Hiểu biết về Ozone Các phương pháp xác định nồng độ Ozone

Các phương pháp xác định nồng độ Ozone

Đo Lường Ozone

Trong kỹ thuật nghiên cứu chế tạo các thiết bị ozone, trong ứng dụng ozone luôn cần các phép đo ozone. Ozone cần được đo trong môi trường khí hay ozone hòa tan trong nước, đo ozone trong các quá trình phân hủy ozone bởi nhiệt hay bởi vi sinh vật. Chúng ta đã thực hiện các phép đo nồng độ ozone phụ thuộc vào nồng độ oxi của khí dưỡng, nhiệt độ, độ ẩm và lưu lượng khí dưỡng. Nồng độ ozone cũng đã được đo trong quá trình phân hủy nhiệt và quá trình phân hủy ozone bởi xúc tác MnO2.

Các phương pháp chính để đo nồng độ ozone là:

- Phương pháp hấp thụ ozone bởi tia UV (Phương pháp xác định chính xác nhất)

- Sử dụng các loại sensơ khí, trong đó ozone (hay các khí khác) làm thay đổi độ dẫn, thay đổi thế điện hóa của các cấu tử sensơ.

- Đo ozone thông qua thế oxi hóa khử ORP

- Các phương pháp hóa học, so màu... cũng được ứng dụng để đo nồng độ ozone.

Phương pháp hấp thụ tia UV

Dựa trên khả năng hấp thụ tia UV bước sóng trung bình của ozone, người ta đã thiết kế, chế tạo máy đo nồng độ ozone bằng hấp thụ tia UV. Hệ số hấp thụ ozone cao nhất đối với bước sóng 254 nm, người ta tạo ra bước sóng này bằng đèn thủy ngân áp suất thấp. Phổ của đèn thủy ngân áp suất thấp có nhiều bước sóng, song bước sóng có cường độ mạnh nhất là bước sóng 254 nm. Dùng hệ lọc quang học, có thể loại bỏ các bước sóng khác, chỉ giữ lại sóng 254 nm.

Nếu gọi Io và I là cường độ tia UV trước và sau khi đi qua buồng chứa ozone thì có thể viết: I = I_o e ^arL, trong đó a là hệ số hấp thụ tia UV bởi ozone; r: nồng độ khí ozone; L: các thông số hình học. Như vậy bằng việc đo cường độ tia UV ta có thể tính được nồng độ r (g/m³).

Sơ đồ Hình 3 giới thiệu nguyên lý máy đo nồng độ ozone trong khí theo nguyên lý hấp thụ UV và theo cách so sánh. Hai ống thủy tinh giống nhau, một ống chứa khí ozone (1) và một ống chỉ có khí dưỡng (2) (không khí hoặc oxi). Nhiệt độ, áp suất khí trong hai ống là giống nhau. Tia UV bước sóng 254 nm đi qua hệ thống gương bán mờ, tạo ra 2 tia như nhau chiếu vào hai buồng chứa khí. Ống (1) có ozone nên tia 254 nm bị hấp thụ mạnh, cường độ giảm. Ống (2) không có ozone nên tia 254 nm ít bị hấp thụ. Hai tia UV đi qua hai ống (1) và (2) chiếu lên hai photo diod tạo ra dòng điện khác nhau. Chênh lệch tín hiệu từ các photo diod được xử lý và hiển thị dưới dạng nồng độ g O3/m³.

Sơ đồ đo nồng độ ozone trong nước được mô tả trên Hình 4. Tia UV bước sóng 254 nm chiếu vào bình nước chứa ozone và không chứa ozone. Bước sóng này ít bị hấp thụ bởi nước, nhưng bị hấp thụ mạnh bởi ozone. Sau khi xuyên qua nước, tia sáng rọi lên sensơ quang - điện, tín hiệu được xử lý và hiển thị.
Gọi cường độ tia sáng đi qua nước không chứa ozone là Io (cường độ tia sáng được sensơ biến thành tín hiệu điện) và khi có ozone là I thì nồng độ ozone C (ppm) (tính theo trọng lượng) được tính toán bằng:

C _(O3) = ( 106 T/273 PLk). log (I_o/I)

Trong đó:

k là hằng số thực nghiệm, được xác định bằng phép chuẩn máy
T và P: nhiệt độ và áp suất không khí
L: chiều dài quãng đường tia sáng đi qua trong nước.

Phương pháp hấp thụ UV có thể dùng để đo ozone trong cả nước và không khí. Nồng độ đo dưới 25 ppm. Độ chính xác ~1.5%.

Sensor khí cấu trúc MOS

Công nghệ vi điện tử ra đời gắn liền với cấu trúc MOS (kim loại-oxit-bán dẫn). Một phần công nghệ MOS dành cho việc chế tạo các loại senso khí. Sensơ nhạy khí cấu trúc MOS gồm ba lớp: lớp bán dẫn (thí dụ đa tinh thể SnO2) được cấy lên đế oxid và nối với điện cực kim loại (Hình 5). Chất nhạy khí là các tinh thể bán dẫn (thí dụ như SnO2) kích thước nano mét. Trong không khí sạch và khi được nung nóng (vài trăm độ), các hạt nhạy khí SnO2 hấp phụ các phân tử khí (thí dụ oxi, ozone) lên bề mặt, nhất là tại biên giới các hạt. Tại đây, oxi lấy các điện tử của SnO2, để lại lỗ trống và tạo ra hàng rào thế hướng từ lớp SnO2 sang lớp oxi. Hàng rào thế này cản trở điện tử chạy giữa các hạt SnO2 làm cho điện trở R của sensơ tăng cao. Trong môi trường khí có các chất khí khử (thí dụ dioxit carbon), phản ứng oxi hóa khử xảy ra: O2 +CO CO2. Oxi bị khử và không còn nhận điện tử của SnO2, và không cản trở dòng điện chạy qua lớp bán dẫn SnO2. Điện trở của sensơ giảm. Sự thay đổi điện trở của sensor (D R) tỷ lệ với nồng độ CO.

Dưới đây liệt kê sensor nhạy khí cấu trúc MOS loại MQ. Có thể thấy, sensor này có thể phát hiện rất nhiều loại khí có hại: từ hơi cồn, khí ga tự nhiên đến ozone, mono oxit carbon hay H2S... Sensor khí MQ thuộc loại sensor cấu trúc MOS. Chúng là sản phẩm thương mại, có thể sử dụng để đo các loại khí khác nhau, trong đó có ozone.

MQ2	Nhạy với: Methane- Butane-LPG (khí hóa lỏng)- khói.
MQ3	Nhạy với Alcohol- Ethanol- smoke.
MQ4	Nhạy với Methane- CNG khí đốt tự nhiên nén.
MQ5	Nhạy với khí tự nhiên và hóa lỏng - LPG.
MQ6	Nhạy với LPG- butane.
MQ7	Nhạy với Carbon Monoxide CO
MQ8	Nhạy với khí Hydrogen.
MQ9	Nhạy với Carbon Monoxide, khí đốt
MQ131	Nhạy với Ozone.
MQ135	Nhạy với Benzene-cồn- khói.
MQ136	Nhạy với khí Hydrogen Sulfide H2S
MQ137	Nhạy với Ammonia NH3
MQ138	Nhạy với Benzene-Toluene- Alcohol- Acetone- Propane
Formaldehyde	gas- Hydrogen gas
MQ214	Nhạy với Methane- Khí tự nhiên
MQ216	Nhạy với Khí tự nhiên, khí than

Đo và tính nồng độ ozone thông qua thế oxi hóa khử ORP

Quan hệ giữa nồng độ ozone (ppm, mg/L) và thế ORP (mV) của nước

Khi oxi, ozone hay clor hòa tan trong nước, chúng làm thay đổi thế oxi hóa khử của nước. Nồng độ các chất oxi hóa càng cao, thế oxi hóa càng cao (0 - 2000 mV). Người ta đã xác lập được mối liên hệ giữa ORP và nồng độ ozone C: ORP =f (C).
Đồ thị mối liên hệ giữa thế oxi hóa và nồng độ ozone ORP = f(Cppm) trình bày trên hình 6. Có thể thấy để có ORP ~800 mV, cần nồng độ ozone cỡ 0,2-0,5 ppm (mg/L).

Bảng Quy đổi tương đối giữa chỉ số ORP và nồng độ ozone trong nước