các vật dụng trong nhà bạn như dầu hỏa và lò sưởi không khí chưa được xử lý, ống khói và lò nung bị rò rỉ, bếp gas cũng giải phóng CO và có thể ảnh hưởng đến chất lượng không khí trong nhà Hít thở không khí với nồng độ

CO cao làm giảm lượng oxy có thể được vận chuyển trong máu đến các cơ quan quan trọng như tim và não Ở mức độ rất cao, nếu ở trong nhà hoặc trong các môi trường kín khác, CO có thể gây chóng mặt, nhầm lẫn, bất tỉnh và tử vong

1.2.8 Nồng độ khí CO 2

Trong khí quyển Trái Đất, cacbon dioxit là một hợp chất khí khá phổ biến, được tạo bởi hai nguyên tử cacbon và oxy thành CO2 Khi tồn tại ở thể rắn, nó được gọi là băng khô Tuy nhiên, khi hàm lượng khí cacbon vượt quá mức cho phép, nó

sẽ gây ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính, ảnh hưởng tiêu cực đến tất cả các sinh vật sống trên Trái Đất

Khí CO2 được sinh ra từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm:

- Khí thoát ra từ các vụ phun trào núi lửa

- Sản phẩm cháy của các hợp chất hữu cơ và hoạt động hô hấp của các sinh vật sống thiếu khí

- Kết quả của sự lên mên của một số vi sinh vật và hô hấp của tế bào Thực vật hấp thu CO2 để quang hợp để tạo thành cacbonhydrat và giải phóng khí oxy Các sinh vật di dưỡng sử dụng oxy để hô hấp rồi thải khí CO2, tạo thành một chu trình

- Quá trình phân hủy xác động vật cũng tạo ra khí cacbon didoxit

- Khí thải công nghiệp, quá trình đốt nhiên liệu, đốt xăng của các phương tiện giao thông vận tải, hoạt động đun nấu trong sinh hoạt, đốt phá rừng bừa bãi… cũng là nguồn sinh ra khí cacbonic

CO2 không phải là một chất khí độc hại, nhưng nếu vượt quá nồng độ cho phép sẽ gây khó thở, mệt mỏi, kích thích hệ thần kinh, tăng nhịp tim và gây ra nhiều rối loạn khác Khi CO2 tăng nhanh sẽ làm giảm sự tổng hợp protein Khi côn trùng

ăn thực vật thiếu protein sẽ có tỉ lệ chết cao hơn, gây hại cho hệ sinh thái

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ ĐO CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG

NƯỚC VÀ KHÔNG KHÍ 2.1 Nguyên lí đo các thông số môi trường nước

Sử dụng thiết bị đo độ đục: Các máy đo độ đục khác nhau có thể sử dụng các phương pháp khác nhau để đo độ đục của nước nhưng về cơ bản, chúng đều hoạt động dựa theo nguyên lý đo là đo bằng ánh sáng tán xạ Nguyên lý đo bằng ánh sáng tán xạ này còn được chia nhỏ và ứng dụng vào các máy đo khác nhau, các nguyên lý nhỏ bao gồm: ánh sáng tán xạ bề mặt, ánh sáng tán xạ vuông góc, giao thoa ánh sáng tán xạ

a Lý thuyết tán xạ ánh sáng [23]

Các phần tử lơ lửng trong nước gây ra tán xạ ánh sáng Ánh sáng cũng bị tán

xạ 1 lượng nhỏ bởi chính bản thân nước, do đó cho dù là nước trong tuyệt đối thì ánh sáng vẫn bị tán xạ Hiện nay, nước tinh khiết được coi là có độ tán xạ nhỏ khoảng 0.010 – 0.012 NTU

Hướng và cường độ tán xạ ánh sáng phụ thuộc vào mật độ, màu sắc, kích thước, hệ số khúc xạ của các phần tử lơ lửng trong nước Bước sóng ánh sáng và màu sắc nước cũng ảnh hưởng tới lượng ánh sáng tán xạ Góc tán xạ 900 là phù hợp nhất đối với 1 dải rộng các phần tử chất khác nhau Các tiêu chuẩn đo ISO7027 hay

USEPA Method 180.1 sử dụng góc đo này

b Nguyên lý hoạt động của hệ thống đo độ đục

Sử dụng phương pháp đo độ tán xạ ánh sáng ở góc 900 Phương pháp này xác định độ đục bằng cách đo lượng ánh sáng tán xạ khi xuyên qua mẫu thử nước Góc tán xạ là 900 theo các tiêu chuẩn phổ biến

Ánh sáng tán xạ có thể đo được bằng một hoặc vài detector quang đặt ở vị trí: (tán xạ khuếch tán) [22] Ánh sáng tán xạ được đo bằng detector ở vị trí góc so với phương của chùm tia tới có đặc điểm là không nhạy với kích thước hạt, và ít chịu ảnh hưởng của ánh sáng lạc Vậy nên, cảm biến độ đục được thiết kế để đo tán xạ ánh sáng ở góc 90 so với hướng của chùm tia tới [23]

Thiết lập cho tán xạ ánh sáng cơ bản được biểu diễn như trên Hình 4 với một chùm sáng đi qua mẫu dung dịch cần đo độ đục

Hình 4: Nguyên lý hoạt động [34]

Khi kích thước hạt nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng thì cường độ ánh sáng tán xạ sẽ được tính theo định luật tán xạ ánh sáng của Rayleigh như sau [34]: ( ) (6)

Trong đó: là cường độ ánh sáng của tia tới; là cường độ ánh sáng tán xạ

ở góc tán xạ 90 so với chùm tia tới N là số hạt trên một đơn vị thể tích; V là thể tích hạt; là bước sóng của ánh sáng tới; , là chỉ số khúc xạ của nước và hạt

- Trong những trường hợp nhất định, và V được giả thiết là những hằng

số, khi đó ta có: (

) sẽ tỷ lệ thuận với tổng số hạt trên một đơn vị thể tích cũng như tổng thể tích Và sẽ được biểu diễn như sau:

(7)

a Nguyên lý đo của cảm biến pH

Điện cực thủy tinh bao gồm hai điện cực, một điện cực màng thủy tinh (glass electrode) và một điện cực chuẩn (reference electrode), cả hai điện cực được nhúng vào dung dịch cần đo pH Sự khác biệt của pH bên trong và bên ngoài màng thủy tinh tạo ra một suất điện động Dung dịch bên trong của điện cực thủy tinh tiếp xúc với điện cực chuẩn thường được chọn là KCl 3M có pH = 7 không đổi Như vậy, suất điện động tạo ra ở điện cực màng thủy tinh liên hệ trực tiếp với giá trị pH của dung dịch cần đo

Hình 5: Nguyên lý đo pH bằng điện cực thủy tinh [26]

Điện cực pH được cấu tạo bởi hai loại thủy tinh Thân điện cực được làm bằng loại thủy tinh không dẫn điện, đầu điện cực thường có dạng hình cầu và cấu tạo bởi thủy tinh gồm các oxit silica, lithium, canxi và các nguyên tố khác cho phép ion Lithium ( ) xuyên qua Cấu trúc của điện cực thủy tinh cho phép ion Lithium ( ) trao đổi với ion Hidro ( ) trong chất lỏng tạo thành lớp thủy hợp Một điện thế cỡ mV được sinh ra giữa tiết diện của đầu thủy tinh pH với dung dịch lỏng bên ngoài Độ lớn của điện thế này phụ thuộc vào giá trị pH của dung dịch Độ khác nhau của điện thế tạo ra bởi lớp bên ngoài và lớp thủy hợp bên trong điện cực có thể

đo bằng điện cực bạc (Ag)/bạc chloride (AgCl)

Công thức Nernst [32]

Suất điện động của điện cực thủy tinh thay đổi theo thang loragit tùy theo nồng độ ion Hidro ( ) được xác định bởi công thức Nersnt:

E = log[ ] hay E = pH (9)

Trong đó: E là điện thế đo được (Volts);

là điện thế chuẩn (Volts);

là nồng độ ion Hidro (mol/L)

Giá trị “0.059” là hằng số Nernst, thay đổi theo nhiệt độ Ở 25 hằng số Nernst là 0.059 và ở 80 là 0.070

Trong luận văn này, điện cực đo PH online HANNA HI6100805 được sử dụng để đo pH của dung dịch, đây là điện cực sử dụng Ag/AgCl làm điện cực chuẩn, dung dịch chuẩn là gel và không cần đổ thêm

b Nguyên lý hoạt động của hệ thống đo pH

Hệ thống đo pH được thiết kế trong luận văn này hoạt động dựa trên nguyên

lý hoạt động của điện cực pH Điện cực HANNA HI6100805 là điện cực pH chế tạo theo cấu trúc của điện cực kết hợp hay còn gọi là điện cực kép, bao gồm điện cực màng thủy tinh và điện cực chuẩn như đã được trình bày chi tiết ở phần a , điện cực kết hợp có cấu tạo như Hình 5

Dựa trên công thức Nernst, ta có hàm chuyển đổi của điện cực pH là: [32]

pH(X) = pH(S) + ( )

(10) Trong đó pH(X) là pH của dung dịch cần đo (X); pH(S) là pH của dung dịch chuẩn (dung dịch bên trong điện cực và ph = 7); là điện thế của điện cực chuẩn;

là điện thế của điện cực đo giá trị pH; F là hằng số Faraday và F = 9.6485309 ; R là hằng số khí lý tưởng và R = 8.314510 ; T (K) là nhiệt

độ tính theo thang Kelvin

Hình 6: Điện cực pH [32]

Một chú ý quan trọng cần xét đến đó là độ nhạy của cảm biến pH phụ thuộc vào nhiệt độ Dựa vào hàm chuyển đổi của điện cực pH ta có độ nhạy của cảm biến phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ, và được tính theo công thức sau: [32]

2.1.3 Cảm biến độ dẫn

Một cảm biến đo độ dẫn điển hình áp dụng dòng điện xoay chiều (I) ở tần số tối ưu đến hai điện cực hoạt động và đo điện thế (V) Điện thế đo và điện thế chuẩn được sử dụng để tính toán độ dẫn (I / V) Cảm biến đo độ dẫn sau đó sử dụng độ dẫn và hằng số tế bào để hiển thị độ dẫn [27]

độ dẫn giữa các tấm điện cực Đối với các dung dịch dẫn điện cao, khoảng cánh các điện cực có thể tăng lên để tạo ra hằng số tế bào từ 10.0 trở lên [27]

b Tế bào dẫn 2 điện cực

Trong một tế bào dẫn 2 điện cực (Hình 9), dòng điện xoay chiều được đặt giữa 2 cực và điện thế giữa chúng được đo Mục đích là để đo trở kháng (Rsol) Tuy nhiên, điện trở (Rel) do sự phân cực của điện cực và hiệu ứng trường gây nhiễu với phép đo Cả Rsol và Rel được đo [27]

Hình 9: Sơ đồ của tế bào dẫn 2 điện cực [27]

Để giảm hiện tượng điện phân trong dung dịch khi đặt một điện áp giữa hai điện cực để đo độ dẫn, thông thường một dòng điện xoay chiều AC với tần số và biên độ xác định sẽ được đặt vào 2 điện cực Đo dòng điện và điện áp giữa 2 bản cực sẽ tính ra độ dẫn của dung dịch

Ưu điểm của cảm biến là nhỏ gọn, nhược điểm là cần có mạch điện trở ngoài

để đo dòng và biên độ của tín hiệu xoay chiều AC, do là cảm biến tiếp xúc nên dễ bị

ăn mòn trong môi trường acid

c Tế bào dẫn 4 điện cực

Trong một tế bào 4 cực, dòng điện được đặt vào các điện cực bên ngoài (1 và 4) sao cho sự khác biệt giữa các điện cực bên trong (2 và 3) được duy trì 2 điện cực bên ngoài là các điện cực đặt dòng điện xoay chiều được điều khiển theo cách tương

tự như đo độ dẫn điện 2 điện cực 2 điện cực đo bên trong được đặt trong điện trường của điện cực ngoài, điện áp giữa 2 bản cực này được đo bởi thiết bị có trở kháng cao Khi đo điện áp diễn ra với dòng điện không đáng kể, hai điện cực này không bị phân cực (R2 = R3 = 0) Nếu điện áp trên điện cực bên trong và dòng điện được biết thì có thể tính được điện trở và độ dẫn Độ dẫn sẽ tỉ lệ thuận với dòng điện áp Vị trí của tế bào dẫn trong bình đo hoặc thể tích mẫu đo không ảnh hưởng đến phép đo [27]

Hình 10: Sơ đồ đơn giản của tế bào dẫn 4 điện cực [27]

Ưu điểm của tế bào dẫn 4 điện cực là độ chính xác cao, tuy nhiên phải sử dụng tới 4 điện cực và cần có một nguồn dòng ổn định, có khả năng bị ăn mòn nếu đặt trong các môi trường đo có tính acid

Do những ưu điểm của tế bào dẫn dùng 2 điện cực là đơn giản, dùng tín hiệu xoay chiều AC nên có thể đo được độ dẫn của dung dịch độ tinh khiết cao, giảm được hiện tượng điện phân dung dịch và ăn mòn điện cực, cấu trúc này được nhóm nghiên cứu sử dụng để chế tạo cảm biến đo độ dẫn của nước

2.2 Nguyên lí đo các thông số môi trường không khí

2.2.1 Cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm (SHT75)

a Nguyên lí hoạt động

SHT75 là dòng cảm biến SHTxx sử dụng công nghệ điện dung để đo độ ẩm

và nhiệt kế điện trở để đo nhiệt độ Cảm biến tích hợp các yếu tố cảm biến cùng với tín hiệu xử lý ở định dạng nhỏ gọn và cung cấp đầy đủ hiệu chuẩn đầu ra chuyển đổi 14 bít tương tự sang tín hiệu số (ADC) và một mạch giao diện nối tiếp

Công nghệ điện dung là một công nghệ dựa trên sự ghép điện dung có thể phát hiện và đo bất cứ thứ gì dẫn điện hoặc có chất điện môi khác với không khí Điện dung phụ thuộc vào tần số nên trong mỗi dải tần số khác nhau độ ẩm sẽ khác nhau Nhiệt kế điện trở là loại điện trở có trở kháng của nó thay đổi dưới sự tác dụng nhiệt Quan hệ giữa độ lớn trở kháng và nhiệt độ là tuyến tính thì nếu hệ số nhiệt điện trở dương, trở kháng của điện trở tăng theo nhiệt độ tăng Ngược lại, nếu

hệ số nhiệt điện trở âm, trở kháng của điện trở giảm khi nhiệt độ tăng, khi đó gọi là nghịch nhiệt trở

b Thông số kỹ thuật

Độ ẩm:

Bảng 2: Thông số kỹ thuật của độ ẩm cảm biến SHT75

Bảng 3 : Thông số kỹ thuật của nhiệt độ cảm biến SHT75

Góc tối ưu giữa nguồn laser và cảm biến được tối ưu từ kết quả thực nghiệm Mỗi hạt đi qua chùm laser khuếch tán một phần của chùm tia này tới cảm biến và lưu lượng không khí là không đổi, độ rộng xung của tín hiệu từ cảm biến được sử dụng để phân loại các hạt theo kích thước

+ Độ phân giải cao: độ phân giải 0.3 (µg/m3