Định nghĩa cảm biến giám sát chất lượng nước trực tuyến

Định nghĩa cảm biến chất lượng nước

Cảm biến chất lượng nước là một thiết bị phân tích có khả năng phát hiện một hoặc nhiều đặc tính vật lý hoặc hóa học cụ thể trong các vùng nước và chuyển đổi nồng độ hoặc cường độ của các đặc tính này thành tín hiệu điện có thể được ghi lại, hiển thị và xử lý.

Nói một cách đơn giản, chức năng cốt lõi của nó là 'nhận thức' và 'chuyển đổi' :

Nhận thức: Thông qua các yếu tố nhạy cảm cụ thể (như điện cực, màng, đầu dò quang học), các phản ứng vật lý hoặc hóa học xảy ra với các chất mục tiêu trong mẫu nước.

Chuyển đổi: Chuyển đổi những thay đổi gây ra bởi phản ứng (chẳng hạn như thay đổi điện thế, dòng điện, cường độ ánh sáng và nhiệt độ) thành tín hiệu điện tiêu chuẩn hóa (chẳng hạn như dòng điện 4-20mA, tín hiệu số).

Cảm biến chất lượng nước là thiết bị cơ bản để xây dựng các hệ thống giám sát chất lượng nước hiện đại, như trạm quan trắc tự động trực tuyến, phao và tàu giám sát di động.

2. 5 thông số đo lường thông thường là gì?

Năm thông số thông thường về chất lượng nước là các chỉ số cơ bản và cốt lõi nhất để đánh giá hiện trạng cơ bản của chất lượng nước. Chúng thường bao gồm:

Nhiệt độ: Nó ảnh hưởng đến lượng oxy hòa tan trong nước, hoạt động của vi sinh vật và tốc độ phản ứng hóa học, đồng thời là thông số cơ bản cần được hiệu chỉnh trong hầu hết các phép đo.

Giá trị pH: Nó đặc trưng cho độ axit hoặc độ kiềm của các vùng nước và có tác động quyết định đến sự sống sót của các sinh vật dưới nước cũng như sự di cư và biến đổi của các chất ô nhiễm.

Oxy hòa tan: Nó dùng để chỉ nồng độ oxy phân tử hòa tan trong nước và là chỉ số chính để đo khả năng tự làm sạch của các vùng nước và đánh giá tình trạng sống sót của sinh vật dưới nước.

Độ dẫn điện: Nó gián tiếp đặc trưng cho tổng nồng độ các ion hòa tan trong nước (tức là độ mặn hoặc tổng chất rắn hòa tan TDS) và có thể được sử dụng để xác định mức độ khoáng hóa hoặc ô nhiễm của các vùng nước.

Độ đục: Nó cho biết mức độ mà các vùng nước cản trở sự truyền qua của ánh sáng, gây ra bởi các hạt lơ lửng trong nước (chẳng hạn như trầm tích, tảo và chất hữu cơ) và là một chỉ số quan trọng về đặc tính cảm quan và độ sạch.

Lưu ý: Trong một số trường hợp cụ thể, 'năm tham số' có thể thay đổi đôi chút. Ví dụ: đôi khi có thể đưa vào 'tiềm năng REDOX' hoặc 'độ mặn', nhưng năm định nghĩa trên là định nghĩa phổ biến và được công nhận nhất.

3. Cảm biến quang học bao gồm những loại nào?

Cảm biến quang đo lường dựa trên nguyên lý tương tác giữa các chất và ánh sáng (như hấp thụ, tán xạ, huỳnh quang, lân quang, v.v.). Chúng thường có ưu điểm là không cần thuốc thử, phản ứng nhanh và ít bị nhiễu điện từ.

Các loại chính bao gồm:

Cảm biến quang phổ hấp thụ tia cực tím

Nguyên tắc: Đo mức độ mẫu nước hấp thụ tia cực tím hoặc ánh sáng nhìn thấy có bước sóng cụ thể và tính toán nồng độ chất ô nhiễm dựa trên định luật Beer-Lambert.

Ứng dụng: Đo COD (Nhu cầu oxy hóa học), NO3-N (nitơ nitrat), TOC (Tổng lượng cacbon hữu cơ), các chất hữu cơ cụ thể (chẳng hạn như các chất thuộc nhóm benzen), v.v.

Cảm biến huỳnh quang

Nguyên tắc: Ánh sáng có bước sóng cụ thể (ánh sáng kích thích) được chiếu lên mẫu nước và đo cường độ của ánh sáng có bước sóng dài hơn (ánh sáng phát xạ) do chất đó phát ra sau khi bị kích thích.

Ứng dụng

Cảm biến diệp lục: Bằng cách đo cường độ huỳnh quang của diệp lục trong tảo, nó ước tính nồng độ của tảo và là công cụ quan trọng để cảnh báo sớm tảo nở hoa.

Cảm biến CDOM/FDOM: Đo nồng độ chất hữu cơ hòa tan có màu/huỳnh quang, được sử dụng để theo dõi ô nhiễm hữu cơ và đánh giá hiện tượng phú dưỡng nước.

Cảm biến dầu mỏ: Sử dụng đặc tính huỳnh quang của hydrocacbon thơm đa vòng trong dầu thô, chúng giám sát ô nhiễm dầu.

Cảm biến độ đục/ánh sáng tán xạ

Nguyên lý: Đo cường độ tán xạ ánh sáng của các hạt lơ lửng trong nước. Máy dò có Góc 90° hoặc 180° (ánh sáng truyền qua) thường được sử dụng.

Ứng dụng: Đo trực tiếp độ đục.

Cảm biến phổ laser

Nguyên tắc: Sử dụng tia laser làm nguồn sáng, nó có ưu điểm là đơn sắc tốt và độ sáng cao, có thể đạt được các phép đo cực kỳ nhạy, chẳng hạn như quang phổ Raman và quang phổ hấp thụ laser diode có thể điều chỉnh.

Ứng dụng: Nó được sử dụng để đo các loại khí hòa tan (như metan CH4, carbon dioxide CO2) và các chất ô nhiễm vi lượng khác nhau.

4. Bao gồm những loại cảm biến ion nào?

Cảm biến ion chủ yếu được sử dụng để phát hiện nồng độ của các ion cụ thể trong nước và lõi của chúng nằm ở các điện cực chọn lọc ion hoặc các công nghệ cảm biến điện hóa tương tự.

Các loại chính bao gồm:

Điện cực chọn lọc ion

Nguyên tắc: Trên đỉnh điện cực có một màng chọn lọc ion đặc biệt chỉ phản ứng với ion mục tiêu, từ đó tạo ra sự chênh lệch điện thế ở hai bên màng. Độ lớn của sự chênh lệch điện thế này tỷ lệ thuận với logarit của nồng độ ion (phương trình Nernst).

Các loại phổ biến

Điện cực pH: ISE cổ điển nhất, nhạy cảm với H+.

Điện cực nitơ amoniac: Nó đo NH3 trong nước thông qua màng thấm khí và sau đó chuyển đổi thành nồng độ nitơ amoniac.

Điện cực nitrat: Đo NO3-.

Điện cực Fluoride: Đo F-.

Điện cực xyanua: Đo CN-.

Các điện cực ion canxi, kali, natri, clorua, v.v.

Cảm biến volt ampe

Nguyên tắc: Bằng cách đặt một điện áp khác nhau vào điện cực làm việc, dòng điện tạo ra bởi phản ứng REDOX sẽ được đo. Dòng điện cực đại liên quan đến nồng độ ion.

Ứng dụng: Thường được sử dụng để đo các ion kim loại nặng như chì Pb⊃2;⁺, cadmium Cd⊃2;⁺, đồng Cu⊃2;⁺, kẽm Zn⊃2;⁺, v.v. với độ nhạy cực cao.

Tóm tắt và so sánh

Danh mục cảm biến	Nguyên tắc cốt lõi	Thuận lợi	Các chỉ số đo điển hình
Cảm biến quang học	Sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất (hấp thụ, tán xạ, huỳnh quang)	Nó không cần thuốc thử, phản ứng nhanh, có thể được theo dõi liên tục và yêu cầu bảo trì tương đối thấp	Độ đục, COD, diệp lục a, nitrat, chất hữu cơ hòa tan
Cảm biến ion	Thay đổi điện thế hoặc dòng điện (màng chọn lọc ion, phản ứng REDOX)	Độ chọn lọc tốt, đo trực tiếp và áp dụng được cho nhiều ion	Nitơ amoniac, nitrat, florua, xyanua, pH, các ion kim loại nặng khác nhau