Diễn đàn Thế Giới Hoá Học - View Single Post

**F91** · 08-04-2008

1. Giới thiệu

Vấn đề quan trắc khí thải đã được manh nha từ những năm đầu thế kỉ XX. Chỉ đến những năm 50 của thế kỉ trước, đầu dò khí mới thật sự được đưa vào sử dụng trong kĩ thuật. Ở thời điểm hiện nay và trong những năm sắp tới, phát triển các loại đầu dò mới nhạy hơn, tốt hơn, bền hơn đang là một trong những mục tiêu quan trọng nhất của các ngành phân tích. Trong thực tế có rất nhiều loại đầu dò, ở seminar này chỉ tìm hiểu cấu tạo và hoạt động của một số đầu dò khí thường gặp.
Trước hết, đầu dò khí cũng là một loại đầu dò. Chức năng của nó là chuyển một hoặc nhiều tính chất vật lý (khối lượng, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, …) thành những tín hiệu có thể đo được, thông thường là tín hiệu điện. Từ đó có thể cho chúng ta biết khí có trong mẫu không và hàm lượng là bao nhiêu. Sự tiện lợi của đầu dò so với các phương pháp phân tích thông thường là ở chỗ không cần phải xử lý mẫu trước khi phân tích. Có rất nhiều loại đầu dò hoạt động theo các nguyên tắc khác nhau, và do đó chúng được chia ra thành nhiều loại. Hiện nay, thành phần phân bố các loại đầu dò được cho trên biểu đồ sau:

Biểu đồ phân bố các loại đầu dò

Các đầu dò khí hiện nay phát triển đa dạng và được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực:
• Môi trường: xác định hàm lượng khí thải trong một nhà máy, xí nghiệp sản xuất, hoặc xác định nồng độ khí ô nhiễm ở một thành phố …
• Y tế: xác định hàm lượng các khí hòa tan trong máu để chẩn đoán bệnh.
• Nông nghiệp: xác định hàm lượng khí thải từ cây theo từng giai đoạn phát triển, từ đó có thể thay đổi điều kiện nuôi dưỡng để đạt được hiệu quả tốt nhất.
• Kĩ thuật: thiết kế đầu dò oxy trong ống xả khí thải của xe, từ tín hiệu ở đầu dò sẽ thay đổi tỉ lệ giữa không khí và nhiên liệu để đạt hiệu quả nhất; thiết kế các hệ thống báo cháy…
Sau đây sẽ tiến hành xem xét cụ thể cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của một số đầu dò tiêu biểu.

2. Đầu dò điện hóa (Electrochemical sensors)

Trong số các loại đầu dò, đầu dò điện hóa đóng một vai trò rất lớn, và hiện nay vẫn đang dẫn đầu thị phần các loại đầu dò. Một số lượng khổng lồ các đầu dò điện hóa đã được chế tạo, thương mại và được sử dụng trong các lĩnh vực từ y học, môi trường cho đến kĩ thuật, nông nghiệp. Các nghiên cứu phát triển đầu dò điện hóa đi theo rất nhiều hướng và nhận được sự đóng góp của một số lớn các nhà khoa học – kĩ thuật.

a. Cấu tạo

Hiện nay, hầu hết các đầu dò điện hóa đều là đầu dò 3 điện cực: điện cực cảm biến (điện cực làm việc – working electrode), điện cực đối (counter electrode) và điện cực so sánh (reference electrode). Điện cực cảm biến là một điện cực chọn lọc ion, được bao phủ bằng một lớp mỏng dung dịch điện ly. Ngoài cùng là một màng mỏng, thông thường bằng polymer. Lớp màng này rất mỏng, chỉ từ 0.01 – 0.1 mm có thể cho phép khí quan tâm có thể thấm qua nhưng không cho nước hoặc ion thẩm thấu, do đó độ chọn lọc của các loại đầu dò điện hóa khá cao.
Cấu tạo chung của một đầu dò có thể biểu diễn bằng hình vẽ sau:

b. Nguyên tắc hoạt động

Khí cần đo thấm qua lớp màng mỏng polymer đi vào lớp dung dịch điện ly. Tại đây nó tham gia một cân bằng hóa học, có thể tiêu thụ hoặc sinh ra các ion được điện cực chọn lọc ion phát hiện (thông thường là trường hợp sinh ra hoặc tiêu thụ proton H+ và điện cực tương ứng là điện cực đo pH). Từ sự đo đạc thế hoặc dòng sinh ra, lượng khí thấm qua màng, từ đó lượng khí có ở trong mẫu phân tích được tính toán.
Lượng khí giới hạn có thể được phát hiện tùy thuộc vào lượng dung dịch điện ly trong đầu dò ít hay nhiều. Thông thường đầu dò đáp ứng tuyến tính đến 104. Ngoài sự phụ thuộc vào cấu tạo, đáp ứng của điện cực còn tùy vào thành phần của dung dịch điện ly và các yếu tố hình học của điện cực (bằng phẳng, nhám, diện tích bề mặt điện cực…)
Thông thường, hai điện cực được sử dụng nhiều nhất là Au và Pt bởi tính trơ hóa học của nó. Bảng sau đây trình bày các phản ứng điện cực trong đầu dò:

c. Đầu dò CO2

Đầu dò CO2 đầu tiên được thiết kế bởi Severinghaus và Bradley vào năm 1957 để đo áp suất CO2 trong máu. Điện cực mà hai ông thiết kế vẫn còn được sử dụng vào ngày nay ở các hệ thống phân tích khí trong máu tự động.

Điện cực cảm biến chính là một điện cực thủy tinh đo pH. Lớp màng mỏng thấm khí thông thường là silicone. Dung dịch điện ly là dung dịch NaHCO3/NaCl.

Khi CO2 khuếch tán qua màng bán thấm, tham gia cân bằng tạo H+ trong dung dịch, do đó pH của lớp dung dịch đệm sẽ thấp đi. Sự thay đổi này sẽ được đo bằng điện cực thủy tinh, và từ đó biết được nồng độ CO2 trong mẫu.
Sử dụng các màng thấm khí khác nhau, người ta cũng có thể đo được các khí khác: NO2, H2S, SO2, NH3…

d. Đầu dò O2

Được Clark giới thiệu đầu tiên vào năm 1953. Lớp màng mỏng hiện nay chủ yếu sử dụng là Teflon, polyethylene … Dung dịch điện phân thường là KCl và hệ đệm.
Khác với đầu dò CO2 đo thế ở trên, nguyên tắc hoạt động của đầu dò O2 lại là đo dòng xuất hiện trong mạch. O2 thấm qua màng và bị khử trên bề mặt điện cực. Cường độ dòng sinh ra sẽ tỉ lệ thuận với tốc độ O2 thấm qua, và do đó cũng tỉ lệ thuận với áp suất riêng phần của O2 có trong mẫu.

Những đầu dò đo dòng như trên sẽ cho tín hiệu tuyến tính với hàm lượng khí (đối với đầu dò đo thế, tín hiệu sẽ theo một hàm loga đối với hàm lượng). Thế áp vào cathode phải bảo đảm quá trình khử O2 là do quá trình chuyển chất quyết định.
Nhiều đầu dò O2 không có lớp màng thấm khí đã được phát triển trong thời gian gần đây. Phần lớn trong số đó là các đầu dò oxit kim loại, hoạt động được ở nhiệt độ cao và do đó được dùng để kiểm soát hàm lượng khí thải trong công nghiệp.

(to be continued ...)

08-04-2008	Mã bài: 26735 #1
F91 Moderator Tham gia ngày: Dec 2005 Location: Nha Trang Posts: 53 Thanks: 7 Thanked 82 Times in 35 Posts Groans: 0 Groaned at 0 Times in 0 Posts Rep Power: 36	Sensor khí ! 1. Giới thiệu Vấn đề quan trắc khí thải đã được manh nha từ những năm đầu thế kỉ XX. Chỉ đến những năm 50 của thế kỉ trước, đầu dò khí mới thật sự được đưa vào sử dụng trong kĩ thuật. Ở thời điểm hiện nay và trong những năm sắp tới, phát triển các loại đầu dò mới nhạy hơn, tốt hơn, bền hơn đang là một trong những mục tiêu quan trọng nhất của các ngành phân tích. Trong thực tế có rất nhiều loại đầu dò, ở seminar này chỉ tìm hiểu cấu tạo và hoạt động của một số đầu dò khí thường gặp. Trước hết, đầu dò khí cũng là một loại đầu dò. Chức năng của nó là chuyển một hoặc nhiều tính chất vật lý (khối lượng, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, …) thành những tín hiệu có thể đo được, thông thường là tín hiệu điện. Từ đó có thể cho chúng ta biết khí có trong mẫu không và hàm lượng là bao nhiêu. Sự tiện lợi của đầu dò so với các phương pháp phân tích thông thường là ở chỗ không cần phải xử lý mẫu trước khi phân tích. Có rất nhiều loại đầu dò hoạt động theo các nguyên tắc khác nhau, và do đó chúng được chia ra thành nhiều loại. Hiện nay, thành phần phân bố các loại đầu dò được cho trên biểu đồ sau: Biểu đồ phân bố các loại đầu dò Các đầu dò khí hiện nay phát triển đa dạng và được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực: • Môi trường: xác định hàm lượng khí thải trong một nhà máy, xí nghiệp sản xuất, hoặc xác định nồng độ khí ô nhiễm ở một thành phố … • Y tế: xác định hàm lượng các khí hòa tan trong máu để chẩn đoán bệnh. • Nông nghiệp: xác định hàm lượng khí thải từ cây theo từng giai đoạn phát triển, từ đó có thể thay đổi điều kiện nuôi dưỡng để đạt được hiệu quả tốt nhất. • Kĩ thuật: thiết kế đầu dò oxy trong ống xả khí thải của xe, từ tín hiệu ở đầu dò sẽ thay đổi tỉ lệ giữa không khí và nhiên liệu để đạt hiệu quả nhất; thiết kế các hệ thống báo cháy… Sau đây sẽ tiến hành xem xét cụ thể cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của một số đầu dò tiêu biểu. 2. Đầu dò điện hóa (Electrochemical sensors) Trong số các loại đầu dò, đầu dò điện hóa đóng một vai trò rất lớn, và hiện nay vẫn đang dẫn đầu thị phần các loại đầu dò. Một số lượng khổng lồ các đầu dò điện hóa đã được chế tạo, thương mại và được sử dụng trong các lĩnh vực từ y học, môi trường cho đến kĩ thuật, nông nghiệp. Các nghiên cứu phát triển đầu dò điện hóa đi theo rất nhiều hướng và nhận được sự đóng góp của một số lớn các nhà khoa học – kĩ thuật. a. Cấu tạo Hiện nay, hầu hết các đầu dò điện hóa đều là đầu dò 3 điện cực: điện cực cảm biến (điện cực làm việc – working electrode), điện cực đối (counter electrode) và điện cực so sánh (reference electrode). Điện cực cảm biến là một điện cực chọn lọc ion, được bao phủ bằng một lớp mỏng dung dịch điện ly. Ngoài cùng là một màng mỏng, thông thường bằng polymer. Lớp màng này rất mỏng, chỉ từ 0.01 – 0.1 mm có thể cho phép khí quan tâm có thể thấm qua nhưng không cho nước hoặc ion thẩm thấu, do đó độ chọn lọc của các loại đầu dò điện hóa khá cao. Cấu tạo chung của một đầu dò có thể biểu diễn bằng hình vẽ sau: b. Nguyên tắc hoạt động Khí cần đo thấm qua lớp màng mỏng polymer đi vào lớp dung dịch điện ly. Tại đây nó tham gia một cân bằng hóa học, có thể tiêu thụ hoặc sinh ra các ion được điện cực chọn lọc ion phát hiện (thông thường là trường hợp sinh ra hoặc tiêu thụ proton H+ và điện cực tương ứng là điện cực đo pH). Từ sự đo đạc thế hoặc dòng sinh ra, lượng khí thấm qua màng, từ đó lượng khí có ở trong mẫu phân tích được tính toán. Lượng khí giới hạn có thể được phát hiện tùy thuộc vào lượng dung dịch điện ly trong đầu dò ít hay nhiều. Thông thường đầu dò đáp ứng tuyến tính đến 104. Ngoài sự phụ thuộc vào cấu tạo, đáp ứng của điện cực còn tùy vào thành phần của dung dịch điện ly và các yếu tố hình học của điện cực (bằng phẳng, nhám, diện tích bề mặt điện cực…) Thông thường, hai điện cực được sử dụng nhiều nhất là Au và Pt bởi tính trơ hóa học của nó. Bảng sau đây trình bày các phản ứng điện cực trong đầu dò: c. Đầu dò CO2 Đầu dò CO2 đầu tiên được thiết kế bởi Severinghaus và Bradley vào năm 1957 để đo áp suất CO2 trong máu. Điện cực mà hai ông thiết kế vẫn còn được sử dụng vào ngày nay ở các hệ thống phân tích khí trong máu tự động. Điện cực cảm biến chính là một điện cực thủy tinh đo pH. Lớp màng mỏng thấm khí thông thường là silicone. Dung dịch điện ly là dung dịch NaHCO3/NaCl. Khi CO2 khuếch tán qua màng bán thấm, tham gia cân bằng tạo H+ trong dung dịch, do đó pH của lớp dung dịch đệm sẽ thấp đi. Sự thay đổi này sẽ được đo bằng điện cực thủy tinh, và từ đó biết được nồng độ CO2 trong mẫu. Sử dụng các màng thấm khí khác nhau, người ta cũng có thể đo được các khí khác: NO2, H2S, SO2, NH3… d. Đầu dò O2 Được Clark giới thiệu đầu tiên vào năm 1953. Lớp màng mỏng hiện nay chủ yếu sử dụng là Teflon, polyethylene … Dung dịch điện phân thường là KCl và hệ đệm. Khác với đầu dò CO2 đo thế ở trên, nguyên tắc hoạt động của đầu dò O2 lại là đo dòng xuất hiện trong mạch. O2 thấm qua màng và bị khử trên bề mặt điện cực. Cường độ dòng sinh ra sẽ tỉ lệ thuận với tốc độ O2 thấm qua, và do đó cũng tỉ lệ thuận với áp suất riêng phần của O2 có trong mẫu. Những đầu dò đo dòng như trên sẽ cho tín hiệu tuyến tính với hàm lượng khí (đối với đầu dò đo thế, tín hiệu sẽ theo một hàm loga đối với hàm lượng). Thế áp vào cathode phải bảo đảm quá trình khử O2 là do quá trình chuyển chất quyết định. Nhiều đầu dò O2 không có lớp màng thấm khí đã được phát triển trong thời gian gần đây. Phần lớn trong số đó là các đầu dò oxit kim loại, hoạt động được ở nhiệt độ cao và do đó được dùng để kiểm soát hàm lượng khí thải trong công nghiệp. (to be continued ...) thay đổi nội dung bởi: F91, ngày 08-04-2008 lúc 11:24 AM.