CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO NỒNG ĐỘ ÔXY HÒA TAN 1.1 Giới thiệu nồng độ ôxy hòa tan Ôxy hòa tan còn được gọi tắt là DO (Dissolved Oxygen), là lượng khí ôxy hòa tan trong nước, rất cần thiết cho sự hô hấp của sinh vật dưới nước như cá, tôm, động vật lưỡng cư,. Một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của nước là hàm lượng ôxy hòa tan, ôxy không thể thiếu đối với một số sinh vật sống trên cạn cũng như dưới nước. Ôxy hòa tan thường được tạo ra do sự hòa tan của khí quyển và một phần nhỏ là do sự quang hợp của tảo v. Khi nồng độ DO trở nên quá thấp sẽ dẫn đến hiện tượng khó hô hấp, giảm hoạt động ở các loài động thực vật dưới nước và có thể gây chết.
Ôxy duy trì quá trình trao đổi chất, sinh ra năng lượng cho sự sinh trưởng, sinh sản và tái sản xuất. Các loài sinh vật sống dưới nước như tôm, cá khi hô hấp lấy ôxy vào cơ thể qua mang và hàm lượng ôxy hòa tan trong nước có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hô hấp của chúng. Ôxy là chất khí khó hòa tan trong nước, không tác dụng với nước về mặt hóa học. Độ hòa tan của nó phụ thuộc vào các yếu tố như áp suất, nhiệt độ và các đặc tính của nước (các thành phần hóa học, vi sinh, thủy sinh sống trong nước.
Nồng độ bão hòa của ôxy trong nước thường nằm trong khoảng 8 ÷ 15 mg/l ở nhiệt độ bình thường. 1Nhu cầu nồng độ ôxy tối thiểu của các sinh vật trong nước[7] Để xác định nồng độ ôxy hòa tan trong nước người ta thường dùng phương pháp iôt (phương pháp Winkler). Dựa vào quá trình ôxy hóa Mn2+ thành Mn4+ trong môi trường kiềm và Mn4+ lại có khả năng ôxy hóa I-thành I2 tự do trong môi trường axit. Như vậy lượng I2 được giải phóng tương đương với lượng ôxy hòa tan có trong nước.
z 4 Hiện nay người ta đã sản xuất được các máy đo nồng độ ôxy trong nước có độ chính xác cao phục vụ nghiên cứu và quan trắc môi trường. Việc xác định thông số hàm lượng ôxy hòa tan có ý nghĩa quan trọng trong việc duy trì điều kiện sống của các sinh vật trong nước và môi trường nuôi tôm. 1 Ảnh hưởng của nồng độ ôxy đối với đời sống của tôm[8] Ôxy hòa tan (ppm ) Ảnh hưởng đối với tôm 1,0 Ngạt 2,0 Không lớn 3,0 Chậm lớn 4,0 Sống bình thường 5,0 ÷ 7,0 Khỏe mạnh và nhanh lớn Bảng 1. 2 Bảng các chỉ tiêu yêu cầu chất lượng nước nuôi tôm(Theo Thông tư số 45 /2010/TT-BNNPTNT ngày 22 tháng 7 năm 2010 của Bộ trưởng Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn) TT Chỉ tiêu Đơn vị Mức tối ưu Giới hạn cho phép 1 BOD5 mg/l ≤ 20 < 30 2 NH3 mg/l ≤ 0,1 < 0,3 3 H2S mg/l ≤ 0,03 < 0,05 4 NO2 mg/l ≤ 0,25 < 0,35 7,5 ÷ 8,5 7 ÷ 9, dao động trong 5 pH 8,0 ÷ 8,3 ngày không quá 0,5 o 6 Nhiệt độ C 20 ÷ 30 18 ÷ 33 7 Độ muối %o 10 ÷ 25 5 ÷ 35 8 Ôxy hoà tan (DO) mg/l ≥4 ≥ 3,5 9 Độ trong cm 30 ÷ 35 20 ÷ 50 10 Kiềm mg/l 80 ÷ 120 60 ÷ 180 z 5 Bảng 1.
3Nồng độ ôxy hòa tan trong nước phụ thuộc nhiệt độ, độ muối tại điều kiện không khí ẩm, áp suất 760 mmHg [9]. Độ muối (o/oo , g / l) Nhiệt độ oC 5 10 15 20 25 30 35 5 15 10,07 9,77 9,47 9,19 8,91 8,64 8,38 8,13 16 9,86 9,56 9,28 9,00 8,73 8,47 8,21 7,97 17 9,65 9,36 9,09 8,82 8,55 9,30 8,05 7,81 18 9,45 9,17 8,90 8,64 8,38 8,14 7,90 7,66 19 9,26 8,99 8,73 8,47 8,22 7,98 7,75 7,52 20 9,08 8,81 8,56 8,31 8,06 7,83 7,60 7,38 21 8,90 8,64 8,39 8,15 7,91 7,68 7,46 7,25 22 8,73 8,48 8,23 8,00 7,77 7,54 7,33 7,12 23 8,56 8,32 8,08 7,85 7,63 7,41 7,20 6,99 24 8,40 8,16 7,93 7,71 7,49 7,28 7,07 6,87 25 8,24 8,01 7,79 7,57 7,36 7,15 6,95 6,75 26 8,09 7,87 7,65 7,44 7,23 7,03 6,83 6,64 27 7,95 7,73 7,51 7,31 7,10 6,91 6,72 6,53 28 7,81 7,59 7,38 7,18 6,98 6,79 6,61 6,42 29 7,67 7,46 7,26 7,06 6,87 6,68 6,50 6,32 30 7,54 7,33 7,14 6,94 6,75 6,57 6,39 6,22 1.2 Các phương pháp đo nồng độ ôxy hòa tan Có nhiều phương pháp đo nồng độ ôxy hòa tan khác nhau, mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Tùy từng nhu cầu xác định chỉ số nồng độ ôxy mà chọn các phương pháp đo khác nhau.1 Phương pháp so màu Hai phương pháp phân tích nồng độ ôxy hòa tan bằng cách so màu là phương pháp bột nhuộmvà phương pháp Rhodazine D. Cả hai phương pháp sử dụng thuốc thử đo màu phản ứng và thay đổi màu sắc khi phản ứng với ôxy trong môi trường nước.
Những tương tác này dựa vào phản ứng ôxy hóa, mức độ thay đổi màu sắc tỉ lệ với nồng độ ôxy. Việc đo nồng độ ôxy hòa tan có thể thực hiện bằng máy quang phổ, máy đo màu hoặc một so sánh đơn giản. Máy quang phổ hoặc một máy đo màu cho kết quả chính xác hơn, trong khi đó so sánh dựa vào một bảng màu có các màu hoặc khối màu thì nhanh và ít tốn kém. Tuy nhiên, bằng mắt người thì không khách quan có thể dẫn đến kết quả không chính xác[10].1 Phương pháp bột nhuộm Phương pháp bột nhuộm có thể được sử dụng để đo nồng độ ôxy trong khoảng 0,2 đến 15 ppm (mg/L).
Phương pháp này tạo ra màu xanh, cường độ màu tỉ lệ với nồng độ ôxy hòa tan. Thuốc thử nên để tránh ánh sáng vì để ngoài ánh sáng lâu dài có thể làm hỏng bột nhuộm. Tuy nhiên, phương pháp này không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ mặn hoặc khí hòa tan[10].2 So màu thuốc nhuộm, màu xanh càng đậm nồng độ ôxy hòa tan càng cao.2 Phương pháp Rhodazine D Phương pháp Rhodazine Dlà phương pháp được sử dụng để xác định nồng độ ôxy hòa tan rất thấp,có thểđo nồng độ đếnphần tỷ (ppb).Thuốc thử Rhodazine Dphản ứng với nồng độ ôxy hòa tan ở dạng dung dịch có màu hồng đậm. Phương pháp so màu này không bị ảnh hưởng bởi nước muối hoặc khíhòa tan như lưu huỳnh (sulfide) có thể hiện diện trong các mẫu nước.
Tuy nhiên, một vài chất ôxy hóa cao như Cl2, Fe3+.có thể gây nhiễu và tạo ra giá trị đo nồng độ ôxy cao hơn. Những nguyên nhân khác gây ra sai số là polysulfides, hydroquinone/denzenquinone, boron và hydrogen peroxide (nếu cả hai cùng hiện diện). Ngoài ra, màu sắc mẫu và độ đục có thể ảnh hưởng đến tính chính xác của giá trị đọc. Phương pháp này phụ thuộc thời gian, khi phân tích phải thực hiện 30 giây trộn thuốc thử[10].
3 Khi đo nồng độ ôxy, phương pháp rhodazine D sẽ sinh ra màu hồng.2 Phương pháp đo nồng n độ ôxy hòa tan bằng cảm biến Có hai kỹ ỹ thuật đo nồng độ ôxy hòah tan thường được ợc sử dụng phổ biến đó llà phương pháp đo quang dựa ựa trên tr sự phát quang và phương pháp điện ện hóa Clark hay điện cực phủ màng àng (membrane-covered (membrane electrode) (xem Hình 1. Trong hai kỹ thuật đo này, có các dạng ạng biến thể hơi h khác nhau, ví dụ ụ có hai loại cảm biến quang học. Cả hai loại cảm biến quang đều đo sự phát quang bị ảnh hưởngởng bởi sự hiện diện của ôxy. Tuy nhiên, một ột loại cảm biến đo thời gian sống của phát quang trong khi loại cảm biến kia đo cường ờng độ phát quang.
Hai loại cảm biến điện hóa Clark gồm có Polarographic và Galvanic. 4Sơ Sơ đđồ các loại cảm biến đo nồng độ ôxy[11] 1.1Phương pháp đo nồng độ ôxy bằng cảm biến quang Phương pháp đo nồng ồng độ ôxy h hòa tan bằng phương pháp quang dựaựa vào v thời gian sống và cường độ phát quang của c chất quang hóa, trên nguyên lý ôxy hòa tan làm suy giảm cả thời gian sống vàà cư cường ờng độ phát quang của chất phát quang hóa đđược lựa chọn. Khi không có ôxy hiện diện, thời gian sống và v cường ờng độ của tín hiệu ở mức cực đại. Khi ôxy tiếp xúc với thành th phần nhạy ôxy, cả thời gian sống vàà cư cường độ phát quang trở nên ngắn hơn.
Do đó, th thời gian sống và cường ờng độ phát quang tỷ lệ nghịch với lượng ôxy hiện diện. Ôxy liên tục khuếch tán qua lớp màng, ảnh hưởng đến cường ờng độ phát quang hay thời gian sống ống chất quang hóa (lớp nhạy cảm biến) Thời ời gian sống của lớp phát quang được ợc đo bởi cảm biến vàv so sánh Lượng ôxy đi qua lớp nhạy khí tỉỉ lệ nghịch với thời gian sống hay cường ờng độ phát quang của với ới một giá trị tham khảo lớp phát quang trong lớp cảm biến Hình 1. 5 Nguyên lý hoạt ho động của cảm biến quang [11]] z 8 Để tăng độ chính xác và độ ổn định của phép đo, cảm biến cũng phát ra ánh sángđỏ bị phản xạ lại bởi lớp nhuộm đến photodiode trong cảm biến. Cảm biến đoánh sáng phản xạ và dùng trị số đó như giá trị tham khảo để so sánh với trị số thời giansống phát quang đã được đo trước.
Thời gian sống của phát quang do kích thích bởi ánh sáng xanh dương so sánh với giá trị tham khảo (ánh sáng đỏ) và tính toán được một nồng độ ôxy hòa tan ổn định. Trong hai phương pháp đo quang, ưu điểm của phương pháp đo dựa vào thời gian sống của chất quang hóa cho tín hiệu ổn định hơn trong thời gian dài. Điều này là do sự suy giảm thời gian sống của chất quang hóa (thành phần nhạy ôxy) ít ảnh hưởng hơn đối với phương pháp đo dựa trên cường độ phát quang của chất quang hóa. Do đó, phương pháp đo ôxy dựa vào cường độ phát quang sẽ cần hiệu chuẩn thường xuyên hơn, đặc biệt ở nồng độ ôxy bằng 0.2Phương pháp đo nồng độ ôxy bằng cảm biến điện hóa Cảm biến điện hóa được chia thành 2 loại polarographic và galvanic, cả 2 loại đều có đặc điểm chung là cấu tạo gồm một cathode và một anode được ngăn cách nhau bằng màng lọc thẩm thấu trong dung dịch điện giải.
Các phân tử ôxy hòa tan trong mẫu đo khuếch tán qua màng lọc đến cảm biến ở một tốc độ tỷ lệ với độ chênh lệch áp suất qua nó. Các phân tử ôxy sau đó bị khử ở cathode tạo thành tín hiệu điện di chuyển từ cathode đến anode và sau đó đến thiết bị. Vì ôxy bị khử hay bị tiêu thụ nhanh ở cathode, nên áp suất ôxy dưới màng lọc được cho là bằng 0.