Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Khóa luận tốt nghiệp đại học "Ứng dụng công nghệ kỹ thuật số xác định hàm lượng sắt tổng trong nước mặt" được thực hiện bởi sinh viên Đặng Thị Thuý Anh, chuyên ngành Khoa học Môi trường, Khoa Môi trường, Trường Đại học Nông Lâm – Đại học Thái Nguyên (niên khóa 2014 – 2018), dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Trần Văn Điền.
Tại Việt Nam, sự gia tăng nhanh chóng của các khu công nghiệp quy mô lớn cùng các nhà máy, xí nghiệp làm phát sinh nguồn nước thải công nghiệp chứa hàm lượng kim loại nặng cao như sắt (Fe), thạch tín (As), crom (Cr), niken (Ni), đồng (Cu), kẽm (Zn), chì (Pb), cadimi (Cd). Môi trường nước là môi trường chịu tác động trực tiếp và có khả năng phát tán kim loại nặng đi xa nhất, đe dọa chuỗi thức ăn và sức khỏe cộng đồng. Trong đó, sắt là kim loại phổ biến trong vỏ Trái Đất và các nguồn nước tự nhiên. Khi tồn tại ở hàm lượng dư thừa, sắt II ($Fe^{2+}$) phản ứng với perôxít trong cơ thể sản sinh các gốc tự do mất kiểm soát, gây nên hội chứng quá tải sắt (hemochromatosis), xơ gan, tiểu đường, suy tim, tổn thương não và ung thư. Nhiễm độc sắt cấp tính có thể dẫn đến viêm dạ dày, nôn mửa, tiêu chảy, hôn mê và sốc; liều lượng 1 gam sắt có thể gây ngộ độc nghiêm trọng và liều 3 gam có thể gây tử vong ở trẻ 2 tuổi. Giới hạn hấp thu tối đa (DRI) được khuyến nghị là 45 mg/ngày đối với người lớn và 40 mg/ngày đối với trẻ em dưới 14 tuổi. Về mặt cảm quan và kỹ thuật, nước nhiễm sắt có mùi tanh khó chịu, chuyển màu nâu đỏ do kết tủa $Fe(OH)_3$, làm ố vàng quần áo, gây lắng cặn tắc nghẽn đường ống dẫn nước và làm hư hỏng chất lượng sản phẩm trong các ngành sản xuất giấy, dệt may, thực phẩm, dược phẩm.
Để định lượng sắt trong nước, các phương pháp phân tích hiện đại như quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), phổ khối plasma cảm ứng cao tần (ICP-MS), cực phổ Von-Ampe hòa tan đòi hỏi thiết bị phức tạp, chi phí đầu tư lớn và quy trình vận hành tốn kém. Phương pháp trắc quang phổ biến nhờ độ nhạy, tính kinh tế và thao tác đơn giản. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài kết hợp phương pháp trắc quang tạo phức màu truyền thống với công nghệ chụp ảnh kỹ thuật số nhằm xây dựng một phương án xác định hàm lượng sắt tổng có chi phí thấp và thuận tiện trong thực nghiệm.
Mục tiêu nghiên cứu được tác giả xác định cụ thể như sau:
- 1.1 Mục tiêu chung: Xác định hàm lượng tổng sắt trong các mẫu nước mặt bằng phương pháp đo màu sử dụng ảnh kỹ thuật số.
- 1.2 Mục tiêu cụ thể:
- Nghiên cứu đặc điểm của Sắt và các hợp chất của Sắt trong nước.
- Áp dụng công nghệ kỹ thuật số vào phương pháp trắc quang để xác định hàm lượng Sắt trong nước.
- Áp dụng phương pháp so màu để xác định hàm lượng Sắt trong một số mẫu nước mặt.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Dung dịch nước pha sắt trong phòng thí nghiệm (điều chế từ hóa chất $FeCl_3 \cdot 6H_2O$) và các mẫu nước mặt tự nhiên.
- Địa điểm và không gian nghiên cứu: Phòng thí nghiệm Khoa Môi trường, Trường Đại học Nông Lâm – Đại học Thái Nguyên; lấy mẫu nước mặt tại 3 địa điểm trên địa bàn xã Quyết Thắng, thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên (Ao cá Bác Hồ thuộc Trường Đại học Nông Lâm, Đập tràn Nông Lâm, Ao cá Thanh Niên).
- Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 01/2018 đến tháng 05/2018; thời điểm lấy mẫu nước mặt thực tế vào ngày 01/05/2018.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khóa luận thiết lập nền tảng lý thuyết dựa trên các nội dung:
- Khái niệm về nước, nước sạch, nguồn gốc phát tán của kim loại nặng trong tự nhiên và nhân tạo (công nghiệp, nông nghiệp, giao thông).
- Đặc tính lý - hóa học của sắt: Nguyên tố nhóm VIIIB, chu kỳ 4, số hiệu nguyên tử 26, nguyên tử khối 55,845; các dạng thù hình $\alpha$, $\gamma$, $\delta$, $\varepsilon$. Trong thủy quyển, nước ngầm thiếu khí chủ yếu chứa ion hòa tan $Fe^{2+}$ ($Fe(HCO_3)_2$, $FeSO_4$); khi tiếp xúc không khí hoặc trong nước mặt kiềm, sắt chuyển thành dạng $Fe^{3+}$ kết tủa $Fe(OH)_3$ dạng keo hoặc huyền phù ít tan, hàm lượng tự nhiên hiếm khi vượt quá 1 mg/l.
- Định luật Bouguer – Lambert – Beer trong phân tích trắc quang: $$A = \varepsilon \cdot l \cdot C = -\lg T = \lg\left(\frac{I_0}{I}\right)$$ Trong đó $A$ là độ hấp thu quang học, $\varepsilon$ là hệ số hấp thu phân tử, $l$ là bề dày cuvet, $C$ là nồng độ chất tan, $T$ là độ truyền suốt ($I/I_0$). Phép đo trắc quang sử dụng vùng tử ngoại gần và khả kiến (UV-Vis: 200 – 800 nm).
- Mô hình không gian màu kỹ thuật số: Không gian màu cộng RGB biểu diễn màu sắc qua ba thành phần độc lập gồm Đỏ (Red - bước sóng 700 nm), Xanh lá (Green - bước sóng 546,1 nm) và Xanh lam (Blue - bước sóng 435,8 nm), với cường độ mỗi kênh dao động từ 0 đến 255. Ngoài ra, tác giả điểm qua các hệ màu CMYK (hệ màu trừ trong in ấn), HSB (Hue, Saturation, Brightness) và Lab.
- Tổng quan nghiên cứu liên quan: Kế thừa nghiên cứu của Phan Vĩnh Thịnh và cộng sự (2013) về đo màu kỹ thuật số kiểm tra chất lượng bia và nước; nghiên cứu của Trần Hải Đăng và cộng sự (2014) tại Trường Đại học Воронежский ГАСУ (Nga) về định lượng phenol và dẫn xuất phenol qua biến thiên màu sắc kỹ thuật số.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm:
- Phương pháp lấy mẫu: Thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 6663-1:2010 về hướng dẫn lấy mẫu nước mặt.
- Tiêu chuẩn quy chuẩn đối chiếu: QCVN 08-MT:2015/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt), QCVN 01:2009/BYT (nước ăn uống), QCVN 02:2009/BYT (nước sinh hoạt).
- Hóa chất và dụng cụ: Hóa chất độ tinh khiết phân tích (p.a.) gồm muối $FeCl_3 \cdot 6H_2O$, thuốc thử tạo phức Phenanthrolin ($C_{12}H_8N_2$), dung dịch $NaOH$ loãng, dung dịch $HCl$ đặc, nước cất hai lần. Dụng cụ gồm cân phân tích Scientech SA 210 (độ chính xác 0,0001 g), bình định mức (25, 50, 100, 250 ml), cốc thủy tinh, pipet vạch, cuvet đo quang.
- Bố trí thí nghiệm:
- Pha dung dịch chuẩn gốc Fe(III) nồng độ 1000 ppm: Cân chính xác 0,029 g $FeCl_3 \cdot 6H_2O$, hòa tan bằng $NaOH$ loãng, định mức thành 100,00 ml.
- Pha dung dịch thuốc thử Phenanthrolin: Cân 0,01 g Phenanthrolin hòa tan trong 100,0 ml nước cất nóng (hoặc bổ sung 2 giọt $HCl$ đặc).
- Chuỗi dung dịch chuẩn: Thiết lập 5 công thức nồng độ sắt ($C_1 = 1\text{ mg/l}$, $C_2 = 5\text{ mg/l}$, $C_3 = 10\text{ mg/l}$, $C_4 = 15\text{ mg/l}$, $C_5 = 20\text{ mg/l}$), mỗi công thức thêm 10 ml Phenanthrolin, định mức bằng nước cất lên 100 ml, lắc đều 10 phút. Thí nghiệm bố trí 3 lần nhắc lại cho mỗi công thức (tổng số 15 bình định mức).
- Xử lý mẫu nước mặt: Lấy mẫu nước tự nhiên tại 3 điểm quan trắc, bổ sung 10 ml thuốc thử Phenanthrolin, định mức 100 ml và lắc 10 phút tương tự mẫu chuẩn.
- Kỹ thuật chụp ảnh và trích xuất dữ liệu:
- Cuvet chứa mẫu được đặt tại vị trí trung tâm trước gương trong hộp chụp chuyên dụng khép kín, chiếu sáng bằng 2 bóng đèn ánh sáng trắng công suất 70W để đảm bảo cường độ sáng ổn định.
- Sử dụng máy ảnh kỹ thuật số Canon 650D đặt ở chế độ chụp tự động (Auto), ống kính hướng qua lỗ tròn trên nắp hộp. Mỗi mẫu được chụp lặp lại 3 lần ở cùng khoảng cách và góc độ.
- Xử lý ảnh: Sử dụng phần mềm Adobe Photoshop CS3 Lite, dùng công cụ Blur Tool làm đồng nhất màu sắc trên bề mặt ảnh phản xạ qua kính, trích xuất các thông số tọa độ màu R, G, B và tính giá trị tổng RGB.
- Xử lý số liệu: Nhập dữ liệu vào Microsoft Excel 2013 để tính giá trị trung bình (khoảng tin cậy $P = 0,95$, $n = 3$), lập đồ thị và xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính đường chuẩn phụ thuộc giữa cường độ màu và nồng độ sắt.
- Phương pháp đối chứng: Đo song song các mẫu nước mặt trên máy quang phổ UV-Vis để làm giá trị chuẩn so sánh, từ đó tính toán phần trăm sai số của phương pháp đo màu kỹ thuật số.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1.1 Tính cấp thiết, Mục tiêu, Ý nghĩa của đề tài
Chương mở đầu trình bày thực trạng ô nhiễm môi trường nước do chất thải công nghiệp chứa kim loại nặng, phân tích độc tính của sắt đối với sức khỏe con người và sinh vật, cũng như các tác động tiêu cực đến đời sống sinh hoạt và sản xuất công nghiệp. Tác giả tổng quan các phương pháp xác định sắt hiện có, chỉ ra ưu điểm của phương pháp trắc quang và nêu bật tiềm năng ứng dụng công nghệ hình ảnh kỹ thuật số. Chương này xác định rõ mục tiêu chung, mục tiêu cụ thể, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài trong việc bổ sung giải pháp phân tích môi trường chi phí thấp.
Chương II. Tổng quan tài liệu
Chương này hệ thống hóa các khái niệm cơ bản về tài nguyên nước, các dạng tồn tại của nước trên Trái Đất theo số liệu UNESCO, vai trò sinh học và khí hậu của nước. Tác giả phân tích nguồn gốc phát sinh tự nhiên và nhân tạo của kim loại nặng trong môi trường. Nội dung trọng tâm đi sâu vào nguyên tố sắt: vị trí trong bảng tuần hoàn, các dạng thù hình tinh thể ($\alpha$, $\gamma$, $\delta$, $\varepsilon$), cấu trúc domain từ tính, tính chất vật lý, hóa học, lịch sử khai thác và sử dụng sắt từ thời cổ đại đến cuộc cách mạng công nghiệp, cùng độc tính sinh học của sắt dư thừa. Về mặt kỹ thuật, chương tổng quan nguyên lý trắc quang phổ hấp thụ phân tử, định luật Bouguer – Lambert – Beer, các kỹ thuật phân tích UV-Vis (đường chuẩn, thêm chuẩn, đo vi sai), các hệ không gian màu kỹ thuật số (RGB, CMYK, HSB, Lab) và tổng thuật các công trình nghiên cứu sử dụng ảnh kỹ thuật số của Phan Vĩnh Thịnh (2013) và Trần Hải Đăng (2014).
Chương III. Đối tượng, phạm vi, nội dung nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu
Chương phương pháp mô tả chi tiết đối tượng nghiên cứu (nước pha sắt và nước mặt xã Quyết Thắng, thành phố Thái Nguyên) cùng thời gian thực hiện (01/2018 – 05/2018). Tác giả trình bày phương pháp thu thập số liệu thứ cấp, quy trình lấy mẫu nước mặt tại 3 vị trí (Ao cá Bác Hồ, Đập tràn Nông Lâm, Ao cá Thanh Niên vào ngày 01/05/2018) theo TCVN 6663-1:2010. Quy trình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm được chuẩn hóa từ khâu pha chế dung dịch gốc Fe(III) 1000 ppm từ muối $FeCl_3 \cdot 6H_2O$, chuẩn bị thuốc thử Phenanthrolin, bố trí dãy chuẩn 5 nồng độ (1 đến 20 mg/l) với 3 lần lặp lại. Tác giả mô tả chi tiết cấu tạo hộp chụp ảnh có gắn 2 đèn 70W, thao tác chụp bằng máy ảnh Canon 650D, quy trình làm mịn màu bằng công cụ Blur Tool trên phần mềm Photoshop CS3 Lite để lấy giá trị RGB và kỹ thuật xử lý dữ liệu hồi quy trên Excel 2013.
Chương IV. Các kết quả nghiên cứu đạt được
Chương này trình bày các phát hiện thực nghiệm và phân tích dữ liệu:
- Phân tích dạng tồn tại của sắt trong môi trường nước: $Fe^{3+}$ kết tủa hydroxyt keo ít tan trong nước mặt kiềm ($< 1\text{ mg/l}$) và $Fe^{2+}$ hòa tan trong nước ngầm thiếu khí. Nêu tác hại cảm quan (nước có mùi tanh, biến màu nâu đỏ, cặn đường ống) và các triệu chứng ngộ độc khi tiếp xúc nguồn nước nhiễm sắt. Trích dẫn ngưỡng giới hạn của sắt theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT (loại A1: 0,5 mg/l; loại B1: 2 mg/l).
- Xây dựng đường chuẩn màu kỹ thuật số: Đo thông số RGB của 5 mức nồng độ chuẩn sắt ($n = 3$, $P = 0,95$), ghi nhận sự tăng dần của các giá trị R, G, B theo nồng độ sắt. Thiết lập 4 phương trình đường chuẩn cho các kênh R, G, B và RGB tổng. Trong đó, kênh R cho hệ số xác định cao nhất ($R^2 = 0,9635$).
- Xác định nồng độ sắt trong các mẫu nước mặt thực tế: Trích xuất tọa độ màu của 3 mẫu nước mặt, tính toán hàm lượng sắt dựa trên các phương trình đường chuẩn tương ứng. Kết quả cho thấy hàm lượng sắt tính toán giữa các kênh màu có sự khác biệt lớn.
- Đánh giá sai số so với phương pháp đối chứng UV-Vis: Nồng độ sắt đo bằng máy UV-Vis đạt 2,96 mg/l (Ao cá Bác Hồ), 5,43 mg/l (Đập tràn Nông Lâm) và 3,58 mg/l (Ao cá Thanh Niên). So sánh cho thấy đường chuẩn kênh R có độ chính xác cao nhất với sai số dao động từ 12% đến 15%, trong khi các kênh G, B và RGB tổng có sai số rất lớn (lên tới 165% - 191%). Nồng độ sắt tại cả 3 điểm khảo sát đều vượt quy chuẩn nước mặt cho phép từ 2 đến 3 lần (đối chiếu cột B1 của QCVN 08-MT:2015/BTNMT).
Phần 5. Kết luận và đề nghị
Tác giả tóm kết 3 phát hiện chính của khóa luận: (1) Sắt trong nước mặt chủ yếu ở dạng $Fe^{3+}$ ít tan, hàm lượng tự nhiên hiếm khi vượt 1 mg/l; (2) Hàm lượng sắt tại 3 điểm nước mặt xã Quyết Thắng đo bằng phương pháp màu kỹ thuật số (kênh R) và UV-Vis đều vượt ngưỡng quy chuẩn từ 2 đến 3 lần; (3) Đường chuẩn kênh màu R có phương sai lớn nhất ($R^2 \approx 0,96$), cho sai số nhỏ nhất so với UV-Vis ($< 15%$), chứng minh tính khả thi của phương pháp đo màu kỹ thuật số. Đề tài kiến nghị tiếp tục nghiên cứu sâu hơn để ứng dụng phương pháp này vào thực tiễn phân tích môi trường.
Kết quả và đóng góp
Khóa luận thu được các tập số liệu thực nghiệm định lượng chi tiết qua các bảng tổng hợp sau:
Bảng 1: Giá trị cường độ màu RGB của dãy dung dịch chuẩn pha sắt ($n=3, P=0,95$)
| STT | Nồng độ Fe (mg/l) | Giá trị R | Giá trị G | Giá trị B | Tổng RGB (R+G+B) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | $88 \pm 2$ | $87 \pm 1$ | $65 \pm 2$ | $240 \pm 5$ |
| 2 | 5 | $105 \pm 1$ | $98 \pm 2$ | $83 \pm 1$ | $286 \pm 4$ |
| 3 | 10 | $113 \pm 1$ | $101 \pm 1$ | $85 \pm 1$ | $299 \pm 3$ |
| 4 | 15 | $122 \pm 2$ | $102 \pm 2$ | $88 \pm 1$ | $306 \pm 5$ |
| 5 | 20 | $145 \pm 1$ | $129 \pm 2$ | $92 \pm 3$ | $359 \pm 6$ |
Bảng 2: Phương trình hồi quy đường chuẩn của các kênh màu
| Kênh màu | Phương trình đường chuẩn | Hệ số xác định ($R^2$) |
|---|---|---|
| Kênh Đỏ (R) | $R = 13,1 \cdot C + 75,3$ (trên đồ thị ghi $y = 13,1x + 75,1$) | 0,9635 (đồ thị ghi 0,9613) |
| Kênh Xanh lá (G) | $G = 8,8 \cdot C + 77$ | 0,8057 |
| Kênh Xanh lam (B) | $B = 5,9 \cdot C + 64,9$ | 0,8036 |
| Tổng hợp RGB | $RGB = 25,8 \cdot C + 220,6$ | 0,9126 |
Bảng 3: Thông số màu RGB của các mẫu nước mặt thu thập ($n=3, P=0,95$)
| Tên mẫu nước mặt | Giá trị R | Giá trị G | Giá trị B | Tổng RGB |
|---|---|---|---|---|
| Ao cá Bác Hồ | $116 \pm 2$ | $111 \pm 2$ | $107 \pm 2$ | $334 \pm 6$ |
| Đập tràn Nông Lâm | $127 \pm 1$ | $121 \pm 2$ | $108 \pm 1$ | $356 \pm 4$ |
| Ao cá Thanh Niên | $125 \pm 1$ | $123 \pm 2$ | $119 \pm 2$ | $367 \pm 5$ |
Bảng 4: So sánh hàm lượng sắt tổng giữa phương pháp đo màu kỹ thuật số và UV-Vis cùng tỷ lệ sai số
| Tên mẫu nước | Fe theo R (mg/l) | Fe theo G (mg/l) | Fe theo B (mg/l) | Fe theo RGB (mg/l) | Fe đo bằng UV-Vis (mg/l) | Sai số kênh R (%) | Sai số kênh G (%) | Sai số kênh B (%) | Sai số tổng RGB (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ao cá Bác Hồ | 3,10 | 2,73 | 2,42 | 4,40 | 2,96 | 14 | 23 | 54 | 144 |
| Đập tràn Nông Lâm | 5,68 | 5,00 | 3,52 | 5,20 | 5,43 | 15 | 43 | 191 | 23 |
| Ao cá Thanh Niên | 3,70 | 5,23 | 5,16 | 4,48 | 3,58 | 12 | 165 | 158 | 90 |
Đóng góp của đề tài:
- Về mặt phương pháp luận: Chứng minh thực nghiệm rằng kênh màu Đỏ (R) có tương quan tuyến tính chặt chẽ nhất với nồng độ phức màu sắt - phenanthrolin ($R^2 = 0,9635$). Sai số định lượng của kênh R so với phương pháp đối chứng UV-Vis nằm trong khoảng $12% - 15%$ (không vượt quá 15%), cho thấy khả năng ứng dụng ảnh kỹ thuật số vào phân tích bán định lượng hoặc định lượng gần đúng hàm lượng kim loại nặng mà không cần máy trắc quang đắt tiền.
- Về mặt thực tiễn: Cung cấp dữ liệu quan trắc cụ thể về hàm lượng sắt tổng tại 3 nguồn nước mặt thuộc xã Quyết Thắng, TP. Thái Nguyên. Kết quả phân tích (2,96 – 5,43 mg/l) đều vượt từ 2 đến gần 3 lần so với giới hạn cột B1 (2 mg/l) và vượt gấp 6 đến gần 11 lần so với cột A1 (0,5 mg/l) của QCVN 08-MT:2015/BTNMT, chỉ ra nguy cơ ô nhiễm sắt tại các thủy vực này.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Khóa luận bộc lộ một số hạn chế gắn liền với phạm vi nghiên cứu thực nghiệm:
- Hạn chế về kênh màu: Các kênh Xanh lá (G), Xanh lam (B) và tổng hợp RGB có hệ số tương quan thấp ($R^2 \approx 0,80 - 0,91$) và mắc sai số rất cao khi quy đổi nồng độ thực tế (sai số kênh B lên đến 191%, kênh G lên đến 165%), do đó phương pháp hoàn toàn phụ thuộc vào tính ổn định của kênh R.
- Giới hạn không gian và thời gian lấy mẫu: Nghiên cứu mới khảo sát 3 điểm lấy mẫu nước mặt cục bộ trên địa bàn một xã (xã Quyết Thắng, TP. Thái Nguyên) trong cùng một thời điểm (ngày 01/05/2018), chưa theo dõi biến động nồng độ theo mùa hoặc các điều kiện thủy văn khác nhau.
- Điều kiện thiết bị: Kết quả đo phụ thuộc vào tính cố định của hệ thống chiếu sáng nhân tạo (2 bóng đèn 70W trong hộp chụp) và thiết lập thông số trên máy ảnh Canon 650D.
- Hướng nghiên cứu tiếp: Tác giả kiến nghị tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về phương pháp trắc quang đo màu kỹ thuật số nhằm nâng cao độ chính xác, hoàn thiện quy trình để triển khai ứng dụng rộng rãi vào thực tiễn phân tích kiểm soát chất lượng nước.
Giá trị tham khảo
Tài liệu khóa luận mang lại giá trị tham khảo hữu ích cho:
- Sinh viên và học viên chuyên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường, Hóa phân tích đang thực hiện đồ án hoặc nghiên cứu về các giải pháp quan trắc môi trường chi phí thấp.
- Các phòng thí nghiệm cơ sở hoặc đơn vị nghiên cứu quan trắc hiện trường có nguồn lực trang thiết bị hạn chế, muốn tìm giải pháp thay thế tạm thời cho máy trắc quang phổ biến thông qua máy ảnh số hoặc thiết bị ghi hình.
- Các nội dung kỹ thuật đáng tham khảo: Quy trình thiết kế buồng chụp ảnh chuẩn hóa với hộp chuyên dụng và đèn chiếu sáng 70W; quy trình xử lý ảnh làm đều màu phản xạ bằng công cụ Blur Tool trên Adobe Photoshop CS3 Lite để số hóa dữ liệu trắc quang; quy trình tạo phức màu sắt - phenanthrolin từ muối $FeCl_3 \cdot 6H_2O$.
Câu hỏi thường gặp
1. Thuốc thử hóa học nào được sử dụng để tạo phức màu với sắt và quy trình pha chế ra sao?
Tác giả sử dụng thuốc thử Phenanthrolin ($C_{12}H_8N_2$). Quy trình pha chế: Cân chính xác 0,01 gam Phenanthrolin, hòa tan bằng nước cất hai lần tới thể tích 100,0 ml rồi đun nóng cho tan hoàn toàn (hoặc bổ sung 2 giọt dung dịch $HCl$ đặc vào nước cất để hòa tan mà không cần gia nhiệt), khuấy đều để thu được 100,0 ml dung dịch thuốc thử.
2. Thiết bị chụp ảnh và điều kiện buồng chụp được thiết lập như thế nào trong thí nghiệm?
Thí nghiệm sử dụng máy ảnh kỹ thuật số Canon 650D đặt ở chế độ chụp tự động (Auto). Mẫu dung dịch đựng trong cuvet được đặt ở vị trí trung tâm phía trước gương soi bên trong một hộp chụp chuyên dụng khép kín. Hộp được gắn hai bóng đèn ánh sáng trắng công suất 70W nhằm tạo cường độ chiếu sáng đồng đều và ổn định. Ống kính máy ảnh chụp xuyên qua một lỗ tròn bố trí trên nắp hộp, mỗi mẫu được chụp lặp lại 3 lần ở cùng vị trí và khoảng cách.
3. Tại sao tác giả kết luận kênh màu Đỏ (R) có độ tin cậy cao nhất để định lượng hàm lượng sắt?
Vì trong 4 phương trình đường chuẩn xây dựng từ dãy chuẩn sắt, phương trình của kênh R đạt hệ số xác định cao nhất ($R^2 = 0,9635$, so với kênh G là 0,8057, kênh B là 0,8036 và tổng RGB là 0,9126). Khi đối chiếu hàm lượng sắt tính toán của các mẫu nước mặt thực tế với kết quả đo từ máy quang phổ UV-Vis, kênh R mang lại kết quả sát nhất với sai số tương đối chỉ từ 12% đến 15%, trong khi các kênh khác có sai số từ 23% đến 191%.
4. Kết quả nồng độ sắt đo được tại 3 điểm nước mặt ở xã Quyết Thắng, Thái Nguyên là bao nhiêu?
Theo kết quả đối chứng bằng phương pháp trắc quang UV-Vis:
- Ao cá Bác Hồ (Trường ĐH Nông Lâm Thái Nguyên): 2,96 mg/l.
- Đập tràn Nông Lâm (xã Quyết Thắng): 5,43 mg/l.
- Ao cá Thanh Niên (xã Quyết Thắng): 3,58 mg/l. Khi tính toán theo đường chuẩn kênh R của phương pháp đo màu kỹ thuật số, các giá trị thu được lần lượt là 3,10 mg/l (Ao cá Bác Hồ), 5,68 mg/l (Đập tràn Nông Lâm) và 3,70 mg/l (Ao cá Thanh Niên).
5. Chất lượng nước mặt tại các điểm khảo sát có đáp ứng Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 08-MT:2015/BTNMT không?
Không đạt chuẩn. Theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT, ngưỡng giới hạn nồng độ sắt đối với nguồn nước mặt loại A1 (dùng cho cấp nước sinh hoạt sau xử lý thông thường) là 0,5 mg/l và loại B1 (dùng cho mục đích tưới tiêu, thủy lợi) là 2 mg/l. Cả 3 điểm khảo sát đều có hàm lượng sắt dao động từ 2,96 đến 5,43 mg/l, vượt ngưỡng cho phép đối với nước tưới tiêu (loại B1) từ 2 đến gần 3 lần và vượt ngưỡng dùng cho sinh hoạt (loại A1) từ gần 6 đến gần 11 lần.
Kết luận
Khóa luận của tác giả Đặng Thị Thuý Anh đã khảo sát thành công việc ứng dụng kỹ thuật số trong phân tích trắc quang xác định hàm lượng sắt tổng trong nước mặt thông qua hệ màu RGB. Kết quả thực nghiệm khẳng định kênh màu Đỏ (R) có tương quan tuyến tính cao ($R^2 = 0,9635$) và sai số dưới 15% so với phương pháp chuẩn UV-Vis, mở ra khả năng ứng dụng chụp ảnh kỹ thuật số trong quan trắc bán định lượng kim loại nặng chi phí thấp. Dữ liệu thực nghiệm đồng thời phản ánh tình trạng ô nhiễm sắt vượt quy chuẩn QCVN 08-MT:2015/BTNMT từ 2 đến 3 lần tại các thủy vực nghiên cứu trên địa bàn xã Quyết Thắng, thành phố Thái Nguyên.