Nghiên cứu hệ thống quan trắc tự động pH trong nước mưa

TMO - Các nhà nghiên cứu ở Trung tâm Nghiên cứu triển khai thuộc Khu Công nghệ cao TP. HCM đã nghiên cứu, thiết kế và chế cảm biến đo pH, có thể ứng dụng trong việc xây dựng các trạm quan trắc nước mưa tự động.

Hiện nay tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng diễn biến phức tạp khiến nước mưa nhiễm axit nặng. Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng mưa axit xuất hiện ngày càng nhiều là do các hoạt động sản xuất công nghiệp của con người như đốt nhiều than đá, dầu mỏ (trong than đá dầu mỏ thường chứa một lượng lưu huỳnh, trong không khí chứa nhiều khí nitơ).

Mưa axit gây ảnh hưởng lớn đến đời sống sản xuất sinh hoạt của người dân, gây hại lên môi trường đất, làm hạn chế sự phát triển của những loài sinh vật, khó tái tạo môi trường sinh thái, rửa trôi các chất dinh dưỡng trên đất, làm cây trồng suy yếu dẫn đến chết hàng loạt. Đối với ao hồ, dòng nước từ mưa axit làm độ pH giảm đi nhanh chóng; sinh vật trong hồ, ao suy yếu hoặc chết hoàn toàn. Điều này gây thiệt hại nghiêm trọng cho ngành nuôi trồng thủy sản.

Trước thực tế đó nhóm các nhà nghiên cứu ở Trung tâm Nghiên cứu triển khai thuộc Khu Công nghệ cao TP. HCM đã nghiên cứu, thiết kế và chế cảm biến đo pH có trong nước mưa và các nguồn nước khác, có thể ứng dụng trong việc xây dựng các trạm quan trắc nước mưa tự động nhằm bảo đảm an toàn cho con người, tìm ra giải pháp kiểm soát nồng độ pH trong nước mưa và các nguồn nước khác hiệu quả. Đề tài nghiên cứu này đã được Sở KH&CN TP.HCM nghiệm thu, kết quả đạt.

Đối với các cảm biến pH thì hầu hết hoạt động dựa trên việc đo dòng điện hoặc đo điện thế gây bởi nồng độ các ion H+ (hydro cộng). Phương pháp đo thế hoá phổ biến nhất là sử dụng điện cực thuỷ tinh, vì độ lựa lọc cao đối với các ion H+ ở trong dung dịch và độ tin cậy cao. Các cảm biến pH dựa trên màng chọn lọc ion, transistor hiệu ứng trường chọn lọc ion (ISFET), vi cảm biến 2 điện cực, cảm biến sợi quang và huỳnh quang, cảm biến dựa trên độ dẫn ion của oxit kim loại đã được nghiên cứu phát triển cho đến ngày nay.

Kết quả đề tài cũng hoàn thành quy trình chế tạo cảm biến pH, có thể ứng dụng sản xuất thử nghiệm. 

Nhóm nghiên cứu sử dụng SiNx (silic nitride) cũng là loại vật liệu điện môi rất bền với môi trường xung quanh và có dòng rò rất nhỏ, phù hợp với việc chế tạo linh kiện cảm biến pH có độ đồng đều, độ tuyến tính cao, qua đó ứng dụng cho các hệ thống quan trắc tự động pH trong nước mưa tại TPHCM. So với SiO2 (silic dioxit), màng nhạy ion SiNx có độ nhạy cao hơn hẳn.

Trước đây, để đo độ pH phần lớn sẽ sử dụng chất chỉ thị hoá học như giấy quỳ, giấy quỳ sẽ thay đổi màu sắc tuỳ vào độ pH của dung dịch, giấy quỳ nhúng vào dung dịch bazơ sẽ chuyển màu xanh dương, còn khi nhúng vào dung dịch axit thì giấy quỳ  chuyển sang màu đỏ. Nhóm tác giả đã nghiên cứu thiết kế cấu trúc cảm biến pH cấu trúc ISFET (transistor hiệu ứng trường nhạy ion) dựa trên nền công nghệ MEMS (hệ thống vi cơ điện tử) với các thông số phù hợp trong ứng dụng đo pH của nước mưa tại TPHCM.

Chất lượng cảm biến pH ISFET do nhóm chế tạo có các thông số kỹ thuật như dải đo pH 4-10; độ nhạy 20-30 mV/pH, sai số < 5%, kích thước 5×5 mm; điện thế ngõ ra 0 - 5V; nhiệt độ hoạt động 10oC - 60oC. Hệ đo pH đã được kiểm tra, thử nghiệm trên các dung dịch pH chuẩn, mẫu nước mưa thực tế thu thập tại TPHCM. Cảm biến đáp ứng được các yêu cầu của Tổng cục Khí tượng thủy văn khu vực Nam Bộ.

Qua quá trình thực hiện đề tài, nhóm tác giả đã xây dựng và làm chủ được quy trình công nghệ chế tạo hệ thống đo pH, có thể ứng dụng sản xuất thử nghiệm. Hệ thống đo pH bao gồm các linh kiện (chip cảm biến) ISFET, mạch PCB, mạch điện tử, bộ hiển thị LCD. Cảm biến được đóng gói riêng biệt thành một đầu đo có khả năng chống nước, được kết nối với thiết bị đo pH qua các cổng kết nối.

Theo nhóm tác giả thực hiện đề tài, đầu đo pH có độ nhạy, độ ổn định, chính xác cao. Ngoài ra, đầu đo có thể hoạt động được trong các môi trường khắc nghiệt như độ pH cao hoặc thấp, có các chất ô xy hóa hoặc khử, nhiều muối,…Đầu đo pH ISFET dễ sử dụng và có thể điều chỉnh được để phù hợp với các ứng dụng khác nhau.

Nhóm nghiên cứu cho biết thêm, trước hết, cảm biến pH ISFET được ứng dụng trong việc xây dựng các trạm quan trắc nước mưa tự động thuộc quản lý của Đài Khí tượng thủy văn khu vực Nam Bộ, TPHCM. Ngoài ra, cảm biến có thể ứng dụng trong đo nồng độ pH đối với thủy hải sản, trồng trọt,.... Các cảm biến cũng sẽ được ứng dụng vào các hệ thống quan trắc tự động nước mưa tại TPHCM nhằm giám sát, theo dõi diễn biến mưa axit một cách hiệu quả, dữ liệu quan trắc giúp phản ánh tình trạng nước mưa axit ở TP.HCM.

Việc triển khai đề tài, thu được kết quả tốt của nhóm tác giả ở Trung tâm Nghiên cứu triển khai thuộc Khu Công nghệ cao TP.HCM góp phần thúc đẩy phát triển công nghệ cao ở TP.HCM, có ý nghĩa quan trọng trong quan trắc tự nhiên nói chung và quan trắc về nước nói riêng.

Thu Hường