Nghiên cứu hệ thống đo đạc, đánh giá và cảnh báo ô nhiễm môi trường nước ở thành phố lớn và các khu công nghiệp

ĐẠĨ HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

BÁO CÁO TỔNG KỂT
KÉT QUẢ THỤ C HIỆN ĐÈ TÀI KH&CN
CẤP ĐẠI HỌC QUỐC GIA

Tên đề tài: Nghiên cứu hệ thống đo đạc, đánh giá và cảnh báo ô nhiễm
môi trưòng nước ở thành phổ ló’n và các khu công nghiệp
Mã số đề tài: QG.15.11
Chủ nhiệm đề tài: TS. Phạm Văn Thành
•

*

ĐẠI HỌC QUỐC GIA H Ả NỌ|
TRUNG TAM THÔN GTIN TH Ư VIỆN

000 600 0 0 4 6 1

1


PH ÀN I. T I I Ỏ N G T I N C H U N í ;

1.1. Tên dề tài: Nghiên cứu hệ thống đo đạc, đánh giá và cảnh báo ô nhiễm môi trường nưó'c 0'
th à n h p h o IÓI1 và cá c k h u c ô n g n g h iệ p

Tiếng Anh: Study and design o f a Processing data system in order to mcasurc environmental
paramclcrs of vvater and evaluate its polluled State in urban and industrial areas
1.2. M ã số: Q C 15-11

1.3. Danh sách chủ trì, thành vicn tham gia thực hiện đề tài

TT

Chức danh, học vị,
họ và tên

1

TS. Phạm Văn Thành

2

TS. Phạm Nguyên Hải

3

TS. Lê Quang Thảo

4

NCS. Trân Vĩnh Thăng

5

ThS. Nguyên Cảnh Việt

Đ on vị công tác

Vai trò thực hiện đề tài

Trường Đại học K hoa học
T ự nhiên, ĐHQ G HN
Trường Đại học K hoa học
T ự nhiên, ĐHQGHN
Trường Đại học K hoa học
T ự nhiên, Đ HQ G HN
Trường Đại học K hoa học
T ự nhiên, Đ HQ G HN
Trường Đại học K hoa học
T ự nhiên, Đ HQ G HN

Chủ nhiệm đê tài
Thành viên
Thành viên
Thành viên
Thành viên

1.4. Đon vị chủ trì: Khoa V ật lý - T rư ờng Đ ại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN
1.5. Thòi gian thực hiện:
1.5.1. Theo hợp đồng:

từ tháng 2 năm 2015 đến tháng 2 năm 2017

1.5.2. G ia hạn (nếu có):

đến tháng 12 năm 2017

1.5.3. Thực hiện thực tế:

từ tháng 2 năm 2015 đến tháng 12 năm 2017

1.6. Những thay đổi so v ó i thuyết m inh ban đầu (nếu có): không
(Về mục tiêu, nội dung, p h ư ơ n g pháp, kết quả nghiên cứu và íổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ỷ
kiến của Cơ quan quản lý)
1.7. Tống kinh phí được phê duyệt của đề tài: 250 triệu đồng.

PHẦN II. TỔNG QUAN K É T QU Ả N G H IÊ N c ứ u
(Viết theo cẩu trúc m ột bài báo khoa học tong quan từ 6-15 trang)
1.

Đặt vấn đề

0
nhiễm môi trường nước đang là vấn đề cấp thiết hiện nay trên thế giới do cuộc cách mạng
công nghiệp hóa toàn cầu, nước bị ô nhiễm gây ra các ảnh hưởng tiêu cực đối với sức khỏe cộng
đồng như gây các bệnh về hô hấp, da liễu, các bệnh truyền nhiễm, ung th ư ,.... Do đó, việc đánh giá
hiện trạng môi trường nước là rất quan trọng để tìm ra giải pháp khắc phục tốt nhất, giảm ảnh
hưởng tới mức tối thiểu tới sức khỏe con người. H iện nay trên thế giới có nhiều nghiên cứu liên
quan tới vấn đề chế tạo cảm biến nhạy với các thông số m ôi trường nước và xây dựng hệ thống có
khả năng đo nhiều thông số trong m ột lần đo. N hóm tác giả Song-Liang Cai sử dụng polime trộn
với terbium (III) để phát hiện nồng độ Fe+3 trong nước [1]. Nhóm tác giả Haịịiang Tai đã trình bày
vê hệ thông thông minh đo độ đục của nước sử dụng các LED hông ngoại làm bộ phát và cảm biên
đự a trên vật liệu Silicon làm bộ thu với góc phản xạ 90o, khoảng đo là từ 0 đến 100 NTU với giá
thành rẻ [2]. Việc thiết kế và chế tạo m ột hệ cảm biến với các thông số có thể đo được như pH,
2


1 irọnjì oxi hòa tan 1)0, độ dẫn cùa mi'(Vc dựa tròn vật liệu cấu trúc nano hán dẫn R u 0 2 đã dược chế
tạo thành côniĩ bới nhóm tác ” iá Scrgc Xhuiykov |3, 4J; dồng thời nhóm tác giả R. Martínc7,-Mánez

trình bày về hệ cam biến có thô do nhiều thông số của mỗi trường nước như pH, lượng oxi hòa tan,
độ dục và độ dẫn dựa trên công nghệ mànu cỗ độ dày lớn [5]. Mơn thế nữa, nhóm tác giả R. Yue đã
xây dựng thành công một hệ do có kha nănti thu thập các thông số mỗi trường nước bao gồm độ đục,
pH, một dộ oxi trong nước và truyền dữ liệu thu dược qua mạng không dây về máy chủ theo thời
gian thực [6]. Những rmhiên cứu này cho thấy ràng hướng nghiên cứu các cảm biến đo thống số
môi trườnu nước là một hướng nghiên cứu hấp dẫn và khả thi; đồng thời việc nghiên cứu một hệ
thống có khả năng đo đạc, thu thập và đánh giá nhiều thông số môi trường nước theo thời gian thực
đã được thực hiện thành công và hoàn toàn có khả năng triển khai nghiên cứu này ở V iệt N am
nhằm giảm giá thành sản phẩm và làm chủ công nghệ chế tạo m ột thiết bị hiện đại, hướng tới phục
vụ cho việc quan trẳc môi trường nước theo thời gian thực.
Hiện nay, đã và đang có m ột sổ đồ tài nghiên cứu trong nước về các hệ đo thông số môi
trường nước, ví dụ như các sản phẩm m áy đo độ dẫn điện dung dịch SCM -2000A , máy đo độ m ặn
SM-802, máy đo PH -1299, máy đo và điều khiến PH: P H C -62K ,... của phòng điện tử ứng dụng,
phân viện Vật lý thành phố Hồ Chí M inh; máy đo nồng độ oxy hòa tan và nhiệt độ DOT-Ol của
viộn Khoa học Vật liệu, V iện H àn lâm K hoa học V iệt N am ,......Tuy nhiên các sản phẩm này chủ
yêu đo 1 thông số m ôi trường nước và chưa có khả năng thu thập thông số theo thời gian thực.
Trong nghiên cứu này này, nhóm nghiên cứu tập trung nghiên cứu chế tạo m ột hệ thống có
khả năng đo nhiều thông số một lúc, đồng thời có khả năng thu thập và đánh giá các thông số môi
trirờng đo được theo thời gian thực, từ đó cảnh báo được tình trạng ô nhiễm của môi trường nước
dựa theo các tiêu chuẩn nước thải V iệt N am . Đ ề tài cũng sẽ tập trung nghiên cứu và tự chế tạo m ột
số loại cảm biến như cảm biến đo độ dẫn của nước từ đó tính ra tổng lượng chất rắn hòa tan (TDS)
và cảm biến đo độ đục của nước, đồng thời nghiên cứu thiết kế hệ thống để có thể kết nối các cảm
biến lại với nhau dùng để đo nhiều thông số theo thời gian thực.
2.

Mục tiêu

0
nhiễm môi trường nước là m ột vấn đề đang rất bức thiết hiện nay ở các thành phố lớn và các
khu công nghiệp của nước ta và ảnh hưởng rất tiêu cực tới sức khỏe cộng đồng. Việc khảo sát tình

trạng ô nhiễm của m ôi trường nước là rất quan trọng và m ang tính quyết định tới vấn đề xử lý dứt
điểm ô nhiễm; do đó m ột hệ thống có khả năng đo đạc, khảo sát và cảnh báo tình trạng ô nhiễm môi
trường nước là rất cần thiết.
Nội dung đề tài tập trung trình bày việc nghiên cứu và xây dựng m ột hệ thống dựa trên các vi
xử lý và các cảm biển độ nhạy cao có khả năng đo đạc, thu thập và cảnh báo tình trạng ô nhiễm môi
trường nước, nhất là môi trường nước tại thành phố H à Nội và các vùng phụ cận.
Mục tiêu cụ thể của đề tài
- Nghiên cứu các phương pháp và cảm biến có khả năng đo đạc các thông số của môi trường
nước.
- Chế tạo một số loại cảm biến đo thông số của môi trường nước.
- Nghiên cứu, xây dựng m ột hệ thống có thể thực hiện đo đạc và thu thập các thông tin về môi
trường nước như nhiệt độ, pH, độ đục, tổng lượng chất rắn hòa tan
từ đó có thể cảnh báo tình
trạng ô nhiễm của môi trường nước theo thời gian thực dựa theo các tiêu chuẩn nước thải của Việt
Nam.
3. Phưoìĩg pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các thông số cần đo của môi trường nước, qua đó xác định được các thông số thông
dụng cần đo là nhiệt độ, pH, độ đục, độ dẫn có khả năng đo được liên tục.
3


- Dựa trôn nguyên lý hoạt dộng cua các [oại cam hiên. độ đ ụ c , đ ộ d ẫ n đ ộ c h í n h x á c cao.

- Thiết k ê chê lạo và kiêm tra hoạt độn” cùa hệ thống với lừnụ thông số riêiiLí lé gồm nhiệt độ, pỉ I,
độ dẫn, độ đục, hiệu chỉnh hộ thong và đưa vào hoạt độn” troim thực tế.
- Nghicn cứu khả năng thu thập dữ liệu và tự dộng cảnh báo khi có một hoặc nhiều thông số vượt
ch LIâ n.

4. T ông kết kết quả nghicn cứu

- Sán phẩm khoa học: Công bố 01 bài báo tạp chí quốc tế ISI; 01 bài báo tạp chí trong nước,
02 báo cáo hội nghị quốc tế.
Các kết chỉ ra:
(1) Các cảm biến pH, độ đục, độ dẫn dã được chế tạo thành công và có khả năng đo đạc ứng
dụng trong thực tế.
(2) Chế tạo thành công được hệ đo đa thông số môi trường nước gồm các thông số nhiệt độ,
pH, độ đục, độ dẫn.
(3) Hệ thống chế tạo được đã tự động thu thập dữ liệu và cảnh báo khi có một hoặc nhiều
thông số vượt chuẩn.
- Sản phấm đào tạo: 01 Thạc sỹ, 02 Cử nhân.
5. Đánh giá về các kết quả đã đạt đuọc và kết luận
5. 1. T h iêt kế, chê tạ o và kh ả o sá t m ộ t số lo ạ i cảm biến đo th ô n g số m ô i trư ờ n g n ư ớ c g ồm
độ dan, p H , độ đục
5.1.

ỉ. Nghiên cứu chế tạo và khảo sát hoạt động cảm biến đo độ dẫn trung nước

Độ dẫn của dung dịch thể hiện khả năng có thế dẫn điện của dung dịch. Đo độ dẫn của dung dịch là
đỡ sô lượng ion tự do dịch chuyến trong dung dịch. Các loại cảm biến do độ dẫn của nước dược
chia thành 3 loại chính: sử dụng 2 điện cực (Hình. l(a)), sử dụng 4 điện cực (Hình. l(b)) và sử dụng
cuộn dây (Hình. l(c)) [7].

Hình. 1. Các loại cảm biến đo độ dẫn: (a) S ử dụng 2 điện cực, (b) sử dụng 4 điện cực, và (c) sử
dụng cuộn dây
Do những ưu điểm của cảm biến dùng 2 điện cực là đơn giản, dùng tín hiệu xoay chiều AC nên có
thể đo được độ dẫn của dung dịch độ tinh khiết cao, giảm được hiện tượng điện phân dung dịch và
ăn mòn điện cực, cấu trúc này được nhóm nghiên cứu sử dụng để chế tạo cảm biến đo độ dẫn của
nước [5].
Đ iện cực của cảm biến sử dụng màng platinum chế tạo bằng phương pháp phún xạ trên đế SĨ02/SĨ
[8], độ dày của màng platinum đạt được khoảng 100 nm, độ dẫn của màng đạt được là 2.78Í2/D đo

4


bời phươrm pháp 4 mũi dò. Quy trình chế tạo cám biến dược thố hiện như Ilinh. 2 (a).Mình.
thể hiện mạch đo độ dẫn của dung dịch sử dụng cảm biốn dược chế lạo.

2 (b)

Đc do độ lớn tín hiệu điện AC chạy qua 2 diện cực, mạch diện trở bên ngoài được kết nối vói cảm
biến. Khi đó, trử kháng R của dung dịch ííiữa 2 điện cực dược lính theo cônu thức f9 Ị:
R

y2

( 1)

Trong đó V 2 là biên độ điện áp AC trên 2 bản cực, V là biên độ điện áp AC đặt vào mạch được giữ
giá trị không đổi là 500 mVp-p, /?/= 11.94 kí2, /?2 = 473.5
(Hình. 2 (b)). Độ dẫn của dung dịch
EC=Ơ, đơn vị s/cm , được tính theo công thức:
D
EC = ơ = — =
-xa
p Rx s

( 2)

Trong đó s là diện tích của bản cực, D là khoảng cách giữa 2 điện cực, a là hằng số chuyển đổi phụ
thuộc vào hình dạng cảm biến. Trong nghiên cứu này, giá trị V và V 2 được đo bởi Keithley 2000

M ultim eter kết nối với máy tính cá nhân thông qua kết nối RS232 và phần mềm Excelink.

ìịílỊ ĩip

m

Ĩ Ị m ế ĩ'; 2 0

ỊÍHỊlỊIỊIÍỊỊnỊ
2iiniiỉ

a)

|A(.’

v:)

J>R:

(b)

- Solutions

rt-clccliodc

Hình. 2. (a) Quy trình chế tạo cảm biến đo độ dẫn, (b) mạch điện khảo sát độ nhạy cảm của cảm
biến.

Hình. 3. S ự phụ thuộc luyến tính của độ dẫn dung dịch đo được bởi cảm biến vào nồng độ dung
dịch N aC l với nồng độ (a) 0-10 ppm, (b) 0-100 ppm và (c) 0-2000 ppm.

5


Độ nhạy của cảm biến được kháo sát vói dung dịch muối NaCl với nồng độ thay đối từ 0-2000 ppm
(mg/L). Hình. 3 the hiện sự phụ thuộc tuyến tính của giá trị CT tính bởi công thức (2) vào nồng độ
eíia dmm dịch NaCl. Kel quả cho thấy có sự phụ thuộc tuyến tính cao cúa G vào nồng dộ cua NaCI
vói R2= 0.9827-0.9962.
5.1.2. Nghiên cứu che lạo và khảo sát hoạt động cùa cam biên đtì p H
pl I là chỉ số thể hiện tính acid hoặc tính bazơ (tính kiềm) của dung dịch. Giá trị pH là chi số biếu
diễn nòng dộ của ion Hiđrô (+1) trong dung dịch được tính bởi công thức [10]:
pH = - log10a
io“ n>

(3)

T rong đó an+ là hoạt động của ion H+ tính theo mol/L, với các dung dịch loãng thì nồng độ này xấp
xỉ bằng nồng độ của ion H+.
B ọc n h ô m sừ
’ d ụ n g h iệu ứng
p in G atv an ic

R ù a s iê u âm
A c e to n c , e th a n o l, n ư ớ c deion

Bước
. _ p c a .F .E 4 ..
0.025M

+

Zn (N O ,). 611.0

0 .0 2 5 M C . u . - K

HỖ họp dun g d ịch

Bước 2:

—=saì

Bước 3:
Ị

/
H o àn th à n h q u á
trin h m ọ c

Bước 4:

Bước 5:

H o t p ỉa te \

1KA \
R ùa
N ư ớ c D e-io n

X ẩy khô 12VC
tro n g 3h

Than lì
nano Z nO
P hù e p o x y b ả o vệ

Hình. 4. Quy trình chế tạo thanh nano Z nO làm bộ p h ậ n nhạy p t ì của cảm biến pH -EG FET
Đ ể đo giá trị pH trong dung dịch thông thường dùng 2 phương pháp chính là điện cực thủy tinh
(G lass electrode) [10] và transistor trường có cực cổng nhạy ion - pH-ISFET (lon sensitive Field Effect Transistor) [11]. c ấ u trúc transistor trường cực cửa m ở rộng (extended gate íĩeld effect
transistor -EGFET) là m ột cấu trúc khác của ISFET sử dụng m ột FET đã được chế tạo sẵn cách li
với môi trường hóa chất kết nối cực cổng (G ate) với m ột màng nhạy pH được nhúng vào dung dịch
[12, 13]. Trong thời gian gần đây, sừ dụng các cấu trúc nano làm bộ phận cảm biến của cấu trúc
pH -EG FET đã và đang được quan tâm nghiên cứu như sử dụng màng mỏng T Ĩ0 2 chế tạo bằng
phương pháp sol-gel [14], m àng m ỏng V 2 0 5 [15], m àng A1N/Si02[16], cẩu trúc Silicon rỗng (PSi)
[1 7 ]...Đặc biệt, cấu trúc nano của ZnO được quan tâm nghiên cứu làm bộ phận nhạy pH với ưu
điểm là ít độc, độ nhạy cao, nhiệt độ chế tạo thấp [12, 13, 18, 19].
T rong đề tài này, nhóm nghiên cứu tập trung nghiên cứu chế tạo thanh nano ZnO sử dụng phương
pháp ttrỉty phân nhiệt (H ydrotherm al process) mọc trên mạch in PCB FR4 (Printed circuit board)
p h ủ đồng có độ dày 35 p.m làm bộ phận cảm biến pH của cấu trúc EGFET. Đặc biệt, thanh nano
Z nO được mọc trực tiếp trên m ạch in C u/PCB dựa trên hiệu ứng pin Galvanic ở nhiệt độ thấp mà
không cần lóp trung gian giúp quy trình chế tạo đơn giản [20]. Quy trình chế tạo thanh nano ZnO
được thể hiện như Hình. 4.

6


Hình. 5. Anh SEM cùa thanh nano Zn() mọc trên đế PCtí bục A / Ironn; (u) lh, (b) 3h, (c) 7 h, và (d)
khônĩỊ học nhôm 7 h as rej'erence
Hình. 5 the hiện ánh kính hiến vi điện lử quét (SEM) của thanh nano XnO mọc trcn dế Cu/PCB cỏ
bọc phoi AI (I lình. 5(a)-(e)) và khôn” bọc phoi AI (Hình. 5(d)). Kết quả cho thấy thanh nano ZnO
đã mọc thành công trên dế Cu/PCB có dạng hình dạng trụ lục giác với đầu nhọn (hexagonal
colunmar). Hình dạng này của thanh nano ZnO phù hợp vói các kết quà đã được báo cáo trước đây

120, 21]. Đường kính của thanh nano ZnO dạt được khoảng 50-200 nm cho 1 h, 160-210 nm với
thòi gian nuôi là 3h và tăng lên 170~250nm với thời gian nuôi 7h. Từ kết quả ảnh SEM có thể nhận
thày rõ sự khác biệt khi có và không có phoi AI. Trường họp không có phoi Al, các thanh nano ZnO
CÓ xu hướng mọc lự do với mật dộ thấp. Khí có sử dụng phoi Al, các thanh ZnO mọc đồng đều vói
mật dộ cao do hiệu ứng G alvanic đã dược báo cáo bởi z . /h c n g [20].
Hình. 6 the hiện phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của các thanh nano ZnO mọc trực tiếp trên dế Cu/PCB
khi cỏ bọc và không bọc phoi nhôm. Các phổ XRD xuất hiện các đỉnh (100), (002), (101), (102),
(110), and (103) tương ứng với cấu trúc hcxagonal wurtzitc của ZnO (JCPDS card, No. 36-1451),
hai đinh khác xuất hiện tại 43.3° và 50.5° tương ứng với Cu/PCB [21, 2 2 1. Kết quả này cho thấy
thanh nano /n O dã mọc thành công trên đe Cu/PCB ở nhiệt dộ thấp vói mật độ cao dựa trên hiệu
ứng (ỉalvanic mà không cần sử dụng lóp trung gian.
Thanh nano ZnO mọc thành công trên đế Cu/PCB đirợc sử dụng làm bộ phận nhạy I r của cảm biến
pH-EGFET. Nguyên lý cảm nhận ion H h của thanh nano ZnO dựa trên mô hình site-binding [23].
Trong mô hình này, thế bề mặt (! I.v) phụ thuộc vào vật liệu của phần nhạy H+ và nồng độ I l+ hay
pH của dung dịch thế hiện như phương trình sau [12, 16]:
(4)

Trong đó pl lpzc là point oF zero charge của giá trị pH, k lả hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ của
dung dịch, |3 lả hệ sô phụ thuộc vào độ nhạy pH của vât liệu the hiện như phương trình sau:


V ũ N , là mật dộ bỏ mặt, Kh và K;, là hăng sô cân hănu diêm axít và bazơ, C|)|. là điện dung được
Ui'cn lính hóa lính h()'i mô hình G ouy-C h ap m an —Stern.

30

40

50

20 (d e g re e )

Hình. 6. Phô nhiêu xạ tia X (XRD) của thanh rtcmo ZnO mọc trên đê C u/PC B có bọc p h o i A l với
thời ẹian m ọc (a) ỉh, (b) 3h, (c) 7h, và không bọc p h o i A l với thời g ian m ọc 7h

Vù

Ị ìl ỉ bulTcr soluiion

□
o

Cu

^>• •2.s»
3ỉ
Hình. 7. Sư đồ m ạch điện khảo sá t đặc (rung của cảm biến p H -E G F E T sử dụng thanh nano ZnO
làm p h ầ n nhạy pH.
Hình. 7 thể hiện sơ đồ m ạch điện khảo sát đặc trưng của cảm biến pH -EG FE T sử dụng thanh nano
ZnO. M ối liên hệ giữa dòng cực nguồn (source) - cực m áng (drain) IDS, thế cực cổng (gate voltage V g), v à thế cực m áng - cực nguồn (D rain-source voltage -V d) thể hiện như phương trình sau [16,
19] cho vùng tuyến tính:
{va - v ; ) v D- v- ị

L

(6)

và cho vùng bão hòa

L

(Vo-K)

(7 )

Trong đó W/L, |j,n, Cox lần lượt là tỉ số độ rộng và độ dài của kênh dẫn, độ linh động của electron
trong kênh dẫn và điện dung/đơn vị diện tích của lớp oxít cách điện của transistor trường M OSFET
(CD4007UB),

v'r là thế

v ; = v r + EK, F + x M“

ngưỡng của pH -E G FE T được tính:
(DA/
Ợ

-
( 8)

Với V r là thế ngưỡng của bản thân M O SFET, E r h f là thế của điện cực chuẩn A g/A gC l, Xsoi là thế bề
m ặt lưỡng cực của dung môi, <J>rvi/q công thoát của kim loại. Phương trình này thể hiện giá trị
phụ thuộc trực tiếp vào giá trị pH của dung dịch.

vj


1.5

2.0

2.5

1

Gate v o ita g e (V)

2

3

4

D ra in -S o u rce v o lta g e (V)

Hình. 8. (a) đặc In m g ĩixs phụ ỉhuộc vào Va của cám biến pH -E G F E T sử dụng thanh nano ZnO mọc
trong 7 h làm phần nhạy p H (Hình nhỏ thế hiện sự phụ thuộc luyến tính của VG vào giả írị p H lạ i
Ios = 200 Ị.IĂ và Vo = 0.3 V);(b)đặc Irưng Iũ sp h ụ thuộc vào Vp của cảm biến pH -E G F E T (Hình nhỏ
thê hiện sự phụ thuộc tuyến tính của Ỉ/)S tại vùníỊ hão hòa với Vg=3V).
Thanh nano ZnO mọc trên đế Cu/PCB với thời gian mọc 7h được sử dụng làm cảm biến pH cấu
trúc HGFET do cỏ chất lượng tốt nhất. Hình. 8 (a) thể hiện đặc trưng Insphụ thuộc vào Vq của cảm
biến pH-EGFET được chế tạo khi giá trị pH của dung dịch thay đổi từ 4 đến 12. Kết quả cho thấy
thế ngưỡng của cấu trúc pH-EGFET bị tăng lên khi pH tăng. Độ nhạy của cảm biến được tính dựa
trên hồi quy tuyến tính tại giá trị I ds = 200 |J.A. Kết quả thu được độ nhạy là 15.4 mV/pH. Hình. 8
(b) thể hiện đặc trưng los phụ thuộc vào VD của cảm biến pH-EGFET. Kết quả cho thấy khi pH
tăng, giá trị của IDS tại vùng bão hòa giảm do sự tăng của thế ngưỡng V | . Độ nhạy tại vùng bão hòa
của cảm biến đạt đưọc 0.26 (ịiA )m /p H dựa trên phương trình (7).
5.1.3. Nghiên cứu chế tạo và khảo sát hoạt động của căm biến đo độ đục
Độ đục là hiện tượng đục của một môi trường chất lỏng và được định lượng bởi cường độ ánh sáng

bị tán xạ bởi các hạt lơ lửng. Nhằm mục đích kiểm định chất lượng nước, hiệp hội AWWA
(American Water Works Association) đã định nghĩa độ đục như một phép đo không đặc hiệu của
một số hạt vật liệu không tan được có trong nước, bao gồm đất sét, bùn, tảo, các vật chất hữu cơ và
các chất vô cơ khác [24]. Phép đo độ đục không đo trực tiếp nồng độ các hạt lơ lửng trong nước mà
đo sự tán xạ ánh sáng gây ra bởi các hạt đó.
Ánh sáng tán xạ có thế đo được bằng một hoặc vài cảm biến quang đặt ở những vị trí a=90° (Tán
xạ khuếch tán), a<90° (Tán xạ phía trước), a>90° (Tán xạ phía sau) góc so với hướng của chùm tia
tới. Trong đó, phương pháp đo tán xạ khuếch tán a=90° có ưu điểm là ít ảnh hưởng bởi độ lớn của
hạt lơ lửng, ánh sáng nhiễu và nhiệt độ [2]. Trong nghiên cứu này, phương pháp đo ánh sáng tán xạ
khuêch tán theo chuẩn ISO 7027 sẽ được sử dụng để chế tạo cảm biến đo độ đục.
Y
fR

Scaricrct !ìiưht

h
Incklirnl bcaiìỉ

0

Watcr samplc

X

Hình. 9. Nguyên tắc hoạt động của cảm biến đo độ đục sử dụng phương pháp đo tán xạ khuếch tán
a=90°
Nguyên tắc đo độ đục sử dụng phương pháp đo tán xạ khuếch tán a=90° thể hiện như Hình. 9. Ánh
sáng đên (Incident beam) có cường độ lo, khi chùm sáng đến gặp môi trường nước có độ đục T sẽ
có chùm tia tán xạ (scattered light) tại góc 90° cường độ //< được tính theo công thức:

9


I,< ---- 1 -1 1 .

(9)

Trong dó K/ỉ gọi là hệ số tán xạ. Như vậy, nếu 1(1 là không doi, 1[< sẽ (í lộ vói dộ dục của mẫu nước
[ 2 |.

Hình. 10 (a) thê hiện sư đồ nguyên lý của cám bicn do độ dục dựa trên nguyên lý hoạt động của
phương pháp do tán xạ góc 90°. Trong sơ dồ này LED hồng ngoại Osram SPH4550 được sử dụng
làm nguồn phái và cảm biển màn TCS3200 được sứ dụng làm bộ thu ánh sáng tán xạ tại góc 90°.
Bảng. 1 thế hiện tính năng và một sổ ứng dụng cơ bản của LED hồng ngoại Osram SPH4550. Do
góc phát xạ hẹp ±3° và bước sóng phát xạ hồng ngoại X = 860 ±10 11111 phù họp với chuấn ISO 7027
cho hệ đo độ đục của nước, LED hồng ngoại Osram SFH4550 phù hợp đế sử dụng làm nguồn phát
cho cảm biện đo độ đục.

Tín hiệu ra
R = 1 8 0 fl

LED

D u n g d ic b

(a)

(b)

Hình. 10. (a) Sơ đồ nguyên lý và (b) cảm biến độ đục

Bảng. 1. Tỉnh năng và ứng dụng của LED hông ngoại Osram SFH4550 [25]
Tính năng
LED hồng ngoại công suất cao
Góc phát xạ hẹp ±3°
Mật độ phát xạ cao
Bước sóng phát xạ đỉnh X 860 ± 10 nm

U ng dụng
Đèn hông ngoại cho camera
Truyền dẫn dữ liệu
Sử dụng trong các cảm biên khói

T u rb id ity (NTU)

Hình. / /. Tần số tín hiệu ra của TCS3200 phụ thuộc vào độ đục của dung dịch
10


Cảm biến màu TCS3200 đirực chọn sử dụnu lỏm bộ đo cườim dộ lia tán xạ lại uỏc 90" do cam biên
này có khá năng đo được ánh sáng với bước són <4 từ 450 mn đen 1 100 11111 phù hợp với bước sóng
do L1ỈD hồnu ngoại Osram SFI14550 sử dụng làm hộ phát Ị2ố I. Dặc biệl, cám hiến màu TCS3200
có khả năng chuyển đổi trực tiếp cường dộ sáng tới thành tàn sô cùa xung vuông ở dầu ra, chức
năng này giúp việc đo cường dộ ánh sáng lới đãv pỉiotodiode dễ dàng hơn khi xứ dụng bộ vi xử lý.
Cảm biến TCS3200 có 4 bộ lọc màu phụ thuộc vào giá trị S2 và S3: màu dỏ rcd (S2=S3=Low), màu
xanh blue (S2=Low, S3=High), màu xanh grecn (S2=High, S3=Low), và toàn dải (S2=S3=High).
Trong nghiên cứu này, do ánh sáng của Lcd hồng ngoại cỏ bước sóng 860±10 nin, bộ lọc màu đỏ
(S2=S3=Low) của TCS3200 sẽ được sử dụng nhằm loại bỏ nhiễu tại các vùng ánh sáng khác.
Hình. 11 thể hiện sự phụ thuộc tuyến tính của tần số đầu ra của bộ thu TCS3200 vào độ đục của
dung dịch khi dòng nuôi của LED hồng ngoại Osram SFH4550 thay đổi tù' 10 mA đến 30 mA
(R2=().9956-0.9984). Độ nhạy của cảm biến thu được là 7.04, 18.3 và 29.03 Hz/NTU tương ứng với

dòng chạy qua LED 10, 20 và 30 mA. Kết quả này cho thấy cảm biến độ đục được chế tạo này phù
hợp để xây dựng bộ đo độ đục hoàn chỉnh.
5.2. Nghiên cứu chế tạo hệ thống đo các thông sổ nhiệt độ, pH , độ dẫn, độ đục của m ôi trường
nước, hệ thống có khả năng cảnh báo khi có m ột hoặc nhiều thông số vượt chuẩn.
5.2.1. S ơ đồ khối hệ thống

Hĩnh. 12. S ơ đồ khối hệ thống
11


' - V , : /V.1

ĨE.

|ll|fll|

lỊẤ^Ại-ị-Ị-.Ị
l l l l l l l

ũi Uềị ị 11=11111
- V:i-tJ.YI
- ‘■0« !'ị.

Ị--Ị
ề

1-1«

iH i" ?

ỉĩ |J *
*Á
ìĩĩẳỉỉĩiỉ

Hí

íễĩêỉỉỉĩ

í.ỉ

Ỵq-q:iwì TÌTÍ'
ìĩi

ị
ị

VT

Hình. 13. Sơ đô nguyên lv hệ thông

ĩ
Ị


1lình. 1?. thô hiện SO' đò khôi cua hộ llìõim do da ihôiiLí sô môi tnrờnu nưóv. Khỏi nuuòn lirõnu cực
c h i ê u I 12 V và 15 V d ư ợ c SƯ c hum d ê c u i m c à p niụiòn c h o l oàn hộ hệ i hò nu . Kh ôi c a m hiên b a o ụ õ m

e;k c;uii hiến nhiệt độ 1)S1 8B20. cám hiến độ dục. cam biến diện cực thuy linh pl [ I lanna 1111 11 OH
và cam bièn TDS sư dìm li platinum. Khỏi xử lý trunụ tàm xử dụ nu KÍT AVR V4 với vi xư lý
Atincua 16 clirọc cài dặt sần. Khối nụoại vi uỏni Moduỉc SiniSOOC’, màn hình hiên thị IX'I). hộ phận

diệu khièn van hoặc bom inrớc; Ironụ dỏ Module Siin800C dược sư dụim dê uứi dữ liệu thu lliập
d ir ọ c len Iran ụ. \vcb l ưu Irữ t rực t u y ê n i h i n í^ s pe ak . co m và t>ứi tin c a n h bá o lới m ộ t số d i ệ n thoại khi

có thònụ số virựt chuân; màn hình LC'l) hicn thị kết qua do dạc. Cam biến 1)S 18 B20 là cam biến
dâu ra tín hiệu sô kèl nôi vói với vi xử lý lruni> tâm ÀtmeLía 16 thônu qua i>iao liêp 1 dâv (l-\virc)
tại cliàn 1*1)7. Cam biên dộ dục có tín hiệu ra xuim vuôim, làn sô của tín hiệu ra nàv dược dọc hoi
bộ imul ỈCP1 (PD6) c ủ a Atmcga 16. Cám biến pll Manna III1 110B có dầu ra tín hiệu tưưnu tự dược
khuêch dại bới bộ khuêcli đại thuật toán (Kỉ)) và dọc tại bộ chuyên dôi lươn tí tự sô 10 bi í
A I )( '()(PAG). Cám biên TDS có 2 tín hiệu ra xoay chiêu í'i('Và y ?...!(■ sỗ dược chuyên đôi thành tín
hiêu một chiêu tương ứng Vdc và V2-DC Ihôim qua bộ chuyên đối AC-DC. Các giá trị l ’/>c và Ỉ\/)C
dưực dọc bởi bộ ADC3 (PA3) và ADC1 (PAĨ). Sơ đồ nguyên lý hệ thống đirợc thổ hiện như I lình.
13. I lộ tho nu được chế tạo hoàn chính và the hiện như Hình. 14

. . I .
Khôi I1Ị>IIÔI1

(a)

1

I.CD

Kỉt AVR \'4

(b)

Hình. 14. (a) Các loại cảm biển và (b) hệ ihổnv do đa thỏnq số môi trường nước
5.2.2. Cũn chinh và kiếm tra độ cliíitlt xúc của hệ thong
a. H ệ do nhiệt độ

(b)

I rc.v ? r/j

BOỊ

?ÔÍ
0 I
w 60}
d I
1 80i
-s

H*

ị

40 I

80
12»
Time (mỉns)

T im e (m ỉn s )

H ình 15. Nhiệt độ cua nước đo bới cùm biến D SỈ8B20 và F()X2005 cho trường hợp (a) íăn {Ị nhiệt
độ và (b) qiàm nhiệt độ.


Hình. ] 5 thô hiện LỊĨá trị nhiệt độ của nước do bởi hệ đo nhiệt dộ được chế tạo trong trường hợp tăng

nhiệt lù' 0 ° c dến 25 l’c (Mình. 15 (a)) và giảm nhiệt từ 90 ° c xuống 25 °c (Hình. 15 (b)). Nhiệt độ
cùa nuớc trong các quá trình này cũng được đo bởi hộ đo nhiệt độ thương mại POX2005 như là
chuân. Kêt quả cho thây có sụ' tương đồng cao giữa hai hệ đo. Sai số giữa hệ đo nhiệt độ được chế
tạo và I'0x2005 được tính là 0.32 ° c và 0.22 ° c cho quá trình giảm nhiệt và lăng nhiệt. Sai số và
khoáng đo nhiệt độ này tương đương với các hệ đo thương mại như Hanna HI93510, IIANNA
HI 147-00, cũng như thông số đo nhiệt độ của hệ đo đa thông số môi trường nước đã được báo cáo
[5, 7]. Ket quả thu được cho thấy hệ đo nhiệt độ được chế tạo có độ chính xác tốt và phù hợp để đo
nhiệt độ của môi trường nước.
b. Hệ đo tống lượng chất rắn hòa tan TDS
Hệ đo độ dẫn sử dụng cảm biến độ dẫn được chế tạo dựa trên màng platinum và mạch điện trở thể
hiện như Hình. 2. Tín hiệu xoay chiều đầu vào vac được phát bởi mạch tạo dao động sử dụng mạch
tích hợp ÍCL8038, biên độ và tần số của vuc được chọn là 2Vp-p và 10 kHz. Biên độ của tín hiệu
đầu ra xoay chiều của cảm biến sẽ là Vỉ-ac phụ thuộc vào độ dẫn tương ứng với giá trị TDS của dung
dịch. Bộ chuyển đổi xoay chiều thành một chiều (AC to DC) chính xác sẽ được sử dụng để chuyển
đôi v,ự' và V2-AC thành các tín hiệu 1 chiêu tương ứng là Voc và V2-DC (Hình. 16). Vdc và V 2 -DC sau
đó được đọc bởi vi xử lý A tm ega 16 thông qua bộ chuyển đối tương tự số (ADC) 10 bit với điện áp
tham chiếu nội 2.56V. Khi đó độ dẫn của dung dịch ơ được tính dựa trên công thức (2). Sử dụng
phương pháp hồi quy tuyến tính (Hình. 3), giá trị tổng lượng chất rắn hòa tan TDS của dụng dịch sẽ
được tính cho theo công thức:

( 10)

TDS = 0.729xVới Ơ25 là độ dẫn của dung dịch tính tại 25
được tính theo công thức [5]:

°c khi xét tới ảnh hưởng của nhiệt độ lên mẫu đo và

ơ ,n

( 11)

1 + 0.02 (Tm - 2 5 )
Trong đó ơ,„ là độ dẫn của mẫu đo tại nhiệt độ Tm.

V,A C-in
Vdc-,o ut

Hình. 16. Bộ chuyến đối chính xác A C thành D C sử dụng khuếch đại thuật toán LM 358
Sử dụng công thức (10), giá trị TDS của m ột số dung dịch NaCl chuẩn được đo và hiển thị lên LCD
với độ phân giải 0.01 ppm thể hiện như Bảng. 2. Sai số trung bình đạt được là 0.4 ppm trong dải đo
0-10 ppm, 1.66 ppm dải đo 10-100 ppm, 20.25 ppm dải đo 100-1000 ppm, và 47.41 ppm với dải đo
1000-2000 ppm.
Bảng. 2. Giá trị TDS của các mẫu dung dịch chuẩn
TDS dung
dịch chuẩn
(ppm)

TDS đo đưọc
(ppm)

0

0,03

Sai sô
trung
bình
(ppm)
0,03

TDS dung
dịch chuẩn
(ppm)

TDSđo
đưọc
(ppm)

100

97,46

Sai sô
trung
bình
(ppm)
2,54
14


1
2
4
6
8
10
20
40
60

80

1,33
2,49
4,35
5,69
8,39
10,90
21,92
42,61
61,06
79,10

0,33
0,49
0,35
0,31
0,39
0,90
1,92
2,61
1,06
0,90

200
400
600
800
1000
1200

1400
1600
1800
2000

190,19
423,87
613,33
827,71
1044,26
1253,39
1424,33
1550,14
1733,70
1953,68

9,81
23,87
13,33
27,71
44,26
53,39
24,33
49,86
66,30
46,32

c. Iỉệ do p H
Hệ đo sử dụng điện cực thủy tinh pH Hanna HI1110B, đây là điện cực sử dụng gell không cần bảo
dưỡng, có khả năng đo được pH trong khoảng từ 0 đến 14.

k
pH Mrnvir

(a)
pH

Hình. 1 7. (a) Sơ đồ nguyên lý và (b) điện áp đầu ra Vo phụ thuộc vào p H của
điện cực thủy tinh

bộ

khuếch đại cho

Hình. 17 (a) thể hiện mạch nguyên lý của bộ khuếch đại sử dụng cho điện cực thủy tinh Hanna
HI 111OB. Hình. 17 (b) thể hiện giá trị điện áp đầu ra Vo của bộ khuếch đại phụ thuộc vào giá trị pH
của dung dịch đệm chuân với 3 giả trị 4,7 và 10. Kêt quả cho thây Vo phụ thuộc tuyên tính vào pH
(R2=0.9995) với độ nhạy là 5=0.993 V/pH. Khi đó, giá trị pH sẽ được tính theo Vo như phương trình:
p H = Sv xVa - 1.26
với S v= l/s= l 0.07 tại 25

(12)

°c.

Giá trị pH đo được phụ thuộc vào nhiệt độ m ẫu [27]. Do đó, để giảm sai số khi đo pH, Sytại phương
trình (12) sẽ được bù nhiệt bởi công thức:
o
ù vr -

c
vcơi

x

7 ; ,, + 273.15
T + 273.15

(13)

với SvT là độ dốc tại nhiệt độ của mẫu T, Svcai là độ dốc tại nhiệt độ mẫu Tcai=25 °c khi căn chuẩn hệ
thống.
Sử dụng phương trình (12) và (13) cho vi xử lý Atmega 16, giá trị pH của dung dịch chuẩn sẽ được
đo và hiển thị lên LCD với độ phân giải 0.01 pH thể hiện như Bảng. 3. Sai số trung bình của hệ
thống được tính là 0.07pH. Kết quả này tương đương với các hệ thống được báo cáo bởi Lambrou
[7] và Martínez-Mánez [5].
Đ ộ ổn định của hệ thống đo cũng được khảo sát với 3 dung dịch pH chuẩn là 4, 7 và 10 thể hiện
như Hình. 18. Mỗi dung dịch được giữ đo liên tục trong 1 đến 2 h với thời gian đo cho mỗi lần là 1
phút. Kết quả cho thấy hệ cố độ ổn định cao với giá trị pH thay đổi trong khoảng ±0.1 pH. Đặc biệt,
15


kli p! [ có lliay dối lừ 7 xuồng 4 và lù' 4 lên 10. thời L>ian dế giá trị pl 1 ổn định là khoániĩ 3 phút.
Nl'ư v ậ y hệ có llic sư chmu đirực dê do p[ | theo thòi gian thực vói mẫu nuức.
Ikirn^. 3. p l l cùa ciưniỊ dịch chiiũn và sui sỏ

của dung dịch
clni ân
0.10
1.68

4.01

pH hiến
thi
0.25
1.61
3.96

Sai số trung
bình
0.15
0.07
0.05

pH của dung dịch
chuan
7
10.01
13.88

pH hiên
thi
6.98
9.94
Ĩ3.76

Sai số trung
bình
0.02
0.07

0.12

11

10

^ỉilíííịlví'

t1

9

pH-10.01

«

pH=7.00
í

ỉ 7
6

5

pH-4.01
i
»

4

3
4:48:00

6:00:00

7;12;QQ

8 :2 *0 0

9:36:00

10:45:00

12:00:00

Time

Hình. 18. Độ ôn định của hệ thống đo p H
d. H ệ đo độ đục
Sử dụng cảm độ đục được chế tạo và trình bày tại 5.1.3, hệ đo độ đục của nước được chế tạo sử
dụng vi xử lý Atmega 16 đế đọc giá trị tần số tín hiệu ra của cảm biến độ đục. Từ giá trị tần số F tín
hiệu đầu ra của cảm biến đo độ đục phụ thuộc vào độ đục của dung dịch (Hình. 11) khi dòng của
LED hồng ngoại Osram SHP4550; sử dụng hồi quy tuyến tính (R2=0.9977) giá trị độ đục T trong
khoảng từ 0 đến 100 NTU sẽ được tính bởi Atmega 16 theo công thức:
T = 0 .0 3 8 2 7 x F -1 0 .6 3

(14)

Bảng. 4 thể hiện giá trị đo được của dung dịch độ đục chuẩn trong khoảng 0-100 NTU. Độ phân
giải hiển thị là 0.01 NTU. Sai số của hệ đo là 0.1 NTU trong khoảng đo 0-10 NTƯ và 0.27 NTU

trong khoảng đo 0 - 100 NTU.
Bảng. 4. Độ đục của dung dịch chuẩn và sai số
Độ đục dung
dịch chuẩn
*(NTU)

Giá trị đo được
(NTU)

Sai số
(NTU)

0
2
6
8
10

0,09
2,07
5,95
8,21
9,94

0,09
0,07
0,05
0,21
0,06

Độ đục
dung dịch
chuẩn
(NTU)
30
50
70
80
100

Giá trị đo
đưọ'c
(NTU)

Sai số
(NTU)

29,93
49,56
69,17
80,55
99,66

0,07
0,44
0,83
0,55
0,34

e. Chức năng cảnh bảo khi có thông số vượt chuẩn

D ự a theo tiêu chuẩn nước thải sinh hoạt (QCVN 14:2008/BTNMT) và nước thải công nghiệp
(QCVN 40:2011/BTNMT), hệ thống sẽ gửi tin nhắn cảnh báo sớm tới số điện thoại di động xác
đinh khi ít nhất một trong các trường hợp sau xảy ra:
- pH <6 hoặc pH >9
16


- Nhiệt dộ T >40 "c
- Độ đục < 5NTU (QCVN 02: 2009/BYT về chất luợng nước máy)
Mình. 19 thê hiện các tin nhan dã được m’ri thành cônu khi một hoặc nhiều thông số vượt chuẩn. Ket
quá này the hiện chức năng gửi tin nhan canh báo cứa hệ thống đã hoạt động tốt.

.Iilỉ

^
+ 84 8 6 9 6 2 2 3 8 4

+ 84 8 6 9 6 2 2 38 4
VVarniny:
ppm = 100S.7 6
Mon,

Warning:
ppm “ 767.86
ntu =4().8S

►84 8 6 9 6 2 2 3 3 4
VVarning:
p |jm -790.52
n iu =-.1? /8

í ?■?7

12/16. 17.2 ì’

Warnrng:
pH =r9.88
Mon, 15:04

^________

w.'imũụj'

ị vv.irninq:
Ị ppni -760.19

ppm * 790.52
niu =9 92

I n íu =59 34

12/1 lì. 1 7 .’ 8

12/16, 17-23

Warning:
p lt =4.15
Mon, 1V05

Warnirụj.
ppni =79*1.41

WaiTting:
T =52.63
Mon. 15.0«

niu = Í6.C3

1/:<*/

...............
VVamìng:
ppm =790.5,?
ntu «12.78
12/10. Vỉ-27

VVarning:
ntu - 722
Mon. li:09

Type

@
1 Type a m essage

ò

message

Warning:
ppm -S73.56

níu = 747,01
T =68.13
pH -11.80
M on. 15:00

Warning:
pprn “ 1oos. 1ô

[ị)|

Type a inessage

Hình. 19. Tin nhắn cảnh báo gửi tới số điện thoại di động khi một hoặc nhiều thông số vượt chuấn
5.2.3. Đo đạc thực tế
a. Đ o Online các thông số nước tại 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội.
Hệ thống chế tạo được sử dụng đổ đo 4 thông số Online gồm nhiệt độ, p ll, độ dẫn và độ đục của
nước máy tại 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội. Để có thể đo Online, các cảm biến này được
gắn vào ống PVC đường kính 21mm. Nước vào trong ống sẽ được điều khiển bởi van điện, sau mỗi
5 phút van điện sẽ m ở 20 giây với mục đích thay thế nước trong ống thành nước mới.

TWngSpeáfc^f .eharaioia *

^ịÒỊỊmMỊifl |S«$iịpỊ>t

' *íĩ5wt3fiay ' AaxiunT*

pptr

(b)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRUNG TẦM THÔNG ĨIN THƯ VIÊN

c o o 6 o o o o / |Ể l

17
ị


Hệ ihốnu, sỗ do các thông số và gửi lên tranu vveb thinuspcak.com dô lưu Irữ trục Uiycn với chu ki 5
phúl/lần (Channcl ID: 376238). Trang web tliingspcak.com cùng cỏ chức năng xử lý SO' bộ tín hiệu
như vẽ dồ thị thông số phụ thuộc vào thời LÚan do, hiòn thị so lưcnm điếm do, lấy giá trị trung
b ìn h ,....
Hình. 20 thê hiện hệ cảm biên đo nước troniỉ, ông PVC và kêt quả đo dược upload lên trang web
thingspeak.com của nước máy, thời gian trong 11 ngày. Ket quả cho thấy giá trị pl 1 trong khoảng từ
7.59 đến 7.92, nhiệt độ thay đổi từ 19.06 °c đến 21.81 °c. Tổng l ư ợ n g chất rắn hỏa tan thông
thường từ 80.14 đến 93.65 ppm. Độ thì thông thường nhở hơn 1 NTU. Những kết quá này cho thấy
các thông số của nước máy là trong khoảng cho phép theo tiêu ehuan Việt Nam về nước sinh hoạt
(QC-VN 02: 2009/BYT).
b. Đ o các giá trị nước tạ i sôn g Tô Lịch và hồ Linh Đàm
Hệ thống được chế tạo được sử dụng để đo thử nghiệm nước tại sông Tô Lịch đoạn qua quận Hoàng
Mai, Hà Nội và hồ Linh Đàm. Do điều kiện về nguồn điện không cho phép hệ đo mẫu tại hiện
trường, các mẫu nước được chứa trong các chai nhựa và đo tại phòng thí nghiệm. Bảng. 5 thể hiện
kết quả đo co các mẫu nước này với các ngày lấy mẫu khác nhau. Dựa trên kết quả đo có the thấy
độ đục của sông Tô Lịch cao hơn so với hồ Linh Đàm, đặc biệt TDS của sông Tô Lịch cao hơn từ
1.9 đến 3.5 lần so với hồ Linh Đàm, giá trị pH của cả 2 khu vực là khá giống nhau.
Bảng. 5. Ket quả đo thử nghiệm mẫu nước íại song Tô Lịch và Hồ Linh Đàm
Hồ Linh Đàm
Ngày lây mâu
18/10/2017

21/10/2017
28/10/2017
11/11/2017

Độ Đục
(NTli)
3,63
2,85
1,63
10,17

18/12/2017
19/12/2017
20/12/2017

7,02
5,73
4,59

Sông Tô Lịch

TDS (ppm)

pH

232,76
216,95
223,43
229,99

6,47
6,26
5,65
6,17

Độ Đục
(NTŨ)
3,72
53,41
9,94
41,76

293,42
302,7
305,76

6,85
6,82
6,77

4,48
4,11
3,76

TDS (ppm)

pH

831,13
807,75

788,97
761,63

6,31
6,29
6,44
6,49

798,89
720,57
817,7

6,95
6,97
6,95

5.S. Đảnh giá về các k ết quả đã đ ạ t được và k ết luận
- Đã chế tạo thành công các cảm biến đo thông số môi trường gồm cảm biến đo độ đục, cảm
biế n đo pH và cảm biến đo tổng lượng chất rắn hòa tan. Các kết quả cho thấy có độ tuyến tính cao
g iữ a thông số đầu ra với các đại lượng cần đo. Các cảm biến được chế tạo có thể ứng dụng đế xây
dựmg hệ đo thông số môi trường nước.
- Đã chế tạo thành công hệ đo đa thông số môi trường nước với các thông số có thể đo gồm
nhiiệt độ, pH, TDS, và độ đục. Hệ có khả năng đo Online các thông số và truyền dữ liệu thu thập
đư!ỢC lên trang web thingspeak.com . Hệ thống có khả năng cảnh báo khi một trong các thông số
vưiợt chuẩn.
- Đã công bố 01 bài báo quốc tế đã đăng trên tạp chí quốc tế ISI, 01 bài báo đăng trên tạp chí
tro n g nước (đã được chấp nhận đăng), 02 báo cáo hội nghị quốc tế.
- Hướng dẫn 02 sinh viên hệ nhiệm vụ chiến lược đã bảo vệ năm 2016; 01 cao học (khóa
2014-2016).
- Các kết quả đạt được đúng yêu cầu đề ra về số lượng và chất lượng.

18


6. Tóm tắ t két q u ả (tiến” Việt và tiếng Anh)
Tiếng, V iêt:
Cảm biến đo độ dẫn, pll và độ đục của nước đã được chế tạo thành côn<>. Cảm biến dụ dẫn
đưọc chế tạo dựa trên màng mỏng platinum có khả năng đo độ dẫn của dung dịch NaCI
nồng độ trong khoảng 0-2000ppm với độ luyến tính cao. Cảm biến đo pl l dược chế tạo dựa
trên thanh Nano ZnO mọc trên mạch in FR4 với dải đo từ 4 đến 12. Cảm biến đo độ đục có
tần số đầu ra phụ thuộc tuyến tính vào độ đục trong dải do lừ 0 đến 100 NTU chế tạo dựa
trên LED hồng ngoại Osram SHF4550 và cảm biến màu TCS3200.
Hệ thống tích hợp đo 4 thông số môi trường nước gồm nhiệt độ, pH, TDS, và độ dục đirựe
chế tạo thành công. Hệ thống có khả năng đo Online các số liệu của môi trường nước, số
liệu đo đạc được gửi thành công lên trang web thingspeak.com và có thế theo dõi trực tiếp
trên máy tính. Các số liệu này cũng có thể tải về để lưu trữ tại các thiết bị máy tính cá nhân.
Khi một trong các thông số vượt chuấn, hệ thống sẽ có cảnh báo bằng tin nhắn tới một số
đ iệ n thoại x ác định.

Tiếng A nh:
In this study, the conductivity, pH and turbidity sensors were successliilly fabricated. The
conductivity sensor was tầbricated by Pt thin íìlm which could measured conductivity o f NaCI
solution in range o f concentration from 0 to 2000 ppm (mg/L). The pH sensor was íầbricated by
using ZnO nanorods grown on printed Circuit board FR4 in pH range o f 4 to 12. The turbidity
sensor was íầbricated by using IR-LED Osram SHF4550 and TCS3200 color sensor, out-put
frequency o f this sensor is linear dependence on the turbitidy o f water in the range o f 0 to 100 NTU.
The multi-parameters Processing data system was designed and íầbricated which could measure
temperature, pH, TDS, and turbidity o f water Online. Obtained data were uploaded to
thingspeak.com to store and analyse. These data are also downloaded to personal Computer. If one
o f these parameters is out o f Standard ranges, a waming message was sent to a selected mobile

number.
T ài liệu tham khảo

[1].

Song-Liang Cai, et al., "A new sensor based on luminescenl terbium-orgcmic fram ew ork fo r
deteclion o f Fe3+ in water", Inorganic Chemistry Communications, Vol. 14, No. 6(2011),
pp. 937-939.

[2].

Haịịiang Tai, et al., "Design and characterizaíion o f a smari turbidily íransducer for
disíributed measurement system ”, Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 175, No. (2012),
pp. 1-8.

[3].

Serge Zhuiykov, David 0'B rien, and Michael Best, "Water quality assessment by an
integraíed multi-sensor based on semiconductor R u 0 2 nanostructures", M easurement
Science and Technology, Voi. 20, No. 9(2009), pp. 095201 (12pp).

[4].

Serge Zhuiykov, "Soỉid-state sensors monitoring param eters o f M>ater qualiíy fo r the next
generaíion o f wireless sensor network.s”, Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 161, No.
1(2012), pp. 1-20.

[5].

Ramón Martínez-M ánez, et al., "A multisensor in thick-fìlm íechnology fo r water quality

controỉ”, Sensors and Actuators A: Physical, Vo!. 120, No. 2(2005), pp. 589-595.

19


[6 |.

Ruan Yue and 'Tang Ying, "A Novel IVater Quality MonitorimỊ System Buseci 0)1 So/ar
Ptì\vcr Supply & Wireless Scnsor Ne(work", Procedia Environmcntal Sciences, Voi. 12,
P a rt A, No. 0(2012), pp 265-272.

[7].

T. p. Lambrou, et al., "A Low-Cost Sensor Nehvork for Real-Timc MonUoring and
Conlaminalion Delecíion in Drinking Water Dislribulion Systems", Sensors Joum al, IEEE,
Vol. 14, No. 8(2014), pp 2765-2772.

[Bj-

Tue Phan Trong, et al., "OptimizatUm o fP l and P ZT Films for Ferroeỉectric-Gate Thin Film
Transistors", Ferroelectrics, Vol. 405, No. 1(2010), pp.

[9].

Masato Futagawa, et al., "Miniaturization o f Eỉectrical Conductiviiy Sensors for a
MuUỉmodaỉ Smari Microchip", Japanese Journal o f Applied Physics, Vol. 48, No. 4(2009),
pp. 04C184.

[ 10].

s. Rondinini* R. p. Buck, et al., "Measurement o f pH. Dẹfmition, standards, and
procedures ", Pure and Applied Chemistry, Vol. 74, No. 11(2002), pp. 2169-2200.

[ 11 ]. J. L. Chiang, J. c . Chou, and Y. c . Chen, "Sludy o f the pH-ISFET and EGFECT fo r
Biosensor Applications", Joumal o f Medical and Biological Engineering, Vol. 21, No.
3(2001), pp. 135-146.
[ 12].

p. D. Batista and M. Mulato, "ZnO exlended-gale Jìeld-effect transistors as p H sensors",
Applied Physics Letters, Vol. 87, No. 14(2005), pp. 143508.

[13].

p. Y. Yang, et al., "pH Sensing Characterỉstics o f Extended-Gate Field-Effect Transistor
Based on Al-Dopeci ZnO Nanostructures Hydrothermally Synthesized at Low Temperatures",
Ieee Electron Device Letters, Vol. 32, No. 11(2011), pp. 1603-1605.

[14].

p. c . Yao, J. L. Chiang, and M. c . Lee, "Application o f so l-g el T i02 film fo r an extendedgate H+ ion-sem itive jìeld-ejfect íransistor”, Solid State Sciences, Vol. 28, No. (2014), pp.
47-54.

[15].

Elidia Maria Guerra, Glaucio Ribeiro Silva, and Marcelo M ulato,11E xtenđeđgatefìeldeffect
transistor usỉng V205 xerogel sensing membrane by so ỉ-g el method", Solid State Sciences,
Voi. 11, No. 2(2009), pp 456-460.

[16].

J. L. Chiang, et al., "Temperature Effect on A lN /Si02G ate pH-Ion-Sensitive Fỉeld-Effecí
Transistor Devices", Japanese Joumal o f Applied Physics, Vol. 41, No. Part 1, No.
2A(2002), pp. 541-545.

[17]. N. H. Al-Hardan, et al., "High Sensitivily p H Sensor Based on Porous Silicon (PSi)
Extended Gate Field-Effect Transistor", Sensors (Basel), Vol. 16, No. 6(2016), pp. 839.
[18].

A. Fulati, et al., "M iniaíurized p H Sensors Based on Zinc Oxiđe Nanotubes/Nanorods",
Sensors (Basel), Vol. 9, No. 11(2009), pp. 8911-23.

[19].

Bohr-Ran Huang, Jun-Cheng Lin, and Ying-Kan Yang, "ZnO/Siỉicon Nanowire Hybrids
Extended-Gate Field-Effect Transistors as p H Sensors", Joumal o f The Electrochemical
Society, Voi. 160, No. 6(2013), pp. B78-B82.

[20 ].

z . Zheng, et al., "General route to ZnO nanorod. arrays on conducting substrates Via
galvanic-cell-basedapproach", Sci. Rep., Voi. 3, No. (2013), pp. 2434.

[21 ].

X. H. Huang, et al., "ZnO M icrorod Arrays Grown on Copper Subsírates as Anode
M aterials fo r Lithium lon Baíteries", International Joumal o f Electrochemical Science, Vol.
7, No. (2012), pp. 6611 - 6621.

[22].

Liang Shi, et al., "Sunlight-assisted ị'abrication o f a hierarchical ZnO nanorod. orray
struclure", CrystEngComm, Vol. 11, No. 9(2009), pp. 2009.
20


1231. 1). li. Yates, s. Levine, and T. w . Healy, "Sile-bimỉiriỊĩ moLÌel oý lhe eleclrical double laycr
cil / h ư oxide/m ilcr intcr/àce", Journal o f the Chemical Society, Paraday Transactions 1:
Physical Chcmistry in Condensed Phases, Vol. 70, No. 0(1974), pp. 1807-1818.
[241. R.l). Letterman and American Water Works Association, "Water qualiíy and Ireatmenl: a
handhook ()f community water suppìiesX 999: McGraw-Hill.
[25].

0 .0 . Semiconductors, "Intrared Emitter (850 nm) Version 1.4 SFII 4550", Avaiable from:

[26].

T.A.O.S. Inc., "Programmable color
w\v\v.taosinc.com

[27Ị.

I lach C o mp a n y T e mp e r a t u r e com pem alion w ithpH m easurem ent", LIT2007, 2013

light-to-frequency converter",

Avaiable

from:

PHÀN III. SẢN PHẨM, CÔNG BÓ VÀ KẾT QUẢ ĐÀO TẠO CỦA ĐÈ TÀI

3.1.

Kết quả nghiên cứu

TT

Tcn sản phẩm

1

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật
Đat đươc
Đăng ký
- 01 bài báo tạp chí quôc tê
- 01 bài báo tạp chí quôc tê
ISI/Scopus
ISI/Scopus
- 01 bài báo tạp chí trong nước, - 01 bài báo tạp chí trong nước,
hoặc 01 cáo hội nghị quốc gia
hoặc 01 cáo hội nghị quốc gia
hoặc hội nghị quốc tế
hoặc hội nghị quốc tế
Dải đo:
Dải đo:
+ N hiệt độ: 0 °c tới 60 °c
+ Nhiệt độ: 0 °c tới 60 °c
+ pH: 0 - 14 pH
+ pH: 0 - 14 pH
+ Tổng lượng chất rắn hòa tan
+ Tổng lượng chất rắn hòa

TDS: 0 - 2000 ppm (m g/L)
tan TDS: 0 - 2000 ppm
+ Đ ộ đục: 1,0-99,9 N TU
(mg/L)
- Một số loại sensor:
+ Đ ộ đục: 1,0-99,9 NTU
+ Cảm biến đo độ dẫn sử dụng
màng platinum làm điện cực
+ Cảm biến đo pH sử dụng thanh
nano ZnO dựa trên cấu trúc
EGFET
+ Cảm biến độ đục sử dụng LED
hồng ngoại 860nm làm nguồn
phát và cảm biến màu TCS3200
làm phần thu tia tán xạ tại góc
90°.

2

01 hệ đo thông sô môi
trường nước và một số
loại sensor

3 .2 .

Hình thức, cấp độ công bố kết quả

21

Chi địa chỉ
T ình trạ n g
và cảm ơn
(Đã in/ chấp nhận in / đã
nộp đơn/ đã được châp
sự tài trọ Sản pliấin
của
nhận đơn hợp lệ/ đã được
ĐHQGHN
cấp ẹiấy xúc nhận SH TT/
xúc nhận sử dụng sàn
đúng quy
phâm)
đinh
Công trình cỏng bố trên tạp chí khoa học quốc tế theo hệ thống ISI/Scopus
X
Đã in
p. V. Thanh, L.T.Q. Nhu, H.H.
Mai, N .v . Tuyen, s .c . Doanh,
N .c . Viet, and D.T. Kien, Zinc
Oxicle Nanorods Grown on
Printed Circuit Board for
Extended-Gate Field-Effect
Tram isíor p H Sensor, Journal o f
Electronic Materials, (2017)
46(6), pp. 3732-3737.
DOI: 10.1007/sl 1664-017-53690

TT

1
1.1

1.2
2
.2.1
2.2
3
3.1
3 . 1.
4
4.1
4.2
5
5.1

Đ ánh giá
chung
(Đạt,
không đạt)

Sách chuyên khảo được xuât bản hoặc ký hợp đông xuât bản

Đăng ký sở hữu trí tuệ

Bài báo quôc tê không thuộc hệ thông ISI/Scopus

Bài báo trên các tạp chí khoa học của ĐHQGHN, tạp chí khoa h()C chuyên
ngành quốc gia hoặc báo cáo khoa học đăng trong kỷ yếu hội ng lị quốc tế
Đang gửi đăng trên tạp chí

X
Pham Van Thanh, Nguyen Tien
Khoa học kĩ thuật quân sự,
Dat, Dang Xuan Bai, Nguyen
đã có phản biện đồng ý
Thi Phong, Vi Van Hoang,
đăng.
Design and íầbrication o f an
Online lo w -c o st m onitoring and

vvaming system for temperature
and ph o f water, Tạp chí Khoa
học k ĩ thuật quân sự.

6
6.1
6.2
7

Báo cáo khoa học kiến nghị, tư vấn chính sách theo đặt hàng của đơn vị sử
dụng

Kết quả dự kiến được ứng dụng tại các cơ quan hoạch định chính sách hoặc cơ
sở ứng dụng KH&CN

7.1
7.2

3.3. Kết quả đào tạo
22

T
r

Cô 11 ” trìn h cỗng bô liên q uan
(San phãm KIỈCN, luận án, luận
văn)

T h ò i gian và kinh
phí tham nia đê tài
(sô tháng/sỏ liền)

Họ và tên

Nị;hiC'H cứu sinh
IIoc viên cao hoc
1
Phạm Thị Tuyêt
Nhuim
Sinh viên nhiêm VII chiên
1
Lê Thị Quỳnh
Như
2
Nguyễn Thị Hoa
Nhài

8
lươc

4
4

Đ ã bảo vệ

Nghiên cứu chê tạo thiêt bị đo một
số thông số môi trường nước

Đã bảo vệ

Design and characteristics o f pH
and turidity sensors
Design and characteristics o f water
conductivity sensor

Đã bảo vệ
Đã bảo vệ

PHẢN IV. TỎNG HỢP KẾT QUẢ CÁC SẢN PHẨM KH&CN VÀ ĐÀO TẠO CỦA ĐÊ TÀI

TT
1
2
3
4
5

6
7
8

9
10

Sản phâm
Bài báo công bô trên tạp chí khoa học quôc tê theo hệ thông
ISI/Scopus
Sách chuyên khảo được xuât bản hoặc ký họp đông xuât
bản
Đăng ký sở hữu trí tuệ
Bài báo quôc tê không thuộc hệ thông ISI/Scopus
Sô lượng bài báo trên các tạp chí khoa học của ĐHQGHN,
tạp chí khoa học chuyên ngành quốc gia hoặc báo cáo khoa
học đăng trong kỷ yếu hội nghị quốc tế
Báo cáo khoa học kiên nghị, tư vân chính sách theo đặt
hàng của dơn vị sử dụng
Kết quả dự kiến được ứng dụng tại các cơ quan hoạch định
chính sách hoặc cơ sở ứng dụng KH&CN
Đào tao/hô trơ đào tao NCS
Đào tao thac sĩ
Đào tao cử nhân

Sô lượng
đăng ký
1

Số luọng đã
hoàn thành
1

1

1

01
02

01
02

PH ẦN V. TÌNH HÌNH s ử DỤNG KINH PHÍ
TT
A
1
2
3
4
5
6
7
8

Nội dung chi
Chi p h ỉ trực tiêp
Thuê khoán chuyên môn
Nguyên, nhiên vật liệu, cây con..
Thiêt bị, dụng cụ
Công tác phí
Dịch vụ thuê ngoài
Hội nghị, Hội thảo, kiêm tra tiên độ, nghiệm
thu

In ân, Văn phòng phâm
Chi phí khác (thù lao chủ nhiệm đê tài)

Kinh phí
được duyệt
(triệu đồng)

Kinh phí
thực hiện
(triệu đồng)

175
39

175
39

16

16

Ghi chú

23


B
1
2

Chi p h í irịcm nép
Ọuản lý phí
Chi phí diện, nước
T ông so

10
10
250

10
10
250

PHẦN V. K IÉ N N GHỊ (về phút h iên các kế í qua nghiên cứu cua đề lài; vè quan lý, lô chức thực
hiện ơ các cấp)
- Nghiệm thu, thanh lý đề tài.
- Tạo điều kiện triên khai xây dựng sản phẩm ứng dụng của ĐHQGHN trong khuôn khố một đề tài /
dự án chuyên ngành / liên ngành lớn hơn
PH Ầ N VI. PHỤ LỤC (minh chứng cúc sản phẩm nêu ử Phần III)
- Phụ lục I: Hệ đo thông số môi trường nước và một số loại sensor.
- Phụ lục II: Minh chứng kết quả công bố.
- Phụ lục III: Minh chứng kết quả đào tạo.
(Chi tiết kèm theo báo cáo này)

H à Nội, ngày
Đ on vị chủ trì đề tài
(Thủ trưởng đơn vị kỷ tên, đóng dấu) '

ị

ỉhángtK năm ĩ ũí ỉ

Chủ nhiêm đề tài

TRUŨtG PHCNỔ1

TS. Phạm Văn Thành

00S.TS.

24


Phụ lục I:
Hệ đo thông số môi trường nước và một số loại sensor