bai giang ky thuat tuan hoan nuoc 3

TRAO ĐỔI KHÍ:
SỤC KHÍ VÀ KHỬ KHÍ


Mục tiêu
Giúp sinh viên nắm vững các nội dung:
• Khái niệm về tổng áp lực và áp lực thành phần
khí trong không khí và trong nước
• Khái niệm hệ số chuyển tải (KLa), các yếu tố
ảnh hưởng đến sự chuyển tải khí qua bề mặt
tiếp xúc khí-chất lỏng
• Tính hệ số KLa của máy sục khí
• Ảnh hưởng của CO2 đếi pH và độ kiềm
• Cách điều khiển CO2 trong hệ thống tuần hoàn


Tác động của các chất khí
Thông số
Tổng áp lực khí
N2
O2

CO2

NH3

Ảnh hưởng
Bệnh bọt khí
Bệnh bọt khí
Sinh trưởng chậm
Oxy thấp gây chết cá

Oxy cao gây độc cho cá
Sinh trưởng chậm
Gây chết cá
Giảm hấp thụ oxy
Gây pH thấp
Sinh trưởng chậm
Gây chết cá


Áp lực khí
Định luật Dalton:

Patm = PO2 + PN 2 + PAr + PCO2
PO2 = (760) * (0,20946) = 159,2 mmHg
PN 2 = (760) * (0,78) = 592,8 mmHg


Độ bão hòa oxy
Độ hòa tan của
các chất khí phụ
thuộc vào nhiệt
độ, độ mặn và áp
lực khí
Độ mặn (ppt)
Nhiệt độ (oC)


Hiệu chỉnh hàm lượng oxy bão hòa
PA
Khi biết áp lực khí:

DOc = DOt *
760
DOc: Hàm lượng oxy bão hòa hiệu chỉnh
DOt: Hàm lượng oxy bão hòa ở PA= 760 mmHg (Po2 =
159,2 mmHg)
PA: Áp lực không khí đo được

Giả định: PA tại Lâm Đồng là 730 mmHg, nhiệt độ
là 25oC. DOc tại đó là bao nhiêu?
DOc = 8,24 * (730/760) = 7,91 mg/L


Hiệu chỉnh hàm lượng oxy bão hòa
Khi không biết áp lực khí, ước lượng PA theo
cách sau:
Từ 0-600m, PA giảm 4%/300m
Từ 600-1500m, PA giảm 3%/300m
Từ 1500-3000m, PA giảm 2,5%/300m
Giả định: PA tại Bảo Lộc có độ cao 250m, nhiệt
độ là 25oC. DOc tại đó là bao nhiêu?
PA = 760-{760*[(250*0,04)/300]} = 734,7 mmHg
DOc = 8,24*(734,7/760) = 7,97 mg/L


Trao đổi khí giữa nước và không khí
PP = Áp lực khí thành phần
PPkhông khí > PPnước

PPkhông khí < PPnước
Không khí

Nước


Trao đổi khí giữa nước và không khí
Patm = PO2 + PN 2 + PAr + PCO2 = 1Atm = 1Barr
PP(O2)không khí >
PP(O2)nước

Không khí
Nước

PP(CO2)không khí <
PP(CO2)nước


Trao đổi khí giữa nước và không khí
Khí

Không khí

Nước

Tỉ lệ %

L/L

L/mole

g/mole

mg/L

mg/L

O2

21

0,21

22,4

32

300

9,08

N2

78

0,78

22,4

28

975

14,87

CO2

0,03

0,0003

22,4

44

0,59

0,54

Tổng KL

1275,59

KL không khí

1293,00

Câu hỏi: Trong không khí chứa 300 mgO2/L, trong nước
chứa 11 mgO2/L ⇒ Hướng khuếch tán của O2?
300 mg/L = 100% bão hòa ⇒ PP(O2)Không khí = 159,2 mmHg
11 mg/L = 121,15% bão hòa ⇒ PP(O2)nước = 192,9 mmHg

Chuyển tải oxy qua mặt nước
Đánh giá hiệu quả của máy sục khí

dC
A
= K L (CS - C m )
dt
V

A
K La = K L
V

KL: Hệ số chuyển tải khối lượng đặc biệt (m/ngày)
A : Diện tích bề mặt (m2)
V: Thể tích (m3)
CS: Hàm lượng oxy bão hòa
Cm: Hàm lượng oxy đo được
KLa: Hệ số chuyển tải khối lượng (/ngày)


Làm tăng trao đổi khí
Làm tăng sự trao đổi khí bằng cách:
• Tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa khí và
nước
• Giảm độ dày của bề mặt tiếp xúc giữa khí và
nước
• Thay đổi thành phần khí của môi trường
xung quanh và áp lực khí

A
K La = K L
V


Ước tính hệ số chuyển tải khí

Độ thiếu hụt oxy ở thời điểm t (Dt)
LnD

D t = Cs - C m

t1-t2

LnD1

LnD1-LnD2
LnD2

t1

t2

t

lnD1 - lnD 2
K La =
t1 - t 2

Hàm lượng khí N2 trong nước

N2 là khí trơ ⇒ rất khó đo
Tổng áp lực đo bằng áp lực kế
Áp lực khí N2 trong nước:
PN2 = PT - PO2 – Pco2 – Phơi nước – Pkhí khác
Nhiều cách đo/tính toán

Sai tổng của tất cả
các khí

Patm = PO2 + PN 2 + PAr + PCO2


Ảnh hưởng của oxy hòa tan
Tiêu thụ oxy của cá phụ thuộc vào các nhân tố:
• Loài cá, khối lượng/tuổi, tình trạng hoạt động
• Thức ăn
• Nhiệt độ và hàm lượng oxy
Số liệu về ảnh hưởng của nhiệt độ lên sinh
trưởng, FCR rất hiếm
Ảnh hưởng của nhiệt độ thường khó xác định
DO dưới 80% bão hòa sẽ ảnh hưởng đến sinh
trưởng


Ảnh hưởng Bohr:
pH thấp (tăng tính
acid) làm giảm khả
năng vận chuyển

oxy của
Hemoglobin

O2 saturation of Hemoglobin

pH và vận chuyển oxy của máu

Partial O2 pressure 1 mm Hg ≅ 1 torr


Ảnh hưởng Root:
pH thấp và hàm
lượng CO2 cao làm
giảm khả năng vận
chuyển oxy của
máu

Độ bão hòa oxy (%)

CO2 và vận chuyển oxy của máu

Pco2 thấp, pH=8

Pco2 cao, pH=7,2
Po2 (mm Hg)


Máy sục khí
Máy sục khí bề mặt (quạt
nước) là loại sục khí phổ

biến
Tỉ lệ chuyển tải oxy của
máy sục khí được tính
như thế nào?


Xác định tỉ lệ chuyển tải oxy - SOTR
Bước 1: Khử oxy bằng Na2SO3 (8-10mg/L) và
xúc tác CoCl2 (0,05-0,1 mg/L)
Na2S2O3 + ½O2 → Na2SO4
LnD

t1-t2

LnD1

LnD1-LnD2

lnD1 - lnD 2
K La =
t1 - t 2

LnD2

t1

t2

t

Xác định tỉ lệ chuyển tải oxy - SOTR
Bước 2: Xác định KLaT

lnD10 - lnD 70
K La T =
(t10 - t 70 ) /60
KLaT: Hệ số chuyển tải ở nhiệt độ T (h)
D10: Độ thiếu hụt oxy khi đạt 10% bão hòa (mg/L)
D70: Độ thiếu hụt oxy khi đạt 70% bão hòa (mg/L)
t10: Thời điểm oxy đạt 10% bão hòa (min)
t70: Thời điểm oxy đạt 70% bão hòa (min)


Xác định tỉ lệ chuyển tải oxy - SOTR
Bước 3: Hệ số chuyển tải oxy ở nhiệt độ 20oC

K L a 20

K La T
=
T - 20
1.024

Bước 4: Tính tỉ lệ chuyển tải oxy chuẩn (SOTR)

K L a 20 (CS20 )(V)
SOTR =
103

(kg O2 /h)

Bước 5: Hiệu quả sục khí chuẩn (SAE)

SAE = SOTR/kW

(kg O2 /kW/h)


Xác định tỉ lệ chuyển tải oxy - SOTR
Tính tỉ lệ chuyển tải oxy của nước ao (AOTR)

CST − C m
AOTR = SOTR
1.024T −20 α (kg O2 /h)
CS20
Hiệu quả sục khí của nước ao(AAE)

CST − C m
AAE = SAE
1,024T −20 α
CS20

(kg O2 /kW/h)

α = (KLa20 nước ao)/(KLa20 nước máy)


Xác định tỉ lệ chuyển tải oxy - SOTR

Đơn vị tính của SAE và AAE
– kg O2/kW/h
– kg O2/lít nhiên liệu/h
Nhiên liệu
– 2,26 kW/h = 1 lít xăng/h
– 3,28 kW/h = 1 lít dầu diesel/h


Hàm lượng CO2 trong nước
Hằng số cân bằng của phương trình trên được trình
bày như sau:
+
-

[H ][HCO 3 ]
= k1 = 10 −6, 35
[CO 2 ]

Khi [HCO3-] = [CO2] thì [H+] = K1= 10-6,35
⇒ pH = 6,35 (pH = -lg[H+])
Trong nước sạch, 25oC và khí áp là 760mmHg hàm lượng CO2
là 0,46mg/L (~ 10-5 eq) ⇒ pH = 5,68. Hàm lượng CO2 là 30 mg/L
(~ 10-3,166 eq) ⇒ pH=4,8
CO2 không gây giảm pH dưới 4,5. Khi pH<4,5 là do acid khoáng


Ảnh hưởng Bohr – Root:
Khả năng kết hợp của
O2 và hemoglobin giảm
khi CO2 cao

> 40 mg CO2/l trong 3
tháng
SGR bị giảm
20%.

CO2 trong máu (mmole/L)

Hàm lượng CO2 trong nước

CO2 trong nước (mg/L)