CHƢƠNG 2. PHA CHẾ VÀ KIỂM THỬ NỒNG ĐỘ KHÍ PHỤC VỤ CHO VIỆC CHUẨN HÓA ĐẦU ĐO KHÍ ĐỘC

25



CHƢƠNG 2. PHA CHẾ VÀ KIỂM THỬ NỒNG ĐỘ KHÍ PHỤC VỤ CHO

VIỆC CHUẨN HÓA ĐẦU ĐO KHÍ ĐỘC

2.1. Đặt vấn đề

Trong các công đoạn chế tạo đầu đo khí độc, việc quan trọng nhất đó là thực

hiện chuẩn hóa đầu đo sao cho nó có thể hoạt động, phát hiện và đo chính xác các khí

độc hại do các nguồn thải ra trong môi trường.

Tuy nhiên, để chuẩn hóa đầu đo khí độc cần có những nồng độ khí độc khác

nhau trong dải từ an toàn đến độc hại đối với sức khỏe con người và môi trường. Trên

thực tế việc đặt mua những nồng độ khí theo ý muốn là không thể hoặc rất khó khăn.

Xuất phát từ nhu cầu đó, để giúp cho người sản xuất có thể chủ động thực hiện

việc chuẩn hóa đầu đo khí với mọi mẫu khí có nồng độ khác nhau. Phần này xin trình

bày quy trình pha chế nồng độ khí độc từ một nồng độ cho trước và xây dựng quy

trình kiểm nghiệm độ chính xác của các mẫu khí được tạo ra để phục vụ cho việc

chuẩn hóa đầu đo ứng dụng trong mạng cảm biến không dây.

2.2. Xây dựng quy trình pha chế nồng độ khí.

2.2.1. Các bƣớc pha chế nồng độ khí:

Để giảm nồng độ của một khí nào đó, ta lấy một thể tích nhất định của khí đó,

sau đó pha thêm vào một thể tích khí Nitơ phù hợp.

Khí Nitơ là loại khí trơ, nên khi trộn nó với khí bất kỳ thì Nitơ không tham gia

phản ứng, vì vậy không làm ảnh hưởng đến thành phần các khí khác bên trong hỗn

hợp mà chỉ làm giảm nồng độ của khí đó.

Để thực hiện pha trộn khí, ta làm như sau:

+ Bước 1: Sử dụng máy hút chân không để hút chân không các túi đựng khí đã

chuẩn bị.

+ Bước 2: Bơm một lượng thể tích nhất định khí cần pha trộn vào túi đựng khí,

sau đó bơm thêm lượng khí Nitơ vào. Tùy vào thể tích khí cần pha và khí Nitơ bơm

vào trong túi đựng khí mà ta có nồng độ khí mới khác nhau.

Nguyên tắc pha trộn: từ một khí X có nồng độ Y%, nếu muốn pha trộn thành 1

lít khí X có nồng độ Y%/2 thì ta lấy 0,5 lít khí X pha với 0,5 lít khí Nitơ. Ngược lại, nếu

pha trộn theo một tỷ lệ nhất định nào đó, thì ta sẽ có nồng độ % tương ứng. Nếu ta trộn

0,5 lít khí X có nồng độ Y1% và 0,5 lít khí X có nồng độ Y2%, thì ta thu được khí X có

nồng độ (Y1% + Y2%)/2.



26



2.2.2. Ứng dụng pha chế khí CO 0,2% thành các nồng độ thấp.

Ta có một túi khí CO 0,2% cần pha trộn thành các nồng độ khí CO khác nhau:

0,0125%; 0,025%; 0,0375%; 0,05%; 0,075%; 0,1%; 0,125%; 0,15%; 0,175%.

- Chuẩn bị:

+ Túi khí CO 0,2%: là loại khí CO 0,2% có thể tích 20 lít, đặt mua từ phòng

Hóa – Môi trường của Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường chất lượng 1, Tổng

cục Tiêu chuẩn Đo lường chất lượng, Bộ Khoa học và Công nghệ.

+ Túi khí Nitơ: là loại khí Nitơ 100% có thể tích 20 lít, đặt mua từ phòng Hóa

– Môi trường của Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường chất lượng 1, Tổng cục

Tiêu chuẩn Đo lường chất lượng, Bộ Khoa học và Công nghệ.

+ Máy hút chân không: được sử dụng để hút chân không các túi đựng khí, các

bình chứa khí.

+ Các túi đựng khí: là loại túi nylon chuyên dụng để chứa khí, được đặt hàng

nhập khẩu từ Mĩ về Việt Nam. Chúng được chế tạo bằng nhựa đặc biệt, có van một

chiều và thể tích là 1 lít.

+ Máy hút khí: là loại máy KIMOTO của Nhật Bản, được dùng để hút khí với

thể tích nhất định.

-



Các bước thực hiện pha trộn khí:



+ Bước 1: Đặt máy hút 500ml từ túi đựng khí CO 0,2% vào trong túi khí loại 1

lít. Sau đó hút thêm 500ml khí Nitơ vào, ta thu được một lít khí CO có nồng độ 0,1%.

+ Bước 2: Tiếp tục hút 500ml từ túi đựng khí CO 0,1% vào trong túi khí loại 1

lít. Sau đó hút thêm 500ml khí Nitơ cho vào trong túi khí trên, ta thu được một lít khí

CO có nồng độ 0,05%.

Cứ tiếp tục như vây, ta thu được các túi khí CO có nồng độ 0,025%; 0,0125%

+ Bước 3: nếu pha trộn 500ml của 2 khí có nồng độ khác nhau, ta sẽ thu được 1

lít khí có nồng độ bằng trung bình cộng của chúng.

Ví dụ:

-



Nếu pha trộn 500ml khí CO 0,2% với 500ml khí CO 0,1% ta thu được 1 lít

khí CO có nồng độ 0,15%



-



Nếu pha trộn 500ml khí CO 0,1% với 500ml khí CO 0,05% ta thu được 1 lít

khí CO có nồng độ 0,075%



-



…



27



Cứ tiếp tục như vậy, ta sẽ pha trộn và tạo ra khí có các nồng độ khác nhau.



Hình 2.1. Các túi khí 1 lít sau khi pha trộn có nồng độ khác nhau



Như vậy, từ một khí chuẩn CO 0,2% ban đầu, ta kết hợp với khí Nitơ để pha

trộn chế tạo thành các nồng độ khác nhau như bảng 2.1:



Nồng

độ

khí CO ban

đầu



0,2%



Nồng

độ

khí CO sau 0,0125% 0,025% 0,0375% 0,05% 0,075% 0,1% 0,125% 0,15% 0,175%

pha trộn

Bảng 2.1. Các mẫu khí CO có nồng độ % khác nhau sau khi pha trộn



2.2.3. Tính khối lƣợng khí theo nồng độ phần trăm.

Để tính khối lượng khí từ nồng độ phần trăm, ta áp dụng công thức tính phần

trăm theo thể tích (2.1) như sau:



(2.1)

Ví dụ, theo công thức (2.1) trong 100ml khí X 1% thì có 1ml khí X nguyên

chất.

Từ số ml khí X nguyên chất, ta tính ra khối lượng X như sau:

mX = nX . MX

Trong đó:



(2.2)



nX là số mol của khí X (mol)

mX là khối lượng khí X (g)

MX là khối lượng mol của khí X (g)



Số mol của khí X được tính theo công thức:



28



nX 



P.V

1.V



R.T  22,4  0



. t C  273

 273 











(mol)



(2.3)



P là áp suất (1 atm), V là thể tích khí CO (l), t0C là nhiệt độ phòng.

Ví dụ: với nồng độ khí CO 0,2% ta chế tạo ra các nồng độ khí thấp hơn ở trên,

ta tính ra khối lượng CO nguyên chất như sau:

Nếu định mức là 1 lít thì ta có: 1 lít khí CO 1% thì có 10ml khí CO nguyên chất

Như vậy, ta tính ra số ml CO từ các nồng độ khí pha loãng ở trên như sau:

- Trong 1 lít khí CO 0,0125% sẽ có 0,125ml khí CO nguyên chất

- Trong 1 lít khí CO 0,025% sẽ có 0,25ml khí CO nguyên chất.

- Trong 1 lít khí CO 0,0375% sẽ có 0,375ml khí CO nguyên chất.

- Trong 1 lít khí CO 0,05% sẽ có 0,5ml khí CO nguyên chất.

- Trong 1 lít khí CO 0,075% sẽ có 0,75ml khí CO nguyên chất.

- Trong 1 lít khí CO 0,1% sẽ có 1ml khí CO nguyên chất.

- Trong 1 lít khí CO 0,125% sẽ có 1,25ml khí CO nguyên chất.

- Trong 1 lít khí CO 0,15% sẽ có 1,5ml khí CO nguyên chất.

- Trong 1 lít khí CO 0,175% sẽ có 1,75ml khí CO nguyên chất.

- Trong 1 lít khí CO 0,2% sẽ có 2ml khí CO nguyên chất.

Từ số ml khí CO nguyên chất, ta tính ra khối lượng CO theo công thức (2.2)

như sau:

Khối lượng mol của khí CO:

MCO = MC + MO = 12,0107 + 15,9994 = 28.01 (g)

Giả sử nhiệt độ phòng là 250C, từ số ml khí CO theo các nồng độ đã tính được ở

trên, ta tính khối lượng như sau:

-



Trong 1 lít khí CO 0,0125% có khối lượng khí CO:

mCO  nCO  M CO 



1  0,125  10 3

 28.01  0,14323  10 3 ( g )  0,14323(mg )

 22,4 



  (25  273)

 273 



Tính tương tự với các nồng độ còn lại, ta có bảng tổng hợp kết quả như sau:

Nồng độ khí

CO (1 lít)



0



0,0125% 0,025% 0,0375% 0,05% 0,075% 0,1% 0,125% 0,15% 0,175% 0,2%



Thể tích khí



0



0,125ml 0,25ml 0,375ml



0,5ml 0,75ml



1ml



1,25ml 1,5ml 1,75ml



2ml



29

CO



nguyên



chất (trong 1

lít)

Nồng độ CO

tính

theo

công

thức

(mg/l)



0,0



0,1432 0,28646 0,4297 0,5729 0,8594 1,1458 1,4323 1,7187 2,0052 2,2917



Bảng 2.2. Nồng độ CO nguyên chất trong 1 lít khí CO có nồng độ % tƣơng ứng



Theo QCVN 05:2009/BTNMT của Việt Nam [3] về giới hạn nồng độ các khí

độc hại trong không khí mở môi trường xung quanh (bảng 2.3):



Bảng 2.3. Giới hạn nồng độ các khí độc hại trong không khí mở môi trƣờng xung quanh



Ta thấy, đối với khí độc CO thì nồng độ tối đa đối với con người tiếp xúc trong

1 giờ là 30000µg/m3 (0,03 mg/l), tiếp xúc tối đa trong 8 giờ là 10000µg/m3 (0,01 mg/l)

và trong 24 giờ là là 5000µg/m3 (0,005 mg/l).

Như vậy, căn cứ vào QCVN 05:2009/BTNMT và kết hợp với quy trình pha trộn

trên, và với khối lượng mg khí CO tính được ở trên, ta có thể pha trộn được các nồng



30



độ thấp hơn theo ý muốn để phục vụ cho việc chuẩn hóa đầu đo khí ứng dụng trong

mạng WSN.

2.3. Xây dựng Quy trình chuẩn kiểm nghiệm mẫu khí.

Sau khi tìm ra quy trình và tiến hành pha chế được các nồng độ khí độc khác

nhau là một việc thành công. Tuy nhiên, làm cách nào để có thể kiểm tra quy trình pha

chế trên xem các mẫu khí đó có nồng độ giống với việc tính toán theo lý thuyết hay

không? sai số là bao nhiêu?.

Từ những vấn đề đó, đã nghiên cứu dựa vào một phương pháp khác, đó là

phương pháp hóa học để tạo ra một khí chuẩn và áp dụng các phương pháp thí nghiệm

để tạo ra các hỗn hợp dung dịch màu theo định luật Lamper - beer, kết hợp với máy đo

trắc quang để tìm ra mối quan hệ giữa nồng độ của chất và độ hấp thụ ánh sáng. Từ đó

có thể suy ra trọng lượng của khí thông qua mối liên hệ đó. Đồng thời có thể kiểm

nghiệm được độ chính xác của quy trình pha chế khí ở trên.

Sau đây tôi xin trình bày quy trình chuẩn kiểm nghiệm mẫu khí nêu trên.

2.3.1.Cơ sở lý thuyết:

- Khi chiếu một dòng sáng qua

dung dịch chất hấp thụ ánh sáng thì

chất đó sẽ hấp thụ chọn lọc một số tia

sáng tùy theo màu sắc của chất. Giữa

màu sắc của chất và khả năng hấp thụ

các tia sáng của nó có mối liên quan

với nhau, sự liên quan đó được mô tả

bằng giản đồ màu (bảng màu) như

hình 3.1. [2, tr5 -7]

Bảng màu cho biết mối quan hệ

giữa màu sắc của chất và khả năng hấp

thụ các tia sáng của nó.

Ví dụ, một chất có màu tím thì

Hình 2.2. Giản đồ màu

hấp thụ các tia sáng lục ánh vàng và

ngược lại chất có màu lục vàng thì sẽ hấp thụ các tia sáng màu tím.

Trong bảng màu ở hình 3.1, các màu đối diện nhau gọi là màu bù nhau, tổ hợp

hai màu bù nhau tạo nên màu gần trắng.

Hai dung dịch của một chất màu, có nồng độ khác nhau sẽ như nhau về sắc thái

màu, nhưng khác nhau về cường độ màu. Cường độ màu được đo bằng độ giảm năng

lượng chùm sáng ở bước sóng xác định khi đi qua dung dịch: chiếu vào dung dịch ánh



31



sáng tới có cường độ I0, sau khi bị hấp thụ đi ra khỏi dung dịch (ánh sáng truyền qua)

có cường độ I, và I < I0

- Nguyên tắc xác định một chất bằng

phương pháp trắc quang: Muốn xác định một

cấu tử X nào đó, ta chuyển nó thành hợp chất

có khả năng hấp thụ ánh sáng (thường là hợp

chất có màu), rồi đo sự hấp thụ ánh sáng của nó

và suy ra hàm lượng chất cần xác định X dựa

vào định luật Lambert – Beer.

Nội dung Định luật Lambert – Beer như sau: Cho chùm tia sáng đơn sắc có

bước sóng λ có cường độ I0 đi qua cuvet có thành song song (thủy tinh hoặc thạch anh)

chứa dung dịch chất màu tan. Sau khi bị môi trường hấp thụ thì chùm tia sáng có

cường độ yếu đi với cường độ là I. Gọi bề dày của lớp hấp thụ ánh sáng là b, ta có

quan hệ giữa I0 và I được xác định theo định luật Lambert – Beer như sau:

A = lg(I0/I) = bC



(2.4)



Trong đó:

 là hệ số hấp thụ phân tử

C là nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch

A là mật độ quang của dung dịch

 là đại lượng phục thuộc vào bản chất chất hấp thụ ánh sáng và vào bước sóng

của ánh sáng tới. Nếu C tính bằng mol/l thì  gọi là hệ số hấp thụ phân tử gam.

2.3.2. Phƣơng pháp xây dựng đƣờng chuẩn:

Trong các phương pháp định lượng bằng trắc quang [2, tr23-30], phương pháp

đường chuẩn với sự trợ giúp của máy trắc quang cho thấy nhiều ưu điểm vượt trội với

các phương pháp khác như: cho phép xác định được nhiều mẫu, quy trình xử lý nhanh,

tính kinh tế và kết quả chính xác.

Vì vậy, để xây dựng phương pháp kiểm thử độ chính xác của các mẫy khí được

tao ra theo quy trình pha trộn khí nêu trên, đồng thời mong muốn xây dựng được một

đường chuẩn ứng dụng cho việc xác định nồng độ khí bất kỳ trong môi trường, em

chọn phương pháp đường chuẩn làm cơ sở để xây dựng.

Để phương pháp này đạt kết quả chính xác, một yếu tố không thể thiếu đó chính

là sự trợ giúp của máy trắc quang, nó được sử dụng để xác định độ hấp thụ ánh sáng và

đọc trực tiếp nồng độ của chất trong dung dịch khi cho tia sáng đi qua.



32



Trên thị trường hiện nay có nhiều hãng sản xuất máy trắc quang, tuy nhiên

HACH là một trong những hãng sản xuất có uy tín, máy có độ chính xác cao, nhiều

tính năng và dễ sử dụng. Sau đây, ta tìm hiểu tổng quan về máy trắc quang loại

DR5000 – là dòng máy hiện đại của hãng sản xuất HACH, Mỹ.

3.3.2.1. Giới thiệu máy trắc quang DR 5000

Máy trắc quang DR 5000 (hình 2.9) là máy quang phổ khả kiến với dải bước

sóng từ 190 đến 1100 nm. Máy được cài đặt toàn bộ các chương trình ứng dụng và hỗ

trợ đa ngôn ngữ.

Máy có các chế độ ứng dụng

sau: Các chương trình lưu sẵn (các test

cài đặt sẵn), chương trình dùng mã

vạch, chương trình người sử dụng tự

cài đặt, chương trình ưa thích, chế độ

bước sóng đơn, chế độ nhiều bước

sóng và chế độ Time Course. Máy

quang phổ DR 5000 cho phép đọc số

trực tiếp ra đơn vị theo nồng độ (C), độ

hấp thụ quang (Abs) hay phần trăm độ

truyền dẫn (%T).



Hình 2.9. Máy trắc quang DR5000



2.3.2.2. Quy trình xây dựng đƣờng chuẩn:

Bƣớc 1. Chuẩn bị:

- Chuẩn bị các hóa chất, thuốc thử phục vụ cho thí nghiệm: tùy thuộc vào việc

xây dựng đường chuẩn để đo từng loại khí mà việc sử dụng hóa chất, thuốc thử khác

nhau.

- Chuẩn bị các dụng cụ cần thiết phục vụ cho thí nghiệm: bình đong, túi đựng

khí, chai chứa khí, cuvet, dụng cụ đun, …

- Chuẩn bị 6 bình định mức giống nhau

- Chuẩn bị dung dịch chuẩn làm việc có nồng độ xác định của chất cần phân

tích

- Chuẩn bị máy trắc quang, máy hút chân không, …

Bƣớc 2. Lập đƣờng chuẩn

- Điều chế khí cần xây dựng đường chuẩn, hút khí cho vào túi đựng khí (hoặc

có thể hút trực tiếp vào chai đựng khí).



33



- Bơm dung dịch chuẩn làm việc có nồng độ (thể tích) khác nhau vào cuvet

(hoặc chai đựng khí). Thực hiện bơm khí cần xây dựng đường chuẩn vào cuvet, lắc

đều và để một khoảng thời gian nhất định cho phản ứng xảy ra hoàn toàn.

- Thêm vào cả dãy dung dịch lượng thuốc thử và mọi điều kiện khác như nhau

theo quy trình phân tích. Sau đó đem đun cách thủy trong một thời gian nhất định.

- Chuyển hỗn hợp dung dịch sau phản ứng vào bình định mức, sau đó thêm

các thể tích khác nhau của dung dịch chuẩn làm việc vào các bình định mức.

- Chuyển hỗn hợp dung dịch từ bình định mức sang cuvet để đo hấp thụ

quang.

- Đo độ hấp thụ quang bằng máy trắc quang ở bước sóng xác định ta sẽ xác

định được các giá trị hấp thụ khác nhau tương ứng với từng cuvet.

- Tính nồng độ chất khí theo phản ứng với dung dịch chuẩn.

- Vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của A (Abs) vào nồng độ dung dịch chuẩn

(phương trình đường chuẩn).

Phương trình đường chuẩn có dạng: y = ax + b

Bƣớc 3. Phân tích các mẫu khí và tính kết quả:

Lẫy mẫu khí cần đo và tiến hành các bước thí nghiệm tương tự như xây dựng

đường chuẩn. Sau đó đem đo độ hấp thụ bằng máy trắc quang, ta thu được giá trị Abs

(y). Thay vào phương trình đường chuẩn sẽ tính được giá trị x (nồng độ khí cần xác

định).

2.3.3. Xây dựng đƣờng chuẩn để chuẩn hóa nhanh đầu đo khí độc CO

Quy trình xây dựng đường chuẩn để chuẩn hóa nhanh đầu đo khí độc CO như

sau:

2.3.3.1. Công tác chuẩn bị:

- Chuẩn bị máy đo trắc quang

DR5000:

- Chuẩn bị máy hút chân

không: để hút chân không các túi

đựng khí, chai chứa khí

- Chuẩn bị túi đựng khí, bình

chứa khí: thực hiện hút chân không túi

đựng khí và bình chứa khí để hút hết

không khí bên trong.



Hình 2.12. Máy hút chân không và chai đựng khí



34



- Chuẩn bị cuvet dạng tròn, bình định mức 25ml: thực hiện rửa sạch và sấy khô

các cuvet, bình định mức. Sau đó ghi ký hiệu và dán nhãn cho chúng.



Hình 2.13. Các cuvet và bình định mức



- Chuẩn bị dung dịch PdCl2 1 0/000 , dung dịch Na2CO3 20%, thuốc thử

Folinxiocanto (H3PO4.MoO3).

2.3.3.2. Các bƣớc xây dựng đƣờng chuẩn:

Bƣớc 1. Điều chế khí CO.

Cho axit formic vào bình đun, sau đó cho thêm axit sunfuric đặc vào và đun sôi,

phương trình phản ứng xảy ra như sau:



Hình 2.14. Điều chế khí CO cho vào túi đựng



HCOOH  CO +H2O

(2.6)

Ta sử dụng xi lanh để hút khí CO thoát ra, sau đó thu vào túi polyetylen.

Bƣớc 2. Xây dựng đƣờng chuẩn.

1. Thí nghiệm:

- Dùng thiết bị hút chuyên dụng để bơm dung dịch PdCl2 1 0/000 vào 5 cuvet

tròn với thể tích dung dịch tương ứng là: 0,5ml; 1ml; 2ml; 3ml và 5ml:



35



Hình 2.15. Bơm dung dịch PdCl2 1 0/000 vào cuvet



- Dùng xi lanh hút khí CO từ túi Polyetylen và bơm vào từng cuvet, sau đó đậy

nắp kín và lắc đều (hình

2.16). Để khí CO tiếp xúc và

phản ứng với dung dịch

PdCl2 1 0/000 trong 4 giờ

(thỉnh thoảng lắc nhẹ cho

phản ứng hết dung dịch

PdCl2 1 0/000).

Khí CO phản ứng với

dung dịch PdCl2 1 0/000 tạo

thành Pd kim loại theo

Hình 2.16. Dung dịch PdCl2 1 0/000 phản ứng với CO

phương trình sau:

CO + PdCl2 + H2O  Pd + 2HCl + CO2

(2.7)

Sau 4 tiếng, ta bơm

không khí sạch để đuổi hết khí

CO dư thừa, bơm thêm dung

dịch PdCl2 1 0/000 vào các cuvet

sao cho vừa đủ 5ml (4,5ml; 4ml;

3ml; 2ml và 0ml). Lấy thêm một

cuvet sạch cho vào 5ml PdCl2 1

0

/000 làm mẫu trắng.

- Cho vào các cuvet

Hình 2.17. Cho thuốc thử folinxiocanto vào các cuvet

1,5ml thuốc thử folinxiocanto

màu vàng vào và lắc để trộn đều (hình 2.17). Pd kim loại sẽ phản ứng với

folinxiocanto màu vàng và chuyển thành màu xanh lục. Phương trình phản ứng:

2H3PO4.MoO3+4HCl + 2Pd2PdCl2 + 2H2O +2[(MoO3)4(MoO2).H3 PO4]



(2.8)