Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo PH không dây ứng dụng trong đo và giám sát nước thải công nghiệp

Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải cơng nghiệp”
..

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu
trong khóa luận là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng.
Hà Nội, tháng 4 năm 2016
Tác giả luận văn

VŨ PHONG


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải cơng nghiệp”

LỜI CẢM ƠN
Với lịng biết ơn sâu sắc, em xin gửi đến quý thầy cô ở Viện Điện – Trường Đại
Học Bách Khoa Hà Nội với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức
quý báu cho em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Bùi Đăng Thảnh người đã trực tiếp
hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Nhờ sự giúp đỡ và hướng dẫn nhiệt
tình của thầy em đã có được những kiến thức qúy báuvề cách thức nghiên cứu vấn đề
cũng như nội dung của đề tài, từ đó em có thể hồn thành tốt khố luận tốt nghiệp của
mình.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 4 năm 2016

Học viên thực hiện

Vũ Phong

Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải công nghiệp”

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NƢỚC THẢI CÔNG NGHIỆP VÀ PH ................... 2
1.1 Nƣớc thải công nghiệp ............................................................................................. 2
1.2 Tổng quan về công nghệ xử lý nƣớc thải trong các khu công nghiệp ................ 5
1.2.1 Xử lý sơ bộ ......................................................................................................... 5
1.2.2 Xử lý cơ học ....................................................................................................... 6
1.2.3 Xử lý hóa học ..................................................................................................... 6
1.2.4 Xử lý sinh học..................................................................................................... 7
1.3 Đo pH trong nƣớc thải công nghiệp ....................................................................... 8
1.3.1 pH Là gì? ............................................................................................................ 8
1.3.2 Vai trị của pH .................................................................................................... 9
1.3.3 Các phương pháp đo độ pH .............................................................................. 10
CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO pH CĨ TÍCH HỢP TRUYỀN THÔNG
KHÔNG DÂY .................................................................................................................. 18
2.1 Yêu cầu thiết kế...................................................................................................... 18
2.2 Thiết kế thiết bị đo pH có tích hợp truyền thông không dây ............................ 18
2.2.1 Sơ đồ khối ......................................................................................................... 18
2.2.2 Thiết kế phần cứng ........................................................................................... 19
a, Đầu đo pH meter SEN0161 ................................................................................... 21
b, Ảnh hưởng của nhiệt độ tới phép đo ..................................................................... 23
c, Mạch tiền xử lý ...................................................................................................... 24
d, Vi điều khiển AVR Atmega16A ........................................................................... 26
e, Hiển thị LCD ......................................................................................................... 27

2.2.3 Thiết kế phần mềm ........................................................................................... 29
2.3 Thiết kế mạch thu thập trung tâm ....................................................................... 29
2.3.1 Sơ đồ khối ......................................................................................................... 29
2.3.2 Truyền thông nối tiếp không đồng bộ .............................................................. 30
2.3.3 Tích hợp truyền thơng khơng dây..................................................................... 31


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải công nghiệp”

2.3.4 Thiết kế phần mềm ........................................................................................... 35
2.4 Thiết kế phần mềm cho máy tính ......................................................................... 35
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .................................................................. 37
3.1 Phần cứng ............................................................................................................... 37
3.2 Phần mềm ............................................................................................................... 39
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............................................. 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 41
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 42


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải công nghiệp”

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu, chữ viết tắt

Chú thích

EEPROM

Electrically Erasable Programmable ReadOnly Memory – Bộ nhớ chỉ đọc

FET

Field- effect transistor – Transistor hiệu ứng trường

MosFET

Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor
Reduced Instructions Set Computer – hệ thống với tập
lệnh đơn giản

RISC
PLC

Programmable Logic Controller
Bộ điều khiển lập trình được

PC

Máy tính

USART

Universal Syncrounous Asynchronous Receiver
Transmitter – Bộ truyền nhận nối tiếp không đồng bộ

Master

Chủ hoặc trung tâm

Slave

Tớ hoặc từ xa

MCU

Micro-controller Unit - Khối vi điều khiển

LCD

Liquid Crystal Display – Màn hình hiển thị tinh thể lỏng


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải cơng nghiệp”

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo bể lắng đứng............................................................................. 6
Hình 1.2. Ba giai đoạn của q trình lên men yếm khí .................................................. 8
Hình 1.3. Sơ đồ của điện cực hydro chuẩn ................................................................... 11
Hình 1.4. Điện cực Antimon ........................................................................................ 12
Hình 1.5. Phương pháp đo pH sử dụng transitor hiệu ứng trường ................................ 13
Hình 1.6. Đo pH sử dụng điện cực màng thủy tinh ...................................................... 14
Hình 1.7. Các mức điện thế khác nhau khi nhúng hai điện cực vào dung dịch ............ 16
Hình 2.1. Sơ đồ khối mạch thu thập hiện trường ......................................................... 19
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý mạch thu thập hiện trường có thu phát khơng dây ............ 20
Hình 2.3. Hình ảnh đầu đo pH ...................................................................................... 21
Hình 2.4. Kích thước đầu đo ........................................................................................ 23

Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại ................................................................ 25
Hình 2.6. kết quả mơ phỏng tín hiệu ra của mạch khuếch đại ..................................... 25
Hình 2.7. Hình ảnh của vi xử lý Atmega16A ............................................................... 26
Hình 2.8. Hình ảnh LCD 16x2 ..................................................................................... 27
Hình 2.9. Lưu đồ thuật tốn lập trình mạch thu thập hiện trường ................................ 29
Hình 2.10: Sơ đồ khối mạch thu thập trung tâm .......................................................... 29
Hình 2.11. Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp. .............................. 30
Hình 2.12. module nRF24L01 ...................................................................................... 31
Hình 2.13. Sơ đồ khối bộ truyền thơng khơng dây....................................................... 31
Hình 2.14. Các chân bộ thu phát khơng dây nRF24L01 .............................................. 32
Hình 2.15. Sơ đồ ngun lý bộ thu phát nRF24L01 .................................................... 33
Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lý mạch thu thập trung tâm có kết nối máy tính .................. 34
Hình 2.17. Lưu đồ thuật tốn lập trình mạch thu thập trung tâm ................................. 35
Hình 3.1. Mạch thu thập hiện trường ........................................................................... 37
Hình 3.2. Mạch thu thập trung tâm kết nối máy tính ................................................... 38
Hình 3.3. Kết nối mạch và máy tính ............................................................................. 38
Hình 3.4. Màn hình hiển thị giá trị pH ......................................................................... 39
Hình 3.5. Màn hình hiện thị nhiệt độ............................................................................ 39


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải công nghiệp”

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Lưu lượng nước thải trung bình của một số ngành cơng nghiệp ................... 3
Bảng 1.2. Giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải cơng nghiệp .................. 4
Bảng 1.3. Ví dụ về độ pH ............................................................................................... 9
Bảng 1.4. Tính chất của một số chất chỉ thị màu ......................................................... 10
Bảng 1.5. so sánh các phương pháp đo pH .................................................................. 16
Bảng 2.1. Đầu ra pH tại nhiệt độ 25oC ......................................................................... 22

Bảng 2.2. giá trị đầu ra tại các nhiệt độ khác nhau ....................................................... 23
Bảng 2.3. Chức năng các chân của LCD ...................................................................... 27
Bảng 2.4. Chức năng các chân bộ thu phát không dây................................................. 32


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải công nghiệp”

MỞ ĐẦU

Nước ta là một quốc gia đang phát triển với rất nhiều ngành công nghiệp kết
hợp. Các khu công nghiệp được nhà nước ưu tiên đầu tư, phát triển rất nhiều. Trong
những năm gần đây rất nhiều khu cơng nghiệp đã được xây dựng góp phần thu hút
nguồn vốn đầu tư, tạo ra nhiều việc làm, tác động tốt đến đến tình hình kinh tế, xã hội,
nâng cao GDP cũng như mức thu nhập bình quân của người dân.
Tuy nhiên việc xuất hiện quá nhiều các khu công nghiệp cũng ảnh hưởng nhất
định đến môi trường, điều kiện sống của con người, mà trực tiếp nhất đó là vấn đề mơi
trường. Hàng loạt các vấn đề về khí thải, bụi, tiếng ồn, nước thải... khơng được kiểm
sốt đã gây ra những hậu quả hết sức nghiêm trọng. Từ đây yêu cầu giám sát, xử lý
các vấn đề về chất thải được đặt ra hết sức cấp bách.
Ảnh hưởng trực tiếp và nhiều nhất đến môi trường cũng như sức khỏe cộng đồng
chính là chất lượng nước thải từ các khu cơng nghiệp, vì vậy u cầu nước thải phải
được xử lý trước khi xả vào môi trường là bắt buộc. Do vậy cần có những thiết bị có
thể đo, giám sát các thông số của nước thải sau khi xử lý một cách chính xác, nhanh
chóng để đưa ra những biện pháp phù hợp.
PH là một chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng nước thải, nếu có thể thiết kế
thiết bị đo pH có tích hợp truyền thơng khơng dây thì việc giám sát chất lượng nước
thải sẽ trở nên dễ dàng, chính xác. Đây chính là lý do học viên chọn đề tài: “Nghiên
cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo và giám sát nước thải công
nghiệp”.

1


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải cơng nghiệp”

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NƢỚC THẢI CƠNG NGHIỆP VÀ PH
1.1 Nƣớc thải công nghiệp
Nước thải công nghiệp là nước thải được sinh ra trong quá trình sản xuất cơng
nghiệp. Đối với xí nghiệp cơng nghiệp có hai loại nước thải: nƣớc thải sinh
hoạt và nƣớc thải sản xuất.
Nước thải sinh hoạt bao gồm: nước thải sinh hoạt từ khâu chuẩn bị, chế biến
thức ăn tại các nhà hàng nhà ăn xí nhiệp, nước thải sinh hoạt của cơng nhân….
Nước thải sản xuất là loại nước thải phát sinh trong q trình sản xuất của cơng
ty, xí nghiệp…tùy thuộc vào ngun liệu, cơng nghệ sản xuất…thì mức độ ơ
nhiễm sẽ khác nhau.
Dưới tốc độ phát triển công nghiệp, đô thị hoá và sự gia tăng dân số, tài nguyên
nước trong các vùng lãnh thổ ngày càng chịu áp lực càng nhiều. Hệ quả là 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. Ơ nhiễm nước do sản xuất cơng nghiệp đóng một phần
lớn cho sự ô nhiễm chung, bên cạnh là ô nhiễm từ nguồn nước thải sinh hoạt.
Trong công nghiệp, nước được sử dụng như một loại nguyên liệu thô hay
phương tiện sản xuất (nước cho các quá trình) và phục vụ cho các mục đích truyền
nhiệt. Nước cấp cho sản xuất có thể lấy mạng cấp nước sinh hoạt chung hoặc lấy trực
tiếp từ nguồn nước ngầm hay nước mặt nếu xí nghiệp có hệ thống xử lý riêng. Nhu
cầu về cấp nước và lưu lượng nước thải trong sản xuất phụ thuộc vào nhiều yếu tố,
được xác định chủ yếu bởi đặc tính sản phẩm được sản xuất.

2

Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải cơng nghiệp”

Bảng 1.1. Lƣu lƣợng nƣớc thải trung bình của một số ngành công nghiệp
STT

Ngành công nghiệp

Đơn vị sản phẩm

Lƣu lƣợng nƣớc thải
5 – 6L

1

Sản xuất bia

1L bia

2

Tinh chế đường

1 tấn củ cải đường

3

Sản xuất bơ sữa

1 tấn sữa

4

Nhà máy đồ hộp rau quả

1 tấn sản phẩm

1,5 – 4,5m3

5

Giết mổ gia súc

1 tấn sản phẩm

3 – 10m3

6

Dệt sợi nhân tạo

1 tấn sản phẩm

100m3

7

Xí nghiệp tẩy trắng

1 tấn sợi

8

Luyện thép

1 tấn sản phẩm

10 – 20m3
5 – 6m3

1000 – 4000m3
4600m3

Đặc tính nước thải sinh hoạt thường ổn định so với nước thải sản xuất. Nước
thải sinh hoạt ô nhiễm chủ yếu bởi các thông số BOD5, COD, TSS, Tổng N, Tổng P,
dầu mỡ – chất béo. Trong khi đó các thơng số ô nhiễm nước thải công nghiệp chỉ xác
định được ở từng loại hình và cơng nghệ sản xuất cụ thể. Nếu không xử lý cục bộ mà
chảy chung vào đường cống thoát nước, các loại nước thải này sẽ gây ra ơ nhiễm mơi
trường, hư hỏng đường ống, cống thốt nước.
Nước thải sản xuất có nhiều yếu tố độc hại, gây ơ nhiễm, ví dụ trong các ngành
cơng nghiệp đặc thù như dệt may, giấy và bột giấy, nước thải thường có độ pH trung
bình từ 9 – 11, chỉ số ơxy sinh hố (BOD), ơxy hố học (COD) lên đến 700mg/1 và
2.500mg/1, hàm lượng chất rắn lơ lửng... cao gấp nhiều lần giới hạn cho phép. Hàm
lượng nước thải của các ngành này có chứa Xyanua (CN–) vượt đến 84 lần, H2S vượt
4.2 lần, hàm lượng NH3+ vượt 84 lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ô nhiễm cho các
nguồn nước bề mặt trong vùng dân cư, chưa tính đến các ngành cơng nghiệp có tác
động nặng nề hơn đối với môi trường (như các ngành xi măng, mạ, thép, sản xuất thức
ăn, nước uống,…) và nước thải sinh hoạt.

tồn xã hội nói chung, của các ngành cơng nghiệp nói riêng.
3


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải cơng nghiệp”

Vì vậy, u cầu chung đối với các nhà máy, xí nghiệp trong các khu cơng
nghiệp cần phải xây dựng hệ thống xử lý nước thải sơ bộ trước khi xả nước thải vào
hệ thống thoát nước chung của khu cơng nghiệp. Sau đó cần xử lý tiếp khi đạt yêu cầu
mới được phép xả ra môi trường.
Bảng 1.2. Giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nƣớc thải công nghiệp
TT

Thông số

1
Nhiệt độ
2
Màu
3
pH
4
BOD5 (20oC)
5
COD
6
Chất rắn lơ lửng
7
Asen

8
Thuỷ ngân
9
Chì
10
Cadimi
11
Crom (VI)
12
Crom (III)
13
Đồng
14
Kẽm
15
Niken
16
Mangan
17
Sắt
18
Tổng xianua
19
Tổng phenol
20
Tổng dầu mỡ khốn g
21
Sunfua
22
Florua

23
Amoni (tính theo N)
24
Tổng nitơ
25 Tổng phốt pho (tính theo P )
26
Clorua
(khơng áp dụng khi xả vào
nguồn nước mặn, nước lợ)
27
Clo dư
28 Tổng hoá chất bảo vệ thực
vật clo hữu cơ
29 Tổng hoá chất bảo vệ thực

Đơn vị

Giá trị C

oC
Pt/Co
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l

mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l

A
40
50
6 đến 9
30
75
50
0,05
0,005
0,1
0,05
0,05
0,2
2
3

0,2
0,5
1
0,07
0,1
5
0,2
5
5
20
4
500

B
40
150
5,5 đến 9
50
150
100
0,1
0,01
0,5
0,1
0,1
1
2
3
0,5
1

5
0,1
0,5
10
0,5
10
10
40
6
1000

mg/l
mg/l

1
0,05

2
0,1

mg/l

0,3

1

4


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo

và giám sát nước thải cơng nghiệp”

30
31
32
33

vật phốt pho hữu cơ
Tổng PCB
Coliform
Tổng hoạt độ phóng xạ α
Tổng hoạt độ phóng xạ β

mg/l
vi khuẩn/100ml
Bq/l
Bq/l

0,003
3000
0,1
1,0

0,01
5000
0,1
1,0

Cột A Bảng 1.2 quy định giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải
công nghiệp khi xả vào nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt.

Cột B Bảng 1.2 quy định giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải
công nghiệp khi xả vào nguồn nước khơng dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt.

1.2 Tổng quan về công nghệ xử lý nƣớc thải trong các khu cơng nghiệp
Có nhiều phương pháp xử lý nước thải, mục đích cuối cùng là làm giảm đến mức
tối thiểu ảnh hưởng độc hại của nước thải đến sức khỏe cho người và làm giảm thiểu ô
nhiễm mơi trường.
Quy trình cơ bản để xử lý nước thải công nghiệp
o Xử lý sơ bộ
o Xử lý cơ học
o Xử lý hóa học
o Xử lý bằng sinh học
1.2.1 Xử lý sơ bộ
Xử lý sơ bộ nhằm loại bỏ tất cả các vật liệu có thể dễ dàng thu được từ nước
thải ban đầu trước khi nó gây hư hại hay làm tắc nghẽn các máy bơm và đường lắng
nước thải chính. Đối tượng thường được loại bỏ trong quá trình xử lý sơ bộ bao gồm
rác, cành cây, lá, và các đối tượng lớn khác.
o Song chắn rác: Chỉ dùng ở những trạm xử lý nhỏ có lượng rác <0,1m3/ng.đ.
Khi rác tích lũy ở song chắn, mỗi ngày vài lần người ta dùng cào kim loại để
lấy rác ra và cho vào máng có lổ thốt nước ở đáy rồi đổ vào các thùng kín để
đưa đi xử lý tiếp tục.

5


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải công nghiệp”

o Lưới lọc: Để loại bỏ cặn bẩn và vật thơ có kích thước nhỏ hoặc thu hồi các sản
phẩm có giá trị. Thường áp dụng cho các trạm xử lý nước thải công nghiệp

(dệt, giấy, da...).
1.2.2 Xử lý cơ học
Xử lý cơ học thường dùng bể lắng. Bể lắng cát được đặt phía sau song chắn rác
và trước bể lắng sơ cấp. Q trình có thể bao gồm kênh dẫn hoặc buồng cát hoặc đá
mạt, nơi vận tốc của nước thải đến được điều chỉnh để cho phép làm lắng cát, sạn, sỏi,
và kính vỡ. Những hạt này được loại bỏ vì chúng có thể làm hỏng máy bơm và các
thiết bị khác. Đối với hệ thống thoát nước vệ sinh nhỏ, việc loại bỏ này có thể không
quan trọng, nhưng lại rất cần thiết tại các nhà máy lớn hơn. Các dạng bể lắng: Bể lắng
ngang, bể lắng đứng, bể lắng có sục khí, bể lắng xốy nước.

3
Nước
trong ra
1

Nước thải
vào
2
4

Xả bùn

Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo bể lắng đứng
1.2.3 Xử lý hóa học
Để làm sạch nước bằng phương pháp hóa học oxy hóa khử người ta sử dụng các
chất oxi hóa sau: clo khí và lỏng, dioxit clo, clorat canxi, hypoclorua canxi và natri,
pemanganat kali, bicromat kali, oxi già, oxi của khơng khí, ozơn, piroluzit MnO2.
Trong q trình oxi hóa, các chất ơ nhiễm độc hại, chứa trong nước thải, do phản
ứng hóa học, chuyển thành chất ít độc hơn và được loại ra khỏi nước.

6


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải cơng nghiệp”

Phương pháp này u cầu chi phí lớn, vì vậy nó được ứng dụng khi chất ơ nhiễm
khơng thể loại được bằng các phương pháp khác. Ví dụ, xử lí các xianua, các hợp chất
tan của asen...
Chất có tính oxi hóa mạnh nhất là flo, nhưng do có tính ăn mịn mạnh nên nó
khơng thể được ứng dụng trong thực tế.
Thế oxi hóa của các chất khác như sau: Ozôn - 2,07; Clo - 0,94; H2O2 - 0,68;
Pemanganat kali - 0,59 (đơn vị: Vôn).
1.2.4 Xử lý sinh học
- Phương pháp vi sinh vật hiếu khí
Thực chất của phương pháp sinh hóa để xử lý nước thải là sử dụng khả năng
sống và hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải. Các vi
sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng khác làm nguồn dinh dưỡng
và tạo năng lượng. Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để
xây dựng tế bào cũng như sinh trưởng và sinh sản và do vậy nên sinh khối được tăng
lên và hệ quả là nước thải được làm sạch.
Để thực hiện q trình ơxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ hòa tan, các chất keo,
các chất phân tán nhỏ trong nước thải là tổ hợp các quá trình gồm ba giai đoạn:
Giai đoạn 1: Các chất gây ô nhiễm (các chất hữu cơ hòa tan, các chất phân
tán nhỏ,…) được dịch chuyển từ môi trường nước thải xung quanh đến bề
mặt tế bào vi sinh vật do quá trình khuếch tán đối lưu và phân tử.
Giai đoạn 2: Dịch chuyển các chất bẩn từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm
của tế bào bằng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và
ngoài tế bào.
Giai đoạn 3: Q trình chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật với sự

sản sinh năng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự
hấp thu năng lượng.

7


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải cơng nghiệp”

- Phương pháp vi sinh vật yếm khí
Phương pháp này dùng để loại bỏ các chất hữu cơ trong phần cặn của nước thải
bằng vi sinh vật yếm khí.
Hai cách xử lý yếm khí thơng dụng là:
• Lên men axit: Thuỷ phân và chuyển hoá các sản phẩm thuỷ phân (như axit béo,
đường) thành các axit và rượu mạch ngắn hơn và cuối cùng thành khí cacbonic.
• Lên men metan: Phân huỷ các chất hữu cơ thành metan (CH4) và khí cacbonic
(CO2) việc lên men metan nhạy cảm với sự thay đổi pH. pH tối ưu cho quá trình là từ
6,8 đến 7,4.

Hình 1.2. Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí

1.3 Đo pH trong nƣớc thải cơng nghiệp
1.3.1 pH Là gì?
PH là chỉ số đo độ hoạt động (hoạt độ) của các ion hiđrô (H+) trong dung
dịch và vì vậy là độ axít hay bazơ của nó. Trong các hệ dung dịch nước, hoạt độ của
ion hiđrô được quyết định bởi hằng số điện ly của nước (Kw) = 1,008 × 10−14 ở 25 °C
và tương tác với các ion khác có trong dung dịch. Do hằng số điện ly này nên một
dung dịch trung hòa (hoạt độ của các ion hiđrô cân bằng với hoạt độ của các ion
hiđrơxít) có pH xấp xỉ 7. Các dung dịch nước có giá trị pH nhỏ hơn 7 được coi là có
tính axít, trong khi các giá trị pH lớn hơn 7 được coi là có tính kiềm.

8


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải cơng nghiệp”

Bảng 1.3. Ví dụ về độ pH
Chất

pH

Chất

pH

Nước thốt từ các mỏ

-3.6 – 1,0

Nước chè

5.5

Axít ac quy

< 1,0

Mưa axít

< 5,6

Dịch vị dạ dày

2,0

Sữa

6,5

Nước chanh

2,4

Nước tinh khiết

7,0

Cola

2,5

Nước bọt của người
khỏe mạnh

6,5 – 7,4

Dấm

2,9

máu

7,34 – 7,45

Nước cam hay táo

3,5

Nước biển

8,0

Bia

4,5

Xà phòng

9,0– 10,0

Cà phê

5,0

Amoniac dùng trong gia
đình

11,5

1.3.2 Vai trị của pH

PH của nước thải có một ý nghĩa quan trọng trong q trình xử lý. Các cơng
trình xử lý nước thải áp dụng các quá trình sinh học làm việc tốt khi pH nằm trong
giới hạn từ 7 - 7,6. Như chúng ta đã biết môi trường thuận lợi nhất để vi khuẩn phát
triển là mơi trường có pH từ 7 - 8. Các nhóm vi khuẩn khác nhau có giới hạn pH hoạt
động khác nhau. Ngồi ra pH cịn ảnh hưởng đến q trình tạo bơng cặn của các bể
lắng.
Các xí nghiệp sản xuất có thể thải ra nước thải có tính acid hoặc kiềm rất cao
chẳng những làm cho nguồn nước khơng cịn hữu dụng đối với các hoạt động của con
người mà còn làm ảnh hưởng đến hệ thủy sinh vật.

9


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải cơng nghiệp”

Sức khỏe con người
Nguồn nước có pH>7 thường chứa nhiều ion nhóm carbonate và bicarbonate
(do chảy qua nhiều tầng đất đá). Nguồn nước có pH < 7 thường chứa nhiều ion gốc
axit. Bằng chứng dễ thấy nhất liên quan giữa độ pH và sức khỏe của người sử
dụng là nó là làm hỏng men răng.
pH của nước có liên quan đến tính ăn mịn thiết bị, đường ống dẫn nước và
dụng cụ chứa nước. Đặc biệt, trong môi trường pH thấp, khả năng khử trùng của
Clo sẽ mạnh hơn. Tuy nhiên, khi pH > 8,5 nếu trong nước có hợp chất hữu cơ thì
việc khử trùng bằng Clo dễ tạo thành hợp chất trihalomethane gây ung thư.
Môi trường sống của động thực vật
Nếu khơng được kiểm sốt tốt, mơi trường xung quanh các khu công nghiệp,
những nới phát sinh nhiều nước thải sẽ bị ô nhiễm nặng, không thuận lợi cho sự
phát triển của các loài vi sinh vật, động thực vật. Thậm chí dẫn đến chết hàng loạt,
thiệt hại về kinh tế rất lớn nếu nước thải không qua xử lý thải ra các khu nuôi trồng

thủy sản hoặc các vùng sông, hồ, biển.
1.3.3 Các phƣơng pháp đo độ pH
o

Dùng chỉ thị màu (phương pháp gần đúng)

Một số hóa chất, chủ yếu là các hợp chất hữu cơ, có khả năng đổi màu tùy theo
pH của dung dịch. Người ta đã nghiên cứu khoảng pH đổi màu của các hóa chất này
như trong bảng.
Bảng 1.4. Tính chất của một số chất chỉ thị màu
Chất chỉ thị
Methyl violet

Màu axit
Vàng

Malachite green (axit) Vàng

Màu bazơ

Khoảng pH
đổi màu

Tím

0–2

Xanh lá câyXanh dương

0 – 1.8

10


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải công nghiệp”

Thymol blue (axit)

Đỏ

Vàng

1.2 – 2.8

Methyl orange

Đỏ

Cam-Vàng

3.1 – 4.6

Bromcresol green

Vàng

Xanh dương

3.8 – 5.4

Methyl red

Đỏ

Vàng

4.4 – 6. 2

Litmus

Đỏ

Xanh dương

4.5 – 8.3

Bromthymol blue

Vàng

Xanh dương

6.0 – 7.6

Phenol red

Vàng

Đỏ

6.8 – 8.4

Thymol blue (kiềm)

Vàng

Xanh dương

8.0 – 9. 6

Phenolphthalein

Không màu

Đỏ

8.2 – 9.8

Thymolphthalein

Không màu

Xanh dương

9.3 – 10.5

Alizarin yellow

Vàng

Hoa cà

10.1 – 11.1

Malachite green
(kiềm)

Xanh lá cây

Không màu

11.4– 13.0

o Phương pháp điện cực hydro

Hình 1.3. Sơ đồ của điện cực hydro chuẩn
Điện cực hydro là một bản platin được phủ platin xốp (bằng phương pháp điện
phân) nhúng trong dung dịch có hydro đi qua với áp suất 1 atm. Thế của điện cực này
bằng :

11


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải cơng nghiệp”

Trong đó,
R = 8,314 J/(mol.K) là hằng số khí
T là nhiệt độ tuyệt đối

F = 9,649.104 là hằng số Faraday
[H+] là nồng độ ion hydro trong dung dịch
Theo phương trình này ta thấy thế điện cực tỷ lệ thuận với pH
o Phương pháp điện cực quihydron
Khi cho quinhydron vào dung dịch, nó được phân tích ra thành hydroquinon
(C6H4(OH)2) và quinon (C6H4O2) với tỷ lệ 1 : 1. Bởi độ hòa tan của quinon thay đổi
theo pH của dung dịch, do đó có thể đo pH bằng cách xác định điện thế giữa điện cực
Pt và điện cực so sánh. Mặc dù phương pháp này đơn giản, nhưng ngày nay nó ít được
sử dụng, bởi nó khơng áp dụng được khi dung dịch có độ pH cao hơn 8 hoặc 9, hay
khi trong dung dịch có các chất có tính ơxy hóa hay tính khử.
Lưu ý: dung dịch quinhydron với một độ pH nào đó thường được sử dụng để
kiểm tra xem một dụng cụ đo thế oxy hóa khử có hoạt động bình thường hay khơng.
Ngun lý của điện cực quinhydron được áp dụng trong những trường hợp như vậy.
o Phương pháp điện cực antimon

Hình 1.4. Điện cực Antimon

12


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải công nghiệp”

Nội dung của phương pháp này là nhúng đầu của một thanh antimon được đánh
bóng và một điện cực so sánh vào trong dung dịch kiểm tra và đo pH từ sự chênh lệch
điện thế giữa chúng. Phương pháp này đã từng được sử dụng rộng rãi bởi bộ dụng cụ
rất chắc chắn và dễ thao tác. Tuy nhiên, ứng dụng của nó ngày nay khá giới hạn bởi
kết quả phụ thuộc nhiều vào độ bóng của điện cực, và khả năng lặp lại kết quả là thấp.
Lưu ý: phương pháp này chỉ áp dụng trong những trường hợp khơng u cầu độ
chính xác q cao (chỉ sử dụng trong công nghiệp) và để kiểm tra các dung dịch có

ion F-.
o Phương pháp pHFETs
Thời gian gần đây các cơng cụ đo pH được phát triển dựa trên việc sử dụng các
transitor hiệu ứng trường FET như một thành phần của cảm biến. Các con chip
silicon kết hợp một màng đáp ứng pH (như điện cực thủy tinh) với mạch khuyếch
đại kích thước nhỏ, tăng cơng suất, giảm kích thước hệ thống đo pH. Những thiết
bị này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm nơi mà việc đo pH
sử dụng điện cực màng thủy tinh có thể vỡ, không thể đo được pH, đồng thời gây
nguy cơ mất an toàn, hoặc những trường hợp đo pH của chất keo, bột nhão phương
pháp thông thường sẽ gây sai số lớn.

Hình 1.5. Phƣơng pháp đo pH sử dụng transitor hiệu ứng trƣờng

13


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải công nghiệp”

o Phương pháp điện cực thủy tinh
Một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để đo pH là sử
dụng điện cực thành thủy tinh.
Tổ chức Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản JIS đã nhấn mạnh “phép đo sử
dụng điện cực thủy tinh được khuyến cáo để đo pH trong cơng nghiệp.”

Hình 1.6. Đo pH sử dụng điện cực màng thủy tinh
(a) hệ thống đo gồm pH mét, điện cực chỉ thị và điện cực mẫu; (b) cấu trúc điện cực
chỉ thị; (c) cấu trúc điện cực mẫu; (d) mạch khuyếch đại.

Nguyên lý cơ bản như sau: chuyển đổi dùng ở đây được gọi là chuyển đổi

gavanic. pH mét có nhiệm vụ đo điện áp giữa hai điện cực: điện cực chỉ thị màng
thủy tinh và điện cực mẫu (điện cực so sánh); cả hai điện cực này được nhúng vào
trong dung dịch cần đo pH. Điện cực màng thủy tinh có chứa ion kim loại kiềm
như Na.
Khi nhúng vào trong dung dịch, các ion kiềm Na+ từ thủy tinh đi vào trong
dung dịch còn các ion hydro từ dung dịch vào chiếm chỗ của chúng do đó điện cực
thủy tinh có tính chất như điện cực hydro. Điện thế xuất hiện trên điện cực thủy

14


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải công nghiệp”

+

tinh phụ thuộc vào nồng độ ion H hay pH. Do điện thế này rất nhỏ nên cần lựa
chọn điện cực mẫu phù hợp và trở kháng đầu vào của pH mét lớn nhằm mục đích
đo chính xác.
Cấu trúc điện cực chỉ thị như được minh họa trên hình 1.6(b). Màng thủy
tinh ở cuối điện cực hoạt động như một lớp chuyển đổi pH, có độ dày 0.1mm. Màng
này được làm từ silicat, oxit kim loại kiềm, trong đó thành phần silicat SiO2 chiếm
70%. Ví dụ máy đo pH thương phẩm điện cực thuỷ tinh được làm từ thủy tinh
Corning mang nhãn hiệu 015 có thành phần bao gồm 22% Na2O; 6% CaO; 72%
SiO2.
Khi lớp màng được nhúng vào dung dịch, một phía của màng tiếp xúc với
dung dịch cần đo, một phía tiếp xúc với dung dịch chất điện ly như kali clorua KCl
với nồng độ xác định, ví dụ ở đây là 3mol/lit. Do nó ngăn cách hai dung dịch có
nồng độ ion H+ khác nhau, tạo nên một lớp hydrat hóa dày 100nm bám lên bề mặt
của màng thủy tinh. Phản ứng trao đổi ion trên ranh giới tiếp xúc chỉ xảy ra chọn lọc

với ion H+ của dung dịch và ion Na+ của màng thủy tinh:
H+dd + Na+tt

↔ Na+dd

+ H+tt

Một dây bạc phủ bạc clorua được nhúng vào dung dịch chất điện ly tạo ra
tiếp xúc ổn định giữa dung dịch điện ly và pH meter.
Điện cực mẫu được minh họa như trên hình với cấu trúc giống như điện cực
chỉ thị bên trong chứa dung dịch chất điện ly kali clorua KCl 3M nhưng thay vì
màng thủy tinh cuối điện cực là miếng gốm tạo ra tiếp xúc giữa dung dịch trong điện
cực và dung dịch cần đo pH.
Khi nhúng hai điện cực: điện cực mẫu và điện cực chỉ thị vào dung dịch cần
đo pH thì xuất hiện các mức điện thế khác nhau. Hình 1.6 minh họa sự khác nhau
giữa các mức điện thế này

15


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải cơng nghiệp”

Hình 1.7. Các mức điện thế khác nhau khi nhúng hai điện cực vào dung dịch
Từ hình vẽ trên từ trái qua phải ta có thể liệt kê các mức điện áp như sau:
-

Điện áp giữa dây bạc phủ bạc clorua Ag/AgCl với dung dịch điện ly KCl
3M trong điện cực mẫu.

-

Điện áp giữa dung dịch điện ly KCl 3M trong điện cực mẫu với dung
dịch cần đo pH (mẫu). Điện áp này rất nhỏ có thể bỏ qua.

-

Điện áp giữa dung dịch cần đo pH với dung dịch điện ly KCl 3M
trong điện cực chỉ thị màng thủy tinh.

-

Và cuối cùng là điện áp giữa dung dịch điện ly KCl 3M với dây bạc phủ
bạc clorua.
Ag/AgCl trong điện cực chỉ thị màng thủy tinh.

o So sánh ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp
Bảng 1.5. so sánh các phƣơng pháp đo pH
Phương pháp
Dùng chất chỉ thị

Ưu điểm
Đơn giản, dễ thực hiện,

Nhược điểm
Độ chính xác thấp

khơng u cầu kỹ thuật
Dùng điện cực hydro

Kết quả có độ chính xác

Phức tạp, chi phí lớn, bị

cao

ảnh hưởng nhiều bởi các
chất có tính oxy hóa, khủ
cao

Dùng điện cực quihydron

Đơn giản, dễ thực hiện

Khơng áp dụng được cho

16


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải cơng nghiệp”

các dung dịch có độ pH
cao hơn 8 hoặc 9
Dùng điện cực antimon
Phương pháp pHFETs

Dễ thao tác, thiết bị chắc

Độ ổn định và chính xác là

chắn

khơng cao

Có độ bên cao, chỉ cần lấy

Chi phí cao

mẫu một lượng nhỏ
Dùng điện cực thủy tinh

Đáp ứng nhanh, khả năng

Thường xuyên bảo dưỡng

lập lại cao, phù hợp trong

đầu đo

đo cơng nghiệp

Sau khi tìm hiểu, đánh giá các phương pháp đo pH, học viên nhận thấy phương
pháp đo dùng điện cực thủy tinh có nhiều ưu điểm như độ tin cậy cao, dễ dàng tiếp
cận, phù hợp trong môi trường nước thải công nghiệp. Vì vậy trong nghiên cứu này
học viên quyết định sử dụng đầu đo pH điện cực thủy tinh.

17

Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo
và giám sát nước thải cơng nghiệp”

CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO pH CĨ TÍCH HỢP TRUYỀN
THƠNG KHƠNG DÂY
2.1 u cầu thiết kế
Nội dung chính của luận văn này tập trung vào thiết kế thiết bị đo pH có tích hợp
truyền thơng khơng dây. Bài toán thiết kế được đặt ra là:
 Thiết kế mạch thu thập hiện trường
o Thiết bị thu thập sử dụng vi điều khiển, cho phép lập trình thay
đổi.
o Thu thâp được 2 thông số là nhiệt độ và giá trị pH
o Hiển thị thông số đo được tại hiện trường trên màn hình để dễ dàng
quan sát trực tiếp.
o Có khả năng giao tiếp với bộ thu thập trung tâm ở xa thông qua
truyền thông không dây.
 Thiết kế mạch thu thập trung tâm
o Dùng vi điều khiển
o Tích hợp truyền thơng khơng dây, nhận tín hiệu một cách chính
xác từ mạch thu thập hiện trường.
o Có các chuẩn giao tiếp để kết nối với máy tính giám sát
 Phần mềm thu thập hiển thị thông tin thu thập được trên máy tính.

2.2 Thiết kế thiết bị đo pH có tích hợp truyền thơng khơng dây
2.2.1 Sơ đồ khối
Sơ đồ khối của thiết bị mơ tả như hình vẽ

18