Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường tới cảm biến đo oxi hòa tan

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG
TỚI CẢM BIẾN ĐO OXI HỊA TAN
Lê Minh Thành
Khoa Mơi trường - Trường Đại học Thủy lợi, email:

bão hòa trong dung dịch điện phân và sự hình
thành bọt khí trong dung dịch đó.
Hiện nay, việc đo đạc nồng độ oxi hòa tan
Giả thuyết trên được đề xuất dựa trên cơ
(DO) trong môi trường nước vẫn chủ yếu sở lý thuyết của định luật Henry, Van’t Hoff
dùng cảm biến điện hóa đo DO kiểu Clark. và Fick về q trình hịa tan chất khí trong
Cấu tạo của cảm biến điện hóa đo DO bao nước. Theo định luật Henry thì Ci = kH .P i ,
gồm một anot (thường là điện cực Ag) và trong đó hằng số Henry kH lại phụ thuộc vào
catot (thường là điện cực Pt) cùng tiếp xúc nhiệt độ và tuân theo phương trình Van’t
với dung dịch điện phân. Đầu điện cực Pt
1
được phủ bằng màng khuếch tán (thường Hoff (k H.T  k H,298 .e  C  T ) . Khi nhiệt độ tăng
dùng là màng teflon, PP, PE…). Mặc dù đã lên trong dung dịch (dung dịch điện phân
được cải tiến đáng kể, cho đến nay các dòng hoặc dung dịch cần đo) sẽ làm tăng áp suất
cảm biến DO vẫn tồn tại những nhược điểm riêng phần của các khí đã hịa tan trong dung
nhất định, ví dụ như sự khơng đồng đều tín dịch đó. Dung dịch cịn lại do tiếp xúc (qua
hiệu, sự thay đổi thời gian đáp ứng, hình thành màng) với dung dịch được làm ấm nên dần
bong bóng khí trong chất điện phân, v.v.
dần cũng có sự tăng nhiệt độ nhưng chậm
Nghiên cứu này khảo sát ở quy mơ phịng hơn, nên áp suất riêng phần của khí hịa tan
thí nghiệm một số nhược điểm của loại cảm nhỏ hơn. Sự chênh lệch áp suất riêng phần
biến điện hóa đo DO, như sự xuất hiện bong giữa hai dung dịch sẽ làm tăng q trình
bóng khí trong dung dịch điện phân, thời gian khuếch tán các khí qua màng khuếch tán
làm ấm thiết bị. Đồng thời đưa ra một số giải (theo định luật Fick I).

thích cho các hiện tượng trên và đề xuất
2.2. Thiết bị, dụng cụ, hóa chất
hướng khắc phục cụ thể.
Nghiên cứu đã sử dụng hệ thống đo gồm
cảm biến DO kiểu Clark tự chế tạo (anot Ag,
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
catot Pt, dung dịch điện phân KCl bão hòa,
2.1. Giả thuyết nghiên cứu
màng khuếch tán PE, trong đó anot Ag được
Quan sát các hiện tượng phản hồi và giá trị gắn thêm cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ dung
thu được từ nhiều hệ thống đo DO dùng cảm dịch điện phân, Hình 1).
biến điện hóa cho phép giả định rằng, nguyên
nhân các sai lệch trong quá trình đo chủ yếu do
sự thay đổi áp suất riêng phần của oxi trong
chất điện phân, hoặc có thể do q trình làm
ấm/để nguội cảm biến. Do vậy, theo tài liệu [1]
ta giả thuyết rằng: (a) trong q trình làm ấm
hệ thống đo đã có sự khuếch tán khí giữa dung
a)
b)
dịch điện phân và mơi trường đo; (b) màng
khuếch tán trên bề mặt điện cực đã hạn chế Hình 1. Cấu tạo (a) và hình ảnh bên ngồi
một phần q trình khuếch tán, dẫn đến sự quá (b) của cảm biến điện hóa đo DO tự chế tạo
1. GIỚI THIỆU CHUNG

458


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

Cảm biến DO trên được kết nối với thiết bị
đo DO đa kênh (MCDM, Việt Nam) ghép nối
máy tính, đồng thời hàm lượng DO và nhiệt
độ cũng được kiểm tra bằng máy đo DO cầm
tay Horiba (OM-51, Nhật Bản). Việc đo DO
để kiểm sốt phần áp suất oxi cịn lại trong
dung dịch cần đo, vì vậy giá trị DO trong q
trình thí nghiệm khơng được ghi lại.
Các thiết bị, dụng cụ, hóa chất đi kèm gồm
có: máy thổi khí, máy khuấy từ gia nhiệt, cặp
nhiệt điện, nhiệt kế, dung dịch KCl 60 g/L…
2.3. Thực nghiệm
2.3.1. Chuẩn bị dung dịch đo, dung dịch rửa
Dung dịch đo là dung dịch KCl với nồng
độ 60 g/L, bằng với nồng độ có trong dung
dịch điện phân của cảm biến DO. Việc chuẩn
bị nồng độ bằng nhau là để tránh hiện tượng
thẩm thấu xảy ra qua màng khuếch tán trong
quá trình đo. Đồng thời, dung dịch đo cũng
được bão hòa oxi bằng cách dùng máy bơm
thổi khí liên tục vào dung dịch cho đến bão
hòa. Kiểm tra hàm lượng DO trong dung dịch
đo bằng các cảm biến DO.
2.3.2. Làm ấm và để nguội hệ thống đo
Cho dung dịch đo vào một cốc 500-mL,
sau đó đặt các cảm biến DO vào. Đặt toàn bộ
cốc đã gắn các thiết bị trên lên máy khuấy từ
gia nhiệt. Kí hiệu nhiệt độ của dung dịch
trong cốc trong thời gian nghiên cứu là T 1
(°C), nhiệt độ trong dung dịch điện phân của

cảm biến là T 2 (°C). Nâng dần từ từ nhiệt độ
của dung dịch lên tới 35°C, tương ứng với
nhiệt độ mơi trường nước ngày nắng nóng.
Quan sát sự biến đổi nhiệt độ T 2 để đánh giá
ảnh hưởng của quá trình tăng nhiệt độ đến sự
khuếch tán khí giữa dung dịch đo và dung
dịch điện phân.
Giá trị đo đạc của cảm biến DO phải luôn
bằng nồng độ oxi bão hòa, nếu oxi trong dung
dịch đo suy giảm thì sẽ được bổ sung bằng
máy thổi khí. Các cảm biến DO trước khi đo
lần đầu tiên được kiểm tra cẩn thận để đảm bảo
khơng cịn bọt khí trong dung dịch điện phân.
Sau khoảng 120 phút làm ấm như trên, tắt
máy gia nhiệt và hệ thống được để nguội tự
nhiên về nhiệt độ phịng. Chỉ lặp lại q trình
đo đạc khi đảm bảo hệ đã về nhiệt độ phòng.
Các quá trình này được lặp lại nhiều lần để
đưa ra kết quả trung bình.

2.3.3. Phương pháp xác định thể tích bọt
khí trong dung dịch điện phân
Với các bóng khí có dạng gần hình cầu,
tiến hành xác định tương đối đường kính
bóng khí và tính thể tích hình cầu tương ứng.
Với các bóng khí có hình dạng khối kéo dài,
ta giả định chúng là các hình khối chữ nhật,
xác định tương đối các cạnh tương ứng và
tính thể tích hình tương ứng.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Thời gian ổn định nhiệt độ cảm biến
Kết quả biến đổi nhiệt độ trong hai môi
trường (dung dịch đo và dung dịch điện phân)
được theo dõi được thể hiện trong Bảng 1.
Bảng 1. Nhiệt độ giữa hai dd theo thời gian
Thời gian (ph) T 1 (°C) T 2 (°C)
0
20,2
20,9
10
32,5
28,7
20
34,9
30,5
30
34,9
31,7
40
34,9
32,6
50
34,9
33,0
60
34,9
33,2
70
34,9

33,2
80
34,9
33,2
90
34,9
33,2
100
34,9
33,2
110
34,9
33,2
120
34,9
33,2

∆T (°C)
-0,7
3,8
4,4
3,2
2,3
1,9
1,7
1,7
1,7
1,7
1,7
1,7

1,7

Từ bảng trên cho thấy, sau khoảng 20 phút
thì dung dịch đo đã được gia nhiệt tới nhiệt độ
34,9 °C, trong khi đó thời gian để dung dịch
điện phân ổn định nhiệt là 60 phút và nhiệt độ
trong dung dịch điện phân chỉ đạt 33,2 °C.
Như vậy, biến thiên nhiệt độ giữa hai dung
dịch là ∆T = T 1 -T 2 = 1,7 °C. Chính sự chênh
lệch nhiệt độ này đã giúp cho quá trình đối lưu
xảy ra trong dung dịch điện phân. Do đó, thời
gian cần để ổn định được quá trình trao đổi khí
giữa dung dịch đo và dung dịch điện phân là
60 phút. Thời gian ổn định cần này lâu hơn so
với các hướng dẫn sử dụng điện cực DO
thường gặp [2], nhưng nhanh hơn so với các
nghiên cứu đã công bố [1], [3].
3.2. Sự khuếch tán oxi qua màng
Từ kết quả Bảng 1 có thể thấy, để đạt tới
trạng thái ổn định nhiệt độ thì tốc độ gia nhiệt
459


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

L, ở áp suất khí quyển 760 mmHg và nồng
độ KCl 60 g/L, tra bảng độ tan bão hòa của
oxi trong điều kiện trên ở nhiệt độ 20°C và
33°C, tính được thể tích oxi có trong dung
dịch điện phân lần lượt tương ứng khoảng

6,24 L và 4,16 L.
Như vậy theo tính tốn, trong mỗi q
trình làm ấm/để nguội thì việc chênh lệch
nhiệt độ phải tạo ra lượng khí 2,08 L dưới
dạng bóng khí trong dung dịch điện phân.
Tuy nhiên thực tế chỉ có 0,64 L khí ở lại
dưới dạng bóng khí, chứng tỏ đã có 1,44 L
Hình 2. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa 2dd
(≈70%) khí thốt ra ngồi dung dịch đo.
Kết quả trên Hình 2 chỉ ra ba giai đoạn Đồng thời, bản thân màng khuếch tán đã
chênh lệch nhiệt độ: giai đoạn đầu tiên (0-20 phần nào cản trở sự lưu thơng khí giữa hai
phút) hướng khuếch tán chủ yếu của oxi là dung dịch, làm cho khoảng 30% khí đã bị
từ dung dịch đo vào dung dịch điện phân; màng giữ lại trong dung dịch điện phân và
giai đoạn thứ hai (20-60 phút) hướng khuếch các khí này nằm dưới dạng bọt khí.
tán chủ yếu của oxi là đi từ dung dịch điện
phân ra ngoài dung dịch đo; giai đoạn thứ ba 4. KẾT LUẬN
(60-120 phút) nhiệt độ cân bằng. Sự khuếch
Từ kết quả nghiên cứu trên có thể thấy, để
tán khí qua màng được minh họa trên Hình 3. có thể sử dụng cảm biến điện hóa đo DO ở
chế độ tốt nhất cần làm ấm của cảm biến oxi
đến nhiệt độ môi trường đo, điều đó sẽ tăng
cường q trình trao đổi khí qua màng
khuếch tán. Đồng thời, làm ấm cảm biến
cũng tránh sự hình thành khí và sự suy giảm
oxi trong dd điện phân của cảm biến. Việc
giữ cho nhiệt độ của cảm biến oxi bằng với
Hình 3. Sự khuếch tán oxi
mơi trường đo không làm ảnh hưởng đến các
qua màng khuếch tán
kết quả đo.

3.3. Kiểm chứng giả thuyết
Màng khuếch tán có khả năng cản trở nhất
định
lượng khí đi từ trong dung dịch điện li
Sau 5 quá trình làm ấm/để nguội hệ thống
đo như đã trình bày tại mục 2.2.2, trong dung (trong cảm biến) ra ngồi mơi trường đo, do
dịch điện phân của cảm biến DO bắt đầu xuất đó dễ hình thành các bóng khí trong khối
dung dịch điện li của cảm biến.
hiện các bọt khí, minh họa tại Hình 4.
trung bình của dung dịch đo 0,735 (°C/ph)
nhanh hơn tốc độ gia nhiệt trung bình của
dung dịch điện phân 0,205 (°C/ph). Sự chênh
lệch nhiệt độ giữa hai dung dịch theo thời
gian được thể hiện trên Hình 2.

5. TÀI LIỆU THAM KHẢO

Hình 4. Bọt khí xuất hiện trong dd điện phân
Dựa vào ảnh chụp, xác định tương đối kích
thước bóng khí có trong dung dịch điện phân,
tính được thể tích xấp xỉ của bóng khí sau 5
q trình làm ấm/để nguội là 3,2 L, như vậy
mỗi quá trình làm ấm đã tạo ra lượng khí
trung bình là 0,64 L. Bên cạnh đó, thể tích
dung dịch điện phân trong cảm biến là 520

[1] M. V. Miniaev, et al., "Non-obvious
Problems in Clark Electrode Application at
Elevated Temperature and Ways of Their
Elimination" Journal of Analytical Methods

in Chemistry, Article ID 249752, 2013.
[2] Horiba Ltd., "Instruction Manual - Portable
Dissolved Oxygen Meter (OM-51)," 2015.
[3] M. V. Miniaev, et al,, "False Oxygen
Cons umption Effect and Factors Causing
It," International Journal of Electrochemistry,
vol. 2011, Article ID 376750, 2011.

460