MỞ ĐẦU Nƣớc là nhân tố vô cùng quan trọng đối với sự sống. Nƣớc không chỉ phục vụ nhu cầu ăn uống, sinh hoạt đơn thuần mà còn đóng vai trò trọng yếu để tạo ra năng lƣợng hỗ trợ nền kinh tế, phát triển nông nghiệp - công nghiệp, duy trì các dịch vụ sinh thái và những yếu tố khác trong xã hội. Ô nhiễm nƣớc là sự thay đổi theo chiều xấu đi của các tính chất vật lý - hoá học - sinh học của nƣớc, với sự xuất hiện của các chất lạ ở thể lỏng, rắn làm cho nguồn nƣớc trở nên độc hại với con ngƣời và sinh vật, đồng thời làm giảm độ đa dạng sinh vật trong nƣớc. Hiện nay, cùng với tốc độ lan truyền nhanh và quy mô ảnh hƣởng rộng thì ô nhiễm nƣớc đang là vấn đề đáng lo ngại không chỉ của nƣớc ta mà là hiện trạng chung của các quốc gia trên toàn thế giới.
Đã có rất nhiều những công trình nghiên cứu khoa học quy mô phòng thí nghiệm và các dự án ứng dụng thực tế xoay quanh vấn đề ô nhiễm nguồn nƣớc, xử lý nƣớc thải sinh hoạt và công nghiệp ra đời. Trong đó, đề tài thiết kế hệ đo các thông số của môi trƣờng nƣớc (độ đục, pH, nhiệt độ, độ cứng, độ màu, độ dẫn.) nhằm mục đích đánh giá chất lƣợng nƣớc là một đề tài mang tính thời sự và cấp thiết hiện nay. Vì vậy, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo một số thông số môi trƣờng nƣớc” làm đề tài bảo vệ luận văn thạc sĩ của mình. Luận văn tập trung nghiên cứu về các thông số của nƣớc nhƣ độ đục, pH, nhiệt độ.
Sau đó nghiên cứu, tìm hiểu và chế tạo các hệ đo các thông số này trong môi trƣờng nƣớc. Về khả năng ứng dụng thực tiễn, có thể ứng dụng các hệ đo trong luận văn để đo các thông số của môi trƣờng nƣớc là độ đục, pH, nhiệt độ của các loại chất lỏng khác nhau nhƣ: nƣớc sông, nƣớc biển, nƣớc sinh hoạt, nƣớc uống, nƣớc thải sinh hoat và công nghiệp,. Có thể áp dụng trong các quy trình đo đạc và xử lý nƣớc thải hoặc kiểm định chất lƣợng nƣớc. Nội dung chính của luận văn gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Lý thuyết và nguyên lý Chƣơng 3: Thiết kế và khảo sát hệ thống 1 Phạm Thị Tuyết Nhung Chƣơng 1 tìm hiểu và trình bày tổng quan về nƣớc và tầm quan trọng của nƣớc, các thông số của môi trƣờng nƣớc, tìm hiểu chi tiết về các đại lƣợng đo là các thông số độ đục, pH, nhiệt độ của môi trƣờng nƣớc, giới thiệu về cảm biến và các phƣơng pháp đo một số thông số môi trƣờng nƣớc.
Chƣơng 2 trình bày về lý thuyết và nguyên lý chung, nghiên cứu nguyên lý hoạt động của các cảm biến, các hệ đo, lý thuyết vi điều khiển, bộ chuyển đổi tƣơng tự - số, màn hiển thị tinh thể lỏng. Chƣơng 3 trình bày về toàn hệ thống nói chung, tiếp đó là phần thực nghiệm với các hệ đo độ đục, pH, nhiệt độ của hệ thống, đƣa ra kết quả khảo sát cảm biến, nhận xét từng hệ đo, và đánh giá tổng thể toàn hệ thống. Do thời gian thực hiện còn hạn chế, có nhiều khó khăn về trang thiết bị, tài liệu. Do đó luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế, rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến và chỉ bảo của quý thầy cô và bạn đọc.
2 Phạm Thị Tuyết Nhung CHƢƠNG 1. Nƣớc và tầm quan trọng của nƣớc Nƣớc chiếm 70% diện tích quả đất. Trong lƣợng nƣớc có mặt trên quả đất, nƣớc đại dƣơng chiếm khoảng 97%, nƣớc đóng băng ở các cực chiếm khoảng 2%, còn lại khoảng 1% là “nƣớc ngọt” (ao hồ, sông, nƣớc ngầm. Nƣớc có mặt ở khắp mọi nơi và là thành phần quan trọng không thể thiếu của tất cả các ngành nghề và mọi lĩnh vực trong cuộc sống.
Nƣớc đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp khai thác và nuôi trồng thủy hải sản, nƣớc giúp tạo ra điện năng (nhà máy thủy điện Hòa Bình, thủy điện Sơn La, thủy điện IaLy.), nƣớc đóng vai trò không thể thiếu trong nền nông nghiệp lúa nƣớc của các dân tộc Á Đông từ thuở sơ khai cho đến tận bây giờ. Nƣớc là nhân tố chính của dây chuyền công nghiệp sản xuất nƣớc giải khát,. Sức ảnh hƣởng to lớn của nƣớc đối với đời sống con ngƣời là một điều không thể phủ nhận đƣợc. Hình 1: Thành phần nguồn nƣớc trên trái đất Hiện nay, với tình trạng ô nhiễm ngày một nặng và dân số ngày càng tăng, nƣớc sạch dự báo sẽ sớm trở thành một thứ tài nguyên quý giá không kém dầu mỏ trong thế kỷ trƣớc.
Nhƣng không nhƣ dầu mỏ có thể thay thế bằng các loại nhiên liệu khác nhƣ điện, nhiên liệu sinh học, khí đốt. Nƣớc không thể thay thế và trên thế giới tất cả các dân tộc đều cần đến nó để bảo đảm cuộc sống của mình, cho nên 3 Phạm Thị Tuyết Nhung vấn đề nƣớc trở thành chủ đề quan trọng trên các hội đàm quốc tế và những mâu thuẫn về nguồn nƣớc đã đƣợc dự báo trong tƣơng lai [12]. Ô nhiễm môi trƣờng nƣớc ngày càng nghiêm trọng không chỉ với Việt Nam mà còn là thực trạng đáng báo động của các quốc gia trên toàn Thế giới, nhƣ tình trạng ô nhiễm trên bờ biển Barrow ở Alaska, sông Citarum ở Indonesia, sông Hằng ở Ấn Độ, và sông Tô Lịch, sông Cầu, sông Nhuệ, sông Đồng Nai ở Việt Nam (có khoảng thời gian nƣớc sông bị acid hóa với pH xuống dƣới mức 4, nhiều sông ở nƣớc ta bị ô nhiễm môi trƣờng nƣớc nghiêm trọng với các chỉ số vƣợt mức tiêu chuẩn cho phép từ 2 cho đến 50 lần, nhất là hàm lƣợng Colifrom, chỉ số COD, hàm lƣợng NH 4 ,. Để đánh giá chất lƣợng của nƣớc, ngƣời ta đã sử dụng rất nhiều các tiêu chí khác nhau dựa trên các thông số của môi trƣờng nƣớc (độ đục, pH, độ màu, độ dẫn, độ cứng.
Các thông số đánh giá chất lƣợng nƣớc 1. Các thông số vật lý Các thông số vật lý gồm có: pH, Nhiệt độ, Màu sắc, Độ đục, Tổng hàm lƣợng chất rắn (TS), Tổng hàm lƣợng chất rắn lơ lửng (SS), Tổng hàm lƣợng chất rắn hòa tan (DS), Tổng hàm lƣợng các chất dễ bay hơi (VS). Trong khuôn khổ bài luận văn này, tôi tập trung nghiên cứu về một số thông số quan trọng của môi trƣờng nƣớc là độ đục, pH và nhiệt độ. Thông số độ đục của môi trường nước Độ đục dùng để chỉ hiện tƣợng đục của một môi trƣờng chất lỏng và đƣợc định lƣợng bởi cƣờng độ ánh sáng bị tán xạ bởi các hạt lơ lửng trong môi trƣờng [22].
Nhằm mục đích kiểm định chất lƣợng nƣớc, hiệp hội AWWA (American Water Works Association) đã định nghĩa độ đục nhƣ một phép đo không đặc hiệu của một số hạt vật liệu không tan đƣợc có trong nƣớc, bao gồm đất sét, bùn, tảo, các vật chất hữu cơ và các chất vô cơ khác [35]. Phép đo độ đục không đo trực tiếp nồng độ các hạt lơ lửng trong nƣớc mà đo sự tán xạ ánh sáng gây ra bởi các hạt đó. Các phép đo phổ biến nhất cho độ đục ở Hoa Kỳ sử dụng thang đo độ đục với đơn vị đo độ đục khuếch tán NTU (Nephelometric Turbidity Units). Dùng một quy trình nhƣ sau: chiếu một chùm ánh sáng vào một mẫu chất lỏng và đo cƣờng độ ánh sáng bị tán xạ ở 90o so với chùm tia [28].
Nếu có nhiều ánh sáng tiếp xúc với 4 Phạm Thị Tuyết Nhung thiết bị thu tín hiệu (detector) thì sẽ có nhiều hạt nhỏ tán xạ các chùm tia nguồn, tƣơng tự, ít ánh sáng đến các detector có nghĩa là có ít hạt hơn. Đơn vị đo độ đục NTU đƣợc sử dụng để đáp ứng với tiêu chí thiết kế EPA. Lƣợng ánh sáng tán xạ ảnh hƣởng bởi nhiều khía cạnh của các hạt nhƣ màu sắc, hình dạng, và phản xạ. Vì thế, thực tế các hạt nặng hơn có thể giải quyết một cách nhanh chóng và có thể không góp phần vào việc đọc độ đục.
Mối quan hệ giữa độ đục, tổng chất rắn lơ lửng (TSS) có thể thay đổi tùy thuộc vào vị trí mà ta thu thập mẫu thử. Mắt ngƣời có thể phát hiện mức độ đục khoảng dƣới mức 5 hoặc 10 NTU. Mẫu nƣớc với độ đục thấp hơn mức này có thể nhận biết bằng mắt ngƣời, tuy nhiên những mẫu nƣớc nhƣ vậy vẫn có thể chứa một nồng độ của các hạt keo tụ làm giảm hiệu quả khử trùng nƣớc và có thể mang một lƣợng chất gây ô nhiễm hoặc các chất rắn này còn là nơi cƣ trú của các vi khuẩn gây bệnh gây ảnh hƣởng nghiêm trọng đến sức khỏe con ngƣời [36]. Hình 2: Hình ảnh minh họa cho độ đục của dung dịch Ngoài NTU còn có một số thang đo độ đục khác nhƣ: 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. 1 NTU= 1 đơn vị độ đục= 1mg SiO2 / 1L nƣớc cất [3]. Ở Việt Nam, theo thông tƣ ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT ngày 17/06/2009 quy định tiêu chuẩn nƣớc sinh hoạt phải có độ đục dƣới 5 NTU. Thông số pH của môi trường nước 5 Phạm Thị Tuyết Nhung Thuật ngữ pH đƣợc sử dụng rộng rãi để biểu diễn tính acid hoặc tính bazơ (tính kiềm) của dung dịch.
Giá trị pH là chỉ số biểu diễn nồng độ của ion Hiđrô ( H + ), hay nói chính xác hơn là nồng độ hoạt tính của ion Hiđrô ( H + ). pH có vai trò quan trọng trong hầu hết các quá trình của lĩnh vực kỹ thuật môi trƣờng, cấp nƣớc, kiểm định chất lƣợng nƣớc và xử lý nƣớc thải. Công thức để tính pH là [14]: pH= - log10 [H+ ] (1) pH đƣợc chia thành thang điểm từ 0 đến 14 nhƣ sau: Hình 3: Thang chia pH từ 0 đến 14 pH = 7 là dung dịch trung tính pH < 7 là dung dịch acid pH > 7 là dung dịch kiềm Ở Việt Nam, theo thông tƣ ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT ngày 17/06/2009 quy định tiêu chuẩn nƣớc sinh hoạt phải có pH trong khoảng từ 6. Thông số nhiệt độ của môi trường nước và các thang đo nhiệt độ [10] Khái niệm Nhiệt độ là đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho sự nóng, lạnh của một vật hoặc hệ vật trong hệ quy chiếu đƣợc chọn.
