Làm Sao Để Đo Oxy Hòa Tan (DO)?

Oxy hòa tan (DO) là một thông số cực kỳ quan trọng, phản ánh sức khỏe của hệ sinh thái dưới nước và là yếu tố then chốt trong quy trình xử lý nước thải hiệu quả. Việc đo lường chính xác nồng độ DO không phải lúc nào cũng dễ dàng, đặc biệt là với các phương pháp truyền thống tiềm ẩn nhiều hạn chế và độ không chắc chắn. Hiểu được nhu cầu này, bài viết này, được cung cấp bởi HACH Việt Nam, sẽ đi sâu vào các kỹ thuật đo oxy hòa tan hiện đại, từ nguyên lý hoạt động của cảm biến điện hóa quen thuộc đến công nghệ quang học LDO tiên tiến. Hãy cùng khám phá cách lựa chọn phương pháp phù hợp nhất cho nhu cầu của bạn thông qua những chia sẻ chuyên sâu được cập nhật liên tục tại hachvietnam.vn.

GIA ĐÌNH CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA – Đo Oxy Hòa Tan

Năm 1962, Leland Clark (1918 – 2005) đã công bố điện cực Clark được đặt theo tên ông, đây là tiền thân của các cảm biến oxy điện hóa. Đây là một tế bào điện hóa chứa đầy chất điện ly, được ngăn cách với môi trường cần kiểm tra bằng một màng thấm khí (Teflon®) với một hệ thống điện cực trong đó oxy hòa tan trên bề mặt catốt bị khử. Dòng điện chạy trong quá trình này là thước đo trực tiếp lượng oxy tiêu thụ và do đó có thể được sử dụng để đo nồng độ oxy.

Trong loại tế bào này, thiết bị đo áp một điện áp xác định giữa các điện cực, tại đó quá trình này diễn ra tối ưu.

Các cảm biến thương hiệu HACH, chẳng hạn như các dòng cảm biến đo oxy điện hóa truyền thống được sử dụng trong phân tích nước thải, đã và đang hoạt động theo nguyên lý này, nổi bật với thiết kế bền bỉ và đáng tin cậy.

Một loại cảm biến oxy hòa tan khác đã được phát triển tại HACH và vẫn được sử dụng rộng rãi ngày nay, đặc biệt là trong lĩnh vực hiện trường, nhưng cũng có trong các ứng dụng phòng thí nghiệm: dòng cảm biến oxy galvanic của HACH.

BẢN VẼ SƠ ĐỒ THỂ HIỆN THIẾT KẾ – Đo Oxy Hòa Tan

Sơ đồ đơn giản hóa:

• Electrolyte (Chất điện ly)
• Anode (Anốt)
• Cathode/working electrode (Catốt/điện cực làm việc)
• Isolator (Chất cách điện)
• Membrane (Màng)

Hình 1: Bản vẽ sơ đồ, chất điện ly, anốt, chất cách điện, catốt, màng

Trái ngược với các cảm biến oxy polarographic, các cảm biến này có một loại pin bên trong tự tạo ra điện áp cần thiết: catốt được làm bằng vàng, anốt được làm bằng chì.

Khi Có Oxy, Phương Trình Oxy Hóa Khử Sau Diễn Ra:

2 Pb → 2 Pb²⁺ + 4e⁻ Oxy hóa
4e⁻ + O₂ + 2 H₂O → 4OH⁻ Khử
2 Pb + O₂ + 2 H₂O → 2 Pb(OH)₂ Phản ứng tổng thể

Điều này cho thấy các cảm biến này cần bảo trì, vì kết tủa từ chì hydroxit phải được loại bỏ định kỳ. Tuy nhiên, ưu điểm là rõ ràng, những cảm biến này không cần phải kết nối với thiết bị đo liên tục hoặc ít nhất là trong một khoảng thời gian nhất định như các cảm biến polarographic để đạt được đầy đủ chức năng, mà thực tế là sẵn sàng hoạt động ngay cả khi không cắm điện hoặc bật nguồn. Chức năng của các cảm biến oxy điện hóa cũng được mô tả trong tiêu chuẩn DIN EN ISO 5814.

ĐẶC ĐIỂM ĐẶC BIỆT CỦA CẢM BIẾN OXY ĐIỆN HÓA – Đo Oxy Hòa Tan

Cảm biến oxy điện hóa, như bạn có thể thấy từ phương trình trên, tiêu thụ oxy. Oxy này phải được cung cấp. Trong phòng thí nghiệm, cần phải khuấy, nhưng đối với các vùng nước như sông, suối hoặc hồ, dòng chảy tự nhiên thường là đủ. Nếu điều này không được đảm bảo, cảm biến sẽ tiêu thụ nhiều oxy hơn lượng được cung cấp và sẽ cho kết quả đo thấp hơn.

• Sensor head (Đầu cảm biến)
• Flow (Dòng chảy)
• O₂ (Oxy)

Hình 2: Biểu diễn đơn giản hóa hướng dòng chảy của cảm biến oxy galvanic

ĐO LƯỜNG BẰNG OPTODE

Đo DO bằng phương pháp quang học:

• E₁=hf₁
• E₂=hf₂
• Membrane with fluorescent oxygen sensitive dye (Màng với thuốc nhuộm nhạy oxy huỳnh quang)
• Energy₁ > Energy₂ (Năng lượng₁ > Năng lượng₂)

Hình 3: Huỳnh quang: Giảm cường độ và dịch pha khi nồng độ oxy tăng

Vào những năm 90 của thế kỷ 20, việc phát triển các cảm biến oxy quang học, còn gọi là optode, ban đầu bắt đầu trong các ứng dụng y tế để đo hô hấp ký. Vào đầu những năm 2000, loại phép đo này cũng đã tiếp cận thị trường môi trường.

Nguyên tắc của phép đo này dựa trên cái gọi là sự dập tắt (quenching), được mô tả bởi phương trình Stern-Volmer. Có những loại thuốc nhuộm chuyển sang trạng thái kích thích khi được chiếu xạ bằng ánh sáng sóng ngắn và lần lượt phát ra ánh sáng, hành vi này được gọi là huỳnh quang. Ánh sáng phát ra có bước sóng dài hơn đáng kể và do đó năng lượng thấp hơn so với ánh sáng chiếu xạ.

Sự huỳnh quang của một loại thuốc nhuộm thích hợp bị giảm hoặc dập tắt tùy thuộc vào nồng độ của chất gọi là chất dập tắt (trong trường hợp của chúng ta là oxy trong khí quyển).

F₀ / F = 1 + K * [C]

Trong đó F₀ là cường độ huỳnh quang của thuốc nhuộm khi không có chất dập tắt, F là cường độ hiện tại khi có mặt chất dập tắt, K là hằng số Stern-Volmer, và [C] là nồng độ của chất dập tắt.

DỊCH CHUYỂN PHA GIỮA ÁNH SÁNG KÍCH THÍCH VÀ ÁNH SÁNG PHÁT XẠ

Ngoài việc giảm cường độ, còn có một hành vi ổn định hơn nhiều: Khi nồng độ chất dập tắt tăng lên, góc pha giữa ánh sáng chiếu xạ và ánh sáng huỳnh quang dịch chuyển:

CƯỜNG ĐỘ TỐI ĐA KHI KHÔNG CÓ OXY

Phương pháp này hiện cũng là một tiêu chuẩn quốc tế và được mô tả trong DIN ISO 17289-12 2014. Tại HACH, cả cảm biến LDO® 2 sc, được thiết kế cho quy trình xử lý nước thải, và đầu dò IntelliCAL™ LDO101, được thiết kế cho các ứng dụng trong phòng thí nghiệm và hiện trường, đều hoạt động theo nguyên lý này.

Vì các cảm biến oxy quang học không tiêu thụ oxy, việc khuấy về nguyên tắc là không cần thiết, nhưng nó hỗ trợ sự trao đổi oxy hòa tan ở lớp trên cùng, giúp bảo vệ thuốc nhuộm khỏi hư hại.

KẾT LUẬN – Làm Thế Nào Để Đo Oxy Hòa Tan ?

Như vậy, từ phương pháp chuẩn độ Winkler truyền thống đến các cảm biến điện hóa và đặc biệt là công nghệ quang học (optode) tiên tiến, việc đo lường oxy hòa tan ngày càng trở nên chính xác và thuận tiện hơn. Việc lựa chọn giữa cảm biến điện hóa (tiêu thụ oxy, cần dòng chảy/khuấy, cần bảo trì điện cực) và cảm biến quang học (không tiêu thụ oxy, ít cần bảo trì hơn, ổn định với công nghệ LDO) phụ thuộc lớn vào ứng dụng cụ thể, điều kiện vận hành và ngân sách của bạn. Hiểu rõ nguyên lý hoạt động và đặc điểm riêng của từng loại công nghệ là chìa khóa để đưa ra quyết định đầu tư hiệu quả. Để tìm hiểu sâu hơn về các giải pháp đo DO hàng đầu thế giới, các dòng cảm biến phù hợp cho phòng lab hay quan trắc hiện trường, hoặc nhận tư vấn kỹ thuật chi tiết, đừng ngần ngại truy cập website hachvietnam.vn hoặc liên hệ trực tiếp với đội ngũ chuyên gia giàu kinh nghiệm của HACH Việt Nam. Chúng tôi luôn sẵn sàng đồng hành cùng bạn.