Nghiên cứu chế tạo hệ thống đo và điều chỉnh liên tục đồng thời nồng độ ôxy hoà tan phục vụ quan trắc và điều khiển tự động hệ thống xử lý nước thải

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN HÓA HỌC
VIỆN KHCN VIỆT NAM
CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC
“Nghiên cứu khoa học, ứng dụng và chuyển giao công nghệ phát triển ngành
công nghi
ệp môi trường” thực hiện Đề án “Phát triển ngành công nghiệp môi
trường Việt Nam đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”
BÁO CÁO TỔNG HỢP
KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
Đề tài
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU CHỈNH
LIÊN TỤC ĐỒNG THỜI NỒNG ĐỘ ÔXY HÒA TAN
PHỤC VỤ QUAN TRẮC VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
Chủ nhiệm đề tài/dự án:
GS. TS. Lê Quốc Hùng
Cơ quan chủ trì đề tài/dự án:
PGS.TS. Nguyễn Văn Tuyến
Ban ch
ủ nhiệm chương trình Bộ Công thương

Hà N
ội - 2012
3
MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của đô thị hóa và công
nghi
ệp hóa, sự gia tăng dân số đã và đang gây áp lực ngày càng nặng nề đối
với môi trường nói chung và tài nguyên nước nói riêng. Môi trường nước ở
nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nước
thải, khí thải và chất thải rắn. Ở Việt Nam các thành phố lớn đa phần không

có các nhà máy xử lý nước thải, hoặc có nhưng rất ít hoạt động, trong khi đó
nước thải sinh hoạt và nước thải từ các cơ sở sản xuất công nghiệp thải thẳng
ra môi trường đang gây ô nhiễm môi trường một cách nghi
êm trọng.
Như chúng ta đ
ã biết, nồng độ oxy hoà tan (Dissolved Oxygen – DO) là
m
ột chỉ tiêu hết sức quan trọng đối với môi trường nước cũng như trong các
quá trình trong công nghệ sinh học như lên men trong bể phản ứng sinh học,
nuôi trồng thuỷ sản (tôm cá ) bể xử lý môi trường bằng các quá trình khác
nhau (hi
ếu khí, yếm khí ). Oxy duy trì quá trình trao đổi chất, sinh ra năng
lượng cho sự sinh trưởng, sinh sản v
à tái tạo. Đó là một chỉ tiêu để đánh giá
chất lượng nước, nó cũng là thước đo mức độ ô nhiễm các chất hữu cơ có thể
phân hủy sinh học (BOD).
Vi
ệc xác định DO thường được sử dụng cho các mục đích khác nhau.
Trong hầu hết các trường hợp liên quan đến việc kiểm soát ô nhiễm các dòng
ch
ảy, nó cần thiết để duy trì điều kiện thuận lợi cho việc tăng trưởng và sinh
s
ản của quần thể cá và các loại thủy sinh khác.
Mặt khác, đo hàm lượng oxy hoà tan còn là cơ sở của phép phân tích
xác định nhu cầu oxy sinh hoá; v
ì vậy, chúng là cơ sở của hầu hết các thí
nghiệm phân tích quan trọng được sử dụng để đánh giá nồng độ ô nhiễm của
nước thải sinh hoạt v
à công nghiệp. Tốc độ oxy hóa sinh hóa có thể được đo
bằng việc định lượng oxy dư trong hệ thống sau thời gian nhất định.

4
Các quá trình xử lý hiếu khí phụ thuộc vào DO vì vậy người ta kiểm
soát tốc độ sục khí để làm đảm bảo lượng không khí được cung cấp đủ để duy
trì điều kiện hiếu khí và cũng để tránh việc sử dụng quá mức không khí và
năng lượng cho quá trình xử lý nước thải.
Trong công nghệ xử lý nước, sau khi kết thúc giai đoạn xử lý sơ bộ,
nước thải được chuyển sang xử lý thứ cấp, đó l
à một quá trình sinh học để
loại tiếp các chất rắn lơ lửng và phần lớn các chất hữu cơ. Giai đoạn xử lý thứ
cấp loại được đến 85% các chất hữu cơ thông quan quá trình hoạt động của
các vi khuẩn sẵn có và vi khuẩn bổ sung vào trong nước thải. Người ta thường
kết hợp quá trình lọc và sục khí. Bùn được nổi lên cùng với vi sinh và trộn lẫn
với không khí giàu oxy, làm tăng hoạt tính của các vi sinh này để phân hủy
chất thải hữu cơ trong suốt quá trình sục theo sơ đồ dưới đây.
Vi khu
ẩn
Các chất hữu cơ hòa tan + O
2
→ Các chất hữu cơ không tan + CO
2
Oxy hòa tan được đưa vào bể sục để tăng quá trình oxy hóa bằng cách
cung cấp oxy cho các vi sinh vật hiếu khí, do đó chúng có thể chuyển các chất
thải hữu cơ thành các sản phẩm vô cơ một cách dễ dàng. Để có thể chuyển
hóa thực phẩm và tái sinh, vi khuẩn cần nồng độ oxy hòa tan ít nhất 0.1 đến
0.3 mg/L. Hầu hết các nhà máy xử lý duy trì khoảng 2 mg/L DO nên vi khuẩn
nằm ở trung tâm của các khối keo tụ cũng có thể nhận được oxy. Nếu DO nhỏ
hơn 2 mg/L, th
ì các vi khuẩn nằm ở trung tâm ở các khối keo tụ có thể bị chết
vì các vi khuẩn ở phía bên ngoài khối keo tụ sẽ sử dụng hết oxy trước. Nếu
điều n

ày xảy ra, các khối keo tụ sẽ bị phá vỡ. Nếu hàm lượng DO quá nhỏ,
môi trường không đủ ổn định cho các các vi khuẩn n
ày và chúng sẽ bị chết do
các vùng yếu khí, bùn sẽ không được xử lý tốt và nhà máy xử lý nước thải
buộc phải tiến hành một quá trình sinh khối (biomass) đắt tiền và tốn thời gian
để thay thế. V
ì nguy cơ này, nhiều nhà máy điều chỉnh bằng cách thêm một
lượng dư oxy vào quá tr
ình xử lý. Tuy nhiên, khi DO quá cao, sẽ tiêu phí
5
năng lượng, quá trình sục khí tốn kém bị sử dụng một cách không cần thiết và
m
ột số vi sinh không mong đợi được sinh ra (sinh vật dạng sợi). Giá năng
lượng gắn liền với việc vận h
ành của quá trình sục khí ở giai đoạn xử lý thứ
cấp nói chung là trong khoảng từ 30 – 60% tổng năng lượng điện dùng cho
m
ột nhà máy xử lý nước thải tiêu biểu. Thiết bị sục khí dựa trên việc đo DO
liên tục tự động điều khiển quá trình sục khí để đuy trì lượng DO cần thiết.
Theo USEPA, giá thành năng lượng nh
à máy như vậy có thể giảm tới 50%.
DO được đưa vào trong bể sục khí cũng làm tăng thêm hiệu quả khấy trộn.
Việc khuấy trộn cũng loại được sản phẩm thải biến chất, giữ cho các khối
đông tụ lơ lửng và ngăn chúng không bị lắng xuống đáy.
Trên thế giới, nhiều nhóm nghiên cứu đã sử dụng sensor và thiết bị đo
liên tục DO để theo dõi quá trình lên men và thí nghiệm nuôi cấy tế bào. Các
thông s
ố ảnh hưởng đến quá trình nuôi cấy như mật độ quang, pH, chất dinh
dưỡng cần thiết, hàm lượng CO
2

và DO đã được kiểm soát riêng rẽ bằng cách
đưa đầu đo v
ào bình nuôi cấy. Hàm lượng oxy là vấn đề tiên quyết trong suốt
quá trình sinh trưởng của vi sinh trong quá trình lên men ngập nước.
Việc đo đạc và kiểm soát hàm lượng oxy là một vấn đề được quan tâm
trong nhiễu lĩnh vực khác nhau. Trên thế giới, các công ty thương mại như
WTW (Đức), YSI (Mỹ) …đã đưa ra thị trường các loai thiết bị đo online hàm
lượng DO trong các nhà máy xử lý nước thải
, trong đó sử dụng đầu đo DO
dạng cực phổ hoặc dạng
galvanic [11, 16]. Gần đây, một số sản phẩm thương
mại sử dụng đầu đo DO quang học được sử dụng
. Các sản phẩm này cho kết
quả đo ổn định
, chính xác, tuy nhiên giá thành cao. Với các thiết bị như vậy,
việc vận hành đóng vai trò quan trọng, quyết định độ chính xác của phép đo,
thời gian sống của thiết bị và đầu đo và điều khó khăn hơn cả là khó khăn
trong bảo hành
, bảo trì thiết bị.
Như một xu thế chung trên thế giới, ở nước ta trong những năm qua đã
quan tâm nhi
ều đến vế đề nghiên cứu và khảo sát môi trường, phát hiện các
6
điểm nóng và tập trung vào giải quyết các bức xúc liên quan đến nước thải,
khí thải… Các công nghệ xử lý nước thải được nhập toàn bộ hoặc xây dựng
bằng nguồn ngân sách trong nước. Các cơ quan nghiên cứu trong nước có
thực hiện việc xây dựng các công nghệ xử lý nước thải gồm các Viện nghiên
c
ứu như: Viện Hóa Công Nghiệp (Bộ Công thương), Viện Hóa học, Viện
Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (Viện Khoa học

và Công nghệ Việt Nam), Trung tâm Môi trường và Phát triển Bền vững, Đại
học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội, Viện Công nghệ Môi
trường (Trường Đại học Bách khoa H
à Nội), Đại học Bách khoa TP.Hồ Chí
Minh, Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Quân sự… Tuy nhiên, quá trình đo
liên tục và tự động hóa điều chỉnh các thông số còn ít được nghiên cứu. Lý do
chủ yếu do hầu hết các thiết bị phải nhập ngoại với giá thành cao, đơn kênh và
rất khó khăn trong bảo hành bảo dưỡng.
Việc phát triển một phương pháp, kỹ thuật hỗ trợ để kiểm soát và điều
chỉnh kịp thời quá trình xử lý nước thải là cần thiết.
Ở nước ta những năm gần đây trang thiết bị cho quan trắc v
à phân tích
môi trường, đặc biệt, gần đây mạng lưới Quan trắc và Phân tích Môi trường
Quốc gia có một bước phát triển nhanh. Tuy nhiên, độ chính xác của các kết
quả phân tích môi trường thu được phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó hệ
thống máy đo, tình trạng bảo trì, bảo dưỡng và hiệu chuẩn thiết bị là đặc biệt
quan trọng. Nước ta đã nhập và trang bị một số các thiết bị cho trạm quan trắc
về môi trường nhưng giá thành rất cao và khó khăn trong việc sửa chữa, bảo
hành nên vấn đề nghiên cứu và chế tạo ra các thiết bị phục vụ cho vấn đề trên
là c
ần thiết. Trong đó nghiên cứu chế tạo các sensor phục vụ quan trắc là vấn
đề cần được quan tâm v
à nghiên cứu thực hiện.
Viện Hoá học trong nhiều năm qua, được sự hỗ trợ của các cơ quan
chức năng như Cục Môi trường - Bộ TN và MT, Viện Khoa học và Công
ngh
ệ Việt Nam, đã thực hiện nhiều nội dung nghiên cứu và triển khai trong
7
lĩnh vực chế tạo và tự động hóa các thiết bị đo đạc trong môi trường và
nghiên c

ứu hóa học [1-4]. Thiết bị phân tích điện hóa đa chức năng của Viện
Hóa học chế tạo đã được trang bị cho nhiều trường Đại học và các Trung tâm
phân tích trong c
ả nước (khoảng 100 bộ) gần đây thiết bị này đã được tặng
cúp vàng tại triển lãm quốc tế Asian+3 tại Hà Nội (Quyết định số 2039/QĐ-
BKHCN ngày 18 tháng 9 năm 2009). Thiết bị đo liên tục chất lượng nước trên
di
ện rộng có ghép nối máy tính và định vi vệ tinh để đo trên sông, hồ, biển
do Viện Hóa học chế tạo đã được Bộ TN và MT sử dụng thường xuyên trong
nh
ững hoạt động thanh tra tại những điểm nóng về môi trường như sông Thị
Vải (từ năm 1996-nay), sông Sài Gòn, hệ thống sông Mekong Đồng thời
cũng đã được sử dụng tại một số nước trên thế giới như Nhật Bản, Canada,
Arhentina, Brazil.
Vì v
ậy, việc nghiên cứu chế tạo các sensor oxy và thiết bị đa kênh kèm
theo là s
ự kế tục và phát triển cao hơn những kết quả nghiên cứu nhiều năm
của Viện Hóa học và hoàn toàn khả thi.
Nội dung nghiên cứu chính của đề tài:
- Khảo sát khả năng làm việc của các loại đầu đo cùng thiết bị đo kèm
theo khác nhau trong các điều kiện phòng thí nghiệm và thực tế: Nhà
máy x
ử lý nước thải, bể nuôi sinh học, sông hồ Lựa chọn loại sensor
thích hợp nhất.
- Nghiên cứu chế tạo sensor DO với hình dáng và kích thước thích hợp
cho việc quan trắc liên tục và có thể đặt ở những vị trí khác nhau tuỳ
theo từng đối tượng đo (trên sông, hồ, trong các bể xử lý, trong bể nuôi
thuỷ sản v.v )
- Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các mạch đo nhiệt độ sử dụng các sensor

nhiệt độ thích hợp đi kèm với các đầu đo DO ghép nối với máy tính, xây
dựng phần mềm kèm theo để bù nhiệt độ cho các phép đo DO.
8
- Khảo sát tính chất của các sensor riêng rẽ: độ chính xác, độ ổn định, thời
gian đáp ứng.
- Nghiên cứu tích hợp các sensor với nhau để có thể được đo bởi cùng một
thiết bị.
- Thiết kế, chế tạo thiết bị đo có ghép nối với máy tính có thể làm việc
đồng thời với từ 8 đến 16 sensor DO v
à 8-16 sensor nhiệt độ kèm theo.
- Xây dựng phần mềm điều khiển quá trình đo liên tục và điều khiển các
thiết bị sục khí có công suất khác nhau, lưu trữ và xử lý số liệu đo.
- Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.
- Từ kết quả nghiên cứu, hoàn chỉnh cấu hình các sensor và thiết bị đo
cùng với phần mềm kèm theo.
- Xây dựng hệ thống thiết bị đo làm việc với các sensor tự chế tạo trong
nước để có thể l
àm việc tại hiện trường.
9
CHƯƠNG I – CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong những năm gần đây, người ta phát triển nhiều phương pháp quan
trắc môi trường, đo đạc ngoài hiện trường và phân tích trong phòng thí
nghi
ệm. Tùy vào từng mục đích phân tích và các thông số cần phân tích khác
nhau mà người ta áp dụng các phương pháp
và kỹ thuật phân tích khác nhau.
Với sự phát triển của công nghệ và do nhu cầu đo đạc ngoài hiện trường,
người ta thường tập trung v
ào việc sử dụng các sensor điện hóa.
I.1. Sensor oxy

Sensor oxy được Clark giới thiệu đầu tiên vào năm 1953 [5]. Lớp màng
m
ỏng hiện nay chủ yếu sử dụng là Teflon, polyethylene… Dung dịch điện
phân thường l
à KCl và hệ đệm.
Khác với sensor cacbonđioxit đo thế ở trên, nguyên tắc hoạt động của
sensor oxy lại là đo dòng xuất hiện trong mạch. Oxy thẩm thấu qua màng và
b
ị khử trên bề mặt điện cực. Cường độ dòng sinh ra sẽ tỉ lệ thuận với tốc độ
oxy thẩm thấu qua, và do đó cũng tỉ lệ thuận với áp suất riêng phần của oxy
có trong mẫu.
Hình 1. Sơ đồ phản ứng trong sensor oxy
Những sensor đo dòng như trên sẽ cho tín hiệu tuyến tính với hàm
lượng khí (đối với sensor đo thế, tín hiệu sẽ theo một hàm loga đối với hàm
Màng
th
ẩ
m
Dung d
ị
ch
đi
ệ
n phân
Anôt Ag
Môi
Ph
ả
n
B

ộ
phát
Catôt
Pt
10
lượng). Thế áp vào catot phải bảo đảm quá trình khử oxy là do quá trình
chuy
ển chất quyết định.
Nhiều sensor oxy không có lớp màng thẩm thấu khí đã được phát triển
trong thời gian gần đây. Phần lớn trong số đó là các sensor oxit kim loại, hoạt
động được ở nhiệt độ cao và do đó được dùng để kiểm soát hàm lượng khí
thải trong công nghiệp.
I.2. Ứng dụng sensor oxy trong quan trắc môi trường
I.2.1. Tình hình ô nhiễm chung
Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật là
v
ấn đề ô nhiễm môi trường. Tốc độ công nghiệp hoá và đô thị hoá khá nhanh
và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước
trong vùng lãnh thổ. Môi trường nước ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng
ngh
ề ngày càng bị ô nhiễm bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn. Ở các
thành phố lớn, hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi
trường nước do không có công tr
ình và thiết bị xử lý chất thải. Ô nhiễm nước
do sản xuất công nghiệp là rất nặng. Ví dụ: ở ngành công nghiệp dệt may,
ngành công nghiệp giấy và bột giấy, nước thải thường có độ pH trung bình từ
9-11; chỉ số nhu cầu oxy sinh hoá (BOD), nhu cầu oxy hoá học (COD) có thể
lên đến 700mg/1 và 2,500mg/1; hàm lượng chất rắn lơ lửng cao gấp nhiều
lần giới hạn cho phép.
Hai hạ lưu có ô nhiễm trầm trọng nhất là sông Nhuệ và sông Tô Lịch

với hàm lượng DO hầu như triệt tiêu [4], nghĩa là không còn điều kiện để cho
tôm cá sống được, và vào mùa khô nhiều đoạn sông trên hai sông này chỉ là
nh
ững bãi bùn nằm trơ cùng trời đất. Sông Sài Gòn và sông Đồng Nai đang bị
ô nhiễm nặng nề…
Theo các nhà khoa học, hiện nay chỉ số nhu cầu oxy sinh hoá, oxy hoà
tan, ch
ất NH
4
, NO
2
, NO
3
, hàm lượng chất rắn lơ lửng, dư lượng chì đều
vượt quá ti
êu chuẩn cho phép từ 10 đến 20 lần. Các độc tố với hàm lượng quá
11
cao trong môi trường sống thực sự là kẻ thù nguy hiểm không cần dấu mặt
(bởi chúng ta biết rất rõ nguy cơ và thảm hoạ nhưng xem ra vẫn còn phải
chung sống dài dài với chúng), gây ra các căn bệnh hiểm nghèo như ung thư,
viêm gan, và đột biến gen
I.2.2. Vai trò của oxy trong môi trường
Tất cả các sinh vật sống đều phụ thuộc vào oxy ở dạng này hoặc dạng
khác để duy tr
ì quá trình trao đổi chất nhằm sản sinh ra năng lượng cho sự
tăng trưởng hoặc sinh sản.
Oxy là loại khí khó hoà tan và không tác dụng với nước về mặt hoá
học. Độ hoà tan của oxy phụ thuộc vào các yếu tố như áp suất, nhiệt độ và các
đặc tính khác của nước (thành phần hoá học, vi sinh, thuỷ sinh sống trong
nước ). Khi thải các chất thải sử dụng oxy v

ào các nguồn nước, quá trình
oxy hoá s
ẽ làm giảm nồng độ oxy hoà tan vào các nguồn nước này, thậm chí
có thể đe dọa sự sống của các loài cá, cũng như các loài sống dưới nước. Việc
xác định thông số về hàm lượng oxy ho
à tan có ý nghĩa quan trọng trong việc
duy trì điều kiện hiếu khí của nước tự nhiên và quá trình phân huỷ hiếu khí
trong quá trình xử lý nước thải. Trong chất thải lỏng, oxy hòa tan là yếu tố
xem sự thay đổi sinh học được thực hiện bằng sinh vật hiếu khí hay kị khí.
Loại thứ nhất sử dụng oxy tự do để oxy hóa các chất hữu cơ hoặc vô cơ và
sản xuất ra các sản phẩm cuối cùng không độc hại, ngược lại loại thứ hai thực
hiện các oxy hóa qua việc khử muối vô cơ như sunfat và sản phẩm cuối cùng
thường rất có hại. Vì cả hai loại vi sinh vật thường có mặt ở khắp nơi trong tự
nhiên, điều quan trọng là điều kiện thuận tiện cho sinh
vật hiếu khí (điều kiện
hiếu khí) phải được duy trì, quá trình hiếu khí là vấn đề được quan tâm nhất
khi chúng cần oxy tự do; ngược lại nếu thiếu oxy tự do thì vi sinh vật kị khí sẽ
chiếm đa số và kết quả tạo thành mùi hôi thối. Vì vậy, việc đo DO là rất quan
tr
ọng để duy trì điều kiện hiếu khí trong các nguồn nước tự nhiên tiếp nhận
các chất ô nhiễm và trong quá trình xử lý hiếu khí được thực hiện để làm sạch
12
nước thải sinh hoạt và công nghiệp. Khi nước bị ô nhiễm do các chất hữu cơ
dễ bị phân hủy bởi vi sinh vật thì lượng DO trong nước sẽ bị tiêu thụ bớt, do
đó giá trị DO sẽ thấp hơn so với DO b
ão hòa tại điều kiện đó. Vì vậy DO
được sử dụng như một thông số để đánh giá mức độ ô nhiễm chất hữu cơ của
các nguồn nước. DO có ý nghĩa lớn đối với quá trình tự làm sạch của sông.
Đơn vị tính của DO thường d
ùng là mg/l.

Vi
ệc xác định DO thường được sử dụng cho các mục đích khác nhau.
Trong hầu hết các trường hợp liên quan đến việc kiểm soát ô nhiễm các dòng
ch
ảy, nó là sự mong muốn để duy trì điều kiện thuận lợi cho việc tăng trưởng
và sinh sản của quần thể cá và các loại thủy sinh khác. Cụ thể: nước có nồng
độ oxy nhỏ hơn 3 mg/l các loại cá không thể sống được, từ 3 đến 4 mg/l các
loại cá thở rất khó khăn và phải ngoi lên mặt nước để thở hoặc cá bơi hỗn
loạn trong nước nếu nồng độ oxy cao hơn chút ít. Các loại vi khuẩn có thể
chết bởi các độc tố trong nước hoà tan ít oxy, từ 3 đến 5 mg/l chúng có thể
chịu được trong một thời gian ngắn, trên 5 mg/l hầu hết các loại sinh vật dưới
nước đều có thể sống được, các loại cá
có thể sống thoải mái và khoẻ mạnh ở
mức 5 đến 6 mg/l.
Mặt khác, hàm lượng oxy hoà tan còn là cơ sở của phép phân tích xác
định nhu cầu oxy sinh hoá; v
ì vậy, chúng là cơ sở của hầu hết các thí nghiệm
phân tích quan trọng được sử dụng để đánh giá nồng độ ô nhiễm của nước
thải sinh hoạt và công nghiệp. Tốc độ oxy hóa sinh hóa có thể được đo bằng
việc định lượng oxy dư trong hệ thống ở thời gian nhất định.
Các quá trình xử lý hiếu khí phụ thuộc vào DO và thí nghiệm cho nó là
c
ần thiết như công cụ kiểm soát tốc độ thổi khí để chắc chắn rằng khối lượng
không khí được cung cấp đủ để duy tr
ì điều kiện hiếu khí và cũng để tránh
việc sử dụng quá mức không khí và năng lượng.
13
I.2.3. Các phương pháp đo DO trong môi trường
I.2.3.1. Phương pháp đo DO cổ điển
Phương pháp đo DO cổ điển được thực hiện bằng cách đốt nóng mẫu

để đuổi khí h
òa tan và xác định oxy từ mẫu khí thu được này nhờ áp dụng
phương pháp phân tích khí. Phương pháp này đ
òi hỏi một lượng mẫu lớn và
th
ời gian thực hiện dài.
I.2.3.2. Phương pháp chuẩn độ Winkler
Phương pháp này khá đơn giản, dễ thực hiện và cho phép đạt độ chính
xác cao khi hoàn thành cẩn thận tất cả các khâu khi tiến hành định lượng.
Phương pháp dựa trên cơ sở phản ứng m
à ở đó mangan hoá trị 2 trong
môi trường kiềm (dung dịch được cho v
ào trong mẫu nước trong cùng hỗn
hợp với dung dịch KI) bị O
2
trong mẫu nước oxy hoá đến hợp chất mangan
hoá trị 4, số đương lượng của hợp chất mangan hoá trị 2 lúc đó được kết hợp
với tất cả oxy hoà tan.
Các ph
ản ứng trong phương pháp Winkler gồm:
Mn
2+
+ 2OH
-
→ Mn(OH)
2
↓
(trắng)
(1-1)
N

ếu không có oxy hiện diện, kết tủa trắng Mn(OH)
2
sẽ được hình thành
khi thêm vào m
ẫu MnSO
4
và KI (NaOH + KI). Nếu oxy hiện diện trong mẫu
thì Mn(II) được oxy hóa thành Mn(IV) và tạo kết tủa nâu. Phương trình phản
ứng như sau:
Mn
2+
+ 2OH
-
+ ½O
2
→ MnO
2
↓ + H
2
O (1 - 2)
hay Mn(OH)
2
+ ½O
2
→ MnO
2
↓ + H
2
O (1 - 3)
Quá trình oxy hóa Mn(II) thành MnO

2
, người ta thường gọi là sự cố
định oxy, quá tr
ình xảy ra chậm, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp. Cần phải lắc
mạnh mẫu ít nhất trong 20 giây. Trong trường hợp nước hơi mặn hay nước
biển thì cần phải lắc lâu hơn.
14
Sau khi lắc mẫu một thời gian đủ để tất cả oxy phản ứng, các kết tủa
được lắng phân th
ành hai lớp cách bề mặt nước sạch ít nhất là 5cm kể từ đỉnh,
sau đó thêm axit sunfuric vào. Trong điều kiện pH thấp th
ì oxy hóa I
-
thành I
2
.
MnO
2
↓ + 2I
-
+ 4H
+
→ Mn
2+
+ I
2
+ 2H
2
O (1 - 4)
I

2
không hòa tan trong nước, nhưng tạo phức với I
-
thừa tạo thành dạng hòa
tan tri – iodate (I
3-
):
I
2
+ I
-
→ I
3-
(1 -5)
do đó tránh thất thoát I
2
khỏi dung dịch nên đậy kín mẫu và lắc ít nhất trong
10 giây để phản ứng xảy ra ho
àn toàn.
Sau đó, dùng dung dịch Na
2
S
2
O
3
có nồng độ xác định chuẩn độ lượng I
2
giải phóng ra với hồ tinh bột. Biết thể tích và nồng độ Na
2
S

2
O
3
khi chuẩn độ
ta dễ dàng tính được hàm lượng oxy hoà tan trong mẫu nước. Điểm cuối
chuẩn độ có thể phát hiện bằng mắt nếu dùng chất chỉ thị hoặc bằng điện hoá
(k
ỹ thuật điểm dừng). Người phân tích có kinh nghiệm có thể đạt đến độ
chính xác ± 50 g/L nếu đo điểm cuối bằng mắt và đến ± 5 g/L nếu dùng kỹ
thuật điện hoá. Lượng iot giải phóng ra cũng có thể xác định trực tiếp bằng
máy đo quang phổ hấp thụ đơn giản.
Như vậy khi xác định oxy hoà tan trong nước được thực hiện trong 3
giai đoạn:
Giai đoạn I: Cố định oxy
hòa tan trong mẫu (cố định mẫu)
Giai đoạn II: Tách I
2
bằng môi trường axit (axit hóa, xử lý mẫu)
Giai đoạn III: Chuẩn độ I
2
bằng Na
2
S
2
O
3
(phân tích mẫu)
Phương pháp Winkler nguyên gốc bị ảnh hưởng của rất nhiều chất l
àm
cho k

ết quả không chính xác. Ví dụ: một số chất oxy hóa như nitrit và Fe
3+
có
th
ể oxy hóa I
-
thành I
2
làm cho kết quả cao hơn, các chất khử như Fe
2+,
SO
3
2-
,
S
2-
, và polythionat khử I
2
thành I
-
và làm cho kết quả nhỏ đi. Phương pháp
Winkler nguyên gốc chỉ có thể được áp dụng với nước tinh khiết không áp
dụng với những mẫu nước có chất oxy hoá (vùng nước bị nhiễm bẩn nước
15
thải công nghiệp) có khả năng oxy hoá anion I
-
, hoặc các chất khử
(dihydrosunfua H
2
S) khử I

2
tự do.
Biến đổi Azide của phương pháp Winkler
Ion nitrite là một trong những ion thường gặp gây ảnh hưởng trong quá
trình xác định DO. Ảnh hưởng này xảy ra trong nước sau khi xử lý sinh học,
trong nước sông v
à trong mẫu ủ BOD. Nó không oxy hóa Mn
2+
nhưng nó oxy
hóa I
-
thành I
2
trong môi trường axit. Nó thường gây ảnh hưởng do tính khử
của nó, NO được oxy hóa bởi oxy đi vào trong mẫu trong khi chuẩn độ, nó
chuyển hóa thành NO
2
-
và gây biến đổi chu kỳ phản ứng có thể dẫn đến sai
k
ết quả phân tích (thường làm tăng kết quả phân tích). Các phản ứng bao
gồm:
2NO
2
-
+ 2I
-
+ 4H
+
→ I

2
+ 2NO + 2H
2
O (1 - 10)
và 2NO + ½O
2
+ H
2
O
→ 2NO
2
-
+ 2H
+
(1 - 11)
Khi có s
ự hiện diện của nitrit thì không thể có sản phẩm cuối cố định.
Ngay lập tức, màu xanh của chỉ thị tinh bột biến mất, những dạng nitrit từ
phương tr
ình phản ứng sẽ phản ứng với nhiều I
-
tạo thành I
2
và màu xanh của
hồ tinh bột sẽ quay trở lại.
Hiện tượng nitrit dễ dàng khắc phục bằng cách sử dụng natri azit
(NaN
3
). Rất dễ trộn azit vào kiềm-KI. Khi thêm axit sunfuric vào các phản
ứng tiếp theo xảy ra v

à NO
2
-
bị phá hủy:
NaN
3
+ H
+
→ HN
3
+ Na
+
(1 - 12)
HN
3
+ NO
2
-
+ H
+
→ N
2
+ N
2
O + H
2
O (1 - 13)
B
ằng cách này, ảnh hưởng của nitrit được ngăn chặn và phương pháp
Winkler trở nên đơn giản và phổ biến.

I.2.3.3. Phương pháp sensor điện hóa (điện cực màng)
Phương pháp điện hóa hay điện cực màng, phương pháp này dựa trên
t
ốc độ khuếch tán của phân tử oxy qua màng [6 - 8]. Sử dụng màng điện cực
để đo DO ngày càng được phổ biến do sự phát triển của chúng. Loại này đặc
16
biệt hữu hiệu đối với việc xác định DO trong dòng chảy. Điện cực có thể thấp
hơn đối với sự biến đổi độ sâu v
à nồng độ DO, có thể đọc từ màn hình nối với
điện cực tr
ên bề mặt dòng chảy. Các điện cực màng cho phép đo nhanh, liên
tục DO trong hồ tự nhiên, hồ chứa, sông suối và kiểm soát nước thải cũng như
quan trắc vùng nước mặn, nước lợ. Chúng cũng có thể lơ lửng trong bể xử lý
sinh học để giám sát mức DO ở mọi thời điểm. Trong phòng thí nghiệm, các
điện cực màng được dùng để đo li
ên tục sự phát triển của sinh vật. Tốc độ sử
dụng oxy sinh học cũng có thể được xác định bởi vị trí lấy mẫu chất lỏng
trong một chai BOD và sau đó đưa điện cực vào để quan sát tốc độ phá hủy
oxy. Chúng cũng có thể được sử dụng để đo nhanh DO khi kiểm định BOD
và cũng có hiệu quả trong việc đo DO của các loại nước ô nhiễm, nước có
màu.
Ưu điểm của nó sẽ thấy rõ khi phải phân tích một lượng mẫu lớn. Khả
năng dễ mang theo khi đi đo đạc làm cho màng điện cực trở th
ành một thiết bị
tuyệt vời. Màng điện cực thường được kiểm tra bằng cách đo mẫu đã được
phân tích chỉ tiêu DO bởi phương pháp Winkler. Do đó, mọi lỗi từ kỹ thuật
phân tích Winkler sẽ được hoàn thiện bằng điện cực. Trong suốt quá trình đo
DO, một vấn đề rất quan trọng là mẫu phải di chuyển qua điện cực để tránh
đọc chậm kết quả nếu oxy bị phá hủy ngay tại m
àng khi nó bị giảm ở catot.

Màng điện cực rất nhạy với nhiệt độ do đó nhiệt độ đo xung quanh phải tương
đồng với đo DO. V
ì vậy, cần phải chính xác hoặc thiết bị phải được chế tạo
cùng với thiết bị đo nhiệt độ.
Nguyên lý đo của điện cực màng:
Các điện cực màng nhạy oxy gồm có hai dạng: Kiểu pin điện (galvanic)
và kiểu cực phổ (polarographic).
a - Kiểu pin điện:
Một điện cực kim loại quý (Pt, Au, Ag ) được đặt sát dưới một màng
th
ẩm thấu oxy đóng vai trò catôt (điện cực làm việc), còn điện cực đối là Pb
17
dưới dạng dây hoặc tấm. Cả hai đều nằm trong dung dịch kiềm KOH. Khi đó
chúng trở thành một pin điện. Oxy khuếch tán qua màng vào tham gia phản
ứng trên catôt như sau:
O
2
+ 2H
2
O + 4e
-
 4 OH
-
Trên anôt xảy ra phản ứng:
2Pb  2 Pb
2+
+ 4e
-
Dòng điện sinh ra tỷ lệ thuận với lượng DO chui qua màng thẩm thấu
oxy. Vì vậy, nếu ta đo dòng điện, có thể biết được DO trong dung dịch. Khi

đó cần d
ùng loại ampe kế có điện trở càng nhỏ càng tốt.
Hình 2. Cấu tạo sensor màng oxy
Dung d
ị
ch
An
ố
t
Màng
th
ẩ
m th
ấ
u
Cat
ố
Dòng
18
b - Kiểu cực phổ
Cũng tương tự như phương pháp pin điện, một điện cực giữ vai trò
catôt (điện cực làm việc) vẫn làm bằng kim loại quý (Pt, Au, Ag ) được đặt
sát dưới một m
àng thẩm thấu oxy. Điện cực đối bạc (Ag) làm anôt dưới dạng
dây hoặc tấm. Cả hai đều nằm trong dung dịch điện phân (KCl). Khi áp điện
thế thích hợp vào giữa hai điện cực, oxy khuếch tán qua màng tham gia phản
ứng trên catôt như
sau:
O
2

+ 2H
2
O + 4e
-
 4 OH
-
Trên anôt xảy ra phản ứng:
4Ag  4 Ag
+
+ 4e
-
4Ag
+
+ 4Cl
-
 4AgCl
Dòng
điện sinh ra cũng tỷ lệ thuận với lượng DO chui qua màng thẩm
thấu oxy. Vì vậy, khi đo dòng điện, có thể biết được DO. Khi đó, máy đo làm
vi
ệc theo nguyên lý potensiostat (khống chế thế hai điện cực). Điện cực đối
Ag đóng luôn vai tr
ò điện cực so sánh (Ag/AgCl). Điện cực này cần diện tích
đủ lớn để khỏi gây ra hiện tượn
g phân cực khi hệ làm việc.
Trong cả hai kiểu đo, vì nồng độ phân tử của DO trong nước tỷ lệ tuyến
tính với dòng điện đo được, nên rất dễ dàng căn chuẩn thang đo oxy. Trong
thực tế việc căn chuẩn đó thường được tiến hành như sau:
L
ấy hai dung dịch có giá trị DO đã biết, thường sử dụng dung dịch có

nồng độ oxy bão hòa từ không khí (sự phụ thuộc của DO của dung dịch chuẩn
vào nhiệt độ nêu trong bảng 1.1) và dung dịch Na
2
SO
3
bão hòa (có DO = 0).
Dung d
ịch oxy bão hòa thường có được bằng cách sục không khí vào cốc
nước sạch khoảng 20 phút. C
òn nồng độ DO = 0 thu được khi hòa 3 g Na
2
SO
3
trong 100 ml nước sạch. Đặt sensor vào dung dịch thứ nhất, chờ khi đạt giá trị
ổn định, đưa giá trị nồng độ oxy b
ão hòa đã biết từ bảng vào giá trị cần căn
chuẩn hiện trên máy đo. Sau đó, nhúng điện cực vào dung dịch thứ hai, chờ
19
đến khi đạt giá trị ổn định, giá trị căn chuẩn trên máy nhận giá trị 0. Sau khi
ấn phím căn chuẩn, nhờ bộ vi xử lý máy sẽ tự nhận các giá trị căn chuẩn v
à
tính toán h
ệ số tỉ lệ để chuyển thẳng các giá trị dòng điện đo được khi sensor
đặt trong dung dịch đo th
ành giá trị nồng độ oxy tương ứng. Việc căn chuẩn
có thể lặp lại vài lần để thu được kết quả chính xác hơn.
Bảng 1. Độ hòa tan của oxy trong nước trong cân bằng với không khí khô
ở áp suất 760 mmHg v
à chứa 20,9% oxy [12]
Nhiệt độ

0
C
N
ồng độ clorua, mg/L
0 5.000 10.000 15.000 20.000
0 14,6 13,8 13,0 12,1 11,3
1 14,2 13,4 12,6 11,8 11,0
2 13,8 13,1 12,3 11,5 10,8
3 13,5 12,7 12,0 11,2 10,5
4 13,1 12,4 11,7 11,0 10,3
5 12,8 12,1 11,4 10,7 10,0
6 12,5 11,8 11,1 10,5 9,8
7 12,2 11,5 10,9 10,2 9,6
8 11,9 11,2 10,6 10,0 9,4
9 11,6 11,0 10,4 9,8 9,2
10 11,3 10,7 10,1 9,6 9,0
11 11,1 10,5 9,9 9,4 8,8
12 10,8 10,3 9,7 9,2 8,6
13 10,6 10,1 9,5 9,0 8,5
14 10,4 9,9 9,3 8,8 8,3
15 10,2 9,7 9,1 8,6 8,1
16 10,0 9,5 9,0 8,5 8,0
20
17 9,7 9,3 8,8 8,3 7,8
18 9,5 9,1 8,6 8,2 7,7
19 9,4 8,9 8,5 8,0 7,6
20 9,2 8,7 8,3 7,9 7,4
21 9,0 8,6 8,1 7,7 7,3
22 8,8 8,4 8,0 7,6 7,1
23 8,7 8,3 7,9 7,4 7,0

24 8,5 8,1 7,7 7,3 6,9
25 8,4 8,0 7,6 7,2 6,7
26 8,2 7,8 7,4 7,0 6,6
27 8,1 7,7 7,3 6,9 6,5
28 7,9 7,5 7,1 6,8 6,4
29 7,8 7,4 7,0 6,6 6,3
30 7,6 7,3 6,9 6,5 6,1
Do sự suy giảm nồng độ oxy ngay sát điện cực đo được có xu thế giảm
dần theo thời gian, nên để nhận được giá trị ổn định người ta thường khuấy
dung dịch. Sự phụ thuộc của giá trị dòng đo được vào tốc độ khuấy được đưa
ra trên hình 3.
T
ố
c đ
ộ
khu
ấ
y, vòng/phút
Hình 3
.
Ả
nh
hưởng của tốc độ
khuấy đến dòng đo
trên điệ
n cực màng
oxy
Dòng
đo đư
ợ

c,
21
Với các điện cực kích thước cỡ vài chục micro thì tiêu tốn rất ít hàm
lượng mẫu nên sự suy giảm nồng độ oxy ngay sát bề mặt không đáng kể vì
v
ậy không phụ thuộc vào tốc độ khuấy.
I.3. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của sensor oxy theo kiểu Clark
I.3.1. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
Sensor oxy Clark được Dr. Clark giới thiệu vào năm 1956. Về cơ bản
đây là một pin ampe được phân cực khoảng 800mV. Sự khử oxy được thực
hiện từ 400 đến 1200mV. Do đó cần một điện áp khoảng 800mV. Trong
Sensor Clark, điện áp đượ
c cung cấp từ bên ngoài bằng một nguồn ắc quy [13
- 14].
Hình 4. Một số cấu hình sensor oxy Clark [1,5]
Cấu tạo: bao gồm một anôt và catốt cùng tiếp xúc với dung dịch điện
phân. Đầu điện cực được bao phủ bằng m
àng thẩm thấu thường dùng là màng
polypropylene, teflon, PE… để khí thẩm thấu không bị nhiễm bẩn và các ion
kh
ử trong mẫu.
N
ố
i v
ớ
i
bộ khuếch
đ
ạ
i

Epo
xy
Gioăng
hình chữ
O
trong r
ả
nh
Màng
thẩm thấu
Th
ủ
y
tinh nhự
a
dẻo hình
Dây
Ag phủ
AgCl
B
ề
m
ặ
t
Th
ủ
y
Dây
Pt
L

ỗ
thêm
ch
ất
Đi
ệ
n
c
ự
c Pt
Đi
ệ
n k
ế
Dung
d
ị
ch
Gioă
ng
Màng
th
ẩ
m th
ấ
u
Đi
ệ
n
c

ự
c
Ngu
ồ
n
22
Sự khử oxy xảy ra trên bề
mặt catôt, phần lộ ra của
đầu điện cực. Các phân tử
oxy khuếch tán qua màng
th
ẩm thấu và kết hợp với
dung dịch điện phân KCl.
Dòng sinh ra là kết quả của
sự khử oxy tại catôt. Mỗi
phân tử khử tạo ra 4
electron.
Hình 5. Sơ đồ miêu tả sự khử oxy trong sensor
Phản ứng ở Anốt (Ag)
(V
ới chất điện phân KCl
hoặc KBr)
2Ag +2 Cl
-

2AgCl + 2e
-
(800mV)
Phản ứng ở Catôt
(Pt, Au, Pd)

2e
-
+ ½ O
2
+ H
2
0

2 OH
-
Phản ứng chung
2Ag + 2e
-
+ ½ O
2
+ H
2
0 + 2Cl
-

2 AgCl + 2OH
-
+ 2e
-
Như vậy, mỗi khi oxy bị khử ở catôt thì oxy nhận 4e
-
tức là dòng sinh
ra t
ỉ lệ thuận với oxy khử tại catốt.
a. Anôt:

S
ử dụng điện cực so sánh Ag/AgCl có diện tích bề mặt lớn hơn để đảm
bảo tính ổn định và tránh sự anôt hóa .
b. Catôt:
Thường sử dụng các kim loại quý như vàng (Au), platin (Pt), paladi
(Pd). Ph
ản ứng trên catôt của sensor oxy là một trong những phản ứng phức
tạp, đặc biệt vì có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này. Phản ứng khử
oxy ở các giá trị pH thấp và cao là khác nhau.
Ở pH thấp (môi trường axit), phản ứng khử theo hướng:
23
O
2
+ 4H
+
+ 4e
-
 2 H
2
O
Ở pH cao (môi trường trung tính và kiềm), phản ứng xảy ra theo
hướng:
O
2
+ 2H
2
O +4e
-
 4OH
-

Trong khoảng thế mà oxy bị khử, bề mặt điện cực có thể tạo ra một lớp
oxit và có thể xảy ra phản ứng của các chất bị hấp phụ. Các lớp hấp phụ có
thể trở nên rất dày và làm cho điện cực chậm đáp ứng với các thay đổi tại thế
điện cực mà phép đo có thể dễ d
àng tiến hành với những đặc tính hoàn toàn
khác.
Thêm vào đó, phản ứng của oxy là phản ứng rất không thuận nghịch
(m
ật độ dòng trao đổi rất nhỏ) nên chỉ cần có một lượng vết rất nhỏ của chất
phản ứng phân cực trong dung dịch cũng có ảnh hưởng rõ rệt đến động học
của điện cực và gây tác động rõ rệt.
Do các đặc tính tr
ên mà vật liệu sử dụng làm catôt trong sensor oxy bị
hạn chế. Tiêu chuẩn chọn vật liệu làm catôt cho sensor oxy đó là: mật độ
dòng trao đổi cao, không tạo ra các lớp hấp phụ dày, không bị ăn mòn tại thế
khử oxy. Pt và Au được sử dụng rộng rãi nhất. Giữa Pt và Au thì Au có nhiều
ưu điểm hơn, Au chỉ hấp t
hụ rất yếu oxy trên bề mặt của nó trong dung dịch,
nó cũng không hình thành lớp oxit khi thế lớn hơn 1,3V.
Diện tích catôt có ảnh hưởng lớn đến kết quả đo và độ nhạy của phép
đo, đặc biệt khi đo trong môi trường có thể tích nhỏ, không khuấy hoặc kín
khí.
c. Màng thẩm thấu oxy:
Màng ph
ải có độ dày tối thiểu cho phép để có khả năng cho oxy phân
tử đi qua mà không tạo ra một điển trở nội cao; đồng thời phải có khả năng
chịu nhiệt trong môi trường đo và có độ bền cao. Màng được cố định bằng
vòng hãm cao su (gioăng). Khi bọc màng phải lưu ý 3 nguyên tắc sau. Một là,
màng ph
ải không che khuất phần bề mặt điện cực làm việc để oxy có thể

24
khuếch tán đến điện cực dễ dàng. Hai là, màng không được xê dịch hoặc bị
rung trong khi làm việc. Ba là, lớp dung dịch giữa màng và điện cực làm việc
phải rất mỏng, thông thường lớp dung dịch điện phân mỏng tối đa là ~ 10 -
20
m và không thể mỏng hơn nữa.
d. Dung dịch điện phân:
Thường dùng KCl hoặc KBr. Các dung dịch này phải có độ sạch cao để
tránh gây ăn m
òn cục bộ trong điện cực và dẫn điện tốt giữa điện cực làm việc
và điện cực so sánh.
I.3.2. Cấu trúc, kích thước sensor
Việc chế tạo sensor có ảnh hưởng lớn đến khả năng hoạt động của nó
và nhiều tính năng như tính chống va đập, chống ẩm, chống ăn mòn, tính tiện
lợi khi sử dụng, khoảng nhiệt độ làm việc Về mặt cấu trúc, điều quan tâm
nhất khi chế tạo là sensor phải được cấu tạo sao cho lớp màng thẩm thấu khí
phải nằm sát bề mặt điện cực làm việc, bề mặt điện cực phải thật nhẵn và
ph
ẳng, lớp dung dịch điện phân tiếp giáp giữa sensor và màng thẩm thấu phải
càng mỏng càng tốt. Diện tích và hình dạng của điện cực làm việc có thể thay
đổi theo từng đối tượng phân tích [17, 20, 22].
I.3.3. Tính chất
Khi áp một thế thích hợp vào hai cực của sensor thì phản ứng khử oxy
xảy ra trên catôt. Oxy khuếch tán từ ngoài không khí vào trong dung dịch và
sau đó khuếch tán tiếp từ dung dịch đến điện cực làm việc [25]. Lượng oxy
khuếch tán đó cũng như dòng sinh ra phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ áp suất riêng phần của oxy trong dung dịch
+ độ d
ày màng và tính chất của vật liệu dùng làm màng
+ kích thước catôt

+ thế phân cực sensor
+ nhiệt độ môi trường
25
+ chế độ dòng chảy của dung dịch
Mối quan hệ của các yếu tố trên được Fick mô tả theo công thức sau:
X
p
AaDki
o
2

trong đó:
i : mật độ dòng
k : h
ằng số
D: hệ số khuếch tán của oxy qua màng
a : độ hòa tan của oxy trên màng
A: b
ề dày catôt
p : áp su
ất riêng phần của oxy trong dung dịch
X: bề dày của màng
 Thế phân cực: là giá trị thế mà tại đó chỉ có chất cần phân tích bị khử
hoàn toàn trên catôt. Mỗi điện cực có một giá trị thế phân cực riêng. Vì
v
ậy cần biết rõ bản chất của từng điện cực để đặt đúng thế, có như vậy
sensor mới hoạt động tốt. Đối với điện cực oxy Clark thì thế phân cực
khoảng từ 600800mV.
 Nhiệt độ: hệ số nhiệt độ của sensor oxy quyết định đến khả năng thẩm
thấu của màng. Hệ số nhiệt độ của sensor oxy có thể tăng 3% khi nhiệt

độ tăng 1
0
C.
 Sự phụ thuộc của dòng chảy: đối với các điện cực có kích thước thông
thường (cỡ mm) th
ì chịu ảnh hưởng của khuếch tán thẳng, khi dung
dịch không được khuấy thì cường độ thu được nhỏ, sở dĩ như vậy là do
lượng oxy khuếch tán đến bề mặt catôt và bị khử tại đó rất ít. Khi được
khuấy thì khả năng khuếch tán của oxy đến bề mặt tăng lên, do đó
lượng oxy cũng tăng l
ên dẫn đến tăng cường độ dòng. Nhược điểm này
s
ẽ được khắc phục khi điện cực làm việc của sensor là vi điện cực (các
điện cực có kích thước cỡ v
ài chục micromet) tức là chúng ta có thể đo
26
trong điều kiện tĩnh, không cần khuấy dung dịch do sự khuếch tán trên
vi điện cực là khuếch tán xuyên tâm và tiêu tốn rất ít hàm lượng mẫu.
 Áp suất riêng phần của oxy: dòng thu được phụ thuộc vào áp suất riêng
ph
ần của oxy, khả năng hòa tan của oxy vào dung dịch và khả năng
thẩm thấu qua màng của oxy. Theo định luật Henry thì nồng độ của oxy
tỷ lệ với áp suất riêng phần:
C = a. p
O2
Trong đó: C : nồng độ DO (mg/l)
p
O2
: áp suất riêng phần
a : hệ số hòa tan

H
ệ số a phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ oxy trong dung dịch. Từ công
thức trên ta thấy áp suất riêng phần tỉ lệ thuận với nồng độ, do đó lượng oxy
đến catôt v
à bị khử càng nhiều thì cường độ dòng càng lớn.
 Kích thước catôt: có ảnh hưởng đến cường độ dòng thu được. Catôt có
kích thước lớn th
ì oxy tham gia phản ứng càng nhiều và tín hiệu thu
được tr
ên máy sẽ càng rõ. Nhưng lượng oxy trong dung dịch sẽ giảm
nhanh, nhất là với thể tích mẫu nhỏ.
 Bề dày của màng có ảnh hưởng lớn đến kết quả phân tích. Vì nó ảnh
hưởng đến sự khuếch tán của oxy qua m
àng.
I.3.4. Các vấn đề liên quan đến sensor oxy Clark (Hình 6)
Ch
ấp nhận một hệ đo mà không có bất kì sự nhiễu nào tức là chỉ có DO
trong nước th
ì pin Clark có 4 vấn đề chính mà sensor hạn chế sử dụng trong
quá trình hoạt động liên tục. Bốn vấn đề này là:
 Sự cô lập anôt (Isolation of Anode)
 Sự dịch chuyển điểm không (Zero Shift )
 Sự tiêu hao Clorua (Depletion of Chloride)
 Thời gian làm nóng (Warm-up Time)
a. Sự cô lập anôt