Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự bùng phát của dịch bệnh COVID-19 trên phạm vi toàn cầu cùng tốc độ công nghiệp hóa nhanh chóng đã gia tăng áp lực đối với các vấn đề môi trường và sức khỏe cộng đồng. Đáng chú ý, lượng lớn rác thải hữu cơ công nghiệp chưa qua xử lý triệt để—đặc biệt là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy như phẩm nhuộm và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs)—đang gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước, đất đai và không khí. Các phương pháp xử lý truyền thống (như hấp phụ bằng vật liệu xốp, oxy hóa hóa học hoặc thiêu đốt) thường tốn kém chi phí, tiêu hao nhiều năng lượng hoặc tạo ra các sản phẩm phụ thứ cấp gây hại.

Công nghệ quang xúc tác sử dụng năng lượng ánh sáng để kích hoạt chất bán dẫn, tạo ra các phản ứng oxy hóa khử phân hủy chất hữu cơ độc hại thành các sản phẩm vô cơ vô hại là khí $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$. Để đánh giá chính xác hoạt tính của vật liệu quang xúc tác (như Titanium Dioxide - $\text{TiO}_2$), việc đo lường liên tục và định lượng lượng khí $\text{CO}_2$, nhiệt độ và độ ẩm sinh ra trong buồng phản ứng đóng vai trò then chốt. Nhóm tác giả đã lựa chọn đề tài "Thiết kế và xây dựng hệ thống đo nồng độ $\text{CO}_2$, nhiệt độ và độ ẩm dựa trên hiện tượng quang xúc tác" nhằm cung cấp một công cụ thực nghiệm chuyên dụng, kết hợp giữa kỹ thuật cảm biến và Internet vạn vật (IoT).

Khóa luận xác định hệ thống các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hiện tượng quang xúc tác và nguyên lý ứng dụng trong phát hiện, đo lường các thông số môi trường.
  2. Thiết kế hệ thống cảm biến có khả năng đo lường chính xác các chỉ số nồng độ $\text{CO}_2$, nhiệt độ và độ ẩm với độ nhạy cao.
  3. Xây dựng và triển khai hệ thống phần cứng và phần mềm điều khiển, sau đó tiến hành kiểm tra, hiệu chỉnh hệ thống.
  4. Thực hiện các thí nghiệm trong điều kiện môi trường xác định để đánh giá hiệu suất hệ thống và kiểm chứng động học phản ứng.
  5. Xác định các tiềm năng ứng dụng thực tiễn của hệ thống trong giám sát chất lượng không khí trong nhà, nông nghiệp thông minh và hệ thống HVAC.
  6. Đề xuất các giải pháp cải tiến kỹ thuật và hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai.

Đối tượng nghiên cứu: Kiểm soát lượng khí $\text{CO}_2$ sinh ra trong không khí dựa trên quá trình quang xúc tác sử dụng vật liệu bán dẫn $\text{TiO}_2$.
Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế hệ đo buồng kín quy mô phòng thí nghiệm và thực nghiệm đánh giá sự biến thiên nồng độ $\text{CO}_2$, nhiệt độ, độ ẩm khi quang xúc tác dung dịch phẩm màu Methylene Blue dưới nguồn sáng cực tím (UV).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết vật lý bán dẫn, hóa học quang xúc tác và kỹ thuật đo lường cảm biến:

  • Cơ chế quang xúc tác bán dẫn: Khi bán dẫn hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng độ rộng vùng cấm ($h\nu \ge E_g$), electron ($e^-$) chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, để lại lỗ trống ($h^+$) ở vùng hóa trị. Lỗ trống phản ứng với nước tạo gốc Hydroxyl ($^\bullet\text{OH}$), trong khi electron khử phân tử oxy tạo ion super-oxide ($^\bullet\text{O}_2^-$), hình thành các gốc oxy hóa phản ứng (ROS) phân hủy hợp chất hữu cơ theo phương trình tổng quát: $$\text{Chất hữu cơ} + ^\bullet\text{OH} \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$$
  • Vật liệu bán dẫn Titanium Dioxide ($\text{TiO}_2$): Tồn tại ở ba dạng thù hình chính gồm Anatase (dạng tứ giác, $E_g \approx 3,2\text{ eV}$), Rutile (bền vững nhất, $E_g \approx 3,0\text{ eV}$) và Brookite (trực thoi, giả bền). Trong đó, pha Anatase có hoạt tính quang xúc tác cao nhất nhờ mật độ trạng thái bề mặt thuận lợi cho việc hấp phụ gốc hydroxyl và hạn chế sự tái hợp điện tử - lỗ trống. Nghiên cứu cũng tham chiếu động học phản ứng bậc nhất $\ln(C_0/C) = kt$ từ các công trình trước về vật liệu composite lai hóa $\text{TiO}_2/\text{MoS}_2$.
  • Nguyên lý cảm biến quang học hồng ngoại không phân tán (NDIR): Dựa trên định luật Beer-Lambert: $$I = I_0 e^{-\alpha C L}$$ Trong đó $I_0$ và $I$ là cường độ bức xạ ban đầu và sau hấp thụ, $\alpha$ là hệ số hấp thụ, $C$ là nồng độ khí và $L$ là chiều dài đường truyền quang. Cảm biến sử dụng chùm tia hồng ngoại với bước sóng hấp thụ $4,25\ \mu\text{m}$ đặc trưng cho $\text{CO}_2$ và bước sóng tham chiếu $3,95\ \mu\text{m}$.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa thiết kế kỹ thuật hệ thống nhúng - mạng truyền thông IoT và phương pháp thực nghiệm kiểm chứng tại phòng thí nghiệm. Nguồn dữ liệu thu thập trực tiếp từ cảm biến môi trường theo chu kỳ thời gian thực và lưu trữ vào cơ sở dữ liệu quan hệ.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo mô hình tích hợp khép kín từ tầng phần cứng thu thập đến tầng dịch vụ máy chủ và giao diện người dùng:

Phân hệ Thành phần kỹ thuật Đặc tính và thông số chức năng
Buồng đo quang xúc tác Thân buồng Inox kín Dạng hình trụ, chiều cao $25\text{ cm}$, đường kính $5\text{ cm}$, cách ly khí với môi trường ngoài.
Nguồn kích thích quang Đèn chiếu xạ tia cực tím bước sóng ngắn ($\text{UV } 254\text{ nm}$), chiều dài bóng $22,5\text{ cm}$.
Cảm biến môi trường Sensirion SCD40 (kích thước $10,5\text{ mm}^3$), đo đồng thời $\text{CO}_2$ (công nghệ NDIR), nhiệt độ và độ ẩm.
Khối điều khiển & Thu thập Vi điều khiển ESP32 Devkit V1 (vi xử lý lõi kép $240\text{ MHz}$, $520\text{ KB SRAM}$, $4\text{ MB Flash}$, kết nối Wi-Fi/Bluetooth).
Giao tiếp phần cứng Giao thức $\text{I}^2\text{C}$ đọc dữ liệu cảm biến; nền tảng lập trình ESP-IDF hỗ trợ FreeRTOS.
Giao thức mạng WebSocket (RFC 6455) truyền dữ liệu hai chiều full-duplex liên tục về máy chủ với độ trễ thấp.
Khối máy chủ & Cơ sở dữ liệu Phần cứng máy chủ Máy tính nhúng Single-Board Computer (SBC) Raspberry Pi 4B (SoC Broadcom Quad-core Cortex-A72 $1,5\text{ GHz}$).
Nền tảng Backend Node.js (V8 Engine, mô hình event-driven non-blocking I/O) kết hợp framework ExpressJS (mô hình MVC, RESTful API).
Quản trị dữ liệu PostgreSQL (tuân thủ thuộc tính ACID); tương tác dữ liệu thông qua ORM Sequelize.
Mạng & Truy cập từ xa Công cụ Ngrok tạo đường hầm an toàn (Secure Tunnel) hỗ trợ mã hóa TLS/SSL.
Giao diện người dùng (Web UI) Nền tảng Frontend JavaScript (ES6+), React.js (Functional components, React Hooks: useState, useEffect, useContext).
Quản lý trạng thái Redux (mô hình luồng dữ liệu một chiều One-way data flow: Store, Reducer, Dispatch, Action).
Chức năng hiển thị Biểu đồ thời gian thực các mốc 1h, 2h, 3h; bảng lịch sử dữ liệu; chức năng cấu hình Wi-Fi cho ESP32.

Cơ sở dữ liệu PostgreSQL được chuẩn hóa với bảng lưu trữ gồm các trường: id (serial, khóa chính), co2 (numeric(6,2)), temperature (numeric(5,2)), humidity (numeric(5,2)), packageTime (integer, thời gian trễ gói tin), packageNumber (smallint, số thứ tự gói tin để kiểm soát mất mát) và createdAt (timestamp, thời điểm ghi nhận).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Trình bày tính cấp thiết của việc nghiên cứu công nghệ xử lý ô nhiễm hữu cơ sau đại dịch và trong bối cảnh phát triển công nghiệp. Phân tích ưu thế của công nghệ quang xúc tác sử dụng vật liệu bán dẫn $\text{TiO}_2$. Xác định rõ các mục tiêu thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm, thiết lập mô hình buồng phản ứng kín, cùng phạm vi thử nghiệm định lượng nồng độ $\text{CO}_2$ sinh ra từ quá trình phân hủy quang hóa trong phòng thí nghiệm.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và Kiến trúc hệ thống

Hệ thống hóa toàn bộ lý thuyết về cơ chế quang xúc tác bán dẫn, cấu trúc vùng năng lượng và đặc tính của các pha tinh thể $\text{TiO}_2$ (Anatase, Rutile, Brookite), đồng thời phân tích các nghiên cứu biến tính $\text{TiO}_2/\text{MoS}_2$. Đi sâu vào cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thành phần công nghệ:

  • Máy tính nhúng Raspberry Pi 4B và hệ điều hành Raspberry Pi OS.
  • Nền tảng lập trình Backend Node.js, ExpressJS và hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ PostgreSQL.
  • Công cụ tạo tunnel Ngrok phục vụ giám sát từ xa qua mạng diện rộng.
  • Vi điều khiển ESP32 Devkit V1 kết hợp môi trường phát triển ESP-IDF và giao thức WebSocket.
  • Cảm biến SCD40 dựa trên nguyên lý quang phổ hấp thụ hồng ngoại NDIR và định luật Lambert-Beer.
  • Thiết kế hình học buồng đo Inox kín hình trụ (chiều cao $25\text{ cm}$, đường kính $5\text{ cm}$), vị trí lắp đặt đèn UV $254\text{ nm}$ ($22,5\text{ cm}$), đế chứa mẫu và cảm biến.
  • Kiến trúc phần mềm Web UI xây dựng trên nền tảng React.js và Redux, bao gồm các sơ đồ luồng dữ liệu, quản lý trạng thái bằng React Hooks và giao diện cấu hình mạng Wi-Fi.

Chương 3: Khảo sát hệ đo với quá trình quang xúc tác của vật liệu $\text{TiO}_2$ với dung dịch Methylene Blue

Trình bày quy trình thực nghiệm và các kết quả đo đạc thực tế:

  • Tiến hành khảo sát quá trình quang hóa với các khối lượng chất xúc tác $\text{TiO}_2$ khác nhau ($1\text{ mg}$, $2\text{ mg}$, $3\text{ mg}$, $4\text{ mg}$, $5\text{ mg}$) pha trong dung dịch phẩm màu Methylene Blue dưới nguồn sáng UV $254\text{ nm}$.
  • Ghi nhận diễn biến nồng độ $\text{CO}_2$, nhiệt độ và độ ẩm liên tục trong các mốc thời gian 1 giờ, 2 giờ và 3 giờ.
  • Hiện tượng dung dịch Methylene Blue bị mất màu sau thí nghiệm, chứng minh chất hữu cơ đã bị phân hủy quang xúc tác và chuyển hóa thành $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$ (thể hiện qua hiện tượng đọng hơi nước trên nắp buồng đo).
  • Đánh giá chất lượng đường truyền dữ liệu qua các bài đo kiểm tra gói tin, độ trễ và độ ổn định kết nối WebSocket.

Chương 4: Hướng phát triển

Đề xuất các giải pháp nâng cấp phần cứng và phần mềm, bao gồm mở rộng tích hợp các cảm biến khí khác, tối ưu hóa cấu trúc cơ khí buồng đo và phát triển các giải thuật phân tích tự động trên nền tảng Web.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm và khảo sát hệ thống

Hệ thống đo lường đã thu thập dữ liệu ổn định trong suốt các đợt thử nghiệm quang xúc tác. Các bảng số liệu trong văn bản ghi nhận sự gia tăng nồng độ $\text{CO}_2$ theo thời gian chiếu xạ UV tương ứng với từng khối lượng xúc tác $\text{TiO}_2$:

Khối lượng $\text{TiO}_2$ Nồng độ $\text{CO}_2$ ban đầu (ppm) Nồng độ $\text{CO}_2$ sau 1 giờ (ppm) Nồng độ $\text{CO}_2$ sau 2 giờ (ppm) Nồng độ $\text{CO}_2$ sau 3 giờ (ppm) Mức tăng sau 3 giờ (ppm)
$1\text{ mg}$ 435,00 485,50 532,20 578,40 +143,40
$2\text{ mg}$ 440,20 510,80 580,60 645,10 +204,90
$3\text{ mg}$ 438,50 545,00 635,40 720,80 +282,30
$4\text{ mg}$ 442,10 570,30 678,90 785,50 +343,40
$5\text{ mg}$ 439,00 598,60 725,10 842,30 +403,30

Ghi chú: Nồng độ $\text{CO}_2$ tỷ lệ thuận với thời gian chiếu xạ và khối lượng $\text{TiO}_2$, phản ánh quá trình khoáng hóa Methylene Blue thành $\text{CO}_2$ diễn ra liên tục.

Biến thiên nhiệt độ và độ ẩm bên trong buồng phản ứng sau 3 giờ chiếu xạ liên tục:

  • Nhiệt độ: Tăng dần từ mức ban đầu khoảng $28,5^\circ\text{C} - 29,2^\circ\text{C}$ lên mức bão hòa $37,8^\circ\text{C} - 39,5^\circ\text{C}$ do nhiệt lượng tỏa ra từ đèn UV $254\text{ nm}$.
  • Độ ẩm: Tăng mạnh từ khoảng $60% - 65%$ lên đạt ngưỡng bão hòa $92% - 95%$, kèm theo hiện tượng ngưng tụ giọt nước rõ rệt trên bề mặt nắp buồng đo Inox, khẳng định phản ứng sinh ra sản phẩm $\text{H}_2\text{O}$.

Đánh giá hiệu năng mạng và truyền nhận gói tin (Bảng 3-6 và Bảng 3-7 trong văn bản):

  • Hệ thống duy trì kết nối WebSocket ổn định giữa ESP32 và máy chủ Raspberry Pi 4B.
  • Tỷ lệ mất gói tin đạt mức dưới $0,5%$ trong các phiên đo chính thức kéo dài 3 giờ, thời gian trễ gói tin trung bình (packageTime) duy trì trong khoảng $15 - 35\text{ ms}$.

2. Đóng góp của đề tài

  • Chế tạo thành công hệ buồng đo kín chuyên dụng bằng Inox tích hợp cảm biến NDIR Sensirion SCD40, khắc phục hiện tượng rò rỉ khí và loại bỏ nhiễu $\text{CO}_2$ từ môi trường ngoài.
  • Xây dựng giải pháp IoT hoàn chỉnh kết hợp ESP-IDF, WebSocket, Node.js/ExpressJS, PostgreSQL và React/Redux cho phép giám sát trực quan động học quang xúc tác theo thời gian thực với chi phí thấp.
  • Cung cấp phương pháp thực nghiệm định lượng quá trình phân hủy chất hữu cơ thông qua đo trực tiếp sản phẩm khí $\text{CO}_2$, bổ trợ cho phương pháp đo phổ hấp thụ UV-Vis truyền thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Thử nghiệm chỉ mới thực hiện ở quy mô buồng đo tĩnh trong phòng thí nghiệm với dung dịch mẫu Methylene Blue và chất xúc tác $\text{TiO}_2$ thương mại.
  • Hiện tượng nhiệt lượng tỏa ra từ đèn UV làm tăng nhiệt độ buồng đo và gây đọng nước trên bề mặt nắp buồng, có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ và độ nhạy cục bộ của cảm biến khi đo dài ngày.
  • Hệ thống chưa có cơ chế cấp khí liên tục hoặc đảo trộn tự động trong buồng đo.

Hướng nghiên cứu tiếp theo (theo Chương 4)

  • Tích hợp thêm các mô-đun cảm biến đo khí độc hại khác như VOCs, $\text{NO}_x$, $\text{CO}$ và $\text{SO}_2$ nhằm đánh giá toàn diện khả năng xử lý khí thải của vật liệu.
  • Mở rộng khảo sát với các vật liệu bán dẫn tiên tiến và cấu trúc nano composite (như $\text{TiO}_2/\text{MoS}_2$, $\text{TiO}_2/\text{Graphene}$) dưới ánh sáng khả kiến.
  • Cải tiến thiết kế cơ khí buồng đo: bổ sung hệ thống quạt tuần hoàn khí vi mô và cơ chế kiểm soát nhiệt ẩm chủ động để chống đọng sương trên cảm biến.
  • Phát triển thêm thuật toán tự động tính toán hằng số tốc độ phản ứng $k$ và tỷ lệ phần trăm phân hủy trực tiếp trên giao diện Web.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành:

  • Kỹ thuật Máy tính và Hệ thống Nhúng/IoT: Tham khảo kiến trúc kết hợp vi điều khiển ESP32 lập trình trên ESP-IDF với máy tính nhúng Raspberry Pi 4B; kỹ thuật truyền thông thời gian thực qua giao thức WebSocket; thiết kế cơ sở dữ liệu PostgreSQL lưu trữ chuỗi thời gian (time-series).
  • Kỹ thuật Môi trường và Khoa học Vật liệu: Tham khảo mô hình thiết kế buồng kín đo đạc động học quang xúc tác; cơ chế phân hủy hợp chất hữu cơ của $\text{TiO}_2$; phương pháp ứng dụng cảm biến quang phổ NDIR để định lượng sản phẩm khí $\text{CO}_2$.

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến Sensirion SCD40 sử dụng nguyên lý nào để đo nồng độ $\text{CO}_2$?

Cảm biến SCD40 hoạt động dựa trên nguyên lý quang học hồng ngoại không phân tán (NDIR) kết hợp định luật Beer-Lambert ($I = I_0 e^{-\alpha C L}$). Cảm biến sử dụng nguồn phát hồng ngoại phát ra bức xạ qua buồng khí và sử dụng hai bộ lọc quang học: bước sóng $4,25\ \mu\text{m}$ (bước sóng hấp thụ mạnh nhất của phân tử $\text{CO}_2$) và bước sóng tham chiếu $3,95\ \mu\text{m}$ (không bị khí nào hấp thụ) để đối chiếu, chuyển đổi thành tín hiệu điện tính toán nồng độ $\text{CO}_2$ chính xác.

2. Cấu trúc phần cứng của hệ thống thu thập và xử lý trung tâm gồm những thiết bị gì?

Phần cứng gồm:

  • Buồng đo hình trụ bằng Inox (chiều cao $25\text{ cm}$, đường kính $5\text{ cm}$) gắn đèn UV bước sóng $254\text{ nm}$ (dài $22,5\text{ cm}$).
  • Cảm biến môi trường SCD40 kết nối với vi điều khiển ESP32 Devkit V1 qua giao tiếp $\text{I}^2\text{C}$.
  • Máy tính nhúng Raspberry Pi 4B đóng vai trò máy chủ trung tâm chạy Node.js/ExpressJS và cơ sở dữ liệu PostgreSQL.

3. Tại sao pha Anatase của $\text{TiO}_2$ lại có hoạt tính quang xúc tác vượt trội hơn pha Rutile?

Pha Anatase có độ rộng vùng cấm $E_g \approx 3,2\text{ eV}$ lớn hơn so với Rutile ($E_g \approx 3,0\text{ eV}$), đồng thời sở hữu cấu trúc tinh thể với mật độ trạng thái bề mặt cao hơn, giúp các gốc hydroxyl dễ dàng hấp phụ. Ngoài ra, Anatase có tỷ lệ tái hợp giữa electron quang sinh và lỗ trống thấp hơn cùng độ linh động hạt tải cao hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng oxy hóa khử phân hủy chất bẩn.

4. Cơ sở dữ liệu PostgreSQL trên Raspberry Pi 4B lưu trữ những trường dữ liệu cụ thể nào?

Bảng cơ sở dữ liệu gồm 7 trường thông tin:

  • id (serial): Khóa chính tự tăng.
  • co2 (numeric(6,2)): Nồng độ $\text{CO}_2$ đo được từ buồng phản ứng.
  • temperature (numeric(5,2)): Nhiệt độ bên trong buồng đo.
  • humidity (numeric(5,2)): Độ ẩm bên trong buồng đo.
  • packageTime (integer): Thời gian trễ của gói tin từ Web đến WebSocket và phản hồi lại.
  • packageNumber (smallint): Số thứ tự gói tin phục vụ kiểm soát mất mát dữ liệu.
  • createdAt (timestamp): Thời điểm thực hiện phép đo.

5. Quá trình quang xúc tác giữa $\text{TiO}_2$ và dung dịch Methylene Blue sinh ra những sản phẩm gì và được hệ thống ghi nhận ra sao?

Dưới bức xạ UV $254\text{ nm}$, $\text{TiO}_2$ kích hoạt các gốc oxy hóa $^\bullet\text{OH}$ và $^\bullet\text{O}_2^-$ phân hủy Methylene Blue thành hai sản phẩm vô cơ vô hại là khí $\text{CO}_2$ và hơi nước $\text{H}_2\text{O}$. Quá trình này được chứng minh qua:

  • Nồng độ $\text{CO}_2$ tăng liên tục (từ khoảng $435 - 442\text{ ppm}$ lên đến $578 - 842\text{ ppm}$ tùy khối lượng mẫu sau 3 giờ).
  • Độ ẩm tăng đến mức bão hòa ($>90%$) gây ngưng tụ nước trên nắp buồng đo.
  • Dung dịch Methylene Blue mất màu hoàn toàn sau thực nghiệm.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp đã nghiên cứu và hiện thực hóa thành công hệ thống giám sát nồng độ $\text{CO}_2$, nhiệt độ và độ ẩm phục vụ đánh giá quá trình quang xúc tác bán dẫn. Giải pháp kết hợp buồng phản ứng Inox kín, cảm biến quang học NDIR SCD40, vi điều khiển ESP32 và máy chủ IoT trên Raspberry Pi 4B đảm bảo thu thập dữ liệu chính xác, liên tục và trực quan hóa theo thời gian thực. Các kết quả thực nghiệm với vật liệu $\text{TiO}_2$ và dung dịch Methylene Blue đã kiểm chứng rõ nét động học sinh khí $\text{CO}_2$ và hơi nước từ phản ứng quang phân hủy. Đề tài mở ra hướng tiếp cận giàu tiềm năng trong việc ứng dụng công nghệ IoT vào nghiên cứu vật liệu mới và quan trắc môi trường.